SIEMENS

Weltweit leiden etwa 4 % der Über-65-Jährigen an einer Erkrankung der Aortenklappe, einer der vier Herzklappen. Meist wird sie durch die Verkalkung der Klappensegel verursacht, die das sauerstoffreiche Blut aus der linken Herzkammer in den Kreislauf pumpen. Rettung bringt der Einsatz einer Aortenklappenprothese – in Europa werden pro Jahr etwa 60 000 solcher operativen Eingriffe durchgeführt, in den USA noch weit mehr. Kostenpunkt pro Operation: 140 000 US $. Doch für Zehntausende kommt diese Lösung nicht in Frage, denn viele ältere Menschen sind so schwach, dass sie eine Operation am offenen Herzen nicht überleben würden.

Nun gibt es Hoffnung für diese Patienten – immerhin ein Drittel aller Erkrankten. Zusammen mit dem Herzzentrum Leipzig, dem Deutschen Herzzentrum in München und Siemens Corporate Research (SCR) in Princeton, USA, haben Spezialisten von Siemens Healthcare eine neue Visualisierungs- und Steuerungstechnik für Angiographiesysteme entwickelt. Der Clou: Sie ermöglicht die Implantation einer Ersatzklappe über einen Katheter und erspart den Patienten damit den komplexen Eingriff. Das reduziert das Risiko enorm – und auch die Kosten sinken. In Europa wird dies bereits an mehreren Kliniken erprobt, und auch in den USA könnte die Technik bald zur Verfügung stehen.

Das neue Verfahren basiert auf dem Einsatz des Bildgebungssystems DynaCT von Siemens. Gewöhnlich wird es für interventionelle Verfahren während Eingriffen verwendet, beispielsweise beim Einsetzen eines Stents zur Offenhaltung einer verstopften Arterie. DynaCT liefert sehr detaillierte dreidimensionale Röntgenaufnahmen des Brustraums. Doch um die Aortenklappe sicher und erfolgreich einsetzen zu können, braucht der Chirurg neben der hohen Bildqualität vor allem eine Lösung, die die Aortenwurzel hinter den Rippen sichtbar macht.

Hier entwickeln die Siemens-Forscher eine Technologie, „die das Umfeld der Aortenklappe in einem DynaCT-Datensatz erfasst und segmentiert. Das heißt, sie blendet automatisch alle für die OP unwichtigen Teile wie die Rippen aus”, erklärt Dr. Jan Boese, der in der Geschäftseinheit Angiographie im Sektor Healthcare für Innovationen und Prototypen zuständig ist.

Wenn die Mediziner die zusammengefaltete Ersatzklappe durch einen Katheter an ihren Bestimmungsort vorschieben, bestimmt eine ebenfalls neue Software von Siemens den optimalen Einsatzwinkel der neuen Klappe. „Hier liegt der Schlüssel des neuen Verfahrens”, erklärt Dr. Rui Liao, der bei SCR die Software gemeinsam mit Dr. Yefeng Zheng entwickelt hat. „Das Programm erkennt automatisch die anatomischen Gegebenheiten der Aortenklappenregion und errechnet den genauen Einsetzwinkel der Prothese. Diese Informationen sind wichtig, damit die neue Klappe die alte präzise abdeckt, ohne dass Lecks entstehen. Außerdem dürfen die Einmündungen der Koronararterien nicht überdeckt werden, da es sonst sofort zu einem Herzinfarkt kommen würde.” Wenn sich die Prothese in genau der richtigen Position befindet, wird sie durch den Ballonkatheter entfaltet und fest an die Aortenwand gepresst (siehe Bilder oben).

In Europa wurde das Verfahren bis heute an mehr als 150 Patienten mit einem Durchschnittsalter von 78 Jahren angewandt. Einer der wenigen Herzchirurgen mit umfangreicher Erfahrung in der neuen Technik ist Prof. Rüdiger Lange, Direktor des Deutschen Herzzentrums der TU München. „Der große Vorteil der neuen Software ist, dass sie den Winkel der Prothese deutlich sichtbar macht”, erklärt er. „Das ist ungeheuer wichtig, weil die Aortenklappe manchmal verdreht ist. Wenn man ohne eine solche Information die richtige Position nur schätzen kann, beinhaltet dies ein hohes Risiko. Bei dem Eingriff steht Präzision im Mittelpunkt, und dieses Kriterium erfüllt die Software mit Bravour."

