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Mit dem Herzsimulator zur optimalen Therapie

Ein naturgetreues Computermodell des menschlichen Herzens soll die Behandlung von Herzkrankheiten effektiver machen: Ärzte sollen Medikamente und Operationstechniken vorab am Computerherzen testen können und so die wirksamste Therapie ermitteln. Prof. Dr. Olaf Dössel, Direktor des Instituts für Biomedizinische Technik am KIT, zählt das Herzmodell seines Teams zu den Top 5 weltweit.

Je älter wir werden, desto größer ist das Risiko einer Herzkrankheit: Mal verengen sich die Gefäße, mal verstopfen sie gar, mal gerät das Herz aus dem Takt. Zwar existieren bereits eine Reihe zuverlässiger Techniken, um ein Herzleiden zu diagnostizieren – das EKG macht die Herzströme sichtbar, die Ultraschall-Bildgebung den Blutfluss und damit etwa undichte Herzklappen. Aber bislang können Kardiologen die Erfolgsaussichten einer Therapie nicht vorhersagen. Geht es nach Olaf Dössel, Direktor des Instituts für Biomedizinische Technik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), soll sich das in den nächsten Jahren ändern: „Die Suche nach einer geeigneten Therapie folgt in der Medizin häufig dem „Trial and Error"-Prinzip. Man weiß erst hinterher, welche Therapie am besten wirkt. Unser Motto lautet hingegen: „First time right". Unser Modell soll den Erfolg einer Therapie vorhersagen können."

Glossar

  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Magnetresonanztomografie (MRT) oder auch Kernspintomografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Die MRT beruht auf der Nutzung magnetischer Felder und erlaubt die Erzeugung sehr genauer Schnittbilder des menschlichen Körpers.
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Magnetresonanztomografie (MRT) oder auch Kernspintomografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Die MRT beruht auf der Nutzung magnetischer Felder und erlaubt die Erzeugung sehr genauer Schnittbilder des menschlichen Körpers.
  • Im Elektrokardiogramm (EKG) wird die Summe der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern registriert. Es wird durch Elektroden von Gliedmaßen und Brustwand abgeleitet und in einer Zeitachse aufgezeichnet (Elektrokardiographie). Aus dem Kurvenlauf lassen sich Aussagen zu Eigenschaften und Erkrankungen des Herzens (Herzrhythmusstörungen, Herzinfarkt) treffen.

Mathematik als Grundstein

Ein dreidimensionales Computermodell des Herzens. Für die Visualisierung wurde es in der Mitte durchgeschnitten. Rot dargestellt ist die Kontraktion des Ventrikels, also die aktive Kraftentwicklung zum Ende der Systole, der Blutausströmungsphase im Herzzyklus. © Lukas Baron, KIT

Dazu arbeiten Olaf Dössel und sein Team in Zusammenarbeit mit Kardiologen seit mehreren Jahren an der Entwicklung eines naturgetreuen Computerherzens: „Wir steuern die Mathematik und die Software bei", so Dössel. Die mathematische Simulation des menschlichen Herzens ist allerdings eine gewaltige Herausforderung: Es ist mit vier Kammern, vier Klappen und den Zu- und Abflüssen nicht nur kompliziert aufgebaut, sondern auch die Pumpbewegung ist komplex: Zunächst entspannen sich Vorhöfe und Ventrikel und Blut fließt ein, kurz darauf kontrahieren die Kammern. Die linke Kammer drückt das mit Sauerstoff angereicherte Blut in die Aorta, die den Körperkreislauf versorgt, die rechte Kammer pumpt das sauerstoffarme Blut in die Lungenarterien, die zur Lunge führen.

Das alles muss so berechnet werden, dass auf dem Bildschirm schließlich ein „echtes", dreidimensionales Herz entsteht. „Da es sich auch bewegt, sprechen wir von einem 4D-Modell", erklärt Dössel. Das realistische Abbild des Organs ist auch dem enormen Fortschritt in der Bildgebung zu verdanken: Erst die Bilder von Computertomografie (CT) und Magnetresonanztomografie (MRT) machten den Aufbau des Herzens so hochpräzise sichtbar, und die Daten unzähliger solcher Scans fließen in die Berechnung des virtuellen Durchschnittsherzens ein.

