Dietmar P. F. Möller

Simulation of the Human Blood Circulatory System with the help of an Uncontrolled Pulsatile Model and its Validation

Results of the simulation of the human circulatory system by an uncontrolled pulsatile model are demonstrated. The model allows studies of the orthostatic and pathophysiological states of the circulatory system. It could be proven that the results are in qualitative good agreement with published human data. The model can be used for computer simulation of control systems of the total artificial heart and their comparative testing and their optimization.

Parameter estimation: an advanced simulation tool in biomedicine

Parameter estimation as an advanced tool in biomedicine have become extremely important in the study of biological systems. With increasing physiological knowledge and more efficient computers, modelling, simulation, and estimation have grown during the past 20 years to one of the most powerful tools of biomedical system analysis. Moreover modelling, simulation and estimation is of growing importance for determination of non-measurable parameters and state variables of biomedical systems as well as for case studies research of biomedical processes, which have been developed by physicians and system engineers and have also been widely accepted by biomedical scientists. These models already developed have been applied for an extensive analysis of dynamic transient behaviour under different conditions by systems simulation. In this way the most important physiologically relevant system parameters have been very often estimated from measurements obtained from experiments. However, modelling and simulation of biomedical systems is in general the inverse of the simulation process in engineering science and systems theory. For the biomedical systems have already existed and have been optimized by evolution.

Simulation eines ungeregelten pulsatilen Modelles des Herzkreislaufsystems

Es wird ein mathematisches Modell des Herzkreislaufsystems vorgestellt, welches die Pulsatilitat berucksichtigt. Das Modell wird ausgehend, von einem nichtpulsatilen Mittelwertmodell entwickelt. Der Entwurf eines pulsatilen Kreislauf-modelies ist fur die Untersuchung hamodynamischer Einflusse beim Totalherzersatz und bei den verschiedenen Unterstutzungsmethoden (Linksherz-, Rechtsherz- und Biventrikulare Herzunterstutzung) von besonderem Interesse. Daruber hinaus ist ein pulsatiles Herzkreislaufmodell auch fur physiologische, sportphysiologische und klinische Fragestellungen von Bedeutung. Es werden erste Ergebnisse des Modelles vorgestellt.

Ein mathematisches Modell zur Simulation der Hypertonie

Nach A.C. Guyton ist das Kennzeichen der renalen Hypertonie ein, im Rahmen der Regulationsstorung erhohtes Herzzeitvolumen. Diese Hypothese, am sog. Guytonschen Modell gezeigt, konnte weder an Ratten, die einen durch DOCA bzw. einen durch NaCl-reiche Diat induzierten renalen Hochdruck aufwiesen, noch an Kontrolltieren nachgewiesen werden. Daher wurde ein mathematisches Modell zur Simulation der Hypertonie entwickelt als Sonderfall das Guytonsche Modell enthalt. Mit diesem Modell kann das hamodynamische Verhalten bei Hypertonie eindeutig nachgebildet und die Signifikanz beteiligter Mechanismen untersucht werden.

Kennwertermittlung eines Biologischen Einfachsystems Mittels Ausgangsfehlermethode

Der mestechnisch ermittelbare Zusammenhang zwischen dem mittleren arteriellen Blutdruck und der Infusionsgeschwindigkeit eines Medikamentes kann durch ein mathematisches Modell (I-T3-Ubertragungsfunktion) nachgebildet werden. Die Kennwerte des Modells werden mittels der Ausgangsfehlermethode unter Verwendung einer Prozesrechenanlage (PDP 11/45) im OFF-Line Betrieb identifiziert. Ein Vergleich zwischen der Ausgangsgrose des Modells und dem Blutdruck des biologischen Systems liefert nahezu identischen Verlauf.

A Nonlinear Circulatory Model for Artificial Heart Studies

Animals with total artificial heart replacement (TAH) have survived for up to 9 months with manually controlled driving systems. A certain physiological control is provided by the animals intact peripheral regulation resulting in pathological venous hemodynamics, expressing the needs for a technical automatic control system, replacing the natural sympathetic stimulation and Starlings Law of the heart. A nonlinear dynamic mathematical model of the human cardiovascular system (CVSM) containing the systemic and pulmonary components was outlined and verified, which is employable to analyse the hemodynamic behaviour under normal and abnormal states. By modifying this model, assuming that cardiac output is constant at a preset level, the hemodynamic behaviour of a circulation system with an artificial heart was simulated. Comparing the simulation results with those from TAH experiments, a good accordance in the response of right atrial and aortic pressure under exercise conditions could be proven. This gives hope, that the modified and tested cardiovascular system model can be used as a tool for computing optimal control parameters under given conditions.

Ein belastungsabhängiges pulsatiles Kreislaufmodell zur Untersuchung von Kunstherzregelungen

Zur Entwicklung und Simulation einer pulsfrequenzmodulierten (PFM-) Regelung fur Blutpumpen ist ein pulsatiles Kreislaufmodell notig, in dem korpereigene Anpassungsmechanismen bei Belastung enthalten sind. Dieser Beitrag beschreibt ein Modell, in dem unter anderem der Barorezeptorreflex, die Herzfrequenz-, Kontraktionskraft- und Stromungswiderstandsanderung bei Belastung, sowie der venose Tonus und die nichtlinearen Gefasdehnbarkeiten enthalten sind. Ein Kunstherzmodell mit beschranktem Schlagvolumen wird vorgestellt und ein Konzept fur seine Regelung beschrieben.

Optimierung der Dosierung von Pharmaka mittels Kompartmentmodellen

Modellbildung und Simulation biologischer Systeme haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Dabei kommt der Gruppe der Kompartmentmodelle insofern ein besonderer Stellenwert zu, da sie auf einfache Art und Weise der Systemanalyse zuganglich sind, was am Beispiel der Insulinantwort und fur volatile Anasthetika gezeigt wird .

Simulationstechnik komplexer Bioprozesse und mögliche Erweiterungen durch wissensbasierte Simulation

Die klassische Simulation ist wirkungsvoll erweiterbar durch den Einsatz wissensbasierter Systeme. Da eine kombinierte Software fur wissensbasierte Simulatoren derzeit nicht verfugbar ist, werden Ansatze zur Erweiterung der Simulationstechnik diskutiert und an Hand der Verzahnung eine Realisierungsmoglichkeit vorgestellt.

Model-Reduction for the Parameter Identification of an Uncontrolled Pulsatile Model of the Cardiovascular System

The paper outlines an identification scheme for the parameter identification of an uncontrolled pulsatile model of the cardiovascular system. Model-reduction is introduced by seperation of the opening and closing interval of the valves. These simplified models, depending to different phases of the heart action (systolic and diastolic), allow a faster parameter identification.