Regelungssysteme in der Medizintechnik

07.12.2016

Regelungssysteme in der Medizintechnik

etit-Alumnus und Humanmediziner Steffen Leonhardt hält Vortrag

Nicht nur technische Systeme zeichnen sich durch komplexe Regelungssysteme aus, auch im menschlichen Körper werden etwa Temperatur, pH-Wert und CO2 im Blut intelligent im Einklang gehalten. In der Medizintechnik werden Patienten und Geräte immer stärker durch Regelungssysteme vernetzt.

Im vollbesetzten Hörsaal berichtete Steffen Leonhardt von der Forschung in der Medizintechnik. Bild: Hagen Schmidt
Im vollbesetzten Hörsaal berichtete Steffen Leonhardt von der Forschung in der Medizintechnik. Bild: Hagen Schmidt

Steffen Leonhardt, Professor an der RWTH Aachen studierte am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik in Darmstadt und promovierte bei Rolf Isermann. Aber damit noch nicht genug: Leonhardt erwarb darüber hinaus als Diplom-Ingenieur auch noch in der Humanmedizin einen Doktorgrad an der Frankfurter Goethe-Universität. Eine perfekte Voraussetzung für ergiebige Forschung im Bereich der Medizintechnik.

Regelungssysteme gibt es sowohl in der Technik als auch im menschlichen Körper. So unterscheidet den Menschen von Reptilien, dass seine Körpertemperatur immer konstant gehalten wird. In Wüsten und in der Arktis – Regelungssysteme wie das Schwitzen stellen sicher, dass die Körpertemperatur immer konstant gehalten wird, damit biochemische Prozesse gut funktionieren. Würde die Funktion der Verdunstungsabkühlung durch Schwitzen entfallen, würde der Tod bereits nach vier Stunden eintreten. Auch der pH-Wert oder die CO2-Konzentration im Blut werden durch komplexe Regelungssysteme konstant gehalten.

Eine Besonderheit von Regelungssystemen im Körper: Sie unterliegen zeitlichen Rhythmen. Der Blutdruck verändert sich im Tagesablauf, der Menstruationsrhythmus läuft monatlich ab und die Testosteronproduktion verändert sich über das gesamte Leben. Interessanterweise, so Leonhardt, sind auch viele Krankheiten im menschlichen Körper mit fehlerhaften Regelungssystemen verbunden. So zum Beispiel Diabetes: Hier sind entweder die Sensoren, oder ihr Gegenpart, die Aktoren, in der Bauchspeicheldrüse gestört.

Anwendung am Beispiel moderner Beatmungsgeräte

In der Medizintechnik und der Geräteentwicklung sind Regelungssysteme mittlerweile unerlässlich für eine patientenorientierte Behandlung. Grundlegend lassen sich zwei Regelungssysteme unterscheiden: Patientenorientiert und vollständige Patientenintegration. Im ersten erfolgt lediglich eine Rückwirkung vom Patienten auf das Regelungssystem im Medizingerät, wohingegen beim zweiten, der Patient selbst ein Teil des Regelungssystems darstellt.

Prof. Leonhardt gemeinsam mit Prof. Kupnik vom Institut EMK. Bild: Hagen Schmidt
Prof. Leonhardt gemeinsam mit Prof. Kupnik vom Institut EMK. Bild: Hagen Schmidt

Ein Beispiel hierfür: Nach einer langen Beatmungszeit auf der Intensivstation erschlafft die Atemmuskulatur des Patienten, so dass er, falls er abrupt von der Beatmungsmaschine getrennt würde, nicht in der Lage wäre eigenständig zu atmen. Deshalb muss er entwöhnt werden, damit sich die Atemmuskulatur neu aufbauen kann.

Moderne Beatmungsgeräte können nicht nur solche Protokolle automatisch ausführen, sondern sie erkennen auch besondere Ereignisse. So muss etwa alle paar Stunden in der Lunge Flüssigkeit abgesaugt werden. Während dieser kurzen Zeit kollabiert die Lunge. Solche Ereignisse können durch Regelungssysteme und Automatisierung in modernen Beatmungsgeräten erkannt und gesteuert werden, so dass die Lunge des Patienten durch einen höheren Beatmungsdruck wieder aufgebläht wird.

Der Trend zur individualmedizinischen Versorgung wird zu einem großen Teil auch auf die intelligente Regelung und Automatisierung aufbauen. Auch immer knappere Personalressourcen werden, so Steffen Leonhardt, die Automatisierung der Medizintechnik weiter verstärken.

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