Wereldwijd kampen zoā€™n 26 miljoen mensen met hartfalen. De vergrijzing en onze zittende levensstijl vergroten de kans op hartproblemen, dus dit getal gaat alleen maar stijgen. Er is momenteel geen goede behandeling voor hartfalen. Mathias Peirlinck, Assistant Professor aan de TU Delft, doet daarom onderzoek naar het hart. Om behandelopties voor patiĆ«nten te verbeteren, wil hij het hart beter begrijpen: hoe het functioneert en reageert. Dit is een erg complexe puzzel met duizenden chemische, elektrische, hydraulische en mechanische processen die interactie met elkaar hebben.

Iedereen kent wel mensen die hartproblemen hebben. Het komt dus snel heel dichtbij, zo ook in mijn eigen familie. Dan wil je maar al te graag de best mogelijke behandeling voor hun specifieke geval.

Mathias Peirlinck

Hartfalen ontstaat als het hart niet langer voldoende bloed door het lichaam heen kan pompen. Organen en spieren krijgen daardoor te weinig bloed, zuurstof en voeding. De gevolgen hiervan zijn o.a. vermoeidheid, benauwdheid bij inspanning, dikke enkels, en concentratieproblemen. Hartfalen ontstaat door veranderende eigenschappen van het hartspierweefsel, bijvoorbeeld na een hartinfarct. Door beter inzicht te krijgen hoe dit proces precies werkt kunnen er nieuwe behandelingen ontwikkeld worden.

Digital Twins

Mathias Peirlinck is biomechanisch ingenieur. Na een PhD aan de Universiteit van Gent en een postdoc aan Stanford University, heeft hij nu zijn eigen groep aan de TU Delft. Binnen zijn groep van onderzoekers ontwikkelt men digitale tweelingen van het hart. Mathias: ā€œEen digital twin is een virtuele kopie van het hart, dat zich precies zo gedraagt en reageert als het echte hart zou doen. Om zoā€™n kopie te maken moeten alle processen in het hart vertaald worden naar mathematische vergelijkingen die we dan kunnen gaan uitrekenen. We weten dat het hart uit verschillende gekoppelde natuurkundige processen bestaat. Daarom houden we rekening met elektrische signalen die door het hart gaan, de mechanische ontspanning en samentrekking van het hart, en de daarmee gekoppelde drukopbouw en  stroming van het bloed.ā€

Testen van nieuwe behandelingen

Met behulp van digital twins kunnen artsen gaan voorspellen hoe het hart reageert op een behandeling, voordat deze effectief uitgevoerd wordt op de patiĆ«nt. Digital twins vormen een belangrijke stap richting gepersonaliseerde geneeskunde. Op dit moment kiezen artsen de voor de patiĆ«nt meest geschikte hartklep bijvoorbeeld vooral op basis van klinische proeven, statische beelden van de patientā€™s hart, en hun ervaring. Met de modellen die Peirlinck ontwikkelt, kunnen zij bijvoorbeeld voor iedere patiĆ«nt virtueel verschillende kleppen dynamisch gaan uitproberen, en de verkregen inzichten als extra informatie aan de arts bezorgen.

Per patiƫnt ontwikkelen de onderzoekers een drie-dimensionaal computermodel op basis van de klinische data die beschikbaar is. Zo passen ze de geometrische, elektrische en mechanische eigenschappen van hun model aan het specifieke hart van de patient aan. Indien de patient bijvoorbeeld een lekkende klep of benauwde aorta heeft, passen ze de belastingen in hun model aan en berekenen ze wat dat met dat specifieke hart en de bloedstroom doet. Op deze manier kunnen zij ook gaan voorspellen hoe het hart reageert op een bepaalde behandelingstechniek.

ā€œEen groot voordeel van zoā€™n digital twin is dat de therapieĆ«n veel persoonlijker uitgetest kunnen worden en de succeskans daarmee omhoog kan gaan. Daarnaast kunnen nieuwe klinische onderzoeken deels digitaal uitgevoerd worden waardoor er minder dierenexperimenten nodig zijn. Dit scheelt veel tijd, geld en dierenleed.ā€

Mathias Peirlinck

De toekomst van de Digital Twin

Niet alleen artsen, maar ook ingenieurs en het bedrijfsleven kunnen de digital twins goed gebruiken. Nieuwe instrumenten, implantaten en behandelingstechnieken kunnen snel en goedkoop getest worden op computermodellen van het hart in virtuele patiƫntenpopulaties. Vroeger duurde het jaren voordat een eerste ontwerp in patiƫnten getest kon worden. Nu kan er al vanaf dag 1 een prototype in een digitaal hart getest worden.

Ingenieurs kunnen nu voorspellen hoe het hart zich gedraagt in de eerste uren na een procedure. Met dit onderzoek willen zij ook begrijpen hoe het hart functioneert en verandert over een aantal dagen, weken, maanden, jaren om de arts te helpen kiezen welke procedure het meest voordelig is voor de patiƫnt, zowel op korte als lange termijn. Ook willen zij kijken hoe ze de progressie van hartfalen kunnen afremmen.

Een uitdaging is echter nog dat niet alle data van patiƫnten altijd beschikbaar is om een virtuele kopie van het hart te kunnen maken. Momenteel wordt gekeken hoe daarmee om te gaan, en hoe complex het model moet zijn om klinisch relevant te zijn.