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Entwicklung einer miniaturisierten Herz-Lungen-Maschine für neugeborene Kinder mit angeborenem Herzfehler

MiniHLM

Herz-Lungen-Maschinen (HLM), die bisher bei Kindern zum Einsatz kommen, sind konzeptionell überwiegend Geräte für Erwachsene, deren Einzelkomponenten lediglich verkleinert wurden. Dieser Verkleinerung sind aber Grenzen gesetzt, z. B. durch die benötigte Gasaustauschfläche, die benötigten Schlauchverbindungen der Kom­ponenten untereinander etc. Um eine HLM speziell für den Einsatz an früh- und neugebore­nen Kindern zu konzipieren, müssen daher gänzlich neue Konstruktionsansätze verfolgt werden.

Am Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik, Helmholtz-Institut, RWTH Aachen, wird daher in Zusammenarbeit mit der Kinderherzchirurgie des Universitätsklinikums Aachen eine neuartige hoch integrierte Herz-Lungen-Maschine (MiniHLM) entwickelt. Das primäre Ziel der MiniHLM ist, durch eine Reduktion von Füllvolumen und Fremdkörperoberfläche eine Verminderung der häufig beobachteten Komplikationen zu erreichen. Erste Tierversuche zur Validierung des Konzeptes konnten bereits erfolgreich durchgeführt werden.

Einleitung

Angeborene Herzfehler treten mit einer Häufigkeit von 0,8 % bei Neugeborenen auf. Die Korrektur dieser Herz- und Gefäßmissbildungen wird durch den Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine (HLM), die eine Auf­rechterhaltung der Körperperfusion und der Körper­oxygenierung gewährleistet, ermöglicht. Dieser ex­tra­­korporale Kreislauf kann jedoch, insbesondere bei kleinen Neugeborenen, zu einer akuten systemischen entzündlichen Reaktion sowie zur Schädigung der Gerinnungssysteme führen [1]. Diese Patienten leiden post­operativ an Fieber und Fehlfunktionen verschiedener Organ­systeme in  unterschiedlichem Ausmaß.

Bei Patienten, die mit einer herkömmlichen HLM ope­riert wurden, konnte der Zu­sammen­hang zwischen schwerwiegenden Komplika­tionen, wie das Multiorganversagen und das Capil­lary-Leak-Syndrom, und den durch den extrakorpora­len Kreislauf bedingten entzündlichen Reaktion her­gestellt werden [2]. Bisher barg der Einsatz der HLM bei Frühgeborenen mit einem Geburtsgewicht von 1000 g (Blutvolumen ca. 85 ml) wegen dieser gefürchteten Schädigung aller Organsysteme hohe Risiken. Das statische Füllvolumen einer für Säuglinge gebräuchlichen HLM beträgt allein 400 ml. Das Blutvolumen eines neugeborenen Kindes mit einem Gewicht von 3500 g beträgt jedoch nur 300 ml. Daher bedeutet selbst für Neugeborene der Anschluss an eine HLM mit einem Füllvolumen von 400 ml trotz des Ein­satzes von Fremdblut eine erhebliche Verdünnung des Blutvolumens sowie einen hohen prozentualen Fremd­körperkontakt mit erheblichen möglichen Kom­plika­tionen beim Kind.

Um die beschriebenen Reaktionen und Komplikatio­nen erheblich zu vermindern, ist eine grundsätzliche Veränderung des Aufbaues der herkömmlichen HLM für Kinder notwendig, da bei der bisherigen Ent­wick­lung dieser Systeme im wesentli­chen die Einzelkomponenten der ursprünglichen HLM für Erwachsene lediglich verkleinert wurden. Diesem Konzept der Skalierung sind aber technische und physikalische Grenzen gesetzt, wie z. B. durch die notwendige Gasaustausch­fläche. Um eine HLM speziell für den Einsatz an früh- und neugeborenen Kindern zu konzipieren, müssen daher gänzlich neue Konstruktionsansätze verfolgt werden.

Am Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik, Helmholtz-Institut, RWTH Aachen, wird daher in Zu­sam­menarbeit mit der Kinderherzchirurgie des Universitätsklinikums Aachen eine neuartige hoch integrierte Herz-Lungen-Maschine (MiniHLM) entwickelt.

Methoden

Die Grundlage für die Entwicklung der MiniHLM war, bei ausreichender Gasaustauschfläche ein Ge­samt-Füllvolumen von unter 125 ml zu erreichen.

