Darstellung eines Oxygenators mit mikroporösen Kapillarfasern
Lautier, A., Sergentini, J. C., Pommier, J., Ecpriet, G………………………………30
CODEC — Computer Designed Custom-Pack
R. Göbert……………………………………………………………………………………………37
Der Kardiochirurgische Patient — Anästhesieassistenz im Kin
desalter
M. Thywissen, E. Mohnen………………………………………………………………….38
Körperaktivitätsgesteuerter Herzschrittmacher Activitrax
— Untersuchungen der Frequenzadaption während submaxi
maler Belastung im Straßenverkehr sowie bei zahnärztlichen
Eingriffen
M. Zegelman, R. Rahn, J. Kreuzer, D. Beckmann, R. Wagner………………43
Pressemitteilungen
4
Referat
Aus der Experimentellen Chirurgie der Chirurgischen Klinik und Poliklinik, Universitätsklinikum Rudof Virchow Standort Charlot
tenburg, Freie Universität Berlin
Analyse der pneumatischen Druckkurven in Blutpumpen zum Ersatz des Herzens
Z. Jin, J. Frank, E. Hennig, E. S. Bücheri
Summary
For the support and even for the replacement ofthe heart nowadays, pneumatic percutaneous systems are usedfor the most part, experimentally
and clinically. The driving unit, which generates a pulsatile air current, moves the flexible diaphragm separating the blood chamber from the
air chamber in the blood pump. The dirving unit parameters, i. e. the values determining the form of the air pulse, are set manually. Ideally,
these parameters should be adjusted continually to the heamodynamic requirements. For this adjustment, an analysis of the air pressure pulse,
the air flow signal or the motor speed signal is required.
An analysis method programned in BASIC was prepared, which can compute the points in time of the respective diaphragm end-positions with
a single-card computer (SC-5286). The result ofthe analysis is a digital signal which can be processedfurtherfor the automatic adjustment of the
pressure demand curve to the biological and heamodynamic requirements.
Problem
Die sogenannten percutanen pneumatischen Kunstherzsysteme
bestehen aus den Hauptkomponenten Blutpumpen, Antrieb,
Steuer- und Regeleinrichtung und der Energieversorgung. Die
Blutpumpen werden pneumatisch aktiviert; sie sind an Stelle des
Herzens im Brustkorb implantierbar, alle anderen Komponen
ten verbleiben außerhalb des Körpers.
Die pneumatische Energie wird in Form eines Luftflußpulses
über Kunststoffschläuche, die mit sogenannten Hautdurchlei
tungen die Brustwand durchdringen, vom Antrieb zu den im
plantierten Blutpumpen geleitet. Bewährt haben sich Mehr
membranblutpumpen, bei denen drei oder mehr dünne Kunst
stoffmembranen die „Blutkammer” von der „Luftkammer”
trennen (Abb. 1). Die Membran wird durch den pneumatischen
Puls hin und her bewegt, entsprechend füllt bzw. entleert sich
die Blutkammer. Für den gerichteten Blutstrom sorgen künstli
che Herzklappen in Ein- und Ausflußposition. Die Pumpe ar
beitet also nach dem Verdrängerprinzip (1).
Bei uns werden z. Zt. überwiegend Antriebe verwendet, die in
Zusammenarbeit mit der Fa. AEG vor mehr als 12 Jahren ent
wickelt wurden. Diese Antriebe zeichnen sich durch große Zu
verlässigkeit aus. Sie arbeiten nahezu geräuschlos und lassen sich
in einer Vielzahl von Betriebsparametern steuern (Abb. 2) (2).
Gehäuse
Anschlussring
Blutkammer
; Luftkammer
Alu-Boden
T reibmembranen
Blutkontaktmembran
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Blutpumpe
Abbildung 2: Pneumatische Antriebe
Links: Totalherzantrieb
Rechts: Bypass-Antrieb und Koffer-Antrieb
Kardiotechnik 11. Jahrgang/Heft 1/1988
Nur drei Verbindungen und
Ihr geschlossenes Membran-System
ist einsatzbereit.
