OP zuerst am digitalen Zwilling üben
Informatik. Grazer Forscher haben am Computer ein exaktes Abbild des Herzens geschaffen. Es soll helfen, das Risiko bei Herzoperationen zu senken und die Therapie zu verbessern.
Wenn das Herz aus dem Takt gerät, dann geht es oft um Leben und Tod. Um Menschen zu retten, werden allein in Österreich alljährlich rund 15.000 Herztherapien durchgeführt, mehr als die Hälfte betrifft das Einsetzen von Schrittmachern. Doch operative Eingriffe sind trotz der Fortschritte der modernen Medizin mit Risken verbunden, und der Therapieerfolg ist schwer vorhersehbar. „Fast bei jedem dritten Patienten, dem ein Schrittmacher zur mechanischen Resynchronisation des Herzschlags eingepflanzt wurde, ist diese Behandlung nicht zielführend“, sagt Gernot Plank vom Institut für Biophysik der Med-Uni Graz. Er will mit seiner Forschung Herzpatienten neue Hoffnung geben.
Plank entwickelte mit seinem Team in einem Projekt von BioTechMed, einem Zusammenschluss von Forschungsteams von Uni, TU und Med-Uni, einen digitalen Herz-Zwilling: Dieser erlaubt es, Eingriffe virtuell vorwegzunehmen. „Damit weiß der Arzt schon im Vorhinein genau, wo er beim Einsetzen des Schrittmachers die Elektroden platzieren muss und wie er sie optimal ansteuert. Das verkürzt die Zeit, die der Patient am Operationstisch verbringt, und senkt durch die kürzere Eingriffszeit das Risiko“, erklärt er.
Pumpleistung abbilden
Der digitale Zwilling ist ein exaktes Abbild des Patientenherzens auf dem Computer. „Dank hochauflösender bildgebender Verfahren kann man viele Daten über das Herz des jeweiligen Patienten gewinnen“, erläutert Kooperationspartner Thomas Pock vom Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen der TU Graz. „Doch wir müssen auch wissen, wie sich die Anatomie des Organs bei jedem Herzschlag verändert. Dazu haben wir einen Algorithmus entwickelt, der Millionen von Variablen berechnet und es erlaubt, den Ablauf der elektrischen Erregung, die ja die Pumpleistung des Herzens steuert, zu rekonstruieren.“Daraus wiederum könne man exakt ableiten, wie man den Erregungsablauf therapeutisch verändern muss.
Mit diesem Wissen testen die Mediziner am Computer, wie man am besten vorgeht, wenn der Patient später tatsächlich auf dem OP-Tisch liegt. Die Simulation zeigt zudem, wie das Herz auf unterschiedliche Interventionen reagiert: etwa wenn ein Schrittmacher eingesetzt wird oder auch bei Ablationstherapien, bei denen gezielt Gewebsveränderungen vorgenommen werden, um eine Funktionsstörung des Herzens zu beseitigen. Auf diese Weise lässt sich risikolos erkennen, welche der zahlreichen Therapiemöglichkeiten am wirksamsten ist.
Maßgeschneiderte Therapien
„Jedes menschliche Herz ist einzigartig“, unterstreicht Pock die Bedeutung des „digitalen Zwillings“. „Daher ist es wichtig, individuelle Modellierungen zu erstellen, um maßgeschneiderte, personalisierte Therapien anbieten zu können.“Ein optimal eingesetzter Schrittmacher verkürze nicht nur die Dauer der Operation, sondern arbeite in der Folge auch effizienter.
Aber auch beim Einpflanzen von Defibrillatoren, wie dies bei gewissen Rhythmusstörungen durchgeführt wird, kann der digitale Zwilling unterstützen. Plank: „Die Elektroschocks, die die Defibrillatoren aussenden, sind für den Patienten traumatisierend und senken die Lebensqualität. Dieser Eingriff sollte daher nur vorgenommen werden, wenn es absolut notwendig ist.“Schätzt man virtuell ab, ob diese Therapie überhaupt sinnvoll ist, könne man die Zahl der nicht notwendigen Implantate verringern, auf alternative Therapieformen zurückgreifen und den Betroffenen viel unnötiges Leid ersparen, sagt der Forscher.
Neben der klinischen Anwendung eröffne der „digitale Zwilling“auch im Forschungsbereich, bei der Entwicklung neuer medizinischer Verfahren, neue Möglichkeiten, erklärt Plank. Die Erprobung am virtuellen Modell reduziere die Zahl der Probanden in klinischen Studien, sei damit kostensparend und nicht mit ethischen Problemen behaftet.
Die von den Wissenschaftlern gemeinsam mit Mathematikern der Uni Graz entwickelte Technologie wird bereits vom Grazer Startup NumeriCor vertrieben und von Medizintechnik-Unternehmen eingesetzt. Plank hofft, dass der digitale Zwilling nach Beendigung der vorklinischen Studien zur Optimierung in spätestens fünf Jahren auch im klinischen Bereich Routine sein wird.