Zwei moderne Hohlfasermembranoxygenatoren
P.A.M. Everts, T.M. van den Berg ……………………………………………….. 28
Absolventen der Akademie für Kardiotechnik:
Bericht nach einem Jahr
A. Winkel, R. Lode, B. Lindgren, M. Rothe……………………………………. 34
Drei Jahrzehnte Herzschrittmachertherapie
M. Zegelmann, J. Kreuzer, R. Wagner, F. Beyersdorf, R. Rahn …. 37
Pressemitteilungen………………………………………………………………………. 44
4
Referat
Aus der Klinik u. Poliklinik für Herzchirurgie (Direktor: Prof. Dr. E. R. de Vivie) der Universität Köln
Eine miniaturisierte Herz-Lungen-Maschine
I. Krüger*, F. Ghussen
Summary
A simple, reliable and efficient miniaturized extracorporeal circulation system for perfusion of small organs has been described.
The system consists of a newly devised bubble-oxygenator, heat exchanger, commercially available roller pump, and silicone
tubes. The minimal priming volume was 4.7 ml, the flow rates ranged between 1 and 20 ml/min.
Es wird eine miniaturisierte Herz-Lungen-Maschine zur
extrakorporalen Perfusion kleiner Organe bei Flußraten
von 1 bis 20 ml/min vorgestellt. Bei der Entwicklung die
ses Aggregates war die Frage zu klären, ob es bei der
kleinen Bauweise gelingt, eine zuverlässige und zufrie
denstellende Funktion der einzelnen Bauteile zu errei
chen. Diese sollte vor allem anhand der Oxygenierungs-
leistung des Oxygenators, der Wärmeübergangskoeffi
zienten des Wärmetauschers und der Hämolyseraten des
Gesamtaggregates in-vitro objektiviert werden.
Material und Methodik
Die Herz-Lungen-Maschine bestand aus einem miniatu
risierten Bubble-Oxygenator, einem flexiblen Wärmetau
scher und einer kleinen Rollerpumpe.
Der Oxygenator
Der Oxygenator wurde nach dem Prinzip des Gasdisper-
sions-Bubble-Oxygenator konzipiert und aus Plexiglas
gefertigt. Der Aufbau des Oxygenators wird in Abbil
dung 1 dargestellt.
Die Basis der Konstruktion bildete ein Hohlzylinder mit
abgeschrägter Bodenfläche, auf den ein Kopfteil mit in
nen abgerundetem Deckel aufgesteckt wurde. In das Lu
men des Kopfteils, ebenfalls ein Hohlzylinder, war ein
kleiner Becher eingebaut, der von den Blut- und Gaszu
leitungsröhrchen getragen wurde. In diesen Becher war
eine Glasfritte (Porengröße G2) unterhalb des Blut- und
oberhalb des Gaszuleitungsröhrchens eingebracht, die
von einer eingedrehten Halterung fixiert wurde. Am un
teren Ende ging aus dem Kopfteil ein Rohr mit am Ende
aufgeklebten Rippen hervor, in dem sich der Vorent
schäumer (Polyäthylenschaum mit 3—6 Poren/cm)1 be
fand. Außen wurde das Rohr über den Rippen mit einem
Entschäumersystem aus einem Polypropylennetz (Mono
filamentdicke 0,17—0,22 mm)2, einem Polyurethan
schaum (7—10 Poren/cm)3 und einem abdeckenden Ny
longewebe umgeben.
Durch das Gaszuleitungsröhrchen unterhalb der Glas
fritte strömte das angefeuchtete Oxygenierungsgas mit
einem Durchfluß von 10:1 im Verhältnis zum Blutfluß
ein. Das Blut floß oberhalb der Glasfritte ein und wurde
so zu Blasen mit einem Durchmesser von ca. 2 mm auf
geschäumt. Nach einer Schaumphase von ca. 90 Sekun-
Blut
Schnitt A-A
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Oxygenators
a Glasfritte
b Vorentschäumer
c Hauptentschäumer
d Reservoir
Gas
2 cm
den passierte das Blut den Vorentschäumer und danach
das Hauptentschäumersystem. Das oxygenierte und ent
schäumte Blut wurde im Reservoir gesammelt, während
das Gas den Oxygenator durch eine Öffnung in der
Wand des Basiszylinders verließ.
Der Oxygenator konnte mit einem minimalen Füllvolu
men von 2,5 ml Blut betrieben werden.
