Verbesserung der Bewertungskriterien von Herzoperationen mittels

Verbesserung der Bewertungskriterien von
Herzoperationen mittels Strömungsmechanik
Ausarbeitung im Seminar „Das virtuelle Labor“
von
Marwin Wiechert
Datum
Januar 2011
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................................. 02
0. Abstract ............................................................................................................................................. 03
1. Einführung ........................................................................................................................................ 04
2. Grundlagen ....................................................................................................................................... 05
3. Die Modellierung und Validierung der KaHMo............................................................................... 06
5. Das Karlsruher Heart Modell in der Praxis ...................................................................................... 07
6. Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................................... 09
Abbildungsverzeichnis/ Literaturverzeichnis........................................................................................ 10
2 0 Abstract
Diese Arbeit hat den Anspruch zu einer Verbesserung der Bewertungsverfahren von Herzoperationen
beizutragen. Hierbei ist es entscheidend, dass sich aus den entwickelten Kennzahlen ablesen lässt in
welchem Grad eine Operation erfolgreich war.
Die Forschung auf diesem Gebiet ist unerlässlich, da Herzerkrankungen und -operationen,
beziehungsweise deren Folgen, die häufigste Todesursache in Deutschland sind.
Diese Arbeit beruht auf dem Karlsruher Heart Modell der Universität Karlsruhe. Dieses wird innerhalb
dieser Arbeit weiterentwickelt bis hin zur Integration in den klinischen Einsatz.
Die technische Grundlage dieser Arbeit bildet die Strömungsmechanik, welche bei der Simulation des
Blutes innerhalb eines Herzzyklus Anwendung findet.
Teilziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung geometrischer Modelle der einzelnen Bestandteile des
menschlichen Herzens.
3 1 Einführung
1.1
Motivation
Das Herz spielt seit vielen Jahrhunderten eine entscheidende Rolle im Bewusstsein des Menschen. Ein
Überleben des menschlichen Daseins ist ohne dieses Organ nicht denkbar. Daher muss es unser Ziel
sein, dieses Organ möglichst lange funktionstüchtig zu halten.
Aus physiologischer Sicht ist das Herz die Grundlage unseres Herz- Kreislaufsystems und für die
Nährstoffversorgung unseres Organismus verantwortlich. Zur Erfüllung dieser lebenslangen Aufgabe
schlägt das Herz ca. 3 Milliarden mal, dabei werden ca. 250 Liter Blut durch unseren Körper gepumpt.
Diese Leistung wurde bisher noch von keinem technisch hergestelltem Gerät erreicht.
Diese enorme Beanspruchung führt verstärkt zu Verschleißerscheinungen, die sich in verschiedenen
Herzerkrankungen widerspiegeln. Diese reichen von Bluthochdruck bis hin zum Herzinfarkt. Eben
solche Krankheiten stellen eine große Gefahr für den Menschen dar. Somit ist es nicht verwunderlich,
dass mehr als 50% der Todesfälle in Deutschland auf Herz- Kreislauf Erkrankungen zurückzuführen
sind. [STA08]
Die moderne Medizin versucht seit geraumer Zeit diesen Zahlen entgegenzuwirken, allerdings nur mit
mäßigem Erfolg. Es existieren mittlerweile künstliche Ersatzherzen, diese dienen jedoch lediglich als
mangelhafte Übergangslösung zu einem Spenderherzen. Auf Grund der begrenzten Anzahl dieser
Spenderherzen, können nur ca. 50% der benötigten Organe bereitgestellt werden. Daher ist es umso
wichtiger, dass ein implantiertes Organ nicht abgestoßen wird und voll funktionsfähig ist.
Zur Verbesserung der Operationsergebnisse werden kontinuierlich neue Techniken entwickelt bzw.
bestehende Techniken verbessert.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines patientenspezifischen virtuellen Modell des
Herzens, welches mittels strömungsmechanischer Planung von Herzoperationen deren Erfolg erhöhen
soll. Weiterhin sollen neue Möglichkeiten zur Bewertung von Herzoperationen geschaffen und deren
Einbindung in den klinischen Alltag realisiert werden.
1.2
Ansatz: Das Karlsruhe Heart Model (KaHMo)
Bei dem Karlsruher Heart Model handelt es sich um ein virtuelles Modell des menschlichen Herzens.
