Herzpumpen

Erkrankungen des Herzkreislauf-Systems stellen die Medizin weltweit immer noch vor enormen Herausforderungen. Besonders kritisch wird es, wenn das Herz in seiner Funktion derart eingeschränkt ist, dass eine schwere Herzinsuffizienz vorliegt und der Kreislauf mit Sauerstoff unterversorgt ist. Während die Herztransplantation als letzte Behandlungsoption immer noch den Goldstandard darstellt, existieren mittlerweile mechanische Therapiemöglichkeiten. Solch eine Möglichkeit stellen Ventricular Assist Devices (VADs), im deutschen Sprachraum auch Kunstherzen, dar. Hierbei handelt es sich um miniaturisierte Pumpen, die an das erkrankte Herz angenäht werden, um somit das Herz beim Druckaufbau zu unterstützen, der für die Versorgung des Körperkreislaufes – in seltenen Fällen auch des Lungenkreislaufes – benötigt wird. Obwohl das Forschungsgebiet seit Jahrzehnten existiert, ist die mittelfristige Überlebensrate der Patienten mit implantierten VADs immer noch nicht zufriedenstellend. Die strömungsinduzierte Blutschädigung in den Geräten stellt die Forschenden heute vor die größten Herausforderungen. Die hohen mechanischen Belastungen, die die Blutteilchen in VADs ausgesetzt werden, können mitunter schädlich auf die enthaltenen roten Blutkörperchen, Blutplättchen und Proteine wirken. Die experimentelle und numerische Vorhersage der sogenannten Blutschädigung ist ein kritischer Faktor im Designprozess eines solchen Geräts.

Der Lehrstuhl für Strömungsmaschinen forscht nun seit mehreren Jahren an VADs. Ein Arbeitsbereich ist hierbei die Gestaltoptimierung der Geräte hinsichtlich möglichst geringer Blutschädigung bei optimaler kardiovaskulärer Unterstützung. Ein enger Forschungspartner ist dafür die auf diesem Gebiet in Deutschland führende Berlin Heart GmbH. Weiterhin haben die Mitarbeiter des Lehrstuhls einen Fokus auf die Numerik der Strömungssimulation und auf die theoretische Strömungsphysik gelegt. Wie oben erwähnt, spielt die numerische Strömungssimulation eine wichtige Rolle in der Optimierung der VADs. Aus dieser Motivation heraus ist ein Ziel entstanden, numerische Fehlerquellen in der Strömungssimulation zu identifizieren, zu quantifizieren und mit geeigneten Methoden zu eliminieren. Hierbei konnte sich der Lehrstuhl beispielsweise mit hochauflösenden Simulationsmethoden (Large Eddy Simulation, LES) etablieren. Um die Interaktion zwischen Strömung und diesem speziellen Typ von Pumpe zu erforschen, nutzen die Mitarbeiter die LES-Methode und eigens entwickelte Verfahren wie die Power Loss Analysis (PLA), um beispielsweise mögliche Quellen der Turbulenzproduktion zu identifizieren. Für die Validierung der hochgenauen Simulationen steht ein Prüfstand der Genauigkeitsklasse 1 nach DIN EN ISO 9906 zur Verfügung, unter dessen Hilfe die reale Pumpenströmung, als auch der Druckaufbau, mit den Simulationsergebnissen verglichen werden kann.

Die Mitarbeiter der Arbeitsgruppe sind Mitglieder der European Society for Artificial Organs (ESAO), als auch young ESAO (yESAO) und engagieren sich bei der Gestaltung und Ausrichtung des yESAO-Kongresses, welcher jährlich in den Tagen vor der ESAO-Konferenz stattfindet.

Mitarbeiter

Dr.-Ing. Benjamin Torner

Lucas Konnigk, M.Sc.