Individualisiertes virtuelles Herz-Modell für Diagnostik

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Alfio Quarteroni, Mathematiker an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL, und sein Team entwickeln ein virtuelles Herz-Modell, das auf individuellen medizinischen Scans beruht. Es soll eines Tages Kardiologen und Herzchirurgen helfen, pathologische Veränderungen des Herzens nicht-invasiv zu diagnostizieren und zu behandeln. 

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Alfio Quarteroni, Mathematiker an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL, und sein Team entwickeln ein virtuelles Herz-Modell, das auf individuellen medizinischen Scans beruht. Es soll eines Tages Kardiologen und Herzchirurgen helfen, pathologische Veränderungen des Herzens nicht-invasiv zu diagnostizieren und zu behandeln.

Erst kürzlich haben die Forscher das Verhalten einer Aortenklappe eines Patienten simuliert. Eine virtuelle Version des jeweiligen Herzens eines Patienten soll den Ärzten helfen, ohne chirurgische Eingriffe Herzkrankheiten zu erkennen und die beste Behandlung in die Wege zu leiten.

Alfio Quarteroni entwickelt mathematische Werkzeuge, um die Herzfunktion mit zunehmender Präzision zu simulieren. Sie lassen sich auf der Basis medizinischer Scans personalisieren. Kürzlich hat er das Verhalten einer patientenspezifischen Aortenklappe zu seinem funktionalen Herzmodell hinzugefügt. Die Ergebnisse werden am 7. Juni im Journal „Biomechanics and Modeling in Mechanobiology“ erscheinen.

Ein personalisiertes Herzmodell zur Vorbeugung

Das menschliche Herz ist ein außergewöhnlich komplexes Organ, das lebenslang rund 180 Millionen Liter Blut durch den Körper pumpt, eine Menge, die mehr als sieben olympische Schwimmbecken füllen würde, und dabei gewährleistet, das sauerstoffgesättigtes Blut alle Körperteile erreicht. Herz-Kreislauf-Probleme können zu Fehlfunktionen, Krankheit oder Tod führen. Herzkrankheiten stehen für 40 Prozent aller Todesfälle in der EU und kosten rund 196 Milliarden im Jahr, wobei sich 80 Prozent der erworbenen Herzerkrankungen und Schlaganfälle vermeiden ließen. Quarteroni will dazu beitragen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen vorzubeugen und zu behandeln, indem er den Patienten ein personalisiertes virtuelles Herz bereitstellt. Dabei handelt es sich hauptsächlich um eine detaillierte mathematische Beschreibung des Herzens und seiner Funktionen oder Fehlfunktionen. Jedes Herz ist einzigartig. Die Feinheiten jedes individuellen Herzens zu modellieren, erfordert daher eine maßgeschneiderte mathematische Beschreibung sowohl seiner Geometrie als auch seiner Dynamik. Aber das in einer mathematisch korrekten Weise zu tun, gestaltet sich nicht einfach; es erfordert große Mengen patientenspezifischer Daten und hohe Rechenleistung, um komplexe Gleichungen zu lösen.  Mit immer leistungsfähigeren Rechnern rückt aber die Entwicklung eines realistischen virtuellen Herzens in greifbare Nähe.

Wie eine virtuelle Aortenklappe entsteht

In der Entwicklung eines vollständigen und funktionalen virtuellen Herzens kann die Aortenklappe nicht vernachlässigt werden. Quarteroni und sein Team haben ihr Herzmodell um die Möglichkeit ergänzt, Blut aus dem Herz in die Aorta fließen zu lassen, und dabei die komplexen Formen und Eigenschaften der physiologischen Membranen berücksichtigt: die Klappentaschen. Eine mathematische Beschreibung der Aortenklappe und ihrer Interaktion mit dem Blutfluss sei bereits beschrieben worden, merkt Quarteroni an, aber nicht in diesem Detaillierungsgrad für den jeweiligen Patienten. Aus MRI-Scans des Patienten haben die Forscher die Form der Aorta rekonstruiert, dargestellt mittels einer 3D-Vernetzung. Mit mathematischen Werkzeugen, welche die Mechanik der Klappe charakterisieren, haben sie die Bewegung der drei Klappentaschen beschrieben, die zusammen die Aortenklappe ausmachen. Um zu bestimmen, wie das Blut in den Vorhöfen zirkulierten, haben sie dann Navier-Stokes-Gleichungen zur Beschreibung viskoser Flüssigkeiten numerisch gelöst und sie der patientenspezifischen Geometrie angepasst.

Bereits mit dieser vorläufigen Arbeit stellt es sich relativ einfach dar, das Modell mit Hilfe eines neuen Satzes von MRI-Scans für einen anderen Patienten zu personalisieren. Als Leiter des EU-geförderten Projekts iHeart ist Quarteronis langfristige Vision, eine patientenspezifisches Modell des gesamten Herz-Kreislauf-Systems zu erstellen, inklusive Herz, allen Blutgefäßen und den rund fünf Litern Blut, die im Körper zirkulieren. Quarteroni sagt: „Wenn iHeart erfolgreich ist, wird es Ärzten helfen, wichtige Fragestellungen effizient anzugehen, sowohl was die Diagnostik als auch die Behandlung betrifft, mit enormen Auswirkungen auf die Gesellschaft. Es wird eine einzigartige, noch nie dagewesene Entwicklungsumgebung für die Erforschung des Herzens mit einem sehr leistungsfähigen und nicht-invasiven mathematischen Mikroskop bereitstellen, indem es ermöglicht, Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie eine Stenose der Halsschlagader oder Aneurysmen, die Herz, Bauchraum, Gehirn und andere Körperteile schädigen können, zu simulieren.“

Quarteroni geht davon aus, dass eine personalisiertes virtuelles Herzmodell in weniger als einem Jahrzehnt verfügbar sein könnte. Frühe Prototypen des virtuellen Modells könnten schon bald entwickelt und getestet werden, möglicherweise in den kommenden fünf Jahren. Dies würde erhebliche Investitionen in die Entwicklung robuster mathematischer und numerischer Werkzeuge erfordern, um die Herzfunktionen angepasst an den jeweiligen Patienten zu simulieren.

DOI:Article DOI : 10.1007/s10237-017-0919-1

 

Bild: Quarteroni und sein Team haben ihr Herzmodell um die Möglichkeit ergänzt, Blut aus dem Herz in die Aorta fließen zu lassen, und dabei die komplexen Formen und Eigenschaften der physiologischen Membranen berücksichtigt: die Klappentaschen der Aortenklappe. Quelle. EPFL

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