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Das virtuelle Herz

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Das virtuelle Herz

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Jack lebt mit seinen Eltern an der Ostküste Englands.Von Zeit zu Zeit kommen sie nach London. Grund für die regelmäßigen Besuche ist das Herz ihres sechsjährigen Sohnes. Jacks Mutter erklärt: Wir haben von der Erkrankung erfahren, als ich in der 28. Woche schwanger war. Sie sagten uns, dass das Baby ein hypoplastisches Linksherz-Syndrom hat, dies sehr komplex ist und dass eine drei-stufige Operation notwendig sei. Das war ein großer Schock.”

Nach drei Eingriffen am offenen Herzen, braucht Jack regelmäßige Untersuchungen, um sicherzustellen, dass es keine negativen Entwicklungen gibt. Hier am Evelina Kinderkrankenhaus, kontrolliert Doktor Razavi Jacks Gesundheit. Dabei nutzt er fortschrittliche Geräte.

Die Maschine nutzt den Ultraschall, um ein Bild vom Herzen zu erstellen. Dieses entsteht in Echtzeit und wird durch Gewebe und Blut dargestellt. Die Echokardiographie stellt eine Fülle von hilfreichen Informationen bereit. Sie gibt den Ärzten Einblick, wie gut dass Herz- und Gefäßsystem des Patienten funktioniert. Es ist ein notwendiges Werkzeug.

Doktor Reza Razavi erklärt: “Angeborene Herzfehler betreffen vielleicht eins von hundert Kindern, Herzerkrankungen kommen in der Bevölkerung sehr häufig vor. Es ist der häufigste Grund für Krankheit und Tod, besonders in der westlichen Welt. Es wird aber auch in den Entwicklungsländern häufigster Auslöser für Krankheit und Tod werden.”

Auch wenn die Echokardiographie und andere Methoden nützlich sind, haben sie doch ihre Grenzen. Diese zu überwinden, ist das Ziel eines europäischen Forschungsprojekt an dem das Krankenhaus teilnimmt. Hannah Bellsham-Revell vom Rayne-Institut: “Das Modell, das hier zu sehen ist, ist nur ein Bild. Sie können sehen, wie dick die Blutgefäße sind. Aber dieses einzelne Modell sagt nichts über den Herzschlag aus. Wir hoffen, dass wir bald ein Modell haben werden, dem wir anatomische Daten beifügen können und Informationen darüber, wie das Herz arbeitet. Wir werden eher erkennen, welches Kind Probleme bekommen wird. Außerdem können wir dann Medikamente an einem virtuellen Modell probieren, anstatt die Medikamente an den Kindern zu testen.”

Reza Razavi: “Wir wollen in der Lage sein, zu sehen, was nach der Behandlung passiert, besonders wenn die Behandlung schwierig oder sehr teuer ist. Wir wollen wissen, ob sie funktioniert oder nicht, bevor wir sie beginnen. Dafür bieten uns die Computermodelle eine große Auswahl. Sie ermöglichen uns, verschiedenste Behandlungsarten auszuprobieren und erste Ergebnisse zu sehen, ohne es in der Realität umzusetzen. Wir simulieren es einfach am Computer.”

Ein realistisches Model sollte alle relevanten medizinischen Daten integrieren. Aber wie sammelt man diese?

Jürgen Weese, Wissenschaftlicher Leiter bei Philips Research Europe erklärt: “Wir haben verschiedene Scanner mit denen man Bilder vom Herz machen kann. Was wir hier sehen, ist ein MR-Scanner, der magnetische Bilder für die Bildaufnahme verwendet. Insbesondere kann man mit so einem Scanner die Herzwandbewegung angucken und Eigenschaften des Gewebes des Herzes anschauen sowie Flusseigenschaften vom Blutfluss im Herz abbilden.”

