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MIRVAD

Das MIRVAD (Minimal Invasive Right Ventricular Assist Device) Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines Pumpen-Kathetersystem und dessen grundlegender Konzepterforschung. Dabei wird mittels einer minimal invasiv implantierbaren und entfaltbaren Blutpumpe das Herz von Patienten mit rechter Herzinsuffizienz zu unterstützen. Das Projekt wurde vor 2 Jahren am Institut für Angewandte Medizintechnik in Zusammenarbeit mit der Klinik für Thorax, Herz- und Gefäßchirurgie gegründet und vom START Programm des UKAachen gefördert. Seit kurzem wird MIRVAD über ein ERS Boost Fund unterstützt und konnte mit dem Institut für elektrische Maschinen und dem Institut für Textiltechnik zwei starke Kooperationspartner gewinnen. Der medizinische Hintergrund dieses Projektes ist die Therapie von Rechtsherzversagen, welches unter anderem häufig in Folge von Operationen am Herzen, wie Herztransplantationen und Implantationen von Herzunterstützungssystemen (Left Ventricular Assist Devices, LVADs), auftritt. Patienten mit solch Erkrankungen werden medikamentös behandelt, allerdings besteht damit oft nicht die Möglichkeit zu einer hinreichenden Therapie. Tritt Rechtsherzversagen auf und müssen Patienten mit herkömmlichen Herzunterstützungsystemen behandelt werden, ist eine hohe Mortalitätsrate von im Schnitt 44% die Folge (Patlolla et al. in Curr Opin Cardiol 03/2013). Bei angemessener Behandlung ist Rechtsherzversagen jedoch kurierbar und das Herz kann sich wieder regenerieren. Dabei werden auch zurzeit schon nach nicht anschlagender standardmäßiger medikamentöser Behandlung, mechanische Rechtsherzunterstützungssysteme eingesetzt. Diese sind allerdings nur über invasive Operationen extrakorporal einsetzbar und limitieren aufgrund der assoziierten Komplikationen einen verbreiteteren Einsatz. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit könnte bei der Behandlung von Patienten mit akut starker pulmonaler Hypertonie liegen. In beiden Fällen wirken Unterstützungspumpen durch eine Wiederherstellung der Herzförderleistung sowie einer Reduktion der Ventrikelarbeit welche das Herz entlastet und eine Regeneration ermöglicht.

In unserem Entwicklungsprojekt adressieren wir genau diesen Punkt der Technik und entwickeln und erforschen das minimal invasiv implantierbare Blutpumpensystem MIRVAD. Es soll den Vorteil der geringen Invasivität gegenüber den aktuellen Geräten erbringen und könnte dadurch schon zu früheren Stadien von Rechtsherzversagen eingesetzt werden und damit den Patienten die generellen Vorteile mechanischer Herzunterstützung ermöglichen. Das MIRVAD kann minimal invasiv implantiert werden und wird die Förderleistung des Ventrikels wiederherstellen sowie die Ventrikelarbeit reduzieren bis sich das Herz stabilisiert hat und das System entfernt werden kann.

Schematische Darstellung des MIRVAD Konzepts (links) und erste Funktionsmuster für Laboruntersuchungen (rechts)

Das MIRVAD System wird dafür einen entfaltbaren Rotor über einen Katheter bis in die pulmonal Arterie vorbringen. In der pulmonal Arterie entfaltet sich der Rotor und kann dann den rechten Ventrikel durch eine Reduktion des Pulmonaldruckes (Nachlast Reduzierung) entlasten und so die Förderleistung des rechten Herzens wiederherstellen. Durch den entfaltbaren Rotor ist es möglich das System mit einer niedrigen Drehzahl zu realisieren ohne hydraulische Leistung zu verlieren. Die Drehzahl kann dabei um etwa 70% reduziert werden im Vergleich zu anderen Systemen. Der Rotor wird dabei über eine biegsame Welle dessen Motor sich extrakorporal befindet angetrieben. Eine alternative Variante sieht einen integrierten BLDC Motor vor. Um das Blut aus dem Katheter oder BLDC Motor fernzuhalten, wird eine Spüllösung (beispielsweise angereicherte Kochsalzlösung) durch den Katheter gefördert welche kritische Stellen auswäscht und gleichzeitig als Schmierstoff der Antriebswelle dienen kann. Die Implantation des MIRVAD kann beispielsweise über die Vena femoralis oder Vena subclavia geschehen und unterscheidet sich in dieser Hinsicht nicht von anderen Katheteranwendungen im rechten Ventrikel.

In bisherigen Studien am CVE wurde bereits ein erstes Rotor-Konzept entworfen welches in numerischen Simulationen optimiert um die nötige Gesamteffizienz zu erreichen. Das Konzept konnte zusammen mit einem ersten Funktionsmusters eines BLDC Motors eine generelle Wirksamkeit in hydraulischen Tests demonstrieren. Die Gesamteffizienz des Systems war dabei jedoch noch zu gering und muss verbessert werden um zu hohe Temperaturanstiege im Antrieb zu vermeiden welche schädlich für das Blut wären. In einer weiteren Studie am CVE wurde das Prinzip der seriell zum rechten Ventrikel positionierten Pumpe in einer numerischen „lumped-parameter“ Simulation und in einem hydraulischen Kreislaufmodell (MockLoop) untersucht. Dabei wurde deutlich dass eine besondere Steuerung der Rotordrehzahl notwendig sein könnte um ein kontinuierliches Öffnen der Pulmonal-Herzklappe zu vermeiden.

Untersuchung der hydraulischen Leistung eines Impeller Funktionsmusters mittels CFD Simulationen (A) und hydraulischer Labormessung (B)

In den nächsten, sehr wichtigen und entscheidenden, Projektschritten werden nun das gesamte Kathetersystem sowie verbesserte Rotor-Konzepte entwickelt. Strömungsuntersuchungen mittels CFD, welche am CVE selbst durchgeführt werden, erlauben dabei schnelle Entwicklungszyklen. Weiterhin werden zwei Antriebsvarianten (biegsame Antriebswelle und integrierter BLDC Motor), erste Stentdesigns, aus Elastomeren gegossene und faltbare Rotoren, sowie ein Prüfstand zur Applikationstestung des Systems erarbeitet. Unterstützt werden diese Arbeiten auch von zahlreichen Bachelor- und Masterarbeiten sowie studentischen Hilfskräften.

Kontakt

Dr.rer.medic Dipl.-Ing. Fiete Böhning

Tel.: +49 241 8089365

boehning(at)ame.rwth-aachen.de


Dieses Projekt wird aktuell gefördert durch:


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