Digitaler Zwilling

Verbessern Digitale Zwillinge die Gesundheitsversorgung in der realen Welt?

| Autor / Redakteur: Thierry Marchal, / Juliana Pfeiffer

Marktführer im Gesundheitswesen sowie FDA-Behörden weisen darauf hin, dass Digitale Zwillinge dazu beitragen, medizinische Innovationen und behördliche Zulassungen zu beschleunigen.
Marktführer im Gesundheitswesen sowie FDA-Behörden weisen darauf hin, dass Digitale Zwillinge dazu beitragen, medizinische Innovationen und behördliche Zulassungen zu beschleunigen. (Bild: ©peterschreiber.media - stock.adobe.com)

Das Gesundheitswesen hat die Vorteile des Digitalen Zwillings erkannt und setzt diesen vermehrt ein. So weisen Marktführer im Gesundheitswesen sowie FDA-Behörden darauf hin, dass Digitale Zwillinge dazu beitragen, medizinische Innovationen und behördliche Zulassungen zu beschleunigen. In Zukunft könnten diese Tools sogar Ärzten dabei helfen, die Leistung von patientenspezifischen Behandlungsplänen präzise zu optimieren.

Patienten, die Chemotherapeutika als Aerosol inhalieren, haben viel zu verlieren, wenn die zielgerichtete Tumorbehandlung nicht ankommt oder gesundes Gewebe trifft. Die technische Simulation und insbesondere die Computational Fluid Dynamics (CFD) kann den Forschern dabei helfen, die konventionelle Arzneimittelabgabe zu untersuchen. So haben Forscher des Computational Biofluidics and Biomechanics Laboratory (CBBL) der Oklahoma State University heraus gefunden, dass nur 20 % eines inhalierten Medikaments ihr Ziel in der Lunge erreichten. Der Rest gelangte in nicht vom Krebs befallenes Gewebe und das oft mit Nebenwirkungen.

Die CBBL-Forscher untersuchten, ob eine Reduzierung der aktiven Größe der Wirkstoffpartikel und -region innerhalb des Aerosols (im Gegensatz zur gleichmäßigen Verteilung im Spray) die Effizienz der Wirkstoffabgabe verbessern würde.

Wirkungsgrad des Aerosols um 90 % optimiert

Die Forscher haben die Aerosolpartikel-Bewegung durch einen Digitalen Zwilling der oberen Atemwege eines Erwachsenen erfolgreich simuliert. Das Team hat daraufhin Parameter, wie den Durchmesser der Partikel, die Inhalationsströmungsrate und die Ausgangsorte der Medikamente innerhalb des Aerosols verändert. Im Ergebnis optimierten die Forscher das medizinische Aerosol auf einen Wirkungsgrad von über 90 %.

Die Atemwegskonfiguration gehört zum virtuellen menschlichen System von CBBL – einer Sammlung von Digitalen Zwillingen, die die Atemsysteme von Erwachsenen und Kindern im Sitzen und Stehen abbilden. Durch den Import von Lungengeometrien aus CT/MRT-Scans können Forscher nun patientenspezifische Zwillinge erstellen.

Digitale Zwillinge bieten wertvolle Unterstützung für Gehirnchirurgen

Digitale Zwillinge sind auch smart genug, um medizinische Forscher bei der Behandlung unserer Gehirne zu unterstützen. So hat das französische Start-up Sim & Cure beispielsweise einen patientenähnlichen Digitalen Zwilling zur Behandlung von Aneurysmen entwickelt.

Ein unbehandeltes zerebrales Aneurysma ist eine potenziell lebensbedrohliche Krankheit. Sim & Cure nutzt Simulationen und Digitale Zwillinge, um Neurochirurgen dabei zu helfen, die Sicherheit der Patienten während der Behandlung zu maximieren.

Aneurysmen sind Blutgefäßausstülpungen, die durch eine Schwächung einer Arterienwand hervorgerufen werden. Sie können bei zwei Prozent der Bevölkerung festgestellt werden. Ein kleiner, aber beängstigender Bruchteil dieser Aneurysmen kann dann zu Gerinnseln, einem Schlaganfall und sogar zum Tod führen. In der Regel ist die Hirnchirurgie der letzte Ausweg, um Aneurysmen zu behandeln. Die endovaskuläre Therapie ist jedoch eine weniger invasive Option, die mit einem geringeren Risiko verbunden ist. Hierbei wird über einen Katheter ein Implantat eingeführt, um die geschädigten Arterien abzustützen und den durch unregelmäßigen Blutfluss verursachten Druck auf das Aneurysma zu reduzieren.