Die Grundelemente
dieses BOS Pac® sind:
1. Das von Ihnen konzipierte Schlauchsystem.
2. Der BOS-CM Membran-Oxygenator.
3. Das BMR-1900 venöse Reservoir mit
dem Safe-T-Net zur sicheren Entlüftung.
Natürlich können Sie
ein Kardiotomiereservoir BCR 2500
oder BCR 3500
einen arteriellen Filter AF 10
einen Rezirkulationsfilter RF 20
und viele andere Details hinzufügen.
Besprechen Sie es doch mit uns!
BENTLEY LABORATORIES GMBH DÜSSELDORF
Tel. 0211/633067-69
6
Referat
Ein reversierender Gleichstrom-Motor bewegt über ein Getrie
be einen Kolben zur Umsetzung der elektrischen in pneumati
sche Energie. Ein kleinerer tragbarer Antrieb, der auch netzun
abhängig mit Batterie betrieben werden kann, wurde ebenfalls
an der Freien Universität Berlin entwickelt. Er ermöglicht die
freie Beweglichkeit des Patienten (3, 4) für einen längeren Zeit
raum. Hier erzeugt ein Rotationskolben nach dem Wankel-Prin
zip den pulsatilen Luftfluß (Abb. 3).
Abbildung 3: Koffer-Antrieb mit Blutpumpen
Angestrebt wird, daß bei jedem Puls die Pumpe vollständig ge
füllt bzw. entleert wird. Die Membran bewegt sich also von einer
diastolischen in eine systolische Endposition. Bei dieser soge
nannten optimalen Arbeitsweise wird das Volumen der Blut
pumpe bestmöglich ausgenutzt, ihre mechanische Belastung so
wie die des Blutes und auch der Energieverbrauch wird dadurch
so gering wie möglich.
Um kontinuierlich diesen Betriebszustand einhalten zu kön
nen, müssen die Antriebsparameter der Blutpumpen den sich
ständig ändernden Drucken im Blutkreislauf fortwährend ange
paßt werden. Dieses ist nur mit entsprechend automatisierten
Regelsystemen möglich. Zum Ersatz des Herzens sind zwei Blut
pumpen erforderlich, eine treibt das von den großen Sammelve
nen kommende Blut durch den Lungenkreislauf zum linken
Vorhof, die zweite transportiert es von dort über die
Körperschlagader in den großen Kreislauf mit der nachgeschal
teten Peripherie. Diese beiden Pumpen, die hintereinander ge
schaltet sind, erfordern einen weiteren Regelmechanismus, der
ständig für gleiche Förderleistungen der beiden Pumpen sorgt.
Da die den Körperkreislauf versorgende linke Blutpumpe gegen
einen erheblich höheren Druck (arterieller Druck) fördern muß
als die rechte (Pulmonalarterien Druck), was den Wirkungsgrad
der Pumpen verschlechtert, ist die linke Pumpe konstruktiv be
züglich des Schlagvolumens von vornherein größer gestaltet als
die rechte. Bei einer Differenz von 10 -15% kann die rechte Pum
pe so gesteuert werden, daß sie bei jedem Puls vollständig gefüllt
und entleert wird; das Schlagvolumen der linken Pumpe wird
dann nicht restlos ausgenutzt, ein Flußausgleich kann über die
Variation des Schalgvolumens der linken Pumpe bei sich än
derndem Füllungsdruck erfolgen (5).
Informationen über die momentanen Verhältnisse im Kreislauf
werden aus folgenden Meßparametern gewonnen:
— der rechte und linke Ventrikeldruck luftseitig
— der Schlauchdruck rechts
— der linke und rechte Vorhofdruck
— der Aortendruck
— der Pulmonalis-Druck und
— die beiden Motordrehzahlsignale (Tachogenerator).
Um die optimalen Pumpverhältnisse zu erreichen, müssen bei
Änderung der Zuflußverhältnisse und Änderung des peripheren
Widerstandes bzw. des Lungenwiderstandes die Antriebs
parameter möglichst automatisch nachgestellt werden.
Die pneumatischen Antriebsparameter lassen sich in folgenden
Parametern verstellen:
— Systolendruck links und rechts
— Diastolendruck links und rechts
— relative Systolendauer links und rechts
— Pulsfrequenz für beide Seiten.
