Modellierung und Simulation eines Herzunterstützungssystems

Forschung und Entwicklung im Geschäftsfeld Virtual Engineering

Pulsatile, pneumatisch betriebene Herzunterstützungssysteme werden für die kurz- bis langfristigen Unterstützung der links- und/oder rechtsventrikulären Pumpfunktion des menschlichen Herzens eingesetzt. Indiziert ist es bei lebensbedrohlich erkrankten Patienten mit schwerem Herzversagen nach Ausschöpfung aller konservativen Therapieoptionen. Ein existierender Antrieb, der für Behandlung erwachsener Patienten eingesetzt wird, soll für den Einsatz an allen EXCOR®-Pumpen (Berlin Heart GmbH) weiterentwickelt werden. Der Antrieb besteht aus einer pneumatischen Kolbenpumpe, die synchron mit der Blutpumpe arbeitet. Das geschlossene pneumatische System erfordert eine präzise Regelung der eingeschlossenen Luftmasse. Verschiedene Regelalgorithmen sind notwendig für die Anpassung des Pumpvolumens an den Blutrückfluss bei unterschiedlichen Belastungen.

© Fraunhofer IFF

Für die Systemanalyse und die Reglersynthese wurde ein Simulationsmodell des kompletten Systems, bestehend aus Blutpumpe, pneumatischem Antrieb und Leitungen sowie dem menschlichem Blutkreislauf,  entwickelt:

  1. Modellerstellung in der objekt-orientierten Modellierungssprache Modelica/Dymola
  2. Experimentelle Bestimmung der physikalischen Parameter aller Komponenten
  3. Exakte Modellierung der elastischen Effekte der Blutpumpe und der Membran
  4. Die Modellvalidierung erfolgte an einem hydraulischen Ersatzaufbau

Die so erstellten Modelle wurden erfolgreich durch umfangreiche Experimente validiert und zeigten eine exakte Übereinstimmung mit dem realen Versuchsaufbau. Im Ergebnis entstanden Modelle, die die Basis für die Entwicklung der Regelalgorithmen bilden.