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Schnelle Simulation des Herzschlags

Die Elektrokardiografie (EKG) ist eines der am häufigsten eingesetzten Messverfahren im klinischen Alltag. Um die diagnostische Aussagekraft von EKG-Signalen zu verbessern, ist es notwendig, den Zusammenhang zwischen der Quelle dieser Signale, also der elektrischen Erregungsausbreitung im Herzmuskel, und den an der Körperoberfläche gemessenen EKG-Signalen genauer zu analysieren. Die dafür benötigte Rechenzeit ging bisher über Tage. Das numerische Herzmodell, das gegenwärtig in der PTB entwickelt wird, arbeitet inzwischen so schnell, dass Parametervariationen innerhalb von einigen Stunden durchgeführt werden können.

Falschfarbendarstellung der Sequenz einer simulierten elektrischen Erregungsausbreitung im Kaninchenherzen.

Zunehmend werden in der Biologie und Medizin numerische Simulationsverfahren eingesetzt, um Hypothesen zur Physiologie und zur Pathophysiologie zu überprüfen. In der PTB wird im Rahmen eines BMBF-Verbundvorhabens mit der Schering AG, Berlin, und dem Charité-Universitätsklinikum Benjamin Franklin, Berlin, sowie mit weiteren Partnern (University of Calgary, Kanada, und Universität Graz, Österreich) ein numerisches Herzmodell entwickelt, das die elektrische Erregungsausbreitung im Herzmuskel im Detail simuliert. Die Verifikation des Modells erfolgt durch einen Vergleich mit gemessenen elektrischen Erregungsverläufen an Tierherzen.

Eine Grundvoraussetzung für den praktischen Einsatz sind schnelle Algorithmen und der Einsatz von Parallelrechnern. Durch Einführung von speziellen Techniken (Preconditioning, Multigrid) gelang es in der PTB kürzlich, die Rechenzeit für einen einzelnen Herzschlag beim Menschen, die bisher bei einer Woche lag, um eine Größenordnung zu reduzieren. Erst damit werden Parameterstudien praktisch durchführbar.

Die Übereinstimmung des Simulationsergebnisses mit dem Experiment konnte bei der Untersuchung der Wirkung von Medikamenten eindrucksvoll bestätigt werden.