Zahlensaft im Ventrikel

20. Oktober 2008
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Der Name des Verfahren ist kryptisch genug, um nicht nur Mathe-Laien abzuschrecken: Mesh-based parallel Code Coupling Interface, kurz MpCCI. Doch die Software begeistert Mediziner zunehmend. Erstmals lassen sich Blutströmungen und die Funktion von Organen perfekt simulieren.

Im Februar 2009 werden sich Anwender der Technologie zum 10. Mal treffen, um sich wie jedes Jahr im legendären „MpCCI User Forum“ über Stärken und Schwächen des mathematischen Verfahrens auszutauschen. Das Meeting galt bisher eher als Heimspiel hartgesottener Informatiker, Maschinenbauer und Ingenieure – und zieht zunehmend Vertreter der medizinischen Fachrichtungen an. Denn die vom Fraunhofer Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen (SCAI) in Sankt Augustin entwickelte MpCCI-Software bietet das Gerüst für unzählige Simulationsanwendungen rund um den menschlichen Körper. Die gigantischen Rechenoperationen sind derart konzipiert, dass sie aus realen MRT-Daten zunächst die Form des zu simulierenden Organs erstellen. In einem zweiten Schritt erweckt der Algorithmus das konstruierte Organ zum virtuellen Leben, indem er auf jede Zelle des Simulationsprodukts bestimmte Strömungsmuster anwendet. Kein anderes Organ verdeutlicht das Potenzial der mathematischen Technologie besser als das humane Herz.

Herzschlag nach dem Legoprinzip

Tatsächlich hat sich das Team um den Maschinenbauer Torsten Schenkel vom Institut für Ströhmungslehre der Universität Karlsruhe seit einer vielbeachteten Doktorarbeit aufgemacht, das menschliche Herz und dessen Funktionsweise zu simulieren. Das „Karlsruher Herzmodell“ (KaHMo) gilt als wichtiger Prototyp auf dem Gebiet der MpCCI für medizinische Anwendungen. Das virtuelle Leben eines jeden Organs beginnt mit bildgebenden Verfahren. In einem ersten Schritt fließen nämlich die realen MRT-Daten des Patienten in das Programm ein, um dadurch die Basis für die Struktursimulation des Organs zu liefern. Auf diese Weise entsteht am Rechner zunächst eine exakte Nachbildung der Form des Herzens. Anschließend teilt die Software die Aorta in winzige Kästchen auf. Das Volumen einer Herzkammer lässt sich auf diese Weise in 250.000 mathematische „Legosteine“ zerlegen, die, je nach Blutfluss, immer wieder neu zusammengesetzt werden müssen. Bis zu 1000 Rechenoperationen pro Sekunde sind nötig, um die Änderungen des Blutflusses in einem einzigen Baustein zu bestimmen. „Das Herz zu modellieren, ist eine Sache, die Blutströmung zu simulieren, eine andere – aber beide miteinander zu verbinden, ist ein Kunst“, schwärmt angesichts solcher Feinheiten die Fraunhofer Gesellschaft in einer Sonderpublikation anlässlich das Jahres der Mathematik. Dass die Forscher ausgerechnet im Jahr der Mathematik auf den medizinischen Nutzen ihrer Entwicklung aufmerksam machen, mag ein bisschen mit Eigenwerbung zu tun haben – der Technologie täte mehr PR unter Klinikärzten tatsächlich gut. Denn es geht um die Entwicklung von virtuellen Organen, die sich genauso verhalten wie ihre echten Pendants. Ob medikamentöse Therapie oder schlichte OP, jeder Eingriff ins System verändert bestimmte Strömungsmuster in den Organzellen – und somit die Funktionen des selbigen. Fest steht: Die aus Bits und Bytes bestehenden Gebilde sollen in naher Zukunft als Vorhersage-Tools für Ärzte zum Einsatz kommen.

Das Potenzial der Algorithmen beschäftigt daher auch die Elite der hiesigen Wissenschaftsszene. So versuchen Forscher am Universitätsklinikum Erlangen im Rahmen des DFG Vorhabens „Strömungsphysikalische Grundlagen der menschlichen Stimmgebung“ die Stimmlippendynamik des Menschen virtuell zu erfassen. Was die Simulationen bringen, beschreiben die mathematisch Bewanderten in nahezu niedlich wirkender Umständlichkeit auf der Institutssite: „Solche Ergebnisse würden es erlauben, phonochirurgische Eingriffe und konservative Behandlungen so zu planen, dass die Stimmlippendynamik und somit das primäre Stimmsignal als auch seine Modulation im Vokaltrakt in möglichst vorhersagbarer Weise beeinflusst wird“. Im Klartext: Der HNO-Chirurg wird in Zukunft zunächst simulieren, bevor er operiert – und den Ausgang seines Wirkens kennen, bevor er zum Skalpell greift.

Wettlauf um die Simulationen hat begonnen

Zwar lassen sich chirurgische Eingriffe schon heute mit Hilfe der klassischen bildgebenden Verfahren wie CT und MRT im voraus am Computer planen, selbst die Steuerung der chirurgischen Instrumente erfolgt anhand der zuvor aufgenommenen Daten. Doch die Simulation von ganzen Organfunktionen in der Praxis oder in der Klinik wäre neu. Der Run auf die MpCCI-Technologie hat derweil begonnen. So konnten beispielsweise Wissenschaftler an der amerikanischen Purdue-University den menschlichen Kehlkopf in bis dahin ungeahnter Präzision virtuell simulieren. Irischen Forschern an der Universität Limerick wiederum gelang es, Aneurysmen an Schlagadern rein virtuell ablaufen zu lassen, während Mediziner der Universität Istanbul den Blutfluss durch die Adern untersuchen, ebenfalls rein virtuell, wie sich versteht. Dass die aus Sankt Augustin stammende Technologie selbst der Geriatrie zugute käme, bewiesen Wissenschaftler am Georgia Institute of Technology. Sie ermittelten mit Hilfe der MpCCI, an welchen Stellen der Arterien sich Kalk am leichtesten ablagern kann.

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