Ingenieure der TU Dresden entwickeln Simulationen des menschlichen Herzens

18. Dezember 2015
Das Herz als Simulation: In einem neuen von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt erforschen Wissenschaftler der TU Dresden die computerorientierte Modellierung des menschlichen Herzens. Sie erhoffen sich dadurch ein besseres Verständnis seiner komplexen Funktionsweise und somit bessere Therapien für Herzpatienten. Die Computersimulationen werden am Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke unter der Leitung von Prof. Michael Kaliske entwickelt.

Das menschliche Herz beginnt im frühen Embryostadium zu schlagen und stoppt erst mit dem Tod. Das Herz ist der Antrieb der Blutzirkulation durch den Körper, welche jeder Zelle essentielle Nährstoffe zur Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit zur Verfügung stellt. Jegliche Fehlfunktion dieses Kreislaufs führt zu einer Verringerung der Lebensqualität und kann die Ursache für einen Schlaganfall oder von plötzlichem Herztod sein. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind im Jahr 2012 weltweit 31% aller Todesfälle auf Herzerkrankungen und Schlaganfälle zurückzuführen.

Wenn Wissenschaftler die Funktionsweise des Herzens besser verstehen, wird es möglich sein, effizientere Behandlungsmöglichkeiten zu entwickeln und damit die Sterblichkeit aufgrund von Herzkreislauferkrankungen zu verringern. Des Weiteren können die ökonomischen Folgen dieser Erkrankungen reduziert werden. Aufgrund der hohen Komplexität des Herzkreislaufs ist das Verstehen der Funktionsweise eine anspruchsvolle Aufgabe, insbesondere, weil Experimente am Menschen problematisch sind und das Herz eines jeden Patienten individuelle Eigenschaften hat. Vor diesem Hintergrund wird nun an der computerorientierten Modellierung des Herzens geforscht, wobei der Fokus auf der Entwicklung von patientenspezifischen Therapien liegt.

Kardiale Resynchronisationstherapie (CRT) ist eine der am meisten angewendeten Behandlungsmethoden für Patienten mit einer verringerten Herzaktivität. Eine erfolgreiche CRT ist insbesondere von der Position der Herzschrittmacherkontakte, vom Zeitpunkt und der Größe der Stimulation abhängig. Zu beachten ist, dass die Therapie nicht für jeden Patienten geeignet ist und ein Drittel aller Patienten nicht auf eine CRT reagiert. Aufgrund der genannten Abhängigkeiten kann keine allgemeingültige Therapiekonfiguration existieren. An diesem Punkt können Computersimulationen hilfreich genutzt werden, um die Erfolgsaussichten von CRT vorherzusagen und Kardiologen bei der Entwicklung einer optimalen Behandlungsstrategie zu unterstützen.

In diesem Zusammenhang hat das aktuell von der DFG bewilligte Projekt (KA 1163/18-2) zwei Hauptaugenmerke. Als erstes werden die in dem Vorgängerprojekt (KA 1163/18-1) entwickelten numerischen Vorgehensweisen durch neuartige Ansätze zur ganzheitlichen Simulation des Herzens erweitert. Danach wird die Vorhersagequalität der entwickelten Methode für personalisierte, numerisch analysierte, Herzmodelle bewertet. Dafür muss ein patientenspezifisches Herzmodell, verwendbar für Finite Elemente Simulationen, erstellt werden. Die entwickelten numerischen Methoden werden mit klinischen Daten von gesunden und krankhaften Herzfunktionen validiert, und Daten der Patienten mit erfolgreicher CRT einbezogen. Das Gesamtziel ist die Verbesserung des Verständnisses der CRT mit Hilfe der Computersimulation und die patientenspezifische Optimierung der Herzschrittmacherkonfiguration.

Das Projekt „Computerorientierte Elektromechanik des Herzens: Entwicklung von Simulationswerkzeugen für die patientenspezifische Analyse“ wird von 2016 bis 2018 mit rund 300.000 Euro von der DFG gefördert. Das Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke der TU Dresden (Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. M. Kaliske) kooperiert dabei intensiv mit dem Herzzentrum der TU Dresden (Univ.-Prof. Dr. med. R. H. Strasser).


zurück zur Übersicht

Exzellenz als Prinzip

Dresdens Erfolg beruht auf den Schlüsseltechnologien Mikroelektronik, Informations- und Kommunikationstechnologie und Software, Neue Werkstoffe und Nanotechnologie sowie Life Sciences und Biotechnologie. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Unternehmen und Forschungseinrichtungen bringt Dresden voran.