Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die Fragestellung, wie bei herzchirurgischen Operationen unter Verwendung der extrakorporalen Zirkulation (EKZ) das Risiko postoperativer Organschäden, die durch unerkannte Phasen der Minderperfusion während der Operation entstehen kön-nen, minimiert werden kann. Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, die Operation durch ein standardisiertes, aber dennoch patientenspezifisches EKZ-Regime zum einen sicherer und zum anderen möglichst schonend für den Patienten zu gestalten. Dazu ist es notwendig, die Informationsbasis des Kardiotechnikers über den Patientenzustand für die Entscheidungen zur Regelung der Herz-Lungen-Maschine (HLM) erheblich zu erweitern. Dies leistet das im Rah-men dieser Arbeit entwickelte Beobachtersystem, das intraoperativ aus den direkt meßbaren Größen weitere, nicht meßbare Größen schätzt. Zur Entwicklung dieses Beobachtersystems wurde zunächst ein Modell des Patienten mit dem Schwerpunkt Hämodynamik unter Berücksichtigung der Randbedingungen der EKZ erstellt. Das Patientenmodell enthält eine sehr detaillierte, anatomisch korrekte Beschreibung des arteriellen Körperkreislaufs sowie wesentliche Regulationsmechanismen zur Aufrechterhaltung der Hämodynamik. Damit liegt eine zeitlich hochauflösende Darstellung der hämodynamischen Größen Blutdruck und - fluß für jedes im Modell enthaltene Gefäß vor. Darüber hinaus werden Stoffwechselprozesse, die in engem Zusammenhang mit dem Kreislauf stehen, wie z. B. die Blutgase und der Säure-Basen-Status des Blutes oder der Flüssigkeits- und Elektrolythaushalt modelliert. Grundsätzlich neu ist ferner die Berücksichtigung der Anästhesieeinflüsse sowie der individuell verschiedenen Begleiterkrankungen herzchirurgischer Patienten. Dieses Modell des Patienten unter EKZ wurde als Basis für den Entwurf eines Beobachtersystems verwendet. Es wurden Beobachter-Strukturen für die Hämodynamik, die Blutgase, den Säure-Basen-Status und die Elektrolyte sowie ein Schätzer für den Flüssigkeitsstatus entwickelt. Diese Größen stehen bisher teilweise gar nicht zur Verfügung, da die Meßorte prinzipiell nicht zugänglich sind, und sind teilweise nur in großen Zeitabständen (Blutanalyse im Labor) verfügbar. Damit werden die Grundlagen für eine intraoperative Ergänzung der Patientenüberwachung und für die Entwicklung von neuartigen Regelungskonzepten für die HLM gelegt. Zum Beobachterentwurf für die hämodynamischen Variablen wurden zwei Verfahren angewendet: ein klassischer Ansatz nach Luenberger sowie ein im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelter regelbasierter Ansatz. Es konnte gezeigt werden, daß der regelbasierte Ansatz als einziger geeignet für die Implementierung in einem Echzeit-System ist, da er als entscheidenden Vorteil eine gegenüber dem Luenberger-Beobachter deutlich reduzierte Rechenzeit aufweist. Ein weiterer Vorteil des regelbasierten Ansatzes ist, daß die maximalen Schätzfehler kleiner sind als beim Luenberger-Beobachter. Beim Beobachterentwurf für die Blutgase und den Säure- Basen-Status wurde für jedes der Teilsysteme Sauerstoff, Kohlendioxid und Säure-Basen-Status eine eigene, ebenfalls regelbasierte Beobachterstruktur entworfen. Mit diesen ist man nun in der Lage, die Meßwerte für die Variablen der Blutanalyse besser anzunähern und zusätzlich nicht meßbare Größen wie z. B. den Sauerstoffverbrauch oder die Summenkonzentration der Proteinat- und Phosphatpuffer im Blut zu schätzen. Der Schätzer für den Flüssigkeitsstatus des Patienten besteht aus zwei Teilen: Volumenbilanz und Blutbilanz. Er berücksichtigt Meßsignale wie das Urinvolumen im Urinreservoir und das Blutvolumen im venösen Beutelreservoir, die bisher nicht im Rahmen des Standard- Patientenmonitoring erfaßt werden. Das resultierende System wurde schließlich auf einer Echtzeit-Entwicklungsumgebung implementiert und über die HLM an das reale System Patientenkreislauf unter EKZ angebunden. Mit der in dieser Arbeit realisierten Implementierung des Beobachtersystems auf der dSpace-Plattform steht erstmals der Prototyp eines solchen Systems zur Verfügung, das während der Operation erhobene Meßdaten in die Simulation integriert, diese in Echtzeit ausführt sowie die geschätzten Größen über eine intuitiv bedienbare Benutzeroberfläche visualisiert. Da die Evaluierung dieses Beobachtersystems am Menschen aus technischen und ethischen Gründen nicht möglich ist, wurde das Kreislaufsystem eines Hausschweins analog zu dem des Menschen modelliert und Meßdaten aus einem Tierexperiment zur Evaluierung herangezogen. Mit diesem Modell, aber auch mit dem vorgestellten Patientenmodell, ist man nun in der Lage, Tierversuche in der medizinischen Forschung teilweise zu ersetzen beziehungsweise deren Zahl zu reduzieren.weiterlesen