Digitaler Zwilling: Computermodelle des Herzens helfen bei Erkrankungen

In Deutschland leiden etwa 1,8 Millionen Menschen an Vorhofflimmern, der am häufigsten auftretenden Herzrhythmusstörung. Vorhofflimmern ist zwar nicht lebensbedrohlich, geht jedoch mit einem erhöhten Risiko für einen Schlaganfall einher. Therapiert wird heute mit Medikamenten oder das krankheitsauslösende Herzgewebe wird mithilfe eines Katheters beispielsweise durch Erhitzen funktionsuntüchtig gemacht. „Wir nutzen unsere Computermodelle für Simulationsstudien und bringen sie in die klinische Anwendung, um einen Mehrwert für Patientinnen und Patienten sowie die Gesellschaft zu generieren“, so Axel Loewe, Leiter der Forschungsgruppe Computermodelle des Herzens am IBT. Sein Ziel ist es, das menschliche Herz im Computer nachzubilden, um die klassische Behandlung sinnvoll zu ergänzen.

Das virtuelle Herz beschäftigt den Elektrotechniker mit Faible für Medizintechnik bereits seit seinem Studium. In der Promotion stieg er dann zunächst in die Modellierung und Simulation der Elektrophysiologie des Herzens ein und anschließend in die mechanische Modellierung. Dass die Simulation diagnostische Verfahren oder gar eine Operation ersetzen könnte, glaubt Loewe zwar nicht, sinnvoll ergänzen könne sie diese aber sehr wohl. Angefangen bei der Grundlagenforschung, wenn es etwa um die Zulassung neuer Medikamente geht: „Zulassungsbehörden wie die amerikanische Food and Drug Administration, kurz FDA, fordern mittlerweile routinemäßig Computersimulationen, um die experimentellen Daten noch besser auswerten zu können“, so der Forscher.

Computer Aided Design bei Medizingeräten

Eine zunehmend wichtigere Rolle spielen Computermodelle auch bei Medizingeräten, etwa Herzschrittmachern. „Wie sollen Elektronen aussehen, wo sollen sie platziert werden? So etwas kann man mit Computermodellen auf einer anderen Ebene verstehen als mit Tierversuchen“, erklärt Loewe. „Beim Optimieren des Designs von Medizintechnikgeräten kommen daher mehr und mehr Simulationsansätze zum Tragen.“

Medizindiagnosen mit Simulationen verbessern

Sinnvoll unterstützen können die Computermodelle auch bei der Entwicklung und Evaluation neuer Diagnoseverfahren. „Im Idealsetting einer Simulation können wir testen, ob die Methode funktioniert, ehe sie in der realen Welt funktionieren muss“, so der Medizintechniker. Im Zeitalter des Maschinellen Lernens spielen Simulationen auch eine wichtige Rolle, um große Datensätze zu erzeugen, mit denen sich maschinelle Lernverfahren trainieren lassen. Die Forschung geht außerdem auch in Richtung eines individuellen digitalen Zwillings. Mit dessen Hilfe könnten Ärztinnen und Ärzte beispielsweise überprüfen, wie anfällig eine Person für bestimmte Herzrhythmusstörungen ist und welche Therapie jeweils am besten funktioniert.

Axel Loewe habilitierte sich am KIT zum Thema „Modellierung und Simulation für die Medizin“. Er ist Co-Sprecher des KIT-Zentrums für Gesundheitstechnologien sowie Gutachter vieler Fachzeitschriften. (rl)

Der Presseservice des KIT stellt gerne den Kontakt zwischen den Medien und Prof. Axel Loewe her.

Fotonachweis:
Foto Computermodell des Herzens: Markus Breig, KIT
Porträt Dr. Axel Loewe: Markus Breig, KIT