Der Kardiovaskuläre Zwilling
Neue Wege in der kardiovaskulären Analyse
Die Modellbasierte Pulswellenanalyse (mbPWA)
Neue Wege in der kardiovaskulären Diagnostik
Unser innovatives Analyseprinzip der Gefäßuntersuchung gründet auf einem Arterienbaummodell aus den 1960iger Jahren. Wir haben es entscheidend weiterentwickelt und erweitert. Das überzeugende Ergebnis: Ein anayltisches Verfahren, das nicht-invasiv und doch direkt misst — ohne jegliche Umwege.
Mithilfe eines virtuell erzeugten, realistischen Modells des menschlichen arteriellen Gefäßbaums wird der zentrale Blutdruck über peripher erfasste Pulsdruckkurven ermittelt. So präzise, als würde man direkt in die Arterien blicken. Die von uns entwickelte Gefäßdiagnostik bedient sich einer algorithmengestützten Simulation des realen arteriellen Zustands jedes einzelnen Patienten. Dadurch kommt sie vollständig ohne jegliche verfälschende Hilfsparameter aus.
Der entscheidende Unterschied zu bisherigen Untersuchungsansätzen wie der arteriellen Applanationstonometrie: Anstelle eines zugrunde gelegten Populationsdurchschnitts stützen sich unsere Daten auf wirklichkeitsgetreue, individuelle Patientencharakteristika. Dadurch ist es erstmals möglich, Messergebnisse zu erzielen, die 1:1 den aktuellen Zustand innerhalb der Arterien sichtbar machen.
Ein Durchbruch für Diagnostik und Therapie — und dadurch auch eine deutliche Verbesserung der Lebensqualität von Patienten: Mediziner können kardiovaskuläre Endorganschäden viel früher als bisher möglich erkennen und behandeln. Therapeutische Interventionen lassen sich punktgenau nachverfolgen und flexibler als je zuvor anpassen.
Der hämodynamische Hintergrund
Modelle sind ein wichtiges Hilfsmittel, wann immer es darum geht, komplexe Vorgänge zu vereinfachen und zugrundeliegende Mechanismen und Funktionen zu veranschaulichen. Bei der Recherche nach modellhaften Abbildern des arteriellen Systems trifft man auf eine ganze Reihe verschiedener Erklärungsansätze bzw. Konstruktionen.
Der menschliche Blutkreislauf wird zum einen in Röhren- sowie in Verteilungsmodellen nachgebildet, die auf der menschlichen Anatomie basieren. Eine weitere Option stellen vereinfachte Schaltkreismodelle dar. Letztere zeichnen die Blutströmung ebenso wie die Ausbreitung der vom Herzen erzeugten Druckwelle mittels Pulswellen (Strompuls und Druckpuls) nach. Vor diesem Hintergrund kann man den arteriellen Gefäßbaum des Menschen anhand von sogenannten Multikompartiment-Modellen und mithilfe elektrischer Komponenten nachstellen: In Analogie des Blutflusses im Kreislaufsystem und der Fließeigenschaften des elektrischen Stroms verwendet man die Eigenschaften von Widerstandsschaltungen R, Induktionsschaltungen L und Kondensatorschaltungen C (RLC), um physikalische Eigenschaften der Arterien darzustellen.
Ein hardwarebasiertes Ur-Modell als Ausgangspunkt
des Kardiovaskulären Zwillings
Ein Forscherteam um Abraham Noordergraaf und in der weiteren Überarbeitung Nicolaas Westerhof und Mitarbeiter führten in den 1960er Jahren in den USA erstmals einen hardwaregestützten, handverdrahteten Ansatz zur Modellierung des menschlichen Arteriensystems ein. Früher basierte dies meist auf mathematischen oder physikalischen Modellen. In der finalen Version des Modells wurden insgesamt 113 Hardware-RLC-Schaltungen miteinander verbunden, die die Architektur des Arterienbaums nachbildeten. Jedes Segment repräsentiert etwa 2 bis 8 cm eines Gefäßes. Während seriell geschaltete Widerstände und Induktivitäten den Leitungswiderstand einer Arterie und die viskosen und trägen Eigenschaften des Blutes (longitudinale Impedanz) nachahmen, entsprechen Kondensatoren der Wandcompliance (transversale Impedanz).
