Computergestützte Modellierung und Simulation kombinierter Seismo- und Elektrokardiogramme als Basis für neuartige diagnostische Werkzeuge

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Balzani
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544827709

Simulationen des Herzens ermöglichen die virtuelle Untersuchung der Herzfunktionen unter gesunden und erkrankten Bedingungen. Derartige Simulationen können z.B. dazu beitragen pathophysiologische Mechanismen aufzuschlüsseln, neue therapeutische Zielgrößen zu entwickeln oder in der klinischen Diagnostik zu unterstützen. Das Elektrokardiogramm (EKG) hat sich hier als besonders wertvoll erwiesen. Leider erkennt das EKG Teile von pathophysiologischen Veränderungen nicht oder nur sehr spät. Daher stellt das aktuell wieder an Aufmerksamkeit gewonnene Seismokardiogramm (SKG), also eine indirekte Messung der Herzbewegungen, ein weiteres diagnostisches Werkzeug zur Verfügung, welches Erkrankungen, die Herzbewegungen einschränken, wie z.B. Herzinsuffizienz, erkennbar macht. Aus diesen Gründen wird angenommen, dass kombinierte SKG- und EKG-Signale die Diagnose eines größeren Spektrums von Herzerkrankungen ermöglichen und damit Therapiechancen verbessern. In diesem Projekt ist das wesentliche Ziel, eine computergestützte Umgebung für die virtuelle Analyse kombinierter SKG und EKG Signale auf Basis von Herzsimulationen zu entwickeln und die grundsätzliche Machbarkeit der Nutzung als diagnostisches Werkzeug zu untersuchen. Zur Erreichung dieses Ziels werden zunächst wichtige offene Probleme bzgl. der Herzmodellierung adressiert, welche die Herzbewegung betreffen. Dazu werden verbesserte, mathematisch abgesicherte Materialmodelle für Herzgewebe entwickelt und die im unbelasteten Zustand vorhandenen Eigenspannungen auf Basis eines biologisch motivierten, wachstumsbasierten Ansatzes einbezogen. Verschiedene dehnungsaktivierte Ionenkanäle aus der Literatur werden einbezogen, um die mechano-elektrische und mechano-chemische Interaktion der Zellen realitätsnah zu berücksichtigen. Eine neue materiall stabile Materialformulierung für Herzgewebe soll konstruiert werden, die stochastisch verteilte Faserorientierungen und räumlich explizit aufgelöste Sarkomere berücksichtigt, in welches das Zellmodell zu integrieren ist. Durch die Kooperationspartner bereitgestellte experimentelle Daten werden genutzt, um Atlas-basierte Faserorientierungen im Herzen abzuleiten und damit Limitationen bestehender Mikrostrukturgeneratoren zu identifizieren. Diese Kombination neuartiger Erweiterungen wird es ermöglichen, wichtige Experimente aus der Literatur abzubilden. Eine Reihe von numerischen Studien auf verschiedenen Idealisierungsebenen wird eine qualitative Validierung des neuen Modells auf struktureller Ebene ermöglichen. Außerdem wird ein Torso-Modell mit dem erweiterten Herzmodell gekoppelt, um die vorgesehene Untersuchung kombinierter EKG und SKG Signale in einer realitätsnahen virtuellen Umgebung zu ermöglichen. Unter Einbeziehung verschiedener unscharfer Größen sowie der physiologischen Variabilität hinsichtlich Mikrostruktur und Geometrie wird die grundsätzliche Möglichkeit verbesserte Diagnosefunktionalität im Sinne einer Machbarkeitsstudie untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen