ValVAD: Validierung von geregelten Herzunterstützungssystemen durch Performance- und Zuverlässigkeitsanalysen in einem Hardware-in-the-Loop-Prüfstand
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Herzinsuffizienz betrifft weltweit eine große Zahl von Menschen. Dies ist häufig auf eine verminderte Kontraktionsfähigkeit der linken Herzkammer zurückzuführen, weshalb sich der Einsatz von linksventrikulären Herzunterstützungssystemen (LVADs) für Patienten mit Herzinsuffizienz als äußerst wirksam erwiesen hat. Die meisten der derzeit auf dem Markt erhältlichen LVADs arbeiten mit einer konstanten Pumpendrehzahl und können nicht an den physiologischen Zustand des Patienten angepasst werden, was zu unerwünschten Ereignissen oder sogar kritischen Zuständen führen kann. Zu den wissenschaftlichen Herausforderungen gehören dabei das Messsystem und die Prädiktion des physiologischen Zustands des Patienten, die physiologische Regelung des LVAD sowie die Validierungsmethoden für diese Systeme. Ziel dieses Projekts war es daher, die Performance und den zuverlässigen Betrieb von physiologischen LVAD-Controllern mit integrierten Drucksensoren zu untersuchen sowie die erforderlichen Test- und Validierungsmethoden zu entwickeln. An einem Hybrid Mock Circulation (HMC)-Teststand wurde der Einfluss von Störungen und Messunsicherheiten eines HeartMate 3 LVAD mit in der Kanüle integrierten Drucksensoren auf die Leistung und Robustheit verschiedener physiologischer Regelungen untersucht. Es zeigte sich, dass die Systemantwort unterschiedlicher LVAD-Regler in ihrer Robustheit auf Störungen variiert. Somit gibt es große Unterschiede im Hinblick auf den zuverlässigen Betrieb. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss von Sensordrift und Signalrauschen auf die Sensitivität und Robustheit der Regelung bei Änderung der Vor- und Nachlast untersucht. Die großen Unterschiede zwischen den Regelungen zeigen die Notwendigkeit von Systemintegrationstests mit der jeweiligen Kombination aus Sensor, Regler und LVAD. Es wurde auch gezeigt, dass für Systemintegrationstests ein großer Testraum abgedeckt werden muss. Sieben physiologische Regelungen wurden an zwei Herz-Kreislauf-Modellen aus dem Stand der Forschung mit Hilfe von in-silico und in-vitro Studien auf einem HMC-Prüfstand getestet, um patientenspezifische Einflüsse auf die Regelungsperformance und den zuverlässigen Betrieb zu untersuchen. Die Wahl des kardiovaskulären Modells und seiner Parameter hat einen starken Einfluss auf die Performance- und Robustheitseigenschaften. Daraus lässt sich schließen, dass für die Validierung von LVADs durch in-silico und in-vitro Tests unterschiedliche kardiovaskuläre Modelle oder zumindest unterschiedliche Parametersätze verwendet werden sollten. Um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen, wurde schließlich ein Fail-Safe-System entwickelt und in realistischen Einsatzszenarien getestet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Design and Testing of Sensors and Actuators for Advanced Cardiovascular Technologies. Invited lecture at the ESAO-IFAO Webinars 2022–2023: Artificial Organs & Regenerative Medicine: Clinical Challenges, Emerging Technologies, Improved Medical Care, Online, 2023.
T. Gwosch
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P79: Comparison of Cardiovascular Models for Validation of Controlled Ventricular Assist Devices. ASAIO Journal, 69(Supplement 2), 155-155.
Gwosch, Thomas; Magkoutas, Konstantinos & Schmid, Daners Marianne
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Physiological Controllers Based on VAD-Integrated Pressure Sensor: Experimental Validation. Conference Poster at the Gordon Research Conference Assisted Circulation (GRC), Waterville Valley, 2023.
T. Gwosch; K. Magkoutas & M. Schmid Daners
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Physiological Controllers Based on VAD-Integrated Pressure Sensor: Experimental Validation. Conference Presentation at the Gordon Research Seminar Assisted Circulation (GRS), Waterville Valley, 2023.
T. Gwosch; K. Magkoutas & M. Schmid Daners
