MoBeStAn: Modellierung und Beeinflussung von Strömungen in Aneurysmen

Projektbeschreibung
Struktur
Mitglieder

Projektbeschreibung

Aneurysmen sind ballonartige Aussackungen der arteriellen Gefäßwände. Das Platzen dieser Aneurysmen führt zu starken inneren Blutungen und kann – abhängig vom betroffenen Gefäß – innerhalb von Minuten zum Tode führen: ruptierte Aneurysmen führen immer zu einer lebensbedrohlichen Hämorrhagie.

Aneurysma

Platzendes Aneurysma

Neuartiger Stent zur gezielten Blutflussänderung

 

Berechnung der Stromlinien in einem Aneurysma mit Stent

 

 

Die Behandlung dieser Aussackungen an Gefäßen im peripheren Gefäßsystem ist im Allgemeinen eine Aufgabe der Gefäßchirurgie. Die Behandlung von intrazerebralen Aneurysmen wird inzwischen möglichst minimal-invasiv durchgeführt, da die Ergebnisse im Vergleich zu einer offenen Operation besser sind. Dabei wird ein Katheter über das periphere Gefäßsystem in den Kopf und dann in das Innere des Aneurysmas vorgeschoben und dieses mit Platindraht ausgefüllt (coiling), mit dem Ziel, den Bluteinstrom in das Aneurysma soweit zu reduzieren, dass eine Thrombose und im weiteren Verlauf eine Fibrose des Aneurysmas eintritt. Eine neue Therapiestrategie ist das Einbringen von Implantaten wie z.B. Stents in das Trägergefäß auf Höhe des Aneurysmas, so dass der Blutfluß im Bereich der Aussackung qualitativ und quantitativ so verändert wird, dass der Hauptblutstrom am Aneurysma vorbeiführt und die Wandbelastung unter den kritischen Wert reduziert wird.

Aufgrund des extrem hohen Eingriffrisikos sind jedoch derartige Interventionen nur indiziert, wenn bereits eine Aneurysmaruptur eingetreten ist oder diese mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist. Die Beurteilung des Risikos einer Ruptur eines Aneurysmas ist daher ein zentrales Problem der präoperativen Diagnostik. Dafür muss der Blutfluss im Bereich des Aneurysmas zuverlässig analysiert werden können und im Hinblick auf eine zukünftige Verbesserung der Behandlung eine mögliche positive Beeinflußung durch existierende und noch zu entwickelnde Implantate valide abgeschätzt werden. Die Entwicklung dafür geeigneter Methoden ist die Kernaufgabe des vorliegenden Forschungsprojektes.

 

Um diesem Ziel näher zu kommen, haben die unten genannten Projektmitglieder bereits 2006 ein Forschungsnetzwerk gegründet, das erste koordinierte Vorarbeiten für diese Thematik durchgeführt hat. Diese haben bereits zu einigen Veröffentlichungen geführt, weitere befinden sich in Vorbereitung.

 

Im Rahmen dieser Vorarbeiten konnten die drei zentralen Probleme, die auf dem Weg zum Erfolg gelöst werden müssen, identifiziert werden:

·         Die Variabilität (Lokalisation und Größe der Aneurysma, Gefäßstruktur…) zwischen den Patienten ist so hoch, dass eine Verallgemeinerung der Erkenntnisse in den meisten existierenden Studien nicht gewährleistet ist;

·         The complexity of the geometry leads to serious problems (accurate data collection on patients, reconstruction of the geometry, grid generation for the simulation, defining the boundary conditions), which is crucial for a quantitative prediction of the flow. Therefore, a rigorous analysis of errors occurring in all stages of processing must be carried out.

·         Die Validierung der Simulationsergebnisse ist äußerst komplex, da in vivo Messungen sehr schwierig sind, und da detaillierte Messungen an Phantom-Modellen kaum verfügbar sind.

Das vorliegende Verbundprojekt soll Lösungen für diese drei Probleme entwickeln, zuerst an großen Gefäßen (einfachere Nachbildung, da größere Abmessungen: 1. Jahr des Projektes), dann an zerebralen Aneurysmen (2. Jahr des Projektes).