Der Wärmetauscher
Der Wärmetauscher wurde aus Silikonschläuchen und
Verbindungsteilen aus Messing nach dem Gegenstrom
prinzip konstruiert. Sein Aufbau geht aus der Abbildung
2 hervor.
‘Fa. Bentley Laboratories, Inc., Santa Ana, USA
2Fa. Bentley Laboratories Inc., Santa Ana, USA
3Fa. Bentley Laboratories Inc., Santa Ana, USA
Kardiotechnik 12. Jahrgang/Heft 1/1989
Referat
5
Heizwasser
Abbildung 2: Schematische
Darstellung des Wärmetau
schers
Der blutführende Silikonschlauch mit einem Innen
durchmesser von 2 mm und einer inneren Oberfläche
von 15,1 cm2 bei einem Volumen von 0,75 cm3 wies keine
Metallteile auf, da die Durchtrittsstellen durch das Mes
sing mit Silikondichtmasse abgedichtet waren. Die Heiz
wasser führenden Schläuche waren aus Silikonschläu
chen mit 8 bzw. 15 mm Innendurchmesser und entspre
chend großen Messingrohren als Verbindungsteilen auf
gebaut.
Die Pumpe
Es fand eine Masterflex Rollerpumpe (Modell 7566,
Pumpenkopf Nr. 7013, Schlauch Nr. 6408/41)4 Verwen
dung. Die Drehzahl der mit drei Rollen ausgestatteten
Pumpenköpfe ließ sich stufenlos regulieren, der erzielte
Blutfluß konnte an einer Skala direkt in ml/min abgele
sen werden. Das Füllvolumen der Pumpe sowie sämtli
cher Verbindungsschläuche sowie der Perfusionskatheter
betrug 1,45 ml.
In-vitro-T estung
Für die folgenden Untersuchungen wurde das Aggregat
zwischen den Perfusionskathetern kurzgeschlossen (sie
he Abbildung 3). Zur Blutzufuhr oder Abnahme fanden
Plexiglas-T-Röhrchen Verwendung.
Alle Messungen wurden 5mal durchgeführt (n = 5).
Oxygenierungsleistung
Zur Ermittlung der Oxygenierungsleistung wurde venö
ses Blut mit einem Hb von 14,9 g/dl, einem pH von
7,314, einem pO2 von 5,32 kPa und einer Sauerstoffsätti
gung von 69% bei 23°C Bluttemperatur mit der Pumpe
bei Flußraten von 1, 5, 10 und 20 ml/min in den Oxyge
nator gegeben. Als Oxygenierungsgas wurde ein Ge
misch aus 99,15% O2 und 0,85% CO2 bei einem Gas-/
4Cole Parmer Instruments co., Chicago, USA
Abbildung 3: Schema des
Versuchsaufbaues
OXYG. Oxygenator
A Cal. Wärmetauscher
a. c.
arterieller Perfu
sionskatheter
v. c.
venöser Perfusions
katheter
Tg
Temperaturdesein
strömenden Blutes
Ta
Temperatur des
ausströmenden Blu
tes
Px Druckmeßstellen
Kardiotechnik 12. Jahrgang/Heft 1/1989
6
Referat
Blutfluß-Verhältnis von 10:1 verwendet. Nach einmali
ger Passage des Oxygenators wurden Blutproben zur
pO2- und SOj-Bestimmung entnommen.
Die Sauerstoffaufnahme wurde nach dem 2. Fick’schen
Gesetz berechnet, wobei der physikalisch gelöste Anteil
unberücksichtigt gelassen wurde.
VO2 = SAO2 – SVO2
100
O2 Kap.
100
Q
VO2 Sauerstoffaufnahme in ml/min
SAO2 arterielle Sauerstoffsättigung
SVO2 venöse Sauerstoffsättigung
O2Kap. Sauerstoffkapazität, errechnet sich aus Hüfner-
Zahl und Hb des Blutes
Q Blutdurchströmung in ml/min
Wärmeübergangskoeffizient
Die Temperaturmessungen erfolgten mittels Eilab AK-85
Sonden, die in das Lumen des blutführenden Schlauches
eingebracht waren, über das Eilab Universalthermometer
TE-3S6.
