Studenten entwickeln eine kostengünstige, lebensrettende Herzpumpe

„Wir haben auch andere Software ausprobiert, aber damit war es schwieriger, Modelle und Systeme zu erstellen“, sagt Forschungsassistent Mert Yiğit, ein junger Absolvent der Biomedizintechnik mit Spezialisierung auf Turbinendesign und numerische Strömungsmechanik. „MATLAB ist leicht zu erlernen, und man kann damit alles Mögliche erstellen, was einem in den Sinn kommt.“

Das mechanische Kreislaufunterstützungssystem des Labors umfasst eine implantierbare, batteriebetriebene Herzpumpe, einen intelligenten Controller und eine drahtlose, tragbare Patienteneinheit zur Überwachung der Vitalfunktionen. Die Studierenden fertigten fast die gesamte Hardware für ihre Prototypen vor Ort an.

Bei der Überlegung, wie man zu klinischen Studien übergehen könnte, entwickelte das junge Team der YTU einen Ansatz, um Tierversuche für ihr LVAD und andere Herzgeräte zu minimieren. Sie haben in MATLAB eine hybride pneumohydraulische Kreislaufsimulation entwickelt, die rigorose Tests unter realistischen kardiovaskulären Bedingungen ermöglicht. Die Studierenden optimierten und beschleunigten Berechnungen mithilfe von GPU Coder™ und einer leistungsstarken NVIDIA^®-Workstation. 

„Die Studenten sind die treibende Kraft hinter diesem gesamten Projekt“, sagt Kadıpaşaoğlu. Ihre Forschung wurde im International Journal of Robust and Nonlinear Control veröffentlicht.

Praktische Erfahrung

„Für uns, die wir aus der Türkei kommen, ist es schwierig, diese Geräte zu finanzieren“, bemerkt Kadıpaşaoğlu. „Und die türkischen Chirurgen haben keine Forschungsphase mit den Geräteentwicklern durchlaufen, daher sind sie unerfahren.“ Nach ein- oder zweitägiger Schulung implantierten sie den Patienten Pumpen, manchmal mit katastrophalen Folgen.“

Er brachte sein Wissen und seine Erfahrung mit zurück in seine Heimat, um unternehmungslustige Studenten der YTU in der Entwicklung von LVADs zu unterrichten, akademische Verbindungen zum medizinischen Sektor zu fördern und die Grundlage für die Herstellung erschwinglicher Herzpumpen in der Türkei zu schaffen. Kadıpaşaoğlu fungiert als Mentor für Studierende, die sich für Karrierewege in den Bereichen Biomedizin, Elektrotechnik und Regelungstechnik interessieren.

„Ich versuche ihnen dabei zu helfen, Praktikumsplätze in Krankenhäusern und Operationssälen zu bekommen, damit sie praktische Erfahrungen mit Blut, offenen Brustkörben und schlagenden Herzen sammeln können“, sagt er.

Kadıpaşaoğlu fördert selbstständiges Forschen. An den Wänden des Labors hängen Miniaturporträts einflussreicher Wissenschaftler wie Sir Isaac Newton und Joseph-Louis Lagrange, die als Inspiration dienen sollen. Es gibt ungefähr 20 Schüler in der Gruppe, darunter zwei, die ihr Studium mit Auszeichnung (summa cum laude) abgeschlossen haben: Derya Sahin und Ahmed Alhajyounis. Die Studierenden entwickeln Projekte, schreiben Förderanträge und sind Mitautoren von Fachartikeln.

Yiğit präsentierte den neuesten LVAD-Prototyp des Teams, eine 7,2 Zentimeter lange, starre zylindrische Turbine, die die Gruppe aus einer biokompatiblen Titanlegierung gefertigt hatte.

Die beweglichen Teile jedes Motors bestehen aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff und einer darauf sitzenden Kunststoffschablone, die Minimagnete hält. Sie verwendeten den magnetischen Verbundwerkstoff auch für den gezahnten, stationären Kern, indem sie einen dünnen Kupferdraht darum wickelten, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit dem beweglichen Teil interagiert.

Zunächst mussten die Studenten ein ganzes Jahr warten, bis eine externe Gruppe einen einzigen Motor herstellen konnte. „Als unser Team beschloss, unsere eigenen Motoren zu bauen, haben wir das in einem Monat geschafft“, erklärt Yiğit.

Realistische Tests von Herz-Kreislauf-Geräten

Das Labor nutzte Simulink und MATLAB, um das komplexe kardiovaskuläre Modell dieses technischen Systems zu erstellen, in dem mehrere Systeme in Reihe geschaltet sind. Kadıpaşaoğlu wies darauf hin, dass die Anpassung eines einzelnen Parameters in einem System auch die anderen Parameter beeinflusst.

