botenstoff 03.11 - Human.technology Styria GmbH

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paRtneR neWs 18 in-silico-computErmodEllE bEi hErzErkrankungEn ErmöglichEn prognosEn übEr thErapiEErFolg comPutergestützte herzsimulationen mit indiViduellen Patienteninformationen aus graz aus medizinischen bildstapeln werden computermodelle generiert, mit denen man die elektro-mechanische aktivität des herzens simulieren kann. rechts: „elektrischer Wirbelsturm“, wie er unmittelbar vor eintreten des plötzlichen herztodes beobachtet wird. herzerkrankungen zählen zu den häufigsten krankheiten weltweit. alleine in der eu sterben 1,9 mio. menschen jährlich an einer kardiovaskulären erkrankung. ein besonders häufiger endpunkt zahlreicher kardiovaskulärer erkrankungen ist die herzinsuffizienz. die ursachen dafür sind vielfältig und reichen von einer durchblutungsstörung des herzmuskels bis hin zu bluthochdruck oder einer herzmuskelentzündung. eine vielversprechende therapie beruht auf gezielter stimulation mit herzschrittmachern (kardiale resynchronisationstherapie), die darauf abzielt, die mechanische synchronizität der Pumpfunktion zu verbessern. die therapie ist bei 70% der Patienten sehr erfolgreich, aber leider bei 30% überhaupt nicht effektiv. die ursachen für einen erfolg oder misserfolg der therapie sind noch unklar. die therapiekosten sind hoch und liegen bei über 20.000 euro pro Patient. einen vielversprechenden ausweg aus diesem komplexen krankheitsfeld stellen computermodelle dar. so genannte insilico-modelle können das menschliche herz bis ins kleinste detail nachbilden. anatomische und funktionell völlig realistische modelle, die mit den spezifischen Patienteninformationen parametrisiert werden, können wertvolle Prognosen liefern. einerseits sind Vorhersagen möglich, ob eine therapieform erfolgreich sein wird oder nicht, andererseits erlauben simulationen auch eine verbesserte Patientenzuordnung für die jeweilige therapieform. univ.-Prof. dr. gernot Plank vom institut für biophysik an der med uni graz erforscht seit über 15 Jahren den einsatz von in-silico-modellen zur therapieoptimierung bei kardiovaskulären erkrankungen. „mit in-silico-modellen kann jedes organ und in dem fall das herz bis auf die zelluläre ebene simuliert werden, biochemische Prozesse und Veränderungen können nachgebaut werden. für ärzte ist der klare Vorteil, dass erfolgsprognosen über die jeweilige therapieform getätigt werden können und Patienten profitieren von einer quasi „durchgespielten, maßgeschneiderten therapie“, fasst gernot Plank zusammen. simulationen, die bisher auf anderen gebieten wie der automobilindustrie oder dem tiefbau angewandt wurden, um etwa brücken oder bauwerke zu analysieren, konnten mit dem technischen fortschritt nun auch in die medizintechnik übernommen werden. eine besondere herausforderung ist dabei die einbindung der patientenspezifischen informationen. bei der umsetzung einer simulation liefern 3-dimensionale daten aus der bildgebung (meist von einer mr-aufnahme) die beschreibung von herzgeometrie und deren änderung über den herzzyklus in folge der mechanischen kontraktion, die informationen über die elektrische aktivierung des herzens können über kathederuntersuchungen gewonnen werden. das computermodell muss dann so angepasst werden, dass der simulierte herzschlag mit den klinisch erhobenen daten übereinstimmt. eine weitere herausforderung stellen die extrem hohen rechenleistungen dar, die erforderlich sind, um solch detaillierte simulationen ausreichend rasch durchführen zu können. aufgrund der ra- sant fortschreitenden entwicklung von supercomputern und den für deren optimale nutzung erforderlichen Verbesserungen im bereich der numerik ist es jetzt möglich, einen humanen herzschlag innerhalb von wenigen minuten zu berechnen, wobei dabei aber über 16.000 rechenkerne parallel eingesetzt werden. die dazu notwendigen methodischen entwicklungen werden im rahmen des vom fWf geförderten spezialforschungsbereichs „mathematische optimierung mit anwendungen in den biomedizinischen Wissenschaften“ entwickelt und in der steiermark durch das „simnet styria“ unterstützt. gernot Plank kooperiert dabei mit der klinischen abteilung für kardiologie an der univ.