Automatic control of isolated organ perfusion / Automatische Regelung der isolierten Organperfusion

Abstract

If provided with adequate physiological conditions explanted hearts may continue to operate in the regular beating mode. This property offers the opportunity to substitute extensive animal experiments by investigations on the isolated organs. At the same time it enables the development of an alternative method for the transport of donor hearts for transplantation. Experimental setups for both applications are described in this paper. The focus is laid on the optimisation of handling and effectiveness of these setups by means of automatic control. The method for investigating the controlled system („plant”) for blood gas exchange, and especially the determination of the transfer function for the partial pressure of oxygen are described. The plant was triggered with stepwise changes on the gas side at several operating points. A first order lag element with time delay was chosen as approximation of every transfer function. The parameter ‘time delay’, ‘gain of the plant’ and ‘time constant’ were analysed as to the dependency on blood flow rate, gas flow rate and partial pressure of oxygen at the blood outlet of the oxygenator. As a result an equation was found to calculate the time delay from gas flow rate and blood flow rate. Correlation of gain and time constant with parameters of the plant were obtained, too. The data is used for the design of a controller, adapting to the different operating points of the plant.

Explantierte Herzen können durch Schaffung physiologischer Bedingungen isoliert im regulären schlagenden Modus betrieben werden. Diese Eigenschaft bietet die Möglichkeit, umfangreiche Ganztierversuche durch Untersuchungen am isolierten Organ zu ersetzen. Gleichzeitig ergibt sich dadurch eine alternative Organtransportmethode für Herztransplantationen. Dieser Beitrag stellt zwei Experimentalaufbauten zu den genannten Anwendungsmöglichkeiten vor. Mit Hilfe der Automatisierungstechnik soll die Handhabung und Wirkungsweise der Aufbauten optimiert werden. Detailliert wird dabei die Vorgehensweise zur Untersuchung der Blutgasregelstrecke, insbesondere der Regelstrecke für den Sauerstoffpartialdruck dargestellt. Die Regelstrecke für den Sauerstoffpartialdruck wurde in mehreren Arbeitpunkten durch sprungförmige Veränderung der Eingangsvariablen auf der Gasseite angeregt. Jede Übergangsfunktion wurde durch ein Verzögerungsglied 1. Ordnung mit Totzeit angenähert. Die Kenngrößen Totzeit, Streckenverstärkung und Zeitkonstante der Übergangsfunktionen wurden auf Abhängigkeit von Blutfluss, Gasfluss und Sauerstoffpartialdruck am Ausgang des Oxygenators untersucht. Dabei konnte für die Totzeit eine Berechnungsformel in Abhängigkeit von den Flüssen hergeleitet werden. Auch für die anderen Kenngrößen konnten Zusammenhänge mit Parametern der Regelstrecke gezeigt werden. Mit den gewonnenen Daten wird ein Regler, der die verschiedenen Zustände der Regelstrecke berücksichtigt, realisiert.