Vorhofflimmern: Katheter in 3D. Es ist eine der unausweichlichen Alterskrankheiten. Wie die Scharten und Kratzer, die sich mit den Jahren auf dem ehemals glänzenden Lack unserer Autos ansammeln, bilden unsere Herzen aus bisher noch unbekannten Gründen fibröses Narbengewebe aus. Dieses kann elektrische Anomalien, also Herzrhythmusstörungen, verursachen. 60 % dieser Störungen entwickeln sich auf den Innenwänden des linken Vorhofs und verursachen einen oft symptomlosen Zustand, das so genannte Vorhofflimmern, das eine der Hauptursachen für Schlaganfälle und Herzversagen bei über 65-Jährigen ist.

Wegen der zunehmenden Lebenserwartung der Menschen schätzen Fachleute, dass sich die Zahl dieser Erkrankungen in den nächsten zehn Jahren verdoppeln wird. Angesichts dieses alarmierenden Trends entwickelt Siemens derzeit mit SurgiVision, einem Medizintechnik-Unternehmen aus Memphis, Tennessee, und der medizinischen Fakultät der Universität von Utah ein neues minimal-invasives Verfahren (siehe Artikel „Kampf dem Schlaganfall“). Es soll den Kardiologen ermöglichen, fibröses Gewebe über einen speziellen Katheter zu erkennen und zu zerstören. Zum Ziel geleitet wird der Katheter dabei mit Hilfe der Bildgebung eines Magnetresonanz-Tomographen (MRT) in Echtzeit.

Sobald das Verfahren im Einsatz ist, wird es bedeutende Vorteile gegenüber heutigen Verödungsmethoden bieten. Diese verwenden zwar auch Katheter, basieren aber auf Röntgentechnik und setzen so Patienten und Ärzte vier Stunden lang einer erheblichen Strahlenbelastung aus. Außerdem ist bei diesen Verfahren die Visualisierung schwierig und die Präzision geringer. Entsprechend sieht die bisherige Erfolgsquote aus: zwischen 50 und 75 %. „Mit der neuen MR-geführten Methode erwarten wir neben einer höheren Erfolgsquote vor allem auch eine wesentliche Verbesserung der Qualität und eine Verringerung der Eingriffsdauer”, sagt Walter Märzendorfer, der Leiter der Magnetresonanz bei Siemens Healthcare.

Ein Forschungsteam um Dr. Nassir F. Marrouche hat an der Universität von Utah zudem ein MR-basiertes Auswertesystem entwickelt, das Patienten mit Vorhofflimmern während der Voruntersuchung in vier Kategorien einteilt (Bild unten): vom ersten Stadium mit einer ausgezeichneten Prognose bis zum vierten Stadium, in dem die Krankheit so weit fortgeschritten ist, dass eine Verödung des Gewebes nicht mehr helfen würde. „Diese Methodik bietet Kardiologen eine bessere Entscheidungshilfe, ob der Eingriff für den Patienten sinnvoll ist. Damit können die Ärzte besser die Patienten ausschließen, die von einer solchen Behandlung nicht profitieren würden”, erklärt Märzendorfer.

Obwohl die neue MR-basierte Ablationstechnik bereits weit entwickelt ist, muss noch viel getan werden, bevor die klinische Testphase beginnen kann. „Wir arbeiten momentan mit der Universität von Utah und SurgiVision an einer Feinabstimmung unserer MRT-Systeme für die Echtzeiterfassung der Aufnahmen, um damit den Katheter kontinuierlich verfolgen zu können”, erläutert Dr. Christine H. Lorenz, Direktorin des Zentrums für angewandte medizinische Bildgebung, einer gemeinsamen Einrichtung von SCR und Siemens Healthcare mit Sitz in Baltimore, Maryland. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelt Siemens auch eine Navigationssoftware, mit der der Katheter und das Herz räumlich abgebildet werden können. Dies wird die Schlüsseltechnologie sein, um die Katheter präzise positionieren zu können.

Ähnlich wichtig ist die Entwicklung der Katheter selbst. Sie müssen den starken Magnetfeldern des MRT standhalten und zugleich durch das Gerät in Echtzeit verfolgt und visualisiert werden können. Dafür hat SurgiVision eine Katheter-Reihe entwickelt, die mit winzigen MR-Spulen ausgestattet ist. „Wenn der Patient mit dem minimalinvasiven Katheter im MRT liegt, werden die Signale der Katheterspulen vom Gerät registriert. So erhalten wir in Echtzeit die Position und Ausrichtung jedes Katheters in 3D”, erklärt Kimble Jenkins, CEO von SurgiVision. „Der Kardiologe sieht dann im Bild die genaue Position des Katheters und zugleich hochaufgelöst die Anatomie der Herzgegend des Patienten, in der sich der Katheter bewegt. Kurz gesagt, die 3D-Darstellung wird zum Operationsgebiet.”

