Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Computermodel kan sætte turbo på hjerteforskning

To studerende har udviklet den hidtil første computermodel af et grisehjerte, som i detaljer viser venstre hjertekammers interaktion med mitralklappen. Det kan bringe hjerteforskningen et stort skridt videre. For nu får forskere nye muligheder for frit at eksperimentere med virtuel hjertekirurgi og samtidig reducere antallet af kostbare dyreforsøg.

09.04.2013 | Kim Harel

to civilingeniørstuderende i forsøgskælderen på Aarhus Universitetshospital

Kan man bygge et hjerte på computer med en perfekt gengivelse af det komplicerede samspil imellem hjertemusklen og hjerteklappen? To civilingeniørstuderende er klar med et bud på en model, der kan få meget stor betydning for den internationale hjerteforskning.

Et hjerteforsøg på en operationsgris koster i dag cirka 25.000 kr. Normalt skal der op til tyve forsøg til for at dokumentere et forskningsresultat eller teste et kirurgisk implantat. Først herefter kan man gå i gang med de kliniske undersøgelser på mennesker. En computermodel af grisens hjerte kan simulere operationer i det uendelige. På billedet ses Bjørn Østli (th) og Jacob Lundsgaard begge civilingeniørstuderende, Aarhus Universitet. (Foto: Henrik Olsen)

Hjertet er et af kroppens største mysterier, og forskere sigter hele tiden mod at frembringe ny viden om dets fysiologiske kompleksitet og biomekaniske forhold. Det er nødvendigt for, at de kan videreudvikle og forbedre behandlingen af sygdomme i hjertesystemet.

Men vejen til ny viden, nye kirurgiske produkter eller nye operationsteknikker er både meget lang og meget dyr, fordi den involverer adskillige forsøg på dyr, før den kan testes på mennesker. Derfor har forskere verden over store forventninger til moderne teknologi til computersimulering, som de allerede i dag bruger som alternativ til testoperationer på dyr.

Problemet med den nuværende teknologi er, at den har store begrænsninger, når den skal vise det meget komplicerede mekaniske samspil imellem hjertemusklen og hjerteklappen. Det har betydning for nogle af de hyppigst forekomne hjertesygdomme, hvor simuleringen altså kommer til kort.

Hele hjertets slag på computer
Det kræver nemlig en computermodel, som er langt mere avanceret end de hidtil kendte modeller. En model, som i detaljer kan simulere venstre hjertekammers samspil med mitralklappen, der sørger for, at blodet kan passere imellem de to hjertekamre og forhindrer det i at løbe tilbage til lungerne.

Samtidig skal modellen kunne tage højde for det uhyre komplekse og hyperelastiske, biologiske materiale, som hjertet nu engang består af.

”Det har været en sindssygt krævende ingeniørmæssig udfordring, og nu ser det ud til, at vi har en perfekt model af grisens hjerte med en virkelighedstro gengivelse af tryk, kraftbalance og geometri gennem hele hjertets slag,” siger Bjørn Østli, som netop har afleveret sit civilingeniørspeciale i mekanik ved Aarhus Universitet.

Bjørn Østli og hans medstuderende Jacob Lundsgaard har bygget videre på resultaterne fra et amerikansk forskningsteam, som har haft succes med at bygge en computermodel af hjertet på et får, som er hyppigt anvendt i USA, hvor mange forskere og kirurger er jøder.

”Grisens hjerte minder meget om det menneskelige hjertes anatomi, og det er derfor også det, der er bedst egnet til dyreforsøg. Vores model giver en detaljeret computerbaseret beskrivelse af hjertets funktion i hele hjerteslagets cyklus. Det betyder, at man kan foretage en masse virtuelle eksperimenter med hjertekirurgi, som man ellers kun har gennemføre ved rigtige dyreforsøg,” siger Jakob Lundsgaard.

Kan simulere operationer i det uendelige
For eksempel kan man sætte en virtuel hjertering ind i computermodellen og se, hvordan den påvirker kraftbalancen i hjertet. Eller man kan simulere en reparation af hjerteklappen og få en meget virkelighedstro beskrivelse af de mekaniske ændringer, det medfører.

”Ganske hurtigt og helt uden kostbare forsøg på operationsgrise kan man testoperere og afprøve kirurgiske implantater. Hvordan skal man for eksempel designe en hjertering til patienter med hjerteklapsygdomme, så den fungerer optimalt for hjertets pumpefunktion? Hvilken betydning har formen for ringens levetid og dens belastning af hjertet? Hvis det er nødvendigt kan man teste hundredevis af forskellige ringe med variationer i både udformning og materialestivhed for at finde frem til den bedste, og først derefter gå i laboratoriet,” forklarer Bjørn Østli.

Udsigt til færre forsøg på grise
Aarhus Universitet har nu indledt et samarbejde med læger på Aarhus Universitetshospital om at videreudvikle hjertemodellen. På sigt håber de, at de kan anvende den til at optimere kirurgiske indgreb og udvikle bedre kirurgiske implantater.

”Det har meget stor værdi for os, at vi nu har adgang til en korrekt anatomisk computersimulering af grisens hjerte. Det giver os mulighed for at lave virkelighedstro, non-invasive forsøg og dermed adgang til en mere detaljeret forståelse af, hvordan operative indgreb påvirker hjertets funktion på både kort og lang sigt,” siger overlæge Sten Lyager Nielsen, overlæge ved Hjerte- lunge- karkirurgisk afdeling, Aarhus Universitetshospital.

Et hjerteforsøg på en operationsgris koster i dag cirka 25.000. kr. Normalt skal der imellem ti og tyve forsøg til at dokumentere et forskningsresultat.

Før kirurger for alvor kan tage computermodellen i brug, skal den igennem et længere testforløb. Her skal forskere blandt andet øge modellens anatomiske detaljeringsgrad og tjekke validiteten af dens resultater med virkelige forsøg med kraftmålinger i hjerter på grise.

KONTAKT

Bjørn Østli, civilingeniørstud., Aarhus Universitet: bjoernchroestli@gmail.com, 6067 3728

Jacob Lundsgaard, civilingeniørstud., Aarhus Universitet: jacoblundsgaard@live.dk, 2636 6251

Sten Lyager Nielsen, overlæge, hjerte- lunge- karkirurgisk afdeling, Aarhus Universitetshospital: lyager@ki.au.dk; 7845 3016

Morten Ølgaard Jensen, direktør for The Scandinavian School of Cardiovascular Technology, Aarhus Universitetshospital.  

NYHEDSBREVET RØMER
Denne artikel er bragt i RØMER, Nyhedsbrevet fra Aarhus Universitet Science and Technology

Forskning, Uddannelse, Institut for Ingeniørvidenskab, Sundhed og sygdom, Natur og teknologi