CVE - Forschungsbereiche

 

Im folgenden werden die drei Forschungsbereiche "Therapies & Applications", "Research & Validation" und "Modeling & Simulation" vorgestellt:

 

Therapies and Applications

Die Forschungsgruppe „Therapies & Applications“ forscht und entwickelt zu hoch innovativen Therapieansätzen, Produkten und Implantaten im Bereich der kardiopulmonalen Erkrankungen (z.B. Blutpumpen, Herzklappenprothesen und Oxygenatoren). Die Forschungsansätze bauen dabei auf den Erkenntnissen und geschaffenen Methoden der grundlagenorientierten Bereiche am CVE „Research & Validation“ sowie „Modeling & Simulation“ auf. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf einem hohen Vernetzungsgrad mit klinischen Akteuren um Forschungsprojekte bedarfsgerecht und mit Hinblick auf den gesamten Therapieverlauf aufzusetzen, immer mit dem Ziel die Forschung mittelfristig auch in die Klinik zu bringen. Die beachtliche Reihe an ausgegründeten Spin-Offs bestärkt uns in diesem Vorhaben. Aktuelle Herausforderungen liegen dabei in der multiplen Organunterstützung sowie im Bereich der personalisierten Medizin. Thematisch ist der Forschungsbereich in drei weitere Bereiche gegliedert: Lung, Heart und Circulatory System.

Der Unterbereich Lung fokussiert sich auf die Entwicklung extrakorporaler Lungenunterstützungs-systeme sowohl im kurzfristigen Einsatz einer Herz-Lungen Maschine als auch zur langfristigen Unterstützung im Rahmen einer extrakorporalen Kreislaufunterstützung (ECLS). Zu den aktuellen Forschungsgebieten in diesem Bereich zählen die Entwicklung neuartiger Membranen zur Effizienzsteigerung und Minimierung der Blutschädigung, die Zusammenstellung und Miniaturisierung von Systemen zur Mobilitätssteigerung der ECLS Patienten sowie Verbesserungen der Therapien im neonatalen Bereich.

Der Unterbereich Heart zielt auf Forschung zu Systemen im Heart Failure und Structural Heart ab. Das beinhaltet die Entwicklung extrakorporaler und implantierbarer Blutpumpen zur Herzunterstützung sowie von Herzklappenprothesen. Aktuelle Herausforderungen im Bereich der Blutpumpen liegen in der Minimierung von Blutschädigung im Niedrigflussbereich eventuell durch adaptive Betriebspunkt-anpassungen. Auch die physiologische Regelung solcher Pumpen und Ersatzsysteme stellen eine große Herausforderung dar. Im Bereich der Herzklappenprothesen bieten Fortschritte in der additiven Fertigung sowie die Herausforderungen der personalisierten Medizin Forschungsfelder, insbesondere bei transkatheterbasierten Prothesen.

Circulatory System zielt auf interventionelle Therapien ab. Dazu zählen die Entwicklung von Stents, Endovaskuläre Prothesen sowie katheterbasierten Systemen. Forschungsbedarf ergibt sich im Bereich der Protektion von Embolien sowie in der diagnostischen Unterstützung interventioneller Eingriffe.

Die Entwicklungsprojekte des Bereichs „Therapies & Applications“ werden dabei durch frühzeitige Berücksichtigung von Zulassungsfragen und durch Unterstützung eines breiten Netzwerks auf einen möglichen Transfer in die Klinik und/oder Ausgründung von Unternehmen bestmöglich vorbereitet.

 

Research and Validation

Die Forschungsgruppe „Research & Validation“ untersucht die Interaktionen zwischen biologischen und technischen Systemen für die Behandlung kardiopulmonaler Erkrankungen in vitro. Ein interdisziplinäres Team der Fachrichtungen Maschinenbau, Elektrotechnik, Biotechnologie, Chemie, Materialwissenschaften und Medizintechnik entwickelt dafür neue Prüfstände, Testmethoden und Analyseverfahren, um u.a. die Biokompatibilität, hydrodynamische Eigenschaften, Funktionalität und Bedienbarkeit verschiedenster Medizinprodukte zu untersuchen.

