Digitaler Patient: Russische Forscher entwickeln 3-D-Modell

Mitarbeiterinnen der Lobatschewski-Universität posieren mit dem Superrechner „Lobatschewski", der die 3-D-Visiualisierung des menschlichen Körpers ermöglicht.  Foto: Nikolaj Nesterenko/Rossijskaja Gaseta

Mitarbeiterinnen der Lobatschewski-Universität posieren mit dem Superrechner „Lobatschewski", der die 3-D-Visiualisierung des menschlichen Körpers ermöglicht. Foto: Nikolaj Nesterenko/Rossijskaja Gaseta

Wissenschaftler der Staatlichen Lobatschewski-Universität in Nischni Nowgorod haben eine Technologie entwickelt, um ein detailgetreues 3-D-Modell eines Menschen zu erstellen. Dies soll die medizinische Diagnostik und Therapie verbessern. In Zukunft könnte sogar der Rechner selbst die Diagnosen stellen.

Wissenschaftlern der Staatlichen Lobatschewski-Universität in Nischni Nowgorod ist es gelungen, einzelne Tomogramme mithilfe eines Superrechners zu einem 3-D-Modell eines Menschen zusammenzufügen. Nun können Ärzte die möglichen Auswirkungen eines chirurgischen Eingriffs auf einen menschlichen Körper schon vor der Operation berechnen und Normabweichungen zum Beispiel von Zellen leichter erkennen. Auch neue Therapiemethoden können am „digitalen Patienten" zuerst gefahrlos getestet werden. Die Nachbildung ist absolut detailgetreu. Allein für das „virtuelle" Herz haben Mathematiker mehr als 50 Millionen Parameter benötigt.

Professor Wadim Turlapow vom Lehrstuhl für mathematische Softwareentwicklung der Universität sagt, dass Mediziner bislang für die Diagnosefindung zweidimensionale Tomogramme verwendeten. „Sieht man nun das neue, dreidimensionale Modell, dann wirkt es gewissermaßen wie ein virtueller Klon des Patienten. Es handelt sich dabei aber vielmehr um eine 3-D-Visualisierung medizinischer Daten."

 

Ein virtueller Seziertisch

Das Modell des jeweiligen Patienten dient dazu, praktische medizinische Aufgaben zu meistern. „Hauptziel der 3-D-Rekonstruktion ist es, Normabweichungen in Knochen, Organen oder im Gewebe eines Körpers festzustellen", so Turlapow. „Wir haben verschiedene Parameter für die Messung dieser Normabweichungen aufgestellt. Davon ausgehend kann man den Befund erkennen und nachvollziehen, ob eine medikamentöse Behandlung anschlägt, eine Krankheit zurückgedrängt werden konnte oder aber fortschreitet", erklärt der Wissenschaftler.

Die Erfindung aus Nischni Nowgorod ermöglicht es zudem, Kennwerte von Parametern des 3-D-Patienten zu ändern, sodass die Auswirkungen verschiedener Therapien beobachtet werden können, bevor sie am echten Patienten zum Einsatz kommen.

„Meistens benötigt ein Arzt gar nicht das Modell des gesamten Körpers, sondern nur ein bestimmtes Organ wie das Herz oder er benötigt nur einen Blick auf das Blutgefäßsystem. Wir können einzelne Ausschnitte am 3-D-Modell vornehmen und können so sogar unzulängliche Stellen betrachten, etwa Gewebeteile, die sonst gar nicht zu sehen sind. Diese Technologie ist wie ein virtueller Seziertisch", erläutert Turlapow die Vorteile.

Viele Unternehmen weltweit arbeiten an ähnlichen Entwicklungen, etwa die US-amerikanische Firma Anatomage. Bisher dienten die Entwicklungen jedoch vor allem der Medizinerausbildung. Das russische Modell soll dagegen direkt den Patienten zugutekommen und Diagnostik und Behandlungsmöglichkeiten verbessern.

 

Wird der Arzt bald überflüssig?

Wissenschaftler der Staatlichen Lobatschewski-Universität haben bereits eine medizinische Datenbank auf dem Superrechner „Lobatschewski" erstellt und wollen darin Tomogramme von Patienten für die weitere

Visualisierung aufnehmen. Es besteht sogar die technische Möglichkeit, 3-D-Visualisierungen für Tablets und Smartphones zu schaffen, sodass ein Patient sein Körperinneres selbst sehen und an einen beliebigen Arzt weiterleiten kann. Unter Einsatz von moderner Technik erfolgt die Nachbildung des Computermodells eines Patienten sehr schnell: „Ein Spiral-CT kann innerhalb von zehn Sekunden das komplette Tomogramm eines Körpers anfertigen", so Turlapow.

Die Erfindung aus Nischni Nowgorod ermöglicht Ärzten und radiologischen Fachangestellten zu jeder Zeit und an jedem Ort den Zugriff auf die 3-D-visualisierten medizinischen Daten der Patienten. In Zukunft könnte das 3-D-Modell dem Arzt sogar ein wenig Arbeit abnehmen: Die Wissenschaftler wollen binnen zwei bis drei Jahren ein automatisiertes Diagnostiksystem für das 3-D-Modell entwickeln, dann könnte der Rechner nicht nur Problembereiche identifizieren, sondern auch selbstständig Diagnosen stellen.

Der Superrechner „Lobatschewski" wird seit 2014 an der Lobatschewski-Universität in Nischni Nowgorod eingesetzt. Seine Spitzenleistung beträgt um die 600 Teraflops (600 Billionen Operationen pro Sekunde). „Lobatschewski" gehört zu den hundert größten Superrechnern weltweit. In Russland befindet sich nur an der Moskauer Lomonossow-Universität ein noch leistungsfähiger Rechner.

 

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