Verbesserung von Hämokompatibilität in der Therapie mit Herzunterstützungssystemen unter Verwendung physiologischer Regelungsstrategien.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Leonhardt
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409796053

Herzinsuffizienz ist eine der Hauptursachen für die Sterblichkeit in den Industrieländern. Trotz des rasanten Anstiegs an Implantationen von Herzunterstützungssystemen (VADs) in den letzten Jahren, sind Herztransplantationen nach wie vor der Goldstandard bei terminaler Herzinsuffizienz. Jedoch ist die Zahl der transplantierten Herzen deutlich geringer als der bestehende Bedarf. Es ist nicht zu erwarten, dass das Problem der Verfügbarkeit von Spenderherzen in naher Zukunft gelöst werden kann. Funktion eines VADs ist es, das Herz beim Pumpen von Blut aus dem linken Ventrikel in die Aorta zu unterstützen. Heute verfügbare Systeme basieren zumeist auf Rotationsblutpumpen (RBP), die typischerweise mit konstanter/m Geschwindigkeit/Fluss betrieben werden. Neue Betriebsmodi zielen darauf ab, den Blutfluss an den zeitvarianten Bedarf des kardiovaskulären Systems (CVS) und die Leistungsfähigkeit des Herzens anzupassen. Durch physiologische Regelung kann diese Interaktion zwischen CSV und der RBP erreicht werden.Eines der wesentlichen technischen Probleme beim Aufbau eines VADs ist die Minimierung von Hämolyse. Hämolyse ist die Zerstörung von Blutzellen aufgrund der Exposition von Blut mit der Pumpe. In der Vergangenheit wurde viel Arbeit darauf verwendet, die Geometrie der Pumpe in dieser Hinsicht zu optimieren. Dies geschah bisher vor allem im Hinblick auf statische Betriebsbedingungen, welche in einem physiologischen Kontext nie vorliegen. Im Rahmen dieses Projektes wollen wir untersuchen, ob Hämokompatibilität durch Optimierung der dynamischen Regelung einer RBP verbessert werden kann. Um dies zu erreichen, muss zunächst ein von Betriebsbedingungen abhängiges Hämolysemodell gefunden werden. Dazu verwenden wir zwei alternative Ansätze. Ein datengetriebener Ansatz, bei dem eine Mapping-Funktion durch Parameterschätzung aus Messdaten und einem physikalisch-getriebenen Ansatz ermittelt wird. Hierzu soll eine CFD-Simulation des Hydrauliksystems aufgebaut werden. Parallel dazu, werden wir unseren hybriden Mock-Circulatory-Loop (MCL) umbauen, um Hämokompatibilität unter der Verwendung von dynamischen, physiologischen und pathologischen Lasten, zu testen. Basierend auf den entwickelten Modellen und Ergebnissen sollen dann Regelalgorithmen entwickelt werden, die als Ziel haben Hämokompatibilität in ein robustes optimales Regelungsproblem zu integrieren. Zusätzlich wird ein Pumpendurchfluss-Schätzer für das Sputnik VAD entwickelt, um eine dynamische Regelung der Pumpe zu ermöglichen und so Hämokompatibilität zu verbessern. Der optimierte Controller wird in dynamischen, physiologie-nahen Tests im hämokompatiblen MCL mit Tierblut ausgewertet. Das beabsichtigte Ergebnis dieses Projektes ist ein integriertes umpensystem, das nicht nur eine erforderliche Hämodynamik hervorbringt, sondern auch Blutschädigung durch optimale Regelungsstrategien verringert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Dmitry Telyshev