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Bibliographic Metadata

Title
Development of a 45W Transcutaneous Energy Transmission System for a Pulsatile Total Artificial Heart / submitted by DI Christoph Alexander Sommer
Additional Titles
Entwicklung einer 45W transkutanen Energieübertragung für einen pulsatilen Total-Herzersatz
AuthorSommer, Christoph Alexander
CensorLanmüller, Hermann
PublishedWien, 2016
Description183 Blätter
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2016
Annotation
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Transkutane Energieübertragung / Total-Herzersatz / pulsatil / induktive Energieübertragung
Keywords (EN)transcutaneous energy transmission / inductive powering / pulstile / total artificial heart
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-8873 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Development of a 45W Transcutaneous Energy Transmission System for a Pulsatile Total Artificial Heart [15.1 mb]
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Abstract (English)

In recent years, electrical driven mechanical circulatory assistance or replacement has become a viable treatment option not only for patients with end stage heart diseases, but also for the treatment of less sick patients. Used as a bridge to transplant or as a destination therapy, patient survival on device has increased significantly over the last years. However, infections and sepsis are still a major cause for adverse events and patient death in mechanical circulatory support. Over the years, the percutaneous line used for electrical power delivery has been repeatedly highlighted as a severe weak point, not only due to infections of the driveline exit site, but also as a source for mechanical failure or accidental mishandling by the patient.

In this work, a transcutaneous energy transfer system is developed. Here, electrical power is transmitted through the intact skin via an inductive link, consisting of an external and an implanted coil constituting an electrical transformer. Since the coils are not mechanicallyfixed, the electrical behavior of the transformer changes with inter coil geometry.

This changing behavior is modeled using simulation and numerical calculation tools. The results are used in a electrical system simulation including the surrounding power electronics needed to drive the inductive link. A new inverter principle is developed and theoretically compared to the prominent inverter topology. Both inverters are set up and measurement results are used to verify the simulation model and its results.

The load of the TET system is a pulsatile flow total artificial heart, the Reinheart TAH. Low electrical losses are considered crucial, in particular at the implanted components since electrical losses translate to heating of surrounding tissue. Additionally, in this implementation of the TET system, no outwards telemetry is needed to ensure safe operation. Instead, the simulation model is used to find an optimal geometry and turn number combination of the two coils, observing mechanical and voltage limits provided by the target systems of the total artificial heart and reducing losses occurring in all implanted components of the TET system.

The system is set up and tested on the bench in an artificial circulatory system simulator (mock loop). The results demonstrated that the voltage boundaries given by the target system are observed. Efficiencies of up to 87.5% at a peak output power of 45W were measured, excluding the losses of the supply voltage generation. In the mock loop test the supply losses were included and total system efficiencies of up to 75% were reached.

The system is used in an animal trial experiment measuring the temperature rise due to the interaction between the electromagnetic field and the tissue surrounding the coils. The results show that the temperature of the tissue surrounding the transmission coil does not exceed from that oft the core animal.

Therefore, it can be concluded that the manufactured system is able to safely deliver 45W to the target system of an artificial heart in vivo. The proposed simulation approach was verified and found suitable for the setup of a transcutaneous energy transfer system under predefined parameters of a target system, including coil sizes, output powers and output voltages.

Abstract (German)

Mechanische Herzunterstützung spielt eine immer wichtiger werdende Rolle bei der Behandlung von Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz. Dabei verschiebt sich der Fokus ebenfalls auf Patienten, deren Erkrankung weniger stark ausgeprägt ist und die zurzeit rein medikamentös behandelt werden. Die mechanischen Herzunterstützungspumpen werden hierbei sowohl zur Überbrückung des Patienten bis zur Transplantation (Bridge to transplant, BTR) als auch als finale therapeutische Maßnahme (Destination therapy, DT) eingesetzt.

Ein Schwachpunkt der eingesetzten Geräte bildet hierbei die perkutane Energieübertragung, bei der mittels eines Kabels elektrischer Gleichstrom zum Implantat geleitet wird. Einerseits ist der Durchtrittspunkt des Kabels durch die Haut an- fällig für Infektionen, die zur Sepsis und zum Tod des Patienten führen können. Anderseits kommt es zu Fehlbedienungen, wie versehentliches Abziehen der Leitung vom Kontroller und zu mechanischen Fehlern durch wiederholtes Biegen oder Knicken des Kabels.

Transkutane Energieübertragung (Transcutaneous energy transmission, TET) vermeidet die angesprochenen Probleme. Die elektrische Leistung wird dabei mittels induktiver Kopplung durch die geschlossene Haut übertragen. Eine externe und eine implantierte elektrische Spule bilden hierzu einen Transformator, dessen elektrische Eigenschaften sich allerdings mit den veränderlichen geometrischen Bedingungen ändern. Hierzu gehören zum Beispiel der Abstand der Spulen und die Ausrichtung der Spulen zueinander. Um ein solches System elektrisch auslegen zu können, wird in dieser Arbeit der induktive Übertrager (Transformator) mittels Simulationen und numerischer Berechnungen modelliert. Das Transformatormodell wird anschließend verwendet, um die externe und implantierte Leistungselektronik auszulegen. Hierzu wird ein neuer Umrichtertyp vorgestellt, dessen Schaltprinzip und theoretische Effizienz mit etablierten Umrichtertypen verglichen wird. Die Umrichtertypen werden in Simulationen modelliert und aufgebaut, so dass die Resultate der Simulation mit den Messergebnissen verifiziert werden können.

Das System wird so ausgelegt, um ein pulsatiles total Herz-Ersatz (Total artificial heart, TAH) zu versorgen. Eine hohe Effizienz, insbesondere der implantierten Komponenten, ist dabei wichtig, um umliegendes Gewebe nicht unnötig zu erwärmen. Des Weiteren soll keine Telemetrie von innen nach außen verwendet werden, deren Ausfall eine zusätzliche Gefahrenquelle darstellt. Die Simulationsmodelle werden dazu verwendet, eine ideale Spulengeometrie und -windungszahl zu finden. Hierbei müssen mechanische und elektrische Vorgaben des Zielsystems beachtet werden.

Das System wird aufgebaut und in einem künstlichen Kreislaufsimulator getestet. Bei einer Ausgangsleistung von 45 W beträgt der maximale Wirkungsgrad des Umrichters 87.5 %. Werden die Verluste der Versorgungseinheit mit eingerechnet, beträgt der Wirkungsgrad noch 75 % (DC Eingang zu DC Ausgang).

Das System wird weiterhin in einem Tierversuch getestet. Hierbei wird auch die Temperaturerhöhung im umliegenden Gewebe gemessen, die aufgrund der Absorption des elektromagnetischen Feldes und durch Wärmeleitung zu erwarten ist. Die Ergebnisse zeigen, dass an keinem der gemessenen Punkte die Kerntemperatur des Versuchstieres überschritten wird. Somit ist das erstellte System in der Lage, in vivo 45 W in der Spitze und 20 W im Durchschnitt zum Zielsystem zu übertragen.

Der verwendete Simulationsansatz wird hierdurch verifiziert und kann unter Vorgabe verschiedener Parameter, wie der Spulengrößen, Ausgangsspannung und Ausgangsleistung, für weitere Systeme verwendet werden.

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