Abbildung 4: Abhängigkeit des Sauerstoffpartialdruckes vom
Blutfluß in dem beschriebenen Oxygenator
Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers wurde als Funk
tion des Wärmeübergangskoeffizienten vom Stromvolu
men für Flußraten zwischen 1 und 20 ml/min nach Gal-
letti und Brecher (4) errechnet:
C Wärmeübergangskoeffizient
Te Temperatur des einströmenden Blutes
Ta Temperatur des ausströmenden Blutes
Th Temperatur des Heizwassers
Druckamplituden
Der Pumpendruckverlauf wurde hinter der arteriellen
Pumpe (Meßstelle Po in Abb. 3) und hinter dem Perfu
sionskatheter (Meßstelle P2) bei Flußraten von 1, 2, 3
und 4 ml/min gegen einen Druck von 50, 60, 70 und 80
mmHg bestimmt, der durch Kompression des abführen
den Schlauches eingestellt wurde. Der Druck an den ver
schiedenen Meßstellen wurde über einen Druckmeß
wandler (P 23 ID)7 und eine Meßbrücke (Heilige Reco-
med)8 bestimmt. Der Druckverlauf wurde über einen
Schreiber aufgezeichnet, so daß die Druckamplituden
ausgemessen werden konnten.
Hämolyse
Die Bluttraumatisierung wurde durch Bestimmung des
freigesetzten Plasmahämoglobins nach 30 bzw. 60 Minu
ten Zirkulationszeit bei einer Flußrate von 2 ml/min und
einer Bluttemperatur von 37° C überprüft.
Ergebnisse
Oxygenierungsleistung
Unter den definierten Bedingungen zeigte der erzielte
Sauerstoffpartialdruck bei den verschiedenen Flußraten
den in Abbildung 4 dargestellten Verlauf.
Die Sauerstoffsättigung lag dabei jeweils bei 99,9% bzw.
99,5% bei einer Flußrate von 20 ml/min. Daraus errech
nete sich eine konstante Sauerstoffaufnahme von 0,061
ml O2/ml Blut/min.
Wärmeübergangskoeffizient
Bei der Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten
als Funktion des Blutflusses wurde der in Abbildung 5
gezeigte Verlauf ermittelt. Dabei ergab sich bei einem
Blutfluß von 10 ml/min, entsprechend dem 14fachen des
Füllvolumens, ein Wärmeübergangskoeffizient von über
0,5.
Abbildung 5: Abhängigkeit der Wärmeübergangskoeffizienten
vom Blutfluß in dem beschriebenen Wärmetauscher
sFa. Elektrolaboratories Eilab A/S, Kopenhagen, Dänemark
6Fa. Elektrolaboratories Ellab A/S, Kopenhagen, Dänemark
7Fa. Heilige, Freiburg i. Breisgau
8Fa. Heilige, Freiburg i. Breisgau
Kardiotechnik 12. Jahrgang/Heft 1/1989
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Druckamplituden
Es konnte keine Abhängigkeit der Druckamplituden vom
Gegendruck ermittelt werden. Bei den verschiedenen
Flußraten ergab sich an den definierten Meßpunkten der
in Abbildung 6 dargestellte Verlauf der Druckamplituden.
Hämolyse
Die Bestimmung des freigesetzten Hämoglobins ergab
nach 30 Minuten Zirkulationszeit einen Anstieg gegen
über dem hämolysefreien Ausgangswert auf 26,5 ± 5 mg/
dl und nach 60 Minuten Zirkulationszeit auf 47,5 ± 5 mg/
dl.
Diskussion
Der Oxygenator wurde nach dem Gasdispersions-Bub
ble-Prinzip konstruiert, weil es eine einfache Bauweise
und Handhabung sowie ein außerordentlich hohes Oxy-
genierungsvermögen bei niedrigem Füllvolumen gewähr
leistet (1). Um eine gute Sauerstoffaufnahme des Oxyge
nators zu erreichen, wurde mit einer langen Dispersions
zeit (1. Fick’sches Gesetz) und dem hohen Gas-/Blut-
flußverhältnis von 10:1 gearbeitet. Die niedrige Arbeits
temperatur des Oxygenators begünstigte ebenfalls die
Oxygenierung des Blutes, die als exothermer Vorgang
nach der Gibbs-Helmholtz’schen Gleichung bei niedri
gen Temperaturen leichter abläuft. Die mit dem vorge
stellten Oxygenator erreichte Sauerstoffaufnahme lag
deutlich höher als die des Temptrol-Oxygenators, einem
Vertreter moderner Bubble-Oxygenatoren (3). Sie ent
sprach dabei den bei Borst (1) angegebenen Werten der
für die Klinik geeigneten Filmoxygenatoren. Der erzielte
Sauerstoffpartialdruck fiel zwar mit steigenden Durch
flußraten ab, erreichte aber bei einem Blutfluß von 20
ml/min, entsprechend dem 8fachen des minimalen Füll
volumens, noch einen Wert von 31,86 kPa. Damit war
die arteriovenöse pO2-Differenz mit 26,66 kPa noch sehr
hoch und zur Oxygenierung des Blutes voll ausreichend.
