Volume 52, Issue 5 -

Simulations of the electrophysiological behavior of the heart improve the comprehension of the mechanisms of the cardiovascular system. Furthermore, the mathematical modeling will support diagnosis and therapy of patients suffering from heart diseases. In this paper, the chain of modeling of the electrical function in the heart is described. The components are explained briefly, namely modeling of cardiac geometry, reconstructing the cardiac electrophysiology and excitation propagation. Additionally, the mathematical methods allowing to implement and solve these models are outlined. The three recently more investigated cases atrial fibrillation, ischemia and long-QT syndrome are described and show how cardiac modeling can support cardiologists in answering their open questions. Zusammenfassung Simulationen des elektrophysiologischen Verhaltens des Herzens fördern das Verständnis über die Mechanismen innerhalb des Herz-Kreislauf-Systems. Darüber hinaus werden diese mathematischen Modelle die Diagnose und Therapie von Patienten, die unter Herzerkrankungen leiden, unterstützen. In dieser Arbeit wird die Vorgehensweise für die Modellierung der elektrischen Funktion des Herzens beschrieben. Hierfür werden die Teilschritte der Modellierung kurz erklärt, nämlich die Modellierung der Geometrie, die Rekonstruktion der kardialen Elektrophysiologie und der elektrischen Erregungsausbreitung sowie die mathematischen Methoden, die eine Implementierung und Lösung dieser Modelle erlauben. Die vor kurzem mehr und mehr untersuchten Fälle Vorhofflimmern, Ischämie und das lange QT Syndrom werden beispielhaft beschrieben und zeigen, wie die Modellierung des Herzens dazu benutzt werden kann, um Kardiologen bei der Beantwortung von offenen Fragen zu unterstüzen.

Modeling the function of the human heart is of growing importance in a time when surgical treatment becomes the predominant therapy option. The hemodynamics of ventricular and vascular flow is closely linked to other disciplines like structural mechanics of myocardial and vascular tissue, electro-dynamical excitation, etc. A multi-disciplinary approach is therefore needed to describe it. While a monolithic solution of the underlying differential equations in one set is thinkable, a partitioned approach can take into account the specifics of the single disciplines and profit from specialized models and algorithms. We show how by coupling specialized solvers for fluid and solid mechanics a coupled model of ventricular flow can be created that gives insight into the hemodynamics in a way that is more than the sum of its parts. Zusammenfassung In einer Zeit, in der der chirurgische Eingriff die häufigste Therapie darstellt, gewinnt eine Modellbeschreibung der menschlichen Herzfunktion zunehmend an Bedeutung. Die Hämodynamik der Herz- und Gefäßströmung ist mit anderen Disziplinen – wie der Strukturmechanik des Myokards und der Gefäßwand, der elekrodynamischen Reizausbreitung, usw. — eng verzahnt. Ein überdisziplinärer Ansatz ist also gefragt, um sie zu beschreiben. Während eine monolithische Lösung der zugrundeliegenden Differentialgleichungen in einem Gleichungssystem denkbar ist, kann ein partitionierter Ansatz die speziellen Anforderungen der einzelnen Disziplinen berücksichtigen und von spezialisierten Modellen und Algorithmen profitieren. Es wird gezeigt, wie durch Kopplung spezialisierter Löser für die Strömungs- und Strukturmechanik ein gekoppeltes Modell der Ventrikelströmung realisiert werden kann, das einen breiteren Einblick in die Hämodynamik erlaubt, als die Einzelmodelle alleine.

In craniofacial surgery physicians are often faced with the reconstruction of massively destroyed or radically resected tissue structures caused by trauma or tumors. Also corrections of dislocated bone fragments up to the complete modeling of facial regions in cases of complex congenital malformations are common tasks of plastic and reconstructive surgeons. Such procedures have to be planned and executed thoroughly in order to achieve the best functional as well as an optimal aesthetic rehabilitation. On this account a computer assisted modeling, planning and simulation approach allows for preoperative assessment of different therapeutic strategies on basis of individual, three-dimensional patient models. Bone structures can be mobilized and relocated under consideration of anatomical and functional constraints. The resulting facial appearance can be simulated via finite-element methods on basis of a biomechanical tissue model, and visualized using high quality rendering techniques. Such an approach is not only important for preoperative mental preparation, but also for vivid patient information, documentation, quality assurance as well as for surgical education and training. Zusammenfassung In der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie sind Ärzte oft mit der Rekonstruktion von durch Verletzungen oder Tumoren massiv zerstörten oder radikal entfernten Gewebestrukturen konfrontiert. Auch die Korrektur von in Fehlstellung verheilten Knochenfragmenten bis hin zur vollständigen Umgestaltung von Teilen des Gesichtsschädels gehört bei angeborenen Fehlbildungen zu den üblichen Aufgaben der plastischen Chirurgie. Solche Operationen müssen sorgfältig geplant und durchgeführt werden, um eine optimale Wiederherstellung von Funktion und Erscheinungsbild zu gewährleisten. Zu diesem Zweck gestatten computergestützte Planungs- und Simulationsansätze bereits vor der Operation die Bewertung unterschiedlicher Therapievarianten auf Basis individueller dreidimensionaler Patientenmodelle. Knochenstrukturen können unter Berücksichtigung anatomischer und funktioneller Beschränkungen mobilisiert und neu angeordnet werden. Das resultierende Erscheinungsbild des Gesichtes kann mit Finite-Elemente-Methoden auf der Grundlage biomechanischer Weichgewebemodelle simuliert und anschließend mit modernen computergrafischen Darstellungsverfahren anschaulich und realistisch visualisiert werden. Diese Vorgehensweise ist nicht nur für die Vorbereitung des Chirurgen wichtig, sondern ebenso für die Patientenaufklärung, Dokumentation, Qualitätssicherung und die chirurgische Ausbildung.