Medizinische Scanner produzieren mehrere digitale Schichtbild-Aufnahmen des Herzes. Mit der richtigen Software ist es einfach, ein dreidimensionales Objekt von mehreren Querschnitten zusammenzufügen. Einige der modernen Scanner können dies mit einem Knopfdruck.

Jürgen Weese: “Hier sehen wir einen CT-Scanner. Mit dem CT-Scanner macht man Bilder, indem man Röntgenbilder von allen Seiten von einem Patienten macht und man rekonstruiert daraus ein 3-D-Bild. Was man insbesondere hier gut sieht, sind die Herzkranzgefäße und man hat ein Bild mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung.”

Um den Schritt von der Visualisierung zur Modellierung zu vollziehen, müssen die Aufnahmen von einem Computer interpretiert werden. Dazu werden hier am Eindhovener Hightech-Campus Algorithmen entwickelt. Jedes Herz ist einzigartig – deshalb misst das Programm all seine Eigenheiten. Aber es ist noch kein funktionierendes Modell.
Jürgen Weese: “Diese Technologie erlaubt es, ein geometrisches Modell aus vorhandenen Bildern zu extrahieren. Das spiegelt also genau das wieder, was in den Bildern ist. In der Zukunft möchte man auch simulieren, was das Herz machen wird, wenn man eine bestimmte Therapie anwendet oder um zu unterscheiden, welche Therapie die optimale Therapie ist. Dazu muss man auch Informationen über Mikrostrukturen, Zellstrukturen in diesem Modell einführen, dass man hinterher mit biophysikalischen Simulationen Vorhersagen treffen kann.”

Und hier bietet die Technik eine helfende Hand. Das Herz ist im Grunde eine sehr effiziente Pumpe. Seine geometrische Abbildung ist eine Art Bauplan einer komplexen Maschine. Ingenieure konnten bereits hinreichende Erfahrungen mit Computersimulationen sammeln.

Nic Smith Professor für Physiologie: “Diese Techniken wurden in den 50er, 60er und 70er Jahren genutzt, um Brücken und Bauwerke zu analysieren. Zu dieser Zeit wurde dann auch die Rechenleistung erreicht, die das Design des Luftraums und von Flugzeugen und Lokomotiven ermöglichte. Was jüngst passierte ist, dass diese Art von Technik auf die komplexesten Probleme in der Biologie und Physiologie sowie Medizin angewandt wird.”

Das Resultat ist ein virtuelles Herz, dass wie das natürliche Vorbild arbeitet, und zum Beispiel Zellen anzeigt, die nicht gut genug funktionieren, oder es erlaubt, die Ausbreitung der elektrischen Erregung in einem Herzmuskel zu erforschen, bevor der Herzschrittmacher eingesetzt wird.

Nic Smith: “Was wir erreichen wollen ist, die Verträglichkeit der Therapie für den Patienten vorherzusagen und außerdem die geeignetste Behandlung für den Patienten auf der Basis seiner Anatomie auszusuchen. Ich denke, dass ist das größere Ziel, die Medizin von der Praxis, die auf Versuch und Irrtum beruht zu einer Medizin zu entwickeln, die auf Wissenschaft beruht, bei der wir die Mechanismen verstehen.”

Einige Jahre der Forschung sind noch notwendig, bevor ein virtuelles Herz ein verlässliches prognostisches Werkzeug werden kann.

Reza Razavi: “Auch wenn Kinder wie Jack, im jungen Alter keine Probleme haben, werden sie wahrscheinlich im Erwachsenenalter viele Schwierigkeiten haben. Ihre Lebenserwartung ist viel geringer als die der Durchschnittsbevölkerung. Wir versuchen natürlich neue Wege der Behandlung zu finden, damit ihre Lebenserwartung steigt und dieses Projekt leistet da einen wesentlicher Beitrag.”

Jack macht sich keine Sorgen, einen Berufswunsch hat er schon: “Ich will mal Arzt werden, weil es sehr viel Spaß macht. Er kann von allen anderen Menschen die Herzen sehen.”

www.euheart.eu