Der flexible Wärmetauscher wurde aus Silikonschläu
chen gefertigt. Dieses Material zeichnet sich durch eine
gute Blutverträglichkeit aus (6), ist aber ein schlechter
Wärmeleiter. Durch die relativ große innere Oberfläche
des blutführenden Schlauches im Verhältnis zum Füllvo
lumen wurde trotzdem ein guter Wirkungsgrad erreicht.
Fluß [ml-min-1]
o hinter der Pumpe
• hinter dem Katheter
Abbildung 6; Verlauf der Druckamplituden bei verschiedenen
Flußraten an den beschriebenen Meßstellen
Bei der Zusammenstellung der Herz-Lungen-Maschine
fand eine handelsübliche Rollerpumpe Verwendung. Das
nach dem Prinzip der De Bakey Rollerpumpe aufgebaute
Modell zeichnet sich durch gute Steuerbarkeit und einfa
che Reinigung des blutführenden Silikonschlauches aus.
Obwohl mit diesem Pumpentyp ein pulsatiler Fluß er
zeugt wird, konnten wegen des nachgeschalteten Wär
metauschers und der Perfusionskatheter keine großen
Druckamplituden erreicht werden. Dieser unphysiologi
sche Druckverlauf führte im Tierexperiment zu einem
Vasospasmus, dem durch die Gabe von Papaverin begeg
net werden mußte (5).
Ein wichtiger Gesichtspunkt zur Beurteilung einer Herz-
Lungen-Maschine ist die bei der extrakorporalen Perfu
sion ausgelöste Bluttraumatisierung. Bei der kleinen Bau
weise des vorgestellten Aggregates kommt es zu einer re
lativen Erhöhung der inneren Oberfläche gegenüber dem
Füllvolumen, die sich durch den vermehrten Blutkontakt
mit Fremdoberflächen ungünstig auf die Bluttraumatisie
rung auswirken mußte. Die zur Erzielung einer hohen
Sauerstoffaufnahme notwendige lange Dispersionszeit
im Oxygenator führte zu einer erhöhten Hämolyse, die
proportional zur Dispersionszeit ansteigt (2). Auch die
Trennung des Wärmetauschers vom Oxygenator hatte
durch die resultierende niedrige Arbeitstemperatur eine
höhere Hämolyse als bei Erwärmung des Blutes auf Kör
pertemperatur zur Folge (2). Dennoch konnte eine zu
friedenstellend niedrige Bluttraumatisierung, gemessen
als Freisetzung von Plasmahämoglobin, erzielt werden.
Bei einem minimalen Füllvolumen von 4,7 ml und einer
maximalen Flußrate von ca. 20 ml/min der gesamten
Herz-Lungen-Maschine konnte eine zuverlässige und zu
friedenstellende Funktion der einzelnen Bauteile nachge
wiesen werden, die in den überprüften Parametern mit den
in der Klinik eingesetzten Aggregaten vergleichbar sind.
Mit diesem Aggregat konnten tierexperimentelle Unter
suchungen zur Extremitätenperfusion der Ratte erfolg
reich durchgeführt werden (5). Darüber hinaus sind kli
nische oder experimentelle Anwendungen zur extrakor
poralen Perfusion kleiner Organe denkbar.
Literatur
1. Borst, H. G.: Die künstlichen Oxygenatoren. Thoraxchirurgie 6: 312
(1959)
2. Bücheri, E. S.: In-vitro-Untersuchungen zur Frage der Blutveränderun
gen bei Verwendung einer künstlichen Lunge nach dem Gasdispersions
prinzip. Thoraxchirurgie 5: 63 (1957)
