Simulierter Patient Operieren am virtuellen Menschen

Es ist der Traum vieler Mediziner - ein Computermodell vom kompletten Patienten. Krankheiten könnten schon vor dem Ausbruch bekämpft, Wirkungen von Medikamenten berechnet werden. Auf der weltgrößten Forschungskonferenz in Chicago geben sich Wissenschaftler begeistert von künftigen Möglichkeiten.

MIRALab/ University of Geneva

Aus Chicago berichtet


Peter Coveney hat eine Vision. Der Professor für physikalische Chemie vom University College London will nicht weniger als den Menschen simulieren. Am Ende, so Coveneys Hoffnung, soll die maßgeschneiderte Therapie stehen. Bevor der Chirurg das Skalpell ansetzt, könnte er die Folgen am "virtuellen Klon" des Patienten testen. Der Internist könnte die Wirkung eines Medikaments erproben, noch bevor der Kranke die Pille schluckt. "Das Konzept des virtuellen Menschen wird diesen Traum wahr machen", meint Coveney.

Genetische, medizinische und physiologische Daten sollen ein Computermodell ermöglichen, das die passende Therapie vorab berechnet. Das, glaubt Coveney, werde dem Arzt nicht nur schwierige Entscheidungen erleichtern und die Menge an Tierversuchen reduzieren. "Der persönliche Avatar", erklärte Coveney auf der Jahrestagung des US-Forschungsverbands AAAS in Chicago, "wird jedem von uns helfen, den richtigen Weg in Sachen Gesundheit und Lebensstil einzuschlagen."

Sollte das funktionieren, könnte es die Medizin revolutionieren. Denn heutige Medikamente, die in klinischen Studien erprobt werden, sind bestenfalls bei jedem zweiten Patienten wirksam. Mitunter liegt die Erfolgsquote sogar nur bei zehn Prozent oder noch niedriger.

Das Problem: Die sogenannte personalisierte Medizin ist zu großen Teilen Zukunftsmusik, auch wenn sie in den vergangenen Jahren insbesondere von Pharmaunternehmen als eine schöne neue Welt verkauft wurde, die quasi um die Ecke liege. Doch bis zum komplett modellierten Menschen "werden noch viele Jahrzehnte vergehen", räumt Coveney ein.

Simulation des kompletten Menschen in ferner Zukunft

Der menschliche Organismus ist eine hochkomplexe Angelegenheit: Die biochemischen Prozesse beeinflussen sich untereinander auf vielfache Art und unterliegen obendrein individuellen Umwelteinflüssen. Deshalb, meinen Kritiker, könnte sie vermutlich nie vollständig simuliert werden - auch in Jahrzehnten nicht. "Das sehe ich ähnlich", sagte Leroy Hood. "Man wird den Menschen nur in Teilen simulieren und sich auf sehr spezifische Bereiche und Funktionen konzentrieren müssen", erklärte der Chef des Institute for Systems Biology in Seattle (US-Bundesstaat Washington) auf der AAAS-Tagung.

Allerdings könnte schon das einen bedeutenden Fortschritt darstellen. "Die Simulation des Herzens, der Leber oder von Teilen des Gehirns für bestimmte Fragestellungen hat enorme klinische Bedeutung", sagt Hood. Sein Institut startet demnächst das "100 Pioneer Project", bei dem der Gesundheitszustand von 100 Patienten ein Jahr lang minutiös verfolgt werden soll. Blut-, Stuhl- und Speichelproben sollen körperliche Parameter verraten, Befragungen den Lebenswandel erfassen. "Anschließend werden wir das gleiche mit 1000, dann mit 10.000 und dann mit 100.000 Patienten machen."

Aus den Datenmengen, die dabei entstehen, will Hood "herauslesen, was Wellness wirklich ist". Dazu soll verfolgt werden, wann Menschen krank und wieder gesund werden und welche Veränderungen in den Messwerten damit einhergehen. Erfasst werden sollen insbesondere Blutproteine, die mit Hirn, Leber und Herz zu tun haben, sowie die Darmflora und das komplette Erbgut.

"In fünf bis acht Jahren wird eine komplette Genom-Sequenzierung nur noch 100 Dollar kosten", meint Hood. Ein Gentest könne etwa die Neigung zu erhöhter Blutgerinnung feststellen. "99 Prozent der Betroffenen ahnen nichts von dem Risiko", sagt Hood. "Aber wenn man Bescheid weiß, kann man sich darauf einstellen - etwa indem man sich bei Langstreckenflügen regelmäßig bewegt und viel trinkt." Ohnehin konzentriere sich die Medizin viel zu sehr auf die Therapie von Krankheiten. "Sie sollte sich aber stärker darauf konzentrieren, die Wellness zu fördern."