Methode
Aus den pulsatilen Luftdruckkurven in den Blutpumpen und
zusätzlich aus den Luftfluß- bzw. Motordrehzahl-Signalen las
sen sich Steuergrößen für die Antriebsparameter ableiten.
Eine solche Druckkurve im Luftraum der Blutpumpe zeigt Ab
bildung 4. Die Signale lassen sich in einzelne Phasen zerlegen:
200
Luftdruckfmm Hg]
Abbildung 4:Druckkurve im Luftraum der Blutpumpe, zerlegt in einzel
ne Phasen
— die Kompri mierphase von Iq bis t j zeichnet sich durch einen
starken Druckanstieg aus;
— die folgende Austreibphase von t j bis tj wird dadurch einge
leitet, daß das Ventrikelauslaßventil sich öffnet und so die
Membran das Flüssigkeitsvolumen der Blutkammer bei ge
schlossenem Einlaßventil über die Aortenklappe in die Aor
ta treibt;
Kardiotechnik 11. Jahrgang/Heft 1/1988
Referat
7
— das Ende der Austreibungsphase zum Zeitpunkt tj wird mit
dem Anschlägen der Membran und dem Spannen derselben
erreicht, d. h. es wird kein Blut mehr ausgetrieben;
— der von tp bis t-j beschriebenen Systole schließt sich die Dia
stole mit der Entspannungsphase t j bis t^ an;
— die geänderten Druckverhältnisse führen zum Schließen des
Auslaßventils. Mit zunehmendem Saugdruck wird der Luft
raum verkleinert und das Einlaßventil geöffnet, so daß die
Flüssigkeit in die Blutkammer strömt bis zur vollständigen
Auslenkung der Blutmembran zum Pumpenboden (t^ bis
tj). Das Anschlägen der Membran zum Zeitpunkt t& been
det die Diastole.
Die Druckspitzen, die am Ende der Systole bzw. am Ende der
Diastole durch die maximale Anspannung der Membran verur
sacht werden, zeigen die komplette Entleerung bzw. Füllung der
Blutkammer an. Die Zeitpunkte und die Formen dieser Druck
spitzen enthalten Informationen, die zur automatischen Rege
lung der Antriebe verwendet werden können. So bedeuten z. B.
zu breite und zu hohe Druckspitzen in den Zeiten tj bzw. t^, daß
Treib- und Saugdruck zu hoch vorgegeben werden, womit die ef
fektive Systolen- und Diastolendauer kürzer wird als die vorge
gebene.
Bei der Druckkurvenanalyse mit dem von uns entwickelten BA-
SIC-Programm wird der Anfang der Systole aus den Druckwer
ten und Druckdifferenzen ermittelt. In einem vorgegebenen
Zeitraum (100 – 500 Millisec, nach Systolenbeginn) werden die
Differenzen der Druckwerte gemessen und analysiert (Abb. 5).
Analog Eingang—D( I)
I =0-254
1
Abbildung 6: Flußdiagramm für die Druckkurvenanalyse
Abbildung 5: Druckkurve mit systolischen und diastolischen Anschlag
spitzen. Systolische Druckkurvenanalyse im schraffierten Bereich
Die linke Pumpe zeigt wegen ihres größeren Schlagvolumens
üblicherweise keine diastolische „Druckspitze”, hier wird das
Druckplateau in der Füllphase bewertet und den entsprechen
den Regelalgorithmen zugeführt. Der Rechner für dieses Erken
nungssystem ist ein Einplatinen Computer (SC-5286) mit einem
Einchip-Mikroprozessor (8052 AH). Er hat neben seinen digita
len Ein- und Ausgängen vier analoge Eingänge und einen analo
gen Ausgang. Ein zusätzlicher Datenspeicher (RAM) und der
Programmspeicher (EPROM) mit eigener Programmierlogik
sind weitere Bestandteile des Rechners. Das Regelprogramm
wird in das EPROM geladen. Dieser Einplatinen Rechner ist auf
einer Europa-Standard-Platine (100 x 160 mm) aufgebaut. Er
kann problemlos in den Kofferantrieb eingesetzt werden. Das
Druckmeßsystem besteht aus einem Katheter, der im jeweiligen
Antriebsschlauch bis zur luftseitigen Kammer der Blutpumpe
geführt ist. Die Druc kspannungswandler sind den analogen Ein
gängen des Rechners angepaßt (0 – 10 Volt) (6).
