Kooperative und autonome Systeme der Medizintechnik

Funktionswiederherstellung und Organersatz

Jürgen Werner

• Publisher: De Gruyter Oldenbourg
• Year: 2014
• Print ISBN: 9783486275599
• eBook ISBN: 9783486816105
• Edition: 1
• Topic: Naturwissenschaften
• Subtopic: Optik & Licht

Die Automatisierungstechnik leistet vor allem mit ihren methodischen Ansätzen Systemanalyse, Steuerung, Regelung, Optimierung und Systemsynthese entscheidende Beiträge zu neuartigen Therapieerfolgen in der Medizin. Dieses Buch beschreibt die Wiederherstellung menschlicher Funktionssysteme (z.B. Herz-/Kreislaufsystem, Atmungssystem) durch technische Systeme. Ebenso liefert es übergeordnete Gesichtspunkte biomedizinischer Systeme sowie eine knappe Zusammenstellung des system- und regelungstheroretischen Basiswissens. Univ. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Werner, 1960-1966 Studium der Elektrotechnik/Regelungstechnik an der Technischen Universität Darmstadt (TUD), 1966-1970 Wiss. Mitarbeiter am Institut für Physiologie der Universität Frankfurt/M., 1970 Promotion zum Dr.-Ing. an der TUD, 1970-1975 Wiss. Mitarbeiter am Institut für Physiologie der Ruhr-Universität Bochum (RUB), 1975 Habilitation für Physiologie, 1975 Professor für Elektrophysiologie, 1996 Berufung auf den Lehrstuhl für Biomedizinische Technik der Medizinischen Fakultät der RUB.