Die Daten stammen aus MRT (Magnet Resonanz Tomographie)- und CT (Computer Tomographie)Daten der einzelnen Bestandteile des Herzen. Momentan existieren zwei aufeinander aufbauende
Modelle, welche die Grundlage für die Weiterentwicklung bilden. Zum einen das KaHMoMRT und zum
andern das KaHMoFSI. Ersteres spiegelt den derzeitigen Befund, also den Zustand des Herzens,
wieder. Des Weiteren bietet dieses Modell eine Möglichkeit die geometrischen Daten, also
beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit, des Blutflusses während eines Zyklus zu extrahieren.
Das zweite Modell benötigt zu einem gewissen Teil die Daten des ersten Modells, um eine „what – if“
– Simulation zu realisieren. Dieses Modell errechnet aus den patientenspezifischen Daten mögliche
Auswirkungen von Operationen und ermöglicht dem Chirurgen vor einem Eingriff somit eine
bestmögliche Vorbereitung und Planung. Diese Modelle sollen im folgendem erweitert und verbessert
werden.
4 2
2.1
Grundlagen
Das Herz
Der menschliche Blutkreislauf besteht sowohl aus einem Niederdruck-, als auch einem
Hochdrucksystem, welche mit ihrer jeweiligen Pumpe das Herzorgan bilden. Ein gesundes Herz hat,
abhängig von Zustand und Geschlecht, durchschnittlich die Größe einer geballten Faust und wiegt ca.
200-350g [NOV10].
Die beiden Teilsysteme des Herzens bestehen jeweils aus
einem Vorhof(Atrium) und einer Herzkammer(Ventrikel).
Das Blut gelangt aus der linken Herzhälfte über die Aorta
in den Organismus, wohingegen die Pulmonal Arterie für
den Blutfluss der rechten Seite verantwortlich ist. Auf
Grund der Tatsache, dass die Richtung des Blutflusses im
menschlichen Organismus geregelt sein muss, ist es
notwendig über eine Steuerungseinheit zu verfügen. Diese
Aufgabe übernehmen im menschlichen Organismus die
Herzklappen, welche sich nur unter bestimmten
Druckverhältnissen in eine feste Richtung öffnen.
Wie erwähnt arbeitet das Herz in Zyklen, die parallel in
[Abb. 1] Das Herz
den Ventrikeln ablaufen. Diese gliedern sich in die
Diastole, zu der sowohl die Entspannungsphase als auch die
Füllungsphase gehört und die Systole, also die Anspannungs- bzw. Auswurfphase. Die einzelnen
Vorgänge dieser Phasen können in [SPI09] nachgelesen werden.
[Abb. 2] Das Herzkreislaufsystem
2.2
Der
Kreislauf
beginnt
mit
dem
sauerstoffreichen Blut in dem linken Ventrikel,
dieses „unverbrauchte Blut“ wird durch die
Aorta über die Arterien in die einzelnen Organe
bzw. Muskelgruppen transportiert.
Um den Kreislauf zu schließen wird nun das
verbrauchte Blut über die Venen zurück zum
rechten Herzflügel gepumpt, von hier aus wird
es mittels der Pulmonal Arterie zu der Lunge
befördert. Hier wird das Blut wieder mit
Sauerstoff versorgt und anschließend in den
linken Ventrikel geleitet. Von hier an startet
der Kreislauf erneut.
Das Blut
Der Aufbau des menschlichen Blutes bildet eine Suspension, ein heterogenes Stoffgemisch bestehend
aus ca. 42 Prozent zellulären Bestandteilen. Das restliche Plasma besteht zu 90% aus Wasser. Das
besondere an dem Blut ist, dass es über eine variable Viskosität verfügt, also an verschiedenen Stellen
unterschiedliche Strömungsverhältnisse aufweist.
2.3
Theoretische Grundlagen
Dieses Simulationsverfahren basiert auf gewissen strömungsmechanischen Gleichungen, diese im
Einzelnen zu erläutern würde den Umfang dieser Arbeit jedoch übersteigen.
Wissenswert ist jedoch, dass es sich bei den entwickelten Gleichungen um Differentialgleichungen
handelt und diese für komplexe Strömungen, wie sie im Herzen vorkommen, analytisch nicht lösbar
sind. Die Lösung dieser Gleichung wird mittels eines Systems von algebraischen Gleichungen sowohl
zeitlich als auch räumlich approximiert.
