Entwicklung, Regelung und Validierung eines neuartigen Herzunterstützungssystems zur gezielten Lasteinstellung

• Development, control and validation of a novel ventricular assist device for targeted load adjustment

Salesch, Tobias Christopher; Abel, Dirk (Thesis advisor); Hein, Marc (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, Regelung und Validierung eines neuartigen Herzunterstützungssystems. Beschrieben wird der iterativ durchlaufene Entwicklungsprozess beginnend beim Aufbau der Komponenten bis zur abschließenden Validierung des Systems. Das Ziel des Systems ist es, neben einer adaptiven Entlastung des Herzens, gezielt weitere Verbesserungen durch die Integration neuer Freiheitsgrade zu ermöglichen. Der neuartige Charakter bezieht sich dabei einerseits auf einen konzeptionell innovativen Aufbau, der die Herzunterstützungssysteme des aktuellen Stands der Technik um eine zweite Pumpe ergänzt. Andererseits wird die Regelung herkömmlicher Systeme, die mit nur einer Pumpe ausgestattet sind, gezielt um einen virtuellen Freiheitsgrad erweitert. Diese beiden grundlegend unterschiedlichen Ansätze werden separat evaluiert und anschließend miteinander verglichen. Um diese Ziele zu erreichen, wurde die bestehende digitale Forschungsplattform für Herzunterstützungssysteme um diverse Hard- und Softwarekomponenten erweitert. Insbesondere wurde ein speziell für Herzunterstützungssysteme angepasster Prüfstand entwickelt, der eine hardwarenahe Evaluation der entworfenen Komponenten ermöglicht. Ein methodischer Schwerpunkt liegt in der Formulierung und Durchführung von Optimierungsproblemen auf Basis objektorientierter Modellierung des Herzkreislaufsystems. Umgesetzt als Parameteroptimierung wird so ein physiologisch valides Simulationsmodell entwickelt, dass die Grundlage der Entwicklung geeigneter Regelstrategien bildet. Die Kombination einer zyklischen Parameteroptimierung mit einer anschließenden Optimalsteuerung ermöglicht das Erreichen physiologischer Regelziele im Sinne eines geschlossenen Regelkreises. Neben diesem modellbasierten Optimierungsansatz wurden verschiedene modellfreie physiologische Regler für beide Ansätze entworfen und implementiert. Die Evaluation aller physiologischer Regelungen hinsichtlich Stabilität und Regelgüte erfolgt am entworfenen Prüfstand. Die prototypische Validierung der Systeme erfolgt im Tierversuch. In Versuchsreihen mit variierenden Regelzielen konnte so gezeigt werden, dass die Integration weiterer Freiheitsgrade mit beiden Ansätzen funktioniert und Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik bringt. Die Erweiterung um eine zweite Pumpe ermöglicht zusätzlich eine grundlegende Entkoppelung der Regelziele.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik [416610]