Simulationsmodelle in der gefäßchirurgischen Forschung als Alternative zu Tierexperimenten

Zusammenfassung

In der Klinik für Chirurgie der Medizinischen Universität zu Lübeck wurden bisher für gefäßchirurgische Untersuchungen Großtierexperimente durchgeführt. Aus ethischen Erwägungen und zur Verbesserung von Versuchsparametervariabilität und Reproduzierbarkeit wurde in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Lübeck ein computergestütztes Kreislaufmodell entwickelt.

Ziel war es, in einem definierten Gefäßabschnitt alle physiologischer- und pathologischerweise auftretenden Blutdruck- und Flußprofile simulieren zu können.

Realisiert wurde das Modell als geschlossener Flüssigkeitskreislauf mit einem Zentrifugalpumpenantrieb. Der durch die Pumpe erzeugte, primär laminare Flüssigkeitsstrom wird durch zwei Stellventile zu einem pulsatilen Druck-Flußprofil heruntergeregelt. Die Steuerung der Ventile erfolgt über einen feed-back-Mechanismus, der die Ist-Verhältnisse im Modell den vorgegebenen Soll-Werten anpaßt. Herzfrequenz, systolischer Druck und Fluß, diastolischer Druck und Fluß, Systolen/Diastolen-Zeitverhältnis, Druckanstieg und -abfallzeit sind die variierbaren Parameter. Da wegen der parallelen Regelung der sich gegenseitig beeinflussenden Größen ’Flüssigkeitsdruck’ und ’Flußgeschwindigkeit’ ein komplexes, nichtlineares System vorliegt, wurde die Fuzzy-Logic bei der Auslegung der Relerstuktur eingesetzt. Wegen des hohen Maßes an Genauigkeit, Druckresistenz und Geschwindigkeit, das erforderlich ist, um auch Herzfrequenzen von 200/min zu simulieren, mußten spezielle Stellventile entwickelt werden.

An unserer Klinik wurden bisher mit Hilfe des Kreislaufmodells Verfahren zur Bestimmung des peripheren Gefäßwiderstands entwickelt und Elastizitätsmessungen von Gefaßprothesen und Anastomosen durchgeführt.

Als Untersuchungsmethoden eignen sich alle auch in vivo angewandten Verfahren.

Einsatzbereich des Modells sind Untersuchungen physikalischer Kreislaufphänome. Auf diesem Gebiet können belastende Großtierversuche eingespart werden. Für die Untersuchung biologischer Vorgänge ist das Modell nicht geeignet.

Summary

Up to now, the Clinic for Surgery of the Medical University of Lübeck used big animals for vessel-surgical examinations. Because of ethical considerations and to ameliorate the variability of testing parameters and reproducability, a PC-aided blood curcuit-modell was elaborated in cooperation with the college of higher education Lübeck.

The aim was to be in the position to simulate all physiological and pathological blood pressure and flow profiles an a definded part of a vessel.

The model was put into practice in the form of a closed liquid circuit with a centrifugal pump-propulsion. The primarily laminare liquid flow created by the pump is changed into a pulsatile pressure-flow profile by two throttle valves. The control of the valves is done via a feed-back mecanisme, that adaptes the actual conditions in the modell to the pre-established required values. Heart frequency, systolic pressure and flow, diastolic pressure and flow, time relation of systoles and diastoles, time of increasment and decreasment of pressure - these are the parameters that can be varied. As because of the parallel regulation of the liquid pressure and the flow speed, that influence one another, the system is complex and non-linear, we use fuzzy-logic for the interpretation of the regulation structure. Special throttle valves had to be developed to answer the demand for high precision, pressure resistance and speed necessary to be able to simulate heart frequencies of 200/min.

Hitherto we used this modell to develop methods to define the periphere vessel resistance and to measure the elasticity of vessel protheses and anastomosises.

As examination methods all methods applied in vivo are suitable.

The modell’s field of action are examinations of physical blood circuit phenomina where stressing tests with big animals can be avoided. The modell is not suitable for the examination of biological processes.