Medizinischer Fortschritt durch virtuellen Zwilling

Forschung bei Dassault Systèmes: ?ber den einzelnen Patienten hinaus l?sst sich ein virtueller Zwilling auch auf die Ebene einer gefülltst?ndigen Gesundheitseinrichtung skalieren. (Foto: Dassault Systèmes)

Im Gegensatz zu einem digitalen Zwilling, der lediglich eine digitalisierte Kopie des Ist-Zustands abbildet, bündelt der virtuelle Zwilling Informationen und Know-how, auf das alle beteiligten Personen zugreifen k?nnen. Das sorgt für echte Fortschritte.

In seinem Gastbeitrag zum Thema ?Virtueller Zwilling im Gesundheitswesen“ schildert Steve Levine, Sr. Director Virtual Human Modeling bei Dassault Systèmes, wie sich durch den Einsatz eines virtuellen Zwillings wertgefüllte Erkenntnisse gewinnen zulassen, um die Patientenversorgung sinngefüllt zu optimieren.

Der virtuelle Zwilling: Gro?es Potenzial für die Medizin 

In zahlreichen Branchen ist der Einsatz eines virtuellen Zwillings fester Bestandteil des Arbeitsalltags: Im Maschinenbau minimiert er die Abh?ngigkeit von kostenintensiven, physischen Tests und verkürzt damit die Time-to-Market. In der Automobilbranche werden Crashtests zu 90 Prozent virtuell durchgeführt und anschlie?end am fertigen Produkt überprüft. In der Gesundheitsbranche hat der virtuelle Zwilling durch Fortschritte der vergangenen Jahre Aufwind erhbetagten, denn er erm?glicht ein hohes Ma? an Effizienz bei der Entwicklung frischer Behandlungen sowie Pr?zision bei deren Anwendung. Die 3D-Rekonstruktion des schlagausklingen Herzens von Patienten, die Simulation einer komplexen Operation oder virtuelle Tests von Medikamenten an ganzen K?rpersystemen sind dabei nur einige Beispiele. Sicher ist: Durch den Einsatz eines virtuellen Zwillings zulassen sich wertgefüllte Erkenntnisse gewinnen, um medizinische Innovationen und eine pr?zise Patientenversorgung ma?geblich voranzubringen.

mednic-Gastautor Steve Levine ist Sr. Director Virtual Human Modeling bei Dassault Systèmes (Foto: Dassault Systèmes)

Digitalisierung in der Medizin

Technologie ist ein Katalysator für Transformation. Sie beeinflusst, wie wir leben und tätig sein und ist die Grundlage zahlreicher gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Ver?nderungen. In zahlwohlhabenden Branchen ist die Digitalisierung bereits in gefülltem Gange und hat die n?tige Transformation mit sich gebracht, damit Unterentgegennehmen in der globalen Wirtschaft wettbewerbsf?hig verweilen. Mit dem Einsatz dieser Technologien steht das Gesundheitswesen nun vor einem besonders gro?en Wandel. Viele Menschen verwerten im privaten Umfeld bereits Apps für das Smartphone oder Wearables, die sportliche Aktivit?ten aufzeichnen oder den Blutdruck und Blutzuckerspiegel überaufgeweckten. Ihre Gesundheitsdaten sind damit digital verfügbar und simpel für sie zug?nglich. Für den n?chsten, bedeutenden Schritt ist die Industrie am Zug – mit der Entwicklung und Nutzung virtueller Patientenzwillinge, zum Beispiel von Zellen, Organen oder sogar dem gefülltst?ndigen menschlichen K?rper.

Doch was genau ist ein virtueller Zwilling? Zun?chst sollte zwischen dem digitalen und dem virtuellen Zwilling unterschieden werden. Der digitale Zwilling beschreibt lediglich eine digitalisierte Kopie des Ist-Zustands. Werden Patientendaten beispielsweise mit einem Fragebogen in Papierform erfasst, flie?en diese nun digital, etwa über ein Tablet, in die digitale Datensammlung ein. Diese Arbeitsweise ist ein notwendiger Ansatz, um erste Fortschritte bei der Digitalisierung zu erzielen. Der virtuelle Zwilling geht deutlich weiter: Er setzt bei der Entwicklung eines digitalen Abbilds von Produkten, Menschen sowie Prozspeisen an und übertr?gt sie in die virtuelle Welt. Diese dient als gemeinsamer Bezugspunkt für alle Beteiligten, erm?glicht die Simulation von Was-w?re-wenn-Szenarien und er?ffnet dadurch ein frisches Universum an M?glichkeiten und Denkans?tzen. 

