Human-Heart-Models for Formal Verification and Hardware-in-the-Loop Validation of Pacemakers
Creators: name: Heuer, Joseline
Publisher: name: Universitätsbibliothek Siegen
Year: 2024

description: Pacemakers are an integral component of cardiovascular therapy. They are employed when a patient’s cardiac rhythm is insufficient to meet the individual demands. Given the considerable patient-specific variability over a day and throughout the lifespan, this long-term implant has to adapt to the individual patient’s changing needs and regulate the appropriate heart rate. In order to avoid potential risks to the patient, several factors have to be considered when pacing the heart. Stimulation at an inappropriate temporal phase can result in potential life-threatening adverse effects. Similarly, uncoordinated contraction among the heart chambers can lead to complications such as exercise intolerance, significantly impacting the patient’s quality of life. The growing complexity of pacemakers is driven by the need to accommodate the unique needs of patients. This has led to an increased reliance on pacemakers to perform their functions with greater autonomy, necessitating comprehensive testing to ensure their reliability in diverse scenarios. The complexity of this process is further compounded by the multitude of factors that affect the pacemaker. Consequently, it is essential to develop a comprehensive testing and verification environment that can reflect the diverse range of influencing factors and borderline cases the pacemaker may encounter over its lifetime. In this thesis, a heart model is presented that is capable of mirroring the Electrical Conduction System of the Heart (ECSH), the chambers and the valves of the heart. The model is capable of including the status of the chambers and valves as a function of the stimulation interval and the Action Potential Duration (APD). This enables the investigation of diverse scenarios, including pacing in the vulnerable phase, the coordination of the chambers, the number of contractions for various diseases concerning the ECSH and the heart chambers. The model is demonstrated to be capable of modeling 14 diseases concerning the ECSH, the generation of pulses within the heart and the heart chambers, such as various atrioventricular blockages, bradycardia, premature contractions, flutter, and variances in the QT interval due to the menstrual cycle. The objective is to demonstrate the value of formal verification and Hardware-in-the-Loop (HIL) techniques for the development and improvement of increasingly complex medical devices in the future. The proposed heart model is transformed into a formal verification model and a HIL model. The latter is then evaluated in interaction with a real pacemaker. A formal verification model of a pacemaker is constructed to assess the interaction between the formal verification model of the heart and a pacemaker. A particular challenge is to incorporate the various impact factors while keeping the model executable, especially since it is essential that the heart model interacts with the pacemaker in real time for HIL testing. The HIL tests indicate the potential for life-threatening conditions concerning the number of contractions per minute, pacing during the vulnerable phase, and the coordination of the chambers of the heart. The results also show the impact on the patient’s safety of different diseases, of the chamber monitored by the pacemaker, of the frequency of sinoatrial node (SA node) self-stimulation and of the replacement rhythms. Our pacemaker model for formal verification shows promising results for the double chamber pacemaker. The single chamber model, however, is not yet suitable for all diseases. To the best of our knowledge, the pacing during the vulnerable phase and the chamber coordination have not been evaluated before.
description: Herzschrittmacher sind ein integraler Bestandteil der kardiovaskulären Therapie. Sie werden eingesetzt, wenn der Herzrhythmus des Patienten nicht ausreicht, um die individuellen Anforderungen zu erfüllen. Die Anforderungen an den Schrittmacher sind dabei patientenspezifisch und variieren über den Tag und die Lebensdauer des Systems hinweg. Dementsprechend, muss sich dieses Langzeitimplantat an die wechselnden Bedürfnisse des einzelnen Patienten anpassen, um die Herzfrequenz entsprechend zu regulieren. Bei der Stimulation des Herzens müssen mehrere Faktoren beachtet werden, um Risiken für den Patienten zu vermeiden. Stimulationen in die vulnerable Phase des Herzens können lebensbedrohliche Auswirkungen für den Patienten haben. Ebenso können unkoordinierte Kontraktionen der Herzkammern zu Komplikationen wie Belastungsintoleranz führen, welche die Lebensqualität des Patienten erheblich einschränken. Die Notwendigkeit Herzschrittmacher besser an die individuellen Bedürfnisse der Patienten anzupassen hat zu einer zunehmenden Komplexität und Autonomie der Systeme geführt. Umfassende Prüfungen sind notwendig, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Systeme in verschiedenen Szenarien zu gewährleisten. Die Komplexität der Prüfungen wird durch die Vielzahl der Faktoren, die einen Herzschrittmacher beeinflussen können, erhöht. Folglich ist es unerlässlich, eine umfassende Test- und Verifizierungsumgebung zu entwickeln, die das breite Spektrum der Einflussfaktoren und Grenzfälle widerspiegelt, denen ein Herzschrittmacher während seiner Lebensdauer ausgesetzt sein kann. In dieser Arbeit wird ein Herzmodell vorgestellt, das das elektrische Reizleitungssystem des Herzens (ECSH), die Herzkammern und die Herzklappen einbezieht. Das Modell berücksichtigt den Zustand der Kammern und Klappen als Funktion des Stimulationsintervalls und der Aktionspotentialdauer (APD). Dies ermöglicht die Evaluation verschiedener Faktoren, einschließlich von Stimulationen in die vulnerable Phase, der Kammerkoordination sowie der Anzahl der Kontraktionen der Herzkammern, unter Einfluss von verschiedenen Krankheiten. Das Modell ist nachweislich in der Lage, 14 Krankheiten zu modellieren, die das ECSH, die Impulserzeugung im Herzen und die Herzkammern betreffen, unter anderem Blockaden, Bradykardien, extra Systolen, Flattern und zyklusbedingte Veränderungen des QT-Intervalls. Ziel ist es, den Wert der formalen Verifikation und der Hardware-in-the-Loop (HIL) für die Entwicklung und Verbesserung immer komplexerer medizinischer Geräte zu demonstrieren. Das vorgestellte Herzmodell wird in ein formales Verifikationsmodell und ein HIL-Modell überführt. Mit letzterem wird die Interaktion mit einem echten Herzschrittmacher ausgewertet. Zur Auswertung der Interaktion zwischen dem formalen Verifikationsmodell des Herzens und einem Herzschrittmacher wird ein formales Verifikationsmodell eines Herzschrittmachers erstellt. Eine besondere Herausforderung besteht darin, die verschiedenen Einflussfaktoren zu berücksichtigen und gleichzeitig das Modell ausführbar zu halten, insbesondere, da es für HIL unerlässlich ist, dass das Herzmodell in Echtzeit mit dem Herzschrittmacher interagiert. Die HIL-Tests zeigen das Potenzial für lebensbedrohliche Zustände in der Interaktion zwischen dem Herzmodell und dem Herzschrittmacher, in Bezug auf die Anzahl der Kontraktionen pro Minute, die Stimulation während der vulnerablen Phase und die Koordination der Herzkammern. Die Ergebnisse zeigen insbesondere die Auswirkungen durch die Ausgangsbedingungen während der Interaktion, wie den Einfluss von verschiedenen Krankheiten, der vom Schrittmacher überwachten Kammer, der Häufigkeit der Selbststimulation des sinoatrialen Knotens und der Ersatzrhythmen auf die Sicherheit des Patienten. Unser Schrittmachermodell für die formale Verifikation zeigt vielversprechende Ergebnisse für den Zweikammer-Schrittmacher. Das Modell des Einkammer-Schrittmachers ist jedoch nicht für alle Krankheiten geeignet. Soweit wir wissen, sind Stimulation während der vulnerablen Phase und die Kammerkoordination zuvor noch nicht durch Modelle untersucht worden.