5 3. Die Modellierung und Validierung des KaHMo
3.1. Datensegmentierung
Durch die stetige Verbesserung der Detailgenauigkeit ist es heutzutage möglich, Strömungsstrukturen
im menschlichen Herzen auslesen zu können. Aus diesen Daten können Durchschnittsmodelle
erarbeitet werden, auf welche das spezielle Herz angenähert werden kann. Bislang war eine exakte
Modellierung komplexer Geometrien, wie die der
Oberfläche eines bewegten Vorhofs, nicht
möglich, da aus den MRT Daten nur Konturen
ausgelesen werden konnten. Mit einer neuen
Software ist nun jedoch eine dreidimensionale
Darstellung des gesamten Herzens samt
angrenzender Gefäße möglich.
[Abb. 3] Geometrische Daten des Herzens
3.2 Modellierung der Herzklappen
Basierend auf der Funktionsweise der sich im Herzzyklus öffnenden bzw. schließenden Herzklappen
muss eine Möglichkeit gefunden werden, diesen Vorgang zu simulieren. Da das KaHMoMRT auf MRTund CT-Daten beruht, deren Auflösung nicht fein genug ist für eine Modellierung, wird eine spezielle
Simulation eingesetzt, um das Modell zu verbessern.
Wie zu sehen ist, besteht am Anfang
eines Zyklus sowohl in der Mitral
(oben)-, als auch in der Aortenklappe
(unten), ein hoher Widerstand (rote
Färbung).
Im
Verlaufe
des
Pumpvorgangs verringert sich dieser
Widerstand jedoch und das Blut kann
einfließen (grüne Färbung). Dies
geschieht bis die Klappe sich
[Abb. 4] Herzklappenzyklus
vollends öffnet und somit das Blut
sich die Klappe und eröffnet den nächsten
ungehindert einfließen lässt. Im nächsten Schritt schließt
Zyklus.
3.3 Versuchsaufbau zur Validierung des KaHMo
Die für die Simulation getroffenen Annahmen müssen noch hinsichtlich Genauigkeit und
physikalischer Richtigkeit validiert werden. Hierzu wurde ein Versuch mit einem Silikonherzen
durchgeführt. Die Bewegung des Herzens wird durch eine spezielle Pumpe simuliert, welche der
Messkammer pulsatil(stoßweise) Flüssigkeit entzieht. Dieses Vorgehen simuliert einen kompletten
Herzzyklus, da der Ventrikel bis auf seine enddiastolische Größe anwächst und sich im folgenden
wieder entspannt. Der Ventrikel beruht auf patientenspezifischen MRT – Daten und wird aus Silikon
gefertigt. Zur Simulation des Blutes wird eine Wasser – Glycerin Mischung verwendet, der man der
Einfachheit halber keine Partikel beifügt. Bei der Durchführung wird eine Pumpfrequenz von 60/min
angesetzt. Sowohl die Ventrikel Bewegung als auch die Strömung werden in 18 verschiedenen
Punkten ausgewertet.
6 3.4 Interpretation der Strömungsstruktur
Die Ergebnisse aus dem Versuch sind für die klinische Anwendung noch zu ungenau und müssen
daher mit einer speziellen Software approximiert werden.
Dies geschieht zu sechs signifikanten Zeitpunkten. Am
Beginn der Diastole (t=0,13) bildet sich eine wirbelartige
Strömung zwischen dem neu einströmenden Fluid und
dem ruhenden bereits vorhandenen Gemisch. Während
der letzten Systole haben sich nicht alle Wirbelstrukturen
aufgelöst, daher befindet sich im linken vorderen Bereich
noch eine Wirbelformation. Diese bewegt den neu
gebildeten Wirbel dazu, sich immer weiter in den
Ventrikel hinab zu bewegen, bis er schließlich zum
[Abb. 5] Strömungsstrukturen 1 Zeitpunkt (t=0,22) auf die untere Ventrikelwand stößt.
Bei diesem Aufprall (t=0,28) wird der Wirbel
aufgebrochen und der Großteil des Gemisches
bewegt sich zum Zeitpunkt (t=0,39) in Richtung
Ventrikelspitze.
