Scarabaeusherz

 
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Projektvideo
 

Einleitung Blutpumpen

Blutpumpen finden Anwendung vom kurzzeitigen Einsatz, wie der extrakorporalen Herzlungenmaschine, bis zum permanenten Einsatz als voll implantierbare Herzunterstützung oder dem vollständigen Herzersatz. Die ersten Blutpumpen basierten auf dem Verdrängerprinzip. Sie verwenden Membranen um die Pumpkammer von der Antriebsseite zu trennen und künstliche Herzklappen, um die Richtung des Blutflusses zu lenken. Durch dieses Funktionsprinzip sind sie sehr groß und haben wegen ihrer verschleißbehafteten Komponenten nur eine begrenzte Haltbarkeit. Diese technischen Probleme konnten mit neueren Blutpumpen gelöst werden, die auf dem Rotationsprinzip basieren und deshalb weder Membran noch Klappen benötigen. Dadurch können sie viel kleiner und zuverlässiger gebaut werden. Diese Fortschritte führen zu stetig zunehmen Einsatzzahlen von implantierbaren Blutpumpen, die die Förderleistung des erkrankten Herzens unterstützen.

Klinische Komplikationen mit aktuellen Systemen

Rotationspumpen konnten die technischen Probleme der Membranpumpen lösen. Im Gegenzug treten mit den aktuellen Rotationspumpen allerdings medizinische Komplikationen auf, deren Ausmaß von Einsatz der Membranpumpen nicht bekannt war. Dazu zählen die Aorteninsuffizienz, beeinträchtigte Nierenfunktion, Magendarmblutungen und thromboembolische Komplikationen. Es wird davon ausgegangen, dass diese medizinischen Komplikationen durch den nicht-pulsatilen Blutfluss sowie die hohe Scherbelastung des Blutes verursacht wird. Beide Eigenschaften sind inhärent mit dem Prinzip der Rotationspumpen verbunden.

Rotationskolbenblutpumpen

Die Komplikationen mit heute verfügbaren Systemen motivieren die Suche nach einer geeigneteren Pumpenbauart. Das Ziel der Konzeptstudie Scarabaeusherz ist es, eine Pumpenbauart vorzustellen, die die medizinischen Vorteile der Membranpumpen mit den technischen Vorteilen der Rotationspumpen vereint. Dazu wird die Bauart der Rotationskolbenpumpen untersucht. Genau wie die Rotationspumpen erfordern Rotationskolbenpumpen keine verschleißbehaftete Membranen oder Herzklappen. Jedoch können Rotationskolbenpumpen, anders als bisherige Rotationspumpen, einen pulsatilen Blutfluss zur Verfügung stellen wie es dem physiologischen Vorbild entspricht. Dadurch vereint sie die technischen Vorteile der Rotationspumpen mit den medizinischen Vorteilen der Membranpumpen. Durch die geringere Drehgeschwindigkeit und die reduzierten Spaltanteile ist die Scherbelastung des Blutes minimal. Ihr Volumenstrom kann im Vergleich zu heutigen Systemen sehr genau eingestellt werden und ihre Effizienz ist aufgrund des Verdrängerprinzips sehr hoch.

  Kolbenläufer verschiedener Rotationskolbenpumpen Urheberrecht: AME Abbildung 1 - Kolbenläufer verschiedener Rotationskolbenpumpen

Abgrenzung zum Wankelmotor

In einem ersten Schritt wurden aus einer Vielzahl möglicher Rotationskolbenbauarten systematisch diejenigen ermittelt, die den Anforderungen an eine Blutpumpe am besten gerecht werden (siehe Abbildung 1).
Diese Bauarten wurden als Labormuster gefertigt und in Kreislaufsimulatoren im Labor getestet, um die geeignetste Pumpenbauart zu identifizieren. Eine verwendete Bauart sieht dem aus der Automobilindustrie bekannten Wankelmotor sehr ähnlich, basiert allerdings auf einem anderen Ansatz und weist damit andere Pumpcharakteristiken auf (siehe Abbildung 2).

  Labormuster einer Rotationskolbenpumpe Urheberrecht: AME Abbildung 2 - Labormuster einer Rotationskolbenpumpe für den vollständigen Herzersatz (3D-Druck)  

Stand der Technik – Hauptproblem der technischen Entwicklung

Im Rahmen der Konzeptstudie findet ein Austausch mit Wissenschaftlern statt, die bereits an Rotationskolbenblutpumpen geforscht und vielversprechende Ergebnisse erhalten haben. Das Hauptproblem vor dem alle Arbeiten zu Rotationskolbenpumpen bisher stehen ist die permanente und vollständige Abdichtung der Pumpkammer von der Antriebseinheit. Diese technische Hürde verhinderte bisher den Einsatz von Rotationskolbenblutpumpen und führte nach langen Entwicklungsarbeiten zu Dichtungslösungen zur Einstellung vorhergehender Projekte.

Lösungsansatz – neues Antriebskonzept

Im Rahmen der Konzeptstudie wurde deshalb ein dichtungsfreies Antriebs- und Lagerungskonzept für den Kolbenläufer entwickelt, um das Hauptproblem bisheriger Entwicklungen von vornherein ausschließen zu können. Der Ansatz für eine elektromagnetisch angetriebene, dichtungsfreie Rotationskolbenpumpe wurde zum Patent angemeldet (Patentschrift: WO002016012082). Zudem wurden alle bisherigen Arbeiten zu Rotationskolbenblutpumpen in einer Übersichtsarbeit zusammengefasst und der dichtungsfreie Ansatz vorgestellt (DOI der Publikation: 10.1080/17434440.2016.1207522).