Table of contents

• 1 Einführung in die Grundlagen autonomer Systeme der Medizintechnik (J. Werner)
• 1.1 Zielsetzungen und Gegenstände der Biomedizinischen Technik/Medizintechnik
• 1.2 Kooperative und autonome Systeme in der Medizintechnik
• 1.2.1 Automatisierungstechnik in der Medizin
• 1.2.2 Automatisierungstechnisches Ziel: Funktionswiederherstellung und Organersatz
• 1.2.3 Analogie Prozessiuhrungssystem/Patienten-Arzt-Maschine-System
• 1.2.4 Rolle der Computersimulation
• 1.3 Prinzipien biologischer Regelungssysteme
• 1.3.1 Physiologische Organisationshierarchien
• 1.3.2 Proportionale Regelung
• 1.3.3 Neuronale Regulation: Das autonome Nervensystem
• 1.3.4 Hormonale Regulation: Das endokrine System
• 1.3.5 Regelabweichungen
• 1.3.6 Sollwertverstellungen
• 1.4 Grundbegriffe der System- und Regelungstheorie
• 1.4.1 Dynamische Systeme
• 1.4.2 Mathematische Beschreibung von dynamischen Systemen
• 1.4.3 Kennfunktionen von linearen dynamischen Systemen
• 1.4.4 Eigenschaften von Regelkreisen
• 1.4.5 Erweiterungen des Regelkreises
• 1.4.6 Fuzzy-Control und neuronale Netze
• 1.5 Zum Weiterlesen
• 2 Wiederherstellung von Herz-Kreislauf-Funktionen (J. Werner)
• 2.1 Struktur und Funktion des Herz-Kreislauf-Systems
• 2.1.1 Elektrik des Herzens
• 2.1.2 Mechanik des Herzens
• 2.1.3 Das Kreislauf-System
• 2.1.4 Anpassungsmechanismen des Herzens
• 2.1.5 Regelung des Herz-Kreislauf-Systems
• 2.2 Pathophysiologische Störungen und Defekte des Herz-Kreislauf-Systems
• 2.2.1 Defekte, die durch passive Implantate beseitigt werden können
• 2.2.2 Erkrankungen, die durch aktive technische Systeme beseitigt werden können
• 2.3 Der Bedarfs-Herzschrittmacher
• 2.3.1 Reizschwellenbedingungen
• 2.3.2 Die bisherige Entwicklung
• 2.3.3 Transvenöse Implantation
• 2.3.4 „Pacing-“ und „Sensing“-Funktionen und Schrittmachercode
• 2.3.5 Die Hardware
• 2.3.6 Programmierbare Modi und Parameter
• 2.3.7 Links- und biventrikuläre Stimulation
• 2.3.8 Antitachykarde Stimulation
• 2.4 Sensorgesteuerte Herzschrittmacher
• 2.4.1 Der ideale chronotrope Schrittmacher
• 2.4.2 Steuerungen („Open-Loop“)
• 2.4.3 Nutzung der Kopplung der Herz-Kreislauf-Regulation mit anderen Regelkreisen
• 2.4.4 Closed-Loop-Schrittmacher: Der dromotrope Schrittmacher
• 2.4.5 Closed-Loop-Schrittmacher: Inotrope Schrittmacher
• 2.4.6 Zusammenfassende Wertung und Ausblick
• 2.5 Herz-Kreislauf-Modelle für die Kardiotherapie
• 2.5.1 Das große Kreislauf-Modell von Guyton
• 2.5.2 Das pulsatile Biomed-Modell
• 2.6 Defibrillatoren
• 2.6.1 Schaltungstechnische Grundlagen
• 2.6.2 Automatisierte externe Defibrillatoren (AED)
• 2.6.3 Der automatische implantierbare Kardioverter/Defibrillator (AICD)
• 2.7 Die Herz-Lungen-Maschine
• 2.7.1 Aufbau und Komponenten der Herz-Lungen-Maschine
• 2.7.2 Automatisierung der Herz-Lungen-Maschine
• 2.8 Kreislauf-Unterstützungssysteme und das künstliche Herz
• 2.8.1 Intra-aortale Ballonpumpe (IABP
• 2.8.2 Nichtpulsatile Systeme: Rotationspumpen
• 2.8.3 Extrakorporale Unterstützungssysteme
• 2.8.4 Intrakorporale Unterstützungssysteme
• 2.8.5 Das künstliche Herz
• 2.8.6 Spezifische Automatisierungsansätze
• 2.9 Präsentation von Spenderherzen
• 2.9.1 Kardioplege Lösung oder Blutkardioplegie
• 2.9.2 Regelungstechnische Maßnahmen fur das explantierte Herz
• 2.10 Zum Weiterlesen
• 3 Wiederherstellung von respiratorischen Funktionen
• 3.1 Physiologische und pathophysiologische Grundlagen der Atmungsfunktion (K. Mückenhoff)
• 3.1.1 Grundzüge der Atmungsphysiologie
• 3.1.2 Atemmechanik und Lungenvolumina
• 3.1.3 Ventilation und Gasaustausch
• 3.1.4 Gastransport im Blut
• 3.1.5 Atmungsregulation
• 3.1.6 Zum Weiterlesen
• 3.2 Grundlagen der Beatmungstechnik/Automatisierungstechnische Probleme und Lösungen (F. Dietz)
• 3.2.1 Aufgaben von Beatmungsgeräten und Atemhilfen
• 3.2.2 Umsetzung von Beatmungsformen
• 3.2.3 Technik aktueller Beatmungsgeräte
• 3.2.4 Synchronisation zwischen Atmung und Beatmung
• 3.2.5 Einschränkungen heutiger Beatmungsverfahren
• 3.2.6 Zukünftige Entwicklungen
• 3.2.7 Leckagekompensation für die nicht-invasive volumenkonstante Beatmung als regelungstechnisches Beispiel
• 3.2.8 Zum Weiterlesen
• 3.3 Grundlagen der Narkosetechnik/Automatisierungstechnische Probleme und Lösungen (O. Simanski)
• 3.3.1 Einleitung
• 3.3.2 Klassifizierung der Inhalationsnarkosesysteme
