CAD ist da, wo das Herz schlägt: 3D-Modellierung für Kunstherzen

Kunstherzen und 3D-Konstruktion

PLS KunstherzEs überrascht nicht, dass die 3D-Modellierung in vielen Bereichen der Produktentwicklung – von Fahrzeugteilen über Haushaltsgeräte bis hin zu medizinischen Geräten – verwendet wird. Möglicherweise eines der aufregendsten Anwendungsgebiete der 3D-Modellierung ist die Konstruktion von Kunstherzen, und die 3D-CAD-Modellierungssoftware Creo ist bei der Entwicklung dieser fortschrittlichen Technologie an vorderster Front dabei.

Der Bedarf an Kunstherzen

Einige statistische Angaben zu Herztransplantationen und zum zunehmenden Bedarf an künstlichen Herzen:

  • Herzleiden sind gemäß der Weltgesundheitsorganisation weltweit die führende Todesursache und jährlich für 7,4 Millionen Todesfälle verantwortlich.
  • Der Bedarf an Spenderherzen steigt stetig, aber die Zahl der verfügbaren Herzen stagniert bzw. sinkt.
  • In den USA warten 4.000 Menschen und in der Europäischen Union über 3.000 auf Spenderherzen (Schätzwerte des Ministeriums für Gesundheitspflege und Soziale Dienste der Vereinigten Staaten und des Gesundheitsportals der Europäischen Kommission).
  • Kunstherzen wurden hauptsächlich zur Überbrückung verwendet, um Patienten am Leben zu erhalten, bis ein Spenderherz verfügbar wird. Seitdem vor 45 Jahren erstmals lebensfähige Kunstherzen entwickelt wurden, wurden nur 1.413 implantiert (ungefähr 30 pro Jahr).

Ärzte ziehen ventrikuläre Unterstützungssysteme, die die Pumpfähigkeit des Patientenherzens unterstützen, vollständig künstlichen Herzen aus den folgenden Gründen vor:

  • Kunstherzen werden oft vom Körper des Patienten abgestoßen.
  • Sie können die Durchblutung beeinträchtigen und einen Schlaganfall auslösen.
  • Sie sind sehr kostspielig (in der Größenordnung von $ 250.000,-).
  • Ein künstliches Herz ist in der Regel doppelt so groß wie ein menschliches Herz.
  • Es besteht ein hohes Infektionsrisiko; je mehr Komponenten implantiert werden, desto höher das Risiko.

3D-Modellierung und Konstruktion von Kunstherzen

Für die Entwicklung der nächsten Generation von Kunstherzen, bei denen diese Probleme gelöst werden sollen, verwenden Takashi Isoyama und sein Forschungsteam an der Graduate School der Universität Tokio 3D-CAD-Software für die Modellierung des Herzens, einschließlich einer Animation, die den Blutfluss durch das Herz zeigen kann. Mithilfe von 3D-Modellen konnte die Konstruktion der Schaufeln der Turbopumpe im Vergleich zu 2D-CAD beschleunigt werden.

Das Team der Universität Tokio verwendete die Creo Software, um eine berührungslose Rotationspumpe mit einer Welle und einem Lager zu konstruieren. Laut Isoyama konnte der Prozess durch die 3D-Modelle beschleunigt werden, und es war einfacher, die Pläne in rechnergestützte Entwicklungssoftware wie ANSYS zu exportieren, um mit dem nächsten Schritt, der Präzisionsbearbeitung der Teile, fortzufahren.

Das von Isoyama entwickelte Kunstherz, ein vollständig künstliches Herz mit hydrodynamischer, freischwebender Pumpe, wurde bereits einer Ziege transplantiert (die 100 Tage überlebte, was einen Rekord darstellt), und das letzte Modell, das in einem Tierversuch getestet wird, könnte 2016 fertig werden. Fünf oder mehr Jahre später könnte ein Modell für die Transplantation bei einem Menschen folgen.

PTC ist stolz darauf, mit seinen Fortschritten in der 3D-Modellierung und Simulation einen Beitrag zur Kunstherz-Technologie zu leisten, die in der Zukunft Leben retten wird.

Bilder mit freundlicher Genehmigung der Universität Tokio