Entwicklung eines hochintegrierten intravaskulären Membranoxygenators für die Behandlung des akuten Lungenversagens

• Development of a high-integrated intravascular membrane oxygenator for the treatment of the acute respiratory failure

Cattaneo, Giorgio Franco Maria; Rau, Günter (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2006)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Kurzfassung

Miniaturisierung und Integration stellen die größten Herausforderungen bei biomedizinischen Systemen der letzten Generation dar. Insbesondere Blutoxygenatoren haben in den letzten Jahrzehnten als Komponente der Herzlungenmaschine einen erfolgreichen Einsatz gefunden, bieten jedoch in dem traditionellen Aufbau keine Alternative für die mittel- und langfristige Behandlung des akuten Lungenversagens. Neuartige Systeme, die sich durch Reduktion von Blutkontaktoberfläche, Füllvolumen und Komponentenzahl auszeichnen, werden mit dem Ziel entwickelt, das Infektionsrisiko, die Blutgerinnung und die Zellschädigung zu senken. In diesem Zusammenhang wird seit zwei Jahrzehnten die Möglichkeit erforscht, die Blutoxygenation mittels Membranen in dem beschränkten Raum innerhalb der Vena Cava im venösen Kreislauf zu erzielen. Die Beschränkungen sind dabei anatomischer und physiologischer Art. Die Anatomie des venösen Kreislaufs erschwert die Einführung von Fasern in einer genau definierten Konfiguration und beschränkt die implantierbare Faseroberfläche. Die Physiologie des venösen Kreislaufs darf außerdem von dem entstehenden Durchflusswiderstand nicht gestört werden. Diese Arbeit beschreibt die Konzeption, die Entwicklung und die Erprobung eines hoch-integrierten intravaskulären Membranoxygenators (HIMOX), die in den letzten Jahren am Helmholtz Institut für Biomedizinische Technik an der RWTH Aachen stattgefunden haben. Dabei wird das Ziel der maximalen Leistung unter minimaler Störung der Körperfunktionen verfolgt. Eine neuartige Faserkonfiguration stellt den Kern des vorgeschlagenen Konzepts dar. Kompakte, verformbare Faserbündel gleiten auf einem mittigen Katheter und passen sich somit an den venösen Kreislauf an. In der gestreckten Konfiguration wird der Durchmesser des Systems eingeschränkt und die Implantation durch ein enges Periphergefäß ermöglicht. Durch die Komprimierung und Ausbreitung der Faserbündel wird der Raum innerhalb der Vena Cava ausgenutzt und die Faseroberfläche wesentlich erhöht. Der Gasaustausch wird durch die entstehende senkrechte Faseranströmung und die resultierende Blutdurchmischung begünstigt. Die ersten Faserbündel wurden in Form von Labormustern hergestellt und verschiedene Konstruktionsparameter dabei variiert. Der Effekt der Faserkonfiguration auf die Strömungsverhältnisse wurde mathematisch modelliert und empirisch evaluiert. Die Auslegung weiterer Systemkomponenten erfolgte mit Rücksicht auf die anatomischen und physiologischen Verhältnisse im venösen Kreislauf. Durch die Integration einer mikro-axialen Blutpumpe wird der Widerstand der Fasern zur Blutströmung kompensiert. Die Trennung des Oxygenators von dem umgebenden Blut im venösen Kreislauf erfolgt durch die Integration einer verformbaren Hülle. Dadurch bleiben der Blutdruck in den Organen und der Blutrückfluss zum Herzen ungestört. Sowohl die Integration der Pumpe durch ein Gehäuse als auch der Aufbau der Hülle in Form eines beschichteten Stents werden vorgestellt. Die Gasströmung in dem eingeschränkten Systemraum erfolgt durch eine teilweise serielle, teilweise parallele Bündelversorgung, die einen hohen Gasdurchfluss mit gleichzeitiger Einschränkung der Druckverluste ermöglicht. Die Realisierung dieses Konzepts durch Schlitten und elastische Komponenten wird geschildert. Durch die Durchführung von in vitro und in vivo Versuchen mit den ersten Labormustern werden Schlussfolgerungen über das Leistungspotential des Systems gezogen und somit ein Ausblick in die Zukunft des Projektes ermöglicht.

Einrichtungen

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