Simulation der Blutzirkulation im menschlichen Herzen

Hardwaresimulation in der Medizin Simulation der Blutzirkulation im menschlichen Herzen

24.04.2014Autor / Redakteur: Pr Régis Rieu * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wissenschaftler haben die Blutzirkulation im menschlichen Herz simuliert, um später Herzklappenprothesen zu charakterisieren. Druck- und periodische Signale wurden mit einem FPGA in Echtzeit erfasst.

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Technik trifft Medizin: Wissenschaftler haben mit LabVIEW und CompactRIO einen Simulator entworfen, der den Vorhof und die Herzkammer simuliert.
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Französische Wissenschaftler haben mit Hilfe von LabVIEW, NI CompactRIO und einer Herzklappenprüfanlage einen Simulator entworfen, der hydrodynamisch den linken Vorhof und die linke Herzkammer simuliert. Dabei kam es auf die Echtzeitsteuerung der rhythmischen Kontraktionen an. Erstmals simuliert wurde der Blutkreislauf des Herzens in einer In-vitro-Umgebung, als die ersten Herzklappenprothesen entwickelt und ihre minimale hydrodynamische Leistung standardisiert wurde.

Von der Entwicklungsphase der künstlichen Herzklappe bis hin zur ersten Operation am Patienten wurden Tests durchgeführt, um Betrieb, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Prothesen zu gewährleisten. Aufgrund dessen kann dieser Simulator verschiedene mechanische und biologische Herzklappen testen, doch in erster Linie ist er ein Hochleistungswerkzeug für Forschung und Entwicklung für die Strömungsmechanik, Bildgebung und Kardiologie.

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Vom menschlichen Herz zum Simulator

Der Blutkreislauf des Herzens ist ein komplexes dynamisches Phänomen. Die Motivation für die Nachbildung des Blutflusses (in-vitro oder digital) liegt darin, einzelne und kombinierte Einflüsse von Parametern auf bestimmte Variablen zu untersuchen, indem physiologische und pathologische Bedingungen geschaffen werden, die am lebenden Objekt nicht reproduziert werden können. So kann der Blutfluss mit einem entsprechenden Modell oder im Experiment nachbildet werden. Weil der Blutkreislauf ein komplexes Gebilde ist, sind Herzsimulatoren zwingend notwendig.

Mit kardiovaskulären Simulatoren werden Herzklappenprothesen getestet, die erkrankte oder fehlerhafte Herzklappen ersetzen. Simulatoren helfen außerdem beim Verständnis hämodynamischer Konsequenzen von Herzklappenerkrankungen, -implantationen oder -reparaturen. Ein weiterer Vorteil des Simulators besteht darin, Methoden zur Diagnose von Herzklappenerkrankungen und deren Einfluss auf das kardiovaskuläre System entwickeln und validieren zu können. Diese Methoden werden dann mit Ultraschall oder Magnetresonanztomografie (MRT) in der Praxis angewendet.

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Zusammenspiel von Technik und Medizin

Der Linksherzsimulator ist einer der leistungsfähigsten Simulatoren in der Medizintechnik. Denn das System ist in der Lage, das Volumen der beiden Herzkammern in Echtzeit zu synchronisieren und zu aktivieren, den pulmonalen Blutkreislauf zu simulieren und den Blutfluss durch die Mitralklappe zu steuern. Außerdem ist die Datenerfassung wiederholbar und äußerst zuverlässig. Die Entwicklung von Herzklappenprothesen, die mit einem Katheter minimalinvasiv implantiert werden, führt womöglich zu weiteren Verbesserungen bei dem entwickelten Simulator, damit diese neuen Prothesen in Simulationen oder im Einsatz getestet werden können. Alle Weiterentwicklungen am medizinischen Diagnosegerät kommen den Bedürfnissen der Ärzte entgegen, die Implantation per Katheter zu simulieren, Kriterien für die Diagnose aufzuzeigen oder die Schwere einer Erkrankung einzuschätzen.

Die Leistung des Simulators beruht zum großen Teil auf der Hardware von National Instruments und dem Fachwissen der Ingenieure von NI. Aus diesem Grund werden auch künftige Versionen des Simulators mit der Unterstützung von NI-Ingenieuren entwickelt.

Wenn das menschliche Herz nachgebildet wird

Der Simulator soll den linken Vorhof und die linke Herzkammer sowie den systemischen und den Pulmonalkreislauf replizieren. Die Herzkammern werden mit anatomisch korrekten Silikonmodellen simuliert, die sich in flüssigkeitsgefüllten Gehäusen befinden, welche die blutähnliche Flüssigkeit wie ein richtiges Herz mit rhythmischen Kontraktionen durch die Kammern pumpen.

Um das Volumen in beiden Herzkammern direkt zu steuern, entschieden sich die Wissenschaftler für eine hydraulische Steuerung. Vorherige Simulatoren wurden hydropneumatisch aktiviert. Dank der hydraulischen Steuerung lässt sich ohne direkt zu messen ein Fluss vom Vorhof über die Herzklappe in die Kammer erreichen. So liegen beide Kammern näher beieinander, was der menschlichen Anatomie genauer entspricht. Die Pumpen induzieren innerhalb der Gehäuse Druckschwankungen, welche die rhythmischen Kontraktionen beider Kammern synchronisiert simulieren. Für die Synchronisation der Pumpen wird die optimale Steuerung von Signalen eines digitalen Modells genutzt. Dieses Gerät verhindert Druckschwankungen zwischen beiden Kammern und repliziert mit hoher Zuverlässigkeit physiologische oder pathophysiologische Bedingungen.

Das digitale Modell wurde in LabVIEW implementiert und der Simulator in vier Schritten gesteuert: Definition der Prüfparameter, Definition der Einstellungen über das digitale Modell, Laden der Signale auf das CompactRIO-System sowie Daten erzeugen und erfassen. Sämtliche Parameter werden über das HMI in LabVIEW definiert. Dazu lassen sich die Zirkulationsraten von Mitral- und Aortenklappe sowie Pulmonalvene einstellen. Im Idealfall kommen diese Raten von tatsächlichen Daten aus Ultraschall- oder MRT-Untersuchungen des Patienten. In der Praxis steuert das CompactRIO-System die Aktivierungsraten der Pumpe, die anhand anwenderdefinierter Bedingungen erzeugt werden. Anschließend erfasst es Daten von verschiedenen Sensoren, darunter Durchflussmesser und Wandler.

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