Die Abtastrate für die Druckkurve liegt bei 100 Punkte/sec.; es
werden 255 Punkte pro Meßzyklus aufgenommen. Das Flußdia
gramm des Analyseprogramms ist in Abb. 6 dargestellt. Wird
während dieses Zeitfensters die systolische Druckspitze ausrei
chend in Höhe und Breite erkannt, wird am Ausgang des Rech
ners ein entsprechendes digitales Signal gesetzt. Läßt sich kein
entsprechendes Signal erkennen oder liegt die Druckspitze unter
einer vorgegebenen Größe, wird das digitale Signal zurückge
setzt. Das Analyseprogramm für die Diastole läuft entspre
chend.
Ergebnisse
Dieses Meß- und Analyseprogramm ist bei ersten Versuchen am
Kreislaufsimulationsmodell getestet worden. Es erkennt nicht
nur die verschiedenen Druckkurvenformen sondern reagiert
auch sicher auf die vorgegebenen Schwellwerte für das
systolische- bzw. diastolische Anschlägen der Membran.
Die laufenden Druckveränderungen mit den entsprechenden
Anschlagspitzen, hauptsächlich hervorgerufen durch die hae-
Kardiotechnik 11. Jahrgang/Heft 1/1988
8
Referat
modynamischen Veränderungen, werden genauso sicher erfaßt,
wie die veränderten Anschläge hervorgerufen durch Frequenz
verstellung. Das Ergebnis dieser Analyse wird laufend über digi
tale Ausgänge (DIG 1, DIG 2) des Einplatinen Computers dem
Benutzer mitgeteilt und kann entsprechend den gestellten For
derungen weiterverarbeitet werden. Eine direkte Verarbeitung
dieser Signale ist bei dem tragbaren Antrieb möglich, noch freie
digitale Eingänge des Einchip Mikrocomputer (MC 68705) im
Kofferantrieb und ein entsprechendes Programm für die Gene
rierung der Drucksollwertkurve passen den Treib- bzw. Saug
druck getrennt für die linke und rechte Blutpumpe laufend der
Anschlagsituation an. D. h. es kommt zu einer automatischen
Regulation der Treib- und Saugdrücke und damit zu einer gere
gelten Anpassung an die Haemodynamik (Abb. 7).
(mmHg)
Abbildung 7: Blockschaltbild Kofferantrieb
Oben: Drucksollwert von Hand eingestellt
Unten: mit automatischer Regulation
Abbildung 8: Druckkurven am Kreislaufmodel]
Oben: Analyse der Systole DIG 1
Unten: Analyse der Diastole DIG 2
Rechenzeit
Literatur
Diskussion
Durch die Rechenzeiten dieses Analyseprogramms sind für je
den Erkennungszyklus ca. 5 Sekunden nötig, nach einer Verän
derung der Druckkurven folgt die entsprechendce Reaktion also
verzögert. Diese Verzögerungszeit kann aber bei biologischen
Systemen akzeptiert werden (Abb. 8).
Eine Verbesserung ist ohne weiteres möglich durch die Benut
zung einer schnelleren Programmiersprache (ASSEMBLER),
hierdurch wäre eine Regulation von Pumpenpuls zu Pumpen
puls möglich.
Die Empfindlichkeit der Analyse auf die Membranendlagen
wird hauptsächlich durch die Abtastrate bestimmt. Höhere Ab
tastraten würden die Rechenzeit und damit die Verzögerungszeit
unnötig verlängern. Eine akzeptable Lösung ließe sich auch hier
durch die Programmierung in ASSEMBLER erreichen.
