Prof. Dr.-Ing. habil. Arnim Nethe

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Dr. Arnim Nethe

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Forschung

Künstliches Herz - Herzunterstützungssysteme

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Inhalt

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Einführung

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 zu beachtenden physiologischen Eigenschaften des menschlichen Körpers. Hier müssen in erster Linie Baugröße und äußere Form der Pumpe genannt werden. Die physiologisch günstigste Form schränkt das technisch Mögliche erheblich ein, so dass man nicht umhin kommt, neue Wege zu beschreiten.

Als wichtigste Kenngrößen sind Pumpdruck, Volumendurchsatz und die resultierende Leistung zu betrachten. Das Herz macht im Ruhezustand ca. 70 Schläge pro Minute. Die linke Herzhälfte pumpt das Blut in die Körperarterie, dabei setzt sich das Herzvolumen aus 70ml Schlagvolumen, welches bei einem Schlag in die Arterie fließt, und dem verbleibenden Restvolumen von ca. 60ml zusammen. Es hebt dabei die Blutmenge des Schlagvolumens auf ein Druckniveau von 100mmHg (13,3kPa), das entspricht einer Druck-Volumen-Arbeit von etwa 1,2Nm pro Schlag. Die Beschleunigungsarbeit beträgt weniger als 1% davon. Sie kann vernachlässigt werden. In der rechten Hälfte wird die gleiche Menge Blut in die Lunge gedrückt. Wegen des geringeren Widerstandes, den die Lunge dem Blut entgegensetzt, ist nur ein Druck von 15mmHg (2kPa) notwendig. Es wird eine Arbeit von 0,14Nm verrichtet. Bei den oben genannten 70 Schlägen pro Minute wäre das eine Durchschnittsleistung von insgesamt 1,3W. Da die Leistung aber nur zur Systole, die im Ruhezustand 40% der Gesamtzeit ausmacht, aufge­bracht wird, liegt hier die Maximalleistung bei 3,2W. Unter Belastung kann der Blutdurchsatz auf das Fünffache ansteigen. Dazu erhöhen sich Schlagvolumen (auf Kosten des Restvolumens), Schlagfrequenz bei etwa gleichbleibender Systolendauer und in gewissem Maße auch der Blutdruck. Damit steigt auch die Leistung auf das etwa Fünffache.

Druckverlauf im Herzen und den Blutgefäßen.
Druckverlauf im Herzen und den Blutgefäßen [Handbuch für Kardiotechnik].

Das künstliche Herz muss also in der Lage sein, den eben genannten Druck und den Volu­mendurchsatz aufzubringen und dem Bedarf gegebenenfalls durch eine Regelung anzupassen. Außerdem muss der Wirkungsgrad hoch sein, um den notwendigen Energievorrat in Grenzen zu halten.

Natürlich müssen Geräusche, Vibrationen und ähnliche Belastungen in Grenzen und die Ausfallwahrscheinlichkeit im Interesse des Lebens des Patienten auf einem Minimum gehalten werden. Im besonderen sei hier auf Probleme bei derzeit im Einsatz befindlichen Herzunterstützungssystemen hingewiesen. Diese sind aufgrund ihrer Bauform im Bauchraum des Patienten untergebracht, und benötigen deswegen lange Zuleitungen zum natürlichen Herzen. Daraus resultiert eine Langzeitbelastung für den Patienten, die die mögliche maximale Einsatzdauer des Systems beschränkt. Teilweise treten wegen der Krafterzeugung mit einem magnetischen Klappanker Schlaggeräusche auf, die noch in einer Entfernung von 5 Metern deutlich hörbar sind.

Da ein Austausch verschlissener Teile nur durch Reoperation möglich ist, muss wegen der an­gestrebt langen Nutzungsdauer besonderes Augenmerk auf die Materialalterung gerichtet wer­den. Während nämlich beim natürlichen Herzen durch stete Zellerneuerung im lebenden Muskel eine „Materialermüdung“ nicht eintreten kann, ist die Zahl der Biegezyklen flexibler Materialien in den technischen Herznachbildungen sehr begrenzt. Insbesondere die Ober­flächenveränderungen an den Membranen führen langfristig zu medizinischen Komplikationen.

Dr. Arnim Nethe
Dr. Arnim Nethe mit einem Größenmodell des Herzunterstützungssystem

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Teilprojekte

Künstliches Herz - Magnetofluidantrieb Entwicklung eines Linksherzunterstützungssystems auf der Basis eines magnetofluidunterstützten Antriebs.
Eigenforschung der BTU Cottbus / LS TET & PM in Kooperation mit dem Deutschen Herzzentrum Berlin (DHZB) und der Mediport Kardiotechnik GmbH, Berlin. Abgeschlossen im Februar 2000.
Künstliches Herz Vorstudie zur Entwicklung eines auf der Basis von Magnetofluiden funktionierenden künstlichen Herzens
Eigenforschung der BTU Cottbus / LS TET & PM. Abgeschlossen im August 1995.
Künstliches Herz Studie mit Vorversuchen zur Vorbereitung eines Projektes für ein steuerbares Pumpsystem zur Unterstützung und als Totalersatz des Herzens (TIAH)
MWFK Brandenburg. Abgeschlossen im Dezember 1993.

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Erstes Patent zum Projekt

DE 196 09 281
Magnetofluidunterstützter elektrischer Antrieb für eine Blutpumpe zur Unterstützung oder zum teilweisen bis totalen Ersatz des Herzens

Weitere während dieser Forschungsarbeiten entstandene Patente.

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Filme und Fernsehbeiträge zum Projekt

Künstliches Herz: Forschung an der BTU
Forschung an der BTU, 1995
(Download:
mpeg-9.7MB/wmv-2.5MB)

Künstliches Herz: ARD - Tagesthemen, März 1995
ARD - Tagesthemen, März 1995
(Download: mpeg-39MB/wmv-10MB)

Künstliches Herz: ORB - Vor Ort, 1996
ORB - Vor Ort, 1997
(Download: mpeg-46MB/wmv-14MB)

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