Einleitung
Die Hemovent GmbH aus Aachen ist eine innovative Medizintechnikfirma, die sich auf Anwendungen im Bereich der Extrakorporalen Membranoxygenierung (EKMO) spezialisiert hat. Mit ihrem einzigartigen Ansatz entwickelt die Firma eine tragbare Herz-Lungen-Maschine, die ohne Motoren, Akkus oder komplexe Elektronik auskommt (Bild 1). Dies macht das System besonders robust und ideal für mobile Anwendungen wie den Einsatz in Rettungshubschraubern. Hemovent hat sich zum Ziel gesetzt, ihre Produkte kontinuierlich zu verbessern, um den wachsenden Anforderungen im medizinischen Bereich gerecht zu werden.
Optimierung einer Kunststoff-Blutpumpe
Kernstück des Systems ist die Blutpumpe, die ausschließlich durch den Gasdruck aus einer Sauerstoffflasche betrieben wird. Eine elastische Membran im Inneren der Pumpe wird durch den Druck bewegt, um das Blut auf der einen Seite anzusaugen und auf der anderen Seite auszustoßen. Ein bistabiler Schaltmechanismus sorgt dafür, dass die Saug- und Pumpseite ständig wechseln (Bild 2). Über einen einfachen Controller wird der Gasfluss gesteuert, wodurch das geförderte Blutvolumen reguliert wird. Das Blut wird im sogenannten Oxygenator (künstliche Lunge) mit Sauerstoff angereichert, um die Versorgung des Patienten sicherzustellen.
Zur Optimierung der Pumpe arbeitete Hemovent mit der Tribecraft AG aus Zürich zusammen, welche im Bereich Design, Engineering und Systemtechnik Innovationsdienstleistungen auf höchstem Niveau erbringen. Ziel war es, die Förderleistung der Pumpe zu steigern und die Widerstandsfähigkeit gegen höhere Gasdrücke zu erhöhen. Hierfür wurden umfangreiche Simulation durchgeführt (Bild 3), um die Belastungen unter verschiedenen Druckverhältnissen zu analysieren. Drucksensoren auf der Gas- und Blutseite ermöglichten eine genaue Ermittlung der Lasten im Pump- und Saugzustand.
Anhand der verfügbaren, nichtlinearen und temperaturabhängigen Materialeigenschaften in MatScape wurden Materialkarten erzeugt und Wöhler-Linien direkt abgeschätzt (Bild 4). Damit wurden Spannungen berechnet und kritische Stellen identifiziert. Mithilfe der Software S-Life Plastics wurde der Auslastungsgrad für die erforderliche Lebensdauer ermittelt (Bild 5). Praktische Tests unter extremen Bedingungen verifizierten diese Ergebnisse, indem das System bis zur Bildung von Rissen unter zyklischer Belastung betrieben wurde. Diese Tests ermöglichten eine Kalibrierung der theoretischen Berechnungen mit dem realen Verhalten.
Durch gezielte Verstärkungen an den kritischen Stellen konnte das Spannungsniveau signifikant gesenkt werden (Bild 6). Die Lebensdauertests wurden nach einer Design Iteration erfolgreich bestanden. Dabei zeigte sich, dass nicht nur die Höhe des Auslastungsgrades entscheidend ist, sondern auch die Größe der beanspruchten Fläche und der Spannungsgradient innerhalb des Bauteils. So war der kritischste Ort nicht jener mit den höchsten Spannungen. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden direkt in die Entwicklung der nächsten Pumpengeneration integriert.
Fazit
Die Zusammenarbeit zwischen Hemovent GmbH, Tribecraft AG und PART Engineering war ein voller Erfolg. Dank präziser Simulationen, Materialanalysen und zielgerichteter Optimierungen konnte die Pumpe sowohl in ihrer Leistung als auch in ihrer Haltbarkeit deutlich verbessert werden. Die innovative Nutzung von Software und der gezielte Austausch zwischen den Partnern haben die Entwicklung beschleunigt und eine effiziente Lösung ermöglicht. Die optimierte Pumpengeneration setzt neue Maßstäbe für mobile EKMO-Systeme.
Autor:
Leon Robers, Entwicklungsingenieur, Tribecraft AG, Zürich
