Modellierung der Herzhämodynamik mittels Fluid-Struktur-Kopplung und statistischen Formmodellen

• Antragsteller: Fabian Barbieri, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Leonid Goubergrits; Professor Dr. Titus Kühne
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Kardiologie, Angiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465178743

Bei der Diagnose und Behandlung von Herzkrankheiten spielt die in-silico Medizin eine immer größere Rolle. In unserem derzeitigen Projekt im SPP2311 Programm haben wir erfolgreich verschiedene Modellierungsansätze für die Simulation klinisch entscheidender hämodynamischer Parameter entwickelt. Dazu gehört ein verifizierter bildbasierter Ansatz für Fluid-Struktur-Interaktion Simulationen (FSI), kombiniert mit statistischen Formmodellen (SSM) und einem Lumped Element Model (LEM). In der zweiten Projektphase werden wir die bestehenden Modelle erweitern, verfeinern und koppeln, um ein umfassendes methodisches Framework zur robusten Darstellung patientenindividueller Zustände und zuverlässiger Simulationen von Biomarkern für verschiedene Herzerkrankungen zu ermöglichen. Der FSI-Ansatz wird durch relevante strukturelle Parameter wie myokardiale Kontraktion, globale Längsdehnungen und die Herzklappendynamik ergänzt. Dabei nutzen wir das SSM und LEM, um klinische Daten aufzubereiten und gegebenfalls zu ergänzen, sowie um biomechanische Randbedingungen für die FSI-Simulationen herzuleiten. Das Projekt erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Ingenieur:innen und Kliniker:innen, um verlässlich auf klinische Bedürfnisse eingehen und die Simulationsergebnisse im Hinblick auf klinische Parameter bewerten zu können. Für die methodische Entwicklung und Validierung werden prospektive Daten gesunder Probanden sowie Phantommessungen erfasst. Anschließend werden retrospektive Patientendaten verwendet, um die klinische Anwendbarkeit zu zeigen. Das Framework soll individuelle Behandlungsplanungen ermöglichen, indem ein personalisiertes Basismodell für einen bestimmten Datensatz auf weitgehend standardisierte und automatisierte Weise erstellt wird. Aufbauend auf dem Basismodell können veränderte Patientenzustände simuliert werden, die entweder in der klinischen Routine nicht messbar sind, wie z. B. ein postoperatives Behandlungsergebnis, oder die ein zusätzliches Risiko für Patient:innen bedeuten, wie z. B. medikamentöse Stressmessungen. Sowohl der Ausgangszustand als auch die veränderten Patientenzustände können auf der Grundlage aller in der Kardiologie gebräuchlichen Bildmodalitäten simuliert werden. Dies unterstreicht die breite Anwendbarkeit des Frameworks für diverse klinische Fragestellungen und Daten. Das technische Ergebnis dieses Projekts wird ein validiertes methodisches Framework mit robuster Kopplung und flexibler Kombination der einzelnen Simulationsmodule (LEM, FSI, SSM) sein. Darin werden Simulationen des Kreislaufs, der Hämodynamik, der Struktur und der anatomischen Merkmale ermöglicht, sowie die Ergänzung von fehlenden klinischen Daten. Die erwarteten Ergebnisse auf der klinischen Seite umfassen die Anwendbarkeit des methodischen Frameworks zur Erforschung verschiedener klinischer Fragestellungen, sowie für die Behandlungsplanung und Entscheidungsunterstützung, basierend klinischen Daten unterschiedlicher Quellen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2311: Robuste Kopplung kontinuumsbiomechanischer in silico Modelle für aktive biologische Systeme als Vorstufe klinischer Applikationen - Co-Design von Modellierung, Numerik und Nutzbarkeit
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Katharina Vellguth