Der erste von drei Schwerpunkte der Gruppe liegt im Bereich Biokompatibilität und insbesondere Hämokompatibilität, welche essenziell für alle blutkontaktierenden Medizinprodukte ist. Eine mangelnde Hämokompatibilität kann zu schwerwiegenden Komplikationen bis hin zum Tod der Patienten führen. Aspekte wie z.B. Hämolyse, Thrombozytenaktivierung und Gerinnung werden dafür im institutseigenen Blutlabor in In-vitro-Versuchen analysiert. In verschiedensten Forschungsprojekten werden Test- und Analysemethoden neu entwickelt, verbessert und standardisiert. Zusätzlich wird an der Validierung von Schweineblut als geeignete Alternative zu Humanblut geforscht. Darüber hinaus können Standardprüfungen gemäß z.B. ISO 10993-4, ISO 7199, ISO 5840, oder ASTM 1841 im Entwicklungsprozess von Herzklappen, Oxygenatoren oder Blutpumpen durchgeführt werden.

Der zweite Schwerpunkt umfasst die experimentelle Modellierung des Herz-Kreislaufsystems und damit verbunden alle In-vitro-Untersuchungen ohne Blut. In Kreislaufsimulatoren, so genannte Mock Circulation Loops, werden die hydrodynamischen Eigenschaften und Wechselwirkungen der Medizinprodukte, wie zum Beispiel Herzklappenprothesen, Herzunterstützungspumpen oder Kunstherzen, mit dem menschlichen Kreislaufsystem abgebildet und untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss von physiologischen Rückkopplungs- und Autoregulationsmechanismen technisch abgebildet und berücksichtigt. Mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) können Strömungsfelder in den Produkten optisch sichtbar gemacht werden, sodass hohe Scherraten, Turbulenzen oder Stagnationsgebiete während der Produktentwicklung erkannt und vermieden werden können.

Der dritte und letzte Schwerpunkt liegt auf der Validierung der entwickelten Methoden sowie der Nutzung dieser für Trainings- und Ausbildungszwecke. Die Aus- und Weiterbildung von Studierenden der Medizin, ärztlichem und chirurgischem Personal ist ein wichtiger Bestandteil der stetigen Verbesserung von Patientenversorgung und Patientensicherheit. Dafür entwickelt die Arbeitsgruppe Prüfstände, die das Trainieren von bestimmten Eingriffen und Behandlungen in der sicheren Laborumgebung ermöglicht. Die Prüfstände bilden physiologische Zusammenhänge naturgetreu ab und basieren auf anatomisch korrekten Modelle. Somit können sowohl bekannte als auch neu entwickelte Verfahren oder Produkte vom Fachpersonal getestet werden, bevor sie an den Patienten zum Einsatz kommen. Beispiele dafür sind ein Hautmodell für Nähkurse, 3D-gedruckte Patientengeometrien als anschauliche OP-Planung und ein Thrombektomie-Prüfstand zum Testen von neuen Kathetern.

Die angewandte Forschung der RV Gruppe unterstützt die Entwicklung und Verbesserung von kardiopulmonalen Medizinprodukten und trägt zur Standardisierung von In-vitro-Testmethoden bei. Neben der Durchführung von öffentlich geförderten und Industrieprojekten bieten wir die Material- und Produkttestung zusätzlich als Dienstleistung an.

 

Modeling and Simulation

Die Gruppe nutzt computergestützte Modellierung, Data Science und maschinelles Lernen, um ein tieferes Verständnis des kardiovaskulären Systems in pathologischen und physiologischen Zuständen zu erlangen und die Erkenntnisse für Klinik und Industrie umzusetzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den folgenden drei Themen:

• Blutmodellierung: Modellierung von Blutschädigungsphänomenen in blutführenden Medizinprodukten wie Thrombose und Hämolyse mithilfe numerischer Strömungsmechanik (CFD). Darüber hinaus wird die Modellierung des Gastransfers (O2, CO2) untersucht.
• Patientenspezifische Medizin: Es werden fluid- und strukturmechanische (CFD, FEM, FSI) Analysen in Gefäßgeometrien (Aorta und größere Gefäße, Herzkammern) und Klappen durchgeführt, um klinische Interventionen zu verbessern und den Weg für virtuelle klinische Studien zu ebnen. Darüber hinaus wird die Patienten-Device-Interaktion (z.B. Interaktion zwischen Patient und ECMO) durch Systemsimulationen mit Hilfe der Lumped-Parameter-Modellierung (LPM) analysiert.
• In silico für Entwicklung & Zulassung: Es werden Methoden für zuverlässige Simulationen im Gerätezulassungsprozess (Verifizierung & Validierung, Unsicherheitsquantifizierung) entwickelt. In-silico-Ansätze werden zur Unterstützung von Gerätedesign und -optimierung eingesetzt.