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Hochauflösende In Silico Modelle der Gesamten Herzfunktion
- Abstract
- Fortschritte bei der Entwicklung von tomographischen Verfahren ermöglichen in beispielloser Weise die Anatomie des Herzens abzubilden. Allerdings hatten diese Technologien bisher einen relativ geringen Einfluss auf die Entwicklung von medizinischen Implantaten oder die Verbesserung von klinischen Behandlungsmethoden.
Der Einsatz von bildgebenden Verfahren zur Extraktion von wichtigen funktionellen Informationen und der Kopplung von Bildinformationen mit physiologischen Aspekten, die nicht durch Bildgebung allein verstanden werden können, stellt eine große Herausforderung dar. In silico Modelle, also computerunterstützte Simulationen, bergen enormes Potenzial zur Bewältigung dieser Herausforderungen und können zu einem besseren Verständnis der Herzfunktion, sei es im gesunden oder auch im erkrankten Zustand, führen. Ein entscheidender Vorteil ist hierbei die Möglichkeit diagnostische und therapeutische Methoden zu optimieren ohne dabei Patienten zusätzlichen Risiken oder Schmerzen auszusetzen. In silico Experimente können somit bei der Untersuchung von klinisch relevanten Problemen, wie zum Beispiel Herzklappenchirurgie, Ballon-Angioplastie oder Stenting, äußerst hilfreich sein.
Die Herzfunktion ergibt sich aus der Interaktion verschiedener Physiken, unter anderem der Elektrophysiologie, der Strukturmechanik und der Strömungsmechanik. Während die beteiligten Physiken klar bidirektional wechselwirken, werden sie in praktisch allen Studien isoliert betrachtet. Dies ist zu einem guten Teil auf die Komplexität von Multiphysik-Modellen und den Schwierigkeiten, die bei der Entwicklung von modernen numerischen Methoden und deren effizienten Implementierung auf modernen Rechnerarchitekturen auftauchen, zurückzuführen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist das zentrale Themas dieses Projektes und die Durchführung setzt auf die Kombination der Expertisen der Antragsteller: Christoph Augustin und Gernot Plank in der Modellierung der Elektrophysiologie und der Strukturmechanik und Shawn Shadden in der Computermodellierung des Blutflusses.
Dieses ambitionierte Unterfangen geht weit über den aktuellen Stand der Technik hinaus. Kombinierte Modelle von Herz und Blutgefäßen ermöglichen die Berechnung von natürlichen Randbedingungen für die Simulation des Blutflusses und das Studium von Rückkopplungsmechanismen die die Pumpleistung des Herzens beeinflussen können. Im Endeffekt wird dieses Modell eines der modernsten Werkzeuge der Grundlagenforschung sein, das einen mechanistischen Einblick in die Herzpumpfunktion gewährt. Von wesentlicher Bedeutung ist in diesem Kontext auch die Überprüfung, Parametrisierung und Validierung dieses Modells mit klinischen Datensätzen, die von klinischen Partnern zur Verfügung gestellt werden.
Das Ziel dieser Forschung ist ein innovatives Multiphysik-Computermodell der gesamten Herzfunktion um eine biophysikalisch detaillierte und bidirektional gekoppelte Erforschung der elektromechanischen Funktion des Herzens im gesunden wie im kranken Zustand zu ermöglichen.
- Schlagworte
- Computermodell
- Hochaufgelöste, anatomisch detailierte Modelle
- MRI-basierte Validierung
- Multiphysiksimulationen
- Supercomputing
- Projektleitung:
- Augustin Christoph
- Laufzeit:
- 01.04.2017-01.04.2017
- Programm:
- ÖAW MAX KADE
- Art der Forschung
- Grundlagenforschung
- Mitarbeiter*innen
- Augustin C., Projektleiter*in
- Beteiligte MUG-Organisationseinheiten
- Lehrstuhl für Medizinische Physik und Biophysik
- Projektpartner
-
University of California, Berkeley, Vereinigte Staaten (USA)
Kontaktperson: Prof. Shawn Shadden;