Arbeitspunktabhängige Durchflussregelung einer rotatorischen Blutpumpe

Zusammenfassung

Blutpumpen und Herzunterstützungssysteme werden immer häufiger erfolgreich in der Therapie von Patienten mit akutem Herzversagen eingesetzt. Dabei bieten vor allem rotatorische Blutpumpen durch ihre robuste und einfache Bauweise viele Vorteile. Um eine optimale Blutversorgung des Patienten gewährleisten zu können, ist eine Regelung des Blutflusses durch die Pumpe unabdingbar. Aus diesem Grund wurde für die rotatorische Diagonalblutpumpe Medos DeltaStream DP1 eine nichtlineare Regelung entworfen. Mithilfe dieser Regelung ist es möglich, sowohl konstante Blutflüsse als auch verschiedene Blutflusstrajektorien bei gleichzeitig schlagendem Herzen zu regeln. Zur statischen, nichtlinearen Identifikation der Blutpumpe wurde der Local Linear Model Tree Algorithmus (LOLIMOT) verwendet. Die dynamische Identifikation erfolgte durch die Linearisierung dieses Modells in unterschiedlichen Arbeitspunkten. Das daraus resultierende Gesamtmodell bildete die Grundlage für zwei verschiedene Regleransätze: Zunächst ein auf arbeitspunktabhängigen PI- bzw. PID-Reglern basierender Ansatz und im Weiteren ein Gain Scheduled PID-Regler. Beide Verfahren wurden anschließend jeweils um eine Störgrößenaufschaltung erweitert. Abschließend konnte mit den ausgelegten Reglern ein gutes Folgeverhalten der getesten Sollfusstrajektorien gezeigt werden.

Abstract

Blood pumps and ventricular assist devices are increasingly used for therapy in patients suffering from acute heart failure. Especially rotary blood pumps provide various benefits, due to their robust and simple construction. To ensure an optimal blood supply for the patient, the control of the blood flow through the pump is indispensable. In this work, a nonlinear controller for a rotary blood pump type Medos DeltaStream DP1, with a diagonally streamed impeller, was developed. This controller is able to regulate constant as well as dynamic blood flow trajectories in parallel to the beating heart of the patient. The Local Linear Model Tree algorithm (LOLIMOT) was used for the static, non-linear system identification of the blood pump. Based on this identification method, the system was linearised in several operating points and a dynamic grey-box-modelling of the system was executed. For the subsequent control of the system, an operating point-dependent controller and, furthermore, a gain scheduled PID controller were designed and extended by a feedforward controller. As a conclusion, the developed controllers revealed good servo control behaviour with the tested flow trajectories.