Technische Herausforderung
Die Handhabbarkeit und der mechanische Aufwand bei der manuellen Fertigung eines passiven elektronischen Analogons des menschlichen Arterienbaums stellten in den 1960iger Jahren noch eine echte Herausforderung dar. Daher enthielt die Modellvariante von Noordergraaf ebenso wie die später von Westerhof überarbeitete Version eine ganze Reihe von technischen Zugeständnissen, insbesondere die Zusammenfassung einzelner Windkesselelemente (“lumping” genannt) zu einem einzigen Element. Ursprünglich wurden die arteriellen Eigenschaften (Widerstand, Compliance und Blutmassenträgheit) für 1‑cm-Arteriensegmente bestimmt, was zu mehr als 700 Windkessel-Elementen für das Modell geführt hätte.
Berechnungsgrundlage
Noordergraafs Lösung bestand darin, den ungeheuren manuellen Aufwand, der mit 700 Windkessel-Elementen einhergegangen wäre, radikal zu begrenzen. Er reduzierte ihre Anzahl in der Endversion auf etwa 100 Elemente, die in Hardware zu bauen waren. Die Beziehung zwischen den pauschalen R‑, L- und C‑Werten für jede pauschale Größe Δx im Vergleich zu den R’, L’ und C’, die für die Größe von 1 cm berechnet wurden, beschreibt Noordergraaf mithilfe der folgenden Formel:
L = L’ Δx, R = R’ Δx, C = C’ Δx
Reduzierte Komplexität
Die somit verringerte Komplexität im Hinblick auf den Modellaufbau ging indessen mit einer verfälschten Wiedergabe der natürlichen Strömungseigenschaften einher: Die Kopplung von Windkesseleinheiten ignorierte die tatsächlichen Resonanzeigenschaften der arteriellen Segmente und deren Bedeutung für die Durchlässigkeit der Pulswelle. Noordergraaf wusste zwar, dass die Höhe der Resonanzspitzen verzerrt war. Er maß dieser Tatsache aber keine große Bedeutung bei, vermutlich wegen des Fehlens unserer modernen Simulationswerkzeuge. Westerhof übernahm Noordergraafs sogenannte Klumpenformeln später in sein verbessertes Modell.
Unsere Weiterentwicklung:
Das virtuell verfeinerte Westerhof-Modell
Durch den Einsatz modernster Software-Simulationswerkzeuge waren wir zum einen in der Lage, das von Noordergraaf erstellte und später von Westerhof und Mitarbeitern überarbeitete Modell originalgetreu zu reproduzieren. Im Laufe unzähliger Testdurchläufe simulierten wir verschiedenste, typische Arterienzustände. So gewannen wir wichtige Erkenntnisse zum Verständnis und zur Verbesserung seines Verhaltens.
Bei der anschließenden Korrektur und Verfeinerung des Modells legten wir im Gegensatz zu Westerhof und Noordergraf besonderen Wert auf die Erhaltung der nach unserer Überzeugung essentiell wichtigen Resonanzfrequenzen: Diese blieben auch im neuen Modell innerhalb der einzelnen 1cm-Arterienabschnitte erhalten.
So gelang es uns am Ende, die technologischen Einschränkungen des Noordergraaf-Westerhof-Modells komplett aufzuheben. In der Folge verbesserte sich die Gesamtmodellqualität erheblich: Während das von Westerhof weiterentwickelte Modell am Ende aus 121 Windkessel-Elementen bestand, verfügt das von uns verfeinerte Modell über 711 Elemente. Dadurch liefert unsere Arterienbaumsimulation realistische Pulswellenformen der Aorta und der brachialen und radialen Arterien. Gleiches gilt für die realistische Wiedergabe von Blutdrücken.
Der Vorher-Nachher-Effekt:
Vom Noordergraaf/Westerhof-Modell zum Gefäß-Avatar
Das neue Arterienbaummodell erbrachte neue Erkenntnisse im Hinblick auf die Entstehung der physiologischen, aortal-radialen Übertragungsfunktion: Nach unserer Überzeugung ist sie auf die Kopplung vieler kleiner Resonanzelemente innerhalb eines komplexen Arterienbaums zurückzuführen.
Diese völlig neue Einsicht kann der gängigen (allerdings ohnehin nicht unumstrittenen) Lehrmeinung, die den sekundären systolischen Peak auf eine arterielle Druckwellenreflexion zurückführt, wichtige neue Impulse geben. Unsere Hypothese der multiplen gekoppelten Resonanzen innerhalb des arteriellen Systems wird auch durch die Tatsache untermauert, dass das von uns überarbeitete, verfeinerte Modell keine völlige Neuschöpfung darstellt. Die Endversion unseres Modells korrigierte nur einige Vereinfachungen im ursprünglichen Westerhof-Modell, die zu viel zu niedrigen Resonanzfrequenzen geführt hatten.