  Labormuster Scarabaeusherz für Strömungssimulation Urheberrecht: AME Abbildung 3 - Labormuster für die Untersuchung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Pumpkammer

Untersuchung des Strömungsverhaltens von Rotationskolbenpumpen

Im Rahmen der Laboruntersuchungen wurde nachgewiesen, dass die ausgewählte Pumpenbauart einen pulsatilen Blutfluss ähnlich dem des menschlichen Herz-Kreislaufsystems nachbildet. Um die medizinischen Komplikationen heutiger Systeme ausschließen zu können wurde in einem nächsten Schritt die Scherspannungen innerhalb der neuen Bauart untersucht. Dazu wurde eine neuer Ansatz für computergestützte Strömungssimulationen (CFD) etabliert. Um die Simulationsergebnisse abzusichern wurde zudem ein weiteres Labormuster gefertigt und mittels Particle-Image-Velocimetry (PIV) untersucht, um die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Pumpe zu analysieren (siehe Abbildung 3). Das Ergebnis dieser Untersuchungen wurde mit marktführenden Blutpumpen für die Herzunterstützung verglichen. Um die Ergebnisse trotz unterschiedlicher Funktionsprinzipien der Pumpen vergleichen zu können wurden die für die Blutschädigung kritischen Strömungsanteile mit Scherspannungen von über 150 Pa ausgewertet. Diese betroffenen Volumenanteile wurden anschließend auf das Füllvolumen der Blutpumpen bezogen, um eine Vergleichbarkeit zwischen den Pumpen zu erreichen. Die Untersuchungen zeigen, dass das Blutvolumen mit hohen Scherspannungen in der ausgewählten Rotationskolbenpumpe um bis zu 408-fach geringer ist, als bei heute eingesetzten Blutpumpen.

Prinzipbedingte Vorteile gegenüber aktuellen Systemen

Die Laborversuche zeigen, dass Rotationskolbenblutpumpen die prinzipbedingten Nachteile der Rotationspumpen nicht teilen. Daraus wird geschlussfolgert, dass sich mit Rotationskolbenblutpumpen die medizinischen Komplikationen der Rotationspumpen vermeiden lassen. Die Arbeiten zu den Computersimulationen sowie der Strömungsmessungen im Labor wurden in einer zweiten Publikation veröffentlicht (DOI der Publikation: 10.1007/s10439-016-1700-9). Die positiven Versuchsergebnisse motivieren die Fortsetzung der Entwicklungsarbeiten um Rotationskolbenblutpumpen für den klinischen Einsatz vorzubereiten.

  Pumpkammer und Kolbenläufer des Labormusters Urheberrecht: AME Abbildung 4 - Pumpkammer und Kolbenläufer des Labormusters

Proof-of-concept des neuen Pumpentyps

Um den permanenten Einsatz dieser Pumpenbauart zu ermöglichen muss das Hauptproblem bisheriger Forscher gelöst werden: unzureichende Dichtungslösungen. Dies wird mit dem dichtungsfreien Antriebs- und Lagerungskonzept möglich. Angestrebt wird der Einsatz speziell für die Bewegungsform des Kolbenläufers entwickelter Direktantriebe auf beiden Stirnseiten der Pumpkammer. Da die Entwicklung dieser Direktantriebe aufwändig ist, wird die Entwicklung durch eine proof-of-concept mit einem ähnlichen, aber vereinfachten Labormuster abgesichert (siehe Abbildung 4). Dazu werden anstelle der noch zu entwickelnden Direktantriebe zunächst Magnetkupplungen an beiden Stirnseiten eingesetzt.

  Labormuster Montageeinheit Scarabaeusherz Urheberrecht: AME Abbildung 5 - Labormuster der dichtungsfreien Rotationskolbenpumpe (rechts) und Montageeinheit für die Magnentkupplungen (links)

In diesem Zwischenschritt ist noch keine Sensorik und Positionsregelung des Kolbenläufers enthalten, sodass der Kolbenläufer über drei kleine Kontaktlagerstellen auf seiner Bewegungsbahn und in der axialen Position geführt wird. Diese Kontaktlagerung soll in einem späteren Modell mit Direktantrieben wegfallen. 2017 wurde das erste Labormuster einer Rotationskolbenblutpumpe mit dichtungsfreiem Antrieb- und Lagerungskonzept von der Wissenschaftlichen Werkstatt des Uniklinikums RWTH Aachen gefertigt und anschließend im Labor des Instituts getestet (Abbildung 5). Mit diesem proof-of-concept konnte der Nachweis erbracht werden, dass das Hauptproblem im Stand der Technik von Rotationskolbenblutpumpen gelöst worden ist.

Projektpartner

Das Projekt Scarabaeusherz wird in Kooperation mit der Klinik für Thorax- Herz- und Gefäßchirurgie des Uniklinikums RWTH Aachen durchgeführt. Die technische Ausarbeitung fügt sich in den traditionellen Schwerpunkt des Lehr- und Forschungsgebiets Cardiovascular Engineering, der vorklinischen Entwicklung innovativer Pumpkonzepte, ein.

 
Kooperationspartner: Klinik für Thorax- Herz- und Gefäßchirurgie des Uniklinikums RWTH Aachen