10.10.2023 – Kategorie: Medizintechnik

Virtueller Zwilling: Großes Potenzial für die Medizin

In der Gesundheitsbranche hat der virtuelle Zwilling durch Fortschritte Aufwind erhalten. Er ermöglicht hohe Genauigkeit.

In vielen Branchen, wie dem Maschinenbau oder der Automobilindustrie, ist der Einsatz eines virtuellen Zwillings fester Bestandteil des Arbeitsalltags. Er minimiert die Abhängigkeit von kostenintensiven, physischen Tests und verkürzt damit die Time-to-Market. In der Gesundheitsbranche hat der virtuelle Zwilling durch Fortschritte der vergangenen Jahre Aufwind erhalten. Denn er ermöglicht ein hohes Maß an Effizienz bei der Entwicklung neuer Behandlungen sowie Genauigkeit bei deren Anwendung. Dadurch lassen sich wertvolle Erkenntnisse gewinnen, um medizinische Innovationen und eine präzise Patientenversorgung maßgeblich voranzubringen.

Digitalisierung in der Medizin schreitet mit dem virtuellen Zwilling voran

Technologie ist ein Katalysator für Transformation. Sie beeinflusst, wie wir leben und arbeiten und ist die Grundlage vieler gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Veränderungen. Mit Blick auf die Digitalisierung steht das Gesundheitswesen nun vor einem besonders großen Wandel. Viele Menschen nutzen im privaten Umfeld bereits Apps für das Smartphone oder Wearables. Sie zeichen sportliche Aktivitäten zeichnen oder überwachen den Blutdruck und Blutzuckerspiegel. Ihre Gesundheitsdaten sind damit digital verfügbar und einfach für sie zugänglich. Für den nächsten, wichtigen Schritt ist die Industrie am Zug – mit der Entwicklung und Nutzung virtueller Patientenzwillinge, zum Beispiel von Zellen, Organen oder sogar dem vollständigen menschlichen Körper.

Der virtuelle Zwilling eines Patientenherzen erlaubt es unter anderem, den Blutfluss im Organ zu simulieren.

Dabei sollte zuerst zwischen dem digitalen und dem virtuellen Zwilling unterschieden werden. Der digitale Zwilling beschreibt lediglich eine digitalisierte Kopie des Ist-Zustands. Beispielsweise werden Patientendaten nicht mehr mit einem Fragebogen in Papierform erfasst, sondern digital, z. B. über ein Tablet. Diese Arbeitsweise ist unerlässlich, um erste Fortschritte bei der Digitalisierung zu erzielen. Der virtuelle Zwilling hingegen setzt bei der Entwicklung eines digitalen Abbilds von Produkten, Menschen sowie Prozessen an und überträgt sie in die virtuelle Welt. Diese dient als gemeinsamer Bezugspunkt für alle Beteiligten. Er ermöglicht die Simulation von Was-wäre-wenn-Szenarien und eröffnet dadurch ein neues Universum an Möglichkeiten und Denkansätzen.

In das virtuelle Modell eines Herzens fließen Informationen zu Aufbau, Form und Funktion des Organs ein sowie individuelle Patientendaten, wie Vorerkrankungen und Medikamente.

Maßgeschneiderter virtueller Zwilling des Herzens

Die Kardiologie wird besonders stark vom Einsatz eines virtuellen Zwillings profitieren. Der Herzbericht der Deutschen Herzstiftung zeigt, dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen weiterhin die häufigste Todesursache in Deutschland sind. Die größte Herausforderung bei der Behandlung ist die hohe Komplexität des Organs sowie dessen Auswirkungen und Abläufe im gesamten Körper der Patientinnen und Patienten. Ärztinnen und Ärzte können das volle Ausmaß einer Krankheit nicht von außen erkennen; zudem ist der Zugang zum Herzen schwierig. Dieser Herausforderung hat sich Dassault Systèmes mit dem Living Heart-Projekt angenommen, das 2014 ins Leben gerufen wurde.

Die Initiative vereint mehr als 150 Institutionen aus Forschung, Industrie, Ärzteschaft und Zulassungsbehörden aus 24 Ländern. Diese haben mit ihrem kombinierten klinischen Know-how sowie Erkenntnissen aus der Wissenschaft das erste realistische 3D-Modell eines schlagenden Herzens entwickelt. Dieser virtuelle Zwilling bildet nicht nur Aufbau, Form und Funktion des Organs ab. Sondern er bündelt zudem Informationen und Wissen, sodass alle beteiligten Personen jederzeit darauf zugreifen können. Das Modell lässt sich zudem durch patientenbezogene Daten wie MRT-Bilder oder Ergebnisse der Herzdiagnostik personalisieren. Es eröffnet dadurch neue Möglichkeiten auf drei Ebenen, um die Patientenversorgung zu verbessern, die Wissenschaft und Forschung zu unterstützen und Innovationen zu beschleunigen:

