Ein virtueller Simulator des menschlichen Herzens
Das Herz ist ein wichtiges Organ des menschlichen Körpers. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind für über 45 % der Todesfälle in Europa verantwortlich. Auch das Herz ist bemerkenswert komplex und bei jedem Menschen einzigartig. Wenn wir mehr über die zugrundeliegende Funktion des Herzens erfahren, wird dies zu einer individuelleren Behandlung von Herzfehlern führen. Im Rahmen des Projekts iHEART(öffnet in neuem Fenster), das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Alfio Quarteroni, Professor für Numerische Analyse an der Polytechnischen Universität Mailand(öffnet in neuem Fenster), einen virtuellen Simulator des Herzens entwickelt. Dieses Computermodell ist ein leistungsfähiges Instrument zur Verbesserung unseres Verständnisses der Herzfunktion, das Licht auf die komplizierten Mechanismen des Herzens wirft und die klinische Entscheidungsfindung unterstützt. „Abgesehen von seinem pädagogischen Wert hat dieses Modell bedeutende Anwendungen in der Medizin, da es das Gesundheitswesen bei medizinischen Entscheidungen und bei der Entwicklung von Strategien zur Behandlung verschiedener Herzerkrankungen wesentlich unterstützt“, erklärt Quarteroni, der das Projekt iHEART leitet.
Fortgeschrittene Mathematik zur Untersuchung des menschlichen Herzens
Um das virtuelle Herz zu erstellen, analysierte das Team die mathematischen und physikalischen Eigenschaften mehrerer Herzmodelle und kombinierte sie zu einem Modell. Zu den von den Forschenden untersuchten Eigenschaften gehören Elektrophysiologie, aktive und passive Mechanik, Flüssigkeitsdynamik, Ventilkinetik, Blutzirkulation, myokardiale Perfusion(öffnet in neuem Fenster) und die Weiterleitung elektrischer Signale durch den Rumpf. „Das iHEART-Modell wurde erstellt, um all diese Elemente zu beschreiben, und indem wir sie harmonisiert und gekoppelt haben, haben wir ein einheitliches und biophysikalisch detailliertes Modell der Herzfunktion geschaffen“, sagt Quarteroni. Die wichtigsten Projektergebnisse sind auf diese mathematischen Entwicklungen und die anschließende Simulation zurückzuführen. Das Team leistete Pionierarbeit bei der Entwicklung fortschrittlicher Annäherungsverfahren hoher Ordnung, die die Simulationspräzision verbesserten. Das Team entwickelte außerdem neue algebraische Löser, um die Rechenleistung zu optimieren, und integrierte modernste Konzepte und Methoden des wissenschaftlichen maschinellen Lernens in die Forschung. „Diese bahnbrechenden Beiträge gipfelten in einer beträchtlichen Anzahl von Forschungsbeiträgen in angesehenen Fachzeitschriften, die sich auf die Bereiche Mathematik, Biotechnik und Medizin erstrecken“, fügt Quarteroni hinzu.
Der iHEART-Simulator
Der neu entwickelte iHEART-Simulator ist einzigartig in seiner Fähigkeit, komplizierte kardiale Prozesse nahtlos in einer einheitlichen Plattform zusammenzuführen und zu replizieren. „Dieses hohe Maß an Integration erlaubt eine beispiellose biophysikalische Genauigkeit bei der Simulation von Herzfunktionen und damit verbundenen Krankheiten“, sagt Quarteroni. „Es stellt einen bahnbrechenden Fortschritt auf dem Gebiet der Computerkardiologie dar und bietet einen einzigartigen und umfassenden Ansatz zur Simulation des Herzens auf dem Computer.“ Neben dem Simulator hat das Team außerdem eine Reihe von Softwarebibliotheken mit komplexen Herzfunktionen entwickelt, die einer breiten Nutzungsgemeinschaft zur Verfügung stehen, auch solchen mit medizinischem und biotechnischem Hintergrund.
Medizinische Anwendungen
Es wird erwartet, dass der iHEART-Simulator eine zentrale Rolle bei der Verbesserung unseres Verständnisses von Herzerkrankungen spielen wird, was letztendlich zu innovativen Therapien führen wird. „Unser visionäres Ziel ist es, computergestützte numerische Simulationen der Herzfunktion nahtlos in den Bereich der Biotechnologie und der klinischen Praxis zu integrieren, mit dem Ziel, digitale Zwillinge des Herzens zu schaffen“, bemerkt Quarteroni. iHEART trägt durch die Zusammenarbeit mit zahlreichen klinischen Abteilungen in Italien und im Ausland aktiv zur Diagnose und Behandlung verschiedener kardiovaskulärer Erkrankungen bei. „Wir gehen davon aus, dass das iHEART-Modell einen wichtigen Beitrag zur Diagnose und Behandlung kardiovaskulärer Erkrankungen leisten wird und so Fortschritte in der kardiologischen Versorgung zum Nutzen der Erkrankten weltweit ermöglicht.