Die Untersuchungen am Kreislaufmodell zeigten die Zuverläs
sigkeit dieses Einplatinen-Computers; zusätzlich könnte er bei
Ausfall sofort durch eienn neuen ersetzt werden. Diese Redun
danz ist bei lebenserhaltenden technischen Systemen erforder
lich. Durch sein zusätzliches LCO-Display (2 Zeilen 16 Zeichen)
läßt sich dieser im Handel erhältliche preiswerte Computer
auch für viele andere Überwachungs-, Steuerungs- und Analyse
aufgaben einsetzen und ist damit auch ein gutes Werkzeug für
die Kardiotechnik.
l Zartnack, E, E. Hennig, E Ott, E. S. Bücheri: Development and in fatigue testing of
a new blood pump. Life Supp. Systems 1 (Suppl. 1), 13, 1983 (ESAO); Saunders
Comp. Ltd., London.
2. Frank, J., K. Affeld, P. Baer, E. Hennig, E Kuhlmann, A. Mohnhaupt, W. Lermn, E
Zartnack, E. S. Bücheri: Nine years of experience with a piston-type pneumatic
TAH-driver — reliability and consequences. Life Supp. Systems 1 (Suppl. 1), 32,
1983 (ESAO); Saunders Comp. Ltd., London.
3. Affeld, K., J. Frank, P. Baer, A. Mohnhaupt, E. S. Bücheri: A new portable driving
unit for implantable blood pumps. Trans. Amer. Soc. Artif. Inter. Organs
(ASAIO) 24,6,1978
4. Frank, J., K. Affeld, P. Baer, A. Mohnhaupt, E. S. Bücheri: First experience with a
mobile total artificial heart system. Trans. Amer. Soc. Artif. Inter. Organs
(ASAIO) 26,72,1980
5. Bücheri, E. S., E. Hennig: Das künstliche Herz. Aus dem Berichtsband der ME-
DICENALE XIV. Iserlohn, 1984
6. Hennig E., A. Mohnhaupt, 1C Krautzberger, E. S. Bücheri: Die Druckmessung in
der Luftkammer pneumatisch angetriebener künstlicher Blutpumpen; ein Mittel
zur Abstimmung der Parameter des extra-corporalen Antriebs. Ergebnisbericht
zum Vorhaben BMFT/KUE 401 Berlin 1976
Anschrift des Verfassers
Dipl. Ing. Z. Jin
Rud. Virchow Klin.
Außenstelle Charlottenburg
Spanndauer Damm 130
1000 Berlin 19
Exp. Chirurgie
Chir Klinik u. Poliklinik
Kardiotechnik 11. Jahrgang/Heft 1/1988
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10
Fortbildung
Aus der Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie am Zentrum für Chirurgie der Justus-Liebig-Universität Gießen
Leiter: Prof. Dr. F. W. Hehrlein
Die Anwendung des hypothermen Kreislaufstillstandes beim Erwachsenen
S. Kasseckert, G. Görlach, H. H. Scheid
Summary
Hypothermie cardiac arrest was first used in congenital heart surgery. The adequate protection of the brain due to this method causes the use of
hypothermic circulatory cardiac arrest in surgery ofadults too. On the basis ofcase reports we discuss the usefulness of this method in surgery of
the aorta and the heart in adults. According to our believe this method is a formidable alternative to conventional use ofextracorporeal circula
tion in special cases.
Die Methode des hypothermen Kreislaufstillstandes durch ex
treme Kälteanwendung wurde in den frühen 50er Jahren erst
mals klinisch in der Herzchirurgie angewendet (1). Bald jedoch
wurde dieses Verfahren durch die extrakorporale Zirkulation
verdrängt. Zu Beginn der 60er Jahre jedoch begann es sich als Me
thode der Wahl in der Säuglingsherzchirurgie zu etablieren (2,3,
4). Nachdem mittels zahlreicher Studien belegt werden konnte,
daß dieses Vorgehen eine wirksame Protektion des Organismus
gegen Ischämie gewährleistet, fand diese Methode auch in der
Herz- und Gefäßchirurgie des Erwachsenenalters in speziellen
Fällen Anwendung. Hier ist insbesondere die operative Thera
pie von Aneurysmen, welche den Aortenbogen einbeziehen,
hervorzuheben (5). Im folgenden wird an vier Fallbeispielen der
Einsatz dieser Methode bei operativen Eingriffen im Erwachse
nenalter dargestellt und die Relevanz dieser Methode diskutiert.
