Medizintechnik 05.06.2009, 19:41 Uhr

Der digitale Patient  

Weltweit arbeiten Wissenschaftler daran, immer mehr Funktionen des menschlichen Organismus und dessen Erkrankungen im Rechner nachzubilden. An diesem „virtuellen Patienten“ sollen neue diagnostische und prognostische Verfahren sowie Therapien entwickelt werden. Ziel ist eine individualisierte Medizin, die stärker auf die Bedürfnisse des einzelnen Patienten zugeschnitten ist. VDI nachrichten, Düsseldorf, 5. 6. 09, moc

Nur mit Mühe ist auf dem Röntgenbild eine Herzkammer zu erkennen, eine Sonde bewegt sich langsam durch das Bild, verödet kleine Stellen in der Herzkammer.

Das Verfahren ist derzeit eine vielversprechende Therapie gegen das Vorhofflimmern: Mittels Katheter werden bestimmte Stellen im Herzen thermisch verödet, was die elektrische Signalausbreitung unterbricht – das Flimmern hört auf.

Vorhofflimmern ist eine der häufigsten Herzrhythmusstörungen. Allein in Deutschland leiden gut eine Million Menschen daran, Tendenz rasant steigend. Doch nur wenige Ärzte beherrschen diese minimal invasive Technik des Verödens, Ablation genannt. So erhält nur gut 1 % aller Patienten, die es nötig hätten, diese Behandlung, die immerhin gut sieben Stunden dauert.

Und noch immer, so Jürgen Weese, Research Fellow von Philips Research in Aachen, „liegt die Erfolgsrate bei nur 70 %“. Philips Research leitet das EU-Projekt euHeart und Weese ist bei Philips Research für die Entwicklung von Therapien für Herzkrankheiten zuständig. Im Projekt euHeart arbeiten Partner aus mehreren europäischen Ländern an der Modellierung und Simulation von Herzkrankheiten.

Weese fährt auf dem Rechner ein zweites Bild hoch, den Querschnitt durch ein „virtuelles“ Herz, zusammengesetzt aus Tausenden von Daten. Deutlich sind jetzt die Kammern zu erkennen, die Sonde, die sich durch die Kammern hindurchbewegt, die Punkte der Ablation.

In die Entwicklung solcher „virtuellen Herzen“ – ihre Modellierung, Simulation und Visualisierung – fließen Unmengen klinischer Daten ein, zumeist von bildgebenden Verfahren wie Röntgen, Magnetresonanz (MRT)- oder Computertomographie und EKG. Diese Daten zeigen den Zustand Hunderter Patientenherzen vor und nach der Ablation.

Solche Computermodelle geben nicht nur die Anatomie des Herzens im Detail wieder, sondern auch seine Bewegungen, während es schlägt.

Kommt in Zukunft ein neuer Patient mit Herzflimmern in die Klinik, werden dessen Daten mit denen des „virtuellen Herzens“ verglichen. Ziel ist, so Weese, „dass wir auf der Basis dieser Daten die für einzelne Patienten optimalen Ablationspunkte finden, um so die Erfolgsaussichten des Eingriffs zu erhöhen“.

Zugleich können Ärzte an diesem virtuellen Herzen den Eingriff üben. Das virtuelle Herz lässt sich auch über andere Bilder – etwa das eher diffuse Röntgenbild des Patienten – legen, was dem Arzt hilft, den Katheter sicher durch das Herz zu steuern. Je nachdem, was am Herzen gemacht werden soll, stehen unterschiedliche Computermodelle zur Verfügung – etwa für die Vorbereitung eines Klappenimplantats oder bei Krankheiten der Herzkranzgefäße.

Weltweit sind derzeit Wissenschaftler und Industrieforscher damit beschäftigt, solche Elemente eines „digitalen Patienten“ aufzubauen.

Das Herz ist dabei nur eines der Forschungsthemen, wenn auch das derzeit größte – nicht zuletzt wegen der Zunahme der Herzerkrankungen. Fast 4,5 Mio. Menschen sterben jährlich in Europa an Herzkrankheiten, auch in den Entwicklungsländern werden sie ab 2010 die häufigste Todesursache sein. Knapp 170 Mrd. € an Kosten verursachen Herzkrankheiten allein in der EU.

