Jede einzelne Zelle eines Herzens mit Rhythmusstörungen modellieren
„MICROCARD wird uns gestatten, beträchtliche Gewebeausschnitte – vielleicht sogar ganze Herzen – mit realistischen Zellgeometrien zu simulieren.“
Industrie und Wissenschaft stoßen immer wieder auf bestimmte, wesentliche Rechenaufgaben, an deren Lösung sich klassische Supercomputer die Zähne ausbeißen. Zu den Beispielen für derart komplexe Herausforderungen zählen die Optimierung von Verkehrsflüssen sowie fundamentale numerische Probleme in der Chemie und der Physik, die bei der Entwicklung neuer Medikamente und Materialien auftreten. Fast jede und jeder hatte schon einmal Herzrasen oder ein Flattern in der Brust. Für die meisten ist dies ein vorübergehender Zustand und harmlos, aber bei anderen weist es auf eine Störung der elektrischen Impulse hin, die den Herzschlag steuern – ein lebensbedrohlicher Zustand, der als Herzrhythmusstörung bezeichnet wird. Um diese Krankheit besser zu verstehen und behandeln zu können, nutzt die Kardiologie numerische Elektrophysiologie-Modelle. Dabei wird das Herz in Einheiten unterteilt, von denen jede einige hundert Zellen umfasst. Dieser Ansatz hat jedoch seine Grenzen. „Die Modelle legen die Annahme zugrunde, dass alle Zellen in jeder Gruppe mehr oder weniger die gleiche Aufgabe übernehmen. Bei Betrachtung eines gesunden Herzens, wo die elektrische Kopplung zwischen diesen Zellen stark ist, ist dies eine vernünftige Annahme. Bei Herzen mit Strukturschaden allerdings nicht“, so Mark Potse, Forschungsprofessor im Bereich Herzmodellierung am IHU Liryc in Frankreich und Koordinator des Projekts MICROCARD. In geschädigten Herzen, die Infarktnarben aufweisen oder unter verschiedenen Kardiomyopathien leiden, kann die elektrische Aktivierung im Kreis laufen und im schlimmsten Fall sogar zu einer tödlichen Arrhythmie führen. Da es bei diesen Vorgängen auf das individuelle Verhalten jeder einzelnen Zelle ankommt, möchten Potse und sein MICROCARD-Team Hochleistungsrechnen nutzen, um alle einzeln in Simulationen darzustellen. „Modelle einzelner Zellen sind nichts Neues, aber bisher waren diese stark vereinfacht. MICROCARD wird uns gestatten, beträchtliche Gewebeausschnitte – vielleicht sogar ganze Herzen – mit realistischen Zellgeometrien zu simulieren. Dazu benötigen wir natürlich erheblich leistungsfähigere Computer, sowie den entsprechenden Sachverstand zur Bedienung der Maschinen“, erläutert Potse. Das Projekt hat bereits zahlreiche Bausteine für die neue Plattform erstellt. Jeden Tag verwenden dutzende Forschungsgruppen auf der ganzen Welt numerische Modelle. So ist es wahrscheinlich, dass zahlreiche Teams die MICROCARD-Ergebnisse nutzen, um das Verhalten von beschädigtem Gewebe oder komplexe Herzstrukturen, etwa Verbindungen zwischen beeinträchtigten Purkinje-Fasern und dem Muskelgewebe, zu untersuchen.
Schlüsselbegriffe
MICROCARD, HPC, Hochleistungsrechnen, Supercomputer, Technologien, digitale Souveränität, Quanteninformatik, Innovation, umweltfreundliche Computersysteme, energieeffizient, KMU