Virtueller Blick in Tänzerinnen-Gelenke

Wie die Simulation einzelner Körperteile funktionieren kann, demonstrierte Nadia Magnenat Thalmann von der Universität Genf auf der AAAS-Tagung. Die Forscherin hat mit ihrem Team ein Computermodell für Muskel- und Skeletterkrankungen entwickelt, um die genauen Ursachen von Gelenkverschleiß zu ergründen. Mit Magnetresonanz-Scannern und der sogenannten Motion-Capture-Technik sind die Forscher sechs Ballerinen zu Leibe gerückt. Die sechs beteiligten Balletttänzerinnen eigneten sich ideal, da sie "jeden Tag extreme Bewegungen vollführen", so die Forscher.

Das Modell kann nach laut Thalmann die Anatomie, die Bewegung und das biomechanische Verhalten des Gelenks wiedergeben - bis hin zur Mechanik des weichen Gewebes. "Wir haben sogar die Knorpelverformung identifiziert, während die Ballerina tanzte", erklärten die Forscher. Mit derartigen Modellen sei es möglich, genauere Diagnosen zu stellen und die beste Operationsmethode herauszufinden. Davon könnten längst nicht nur Leistungssportler profitieren: Erkrankungen an Skelett und Muskeln seien für die meisten Behinderungen verantwortlich, und sie betreffen vor allem ältere Menschen.

Solche Simulationen von einzelnen Körperteilen könnten hilfreich sein, meint Coveney - auch schon lange bevor der komplette Mensch simuliert wird. "Das ist wie Wettervorhersage", sagte Coveney. "Man lässt viele Computermodelle laufen, und am Ende steht eine Prognose."