-klinik für chirurgie, aber auch mit verschiedenen internationalen experten wie etwa dem institute of computational medicine an der Johns hopkins university in den usa oder der school of medicine am kings college london in england. in Österreich ist diese forschungsarbeit einzigartig, in europa gibt es nur noch zwei weitere forschungsgruppen in diesem bereich. früherkennung Von nebenWirkungen in der medikamentenent- Wicklung neben der therapieoptimierung liegt ein weiteres, großes anwendungsgebiet in der medikamentenentwicklung, konkret in der früherkennung pharmakologischer nebenwirkungen. die durchschnittliche entwicklung eines marktfähigen medikaments dauert ca. 13 Jahre und kostet ca. 250 mio. euro. besonders dramatisch ist der kosten- und zeitaufwand für medikamente, die in letzter minute doch nicht zugelassen werden oder sogar nach einer einführung vom markt genommen werden müssen. in-silico-modelle sind auch für den bereich der medikamentenentwicklung eine vielversprechende möglichkeit, Wirkungen und vor allem nebenwirkungen von neu entwickelten Pharmaprodukten durch simulationen abzuklären. ein blick in die zukunft die forschungsergebnisse bei in-silico-modellen bei kardiovaskulären erkrankungen sind weit fortgeschritten. die anatomisch und funktionell realistischen modelle, die
genaueste, patientenspezifische informationen enthalten, können wertvolle Vorhersagen über den erfolg einer therapieform liefern. der nächste schritt ist der nachweis darüber in klinischen studien. am king’s college in london steht eine klinische studie gerade kurz vor der durchführung. technik in der medizin gernot Plank ist ein wahrhaftiges beispiel für interdisziplinäre arbeit. als absolvent der tu graz (biomedizinische technik) arbeitete er bereits im rahmen seiner dissertation am institut für medizinische Physik und biophysik an der med uni graz. mehrere forschungsaufenthalte führten ihn nach canada, berlin, Valencia und liverpool. an der renommierten Johns hopkins university in den usa war er bis 2008 als gastprofessor tätig, und bis 2010 als assistant Professor an der university oxford, bevor er wieder nach graz zurückkehrte. assoz. prof. dr. gernot plank institut für biophysik medizinische universität graz t +43 (0)316 | 380 - 7756 gernot.plank@medunigraz.at autor: dr. gernot Plank dass ozonbehandlungen schonender als zum beispiel bohrungen sind, weiß man in der dentalmedizin schon seit langem. ozon tötet bakterien ab, beugt so karies und anderen zahnerkrankungen vor, ohne die zähne gravierend zu beschädigen. ebenso bekannt ist, dass ozongeneratoren bisher nur behandlungen mit geringen ozon-konzentrationen von bis zu 4,7 g/m³ zugelassen haben. Wie zum beispiel beim erfolgreichen modell healozone 2130c wurde das benötigte ozon aus der umgebungsluft mittels einer kaltkathodenentladung erzeugt. die antemo anlagen und teilefertigung gmbh treibt die zahnmedizinische ozonbehandlung nun voran mit einer Weiterentwicklung des healozone 2130c. der Vorteil des healozone X4 beruht im kern auf der erhöhung der ozon-konzentration auf bis zu 32 m/g³. diese hohe konzentration kann nicht mehr aus umgebungsluft gewonnen werden. die gefahr der stickoxidbildung und korrosion durch salpetersäurebildung 19 paRtneR neWs diE wEitErEntwicklung dEr ozon-kariEsbEhandlung die antemo anlagen und teilefertigung gmbh entWickelt einen Verteilerblock, der hÖhere ozon-konzentrationen ermÖglicht und montageauf- Wände minimiert wäre zu hoch. aus diesem grund wird im heal ozone X4 das ozon in erster linie aus reinem medizinischem sauerstoff gewonnen. die möglichkeit, umgebungsluft zur gewinnung einer niedrigen ozon-konzentration zu verwenden, bleibt bestehen. um reibungslos zwischen beiden betriebsarten umschalten zu können, entwickelt antemo in zusammenarbeit mit dem augsburger konstruktionsbüro thomas quappe einen ventilgesteuerten Verteilerblock, in dem sämtliche anschlüsse, zum beispiel für die sauerstoffversorgung, schläuche und sicherheitsventile integriert sind. der montage- und Prüfaufwand für den deutschen montagebetrieb beckmann und egle gmbh wird so deutlich gesenkt. neben der entwicklung des Verteilerblocks ist antemo ein weiterer erfolg im bereich der medizintechnik geglückt. als einziges österreichisches unternehmen ist es gelungen, das entsprechende handpiece für die ozonkariesbehandlung mit dem healozone X4 in einem stück zu fertigen. die filigrane krümmung des handpiece aus rostfreiem stahl und die präzise gefertigten düsen ermöglichen zum einen eine schonende behandlung und garantieren zum anderen hundertprozentige genauigkeit. so ebnet antemo den Weg für weitere entwicklungen im bereich der medizin technik. autor: henric Wietheger
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