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TU Berlin

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Erweiterung der Software eines Herzsimulators von einem Zweikammer in ein Dreikammer-Modell

Betreuer: Dr.-Ing. W. Roßdeutscher

Bearbeiter:
Anne Bahnemann

Herzschrittmacher und implantierbare Kardioverter-Defibrillatoren unterstützen bei Herzrhythmusstörungen die Herzfunktion. Mittels Stimulation des Herzmuskels durch elektrische Impulse kann ein Herzrhythmus erreicht werden, der dem des gesunden Herzen ähnelt.
Um die klinische Wirksamkeit nachweisen zu können und pathologische Fälle zu simulieren, werden Herzsimulatoren eingesetzt. Diese Simulatoren können parametrisiert werden und somit unterschiedliche Herzrhythmusstörungen nachstellen. Durch ihren Einsatz wird ein fehlerfreies Verhalten der Geräte sichergestellt ohne dabei einen echten Patienten zu gefährden.
In dieser Arbeit wurde der vorgegebene Zweikammer-Simulator zu einem Dreikammersimulator erweitert, wodurch sich neben Ein- und Zweikammer-Geräten auch Dreikammersysteme anschließen und testen lassen. Für die Erweiterung mussten die Software-Komponenten des verwendeten Mikrocontrollers MSP430 und der Benutzeranwendung betrachtet werden. Der Methodenkanon der Richtlinie VDI 2221 und das Wasserfallmodell der objektorientierten Softwareentwicklung wurden als Leitfäden zur Abarbeitung der Aufgabenstellung gewählt.
Ausgangspunkt zur Modellierung des benötigten Herzmodells bildeten die Dokumentation des Zweikammer-Simulators, die Anatomie des Herzens mit dem Erregungsbildungs- und -leitungssystem und daraus ableitbare Herzrhythmusstörungen, welche durch den Simulator reproduzierbar gemacht werden sollten. Das Erstellen eines Pflichtenhefts half die einzelnen Anforderungen an das Dreikammer-Modell zu priorisieren.
Der Zweikammer-Simulator stellte zahlreiche Zustandsdiagramme der einzelnen Erregungszentren und Abhängigkeiten zur Verfügung und konnte in großen Teilen als Vorlage für die Modellierung des linken Ventrikel verwendet werden. Erkrankungen der Erregungsleitung führen zu neuen Abhängigkeiten der Erregungszentren untereinander und mussten berücksichtigt werden. Ein Beispiel bilden inkomplette Schenkelblöcke, die zu einer intraventrikuläre Erregung führen können. Überarbeitete und hinzugefügte Zustandsdiagramme bildeten die Basis zur Implementierung des Dreikammer-Modells. Für die Host-Applikation wurden neben der Anpassung an das Dreikammer-Modell einige hilfreiche Optionen implementiert. So können die empfangenen Daten serialisiert und als Reportdateien im XML-Format gespeichert und in einem hinzugefügten Benutzerdialog dargestellt und ausgewertet werden. Zusätzlich wurden den Projektdateien eine Versionierung hinzugefügt und die Programmstruktur durch Kommentare übersichtlicher gestaltet.
Bei der Bearbeitung zeigte sich jedoch auch das Potenzial des Simulators für künftige Erweiterungen, wie beispielsweise das Einfügen des Summenvektors für die Berechnung der Signale. Zusammenfassend erfüllt der erweiterte Simulator die geforderten Anforderungskriterien und wurde für weitere Implementierungen durch Platzhalter im Quellcode vorbereitet.

Software Enhancement of a Two-ventricle Heart Simulator in a Three-ventricle Model

A Cardiac disease can interfere with the heart's natural rhythm, which can be caused by multiple reasons. Malfunctions in the cardiac conduction System may cause incomplete bunde branch blocks too complete blockades. The result of these pathological phenomena can be a slowed or irregulär heartbeat. These arrhythmias can be divided in bradycardia and tachycardia. A pacemaker can support or Supplement the hearts function. Modern implants can be adapted to numerous specific malfunction of the heart. Cardiac Simulators provide assistance in the developement and validation of pacemaker and implantable defibrillator functions. To examine the functions of different implants it is therefore necessary to develop a cardiac modell dose to the function of the human heart.
The objective of this research is the enhancement of a two-chamber-cardiac Simulator into a three-chamber-cardiac-simulator using the microcontroller MSP430 from Texas Instruments. While extending this modell, the host-application to simulate different cases also needed to be edited. The modfications were programmed in the languages C for the microcontroller and C^ for the host-application. The development process is shown via UML diagrams and code snippets. Decisions were based on the structure of the heart and reactions to different cardiac diseases.

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