Forschungskolleg LUMEN

Modellierung von Gewebebewegungen und Blutfluss für die klappenerhaltende Rekonstruktion der Aortenwurzel

Projektziel

Ziel dieses Teilprojektes ist die computergestützte Planung der klappenerhaltenden Rekonstruktion der Aortenwurzel. Die Planung soll die Auswahl einer geeigneten Prothese auf Basis der patientenindividuellen Geometrie ermöglichen, um nach dem Eingriff eine statisch und dynamisch optimale Klappenfunktion zu erreichen.

Beschreibung

Eine Behandlungsoption bei einer Insuffizienz der Aortenklappe ist die Rekonstruktion der Aortenwurzel bei Erhalt der eigenen Klappe. Die Wurzel der Aorta oberhalb der Klappe wird dabei mittels einer Prothese neu modelliert. Bislang wird diese Prothese basierend auf der Erfahrung des Operateurs während der Operation patientenspezifisch angepasst. Durch den Eingriff kann potentiell ein guter Behandlungserfolg erzielt werden. Die Operationstechnik ist allerdings aufwendig und erfordert einige Erfahrung des Chirurgen, weil sich der Erfolg in situ am stillgelegten, nicht durchbluteten Herzen nicht hinreichend testen lässt.

Projektziel ist es, die Grundlagen für ein System zur systematischen präoperativen Planung zu erarbeiten. Dazu soll die Ausgangsgeometrie im statischen Belastungszustand sowie die dynamische Bewegung der Aortenwurzel und -klappe mittels verschiedener Bildgebungsverfahren bestimmt werden. Für verschiedene Operationsszenarien soll die statische und dynamische Veränderung modelliert und simuliert werden. Die Entwicklung des Systems erfolgt an Aortenwurzeln von Hausschweinen (ex vivo), da diese der menschlichen Anatomie hinreichend ähnlich sind. Für den Aufbau eines Geometriemodells werden Volumendaten aus hochaufgelöster Computertomographie (CT), 3D Echokardiographie und Mikro-CT eingesetzt. Die Parametrisierung und Validierung der mechanischen Simulation erfolgt für den statischen Belastungszustands mit Hilfe von Echokardiographie. Maßgebliche Modalität bei der Entwicklung eines fluiddynamischen Simulationsmodells ist die funktionelle kardiale Phasenkontrast-Magnetresonanztomographie.

Ergebnisse

Die Modellierung der patienten-individuellen Klappengeometrie ist weit fortgeschritten und konnte anhand einer Referenzdatenbank evaluiert werden. Darüber hinaus wurde ein neuer, simplifizierter Ansatz zur Schätzung der optimalen Prothesengröße entwickelt. Dieser Machine Learning basierte Ansatz wurde auf einer umfangreichen Datenbank getestet und hinsichtlich seiner Robustheit untersucht. Schließlich konnte er in einer prototypischen, modularen Planungssoftware implementiert werden, die um die patienten-individuelle Modellierung und physikalische Simulationen erweiterbar ist.

Verantwortliche Wissenschaftler

Dr. rer. nat. Christoph Metzner
Institut für Robotik und Kognitive Systeme
Universität zu Lübeck

Projektpartner

Prof. Dr. Henrik Botterweck
Medizinische Bildgebung
Fachhochschule Lübeck

Prof. Dr. Bodo Nestler
Medizinische Sensor- und Gerätetechnik
Fachhochschule Lübeck

Dr. Michael Scharfschwerdt
Prof. Dr. med. Hans-H. Sievers
Klinik für Herz- und thorakale Gefäßchirurgie
Universitätsklinikum Schleswig-Holstein Campus Lübeck

Dr. Helmut Goldmann
Aesculap AG
Tuttlingen