Wie unsere Experimente mit dem verfeinerten Modell zeigen, entwickelt sich die aortal-radiale Übertragungsfunktion entlang des Weges von der aufsteigenden Aorta zur radialen Arterie. In gleicher Weise entstehen auch die sekundären systolischen Wellen nicht an bestimmten distalen Stellen, sondern entwickeln sich auf dem gesamten Weg von der aufsteigenden Aorta bis zu der Stelle, an der sie gemessen werden. Nach unserem Wissen ist dies das erste Mal, dass die Bildung der bekannten, aortal-radialen Übertragungsfunktion in einem individualisierten Arterienbaummodell erklärt und demonstriert werden kann.
Vom Signal zum Zwilling
Die große Herausforderung: Wie lässt sich ein Kreislaufmodell so anpassen, dass es den realen, individuellen Gegebenheiten eines Menschen exakt entspricht – und damit zuverlässige Aussagen über Herz und Gefäße erlaubt?
Die Antwort liefert VasioCore® mit einem intelligenten, KI-gestützten Analyseverfahren. Ausgehend von den gemessenen Pulsdruckwellen – aufgenommen an Armen, Handgelenken und Knöcheln – erstellt das System zunächst ein allgemeines Kreislaufmodell. Dann beginnt die eigentliche Optimierung: Das Modell wird rechnerisch so lange verändert, angepasst und verfeinert, bis es ein Druckwellenprofil erzeugt, das fast vollständig mit den tatsächlichen Messdaten übereinstimmt.
Dazu vergleicht die Software zig Billionen möglicher Modellvarianten und wählt am Ende genau das Modell aus, das dem echten Kreislauf des Patienten am nächsten kommt. So entsteht der Kardiovaskuläre Zwilling – ein vollständig individualisiertes Abbild des Herz-Kreislauf-Systems.
Die Messung selbst ist einfach und vollständig automatisiert: Nach dem Anlegen der Manschetten läuft der gesamte Ablauf inklusive Ruhephase, Teilmessungen und Auswertung ohne weiteren Bedienaufwand ab. Innerhalb von 10–15 Minuten ist die Analyse abgeschlossen – und der digitale Zwilling bereit.
Er liefert präzise, funktionelle Einblicke in Herzleistung, Gefäßverhalten und Blutfluss – und damit eine neue Qualität der personalisierten Prävention.
Der Kardiovaskuläre Zwilling
Der Kardiovaskuläre Zwilling ist ein individuell berechnetes Modell des menschlichen Kreislaufsystems – bestehend aus über 700 simulierten Arterienabschnitten. Dabei bildet das Modell nicht nur die Gefäße realistisch nach, sondern auch das Herz selbst: Es simuliert den Herzschlag inklusive Pumpleistung und Frequenz, angepasst an den tatsächlichen Zustand der getesteten Person.
Dieses virtuelle Herz pumpt „Blut“ durch das digitale Arteriensystem – und ermöglicht es, innerhalb des Modells an jeder beliebigen Stelle Messungen durchzuführen. Über sogenannte virtuelle Sonden können arterielle Eigenschaften, Blutfluss und Druckverläufe direkt analysiert werden – etwa am Aorteneingang oder in den peripheren Gefäßen.
Das Besondere: Auch Parameter wie der zentrale Blutdruck, das Schlagvolumen oder das Herzminutenvolumen lassen sich so erstmals nicht-invasiv, aber funktionell korrekt bestimmen. Dadurch wird sichtbar, wie gut das Herz wirklich arbeitet – ein Aspekt, den klassische Pulswellenanalysen meist ausblenden.
Denn herkömmliche Verfahren konzentrieren sich oft ausschließlich auf die Steifigkeit der Arterien – und können eine reduzierte Herzleistung nicht erfassen. Die Folge: Eine unerkannt geschwächte Herzfunktion kann zu scheinbar „guten“ Werten führen, obwohl das Risiko in Wahrheit erhöht ist.
VasioCore® korrigiert diesen blinden Fleck. Das System erkennt, wenn der Kreislauf nicht nur strukturell, sondern auch funktionell aus dem Gleichgewicht geraten ist – und liefert damit eine neue Qualität der kardiovaskulären Diagnostik.
