Rüdger Kopp

A physiological model for extracorporeal oxygenation controller design

Long term extracorporeal membrane oxygenation can be used in cases of severe lung failure to maintain sufficient gas exchange without the need to apply higher ventilation pressures which damage the lung additionally. The use of cardiopulmonary bypass devices is well established inside the operating room. The usage of such devices as long-term support in the intensive care unit is still experimental and limited to few cases. This is because neither machine architecture nor staff situation provides for the long term application scenario. In the joint research Project “smart ECLA” we target an advanced ECMO device featuring an automation system capable of maintaining gas concentrations automatically. One key requirement for systematic controller design is the availability of a process model, which will be presented in this article.

Model-based supervision of a blood pump

Abstract In this paper, we present a novel method to supervise several discrete events and continuous processes causing failures in a blood pump. These are potential hazards which regularly cause problems in intensive care routine. We propose an indicator that considers the nonlinear shear thinning flow properties of blood. Based on a threefold of physiological motivated measures, we calculate an indicator which is not only able to detect ongoing events like gas in the blood phase but also to predict upcoming events like the suction of the withdrawing cannula to the surrounding vessels wall. We present an algorithm that is embedded in a distributed 32 bit microcontroller network and holding hard real-time constraints. We were able to evaluate out algorithms in-vivo. For this algorithm we analyzed online data of more than 140 hours of animal experiments.

Automatisierung und Fehlerdiagnose bei der extrakorporalen Membranoxygenierung

Zusammenfassung Die Extrakorporale Membranoxygenierung ist eine der letzten Therapieoptionen für schwere Fälle eines akuten Lungenversagens. Hierzu wird Blut in einem externen Kreislauf ähnlich einer Herz-Lungen-Maschine durch einen Oxygenator gepumpt. In diesem findet ein zusätzlicher Gasaustausch statt. Im Gegensatz zum Einsatz im Operationssaal wird die länger andauernde Therapie auf der Intensivstation in der Regel nicht kontinuierlich durch einen Kardiotechniker überwacht. Die in diesem Beitrag vorgestellten Konzepte für Automatisierung und Fehlerdiagnose sind ein wichtiger Schritt hin zu einem sicheren und zuverlässigen teil-autonomen Betrieb eines Systems, das sich den individuellen Bedürfnissen des Patienten kontinuierlich anpasst.

Assistierte Zirkulation: ein Überblick aus klinischer Sicht / Assisted circulation: an overview from a clinical perspective

Zusammenfassung Eine höhergradige Herzinsuffizienz ist mit einer sehr schlechten Prognose behaftet. Neben medikamentös konservativen sowie operativen Ansätzen haben sich in den letzten Jahren verschiedene Formen einer assistierten Zirkulation etabliert. Kurzzeitverfahren dienen vor allem dazu, eine Akutsituation zu überbrücken. Die Systemauswahl richtet sich hierbei nach dem zu erwartenden klinischen Verlauf. Es kann auf leicht unterstützende Verfahren bis hin zu Verfahren mit einer vollständigen Übernahme der Pumpfunktion des Herzens zurückgegriffen werden. Bei jeder Form der schweren Herzinsuffizienz muss die Frage nach einer Herztransplantation als derzeitige Behandlungsoption der Wahl geklärt werden. Für eine assistierte Zirkulation im Zustand einer chronischen Herzinsuffizienz stehen Verfahren unterschiedlicher Systemgenerationen zur Verfügung. Mit pulsatilen Systemen der ersten Generation zur Assistenz des linken Ventrikels wurden Ergebnisse erzielt, welche der medikamentösen Therapie überlegen waren (REMATCH). Mit den Continuous-Flow-Systemen der zweiten Generation scheinen sich diese Ergebnisse hinsichtlich Infektionen, Thrombembolien und auch der Lebensqualität noch weiter zu verbessern. Berührungsfrei gelagerte Zentrifugalpumpen als Drittgenerationssysteme befinden sich in Evaluation. Sogenannte „total artificial hearts“ können inzwischen erfolgreich als Überbrückung bis zur Transplantation eingesetzt werden. Insgesamt ist heute eine abgestuft sichere Behandlung einer Herzinsuffizienz durch eine assistierte Zirkulation möglich. In näherer Zukunft könnten hiermit Ergebnisse erzielt werden, die an diejenigen einer Herztransplantation heranreichen. Abstract A higher grade cardiac failure is associated with poor prognosis. In addition to medical conservative treatment and traditional cardiac surgery, in the past years different forms of an assisted circulation evolved. Short-term devices serve to bridge an acute life-threatening situation. The chosen system is dependent on the anticipated clinical course. It is possible to fall back on slightly assisting techniques up to a complete takeover of the cardiac pump function. In the case of severe cardiac failure, the question for transplantation has to be addressed because transplantation is the treatment of choice to date. For an assisted circulation in cases of chronic congestive failure, devices of different generations are available. First generation pulsatile systems are used for assistance of the left ventricle and results have been shown to be superior to medical therapy (REMATCH). With second generation continuous-flow systems, results regarding infections, thromboembolism and also quality of life appear to be further improved. Contact-free centrifugal pumps as third generation systems are in clinical evaluation. So-called “total artificial hearts” are successfully used for bridge-to-transplantation. Taken together, a graded safe treatment of cardiac failure is available today. In the near future, it could be possible to reach results similar to those of cardiac transplantation.

