France

TU Graz Ein digitaler Zwilling für das Herz

Redakteur: Kristin Breunig

Herz-Kreislauf-Erkrankungen zählen in Europa nach wie vor zu den häufigsten Todesursachen. Bei rund 30 Prozent der Patienten, denen ein Herzschrittmacher eingesetzt wird, ist die Therapie nicht erfolgreich. Um solche Eingriffe im Vorfeld ausschließen zu können, haben Forschende der TU und der Uni Graz ein Computermodell zur Vorsimulierung der Therapie entwickelt.

Firmen zum Thema

Simulation eines digitalen Zwillingsherzens
Simulation eines digitalen Zwillingsherzens
(Bild: Plank – Med Uni Graz)

Der Therapieerfolg bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist von Patient zu Patient unterschiedlich und abhängig vom jeweiligen Krankheitsbild. Gernot Plank, Forscher am Institut für Biophysik der Medizinischen Universität Graz, erklärt: „ Beispielsweise ist bei rund 30 Prozent der Herz-Patientinnen und -Patienten, denen ein Herzschrittmacher zur mechanischen Resynchronisation des Herzschlags eingepflanzt wurde, die Schrittmachertherapie nicht erfolgreich.“ Plank hat gemeinsam mit den Mathematikern der Uni Graz Gundolf Haase und Kristian Bredies sowie mit Informatiker Thomas Pock vom Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen der TU Graz ein Computermodell entwickelt, mit dem Ärztinnen und Ärzte die optimale Therapie vorsimulieren und den Behandlungserfolg dramatisch verbessern können.

Die Forschenden bedienen sich dabei diagnostischer Daten aus MR-, EKG- und anderen Herzuntersuchungen der zu behandelten Person. Bildgebende Algorithmen bauen aus diesem Datenmaterial ein digitales Abbild des Patientenherzens. Dieses maßgeschneiderte Modell liefert eine Fülle an Informationen, die dazu beitragen, das individuelle Krankheitsbild zu verstehen und verschiedene therapeutische Szenarien durchzuspielen.

Bildergalerie

Die Herausforderung dahinter erklärt Thomas Pock: „Um so einen Herzschlag im Computer zu simulieren, muss man Millionen von Variablen berechnen. Das erfordert komplexe mathematische Verfahren, spezielle Algorithmen und spezielle Hardware, die Milliarden von Rechenaktionen pro Sekunde ausführen können.“

Die Methode ist einsatzbereit

Die entwickelte Methode sei derart ausgereift und automatisiert, dass anatomisch korrekte digitale Zwillinge von Patientenherzen schon routinemäßig in einem klinischen Umfeld hergestellt werden könnten, so die Verantwortlichen. In einem nächsten Schritt möchten die Forschenden die Technologie weiter verbessern und eine vollautomatische Anpassung aller funktionellen Aspekte des Herzschlags ermöglichen. „Das erfordert weitere Anstrengungen in der Grundlagenforschung, insbesondere in jenen Bereichen des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz (KI), die einen hohen Grad an Personalisierung erlauben“, erläutert Pock.

Weiterentwicklung

Ein sehr vielversprechender Ansatz basiert auf neuesten KI-Methoden zur optimalen Steuerung und konzentriert sich auf die Wellenausbreitung im Herzen, die durch die Ausrichtung der Herzmuskelfasern gesteuert wird. Das Konsortium möchte diesen Ansatz in Zusammenarbeit mit dem Cardiocentro Ticinio (Zentrum für computer-assistierte Kardiologie, Lugano) in einem neuen Forschungsprojekt verfolgen und versuchen, die „Steuerelemente“ mithilfe von Machine-Learning-Techniken derart ins Modell einfließen zu lassen, dass der simulierte Herzschlag möglichst nahe an den echten Herzschlag herankommt.

Erste klinische Validierungsstudien sind in Zusammenarbeit mit Daniel Scherr von der Klinischen Abteilung für Kardiologie der Medizinischen Universität Graz ebendort für das Jahr 2021 in Vorbereitung. Plank und Pock gehen davon aus, dass klinisch einsetzbare Prototypen eines vollautomatischen digitalen Zwillingsherzens schon im Jahr 2022 getestet werden können. Laut eigenen Angaben wird die Simulationstechnologie, auf der die Methode aufbaut, bereits vom Grazer Startup Numericor vertrieben sowie von führenden Medizintechnik-Unternehmen im R&D-Bereich eingesetzt.

Lesen Sie auch

Weitere Artikel zur Zukunft der Medizintechnik finden Sie in unserem Themenkanal Forschung.

(ID:47100727)