Herzen mit HIL simulieren

Die Aufgabenstellung war die Entwicklung einer realistischen, zuverlässigen und rekonfigurierbaren Testumgebung, um ein neuartiges System zur Herz-Kreislauf-Unterstützung ohne Einsatz von Tierversuchen voranzubringen und zu verbessern. Die Lösung war der Einsatz von NI CompactRIO zur Erstellung einer Stand-alone-HIL-Testumgebung, die ein mechanisches Herz mit dem Modell eines Blutkreislaufs verbindet, um schließlich eine Lösung zu schaffen, die physikalische und hämodynamische Modelle in vivo reproduziert.

Modell des intelligenten „Ventricular Assist Device“ (iVAD) zur Unterstützung des Herzens (Bild: University of Leeds)

Herzkrankheiten sind die Ursache für fast die Hälfte aller Todesfälle in der entwickelten Welt. Behandelt werden sie immer noch am effektivsten mit Herztransplantaten jedoch übersteigt die Nachfrage weit das Angebot an Spenderorganen. Um dies auszugleichen, haben wir uns mit dem Einsatz mechanischer Herzunterstützungssysteme befasst. Eines dieser neuartigen ventrikulären Unterstützungssysteme ist das derzeit an der University of Leeds in Entwicklung befindliche intelligente „Ventricular Assist Device“ (iVAD). Es fungiert als künstliche Muskelhülle, die das schwache Herz durch Anwendung einer Druckkraft um die äußere Oberfläche der Herzkammern unterstützt, die seinem ursprünglichen Rhythmus entspricht. Diese zyklische Druckaktion unterstützt die Anstrengungen des Herzmuskels und führt zu einer verbesserten Leistung des kranken Herzens.

Das iVAD musste auf dem Herzsimulator angebracht werden, um seine Druckleistung zu messen. Daher war eine realistische In-vitro-Testumgebung für die Entwicklung unerlässlich. Konventionelle Ansätze, die bei anderen Herzunterstützungssystemen angewendet werden, umfassen sperrige mechanische Systeme zur Nachahmung des Blutkreislaufs oder nutzen operativ entfernte Herzen, die metabolisch durch den Blutfluss eines anderen Tieres unterstützt werden. Da uns keine der beiden Methoden zusagte, erstellten wir einen eigenen HIL-Herzsimulator (Hardware-in-the-Loop), der ein Modell des Blutkreislaufs in Echtzeitsoftware und ein dreidimensionales mechanisches Herz kombiniert. Wir setzen die grafische Programmierumgebung NI LabVIEW und CompactRIO ein, um die Testumgebung weiter zu verbessern, so dass der Herzsimulator als Stand-alone-System arbeiten und über längere Zeiträume zuverlässig laufen kann.

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