Effects of Pulsatile Blood Flow on Oxygenator Performance

Extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) is mainly used for the therapy of acute respiratory distress syndrome and chronic obstructive lung disease. In the last years, the development of these systems underwent huge steps in optimization, but there are still problems with thrombus formation, clogging, and thus insufficient gas exchange. One idea of ECMO optimization is a pulsatile blood flow through the oxygenator, but this is still a controversy discussion. Analyzing available publications, it was not possible to identify a general statement about the effect of pulsatile blood flow on the gas exchange performance. The variety of parameters and circuit components have such a high influence on the outcome that a direct comparison of the studies is difficult. For this reason, we performed a structured study to evaluate the effects of pulsatile blood flow on the gas exchange performance of oxygenator. In in vitro tests according to DIN EN ISO 7199, we tested a small oxygenator (0.25 m2 exchange surface, polymethylpentene fibers, 33 mL priming volume) with constant and pulsatile blood flow in comparison. Therefore, we varied the mean blood flow from 250 to 1200 mL/min, the amplitude of 0, 20, and 50%, and the frequency of 30, 60, and 90 bpm. The results demonstrate that the gas transfer for pulsatile and constant blood flow was similar (oxygen: 36-64 mLO2 /LBlood ; carbon dioxide 35-80 mLCO2 /LBlood ) for the same mean blood flow ranges. Over all, the results and analyses showed a statistically nonsignificant difference between pulsatile and nonpulsatile flow. Consequently, we conclude that the implementation of pulsatile blood flow has only a small to no effect on the gas exchange performance in an oxygenator. As the results were obtained using an oxygenator with a coiled fiber bundle, the test must be verified for a stacked fiber oxygenator.

Decentralized safety concept for closed-loop controlled intensive care : Supervision of a blood pump during extracorporeal circulation

Abstract: This paper presents a decentralized safety concept for networked intensive care setups, for which a decentralized network of sensors and actuators is realized by embedded microcontroller nodes. It is evaluated for up to eleven medical devices in a setup for automated acute respiratory distress syndrome (ARDS) therapy. In this contribution we highlight a blood pump supervision as exemplary safety measure, which allows a reliable bubble detection in an extracorporeal blood circulation. The approach is validated with data of animal experiments including 35 bubbles with a size between 0.05 and 0.3 ml. All 18 bubbles with a size down to 0.15 ml are successfully detected. By using hidden Markov models (HMMs) as statistical method the number of necessary sensors can be reduced by two pressure sensors.

Physiological closed-loop control of mechanical ventilation and extracorporeal membrane oxygenation.

Abstract A new concept is presented for cooperative automation of mechanical ventilation and extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) therapy for treatment of acute respiratory distress syndrome (ARDS). While mechanical ventilation is continuously optimized to promote lung protection, extracorporeal gas transfer rates are simultaneously adjusted to control oxygen supply and carbon dioxide removal using a robust patient-in-the-loop control system. In addition, the cooperative therapy management uses higher-level algorithms to adjust both therapeutic approaches. The controller synthesis is derived based on the introduced objectives, the experimental setup and the uncertain models. Finally, the autonomous ARDS therapy system capabilities are demonstrated and discussed based on in vivo data from animal experiments.

