Hard- und Software-Simulation des herzinsuffizienten Kreislaufs zur Entwicklung von Herzunterstützungssystemen

Die Dissertation befasst sich mit der Simulation des herzinsuffizienten Kreislaufs zur Entwicklung von Herzunterstützungssystemen. Im Fokus steht die Simulation des Patienten in Hardware und Software. Herzkreislauferkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. So gingen im Jahr 2008 30% aller Todesfälle auf Herzkreislauferkrankungen zurück. Eine typische Herzkreislauferkrankung ist die Herzinsuffizienz. In Europa leiden daran ca. 10 Millionen Menschen. Herzunterstützungssysteme sind eine Therapiemöglichkeit für Patienten mit einer schweren Herzinsuffizienz. Diese Patienten haben bereits bei geringster körperlicher Belastung Beschwerden und sind häufig bettlägerig. In Abhängigkeit von dem Therapieziel stellt sich bei der Implantation eines Herzunterstützungssystems die Frage nach der richtigen Einstellung der Förderleistung. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Modell des Herzkreislaufsystems entwickelt, welches die Simulation des gesunden Kreislaufs und des Kreislaufs bei diversen Herzerkrankungen ermöglicht. Dieses Modell beinhaltet eine detaillierte Beschreibung des Herzens, wodurch der Einfluss eines Herzunterstützungssystems simuliert werden kann. Zusätzlich wird das Modell um das respiratorische und das thermoregulatorische System erweitert, womit die Simulation wesentlicher Vitalparameter des Patienten möglich ist. Des Weiteren wird ein hydraulischer Herzkreislaufsimulator entwickelt und aufgebaut, der in der Lage ist sämtliche, mögliche ein- und auslassseitigen Zustandsgrößen eines Herzunterstützungssystems nachzuahmen. Dieser hydraulische Herzkreislaufsimulator besteht ausschließlich aus elektrischansteuerbaren Komponenten und beinhaltet keine Herzklappen, wodurch er zur Simulation jeglicher Herzerkrankungen geeignet ist. Dies wird anhand von Messungen mit verschiedenen Sollwertvorgaben gezeigt. Im praxisnahen 5. Kapitel werden die einzelnen Aspekte dieser Arbeit zusammengeführt und deren Eignung anhand eines Herzunterstützungssystems der Firma Abiomed als Anwendungsbeispiel gezeigt. Dieses Herzunterstützungssystem wird modelliert und dafür eine Regelung mit dem Therapieziel der Erholung des Patienten entworfen. Die Regelung wird zunächst im entwickelten Prüfstand evaluiert. Dafür ist die Interaktion des Prüfstands mit dem entwickelten Herzkreislaufmodell nötig. Daher werden Messgrößen aus dem Prüfstand in Echtzeit in das softwareseitige Modell übertragen, wodurch ein Hardware-in-the-Loop Prüfstand ensteht. Einzelne Bestandteile der entworfene Regelung werden zudem im Rahmen von Tierversuchen evaluiert. In diesem Kapitel erfolgt zusätzlich die Erweiterung des softwareseitigen Herzkreislaufmodells um körpereigene Regelkreise, so dass auch die Simulation eines Patienten im Alltag bei körperlicher Belastung möglich ist. Abschließend folgen eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf mögliche Erweiterung des Prüfstands sowie weitere Entwicklungen des Softwaremodells.