Um die komplexe klinische Herausforderung der Risikobewertung intrakranieller Aneurysmen ganzheitlich zu adressieren, ist das Verbundprojekt PIRATE in strategische Teilprojekte gegliedert. Jedes Teilprojekt bündelt die spezifische wissenschaftliche Expertise der beteiligten Forschungsinstitute – von der innovativen Bildgebung bis hin zur hämodynamischen Simulation. Im Folgenden werden die methodischen Schwerpunkte und spezifischen Ziele der einzelnen Projektbereiche vorgestellt.

Bislang erfolgt die Risikoeinschätzung bei zufällig entdeckten, beutelförmigen intrakraniellen Aneurysmen (IA) primär anhand klassischer Parameter: Größe, Lokalisation sowie individueller Faktoren (wie Alter, Geschlecht, Bluthochdruck oder medizinische Vorgeschichte). Neben der reinen Rupturgefahr können diese Aneurysmen auch Schlaganfälle auslösen oder Nerven einklemmen, was im schlimmsten Fall zu Lähmungen führt.

Bei der Therapieentscheidung müssen Mediziner das individuelle Behandlungsrisiko stets gegen die krankheitsbedingten Gefahren abwägen. Entscheidende Faktoren wie die komplexe Form des Aneurysmas und die lokale Blutströmung werden durch die bisherigen Standards noch nicht angemessen erfasst.

Je nach Durchführbarkeit und Befund kommen operative Verfahren (Clipping oder Wrapping) oder minimalinvasive endovaskuläre Methoden zum Einsatz:

• Coiling: Hierbei werden feine Platinspiralen (Coils) direkt in das Aneurysma eingeführt. Dieses Implantat füllt den Hohlraum aus, verlangsamen den Blutfluss und fördern die Thrombenbildung. Dadurch wird das Aneurysma vom Blutkreislauf ausgeschlossen und das Rupturrisiko reduziert
• Flussdisruptoren: Hierbei wird ein engmaschiges, stentähnliches Implantat im Trägergefäß über dem Aneurysmahals platziert. Es lenkt den Blutstrom vom Aneurysma weg, reduziert dessen Durchblutung und fördert die Thrombenbildung im Aneurysma. Dadurch kommt es im Verlauf zu einem Verschluss.

Häufig werden diese endovaskulären Methoden kombiniert, um eine Verschiebung der Implantate in das Trägergefäß zu verhindern.

Der Goldstandard für die Vorbereitung endovaskulärer Eingriffe ist die Digitale Subtraktionsangiographie (DSA) in Kombination mit der 3D-Rotationsangiographie (3DRA). Die MRT dient vor allem der Erstdiagnose bei Zufallsbefunden sowie den Verlaufskontrollen.

Nach flussmodulierenden Behandlungen wird der Verschluss des Aneurysmas bislang jedoch nur indirekt durch konventionelle Verfahren (MRA und CTA) überwacht. Eine verlässliche Vorhersage über den genauen Zeitpunkt des Verschlusses – oder ein mögliches Therapieversagen – ist mit diesen aktuellen Methoden derzeit nicht möglich. Genau an dieser diagnostischen Lücke setzt dieses Teilprojekt an.

In früheren Forschungsarbeiten wurden aus der 4D-Fluss-MRT bereits vielversprechende hämodynamische Metriken – wie Wandschubspannung (WSS), Blutgeschwindigkeitsprofile, Pulsatilität oder Druckdifferenzen – als mögliche Biomarker vorgeschlagen, um das Wachstums- oder Rupturrisiko eines Aneurysmas zu prognostizieren. Aufgrund mangelnder Genauigkeit und zu langer Messzeiten im MRT werden diese Metriken bislang nicht klinisch angewandt.

Die 4D-Fluss-MRT liefert zwar zeitaufgelöste 3D-Geschwindigkeitsfelder in den Gefäßen, jedoch reicht die räumlich-zeitliche Auflösung oft nicht aus, um die abgeleiteten Metriken verlässlich zu bewerten. Alternativen wie patientenspezifische Strömungssimulationen (CFD) und experimentelle Untersuchungen stoßen ebenfalls an Grenzen: Die Genauigkeit und Aussagekraft ihrer Ergebnisse hängen stark von theoretischen Modellannahmen ab.

Die Einschränkungen bestehender Methoden zur Strömungsquantifizierung sollen überwunden werden. Dafür werden neuartige Ansätze für die in-vivo-, in-vitro- und in-silico-Beurteilung der Hämodynamik mit einer deutlich verbesserten räumlichen und zeitlichen Auflösung entwickelt.