3. Clark, R. E., Mills, M. .-The infant temptrol oxygenator. J. Cardiovasc.
Surg. 60: 54 (1970)
4. Galletti, P. M., Brecher, G.A.: Heart lung bypass. Grüne & Stratton,
New York (1962)
5. Krüger, I., Ghussen, E, Nagel, K., Isselhard, VF.: Ein neues Modell zur
regionalen Extremitätenperfusion der Ratte — Stoffwechsel und Hämo
dynamik. Z. exp. Chir. Transplant, künstl. Organe 20: 257 (1987)
6. Lymann, D. J.,Muir, W. M., Lee, I. /..The effect of chemical structure and
surface properties of polymers on the coagulation of blood. I. Surface free
energy effects. Trans. Amer. Soc. Artif. Intern. Organs 11: 301 (1965)
7. Peirce, E. C.: Extracorporeal circulation for open heart surgery. Tho
mas, Springfield (1969)
Anschrift des Verfassers:
Dr. Ingo Krüger
Klinik u. Poliklinik für Herzchirurgie
Joseph-Stelzmann-Str. 9
5000 Köln 41
Kardiotechnik 12. Jahrgang/Heft 1/1989
Referat
9
Aus der Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie der Medizinischen Hochschule Hannover und der Abteilung für
Gefäßchirurgie des St.-Johannes-Hospitals Dortmund
Der Einfluß unterschiedlicher proximaler Kanülierung des TDMAC-
Heparin-Shunts auf Druck- und Flußparameter
A. Mumme, W. Maatz, A. Haverich und G. Walterbusch
Einleitung
Gefäßrekonstruktionen im Bereich der Aorta descendens
sind infolge der Kreislaufunterbrechung mit dem Risiko
ischämischer Organschäden behaftet. Besonders ge
fürchtet sind die Rückenmarksläsionen mit nachfolgen
der Querschnittslähmung. Um solche Komplikationen
zu vermeiden, wurden eine Reihe pumpengesteuerter
Verfahren zur Aufrechterhaltung der Perfusion in der
unteren Körperhälfte angegeben (1, 2, 3). Deren wesent
licher Nachteil wird in der Notwendigkeit der systemi
schen Antikoagulation und der damit verbundenen er
höhten Blutungsgefahr gesehen. Alternativ hierzu kann
der von Grode und Gott (4) konzipierte TDMAC-Hepa-
rin-Shunt eingesetzt werden, der mit einer antithrombo-
genen Innenfläche (Tridodecyl-Methylammoniumchlo-
rid in Verbindung mit Heparin-Natrium) beschichtet ist
und den Verzicht sowohl auf eine systemische Antikoa
gulation als auch auf eine Pumpenunterstützung ermög
licht.
Im klinischen Einsatz richtet sich die Wahl der proxima
len Shuntkanülierung nach der Ausdehnung des erkrank
ten Gefäßabschnittes und den anatomischen Gegeben
heiten im Operationssitus. Im allgemeinen wird die linke
A. subclavia als Kanülierungsstelle bevorzugt. Dieses Ge
fäß kann in endständiger und — mit Hilfe einer kurzen
Gefäßprothese — in seitenständiger Position des Shunts
angeschlossen werden. Im Falle einer Unzulänglichkeit
der linken A. subclavia ist alternativ die Kanülierung des
linken Ventrikels via Herzspitze möglich. Letzterer Ka-
nülierungsort erscheint wegen seines einfachen Zugangs
besonders attraktiv. Inwieweit dadurch allerdings die hä-
modynamische Effektivität des Shunts beeinflußt wird,
sollte in einer experimentellen Studie geklärt werden.
Methodik
Die Untersuchung wurde an sieben erwachsenen Misch
lingshunden mit einem durchschnittlichen Körperge
wicht von 23 kg (20—28 kg) durchgeführt. Oberhalb der
Aortenokklusion wurden der Blutdruck in der A. carotis
externa (pl) und der Fluß im Tr. pulmonalis (Ql) be
stimmt. Zusätzlich wurde, unter der besonderen Frage
der Flußrichtung, jenseits des Shuntanschlusses der Fluß
in der linken A. subclavia (Q3) gemessen. Weiterhin wur
den in der unteren Körperhälfte der Druck in der A. fe
moralis (pl) und der Fluß in der A. descendens direkt
unterhalb der Shunteinmündung (Q2) ermittelt.
Abbildung 1: Der TDMAC-Heparin-Shunt
Aus den mittels mechano-elektrischem Druckwandler ge
wonnenen Ergebnissen der Druckmessung wurden die
Mitteldruckwerte errechnet. Zur Flußmessung dienten
elektromagnetische Flußaufnehmer (Flowmeter Heilige
Servomed). Es konnten drei unterschiedliche Blutströ
mungen simultan bestimmt werden. D