Automatic control and safety concepts for extracorporeal lung support

Zusammenfassung Die Anwendung extrakorporaler Lungenunterstützungsverfahren auf der Intensivstation ist bei schwerstem akutem Lungenversagen (ARDS) mit fortbestehender Hypoxie eine etablierte Therapie, obwohl der Einsatz von Regelungs- und Sicherheitskonzepten bisher höchstens ansatzweise realisiert ist. Ziel dieser Übersichtsarbeit ist die Darstellung technischer Verbesserungen, die die Sicherheit und Leistungsfähigkeit der verwendeten Systeme steigern und die Darstellung von Konzepten für Sicherheit und Regelung der Systeme, die die Anwendung optimieren und sicherer gestalten könnten. Technische Innovationen sind die Verwendung neuer plasmadichter Kompositemembranen in den Oxygenatoren und neuer Blutpumpen mit verlängerter Haltbarkeit und reduzierter Blutzellschädigung. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer arterio-venösen pumpenlosen Lungenunterstützung (pECLA), die einen Oxygenator mit vermindertem Druckabfall integriert, zur Vereinfachung des klinischen Managements und der Vermeidung Pumpen-bezogener Komplikationen. Erste Systeme für die dezidierte extrakorporale Membranoxygenierungs-Therapie (ECMO-Therapie) wurden mittlerweile entwickelt, um einfache Kontroll- und Sicherheitskonzepte in die ECMO zu integrieren. Diese sind aber immer noch nicht ausreichend, um die spezifischen Probleme der ECMO beim Langzeiteinsatz auf der Intensivstation zu lösen. Eine zuverlässigere Anwendung der ECMO auch ohne kontinuierliche Überwachung durch einen Kardiotechniker erfordert beispielsweise automatisierte Kontroll- und Sicherheitskonzepte zusätzlich zu verbesserten ECMO-Systemen. Ein weiterer Vorteil wäre der vereinfachte Intra- und Interhospitaltransport von Patienten mit ECMO. Abstract In some cases of severe acute respiratory distress syndrome, hypoxemia occurs despite optimized conservative therapy; however, extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) can assure sufficient gas exchange. To increase safety and reliability of devices, the oxygenator design was optimized integrating new plasma-resistant composite membranes and new blood pumps are used with longer durability and reduced blood cell damage. Another approach is the use of an arterio-venous pumpless extracorporeal lung assist (pECLA) using an oxygenator with reduced pressure drop to simplify management and to avoid pump-related complications. First attempts were made to integrate basic control and safety concepts in ECMO circuits, but this does not seem to be sufficient to overcome the specific problems of ECMO (long-term use and limited supervision of the intensive care unit). The integration of sophisticated automated control and safety concepts in combination with revised ECMO circuits could allow a more reliable application of ECMO of the intensive care unit without continuous observation by a perfusionist. Easier intra- and interhospital transfer of patients with running ECMO would be another advantage.

Fault Identification in a Blood Pump Using Neural Networks

This paper compares two fault identification implementations based on a neural network and a model based approach. Our worked example is the detection of gas bubbles in the pump head of a centrifugal blood pump. We focus on algorithms applicable on minimal sensor data with a reasonable implementation effort. The approaches were restricted to the desired blood flow and the measured rotational speed of the pump. We evaluated both implementations with data from an ECMO system.

Extrakorporale Zirkulation und Gasaustausch

Bei einem nicht mehr ausreichenden Gasaustausch in der Lunge kann sowohl im Rahmen von operativen Eingriffen als auch als Langzeittherapie ein Membranoxygenator als extrakorporaler Gasaustauscher verwendet werden. Im folgenden Kapitel werden die medizinischen Grundlagen der Therapie sowie die verschiedenen Varianten der Systeme kategorisiert und erklart. Die verwendete Technologie der Hauptkomponenten Membranoxygenator und Blutpumpe, aber auch die weiteren Komponenten des Gesamtgeratesystems bis hin zum Gefaszugang, werden erlautert. Dem schliest sich eine systemtheoretische Modellbildung sowohl der Technikkomponenten als auch ein vereinfachtes dynamisches Modell des biologischen Systems an. Auf dieser Basis werden dann Ansatze fur die Automatisierung und Regelung beschrieben.