[Abb. 6] Strömungsstrukturen 2
Zum Ende der Diastole erreicht die Strömung die
Ventrikelspitze und zerfällt in mehrere Wirbelstrukturen
mit gleicher Drehrichtung (t=0,63).
Die Wirbelstruktur ist bis über das Ende der Systole
erkennbar und beeinflusst somit den nächsten Zyklus
(t=0,86).
[Abb. 7] Strömungsstrukturen 3
Diese Ergebnisse decken sich allerdings nur bedingt mit den Simulationsergebnissen. Der Fehler wird
auf bis zu ca. 21 Prozent geschätzt. In weiteren Untersuchungen wurde jedoch festgestellt, dass die
Unterschiede nicht auf eine falsche Berechnung während der Simulation zurückzuführen sind, sondern
auf einen mangelnden Versuchsaufbau.
Somit gilt die Simulation als validiert.
4 Das KaHMo in der Praxis
4.1 Voraussetzungen zum klinischen Einsatz des KaHMo
Die Grundvoraussetzung für einen klinischen Einsatz des Modells ist, dass die derzeitigen im
Tomographen erfassten Daten als Grundlage für die Simulation ausreichen. Das bedeutet, dass es
keine zusätzlichen Untersuchungen geben darf.
Zur Beurteilung des prae- bzw. postoperativen Zustands dienen spezifische Kennzahlen, welche im
Verlauf der Arbeit noch behandelt werden. Diese
wurden anhand der bestehenden
patientenspezifischen Datengrundlage ermittelt. Des weiteren musste ein Weg zur Automatisierung
der Simulation gefunden werden, um die Bearbeitungszeit von mehreren Wochen auf wenige Tage zu
verkürzen.
7 4.2 Leitfaden zur praktischen Umsetzung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Datenerhebung der gesamten Geometrieinformationen von Ventrikel und Aorta.
Anpassung des Mittleren Modells an das patientenspezifische Herz.
Zonenanpassung der projizierten Öffnungsflächen der Herzklappen.*
Extraktion der topologischen identischen Oberflächennetze.*
Übergabe der Daten an die Workstation.*
Automatische Volumenvernetzung und Parametereinstellung.
Berechnung des approximierten Volumenverlaufs.*
Automatisierte Anpassung der Öffnungs- und Schließungsprozesse der Herzklappen anhand
des Volumenverlaufes.*
9. Schnittebenendefinition zur anschließenden graphischen Auswertung der Herzströmung.*
10. Simulation inklusive Auswertungsroutinen zur Ermittlung der Kennzahlen.
11. Graphische Auswertung in den zuvor definierten Schnittebenen
(* wird in dieser Arbeit nicht thematisiert)
4.3 Erfassung der Ventrikleströmung
Die folgende Simulation basiert auf dem Datensatz eines Patienten mittleren Alters, welcher einen
Herzinfarkt erlitten hat. Vor der Operation wies der Ventrikel eine starke Ausbeulung auf, diese wurde
operativ gestrafft, um das Herz wieder auf die ursprüngliche Größe zu bringen.
Die Interpretation der dreidimensionalen Strömungsstruktur erfolgt zu vier signifikanten Zeitpunkten
im Herzzyklus.
Zu Beginn bildet sich der charakteristische Wirbel im oberen
rechten Herzen. Man kann deutlich erkennen, dass durch die
Operation die Fließgeschwindigkeit erhöht werden konnte.
Im weiteren Verlauf wandert der Ringwirbel in Richtung
Ventrikelmitte. Durch den Infarkt ist die linke Ventrikelseite
schwächer ausgeprägt, folglich kippt der Wirbel nicht in die
Ventrikelspitze ab.
Im praeoperativen Fall versperrt die linke Ringwirbelseite
halbseitig
den
Herzeingang.
Dadurch
wird
das
Strömungsverhalten im Vorhof beeinflusst.
Zum Ende der Diastole weisen die Untersuchungen deutliche
Unterschiede auf.
Das Strömungsbild während der Systole zeigt im Vorhof die
bekannte Ausbreitung eines rotierenden Wirbels. Im Aneurysma
bildet sich eine Wirbelwalze, welche sich nicht auflöst und
somit den nächsten Zyklus wieder beeinflusst.
