Prof. Dr.-Ing. habil. Arnim Nethe

Forschung

Entwicklung eines Linksherzunterstützungssystems auf der Basis eines magnetofluidunterstützten Antriebs

Einführung

Gegenwärtig sind die Herzkreislauferkrankungen, neben Krebsleiden, die häufigsten Todesursachen in den Industrieländern. Jährlich könnten durch eine Herztransplantation pro Millionen Einwohner 500 Menschen das Leben gerettet werden. In Deutschland wären dies über 30.000 Personen pro Jahr, die für eine solche Organverpflanzung in Frage kämen. Die Anzahl geeigneter Spenderherzen ist aber, trotz wieder größer werdender Akzeptanz in der Bevölkerung, bei weitem nicht ausreichend. So können im Jahr nur etwa 500 solcher Eingriffe durchgeführt werden, und es treten zum Teil sehr große Wartezeiten auf, so daß von den potentiellen Transplantatempfängern zwischen 10% und 30% während dieser Zeit versterben. Es ist möglich, diese Zeit durch ein künstliches Herz zu überbrücken. Auch könnte der Patientenkreis, für den kein Spenderherz vorliegt, durch ein Kunstherz versorgt werden.

Des weiteren besteht die Chance, durch Herzunterstützungssysteme das kranke Herz bis zu seiner Erholung zu entlasten. So werden in Deutschland pro Jahr 40.000 Herzoperationen durchgeführt. Dabei ist bei etwa 4% mit einer postoperativen Einschränkung der Herztätigkeit zu rechnen. 70% dieser Patienten könnte durch ein Herzunterstützungssystem geholfen werden. Beim verbleibenden Rest kommt es zum langfristigen bzw. dauerhaften Ausfall der Herzleistung. Hier könnte durch ein Langzeitunterstützungssystem die Rettung erfolgen.

Jährlich erleiden in der Bundesrepublik etwa 80.000 Einwohner einen Myokardinfarkt. Von denen im Alter von 25 bis 74 Jahren befindlichen, sterben etwa 11% im Zeitraum von 24 Stunden bis zu 48 Tagen nach Aufnahme in ein Krankenhaus. Es steht somit genügend Zeit zur Verfügung, den Einsatz eines künstlichen Herzens zu planen und die Operation durchzuführen.

Alle diese Fakten sprechen eindeutig für die Notwendigkeit, ein Herzersatz- bzw. Herzunterstützungssystem zu entwickeln, das technisch ausgereift, kurz- sowie auch langfristig einsetzbar ist.

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Stand der Technik

Die zunächst aus der technischen Sicht so einfach erscheinende Aufgabe, eine Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe zu fördern, erhält ihren überraschenden Schwierigkeitsgrad im wesentlichen aufgrund der physiologischen Eigenschaften des Blutes und der Zirkulation im geschlossenen Kreislauf. Eine zeitlich wachsende Blutschädigung manifestiert sich sowohl in hämolytischen, als auch in Koagulationsvorgängen. Die ununterbrochene Förderung stets derselben Blutmenge im geschlossenen Kreislauf läßt alle blutschädigenden Einflüsse anwachsen, bis die tolerierbare Schwelle überschritten wird. Je nach dem Entwicklungsstand der Pumpe muß deren Einsatz mehr oder weniger früh beendet werden. Dabei spielen Pumpenzonen, in denen bevorzugt eine Schädigung eintritt, oft die Rolle eines Initiators für die Blutgerinnung. So bilden oft punktuelle Areale mit erhöhter mechanischer oder thermischer Beanspruchung zellulärer Blutbestandteile und Zonen mit geringem oder ohne Blutaustausch den Ausgangspunkt von thrombischen Ereignissen, die sich unter ungünstigen Bedingungen über das gesamte Blutvolumen der Pumpe ausdehnen können. Während es sich bei den Blutpumpen für den kurzfristigen Einsatz um weitgehend standardisierte Konstruktionen handelt, muß der mittelfristige Einsatz wegen der dargestellten Schwierigkeiten zumindest teilweise noch als experimenteller Bereich gelten. Der erfolgreiche langfristige Einsatz ist dagegen eine Aufgabe, die trotz erheblichen Forschungsaufwandes weltweiter Bemühungen und Erfahrungen aus einer relativ großen Zahl von Tieruntersuchungen noch als ungelöst betrachtet werden muß.

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Ziel

Der neue Antrieb soll eine Verkleinerung des Gesamtsystems unter gleichzeitiger Verbesserung seines Wirkungsgrades ermöglichen. Er soll insbesondere für Pumpen in verschiedenen Ausführungen zum längerfristigen Ersatz oder zur Unterstützung des Herzens Anwendung finden.

An dieses komplexe System werden extrem hohe technische und medizinische Anforderungen gestellt. Für das lebenserhaltende Implantat müssen

• hohe Zuverlässigkeit,
• hohe Dauerfestigkeit,
• Blut- bzw. Bioverträglichkeit und
• Mobilität und allgemeine Lebensqualität des Kunstherzempfängers

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Prinzip

Der Antrieb beruht primär auf dem Prinzip der Kraftverstärkung mittels magnetischer Flüssigkeiten. Er besteht aus Eisenkernteilstücken, welche zusammmen mit den erregenden Spulen einen Magnetkreis bilden, in dessen Zwischenraum Magnetofluid mit möglichst hoher Permeabilität eingebracht wird. Das Magnetofluid ermöglicht eine Kraftverstärkung im Kontraktionsraum.

Die Abbildung links zeigt das Ende der Füllphase, bei der die magnetische Erregung nicht mehr vorhanden ist. Aufgrund der Spannkraft der Feder beginnen sich die Kernhälften zu trennen. Die Blutkammer wird zusammengedrückt und das Blut durch das Auslaßventil herausgepreßt.

Die hier dargestellte Verwendung von Magnetofluiden als Muskelersatz scheitert an deren noch nicht ausreichenden magnetischen Eigenschaften.

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Projektträger:	Eigenforschung BTU Cottbus Lehrstuhl Theoretische Elektrotechnik und Prozessmodelle
Projektmitarbeiter:	Dipl.-Ing. Thomas Hähndel Dipl.-Ing. Armin Rehfeld
Kooperationspartner:	Deutsches Herzzentrum Berlin (DHZB) Mediport Kardiotechnik GmbH, Berlin
Abgeschlossen:	Februar 2000