Herzmedizin am Computer

„Unser Modell für ein gesundes Herz ist schon sehr gut. Nach einer Demonstration kommen immer wieder Kardiologen zu uns und sagen, dass sie die komplexen elektrischen und mechanischen Vorgänge des Herzens noch nie so klar gesehen haben", sagt Dössel.

Der nächste Schritt ist noch in Arbeit: Die Entwicklung personalisierter Herzmodelle. Dazu müssen die Karlsruher Wissenschaftler das virtuelle Durchschnittsherz in ein virtuelles Patientenherz verwandeln. Das heißt, all die Daten, die durch EKG, Katheter, CT, MRT und Ultraschall gewonnen wurden, müssen in das Computermodell einfließen. Am Ende muss das Patientenherz mit all seinen Eigenschaften – etwa vernarbtes Gewebe nach einem Herzinfarkt oder einer Störung der Erregungsleitung – auf dem Bildschirm sichtbar sein. „Ist das Modell gut, können wir berechnen, was der Herzinfarkt bei Patient X für Konsequenzen hat oder wie sein Herz auf verschiedene Behandlungen reagiert", sagt Dössel.

Volksseuche Vorhofflimmern

KIT-Mitarbeiter Tobias Oesterlein im Nebenraum des Herzkatheterlabors des Städtischen Klinikums Karlsruhe. Kardiologen führen hier elektrische Messungen am Herzen durch, um Patienten mit Herzrhythmusstörungen zu behandeln. Die Biomedizintechniker des KIT entwickeln Computermodelle, die solche Behandlungen noch erfolgreicher machen sollen. © KIT

Dössel und sein Team haben sich auf Herzmodelle für Infarkte und Herzrhythmusstörungen spezialisiert. Das sogenannte Vorhofflimmern ist dabei die am weitesten verbreitete Arrhythmie. Rund 800.000 Deutsche, vor allem ältere Menschen, leiden darunter. Beim Vorhofflimmern schlägt das Herz unregelmäßig. Die elektrischen Impulse, die für die Pumpbewegung sorgen, entstehen nicht nur im sogenannten Sinusknoten, dem eigentlichen Taktgeber des Herzens, sondern auch an anderen Orten im Herz.

Helfen Medikamente nicht weiter, muss mithilfe einer Sonde eingegriffen werden: Kardiologen versuchen, die Orte, wo die elektrischen Störsignale entstehen, zu veröden, indem sie das Gewebe stark erhitzen. Auf diese Weise unterbricht man die falsche Stromleitung und stellt im Idealfall den normalen Herzrhythmus wieder her. „Bei vier von zehn Patienten kommt die Rhythmusstörung aber schon nach wenigen Wochen wieder", sagt Dössel, der mit seinem Modell schon vor der Operation herausfinden möchte, wo man die Narben genau setzen muss, damit der Erfolg von Dauer ist.

Virtuelle Therapie spart Kosten

Auf diese Weise ließen sich auch Kosten sparen: „Zwar muss man für ein perfektes Computermodell in noch bessere Bildgebung investieren, dafür spart man sich aber Operationszeit. Statt rund vier Stunden könnte eine Stunde reichen", sagt Dössel, der davon überzeugt ist, dass in Zukunft die Beantwortung vieler medizinischer Fragestellungen mit einem Computermodell unterstützt werden wird. Tatsächlich arbeiten Wissenschaftler weltweit an der Simulation von Niere, Blutkreislauf oder Gehirn. Die Industrie wendet solche Techniken bereits seit Jahren an: So konstruieren Ingenieure Flugzeuge oder Autos zunächst immer am Computer.

Ein personalisierter Herzsimulator für den Einsatz am Patienten könnte laut Dössel in rund fünf Jahren zum Einsatz kommen. Derweil unterstützen die Karlsruher mit ihrem Modell die Forschung: Sie versuchen die Entstehung von Herzkrankheiten besser zu verstehen, Therapien zu optimieren und Hinweise für neue Medikamente zu geben.

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