Hier konnte durch die Operation eine Verbesserung geschaffen
werden.
Aus Sicht der Analyse der Strömungsstruktur war die
Operation ein Erfolg. Allerdings konnte eine vollständige
Rekonstruktion des Organs nicht erreicht werden. Daher
könnte das postoperative Gesamtergebnis besser ausfallen.
[Abb. 8] Strömungssimulation
8 5.4 Gewonnene Kennzahlen
Der Erfolg einer Operation wird unter folgenden Kennzahlen bewertet(Ausschnitt):
•
Druck – Volumen – Arbeit
o Der Faktor gibt Aufschluss über die Aktivität des Herzens.
•
Verweilzeit
o Die Verweilzeit besagt, wie lange
Blut im Herzen bleibt bevor es
wieder weitergepumpt wird.
•
Schlagvolumen
o Das Schlagvolumen gibt Auskunft
darüber, wie viel Blut pro
Herzzyklus in den Kreislauf
ausgeworfen wurde. Da diese
Menge bei erkrankten Herzen
immer geringer wird, ist das
Schlagvolumen ein wichtiges Indiz
für den Zustand eines Herzens.
•
Cardiac Output
o
Der Cardiac Output besagt, wie viel
Blut
pro
Minute
in
den
Körperkreislauf gepumpt wird.
[Abb. 9] Kennzahlenübersicht (Auswahl)
5 Zusammenfassung und Ausblick
Diese Arbeit verfolgt das Ziel, einen auf Strömungsmechanik basierenden Beitrag zur Planung und
Auswertung von Herzoperationen zu schaffen. Hierzu wurden zwei Modelle zugrunde gelegt. Sowohl
das KaHMoMRT, sowie das KaHMoFSI sollten zu einem einsatzfähigen System in der klinischen
Anwendung entwickelt werden. Hierzu musste zuerst ein anatomisch korrektes Modell des Herzens
erarbeitet werden. Des Weiteren wurden charakteristische Kennzahlen zur strömungsmechanischen
Bewertung von Herzoperationen entwickelt und validiert. Als letztes musste ein Weg zur
Automatisierung des Modells gefunden werden.
Begonnen mit der Datensegmentierung zur Schaffung eines Metamodells des Vorhofs konnten
ebenfalls die Herzklappen in ausreichendem Detailgrad modelliert werden.
Die Validierung des Modells wurde mittels eines Versuchs realisiert. In diesem Versuch wurde aus
patientenspezifischen Daten ein Silikonherz erstellt, welches zusammen mit einer speziellen Pumpe
einen Herzzyklus simulieren konnte. Die aus der Messung extrahierten Oberflächeninformationen
dienten wiederrum der Modellerstellung. Auf diese Weise ließen sich die numerischen Informationen
denen aus dem Modell gegenüberstellen. Da diese zu einem ausreichenden Prozentsatz
übereinstimmten, konnte das Modell validiert werden.
Ein weiteres erreichtes Teilziel dieser Arbeit war die Schaffung von spezifischen Kennzahlen zur
Beurteilung eines Operationsergebnisses.
Zuletzt musste eine Möglichkeit geschaffen werden, um den Modellierungsvorgang zu automatisieren.
Die notwendigen Schritte konnten innerhalb dieser Arbeit aufgezeigt werden.
Mit der Validierung und der Entwicklung aussagekräftiger Kennzahlen ist das KaHMo nun auf dem
Stand, in der Praxis eingesetzt zu werden.
Weiterführend wäre es sicherlich aufschlussreich, das erarbeitete geometrische Modell des Herzens zu
verfeinern, indem man zusätzlich die geometrischen Daten des Inneren Herzens simuliert.
9 Abbildungsverzeichnis
•
[Abb. 1]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 2]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 3]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 4]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 5]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 6]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 7]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 8]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
•
[Abb. 9]
Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung
von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe.
Literaturverzeichnis • [SPI09] Spiegel, K. (2009). Strömungsmechanischer Beitrag zur Planung von Herzoperationen. Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe. • [NOV10] Novafeel, 2010, http://www.novafeel.de/anatomie/herz/anatomie-­‐herz.htm • [STA08] Statistisches Bundesamt, (2008), http://www.destatis.de/jetspeed/portal/cms/
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