Medizintechnikunternehmen verwenden das virtuelle Herz, um Strukturbauteile wie künstliche Herzklappen zu entwickeln und zu testen. Der Einsatz als Ersatz für Tierversuche oder physische Prototypen ist weniger zeit- und kostenintensiv und erhöht außerdem die Erfolgsaussichten in klinischen Studien. Zudem lässt es sich personalisiert an die Krankheitsbedingungen von Patientinnen und Patienten anpassen oder auf eine bestimmte Bevölkerungsgruppe, z. B. Kinder, abstimmen.
Pharmaunternehmen nutzen den virtuellen Zwilling für Versuche auf Zellebene, bevor sie Medikamente zur Behandlung von Herzerkrankungen für die Zulassung einreichen. Sie untersuchen in virtuellen Tests, wie sich Wirkstoffe auf das gesamte Organ und das umliegende Muskelgewebe auswirken. Dies senkt das Risiko von unvorhergesehenen Ergebnissen bei klinischen Studien – für das bestmögliche Ergebnis für die zu behandelnden Personen.
Ärzteschaft und Studierende profitieren in der täglichen Arbeit vom virtuellen Zwilling des Herzens. Patientenspezifische Modelle unterstützen medizinisches Personal beispielsweise bei der Planung komplexer Eingriffe und Behandlungen, wie der Korrektur von schweren Herzfehlern bei Neugeborenen. Indem die Operation vorab virtuell erprobt wird, ermitteln sie den bestmöglichen Behandlungsansatz, bevor er an der Patientin oder dem Patienten angewendet wird. Selbiges gilt für die Aus- und Weiterbildung: Hier können angehende Mediziner und Medizinerinnen das Organ zuerst virtuell erkunden und einen operativen Eingriff trainieren.

Virtual Twin-Technologie ermöglicht innovative Einsatzmöglichkeiten

Die zunehmende Reife der Technologie sowie die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit des virtuellen Zwillings haben eine wachsende Zahl neuer Anwendungsfälle hervorgebracht. Neben dem Herzen hat Dassault Systèmes weitere Virtual Twin-Modelle für das Gesundheitswesen entwickelt. So wird ein virtueller Zwilling des Gehirns für eine präzisere Epilepsiebehandlung eingesetzt und Modelle von Knie- und Hüftgelenken erleichtern die Anfertigung individueller Prothesen. Darüber hinaus eröffnet der virtuelle Zwilling der Lunge vielversprechende Perspektiven für eine personalisierte Beatmung im Koma.

Diese Fortschritte haben sich auch positiv auf die Durchführung klinischer Studien ausgewirkt. Sie werden zunehmend „in-silico“ umgesetzt und ermöglichen es, Behandlungsmethoden und zukünftige Medikamente durch virtuelle Tests an virtuellen Patientengruppen zu optimieren. Um diesen Prozess zu rationalisieren, entwickelt Dassault Systèmes in Zusammenarbeit mit der amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA Richtlinien für Pharmaunternehmen zur Durchführung klinischer In-silico-Studien. Sie sollen als Grundlage dienen und so zu effizienteren sowie effektiveren Verfahren beitragen.

Ziel des VORTHEx-Projekts ist es, Krebspatientinnen und -patienten mittels Virtual Reality vor der Behandlung mit der Umgebung vertraut zu machen, um ihnen die Angst davor zu nehmen.

3D-Simulation fördert außerdem das Verständnis und die Kommunikation zwischen Patientinnen und Patienten, ihren Angehörigen sowie dem behandelnden Fachpersonal. 3D als universelle Sprache hilft, Behandlungspläne besser zu verstehen. Ein Anwendungsbeispiel ist das VORTHEx-Projekt. Mittels Virtual Reality können sich Krebspatientinnen und -patienten vor der tatsächlichen Bestrahlung mit der Situation vertraut machen. Indem sie die Therapie zuerst in der virtuellen Welt erleben, soll ihnen die Angst davor genommen werden.

Virtuelle Modelle von Körperteilen wie dem Knie oder der Hüfte erleichtern die Anfertigung individueller Prothesen.

Die Zukunft der Medizin

Was bei virtuellen Crashtests in der Automobilindustrie seit Jahren die Regel ist, findet nun auch erfolgreich Anwendung in der Gesundheitsbranche. Virtual Human Modeling, also ein virtueller Zwilling von Organen oder Zellen, oder auch ein virtueller Zwilling von Krankenhäusern und ganzen Wertschöpfungsnetzwerken ermöglichen eine revolutionäre Transformation des Gesundheitswesens. Mit diesem Ziel vor Augen verfolgt Dassault Systèmes die Vision, ein virtuelles Abbild des gesamten menschlichen Körpers zu entwickeln – einen „Virtual Twin of the Human Body“. Neue Erkenntnisse, wie Studien, diagnostische Tests oder Behandlungen, fließen in die Entwicklung des Modells ein, optimieren es und verbessern die Möglichkeiten zur Individualisierung. Damit ist eine Zukunft des Gesundheitswesens in Sicht, bei der jeder Patient und jede Patientin die Chance auf eine Behandlung hat, die auf den eigenen Körper, Stoffwechsel sowie die jeweiligen Gene abgestimmt ist.