• 3.3.3 Beatmung unter Narkose
• 3.3.4 Zukünftige Entwicklungen
• 3.3.5 Regelungsentwurf am Beispiel der neuromuskulären Blockade
• 3.3.6 Zum Weiterlesen
• 4 Wiederherstellung von Nierenfunktionen (M. Krämer)
• 4.1 Nierenfunktionen und Nierenerkrankungen
• 4.2 Grundlagen der Hämodialyse
• 4.3 Zugang zum Blutkreislauf
• 4.3.1 Methoden und Probleme des Gefäßzugangs
• 4.3.2 Die Rezirkulationsmessung
• 4.3.3 Die Messung des Flusses zum Gefäßzugang
• 4.3.4 Die Messung des Druckes im Gefäßzugang
• 4.4 Toxinentzug
• 4.4.1 Grundlagen des Toxinentzugs
• 4.4.2 Steuerung der Effizienz der Dialyse
• 4.4.3 Quantifizierung des Toxinentzugs
• 4.4.4 Die Online-Clearance-Messung
• 4.5 Flüssigkeits- und Ernährungsstatus
• 4.5.1 Flüssigkeitsräume im Körper
• 4.5.2 Klinische Relevanz der Flüssigkeitsbilanzierung
• 4.5.3 Definition des Trockengewichts
• 4.5.4 Relevanz des Ernährungsstatus
• 4.5.5 Methoden zur Bestimmung des Flüssigkeitsstatus
• 4.5.6 Die Bioimpedanzmessung
• 4.5.7 Evaluierung der Messmethoden
• 4.6 Strategien zur Kreislaufstabilisierung
• 4.6.1 Kreislaufbelastung durch die Dialysetherapie
• 4.6.2 Blutdruckregulation beim Dialysepatienten
• 4.6.3 Allgemeine Maßnahmen zur Kreislaufstabilisierung
• 4.6.4 Die Profildialyse
• 4.6.5 Externe Blutdruckregelung
• 4.6.6 Die Blutvolumenregelung
• 4.6.7 Die Körpertemperaturregelung
• 4.6.8 Physiologische Regelung und Patientensicherheit
• 4.6.9 Weiterentwicklungen der Konzepte zur Kreislaufstabilisierung
• 4.7 Weitere Konzepte und Ausblick
• 4.8 Zum Weiterlesen
• 5 Wiederherstellung von Pankreasfunktionen (K. Rebrin)
• 5.1 Biologische Regelung der Glucosehomöostase
• 5.1.1 Physiologische Rolle des Pankreas
• 5.1.2 Zentrale Rolle des Insulins für den Stoffwechsel
• 5.2 Störungen der Insulinbereitstellung
• 5.2.1 Syndrom des Diabetes mellitus
• 5.2.2 Folgen einer gestörten Glucosebalance
• 5.3 State-of-the-Art der Insulintherapie
• 5.3.1 Bereitstellung und Verabreichung des Insulins
• 5.3.2 Glucosemessmethoden zur Behandlung des Diabetes Mellitus
• 5.3.3 Intensivierte Insulintherapie
• 5.4 Artifizielles Pankreas
• 5.4.1 Biologischer Ersatz der Pankreasfunktion
• 5.4.2 Technisches Pankreas
• 5.5 Zum Weiterlesen
• 6 Wiederherstellung motorischer Funktionen (R. Riener)
• 6.1 Einleitung
• 6.1.1 Motivation
• 6.1.2 Rückblicke
• 6.1.3 Kapitelübersicht
• 6.2 Die menschliche Motorik
• 6.2.1 Anatomie des menschlichen Bewegungsapparats
• 6.2.2 Von der Erregung zur Segmentbewegung
• 6.2.3 Natürliche Bewegungskontrolle
• 6.3 Bewegungspathologien und -Wiederherstellung
• 6.3.1 Pathologien der menschlichen Motorik
• 6.3.2 Natürliche Mechanismen der Bewegungswiederherstellung
• 6.3.3 Technische Methoden der Bewegungswiederherstellung
• 6.4 Ausgewählte Beispiele der Bewegungswiederherstellung
• 6.4.1 Techniken der klinischen Bewegungstherapie
• 6.4.2 Motorische Neuroprothesen
• 6.4.3 Künstliche Gliedmaßen (Exoprothesen)
• 6.4.4 Weitere Techniken der Mobilitätsunterstützung
• 6.5 Bewertung
• 6.5.1 Natürliche versus künstliche Bewegungswiederherstellung
• 6.5.2 Kopie versus Ersatz natürlicher Bewegungen
• 6.5.3 Probleme und Chancen
• 6.6 Zum Weiterlesen
• 7 Wiederherstellung von Sehfunktionen (P. Walter)
• 7.1 Einleitung
• 7.2 Netzhaut und Sehvorgang
• 7.3 Retinitis pigmentosa (RP)
• 7.4 Therapieansätze der Retinitis pigmentosa
• 7.5 Ansätze für ein Retina Implantat
• 7.5.1 Der subretinale Ansatz
• 7.5.2 Der epiretinale Ansatz
• 7.6 Tierexperimentelle Untersuchungen
• 7.6.1 Biokompatibilitätsstudien
• 7.6.2 Chirurgische Machbarkeit
• 7.6.3 Studien zur kortikalen Aktivierung
• 7.7 Klinische Studien
• 7.8 Perspektiven - Können wir Blinde sehend machen?
• 7.9 Zum Weiterlesen
• 8 Wiederherstellung von Hörfunktionen (H. Hudde)
• 8.1 Einleitung
• 8.2 Das menschliche Hörorgan
• 8.2.1 Einige akustische und mechanische Grundbegriffe
• 8.2.2 Außen- und Mittelohr
• 8.2.3 Innenohr und Hörbahn
• 8.3 Normales und gestörtes Hören
• 8.3.1 Lautstärkewahmehmung
• 8.3.2 Hören bei störendem Schall
• 8.3.3 Möglichkeiten einer Hörversorgung
• 8.4 Hörgeräte
• 8.4.1 Hörgerätetypen und -komponenten
• 8.4.2 Digitale Signalverarbeitung
• 8.5 Vibratorische Hörhilfen
• 8.5.1 Knochenleitungs-Hörgeräte
• 8.5.2 Aktive Mittelohr-Implantate
• 8.6 Kochlea- und Himstamm-Implantate
• 8.7 Zusammenfassung und Ausblick
• 8.8 Zum Weiterlesen
• Sachverzeichnis