Vorhofflimmern ist eine der häufigsten Herzrhythmusstörungen weltweit. Bei Menschen über 80 Jahren ist jede zehnte Person betroffen, ein Viertel aller Schlaganfälle steht damit in Zusammenhang. Herkömmliche Behandlungsmethoden stehen jedoch vor großen Herausforderungen. Oft treten die Krankheitssymptome nach der Erstbehandlung wieder auf und es lässt sich nicht genau sagen, wo das Flimmern entsteht. Jede damit einhergehende erneute klinische Behandlung stellt jedoch eine erhebliche Belastung des Herzens dar. Die Arbeitsgruppe „Computational Cardiac Modeling“ um Dr. Axel Loewe am Institut für Biomedizinische Technik (IBT)  des KIT arbeitet an einem Lösungsansatz: das menschliche Herz als mathematisches Gleichungssystem. Dabei wird das Organ individuell in mathematische Gleichungen und Computercode übersetzt. Das Ziel: eine kontrollierte Forschungsumgebung, in der sich einzelne Parameter gezielt verändern lassen. „Wir versuchen, das biologisch, physiologisch und medizinisch komplexe System Herz greifbar zu machen – um die Funktionen vom biologischen Verständnis her klar zu beschreiben und in technische Darstellungsformen zu übersetzen“, erklärt Loewe. Diese Präzision ist in der Erforschung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen ein entscheidender Vorteil gegenüber klassischen Methoden wie beispielsweise Tierexperimenten oder In-Vitro-Modellen, bei denen sich viele Einflussfaktoren kaum kontrollieren lassen.

Von der Datenmessung zur Echtzeit-Vorhersage

Die Studie, an der Loewe mit seinem Team beteiligt ist, läuft seit Frühjahr 2025 in zwei Phasen, gemeinsam mit dem Städtischen Klinikum Karlsruhe und der Universitätsklinik Frankfurt. Aktuell befindet sie sich in der ersten Phase, in der 30 Patientinnen und Patienten aus dem Kreis der von Rückfällen betroffenen besonders sorgfältig vermessen werden, um dadurch individuell personalisierte Computermodelle erzeugen zu können: Sowohl die genaue Anatomie des Vorhofs als auch die elektrische Aktivität im Herzen werden mithilfe von Elektroden auf den Kathetern erfasst. Diese Daten bilden die Grundlage für die personalisierten Computermodelle. Knapp 20 Personen sind bereits eingeschlossen, erste klinische Ergebnisse wurden im April 2026 auf dem Europäischen Herzrhythmus Kongress in Paris vorgestellt. Doch der Weg zu qualitativen Studiendaten ist aufwendiger als erwartet: Technische Schwierigkeiten oder unvorhergesehene medizinische oder private Komplikationen können dazu führen, dass vorgesehene Personen doch nicht in die Studie eingeschlossen werden können. Sind alle Patientinnen und Patienten der ersten Phase eingeschlossen und individuell im Modell abgebildet, startet die zweite Phase der Studie. Hier soll die Simulation in Echtzeit laufen, während die zu versorgende Person auf dem Operationstisch liegt. Das stellt hohe Anforderungen an Geschwindigkeit und Logistik des Simulationssystems der Arbeitsgruppe am KIT: „Wir haben während des Eingriffs nur ein sehr begrenztes Zeitfenster, um die Daten aus dem klinischen System zu bekommen, das Modell zu personalisieren und die Simulation laufen zu lassen.“, erklärt Loewe. Die gesamte Datenpipeline muss dafür noch weiter optimiert werden, zum einen durch Beschleunigung der Algorithmen und zum anderen durch Nutzung spezieller Beschleunigerhardware – eine der zentralen technischen Herausforderungen der kommenden Monate innerhalb der Studie, die noch bis 2028 läuft.

Ein Werkzeug, das weit über die Studie hinauswirkt

Die Simulationsumgebung hat Potenzial weit über die aktuelle Studie hinaus – und das in mehrere Richtungen. Zum einen lassen sich im Computermodell nicht nur weitaus mehr ursächliche Stimulationspunkte testen als klinisch möglich, sondern es können auch grundlegende Mechanismen von Herzrhythmusstörungen untersucht werden: Unter welchen Bedingungen entstehen sie und was müsste verändert werden, um sie zu verhindern? Zudem eröffnen die personalisierten Modelle die Möglichkeit, verschiedene Therapieoptionen – etwa unterschiedliche Ablationsstrategien oder Medikamente – vorab virtuell zu testen. Und nicht zuletzt eignet sich die Umgebung zur Entwicklung neuer Medizinprodukte: Katheterformen, Elektrodenabstände oder Signalqualitäten lassen sich simulieren, bevor ein Gerät überhaupt gebaut wird. Für Unternehmen aus der Medizintechnik ist die Simulationsumgebung daher besonders wertvoll: Sie erlaubt umfassende Vorstudien am Computer, die sonst nur mit Tier- oder In-Vitro-Modellen möglich wären. Aktuell läuft etwa eine Zusammenarbeit mit der Freiburger Firma Stockert, die Generatoren für Ablationen herstellt. Auch das Training von KI-Systemen auf synthetischen, also simulierten, Herzdaten ist ein wachsendes Anwendungsfeld: Wo klinische Daten knapp und teuer sind, lassen sich große, sauber annotierte Datensätze im Modell erzeugen und für das Training von KI-Modellen nutzen – und somit die echten Patientendaten dann für die finale Evaluation aufsparen.

Auf dem Weg zur klinischen Zulassung

Noch darf das Computermodell des KIT keinen direkten Einfluss auf den operativen Eingriff am Menschen nehmen, denn die Methodik ist bislang nicht als Medizinprodukt zugelassen. Eine systematische Überprüfung unter realen Bedingungen in der zweiten Studienphase wäre jedoch ein entscheidender Meilenstein auf diesem Weg: „Mit einer prospektiven Validierung könnten dann in einer zukünftigen Studie tatsächlich modellbasierte Empfehlungen abgegeben werden, wo Ablationen besonders vielversprechend wären und wo nicht." In der insgesamt dreijährigen Studie läuft seit etwa einem Jahr die Datenerhebung in den Kliniken und die Modellierung am KIT. Die nächsten Schritte sind klar definiert: die erste Phase abschließen, die Rechengeschwindigkeit der Simulationspipeline weiter optimieren und schließlich in die zweite Phase starten – mit dem langfristigen Ziel, Computermodelle fest im klinischen Alltag zu verankern. Sollten die Ergebnisse vielversprechend sein, wäre der nächste Schritt ein Folgeprojekt, das gezielt auf die regulatorische Zulassung als Medizinprodukt hinarbeitet. Unternehmen, die diesen Weg mitgestalten und den Zulassungsprozess aktiv begleiten möchten, sind herzlich eingeladen, mit dem Team in Kontakt zu treten. Das Potenzial reicht weit: Wenn sich das Vorhofflimmern von mehreren Punkten aus auslösen lässt, könnten strategisch platzierte Läsionen auf Anhieb alle dieser Trigger unschädlich machen – eine Erkenntnis, die die Ablationspraxis in der Kardiologie grundlegend verändern könnte.