Aneurysmen mit Strömungssimulation. Sie hat sich in der Industrie schon für die unterschiedlichsten Produkte etabliert – von der Kaffeemaschine bis zur Öl- oder Gas-Pipeline: die numerische Strömungssimulation (computational fluid dynamics, CFD). Jetzt untersuchen Siemens-Forscher, inwiefern man die CFD auch für medizinische Problemstellungen verwenden kann, zum Beispiel bei Aneurysmen.

Das sind ballonartige Erweiterungen der Arterienwände, die lebensbedrohlich sind. Wenn ein Aneurysma im Gehirn aufreißt, sind oft Behinderungen oder der Tod die Folge. Nur ein Drittel der Patienten, die so etwas erlebt haben, genesen wieder vollständig.

Experten schätzen, dass 1 bis 5 % der Bevölkerung ein Aneurysma haben – wobei diese Zahl mit dem zunehmenden Durchschnittsalter künftig weiter steigen wird. Die gute Nachricht: Die meisten Aneurysmen reißen nie. „Die entscheidende Frage ist deshalb, wie der Arzt das Risiko eines Risses beurteilen kann, wenn er ein Aneurysma während einer routinemäßigen Angiographie- oder MRT-Untersuchung entdeckt”, sagt Dr. Thomas Redel, Experte für angiographische Bildgebungssysteme bei Siemens Healthcare. Die Antwort wäre nicht nur für die Patienten wichtig, sondern hätte auch enorme wirtschaftliche Folgen, denn weltweit liegen die Kosten für Aneurysmen-Behandlungen bei geschätzten 1,8 Mrd. US $ pro Jahr.

Aneurysmen haben viele verschiedene Formen und Größen und kommen in unterschiedlichen Körperregionen vor. Am meisten betroffen sind Gehirn, Unterleib und die Hauptschlagader. Doch mit der zunehmenden Empfindlichkeit von Angiographiesystemen – die neuesten Modelle lösen Strukturen sogar bis auf 150 µm auf – werden immer mehr von den erweiterten Blutgefäßen entdeckt. Nur durch bloßes Anschauen kann der Arzt jedoch nicht beurteilen, ob ein Aneurysma gefährlich ist. Genau da setzt CFD an. Auf Basis hochauflösender Bilddaten haben die Siemens-Forscher Bogdan Georgescu, Viorel Mihalef und Puneet Sharma aus Princeton präzise 3D-Modelle von Aneurysmen erstellt und deren Blutdurchfluss simuliert. „Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Risses auf Faktoren beruht, die von den Eigenschaften der Gefäßwände abhängen – und die wiederum verändern auch die Fließeigenschaften des Bluts und den Blutdruck”, erklärt Georgescu. Und Redel fügt hinzu: „Das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer auf den Patienten maßgeschneiderten Aneurysma-Behandlung.”

Um herauszufinden, was einen Aneurysma-Riss auslöst, simulieren die Siemens-Forscher verschiedenste Kombinationen der Parameter. Das Ziel ist klar: Mittel und Wege zu finden, den Riss eines Aneurysmas vorherzusagen und zu verhindern. Dabei untersuchen die Experten etwa die Wirkung so genannter „Flow Diverter”. Denn verwendet man bei konventionellen Behandlungsmethoden Clips, die auf den Hals des Aneurysmas gesetzt werden, können dadurch lebensbedrohliche Perforationen entstehen. Die Diverter hingegen leiten einen Teil des Bluts einfach in andere Gefäße um. „Wir sind überzeugt, dass CFD hier eine wichtige Rolle spielen kann”, sagt Jan Boese. „Bevor ein solcher Diverter eingesetzt wird, könnten die Ärzte dessen optimale Position am Aneurysma mittels Simulationen am Computer bestimmen.” Für solche Zwecke entwickeln Siemens-Forscher in Deutschland und den USA derzeit eine Software-Plattform, mit der die Ärzte simulierte Ergebnisse und tatsächliche Messungen am Patienten in Einklang bringen können.

Gelingt es in Zukunft, mit CFD die Risiken für die Blutgefäße eines Patienten zu identifizieren, könnte dies auch helfen, dessen Infarktrisiko vorherzusagen und die besten Therapien zu finden. Und nicht zuletzt könnte die Simulation auch bei der Ausbildung künftiger Ärztegenerationen zum Einsatz kommen.