The radio frequency (RF) ablation is a promising minimally invasive form of treatment for hepatic metastases and primary tumors. Thereby a needle like applicator, which is interstitially placed into the lesion, induces an electric current that causes heating and consequent destruction of the tissue due to its Ohmic resistance. In order to be a true alternative to the standard surgical resection, RF ablation must lead to a result similar to R0 resections. Here, patient specific mathematical modeling and numerical simulation of the bio-physical processes lead to a valuable support of the therapy planning, because they allow for an a priori estimation of the success as well as an optimization of the therapy parameters. In this article we discuss a mathematical model of partial differential equations (PDEs) for the patient specific numerical simulation of RF ablation. A particular focus lies on the consideration of uncertainties in the material properties, the underlying image data as well as the computational results. We discuss a stochastic PDE model, which allows for a sensitivity analysis of the computational results with respect to perturbations in the material properties. Furthermore a method for the fast estimation of the thermal necrosis is shown, which bases on the separation of non patient specific pre-calculations and patient specific computations, leading to an interactive real-time simulation tool. Zusammenfassung Die Hochfrequenzstrom Ablation (RF Ablation) ist eine vielversprechende minimalinvasive Therapie für Tumore und Metastasen in der Leber. Dabei induziert ein nadelförmiger Applikator, der perkutan in die Läsion eingeführt wird, einen lokalen Stromfluss der durch den Ohmschen Widerstand des Gewebes zu seiner Erwärmung und Zerstörung führt. Damit die RF Ablation einen ähnlichen klinischen Stellenwert einnehmen kann, wie die chirurgische Resektion, muss eine vollständige Ablation vergleichbar der R0 Resektion erreicht werden. Hier liefern die Patienten-individuelle Modellierung und numerische Simulation der bio-physikalischen Prozesse einen wertvollen Beitrag zur Therapieplanung, weil sie eine Abschätzung des Therapieerfolges und eine Optimierung der Therapieparameter ermöglichen. In diesem Beitrag wird ein mathematisches Modell mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs) für die Patienten-individuelle Simulation der RF Ablation diskutiert. Ein Schwerpunkt liegt auf der Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Materialeigenschaften, den zugrunde liegenden Bilddaten und den Ergebnissen der Simulationen. Ein stochastisches PDE Modell wird diskutiert, das eine Analyse der Sensitivität der Simulationsergebnisse unter Schwankungen in den Materialeigenschaften erlaubt. Schließlich wird eine Methode zur schnellen Abschätzung der Gewebezerstörung gezeigt, die auf einer Trennung von Patienten unspezifischen Vorberechnungen und Patienten individuellen Berechnungen beruht, und somit zu einer interaktiven Echtzeit-Simulation führt.

CT simulators are software systems used in the radiotherapy clinics for simulating the radiation beams of a radiotherapy treatment plan. They use acquired Computed Tomography (CT) data set of the patient, including the external patient´s skin landmarks, instead of the physical patient. The implemented high-end visualization techniques allow the users to simulate every function of the treatment machine including the mechanical component movements, radiation beam projection and fluoroscopy. The virtual simulation concept provides the physicians with ergonomic volume definition and anatomy navigation tools. Zusammenfassung CT Simulatoren sind Softwaresysteme, welche in Kliniken benutzt werden um die Bestrahlungsgänge vor einer Radiotherapie zu simulieren. Sie benutzen CT Daten anstatt des echten Patienten inklusive seiner Hautmarkierungen. Die Implementierte Visualisierung ermöglicht die Simulation aller Funktionen der Bestrahlungsmaschine u.a. mechanische Bewegungen, Projektionen der Strahlengänge und Fluoroskopie. Das Konzept der virtuellen Simulation ermöglicht den Klinikern eine ergonomische Definition des Zielvolumens sowie verbesserte anatomische Navigation.

