Bachelorarbeit (evtl. auch Projekt-/Master-/Diplomarbeit)
Verfasst: Fr 8. Nov 2013, 14:53
Entwicklung einer Regelung für ein Kunstherz nach dem Prinzip des Wankelmotors
Motivation
Herz-Kreislauferkrankungen sind die häufigste Todesursache in Industriestaaten. Bei fortgeschrittenen Herzerkrankungen ist eine Herztransplantation heute die einzig erfolgversprechende Therapieform. Da die Anzahl der betroffenen Patienten das Angebot an Organspenden bei weitem übersteigt, sollen künstliche Herzen diese Lücke schließen um das Überleben der Patienten zu sichern.
Am AME-CVE des Aachener Helmholtz-Instituts wurde eine Konzeptstudie gestartet, in der ein außergewöhnliches Designkonzept untersucht wird. Ziel ist die Entwicklung eines Kunstherzens nach dem Rotationskolbenprinzip. Es ist aufgebaut wie ein Wankelmotor und nutzt das umgekehrte Funktionsprinzip: Der Kolbenläufer wird elektrisch angetrieben und fördert durch seine Bewegung das Blut in die Kreislaufsysteme des Körpers. Das Rotationskolbenprinzip besticht durch prinzipbedingte Vorteile. So kann durch den exzentrischen Lauf des Kolbenläufers eine annähernd physiologische Pulsatilität der Blutströmung erzielt werden. Dies ist möglich ohne künstliche Herzklappen verwenden zu müssen, um die Richtung des Blutflusses vorzugeben. Zudem kann der Kolbenläufer bei sehr geringen Drehzahlen betrieben werden, was hinsichtlich der Blutschädigung positiv zu bewerten ist.
Trotz der sehr interessanten Vorteile dieser Bauart ist die Realisierung für den chronischen Einsatz als Kunstherz bisher nicht gelungen. Am AME-CVE wurde deshalb ein Funktionsmodell des Kunstherzens gefertigt und ausführlich untersucht. Davon ausgehend wurde ein weiterentwickeltes Designkonzept erarbeitet, mit dem bekannten Problemen früherer Forschergruppen begegnet werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Regelung für den Antrieb des Kolbenläufers entwickelt werden.
Problemstellung
Ein Kunstherz nach dem Rotationskolbenprinzip arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Die Füllung der Pumpkammern erfolgt deshalb aktiv. Obwohl die aktive Füllung im Hinblick auf das Pumpverhalten und die Effizienz der Pumpe sehr positiv zu bewerten ist, macht sie eine stabile Regelung der Kolbenläuferdrehzahl erforderlich. Denn ist der geförderte Volumenstrom der Pumpe größer als der venöse Rückstrom des Blutes zum Kunstherzen, so tritt ein Überpumpen auf. In diesem Fall kann der vor dem Kunstherzen gelegene Vorhof angesogen werden. Im schlimmsten Fall legt er sich vor den Einlass der Pumpe und verhindert damit die weitere Blutförderung.
Diesem besonderen Risiko muss durch eine Regelung der Drehzahl begegnet werden. Dazu muss der Pumpvolumenstrom in Abhängigkeit von verschiedenen physiologischen Parametern detektiert und analysiert werden. Kritische Zustände müssen von der Regelung vorhergesehen werden, um gefährliche Zustände der Pumpe durch ein Absenken der Kolbenläuferdrehzahl zu verhindern.
Erwartete Ergebnisse / Aufgabenstellung
Die Regelung von Blutpumpen nach dem Rotationskolbenprinzip wurde bereits in der Literatur und auch in Patenten beschrieben. Deshalb sollen in einem ersten Schritt die verfügbare Literatur und vorhandene Patente vorgestellt und bewertet werden. Die vorhandenen Lösungsideen sollen um mögliche eigene Konzepte erweitert werden, um anschließend das geeignetste Regelungskonzept auszuarbeiten. Dazu kann die Implementierung der Regelung in MATLAB / Simulink erfolgen. Die entwickelte Regelung soll mit Hilfe des bereits vorhandenen Funktionsmodells des Kunstherzens getestet werden. Dazu ist ein einfacher Versuchsstand im Labor aufzubauen. Die selbst entwickelte Regelung ist anschließend im Versuchsstand auf ihre Zuverlässigkeit hin zu evaluieren.
Besonderheiten der Arbeit
Dies ist eine interdisziplinäre Arbeit an der Schnittstelle zwischen Medizin, Elektrotechnik und Maschinenbau. Sie wird betreut von Lehr- und Forschungsgebiet Kardiovaskuläre Technik (CVE) des Aachener Helmholtz-Instituts. Ins Leben gerufen wurde die Konzeptstudie von der Klinik für Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie des Uniklinikums RWTH Aachen. Sie unterstützt das Projekt maßgeblich und stellt die Ausrichtung des Entwicklungsprojekts auf die medizinischen Erfordernisse hin sicher.
Da das Projekt an Anfang der Entwicklung steht, hast Du die Möglichkeit die weitere Ausrichtung mit zu beeinflussen. Dazu steht Dir ein motiviertes Team aus unterschiedlichen Fachrichtungen zur Verfügung. Gleichzeitig kannst Du auf ausführliche Literaturrecherchen zum Einsatz von Rotationskolbenmaschinen als Blutpumpen zurückgreifen und vorhandene Funktionsmodelle zur Ideenfindung nutzen.
Technisches Anwendungsgebiet
Regelungstechnik, Medizintechnik, Behandlung terminaler Herzinsuffizienz
Wissenschaftsgebiet
Signalerfassung, Signalanalyse, Regelungstechnik
Möglicher Ansatz
Implementierung einer Signalanalyse und einer damit verbundenen Regelung mit MATLAB / Simulink.
