Digitale Simulation vom Herz

Simulierte Organe zeigen Risiken wie Vorhofflimmern an

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Modell des linken Vorhofs einer 70-jährigen Patientin. Grau: vom Algorithmus identifizierter Pfad des Vorhofflatterns (Bild: Axel Loewe, KIT)
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Forscher entwickeln realitätsnahe Computermodelle des Herzens: vom Ionenkanal über Zellen und Gewebe bis zum ganzen Organ. Anhand von personalisierten Modellen können sie so zum Beispiel das Risiko von Vorhofflimmern und die Wirkung von Therapien individuell abschätzen.

Digitale Simulationen von menschlichen Organen ermöglichen, die Entstehung von Krankheiten zu erforschen und Therapien für Patienten maßzuschneidern. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeln Forscher realitätsnahe Computermodelle des Herzens gleich auf mehreren Ebenen: vom Ionenkanal über Zellen und Gewebe bis zum ganzen Organ. Sie simulieren grundlegende physiologische und pathologische Prozesse, entwickeln aber auch personalisierte Modelle, um das Risiko von Herzrhythmusstörungen, zum Beispiel Vorhofflimmern oder -flattern und die Wirkung von Therapien individuell abzuschätzen.

Modell der Organe geht bis auf Zellebene

Ein großer Fortschritt, denn wie hoch das Risiko eines Patienten ist, atypisches Vorhofflattern zu entwickeln, ließ sich bisher nicht zuverlässig untersuchen. Anhand der personalisierten Computermodelle können die Forscher nun sämtliche Pfade identifizieren, entlang derer die atypischen, kreisende elektrischen Erregungen auftreten können. „Unsere Modelle beziehen anatomische, elektrophysiologische und pharmakologische Kriterien ein“, erklärt Dr. Axel Loewe, Leiter der Arbeitsgruppe Herzmodellierung am Institut für Biomedizinische Technik des KIT.

Die entwickelten wirklichkeitsnahen Modelle zeigen das Herz auf allen Ebenen vom Ionenkanal über Zellen und Gewebe bis zum kompletten Organ. So können die Forscher simulieren, wie eine elektrische Erregung entsteht, sich über die Vorhöfe und das gesamte Herz ausbreitet und – bei einem gesund schlagenden Herzen – erlischt oder aber – im Fall bestimmter Herzrhythmusstörungen – sich dauerhaft selbst erhält. Auch die Wirkung von Therapien wie Katheterablation oder Medikamenten lässt sich so vorab individuell einschätzen.

Von Vorhofflimmern und -flattern

Beim Vorhofflattern handelt es sich um eine Herzrhythmusstörung, bei der ungewöhnlich schnelle elektrische Erregungsmuster die Vorhöfe zu raschen Kontraktionen veranlassen. Anders als beim häufigeren Vorhofflimmern verläuft die elektrische Erregung beim Vorhofflattern koordiniert. Aber wie das Vorhofflimmern führt das Vorhofflattern zu Herzrasen, Atemnot und Schwäche; auch ist das Schlaganfallrisiko erhöht.

Eine typische Behandlung des Flimmerns ist die Ablation, das heißt eine kathetergestützte Verödung krankhafter elektrischer Erregungsherde im Herzmuskelgewebe. Häufig entwickeln Patienten nach der Behandlung jedoch ein so genanntes atypisches Vorhofflattern, bei dem eine kreisende Erregung sowohl im linken als auch im rechten Vorhof auftreten kann.

Kontakt:
Karlsruher Institut für Technologie KIT
Kaiserstr. 12
76131 Karlsruhe
www.kit.edu

www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2018.01910/full

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