Patientenspezifische numerische Simulationen endovaskulärer Eingriffe bei komplexen Aortenpathologien

Zielsetzung

Die endovaskuläre Versorgung hat sich zur Erstlinienbehandlung für viele komplexe Aortenpathologien entwickelt, darunter abdominale, thorakale und thorakoabdominale Aneurysmen sowie Aortendissektionen.

Der klinische Erfolg hängt jedoch stark von der Auswahl des richtigen Stent-Grafts für den jeweiligen Patienten und der Erfahrung des Operateurs ab. Die heutigen Planungstools – die meist auf CT-Rekonstruktionen basieren – können nicht vorhersagen, wie sich ein Implantat in einer spezifischen Anatomie tatsächlich verhalten wird.

Ziel dieser Übersichtsarbeit ist es, die Grundprinzipien der numerischen Simulation vorzustellen und die aktuelle Literatur zu deren Einsatz bei der endovaskulären Behandlung komplexer Aortenerkrankungen zu bewerten. Dabei wird aufgezeigt, wie patientenspezifische Computermodelle die Planung und Durchführung dieser Eingriffe verändern könnten.

Methoden

Wir führten eine narrative Übersichtsarbeit zur patientenspezifischen numerischen Simulation bei endovaskulären Eingriffen durch.

Sie ist in die drei Phasen eines jeden Simulations-Workflows gegliedert: Preprocessing (Segmentierung von CT- oder MRT-Bildern in ein patientenspezifisches 3D-Modell sowie Zuweisung von Materialeigenschaften und Randbedingungen), Lösungsprozess und Postprocessing der Ergebnisse in klinisch verwertbare Informationen.

Wir untersuchten die publizierte Evidenz, gegliedert nach Aortenpathologien: EVAR bei abdominalen Aneurysmen, TEVAR bei thorakalen Aneurysmen, fenestrierte und gebranchte Prothesen (FEVAR) bei juxtarenalen und thorakoabdominalen Aneurysmen sowie Aortendissektionen.

Zudem untersuchten wir die wichtigsten Modellierungsansätze: Finite-Elemente-Strukturanalyse, numerische Strömungsmechanik, Fluid-Struktur-Interaktion sowie aufkommende Methoden des maschinellen Lernens und digitale Zwillinge.

Ergebnisse

Die Finite-Elemente-Analyse wird in der großen Mehrheit der Studien zur Vorhersage der Stent-Graft-Platzierung eingesetzt, wobei Techniken wie virtuelle Katheter, virtuelle Hüllen oder die direkte Platzierung verwendet werden. Numerische Strömungsmechanik wird zur Untersuchung des Blutflusses und der Wandschubspannung angewandt, insbesondere bei Dissektionen.

Validierte klinische Anwendungen zeichnen sich ab: Eine Finite-Elemente-Studie an 51 FEVAR-Patienten sagte die Positionen der Zielarterien voraus, wobei 95 % der Messungen innerhalb von 3 mm und 15° vom Referenzwert lagen.

Eine prospektive Studie an sechs Zentren mit 50 Patienten bestätigte eine zufriedenstellende Genauigkeit und eine verkürzte Zeit für die Einbringung des Implantats – die Ergebnisse werden mittlerweile von Herstellern bei der Produktentwicklung genutzt.

Zu den aktuellen Einschränkungen zählen Annahmen bei den Materialeigenschaften des Gewebes, lange Rechenzeiten und das Fehlen groß angelegter prospektiver Validierungen.

Fazit

Die numerische Simulation adressiert bereits viele der zentralen Herausforderungen bei der endovaskulären Behandlung komplexer Aortenerkrankungen, und für einige davon stehen die Modelle kurz davor, Klinikern bei der Auswahl der individuell optimalen Lösung zu helfen.

Obwohl die Technologie bei den komplexesten Implantaten noch in den Kinderschuhen steckt und vor einer routinemäßigen Anwendung eine breitere Validierung erfordert, zeigt diese Übersichtsarbeit, dass die patientenspezifische Simulation die Planung und Durchführung endovaskulärer Eingriffe grundlegend verändern wird.