Übersicht über das DFG-geförderte Paketvorhaben "Smart Life Support"

Die heutige intensivmedizinische Therapie schwerstkranker Menschen ist durch den Einsatz hochwertige Medizingeräte gekennzeichnet, die gemäß den Zielvorstellungen des ärztlichen Personals mit dem Patienten wechselwirken. Obwohl in den letzten Jahren unbestritten enorme Fortschritte in vielen Bereichen der Intensivmedizin erreicht wurden, fehlen weiterhin methodische Konzepte zur allgemeingültigen Optimierung der Therapie und zur Verfeinerung der Behandlungsmethodik unter Berücksichtigung einer kontinuierlichen und zeitnahen Rückkopplung des Patienten-Zustands. Daneben spielt aber auch die unter zunehmendem Zeitdruck stehende Effizienz-Optimierung der Therapie eine Rolle. Die Unterstützung der intensivmedizinischen Therapie durch Automatisierungs- und Regelungstechnik ist ein entscheidender Schritt zur Lösung dieser Probleme und zur Verbesserung der Therapiemöglichkeiten.

 

Das Projekt "Smart Life Support" will diesen Trend aufgreifen und methodische Grundlagen für die Regelung intensivmedizinischer Therapieverfahren der Zukunft erarbeiten. Im Vordergrund stehen dabei Fragen der Wechselwirkung von pathophysiologischen und technischen Systemen, speziell der Modellbildung, der Simulation und der Regelung solcher Systeme unter Berücksichtigung der hohen sicherheitstechnischen Anforderungen an solche Therapiesysteme.

 

Der Kreis der Projektpartner umfasst Ingenieure, Mediziner und Informatiker. So können alle Teilaspekte der interdisziplinären Problemstellung optimal untersucht werden.

Objektorientierte Modellierung der Kreislauf-Physiologie (PhysioMod)

Das menschliche Herz-Kreislaufsystem ist ein komplexes System, das nicht nur aus Herz, Lunge und den Blutgefäßen besteht, sondern zusätzlich durch körpereigene Regelungen und Wechselwirkungen beeinflusst wird. Um ein besseres Verständnis dieser physiologischen Regelkreise zu erhalten, können die Methoden der Regelungstheorie angewendet werden. Dazu wird ein dynamisches mathematisches Modell des Prozesses benötigt.

 

Aufbauend auf existierenden, in der Literatur beschriebenen Modellen wird in diesem Teilprojekt des Verbundvorhabens "Smart Life Support" eine objektorientierte Modellierung der physiologischen Prozesse auf der Organebene durchgeführt. Dabei bestehen zwischen den einzelnen Organen klar definierte, einheitliche und an den physiologischen Zusammenhängen orientierte Schnittstellen. Dadurch ergibt sich eine offene Erweiterbarkeit und eine gute Strukturierbarkeit der Modelle. Beginnend mit einfachsten Modellen - bestehend lediglich aus Herz, Lunge, Nervensystem und Niere - kann in weiteren Arbeitsschritten eine sukzessive Verfeinerung, Verbesserung und Ergänzung um weitere Organe oder körpereigene Regelkreise stattfinden.

 

Im Gegensatz zu bisher beschriebenen Modellen des Herz-Kreislaufsystems wird eine objektorientierte Beschreibung mittels ungerichteter Gleichungen in der Simulationsumgebung Modelica/Dymola umgesetzt. Dies bietet nicht nur den Vorteil der Vermeidung algebraischer Schleifen bei der Simulation, sondern kommt vor allem der physiologischen Realität näher als eine signalorientierte Modellierung, z.B. in Matlab/Simulink.

 

Das Ziel der Modellierung ist die Erstellung eines modular aufgebauten Simulationsmodells bestehend aus wieder verwendbaren Komponenten. Neben den physiologischen Funktionen sollen z.B. einige pathologische Veränderungen sowie Modelle von Unterstützungssystemen (z.B. Herz- oder Lungenunterstützungsgeräten) in die Bibliothek integriert werden. Um die Flexibilität bei der Simulation zu erhöhen und Erweiterungen und Verfeinerungen des Modells zu erleichtern, soll die Umsetzung in einer Bibliotheks-Struktur erfolgen, wie sie im Bild dargestellt ist.

 

 

Organbibliothek und ein einfaches Simulationsmodell