„Simulink macht es einfach, einen Simulator für das Herz-Kreislauf-System zu erstellen, aber die größte Herausforderung besteht darin, die gewünschten patientenspezifischen Ergebnisse zu erzielen“, sagt er.

Yiğit präsentierte im Labor den neuesten physischen Hybrid-Modellschaltkreisaufbau, in dem der neueste LVAD-Prototyp in einer eleganten, mit Wasser gefüllten Kammer zu sehen ist, die mit der Hydraulik verbunden ist. Er erklärte, dass die Entwicklung von Reglern für die Pumpenströme und Drücke innerhalb dieser physikalischen Komponenten äußerst schwierig sei, da die pneumatischen Systeme nichtlinear seien.

„Im Inneren baut sich Druck auf. Wenn man die falschen Eingänge verwendet, kann das Wasser überall herumspritzen“, warnt Yiğit.

Um die Steuerkoeffizienten zu ermitteln, erstellten sie in MATLAB einen digitalen Zwilling ihres hybriden Modellschaltkreises. Die Gruppe nutzte Q-Learning, einen auf Verstärkung basierenden Ansatz, zusammen mit der Statistics and Machine Learning Toolbox™, um die Steuerkoeffizienten für ihr Herz-Kreislauf-System zu identifizieren. Die Mitglieder von PCL entwickelten einen Algorithmus für Machine Learning, der die Regler automatisch anpasste. Wenn nun jemand die falsche Eingabe macht, kommt es nicht zu einer Flüssigkeitsexplosion.

Die Gruppe stellte sich weiteren Herausforderungen. Die Daten der kardiovaskulären Modellierung ähneln einem Teller Spaghetti. Die Strömungsbildgebung, auch Particle Image Velocimetry (PIV) genannt, ermöglicht es Forschern, Blutströmungsmuster und -geschwindigkeiten zu visualisieren. Das Team arbeitete an der Bildverarbeitung und -rekonstruktion in MATLAB, stellte aber fest, dass die Simulation von Fluiddynamik, Blutfluss und Szenarien des Herz-Kreislauf-Systems rechenintensiv war.

„Früher benötigte eine einzelne Simulation eine Minute, um alle Informationen zu verarbeiten. Mit GPU Coder und dem Jetson dauert es jetzt nur noch 10 Sekunden“, sagt Yiğit.

Durch diesen Aufbau können die Studierenden ihr Herz-Kreislauf-Modell unter verschiedenen Bedingungen leicht testen und dabei häufig Anpassungen an den physikalischen Parametern vornehmen. Zusätzlich nutzten sie MATLAB Coder™, um ihre MATLAB-Algorithmen in C und C++ Code für den Einsatz auf einem dSPACE^®-Echtzeit-Verarbeitungssystem zu konvertieren, das es ihnen ermöglicht, die hybride Simulationsschaltung zu betreiben. Sie haben das Dualmotorsystem ihres Herzpumpenprototyps erfolgreich im hybriden Simulationsschaltkreis validiert, indem sie die physiologischen Bedingungen eines Patienten mit nur einem laufenden Motor simulierten.

Die Mitglieder von PCL haben ein neues Projekt ins Leben gerufen, das Machine Learning nutzt, um die optimale Blutflussrate für den LVAD-Prototyp zu bestimmen. Und das gesamte Team arbeitet daran, die Größe der Herzpumpe um 20% zu reduzieren und gleichzeitig ihre Effizienz zu verbessern. Sie arbeiten außerdem daran, ihren hybriden Simulationsschaltkreis-Entwurf kompakter zu gestalten und auf den Markt zu bringen.

Die Gruppe plant, das dSPACE-Echtzeitverarbeitungssystem schließlich durch das Jetson TX2-Board zu ersetzen, um die Leistung der Echtzeitsimulation deutlich zu steigern. Die Verwendung von GPU Coder durch die Gruppe in der Simulationsphase wird die Migration erleichtern.

„Wir fragen uns ständig, ob eine Technologie etwas ist, das wir kaufen müssen, oder etwas, das wir selbst entwickeln könnten“, sagt Yiğit. „Wenn wir es selbst erschaffen können, entwickeln wir ein Projekt darum herum.“

Kadıpaşaoğlu resümierte, dass er seine Ziele seit der Gründung des Labors an der Yildiz Technical University übertroffen habe. „Wir fangen an, uns einen Namen zu machen“, sagt er. „Die Leute kommen zu uns, um Vorstellungsgespräche zu führen. Das Labor hat sich zu einem Ort entwickelt, an den andere Universitäten ihre Studenten zur Ausbildung schicken.“