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insgesamt 5 Beiträge
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Seite 1
Pfaffenwinkel 16.02.2014
1. Schöne neue Welt
In einigen Jahrzehnten wird der Mensch nicht nur virtuell leben, sondern auch als Patient virtuell behandelt.
analyse 16.02.2014
2. Und nach teuren Studien mit abermilliarden gesammelter
Daten:werden alte Weisheiten wieder offenbar: Ruhm.Ehre und Reichtum sind keine Garanten für Glück und Zufriedenheit ,heute Wellness genannt. Gutes Beispiel:Der Zar und das Hemd,von Tolstoi:Nach langem Suchen fanden die Boten endlich einen richtig glücklichen jungen Mann und baten ihn,dem kranken Zar doch für 3 Wochen sein Hemd zu borgen.Der junge Mann antwortete:ich besitze gar kein Hemd ! Aber genauso wird man sich an Schiller erinnern: ..man sieht sie rennen und jagen...oder an alte Sprichwörter:je mehr er hat,je mehr er will:nie schweigen seine Wünsche still ! Trotzdem:Viel Erfolg bei der trotzdem notwendigen Forschung !
Jacky Thrilla 16.02.2014
3. Schlechtes Modell
Wenn die Computergrafiken die wir im Artikel gesehen haben, diejenigen sind, die diese Aufwändige Vermessung zu Tage gefördert hat, dann würde ich auf die Rückschlüsse daraus einen feuchten Kericht geben. Vergleichen sie nur mal die Beinhaltung der Ballerina mit dem Computermodell (insbesondere Bild 3). Auf jedem Bild das ich im Artikel gesehen habe, ist das Bein der Frau stets erheblich weiter ausgedreht. Das Bein der Simulation kann überhaupt keine dieser Drehungen abbilden. Das Bein wird quasi "stocksteif" angehoben, ohne jegliche Ausdrehung. Dadurch ist der abgebildete Muskelapparat falsch dargestellt und die daraus resultierenden Belastungen der Gelenke sind somit sprichwörtlich "für die Füße". Am besten sieht man das auf Bild 3, wenn man sich den Fuß der Ballerina anschaut, sieht man sehr gut, wie sehr das Bein in sich gedreht ist. Auf der Simulationsgrafik sieht man eben diese Ausdrehung gar nicht. Das auf der Simulation ganz andere Gelenkbelsatungen herrschen ist vollkommen klar. Ein Computermodell, das auf falschen Basisdaten beruht, kann nur falsche Daten zurückliefern und zu falschen Erkenntnissen führen. Sollte das Ganze dafür gedacht sein, eine virtuelle Ballerina für ein Computerspiel zu erschaffen, dann könnte man sagen: "Das habt ihr fein gemacht!". Außerdem: Wie wird eigentlich der Knochenbau der trainierten Tänzerin simuliert? Das kann man mit motion capturing leider nicht nachbilden. Tänzerinnen haben einen von Kindheit an trainierten Körper und entsprechend entwickelte Gelenke, die mit jenen eines Durchschnittsmenschen nichts gemein haben. Würde man einen sportlichen Menschen so "verbiegen", wie es eine Ballerina kann, hätten wir an jedem Gelenk, an dem wir soetwas vornehmen anschließend einen veritablen Bänder- bzw. Gelenkschaden. Wenn ich allerdings die Körperdaten eines simulierten normalen Menschen mit den Bewegungsabläufen einer Tänzerin kombiniere, dann kommt eben sowas dabei heraus. Davon jetzt aber irgendwelche "medizinischen Informationsgewinne" ableiten zu wollen halte ich für äußerst gewagt.
Observer2013 16.02.2014
4.
Zitat von PfaffenwinkelIn einigen Jahrzehnten wird der Mensch nicht nur virtuell leben, sondern auch als Patient virtuell behandelt.
Wissenschaftler und Scharlatane Wissenschaftler und Scharlatane In den MINT-Wissenschaften ist man seit jeher gewohnt zu rechnen, um auf diese Weise mehr oder weniger gut vorherzusagen, wie sich die Natur bzw. technische Anordnungen verhalten werden. Ob die dafür genommenen Gleichungen mit Rechnern gelöst werden oder ob menschliche Rechenknechte alles von Hand ausrechnen wie in früheren Zeiten, spielt nur für die Rechengeschwindigkeit eine Rolle, aber nicht für das Ergebnis, das nur durch die Gleichungen bestimmt ist. Seit jeher ist im MINT-Bereich bekannt, daß solche Vorhersagen (Berechnungen) je nach Komplexität der Frage „von sehr gut“ bis „indiskutabel schlecht“ einzuordnen sind. Dabei ist es wissenschaftlicher Standard, das Rechenergebnis anhand der Realität durch Messungen zu verifizieren. Wer nur rechnet und nicht verifiziert, gilt als Quacksalber. Diese Verifikation ist keineswegs nur eine Formsache, sondern sie ist die von allen gefürchtete Hauptsache, die regelmäßig die Schwächen der Gleichungen (Modelle) auffliegen läßt. Nun muß man nicht den Schluß ziehen, daß nichts berechenbar wäre. Das wäre völlig falsch. Der umgekehrte Schluß, daß alles berechenbar wäre, ist aber ebenso falsch. Diese kindliche Vorstellung ist erst durch die Rechner in den letzten Jahrzehnten aufgekommen, weil man sich durch die bequeme Benutzeroberfläche und durch die Rechengeschwindigkeit hat blenden lassen, obwohl all dies absolut irrelevant ist. Die große Kunst besteht darin, durch herausragende Detailkenntnisse bezügl. der programmierten Gleichungen und Theorien abschätzen zu können, was nun wirklich noch gut berechnet werden kann, was nur abschätzbar ist und wo jede Berechnung in Unfug endet. Zusätzlich braucht man viel Augenmaß und klaren Verstand, wenn man die Benutzeroberfläche nutzt und auf die Knöpfe drückt, denn die Verlockung ist unendlich groß, Dinge hinzunehmen, deren Hintergründe man überhaupt nicht versteht. Und das ist bei den Benutzern eigentlich beinahe der Normalfall. Schon im MINT-Bereich sind die Fallstricke also zahlreich: Gültigkeitsbereich der Gleichungen / Theorie, Programmierfehler und Benutzerschwächen wie unverstandene Theorie, Mißverständnisse oder Fehlinterpretationen. Nun kommen Mediziner und wollen den Menschen programmieren. Wenn sie unendlich kleine Brötchen backen würden und sich zu jeder Sekunde darüber im Klaren wären, wie unendlich gering die Aussagekraft ihrer Modelle wäre und wenn sie hoch und heilig schwören würden, daß sie alles und jedes verifizieren ohne zu mogeln, dann wäre es Wissenschaft. Man kann im Medizinbereich sicherlich einiges programmieren. Das wird ja auch getan, und weitere Fortschritte werden kommen. Aber der Mensch ist das komplexere System überhaupt und sein Modell wäre das aussageschwächste aller denkbaren. Das ist gefährlich, weil Mediziner und Patienten von den genannten Fallstricken solcher Systeme nichts verstehen, Fehlschlüsse ziehen und unendlich aussageschwache Rechnerabdrucke hoffnungslos überinterpretieren würden.
A.Lias 16.02.2014
5. An der Uni-Klinik Hamburg-Eppendorf...
... gibt es schon lange virtuelle Patientenmodelle (http://www.voxel-man.com/), an denen z.B. chirurgische Techniken von Medizinstudenten geübt werden. Entwickelt wurden sie von den Instituten für Anatomie und Experimentelle Morphologie und für Medizinische Informatik/Computational Neuroscience. Es werden dort bis jetzt keine konkreten Patienten "abgebildet", aber nach der Beschreibung des Genfer Modells im Artikel klingt es so, als ob das UKE mit Entwicklung und Anwendung weiter fortgeschritten ist.
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