Um diese Vorgabe umsetzen zu können, wurde ein neuer Konstruktionsansatz verfolgt. Bei bestehenden HLM-Systemen sind üblicherweise die notwendigen Komponenten (Oxygenator, Pumpe, Wärmetauscher, Kardiotomie-Reservoir) als mit Schläuchen verbun­dene Einzelteile konzipiert. Hierauf wird bei der MiniHLM weitestgehend verzichtet, indem eine Rota­tionsblutpumpe zentral in den Oxygenator [3, 4] und ein Wärmetauscher in das Kardiotomie-Reservoir integriert wurde. Zudem ist der Auslauf des Kardioto­mie-Reservoirs direkt mit dem Bluteinlauf der Rota­tionsblutpumpe konnektiert. Somit befinden sich die einzigen benötigten Schlauchverbindungen zwischen Patient und Kardiotomie-Reservoir auf venöser Seite und Blutauslass und Patient auf arterieller Seite.

Das System ist auf Grund seiner hoch integrierten Bauweise derart kompakt, dass der Blut führende Teil der MiniHLM direkt am OP-Tisch befestigt (Bild 1) und so zusätzlich auch die Länge der Kanülierungs­schläuche auf ein Mindestmaß reduziert werden kann.

Bild 1: MiniHLM im Tierversuch

Nach dem erfolgreichen Proof-of-Concept wird die Funktion der MiniHLM nun sowohl in in-vitro-Tests als auch im Tiermodel (Kaninchen) eingehend ge­testet. Im Tierversuch wird der Brustkorb des Kaninchens eröffnet, das Kaninchenherz kanüliert, die Aorta abgeklemmt und das Herz mittels Blutkardioplegie stillgelegt. Für eine Stunde werden sowohl die Perfusion als auch der Gasaustausch ausschließlich durch die Mini­HLM gewährleisten.

Ergebnisse & Diskussion

Die bisherigen in-vitro- und in-vivo-Versuche vali­dieren das Konzept der MiniHLM. Im in vitro Ver­such konnte mit der integrierten Pumpe der klinisch geforderte max. Blutvolumenstrom von 700 ml/min bei einer max. Druckdifferenz von 250 mmHg (unter Verwendung einer 8 Fr Kanüle und 3/16“ Schläu­chen; Versuchsaufbau analog zu Tierversuchen) problem­los gefördert werden (Bild 2).     

In Tierversuchen an weiblichen weißen Neuseeland-Kaninchen (n = 13; 4,1 ± 1 kg) konnte sowohl ein ausreichender Gasaustausch über den Oxygenator als auch ein adäquater Blutvolumenstrom über die Pumpe sichergestellt werden. 12 Kaninchen konnten nach einer Stunde Aorten-Abklemmzeit erfolgreich von der MiniHLM entwöhnt werden.

Bild 2: Kennfeld des Oxygenators mit integr. Pumpe und Schlauch/Kanülen-Konfiguration wie Tierversuch

Mit der MiniHLM wird eine vielversprechende Herz-Lungen-Maschine für neu- und frühgeborene Kinder mit angeborenem Herzfehler umgesetzt. Die Mini­HLM wird es auf Grund des geringen Füllvolumens und der minimierten Fremdkontaktfläche erlauben, auch bei Neugeborenen mit einem geringen Körper­gewicht Herz- und Gefäßmissbildungen zu korrigie­ren. Einzelne Teilbereiche der MiniHLM werden ite­rativen Optimierungsprozessen und das Gesamtsystem weiteren Tests unterzogen.

Präsentation

 

 

[1]  Kirklin JW, Westaby S, Blackstone EH, Kirklin JW, Chenoweth DE, Pacifico AD: Complement and the damaging effects of cardiopulmonary bypass. J Thorac Cardiovasc Surg 1983;86:845-857

[2] Seghaye MC, Grabitz RG, Duchateau J, et al.: Inflammatory reaction and capillary leak syndrome related to cardiopulmonary bypass in neonates undergoing cardiac operations. J Thorac Cardiovasc Surg 1996;112:687-97              

[3] Meyns B: Indications for Rotatory Blood Pumps in Clinical Practice. Artificial Organs 25(5):323-326

[4] Strauss A, Cattaneo G, Arens J, Reul H, Steinseifer U, Schmitz-Rode T: Development of Highly Integrated Extracorporeal Membrane Oxygenator with Rotary Blood Pump - Concept and Functionality. Biomedizinische Technik 2005; 50 (1): 867-868

Kontakt

Dr.-Ing. Jutta Arens

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