Digitaler Zwilling hilft bei Auswahl passender Implantate für ein Aneurysma

Bedauerlicherweise zeigen die Studien des Nationalen Zentrums für Biotechnologieinformation (NCBI) jedoch, dass bis zu 65 Prozent aller endovaskulären Eingriffe ihre Ziele verfehlen. Beispielsweise kann Blut die Lücken ausfüllen und zusätzlichen Druck ausüben, wenn ein intrasakkuläres Implantat sich nicht auf das Volumen des Aneurysmas ausdehnt.

Sim & Cure hat eine klinische, im Operationssaal verwendbare Software entwickelt, um Chirurgen bei der Auswahl des optimalen Implantats zu helfen, das sowohl an den Querschnitt als auch an die Länge des Aneurysmas formgenau angepasst ist. Sie erwarben sogar eine behördliche Zulassung für einen Digitalen Zwilling, der Chirurgen bei dem Auswählen und Einsetzen endovaskulärer Implantate unterstützt, die die Aneurysma-Therapie optimieren.

Nachdem der Patient für die Operation vorbereitet wurde, erstellt die Software ein 3D-Modell des Aneurysmas und der umgebenden Blutgefäße und erzeugt somit einen Digitalen Zwilling (ein detailliertes Computermodell) des patientenspezifischen zerebralen Aneurysmas. Die Sizing-Software von Sim & Cure nutzt dieses personalisierte Modell, um Chirurgen eine Auswahl an geeigneten und verfügbaren Implantaten aufzuzeigen. Sobald der Chirurg das Teil identifiziert hat, verwendet die Software Ansys Mechanical, ein eingebettetes Engineering Simulation Tool, um den Einsatz des Implantats ins Aneurysma abzubilden.

Der Chirurg kann dann 10- bis 20-sekündige Simulationen durchführen und das eingebrachte Implantat rotieren und vergrößern. Dies hilft dem Chirurgen, ein tiefes Verständnis für die interaktive Beziehung zwischen dem Implantat und dem Aneurysma zu erlangen. In weniger als fünf Minuten können zahlreiche Implantate zur Optimierung des Eingriffs bewertet werden. Die Vorversuche waren bereits eindrucksvoll. Während 10 Prozent der endovaskulären Therapie weitere Behandlungen erfordern, war bis zum Zeitpunkt der Anfertigung dieses Beitrags bei keinem Eingriff, bei dem die Software von Sim & Cure genutzt wurde, eine zusätzliche Behandlung erforderlich.

Save the Date: Anwendertreff MaschinenkonstruktionAngesichts zunehmender Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Anlagen stellt sich die Frage, ob die klassischen Technologien im Zeitalter von Industrie 4.0 noch zeitgemäß sind und wo sich neue Maschinenkonzepte anbieten. Antworten und Entscheidungshilfen für die Auswahl der jeweils am besten geeigneten Methoden und Komponenten bietet der Anwendertreff Maschinenkonstruktion am 21 Mai 2019.
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Präziseres Drug Targeting durch Digital-Twin-Technologie

Die Digital-Twin-Technologie ermöglicht den Anbietern von Gesundheitslösungen und Forschungslaboren ein präziseres Drug Targeting und den Test verschiedener Operationen zur Bestimmung der sichersten Methode für den Patienten. Dieser „in silico“-Ansatz ergänzt effektiv die traditionellen in vivo und in vitro Verfahren, die zu einer schnelleren behördlichen Zulassung führen könnten. All diese Vorteile resultieren in einer besseren Behandlung für Menschen weltweit, höheren Erholungsraten, kürzeren Erholungszeiten und in effektiveren Behandlungen unter schwierigen Bedingungen. Das führt zu einem besseren Lebensstandard und gleichzeitig zu einer kosteneffizienteren Gesundheitsversorgung der Länder. (jup)

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* Global Industry Director, Healthcare, Consumer Product, Construction bei ANSYS

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