Ein Herz aus Bits und Bytes
Mithilfe personalisierter Computermodelle menschlicher Herzen sollen verschiedene Krankheiten künftig besser behandelbar werden.
Seit rund 20 Jahren beschäftigt sich Gernot Plank mit der Computermodellierung menschlicher Herzen. Jetzt hat der assoziierte Professor am Institut für Biophysik der Medizinischen Universität Graz die Technologie so weit vorangetrieben, dass ihre Anwendung in der klinischen Behandlung von Herzerkrankungen erstmals in greifbare Nähe gerückt ist.
Möglich machen das personalisierte Modelle individueller Herzen von Menschen. Die dreidimensionale anatomische Struktur wird dabei aus CT- oder MRT-Aufnahmen des Patienten generiert – das funktioniert mittlerweile automatisiert in weniger als zwei Stunden mit einer Auflösung von 250 Mikrometern. Doch natürlich soll das Herz im Rechner nicht nur eine anatomisch exakte Kopie seines menschlichen Vorbilds sein, sondern sich auch so verhalten. Es soll also, vereinfacht gesagt, genauso schlagen, elektrische Wellenfronten genauso weiterleiten und idealerweise auf äußere Reize ganz genauso reagieren.
Operationsdauer verkürzen
Ein digitaler Zwilling, der nicht nur anatomisch, sondern auch funktional das exakte Gegenstück eines realen menschlichen Herzens ist, verspricht etliche Vorteile bei der Behandlung von Krankheiten. Zum Beispiel könnte man geplante Eingriffe am Herzen vorab im Modell durchspielen und dabei versteckte Risiken erkennen, aber auch die Abläufe optimieren. „Das hätte den Vorteil, dass man die Eingriffszeit am offenen Herzen verkürzen kann“, sagt Plank. „Und die ist ein wesentlicher Risikofaktor für Komplikationen. Je länger ein Eingriff dauert, desto höher ist die Komplikationsrate.“
Die große Aufgabe besteht darin, das Modell im Rechner so anzupassen, dass es sich exakt so verhält wie das reale Herz, das dem
Modell Pate stand. Das Problem dabei: Die elektrischen Ausbreitungswege im Inneren des Herzens lassen sich nicht direkt beobachten, sondern nur indirekt über EKG-Messungen an der Körperoberfläche.
Die Personalisierung des Modells besteht also darin, das Herz im Computer so anzupassen, dass es zu den EKG-Daten des realen Herzens „passt“. Soll auch die Mechanik des Herzens mitsimuliert werden, sind außerdem die Resultate intrakoronarer Druckmessungen mit einzubeziehen. Dafür müssen riesige Gleichungssysteme mit bis zu 100 Millionen Variablen gelöst werden, die sämtliche physikalischen Prozesse des Herzens als partielle Differenzialgleichungen repräsentieren.
Bisher benötigten diese Berechnungen rund zwei Tage auf einem Supercomputer. Im von Bio Tech Med Graz ausgeschriebenen Leuchtturmprojekt „ILearnHeart“haben Forscher der Med-Uni Graz, der TU Graz und der Universität Graz unter der Leitung von Plank optimierte Berechnungsverfahren entwickelt, die es nun erlauben, die komplexen Rechnungen in Echtzeit auf Standardcomputern durchzuführen. Damit sind erstmals klinische Anwendungen in greifbare Nähe gerückt. Klarerweise haben die wenigsten Krankenhäuser einen Supercomputer im Serverraum stehen.
Als erste Anwendung visieren Plank und sein Team die Behandlung ventrikulärer Tachykardien an. Das sind Störungen des Herzrhythmus, die verhindern, dass das Herz ausreichend Blut pumpen kann. Häufig treten sie nach einem Infarkt auf, weil das aufgrund des Infarkts vernarbte Herzmuskelgewebe die Weiterleitung elektrischer Signale behindert. Als Therapie erhalten Patienten häufig einen Defibrillator implantiert, der dem Patienten bei Auftreten der Arrhythmien einen Elektroschock verpasst. Das ist jedoch sehr schmerzhaft, und die Aussicht, jederzeit ohne Vorwarnung einen Stromstoß bekommen zu können, schränkt die Lebensqualität stark ein.
Ein schonenderes Verfahren ist die Ablation. Dabei versucht der Herzchirurg mittels eines Katheters die Zugänge des Infarktareals zu veröden. Hier kommt das Herzmodell ins Spiel. „Man kann das Infarktareal bildbasiert sehr gut analysieren“, sagt Plank. „Wir sehen die einzelnen Pfade in diesem Labyrinth und können vor dem Eingriff sagen, wo optimale Punkte zum Veröden sind.“Der ausführende Arzt kann das dreidimensionale Modell also während des Eingriffs zur Unterstützung nutzen und den Eingriff schneller abschließen.
Test an Schweinen
Mit Wissenschaftern des King’s College London haben die Steirer das erfolgreich an Schweinen getestet. Im kommenden Jahr soll in Graz eine klinische Studie an Menschen starten. Die mathematische Methode zur Identifikation der geeignetsten Ablationspunkte wurde zudem zum Patent angemeldet.
Eine andere potenzielle Anwendung ist die kardiale Resynchronisationstherapie für Patienten mit Herzinsuffizienz. Bei ihnen kontrahieren aufgrund von Störungen in der Erregungsleitung die linke und die rechte Herzkammer nicht mehr synchron. Ein implantierter Schrittmacher soll das ausgefallene Reizleitungssystem wieder aktivieren. Allerdings gibt es hierbei eine Vielzahl von Stellschrauben, von der genauen Positionierung der Elektroden am Herzen bis zu Details der elektrischen Stimulation. „Das ist ein komplexes Optimierungsproblem“, sagt Plank.
Auch hierbei könnten Analysen am Herzmodell des Patienten dabei helfen, den Eingriff rascher und sicherer zu gestalten. Die dafür nötigen Berechnungen sind allerdings äußerst anspruchsvoll und das Verfahren daher noch nicht reif für den klinischen Einsatz.