 

Da diese Thematik von sehr hoher medizinischer Bedeutung ist, laufen bereits viele Forschungsprojekte weltweit, um die Aneurysmenerkrankung besser zu charakterisieren. Besonders aktiv sind die USA und Japan, die Europäische Union unterstützt aber auch entsprechende Vorhaben (s. z.B. http://aneurist.org). Eine eingehende Prüfung der internationalen wissenschaftlichen Literatur zeigt aber, dass nahezu alle diese Arbeiten das Verständnis der Rupturierung eines Aneurysmas mit dem Ziel einer Risikobewertung haben. So wichtig und interessant dieses Ziel ist, wäre es noch wesentlich bedeutungsvoller, bessere, d.h. risikoärmere und einfachere Behandlungsmethoden zu entwickeln, um dieses Platzen a priori zu vermeiden; dies bedeutet insbesondere, bessere Stents oder Alternativen zu Stents auf Basis reeller Patientendaten und unter Berücksichtigung der Variabilität der Krankheitsbilder zu entwickeln. Ein Erfolg würde natürlich die Therapiequalität bei dieser Erkrankung deutlich steigern, würde aber auch starke wirtschaftliche Effekte generieren, da die zurzeit verwendeten Implantate (Stents) hochwertige Komponenten sind. Ein erheblicher Technologietransfer ist daher mittelfristig zu erwarten.

 

Dieses Vorhaben flankiert darüber hinaus das bereits genehmigte BMBF-Innoprofile Projekt Inka (Intelligente Katheter; Sprecher: G. Rose), welches die Entwicklung von neuartigen Kathetern zum Ziel hat. Für die optimale Platzierung von Stents in Aneurysmen sind geeignete Katheter von zentraler Bedeutung. Eine enge Zusammenarbeit des hier beantragten Vorhabens mit dem Inka-Projekt ist sichergestellt.

 

Innovation

Wie im vorherigen Absatz erklärt, zielt dieses Projekt nicht primär auf ein Verständnis der Aneurysmaruptur, sondern vielmehr auf deren Verbeugung bzw. Behandlung. Dies ist zumindest europaweit ein Alleinstellungsmerkmal. Eine Analyse der internationalen Literatur zeigt, dass entsprechende Veröffentlichungen äußerst selten und alle in den letzten Jahren erschienen sind. Für die einzelnen Projektmitglieder lautet die wichtigste Herausforderung wie folgt:

§         AG Thévenin: experimentelle und numerische, quantitative Nachbildung der Blutströmung in reeller Geometrie, mit Berücksichtigung der Beeinflussung durch einen Stent.

§         AG Preim: Generierung von qualitativ hochwertigen Oberflächengittern unter Berücksichtigung der Stents als Voraussetzung für die Simulation; Visualisierung der Simulationsergebnisse im Sinne eine präoperativen Diagnostik.

§         AG Rose, gemeinsam mit AG Skalej: Sammlung einer repräsentativen Menge (Ziel: 50 Patientengeometrien) an Bilddaten aus den Kliniken; in vivo Messung der Blutflüsse als Randbedingung für die Simulation.

§         AG Tönnies: Evaluation und Adaption von existierenden eigenen und fremden Ansätzen zur Extraktion notwendiger Geometrieinformation aus rekonstruierten 3d Angiographie-Daten; quantitative Validierung von Segmentierungsresultaten.

§         AG Skalej: Akquisition von geeigneten Bilddaten von Patienten in vivo, Beratung bei der Entwicklung und Evaluierung der oben genannten Methoden.

 

Es ergeben sich damit an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ideale Bedingungen für eine erfolgreiche Vernetzung, von der Medizin bis hin zur akkuraten Simulation über die Bildverarbeitung und Bildanalyse. Die Vernetzung im Forschungsprojekt wird im folgenden Bild erklärt.

Struktur

 

Projektmitglieder

§         Koordinator: Prof. Dr.-Ing. Dominique Thévenin, Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik (ISUT, FVST)

              Tel. (0391) 67 18 570, Email: thevenin@ovgu.de .

§         Prof. Dr.-Ing. Bernhard Preim, Institut für Simulation und Grafik (ISG, FIN)

              Tel. (0391) 67 18512, Email: bernhard@isg.cs.uni-magdeburg.de .

§         Prof. Dr.-Ing. Georg Rose, Lehrstuhl für Medizinische Telematik und Medizintechnik (FEIT)

              Tel. (0391) 67 18862, Email: georg.rose@ovgu.de .

§    Prof. Dr. Martin Skalej, Zentrum für Radiologie (FME)

                    Tel. (0391) 67 21680, Email: martin.skalej@med.ovgu.de .

§         Prof. Dr.-Ing. Klaus Tönnies, Institut für Simulation und Grafik (ISG, FIN)

              Tel. (0391) 67 18873, Email: klaus@isg.cs.uni-magdeburg.de .

     Alle Antragssteller sind an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg tätig.

 

Projektlaufzeit

1. Oktober 2008 bis 24. Februar 2011.