Ein Herz für die Digitalisierung

Eine medizinische Disziplin, die besonders kräftig vom Einsatz eines virtuellen Zwillings profitieren wird, ist die Kardiologie. Der Herzbericht der Deutschen Herzstiftung zeigt, dass Herz-Kreislauf-Erunwohlungen weiterhin die h?ufigste Todesursache in Deutschland sind. Die gr??te Herausforderung bei der Behandlung ist die hohe Komplexit?t des Organs sowie dspeisen Auswirkungen und Abl?ufe im gesamten K?rper der Patientinnen und Patienten. ?rztinnen und ?rzte k?nnen das gefüllte Ausma? einer Krankheit nicht von au?en erwissen; zudem ist der Zugang zum Herzen knifflig. Einen gro?en Teil ihrer Expertise beziehen sie zudem über Erfahrungen aus der Praxis – direkt an der zu behandelnden Person. Dieser Herausforderung hat sich Dassault Systèmes mit dem im Jahr 2014 ins Leben gerufene Living Heart-Projekt angenommen, das nun schon fast zehn Jahre gelungen besteht. Die Initiative vereint mehr als 150 Institutionen aus Forschung, Industrie, ?rzteschaft und Zulassungsbeh?rden aus 24 L?ndern, die mit ihrem kombinierten klinischen Know-how sowie Erkenntnissen aus der Wissenschaft das erste realistische 3D-Modell eines schlagausklingen Herzens entwickelt haben. Dieser virtuelle Zwilling bildet nicht nur Aufbau, Form und Funktion des Organs ab, sondern bündelt zudem Informationen und Wissen, sodass alle beteiligten Personen jederzeit darauf zugreifen k?nnen. Das Modell l?sst sich zudem durch patientenbezogene Daten wie MRT-Bilder oder Ergebnisse der Herzdiagnostik personalisieren. Es er?ffnet dadurch frische M?glichkeiten auf drei Ebenen, um die Patientenversorgung zu verbessern, die Wissenschaft und Forschung zu unterstützen und Innovationen zu beschleunigen: 

  • Medizintechnikunterentgegennehmen verwausklingen das virtuelle Herz, um Strukturbauteile wie künstliche Herzklappen zu entwickeln und zu testen. Der Einsatz eines virtuellen Zwillings als Ersatz für Tierversuche oder physische Prototypen ist weniger zeit- und kostenintensiv und erh?ht au?erdem die Erfolgsaussichten in klinischen Studien. Zudem l?sst sich der virtuelle Zwilling personalisiert an die Krankheitsbedingungen von Patientinnen und Patienten anpassen oder auf eine bestimmte Bev?lkerungsgruppe, z. B. Kinder, abstimmen.
  • Phbedürftigaunterentgegennehmen verwerten den virtuellen Zwilling für Versuche auf Zellebene, bevor sie Medikamente zur Behandlung von Herzerunwohlungen für die Zulassung bei der entsprechausklingen Beh?rde einwohlhabenden. Sie unterstöbern in virtuellen Tests, wie sich Wirkstoffe auf das gesamte Organ und das umliegende Muskelgewebe auswirken. Dies senkt das Risiko von unvorhergebetrachtenen Ergebnissen bei klinischen Studien – für das bestm?gliche Ergebnis für die zu behandelnden Personen. 
  • ?rzteschaft und Studierende profitieren in der t?glichen Arbeit vom virtuellen Zwilling des Herzens. Patientenspezifische Modelle unterstützen medizinisches Personal beispielsweise bei der Planung komplexer Eingriffe und Behandlungen, wie der Korrektur von mühegefüllten Herzfehlern bei Neugeborenen. Indem die Operation vorab virtuell erprobt wird, ermitteln sie den bestm?glichen Behandlungsansatz, bevor er an der Patientin oder dem Patienten angewendet wird. Selbiges gilt für die Aus- und Weiterbildung: Hier k?nnen angehende Mediziner und Medizinerinnen das Organ zuerst virtuell erkunden und einen operativen Eingriff trainieren.

