Patientenspezifische Simulationen und Behandlungsmethoden in der Kardiologie: Entwicklung eines umfassenden numerischen Ansatzes der Remodellierung der linken Herzkammer (KA 1163/49) (assoz.)

PI: Prof. Michael Kaliske

Ziel:

Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, einen wesentlichen Schritt in Richtung einer umfassenden numerischen Analyse der LV-Remodellierung insbesondere unter pathologischen Bedingungen zu machen.

Im Einklang mit diesem übergeordneten Ziel werden folgende Aufgaben verfolgt:
– Förderung einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Kardiologen und Ingenieuren
– Einsicht in Mechanismen der LV Umgestaltung auf Organ- und Gewebeebene und deren numerische Beschreibung
– Berücksichtigung des LV-Blutflusses im Kontext der Flüssigkeit-Struktur-Interaktion
– Generierung virtualisierter FE-Modelle von Patienten aus klinischen Daten
– Entwicklung effizienter Lösungsmethoden für die elektromechanische Kopplung in der linken Ventrikel

Beschreibung:

In der Statistik der Weltgesundheitsorganisation wurde 2015 im Durchschnitt alle 2 Sekunden ein Todesfall durch kardiovaskuläre Erkrankungen (HKL-Erkrankungen) registriert (31% der gesamten Todesfälle). In den letzten Jahrzehnten wurde ein signifikanter Fortschritt in der interdisziplinären Forschung zwischen Klinikern und Ingenieuren erreicht, um die Arbeitsmechanismen des Herzens zu verstehen und um die Sterblichkeit sowie die ökonomischen Konsequenzen der HKL-Erkrankungen zu reduzieren.

Mit der Remodellierung der linken Herzkammer / des linken Ventrikels (LV) wird ein häufig auftretendes Krankheitsbild beschrieben. Patientenspezifische Eigenschaften komplizieren die Identifikation des Schweregrads der Erkrankung und deren Behandlungsstrategie. Aktuelle kardiologische Analysemethoden weisen Grenzen auf und ein tieferer Einblick in die Remodellierung des LV ist notwendig. In diesem Zusammenhang können numerische Ansätze virtuelle Untersuchungsmöglichkeiten bieten, die nichtinvasiv, relativ kostengünstig und schnell sind. Sie helfen Kardiologen dabei, die für einen spezifischen Patienten am besten geeignete Behandlungsmethode zu wählen. Geleitet von dieser Idee, arbeiten das Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke und die Abteilung für Kardiologie der TU Dresden in einer interdisziplinären Forschungskooperation, die medizinische und ingenieurtechnische Kompetenzen mit dem Ziel verbindet, eine qualitativ deutlich verbesserte präzise Computeranalyse der LV-Remodellierung, insbesondere unter pathologischen Bedingungen, bereitzustellen.

Eine der wesentlichen innovativen Entwicklungen im Projekt wird eine auf finiten Elementen (FE) basierende Methodik sein, die klinische Daten aus der kardialen Magnetresonanztomographie und der 3D-Echokardiographie aus technischer Sicht analysiert. Im Gegensatz zu gemittelten Segmentwerten medizinischer Beurteilungssoftware liefert eine punktuelle Verteilung der Werte Informationen, die eine geometrische Formanalyse des LV erlaubt. Mit diesem innovativen Ansatz werden robuste Marker definiert, die den Schweregrad der Erkrankung identifizieren und den Krankheitsverlauf in der klinischen Routine prognostizieren können. Die Analyse der klinischen Daten wird zudem bei der Erarbeitung der grundlegenden konstitutiven Gesetze der LV-Remodellierung helfen. Im Vergleich zu in der Literatur dokumentierenden existierenden Materialmodellen für die LV-Remodellierung werden signifikante Remodellierungsaspekte (Volumenwachstum, Fibrosesynthese, Faserorientierungsänderung) im modifizierten Hill-Modell zur Beschreibung der elektro-viskoaktiven Antwort des Myokards vereint. Ein wesentlicher Aspekt des Forschungsprogramms wird die Implementierung eines auf FE basierenden Fluid-Struktur-Interaktionsalgorithmus sein, um des Einfluss des Bluts im LV zu simulieren. Damit können umfassende FE-Analysen generischer und personalisierter LV-Geometrien durchgeführt werden, um den entwickelten numerischen Ansatz zu validieren.

Involvierte Institutionen:

• Institut für Statik und Dynamik der Tragwerke, Technische Universität Dresden
• Herzzentrum Dresden, Technische Universität Dresden

Links:

https://tu-dresden.de/bu/bauingenieurwesen/sdt

https://www.sana.de/herzzentrum-dresden

Antragsteller:

Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kaliske,
TU Dresden

Publikationen: