Design of a nonlinear decoupling control strategy for an advanced Hardware-In-the-Loop system to assess implantable blood pumps

Abstract

Hybride Testkreisläufe (HTK) stellen eine verbreitete Plattform für präklinische Untersuchungen von Blutpumpen dar. Dennoch sind herkömmliche Testkreisläufe bisher nicht in der Lage realistische hämodynamische Bedingungen zu reproduzieren, ohne dass zusätzliche Blutschädigung durch verwendete Komponenten entsteht. Dies beschränkt in-vitro Hämokompatibilitätsuntersuchungen von Blutpumpen auf statische Experimente, die die klinische Anwendung nicht realistisch wiedergeben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines atraumatischen Testkreislaufs, auf der Grundlage eines Hardware-in-the-Loop Konzeptes, um in-vitro Hämokompatibilitätsbetrachtungen unter realistischen hämodynamischen Bedingungen zu ermöglichen. Dieser neuartige atraumatische Testkreislauf ist für eine geringe Blutmenge von 450±50mL ausgelegt, wobei zwei Reservoire, Schlauchelemente und die zu untersuchende Blutpumpe die einzigen Komponenten mit direktem Blutkontakt darstellen. Diese Designmaßnahmen orientieren sich an aktuellen Standards der American Society for Testing and Materials. Das neue Hardware-Design erfordert eine fortschrittliche Regelungsstrategie um die Drücke und Füllstände des Systems zu regeln, zugehörige Referenzdrücke werden dabei auf der Basis der aktuellen Unterstützung durch die Blutpumpe durch ein Modell des kardiovaskulären Systems berechnet. In diesem Zusammenhang wird eine entkoppelnde nichtlineare Regelungsstrategie für die Systemdrücke entworfen, um internen Kopplungseffekten entgegenzuwirken und eine hohe Regelgenauigkeit sicherzustellen. Die Regelungsstrategie basiert auf der Methode der globalen Linearisierung und wird durch einen Regelungsansatz für die Füllstandshöhe der Reservoirs ergänzt. Mit dem atraumatischen Design ist die Füllstandshöhe periodisch nicht regelbar. Diese Problematik wird mit Hilfe eines Optimierungsproblems adressiert, woraus eine Regeltrajektorie resultiert, die den Füllstand bei minimaler Aktuatorbetätigung sicher innerhalb der Randbedingungen führt. Um die Genauigkeit des neuen HTKs zu evaluieren werden typische hämodynamische Zustände von Patienten die mit einem HeartMate 3 (HM3) unterstützt werden simulativ und experimentell nachgebildet. Die untersuchten hämodynamischen Zustände entsprechen Patienten die teilweise oder vollständig mit einem HM3 entlastet werden, wobei unterschiedliche Herzfrequenzen berücksichtigt sind – diese Zustände werden durch die entworfene Regelungsstrategie mit marginalen Kopplungseffekten und hoher Genauigkeit abgebildet, wobei der Füllstand stabil um den Sollwert schwankt. Diese Genauigkeit lässt sich in diesem Rahmen nicht mit herkömmlichen Eingrößenregelungen abbilden. Der neuartige atraumatische HTK erweitert damit den Stand der Technik und ermöglicht Hämokompatibilitätsuntersuchungen von Blutpumpen unter realistischen hämodynamischen Zuständen.

Mock circulatory loops (MCL) have become a favorable platform for in-vitro testing of blood pumps. To date, conventional MCLs are not suitable to mimic realistic hemodynamic conditions without inducing hemolysis. Accordingly, in-vitro hemocompatibility assessment of blood pumps is limited to constant operating conditions that do not comply with the clinical application. The aim of this thesis was to develop an atraumatic MCL based on a hardware-in-the-loop concept (H-MCL) that allows hemocompatibility examinations under realistic pressure and flow conditions. The novel atraumatic H-MCL was designed for a low blood volume suitable for one blood bag (450±50 mL), with hemocompatible materials, atraumatic sensors and actuators, and a heating module in compliance with the standards of the American Society for Testing and Materials. These design choices required an advanced control structure, to control the pressures and the blood level within the system, based on a cardiovascular model that is calculating the hemodynamic response (new set pressures) to the current pump support (measured flow rate): To ensure physiologic reference tracking and to account for inherent coupling effects a decoupling pressure control was derived by feedback linearization and dynamic extension. Moreover, the level control was addressed by an optimization task, which provides a feasible control trajectory to overcome periodic loss of controllability and to ensure atraumatic actuator effort. As blood pump, the HeartMate 3 (HM3) was deployed to evaluate the H-MCL’s accuracy at characteristic hemodynamic conditions within partial and full support conditions, which were assessed for different dynamics in simulative and experimental studies. With the novel control approach all hemodynamic scenarios were replicated with marginal coupling effects while the mean fluid level consistently met the target value. Of note, this quality could not be achieved with a SISO control approach. The presented novel atraumatic design extends state-of-the-art H-MCLs and enables hemocompatibility assessment of blood pumps within realistic hemodynamic conditions.