Wie können Gleichungen die Gesundheit fördern? Die Mathematikerin Federica Caforio nutzt sie, um das Herz-Kreislauf-System zu simulieren. Für ihre Weiterentwicklung eines digitalen Zwillings des Herzens wurde sie ausgezeichnet.
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Zahlreiche Wissenschaftsdisziplinen widmen sich der Erforschung dieser Leiden. Was wenige vermuten: Auch die Mathematik trägt ihren Teil zur besseren Diagnose und Behandlung bei. Federica Caforio arbeitet zusammen mit ihrem Team an der Universität Graz an der Weiterentwicklung mathematischer Modelle des Herz-Kreislauf-Systems und wurde dafür von L’Oréal mit dem Women in Science Award prämiert. „Für Betroffene bringt der digitale Zwilling des Organs eine enorme Verbesserung“, erklärt die Forscherin. „Man könnte durch die Simulationen die beste Behandlung für eine bestimmte Person finden.“ Damit lässt sich auch der ideale Zeitpunkt für etwaige chirurgische Eingriffe ermitteln und die Gefahr für die Patient:innen minimieren. „Solche Operationen sind riskant“, führt Caforio aus. „Wartet man damit allerdings zu lange ab, kann das Herz weiter geschädigt werden.“
Individuelle Diagnosen In Zusammenarbeit mit der Medizinischen Universität Graz und internationalen Partnerorganisationen arbeiten Forscher:innen der Universität Graz schon lange an einer virtuellen Replik des Organs am Computer. Vollgefüllt mit Daten aus MRT-Untersuchungen, können die Algorithmen bereits allgemeine Aussagen über die Herzfunktion treffen. Die jetzige Weiterentwicklung, nämlich die Anpassung der Simulationen an einzelne Patient:innen, ist eine große Herausforderung. Denn jedes Herz ist anders. Es müssen also zahlreiche Parameter extra kalibriert werden. Das ist zeitaufwändig und kostspielig. „Hier hatte ich eine Idee, wie man die mechanischen Eigenschaften von Herzgewebe mit Hilfe von Mathematik und künstlicher Intelligenz besser abschätzen kann. Das ermöglicht es, Veränderungen im Gewebe wie Narben oder Fehlbildungen zu erkennen und das Modell rasch und kostengünstig anzupassen“, berichtet die Forscherin. Bisher war das nur mit sehr speziellen und teuren MRT-Verfahren möglich. Diese sind nicht für alle Patient:innen geeignet. So dürfen etwa Diabetiker:innen das für manche Untersuchungen nötige zuckerhaltige Kontrastmittel nicht bekommen. „Die meisten Krankenhäuser bieten nur klassische MRT-Scans“, sagt die Mathematikerin. „Auf denen sehen wir Menschen zwar weniger, doch dank unserer Technologie erkennen Computer damit viel mehr.“ Die Methode funktioniert auf einfachen Laptops und könnte daher ohne große Investitionen angewendet werden. Das Preisgeld nutzt die Mathematikerin, um den Masterstudenten Matthias Höfler ins Team zu holen, der bei der Weiterentwicklung des Modells hilft. „Wir möchten mit klinischen Daten die Methode testen. Das benötigt allerdings Zeit“, sagt Caforio. Ihr Ziel ist es, die Formel weiter zu verbessern, um den digitalen Zwilling noch kostengünstiger zu machen, sodass er für die breite Anwendung tauglich und leistbar ist.