Motivation
Herz-Kreislauferkrankungen sind die häufigste Todesursache in Industriestaaten. Bei fortgeschrittenen Herzerkrankungen ist eine Herztransplantation heute die einzig erfolgversprechende Therapieform. Da die Anzahl der betroffenen Patienten das Angebot an Organspenden bei weitem übersteigt, sollen künstliche Herzen diese Lücke schließen um das Überleben der Patienten zu sichern.
Am AME-CVE des Aachener Helmholtz-Instituts wurde eine Konzeptstudie gestartet, in der ein außergewöhnliches Designkonzept untersucht wird. Ziel ist die Entwicklung eines Kunstherzens nach dem Rotationskolbenprinzip. Es ist aufgebaut wie ein Wankelmotor und nutzt das umgekehrte Funktionsprinzip: Der Kolbenläufer wird elektrisch angetrieben und fördert durch seine Bewegung das Blut in die Kreislaufsysteme des Körpers. Das Rotationskolbenprinzip besticht durch prinzipbedingte Vorteile. So kann durch den exzentrischen Lauf des Kolbenläufers eine annähernd physiologische Pulsatilität der Blutströmung erzielt werden. Dies ist möglich ohne künstliche Herzklappen verwenden zu müssen, um die Richtung des Blutflusses vorzugeben. Zudem kann der Kolbenläufer bei sehr geringen Drehzahlen betrieben werden, was hinsichtlich der Blutschädigung positiv zu bewerten ist.
Trotz der sehr interessanten Vorteile dieser Bauart ist die Realisierung für den chronischen Einsatz als Kunstherz bisher nicht gelungen. Am AME-CVE wurde deshalb ein Funktionsmodell des Kunstherzens gefertigt und ausführlich untersucht. Davon ausgehend wurde ein weiterentwickeltes Designkonzept erarbeitet, mit dem bekannten Problemen früherer Forschergruppen begegnet werden soll. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Regelung für den Antrieb des Kolbenläufers entwickelt werden.
Problemstellung
Ein Kunstherz nach dem Rotationskolbenprinzip arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Die Füllung der Pumpkammern erfolgt deshalb aktiv. Obwohl die aktive Füllung im Hinblick auf das Pumpverhalten und die Effizienz der Pumpe sehr positiv zu bewerten ist, macht sie eine stabile Regelung der Kolbenläuferdrehzahl erforderlich. Denn ist der geförderte Volumenstrom der Pumpe größer als der venöse Rückstrom des Blutes zum Kunstherzen, so tritt ein Überpumpen auf. In diesem Fall kann der vor dem Kunstherzen gelegene Vorhof angesogen werden. Im schlimmsten Fall legt er sich vor den Einlass der Pumpe und verhindert damit die weitere Blutförderung.
Diesem besonderen Risiko muss durch eine Regelung der Drehzahl begegnet werden. Dazu muss der Pumpvolumenstrom in Abhängigkeit von verschiedenen physiologischen Parametern detektiert und analysiert werden. Kritische Zustände müssen von der Regelung vorhergesehen werden, um gefährliche Zustände der Pumpe durch ein Absenken der Kolbenläuferdrehzahl zu verhindern.
Erwartete Ergebnisse / Aufgabenstellung
Die Regelung von Blutpumpen nach dem Rotationskolbenprinzip wurde bereits in der Literatur und auch in Patenten beschrieben. Deshalb sollen in einem ersten Schritt die verfügbare Literatur und vorhandene Patente vorgestellt und bewertet werden. Die vorhandenen Lösungsideen sollen um mögliche eigene Konzepte erweitert werden, um anschließend das geeignetste Regelungskonzept auszuarbeiten. Dazu kann die Implementierung der Regelung in MATLAB / Simulink erfolgen. Die entwickelte Regelung soll mit Hilfe des bereits vorhandenen Funktionsmodells des Kunstherzens getestet werden. Dazu ist ein einfacher Versuchsstand im Labor aufzubauen. Die selbst entwickelte Regelung ist anschließend im Versuchsstand auf ihre Zuverlässigkeit hin zu evaluieren.
Besonderheiten der Arbeit
Dies ist eine interdisziplinäre Arbeit an der Schnittstelle zwischen Medizin, Elektrotechnik und Maschinenbau. Sie wird betreut von Lehr- und Forschungsgebiet Kardiovaskuläre Technik (CVE) des Aachener Helmholtz-Instituts. Ins Leben gerufen wurde die Konzeptstudie von der Klinik für Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie des Uniklinikums RWTH Aachen. Sie unterstützt das Projekt maßgeblich und stellt die Ausrichtung des Entwicklungsprojekts auf die medizinischen Erfordernisse hin sicher.
Da das Projekt an Anfang der Entwicklung steht, hast Du die Möglichkeit die weitere Ausrichtung mit zu beeinflussen. Dazu steht Dir ein motiviertes Team aus unterschiedlichen Fachrichtungen zur Verfügung. Gleichzeitig kannst Du auf ausführliche Literaturrecherchen zum Einsatz von Rotationskolbenmaschinen als Blutpumpen zurückgreifen und vorhandene Funktionsmodelle zur Ideenfindung nutzen.
Technisches Anwendungsgebiet
Regelungstechnik, Medizintechnik, Behandlung terminaler Herzinsuffizienz
Wissenschaftsgebiet
Signalerfassung, Signalanalyse, Regelungstechnik
Möglicher Ansatz
Implementierung einer Signalanalyse und einer damit verbundenen Regelung mit MATLAB / Simulink.