Digitaler Zwilling zur Beurteilung der Herzablation

Herzrhythmusstörungen sind Unregelmäßigkeiten des Herzschlags, die das Leben des Patienten ernsthaft beeinträchtigen und in schweren Fällen tödlich sein können. Eine typische Behandlung für schwere Fälle von Arrhythmien ist die katheterbasierte Radiofreque nzablation. Dabei handelt es sich um eine seit vielen Jahren praktizierte und bewährte minimalinvasive Therapie. Die Ablationstherapie ist in der Regel effizient, es kann jedoch zu einer unzureichenden Behandlung kommen, die zu einer Wiederholung des Verfa hrens führt. Darüber hinaus ist die Katheterisierung nicht frei von Komplikationen, die den Eingriff verlängern und in seltenen Fällen sogar zum Tod des Patienten führen können. Um Komplikationen auszuschließen und eine effizientere Behandlung zu ermöglich en, werden verschiedene Ablationsstrategien und Kathetertechnologien erforscht, deren Erprobung stark auf Tierversuche angewiesen ist. Typischerweise erfordern diese Experimente große Tiere wie Schweine, Schafe und Kühe und werden entweder unter Verwendung des extrahierten Herzens des Tieres oder durch Durchführung des Experiments an einem lebenden sedierten Tier durchgeführt. Diese Forschung zielt darauf ab, genaue komplexe mathematische Modelle bereitzustellen, um den Einsatz von Computersimulationen zu fördern, um die Effizienz und Sicherheit der Katheterisierung zu optimieren und so Tierversuche zu reduzieren. Unter Verwendung medizinischer Bildgebungsdaten von Patienten, die gemäß den ethischen Protokollen und mit Zustimmung der Patienten erfasst und übertragen wurden, wird eine Datenbank virtueller menschlicher Oberkörper und ihrer inneren Organe erstellt. Diese virtuellen Körper werden die digitalen Zwillinge der Patienten sein, an denen virtuelle Therapien durchgeführt werden. Insbesondere werden computerdesignte Katheter verwendet und im Herzen des digitalen Zwillings platziert. Anschließend wird eine virtuelle Katheterisierung unter Verwendung der im Projekt entwickelten Modelle durchgeführt, um die Biophysik und Mechanik des Verfahrens genau zu beschreiben. Virtuelle Katheterisierungen simulieren die Ablation der verschiedenen Herzbereiche, die typischerweise von der Therapie in den Krankenhäusern anvisiert werden, und bieten einen Personalisierungsrahmen für die Bewertung des Verfahrens.

Computermodelle einzelner Patientinnen und Patienten können schon vor einem Eingriff zeigen, wie eine Herzbehandlung bei genau dieser Person wirken wird. In diesem Projekt haben wir solche "digitalen Zwillinge" für die Katheterablation entwickelt, eine gängige Behandlung von Vorhofflimmern, der häufigsten Herzrhythmusstörung. Damit konnten wir Fragen untersuchen, die sich mit Experimenten an Menschen oder Tieren nur schwer, teuer oder gar nicht beantworten lassen. Bei einer Ablation wird ein dünner Schlauch (Katheter) über ein Blutgefäß ins Herz geführt, um kleine Gewebebereiche zu veröden, die den unregelmäßigen Herzschlag auslösen. Das geschieht entweder durch Erhitzen mit Hochfrequenzstrom oder, bei der neueren Pulsed Field Ablation, mit sehr kurzen, starken elektrischen Pulsen. Die Behandlung ist erfolgreich, doch die passenden Einstellungen hängen von Patient und Eingriff ab und werden heute meist nach allgemeinen Erfahrungswerten gewählt. Gemeinsam mit Kardiologinnen und Kardiologen des Hospital de la Santa Creu i Sant Pau in Barcelona haben wir medizinische Bilddaten echter Patientinnen und Patienten in detaillierte dreidimensionale Computermodelle des Herzens und des umgebenden Körpers umgewandelt. An diesen virtuellen Patientinnen und Patienten simulierten wir den elektrischen Strom, die Erwärmung des Gewebes und die daraus entstehende Gewebeschädigung. Die Ergebnisse zeigen, dass auch Faktoren außerhalb des Herzens eine Rolle spielen. Wo die Neutralelektrode auf der Haut angebracht wird, beeinflusst, wie viel Energie tatsächlich das Herz erreicht. Auch Geschlecht und Körpermasseindex (BMI) wirken sich auf die abgegebene Leistung aus, einheitliche Einstellungen sind daher möglicherweise nicht für alle gleich gut geeignet. Außerdem zeigten wir, wie Winkel und Anpressdruck des Katheters den behandelten Bereich formen, und entwickelten ein Modell, das nicht nur dessen Größe, sondern auch das Risiko einer Schädigung der Speiseröhre vorhersagt. Sie liegt direkt hinter dem Herzen, und ihre Verletzung ist eine seltene, aber schwere Komplikation. Für die neuere Pulsed Field Ablation fanden wir heraus, dass die in den meisten Computerstudien verwendete einfache Regel, nämlich eine einzige elektrische Feldstärke, ab der Gewebe abstirbt, die in Experimenten beobachteten Formen der Gewebeschädigung nicht erklären kann. Es braucht also realistischere Modelle, an denen wir bereits arbeiten. Alle Methoden wurden in AblaFEMx zusammengeführt, einer Software, die kostenlos veröffentlicht wird, damit andere Forschende sie nutzen, überprüfen und erweitern können. Auch Simulationsdaten unserer Studien sind öffentlich zugänglich. Solche Computerstudien können einen Teil der Tierversuche ersetzen, mit denen heute neue Katheter und Behandlungsstrategien getestet werden. Das Projekt hat zudem junge Forschende ausgebildet, darunter eine abgeschlossene Dissertation, und zu einem neuen Projekt mit einem österreichischen Unternehmen für Herzsimulationssoftware geführt, das die Modelle der klinischen Anwendung näherbringt.