Nowadays, virtual patients are becoming increasingly essential for high-quality medical education since there are not enough actual patients available for educational and training purposes. However, development and curricular integration of virtual patients is challenging and time consuming. This review gives an overview on relevant aspects of development and usage of virtual patients and shows the current state of development. The included information is sourced from relevant literature of the last 15 years and the longstanding experience of the authors in the relevant fields. Zusammenfassung Virtuelle Patienten werden in der modernen Medizinerausbildung immer wichtiger, weil nicht in ausreichendem Umfang “echte” Patienten für die Ausbildung zur Verfügung stehen. Die Entwicklung und curriculare Integration von virtuellen Patienten ist allerdings sehr anspruchsvoll und zeitaufwändig. Dieser Artikel gibt einen Überblick über relevante Aspekte der Entwicklung sowie der Nutzung von virtuellen Patienten und stellt den aktuellen Entwicklungsstand, unter Berücksichtigung der relevanten Literatur der letzten 15 Jahre und der langjährigen Erfahrung der Autoren dar.

The author summarizes his interdisciplinary research to employ actuarial risk models for the evaluation of system architectures with regard to their insurability. Insurability is argued to be a precondition for improving the resilience of distributed systems against catastrophic failures and malicious attacks. This essay introduces three obstacles that hinder the development of a market for cyber-insurance in practice, and refers to a novel modeling framework in which the obstacles can be analyzed jointly. Open research questions and possible ways to overcome these obstacles are discussed. Zusammenfassung Der Autor beschreibt seine interdisziplinäre Forschung zur Bewertung der Versicherbarkeit von unterschiedlichen Systemarchitekturen mit versicherungsmathematischen Modellen. Versicherbarkeit wird dabei als eine Voraussetzung angesehen, um die Robustheit von verteilten Systemen gegen katastrophale Ausfälle und vorsätzliche Angriffe zu erhöhen. Im Aufsatz werden drei Hindernisse besprochen, die die Entwicklung eines Marktes für IT-Versicherungen in der Praxis einschränken. Der Autor verweist auf einen neuen Modellierungsrahmen, in dem alle drei Hindernisse gemeinsam analysiert werden können. Er nennt offene Forschungsfragen und weist auf Möglichkeiten hin, diese Hindernisse zu überwinden.

This article summarizes the goals and the first results of the project CITE — from Counterexamples to Interactive Incremental Tracing of Errors — at the National Institute of Informatics (NII) in Tokyo, Japan. CITE aims at developing the fundamental methods for generating both comprehensive and comprehensible error reports based on model checking results. Model checking is a powerful and efficient method for finding flaws in hardware designs, object-oriented software, business processes, and hypermedia applications. One remaining major obstacle to a broader application of model checking is its limited usability for non-experts. It requires much effort and insight to determine the root cause of errors from counterexamples generated by model checkers in the case of a specification violation. The CITE project addresses this problem by proposing tree structured error reports that can be refined successively to the desired level of detail according to the user´s interest. First evaluations demonstrate that the proposed approach reveals more errors and explains the cause of errors more accurately than the counterexamples of existing model checkers. Zusammenfassung Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Ziele und die ersten Ergebnisse des Projekts CITE — from Counterexamples to Interactive Incremental Tracing of Errors — am National Institute of Informatics (NII) in Tokyo, Japan. Ziel ist die Generierung von präzisen, vollständigen und dennoch verständlichen Fehleranalysen mit Hilfe von Model-Checking. Model-Checking ist geeignet, um manuell schwer zu findende Fehler in komplexen Hardware- und Softwaresystemen automatisch nachzuweisen. Eine bestehende Hürde für die breitere Anwendung von Model-Checking, etwa zur Fehleranalyse von Geschäftsprozessen und Web-Anwendungen, ist die eingeschränkte Benutzerunterstützung. Die durch Model-Checking generierten Fehlerberichte sind oft lang und schwer zu interpretieren. Wir schlagen eine neue Methode für die Generierung von hierarchisch strukturierten Fehlerberichten vor, die in Interaktion mit dem Benutzer schrittweise verfeinert werden können. Erste Experimente im Anwendungsgebiet von Web-Dokumenten bestätigen, dass das vorgeschlagene Verfahren geeignet ist, um mehr Fehler zu finden, die Fehler präziser zu lokalisieren und die Fehlerursache besser nachvollziehbar zu machen als dies mit bisherigen Model-Checking-Verfahren möglich ist.