Das zweite große Thema ist die Modellierung und Simulation verschiedener Krebsarten, das dritte die Modellierung von Erkrankungen des Muskel-Skelett-Systems. Aber auch in der Neurologie, bei Gehirntumoren oder der Diagnose von Heilungsprozessen der Haut gewinnt die Digitalisierung immer stärker an Bedeutung.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medientechnologie in Ilmenau haben sogar den kompletten Hörprozess digital modelliert, um die Technologie der Innenohrimplantate zu verbessern.

Die Größe des digitalisierten Objekts spielt dabei keine Rolle – selbst die komplette Funktion der biologischen Zelle soll digitalisiert werden. Denn sie ist „das entscheidende Element, um das Verhalten von biologischen Systemen vorhersagen zu können, und zwar in Bereichen von wenigen Nanometern bis hin zum gesamten Organismus“, formuliert es Tomas Bily von der Karlsuniversität Prag.

Zweierlei soll mit dieser fortschreitenden Digitalisierung der Patienten erreicht werden: Sie soll die Diagnose objektivieren, denn, so Weese, „die hängt noch immer stark von den subjektiven Kenntnissen des Arztes ab und unterscheidet sich bisweilen auch stark von Land zu Land“.

Zudem soll sie – und das ist eine der großen Herausforderungen – Wirkung und Erfolgschancen möglicher Eingriffe zuverlässig vorhersagen können.

Derzeit konzentriert sich die Arbeit am „digitalen Patienten“ vorwiegend darauf, Verfahren zu entwicklen, die einen operativen oder minimal invasiven Eingriff erleichtern, dessen Erfolgschancen verbessern oder ihn sogar überflüssig machen.

Ganz in den Anfängen stecken Versuche, etwa den medikamentösen Einfluss auf bestimmte Krankheiten oder Patientengruppen in der gesamten Bandbreite – von der Zelle bis zum Organismus – im Computer zu simulieren.

Doch erste Anfänge finden sich bereits in den aktuellen Forschungen: „Wir haben“, so Nic Smith vom Computing Laboratory der Uni Oxford und wissenschaftlicher Koordinator des euHeart-Projektes, „eine Menge biochemischer Daten des Herzens in unsere Herzmodelle integriert. Das erlaubt uns, auch die Änderungen in der Biochemie des Herzens – sei es als Folge von Erkrankungen, sei es durch Medikamente – vorherzusagen.“

Aber hier geraten die Wissenschaftler dann doch an ihre Grenzen: Das Problem, so Smith, ist es, „einen biophysikalischen Effekt zu simulieren, der durch eine Krankheit verursacht und dann noch einmal durch ein Medikament verändert wird“.

Dennoch sucht die Pharmaindustrie derzeit mit viel Energie nach solchen virtuellen Testmöglichkeiten. Doch es kann noch zehn bis 15 Jahre dauern, schätzt Smith, bis die Wissenschaft in der Lage ist, die Reaktionen von Medikamenten im menschlichen Organismus in silico, also im Computer, zuverlässig nachzubilden.

Langfristiges Ziel ist es, all diese Daten zu einem „digitalen Patienten“ zusammenzufügen, in dem alle wesentlichen Krankheiten modelliert, simuliert und visualisiert sind. Doch das ist Zukunftsmusik: „Die Komplexität ist enorm“, so Philips-Forscher Weese, „und lässt das auf absehbare Zeit kaum zu.“

Für die klinische Arbeit aber könnten die Forschungen am digitalen Patienten schon bald Früchte tragen.

Kommt heute etwa ein Herzpatient in die Klinik, wird er mit bildgebenden Verfahren untersucht, dann wird auf Basis dieser Daten die Behandlung eingeleitet. Viel ist dabei von der Erfahrung des Kardiologen abhängig. In Zukunft, so Nic Smith, „werden die medizinischen Daten des Patienten erst einmal durch eine Simulationssoftware geschickt“, deren Basis die digitalen Herzdaten tausender Patienten sind. Erst dann wird über die beste Art der Behandlung entschieden und darüber, wie diese optimal durchgeführt wird. W. MOCK

Von W. Mock
Von W. Mock

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