Methodik
Fall 1:
Im Februar 1986 wurde bei einer 65 Jahre alten Patientin wegen
eines kombinierten Aortenvitiums ein Aortenklappenersatz
durchgeführt. Postoperativ verspürte die Patientin zunächst
Wohlbefinden. Im weiteren Verlauf kam es zunehmend zum
Auftreten einer Belastungsdyspnoe, die zuletzt in eine Ruhe-
dyspnoe mündete. Im Rahmen einer invasiven diagnostischen
Abklärung im Mai 1987 fand sich supravalvulär lokalisiert ein
Aneurysma spurium, welches mit dem rechten Ventrikel kom
munizierte (Abb. 1).
Nach Kanülieren der Arteria u. Vena femoralis im Sinne eines fe-
moro-femoralen Bypass wurde die operative Korrektur durchge
führt. Intraoperativ fand sich im Bereich der Aortenwurzel ein
kindskopfgroßer, pulsierender Tumor. Nach Absenken der rek
talen Temperatur auf unter 20 °C wurde der extrakorporale
Kreislauf gestoppt und das Aneurysma eröffnet. Es fand sich im
Bereich der alten Arteriotomiewunde eine 5 mm große Perfora
tion, welche mit dem rechten Vorhof kommunizierte. Die Perfo
ration wurde mittels filzpatcharmierter U-Nähte verschlossen.
Nach einer Dauer von 14 Minuten hypothermen Kreislaufstill
standes wurde die extrakorporale Zirkulation fortgesetzt und
der Eingriff beendet.
Der postoperative Verlauf gestaltete sich komplikationslos und
es bestanden keine Zeichen einer cerebralen Schädigung.
Abbildung 1: Mittels Aortographie kommt ein Aneurysma spurium der
Aorta ascendens zur Darstellung
Fall 2:
Im April 1983 wurde bei einem 54jährigen Patienten wegen ei
ner hochgradigen Aorteninsuffizienz ein Aortenklappenersatz
vorgenommen. Im März 1987 verspürte der Patient akut
Schmerzen in der linken Schulter, welche in den Rücken und
den linken Arm ausstrahlten. Mit dem Schmerzereignis ging das
Auftreten einer Orthopnoe einher. Mittels Aortographie konn
te das Vorliegen einer Aortendissektion Typ A, die distal des Ab
gangs der Koronargefäße begann und sich bis in die rechte Arte
ria iliaca ausdehnte, nachgewiesen werden.
Mittels eines femoro-femoralen Bypass wurde die rektale Tempe
ratur auf unter 20 °C abgesenkt. Abschließend wurde im hypo
thermen Kreislaufstillstand eine 30-mm-Vascutec’-Prothese End-
zu-End mit der Aorta descendens anastomosiert. Die supraaor
talen Gefäße wurden gemeinsam mit der sie umgebenden Ge
fäßwand en bloc in die Gefäßprothese implantiert. Danach wur
de der proximale Schenkel der Gefäßprothese abgeklemmt und
die extrakorporale Zirkulation nach einem Kreislaufstillstand
von 25 Minuten fortgesetzt. Nunmehr erfolgte die End-zu-End
Anastomose der Gefäßprothese mit der Aorta ascendens in su
prakoronarer Position. Im Anschluß an den Ersatz des Aorten
bogens wurde mittels extrakorporaler Zirkulation der Körper
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Ab 01. Januar1988 fallen sterile Ein
malartikel unter das Arzneimittel
gesetz (AMG).
Ab diesem Zeitpunkt werden diese
Artikel unter dem Oberbegriff „Fik
tive Arzneimittel” in das AMG ein
bezogen und unterliegen damit
auch den Bestimmungen der Be
triebsvereinbarung für Pharmazeu
tische Unternehmer (PharmBetrV).
Die Grundlagen hierzu stellt die
WHO unter Sicherung der GMP-
Richtlinien. Selbstverständlich er
füllt CODEC (Computer Designed
Custompacks) alle diese Anfor
derungen.
CODEC-Schlauchsysteme sind
bei