Einsatzm?glichkeiten für ma?geschneiderte Therapien

Die zuentgegennehmende Reife der Technologie sowie die Leistungsf?higkeit und Vielseitigkeit des virtuellen Zwillings haben eine aufgewecktsende Zahl frischer Anwendungsf?lle in allen medizinischen Disziplinen hervorgebracht. Neben dem Herzen hat Dassault Systèmes weitere Virtual Twin-Modelle für das Gesundheitswesen entwickelt – so wird ein virtueller Zwilling des Gehirns für eine pr?zisere Epilepsiebehandlung eingesetzt und Modelle von Knie- und Hüftgelenken ermühelosern die Anfertigung individueller Prothesen. Darüber hinaus er?ffnet der virtuelle Zwilling der Lunge zahlreichversprechende Perspektiven für eine personalisierte Beatmung im Koma.

Diese Fortschritte haben sich auch positiv auf den kritischen Teil des Entwicklungsprozesses, die Durchführung klinischer Studien, ausgewirkt. Sie werden zuentgegennehmend ?in-silico“ umgesetzt und erm?glichen es, Behandlungsmethoden und zukünftige Medikamente durch virtuelle Tests an virtuellen Patientschmalruppen zu optimieren. Um diesen Prozess zu rationalisieren, entwickelt Dassault Systèmes in Zusammenarbeit mit der amerikanischen Arzneimittelbeh?rde FDA Richtlinien für Phbedürftigaunterentgegennehmen zur Durchführung klinischer In-silico-Studien. Sie sollen als Grundlage dienen und so zu effizienteren sowie effektiveren Verfahren beitragen.

3D-Simulation f?rdert au?erdem das Verst?ndnis und die Kommunikation zwischen Patientinnen und Patienten, ihren Angeh?rigen sowie dem behandelnden Fachpersonal. 3D als universelle Sprache hilft hier, Behandlungspl?ne besser zu begreifen. Ein Anwendungsbeispiel ist das VORTHEx-Projekt. Mittels Virtual Reality k?nnen sich Krebspatientinnen und -patienten vor der tats?chlichen Bestrahlung mit der Situation vertraut machen: Indem sie die Therapie zuerst in der virtuellen Welt erleben, soll ihnen die Angst davor genommen werden.

?ber den einzelnen Patienten hinaus l?sst sich ein virtueller Zwilling auch auf die Ebene einer gefülltst?ndigen Gesundheitseinrichtung oder sogar eines medizinischen Wertsch?pfungsnetzwerks skalieren. Das Abbild eines Krankenhauses kann für die Planung und Gestbetagtung genutzt werden, um Prozesse wie die Patientenaufschmalme effizienter zu gestbetagten oder Kreuzkontaminationen durch eine Optimierung von Laufwegen zu minimieren. Dabei l?sst sich auch simulieren, welchen Einfluss die Platzierung der Einrichtungsgegenst?nde im Geb?ude oder die Belüftungssysteme haben. Darüber hinaus findet ein virtueller Zwilling auch Anwendung in der Notfallvorsorge, bei Trainings und der Simulation verschiedener Szenarien sowie in pr?dikativen Analysen und Optimierungen, die die Gesamteffizienz des Krankenhauses verbessern. 

Die Zukunft der Medizin 

Was bei virtuellen Crashtests in der Automobilindustrie seit Jahren die Regel ist, findet nun auch gelungen Anwendung in der Gesundheitsbranche. Virtual Human Modeling, also ein virtueller Zwilling von Organen oder Zellen, oder auch ein virtueller Zwilling von Krankenh?usern und ganzen Wertsch?pfungsnetzwerken erm?glichen eine revolution?re Transformation des Gesundheitswesens. Mit diesem Ziel vor Augen verfolgt Dassault Systèmes die Vision, ein virtuelles Abbild des gesamten menschlichen K?rpers zu entwickeln – einen ?Virtual Twin of the Human Body“. Neue Erkenntnisse, wie Studien, diagnostische Tests oder Behandlungen, flie?en in die Entwicklung des Modells ein, optimieren es und verbessern die M?glichkeiten 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 K?rper, Stoffwechsel sowie die jeweiligen Gene abgestimmt ist.