Methodische Schwerpunkte im Teilprojekt 2:

• Optimierte 4D-Fluss-MRT (Dual-VENC): Blut fließt in Aneurysmen unterschiedlich schnell. Herkömmliche MRT-Messungen können extrem langsame und schnelle Strömungen oft nicht gleichzeitig fehlerfrei erfassen. Daher wird eine optimierte "Dual-VENC"-Sequenz entwickelt. Diese kombiniert zwei Messbereiche und liefert hochauflösende, präzise Strömungsdaten in einer kurzen, klinisch praktikablen Messzeit von unter zehn Minuten.
• Experimentelle und numerische Validierung: Um die neuen MRT-Verfahren zu überprüfen, werden zwei ergänzende Ansätze genutzt. Einerseits werden reale Strömungen in vergrößerten 3D-Modellen von Patienten-Aneurysmen (in vitro) untersucht. Andererseits wird eine fortschrittliche Computersimulationen (Lattice-Boltzmann-Methode) entwickelt, die direkt durch echte in-vivo-Patientendaten gesteuert werden kann. So lassen sich extrem detaillierte und personalisierte Strömungsmodelle berechnen.

Abbildung 1: Entwicklung effizienterer Bildgebungs- (A) und Rekonstruktionsverfahren (B) für hochaufgelöste beschleunigte 4D-Flussmessungen. Validierung der neuen Methoden im in vitro Modell (C) mit Goldstandardmessmethoden. Entwicklung patientenspezifischer, vergrößerter Aneurysma Modelle und Blutersatzfluide zur Untersuchung von Strömungsverhalten und Behandlungsstrategien (D+E) durch in vitro Bestimmung hämodynamischer Parameter im Modell (WSS, Druckabfall) mittels neuer sowie Goldstandardverfahren (F). Validation der neuen Methoden in einer Test-Retest Studie in gesunden Probanden (G). Danach Anwendung der Methoden in Patienten mit intrakraniellen Aneurysmen. Entwicklung einer Daten gesteuerten Simulation (hybrides Modell), die auf Basis der in-vivo Messdaten eine noch präzisere Bestimmung hämodynamischer Parameter ermöglicht (H)

In diesem Teilprojekt fließen alle gewonnenen Erkenntnisse zusammen. Die gesammelten Bildgebungsdaten werden mit demografischen Informationen, individuellen Risikofaktoren, Medikationsplänen und den Ergebnissen aus Gewebeanalysen verknüpft. Das übergeordnete Ziel ist die Entwicklung eines umfassenden, individuellen Prognosemodells zur patientenspezifischen Risikostratifizierung.

Methodische Schwerpunkte:

• Künstliche Intelligenz: Mithilfe von TOF-Daten (Time-of-Flight, MRT-Technik zur kontrastmittelfreien Darstellung der Blutgefäße) und eigens trainierten KI-Methoden werden die Arterien und Aneurysmen segmentiert und die Gefäßgeometrien des Circulus arteriosus willisii (CoW) präzise analysiert.
• Bewertung der Gefäßwand: Durch die Kombination von VWI-Daten (Vessel-Wall-Imaging, MRT-Technik zur direkten Darstellung der Gefäßwände) und hämodynamischen Parametern soll künftig nicht-invasiv beurteilt werden, wie intakt die Aneurysmawand noch ist.
• Automatisierte Blutfluss-Analyse: Basierend auf den neuen 4D-Fluss-Methoden aus TP 2 werden hämodynamischen Metriken extrahiert und verarbeitet. Ein Verfahren zur automatisierten Analyse der 3D-Blutflusseigenschaften wird entwickelt, um Strömungen künftig reproduzierbar und systematisch klassifizieren zu können.

Es ist bekannt, dass komplexe und unregelmäßige 3D-Flussmuster in Aneurysmen – und deren Auswirkungen auf die Gefäßwand (etwa durch Druckdifferenzen oder Wandschubspannung) – mit einem erhöhten Risiko für Wachstum oder Ruptur verbunden sein können. Zudem ist der Einfluss dieser hämodynamischen Bedingungen auf den Therapieerfolg nach einem Eingriff bislang ungeklärt. Die automatisierte Datenanalyse in TP 3 wird helfen, diese Wissenslücken zu schließen.

Abbildung 2: Im TP 3 soll ein Modell zur Vorhersage des Outcomes zukünftiger Aneurysmapatientinnen und -patienten etabliert werden. Hierzu sollen hämodynamische und geometrische Parameter aus MRT Daten, Patientenstatistiken sowie Gewebeproben aus der Histologie als Input-Parameter dienen.