Herzaktions-Simulation: Ein computergesteuertes Modul zur Erzeugung variabler Strömungsprofile

Zusammenfassung

Studienziel: Entwicklung einer computergesteuerten Pumpe zur Generierung variabler Strömungsprofile bzw. Spektralkurven mit hoher Reproduzierbarkeit zur Simulation der Hämodynamik in physiologischen Modellkreisläufen. Material und Methode: Das Modul wird über einen arbiträren Funktionsgenerator angesteuert, der zeitliche Verlauf des Strömungsprofils wird am PC mittels mathematischer Funktionen generiert oder von Hand gezeichnet. Ein Servoverstärker liefert das Signal zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors, welcher seinerseits einen magnetgekoppelten Zahnrad-Pumpenkopf antreibt. Durch die mechanische Entkopplung sind eine hohe Laufruhe, eine vollständige Dämpfung von motorbedingten Vibrationen und damit ein störungsfreier Strömungsverlauf gewährleistet. Die Spektralkurvenanalyse wurde dopplersonographisch mit einer 5 - 12 MHz Linearsonde und mit Drucksensoren durchgeführt, als Gefäßersatz wurden Silikonschläuche und als Blutsimulat ein Wasser-Glycerin-Gemisch mit beigemengten Zellulosepartikeln verwendet. Ergebnisse: Die am PC generierten Strömungsverläufe (konstante und pulsatile Signale mit monophasischem, biphasischem und triphasischem Verlauf) korrelieren in hohem Maß mit den gemessenen Druck- und Geschwindigkeitsprofilen. Schlussfolgerung: Variabilität der generierbaren Strömungsprofile, deren hohe Reproduzierbarkeit und die Echtzeitsteuerung der Signalparameter ermöglichen Simulationen von dynamischen Prozessen und hämodynamische Langzeituntersuchungen. Mit dem entwickelten Modul wird detaillierte Forschung an physiologischen und pathologischen Strömungsmodellen und dem Flussverhalten von simuliertem Blut mit hoher Reproduzierbarkeit ermöglicht.

Simulation of the Heart Action: A Computer Controlled Module for the Generation of Variable Flow Patterns

Aim: The development of a computer controlled pump for the generation of variable flow patterns with high reproducibility for simulating the haemodynamics in physiological model circuits. Material and Methods: The module is controlled by an arbitrary function generator. The shape of the flow profile is generated on the PC based on mathematical functions or drawn by hand. The amplified signal drives a DC motor which is coupled magnetically to a geared pumphead. The lack of mechanical coupling ensures smooth running and a complete attenuation of motor vibrations as well as a disturbance-free flow profile. The spectra were analyzed by Doppler-sonography with a 5 - 12 MHz linear probe and with pressure sensors. Silicon tubes were used as simulated vessels and a water-glycerine mixture with particles of cellulose as simulated blood. Results: The generated flow patterns (constant flow and multi-phase patterns) correlate highly with the measured pressure- and velocity profiles. Conclusion: The variability and high reproducibility of the flow profiles and the realtime control of the signal parameters make the simulation of dynamic processes and haemodynamic long-time studies feasible. The module developed facilitates detailed studies of high reproducibility with physiological and pathological flow models and with simulated blood.

Schlüsselwörter:

Pumpe - Herz - Simulation - Hämodynamik - Modellkreislauf

Key words:

Pump - Heart - Simulation - Haemodynamics - Model circuit

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