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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Einsatz von rotierenden linksventrikulären Herzunterstützungssystemen (LVADs) ist zu einer Standardbehandlung für Patienten mit fortgeschrittener Herzinsuffizienz geworden. Durch die schnelle Rotation des Impellers in diesen Geräten sind die roten Blutkörperchen jedoch unphysiologisch hohen Scherraten ausgesetzt. Dies führt zur Schädigung der Zellen, was auch als Hämolyse bezeichnet wird. Ziel des Projekts HeVAD war es, zu untersuchen, ob die Minimierung von Hämolyse in LVAD Regelstrategien integriert werden kann. Dabei wurde hauptsächlich die Axialflusspumpe Sputnik1 untersucht. Die entwickelte Methodik kann jedoch auch auf andere rotierende LVADs angewendet werden. Zunächst wurde eine automatisierte Version des Hämolyse-Prüfstands gemäß der Norm ASTM-F1841 entwickelt und zur Durchführung von Hämolyse-Versuchen bei verschiedenen relevanten LVAD Betriebsbedingungen verwendet. Weiterhin wurde ein dynamisches Modell der LVAD- induzierten Hämolyse entwickelt und unbekannte Parameter anhand von experimentellen Daten identifiziert. Anschließend wurde das Hämolyse-Modell mit einem Modell des LVAD- unterstützen Kreislaufsystems kombiniert. Durch die Untersuchung der geschätzten Hämolyse für verschiedene konstante Drehzahlen bei verschiedenen Zuständen des kardiovaskulären Systems wurde festgestellt, dass ein Hämolyse-minimierender Regler die Drehzahl der Sputnik1 Pumpe möglichst niedrig wählen sollte. Darüber hinaus wurde ein dynamischer Hämolyse-Prüfstand entwickelt, der auch berücksichtigt, dass LVAD Patienten typischerweise noch über Restherzaktivität verfügen. Der Prüfstand wurde bereits auf seine Hämokompatibilität hin evaluiert und soll in zukünftigen Studien zur Bewertung von LVADs unter relevanteren Betriebsbedingungen eingesetzt werden. Die (Teil-)Ergebnisse wurden in 8 wissenschaftlichen Fachzeitschriften und 6 Konferenzen veröffentlicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A Mathematical Model for Estimating Physiological Parameters of Blood Flow through Rotary Blood Pumps. Biomedical Engineering, 54(3), 163-168.
  Telyshev, D. V.
  
• Evaluation of Left Ventricular Assist Device Electrical Current as a Predictor of Left Ventricular Recovery. MDPI AG.
  Telyshev, Dmitry; Pugovkin, Alexander; Ephimov, Ivan; Markov, Aleksandr; Leonhardt, Steffen; Walter, Marian; Karimov, Jamshid & Selishchev, Sergey
  
• Computational fluid dynamics simulation of hemolysis at different levels of circulatory support in the left ventricular assist device Sputnik. Journal of Physics: Conference Series, 2091(1), 012021.
  Romanova, A. & Telyshev, D.
  
• Correlation between Myocardial Function and Electric Current Pulsatility of the Sputnik Left Ventricular Assist Device: In-Vitro Study. Applied Sciences, 11(8), 3359.
  Telyshev, Dmitry V.; Pugovkin, Alexander A.; Ephimov, Ivan A.; Markov, Aleksandr; Leonhardt, Steffen; Walter, Marian; Karimov, Jamshid H. & Selishchev, Sergey V.
  
• Effects of the Design of a Rotary Blood Pump on Hemocompatibility. Biomedical Engineering, 54(5), 327-332.
  Denisov, M. V.; Walter, M.; Leonhard, S. & Telyshev, D. V.
  
• Electrodynamics of Axial-Flow Rotary Blood Pumps. IEEE Access, 9, 164700-164711.
  Nesterenko, Igor V.; Pugovkin, Alexander A.; Leonhardt, Steffen; Walter, Marian; Borchers, Patrick; Markov, Aleksandr; Karimov, Jamshid H.; Selishchev, Sergey V. & Telyshev, Dmitry V.
  
• Flow profile generation for a left ventricular assist device using iterative learning control. Current Directions in Biomedical Engineering, 7(2), 279-282.
  Borchers, Patrick; Walter, Marian; Leonhardt, Steffen; Telyshev, Dmitry & Pugovkin, Alexander
  
• Automated Test Loop To Assess Pump-Induced Hemolysis Under Pulsatile Operating Conditions. In: Abstracts submitted to 48th ESAO Congress [Internet]. Krems, Austria: The International Journal of Artificial Organs; 2022. p. 773. (9; vol. 45).
  Borchers P., Leonhardt S. & Walter M.
  
• Comparison of the Hemocompatibility of an Axial and a Centrifugal Left Ventricular Assist Device in an In Vitro Test Circuit. Journal of Clinical Medicine, 11(12), 3431.
  Borchers, Patrick; Winnersbach, Patrick; Kraemer, Sandra; Beckers, Christian; Buhl, Eva; Leonhardt, Steffen; Rossaint, Rolf; Walter, Marian; Breuer, Thomas & Bleilevens, Christian
  
• Hemolytic Performance in Two Generations of the Sputnik Left Ventricular Assist Device: A Combined Numerical and Experimental Study. Journal of Functional Biomaterials, 13(1), 7.
  Romanova, Alexandra N.; Pugovkin, Alexander A.; Denisov, Maxim V.; Ephimov, Ivan A.; Gusev, Dmitry V.; Walter, Marian; Groth, Thomas; Bockeria, Olga L.; Le, Tatyana G.; Satyukova, Anna S.; Selishchev, Sergey V. & Telyshev, Dmitry V.
  
• Resistivity-based Determination of Pump-induced Hemolysis in Whole Blood. In: Proceedings of the international student scientific conference POSTER 2022 [Internet]. Prag, Czech Republic; 2022. p. 35–38
  Borchers P.
  
• Studies of the Hemocompatibility of the Sputnik Ventricular Assist Device in Constant and Pulse-Modulated Operating Modes. Biomedical Engineering, 56(4), 256-259.
  Romanova, A. N.; Pugovkin, A. A. & Telyshev, D. V.
  
• An Optical Sensor for Continuous Hemolysis Measurement. ESAO Conference, 2024, Aachen, Germany
  Borchers P., Leonhardt S. & Walter M.
  
• Modeling and Control of an Automated Hemolysis Test Bench. IFAC-PapersOnLine, 58(24), 61-65.
  Borchers, Patrick; Leonhardt, Steffen & Walter, Marian
  
• Pump‐Induced Hemolysis of Speed Modulated Axial‐Flow Left Ventricular Assist Devices. Artificial Organs, 49(6), 988-996.
  Borchers, Patrick; Österlein, Kück Ailín; Leonhardt, Steffen & Walter, Marian