Projektbeschreibung

Aneurysmen sind abnormale Ausbeulungen (Dilation) der arteriellen Gefäßwände, die durch den pulsierenden Blutdruck in einem geschwächten Bereich der Wand zu Aussackungen führen. Diese Schwächung der Arterienwand kann sowohl unfallbedingt, krankheitsbedingt als auch angeboren sein.

Arterien sind dabei die Blutbahnen in denen sauerstoffreiches Blut vom Herzen zu den anderen Organen und Gliedmaßen des Körpers transportiert werden. Ein sich dort entwickelndes und wachsendes Aneurysma ist für den Patienten gefährlich bis lebensbedrohlich. Die Ruptur eines Aneurysmas führt zu starken inneren Blutungen (Hämorrhagie) und kann – abhängig vom betroffenen Gefäß – innerhalb von Minuten zum Tode führen, generell führen perforierte Aneurysmen immer zu lebensbedrohlichen Situationen!

Die Behandlung dieser Aussackungen im peripheren Gefäßsystem gehört zu den klassischen Aufgaben der Gefäßchirurgie. Die Behandlung von intrazerebralen Aneurysmen wird inzwischen schon häufig patientenschonend und minimal-invasiv durchgeführt, da die Ergebnisse im Vergleich zu einer offenen Operation besser sind. Hierbei wird über ein Katheter, welcher in das Innere des Aneurysmas vorgeschoben wird, ein Gefäßimplantat (Stent) gesetzt, 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.

Wegen des noch immer verbleibenden hohen Risikos für den Patienten sind jedoch derartige Eingriffe nur dann vertretbar, wenn bereits eine Aneurysmaruptur eingetreten ist oder diese mit hoher Wahrscheinlichkeit kurz bevor steht. Die Beurteilung des Rupturrisikos eines Aneurysmas ist daher ein zentrales Problem der präoperativen Aneurysmadiagnostik, in der insbesondere der Blutstrom im Bereich des Aneurysmas zuverlässig in Richtung, Geschwindigkeit und Druck abzuschätzen ist, um den operativen Eingriff und die Behandlungsmethode darauf abzustimmen.

Die Entwicklung hierzu geeigneter Methoden soll die Kernaufgabe des vorliegenden Forschungsprojektes sein. In einem so genannten Online-Monitoring sollen Patientendaten analysiert und aufbereitet werden, um den behandelnden Chirurgen bei der Durchführung der Operation zu unterstützen.

Da diese Thematik von großer medizinischer Bedeutung ist, laufen bereits zahlreiche Forschungsprojekte zur Charakteristik der Aneurysmenerkrankung weltweit. Eine Sichtung der internationalen wissenschaftlichen Literatur zu diesem Thema zeigt aber, dass fast alle Arbeiten das Verständnis der Rupturierung eines Aneurysmas mit dem Ziel der Risikobewertung haben. Noch wichtiger ist es jedoch die Entwicklung besserer und patientenschonender Operations- und Behandlungsverfahren, um die Ruptur a priori zu verhindern. Diese könnte durch die Entwicklung neuer, optimierter Stents auf der Grundlage reeller Patientendaten und unter Berücksichtigung individueller Krankheitsbilder erfolgen. – Ein Erfolg auf diesem interdisziplinären Forschungsgebiet würde die Therapiequalität erheblich steigern sowie auch wirtschaftliche Impulse generieren können, da die derzeitig verwendeten Gefäßstützen aus hochwertigen Werkstoffen angefertigt werden.

Besiegelten am 18.05.2011 die Kooperation (v.l.n.r.): IBFM-Mathematiker Simon Sonntag, IBFM-Leiter Frank Preser, HTWK-Rektor Michael Kubessa, der Direktor der Chirurgischen Klinik II Sven Jonas und Facharzt Peter Fellmer.

Foto: Pressestelle HTWK Leipzig.

Im Rahmen des gemeinsamen Forschungsprojektes zwischen der Uniklinik Leipzig und der HTWK Leipzig werden für die numerische Simulation der Blutströmung besonders hoch aufgelöste Computer- (CT) bzw. Magnetresonanztomografien (MRT) benötigt. Das IBFM fügt dazu die DICOM-Datensätze (Digital Imaging and Communications in Medicine) hierzu mit spezieller Software zu 3D-Bildern zusammen, visualisiert und segmentiert, um sie dann als numerische Rechengitter in FVM-Programme (Finite Volumen Modell) importieren zu können.

Wegen der großen Variabilität der Aneurysma-Erkrankungen ist eine Verallgemeinerung einmal gewonnener Erkenntnisse in der überwiegenden Anzahl von Patientenfällen nicht gegeben, so dass hier ein so genanntes Online-Monitoring vom IBFM entwickelt werden soll, um mit einer weiteren speziellen FEM- Applikation die Interaktion von Gefäßwand und pulsierendem Blutdruck korrekt abbilden zu können. Mit dieser Applikation besteht die Möglichkeit zur Berechnung und Lösung anspruchsvoller nichtlinearer und dynamischer Strömungsvorgänge sowie weitergehender medizinischer Fragestellungen. Dem Chirurgen kann damit erstmalig eine ad hoc Entscheidungshilfe angeboten werden, die neben dem Perforationsrisiko des Aneurysmas auch über die zum Einsatz kommenden Stents, in Form, Größe und Platzierung Empfehlungen liefert.

Um mögliche, auftretende Fehler im Vorfeld auszuschließen, sind Simulationsergebnisse exemplarisch an Silikonmodellen erkrankter Gefäße zu validieren. Hierzu sollen die vom IBFM berechneten Werte der Strömungssimulation, wie Druckverteilung und Fließgeschwindigkeit in Richtung und Größe mit den Ergebnissen aus physikalischen Versuchen an Kunstpräparaten mittels modernster Laser-Messtechnik (LDA/PIV) überprüft werden.

Projektmitglieder

Dr. med. Peter Fellmer, OA an der Chirurgischen Klinik II für Visceral-, Transplantations-, Thorax- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Leipzig,

Direktorat der Chirurgischen Klinik II für Visceral-, Transplantations-, Thorax- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Leipzig,

Prof. Dr.-Ing. Frank Preser, Institutsleiter des Instituts für Bio-Fluidmechanik (IBFM) an der HTWK Leipzig,

Felix Förster, M.Sc., Doktorand am Institut für Bio-Fluidmechanik (IBFM) an der HTWK Leipzig,