Aachener Medizintechniker entwickeln neue Herz-Lungen-Maschine

Von: Axel Borrenkott
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Guter Dinge: Unter Leitung von
Guter Dinge: Unter Leitung von Jutta Arens entwickelt das Ingenieurs -Team mit Peter Schlanstein (l.) und Georg Wagner am Institut für Angewandte Medizintechnik ein neues System zur Herz-Lungen-Unterstützung, das je nach Bedarf speziell zusammengesetzt wird. Foto: Peter Winandy

Aachen. Das Herz steht still, stundenlang. Doch das Blut fließt, alle Organe werden versorgt, der Mensch kriegt alle Luft, die er braucht. Und wenn er wieder aufwacht, geht es ihm besser statt schlechter.

Operationen am ruhenden Herzen sind so selbstverständlich geworden, dass man das technische Wunder vergisst, das sie überhaupt ermöglicht: die Herz-Lungen-Maschine. Seit gut 50 Jahren ist sie bewährt. Aber es wird auch Zeit, sie zu verbessern. Aachener Medizintechniker entwickeln ein neues Konzept.

Die HLM - Beschäftigte im Medizinbetrieb nennen die Herz-Lungen-Maschine nur bei ihrem Kürzel - ist normales Inventar im Operationssaal. Allein im Aachener Uniklinikum wurde sie bereits über 34.000 Mal eingesetzt. Ihre wesentlichen Aufgaben stecken im Namen: Die natürlichen Funktionen von Herz und Lunge - während der Operation - zu ersetzen.

Eine HLM besteht im Wesentlichen aus einer Pumpe, die den Kreislauf aufrecht erhält, einem Reservoir für das Blut sowie aus einem Blutgas-Austauscher (Oxygenerator), in dem das Blut mit Sauerstoff angereichert und das Kohlendioxid entfernt wird. Das Ganze passiert also außerhalb des Körpers, in einem mit diesem durch Schläuche verbundenen, schrankgroßen Gerät, der HLM. Sie arbeitet ein paar Meter vom Operationstisch entfernt, auf dem einem Patienten zum Beispiel künstliche Herzklappen eingesetzt oder Bypässe gelegt werden.

Was besser sein könnte

Bislang gibt es HLM nur in drei Dimensionierungen: für Säuglinge, Jugendliche und Erwachsene. Je nach Größe, Gewicht, Alter und Körperfläche haben Menschen aber ein ganz unterschiedliches Blutvolumen und - auch abhängig von der Narkosetiefe - einen viel differenzierteren Bedarf an Gasaustausch. So ist etwa der Typ HLM für Erwachsene, der auch für den 150-Kilo-Mann reicht, für eine Frau von 50 Kilo völlig überdimensioniert.

Bei Kindern unter Normalgewicht und anderen kritischen Patienten wiederum kann es problematisch sein, dass ihr Blut zu sehr verdünnt wird. Eine Herz-Lungen-Maschine muss nämlich mit einer Kochsalzlösung vorgefüllt werden, um Luftbläschen im Blut zu vermeiden, die zu Embolien führen können. Das verdünnt das Blut - manchmal zu sehr, sodass es mit Transfusionen ausgeglichen werden muss.

Ein Systemproblem schließlich ist, dass das Blut unvermeidlich mit großen körperfremden Flächen in Berührung kommt, Schläuche vor allem. Das birgt grundsätzlich die Gefahr von Blutgerinnung, was das Gerät, vor allem aber als Thrombus Körpergefäße verstopfen kann. Um das zu verhindern werden zwar gerinnungshemmende Mittel gegeben; doch je weniger Fremdfläche, desto kleiner die Gefahrenzonen. Herkömmliche HLM haben aber lange Schläuche.

Nun ist es nicht so, dass solche Probleme in der Praxis der durch HLM unterstützten Herzoperationen - die erste in Deutschland fand 1958 an der Marburger Uni statt - nicht beherrscht würden. Von statistisch erheblichen Komplikationen ist jedenfalls nichts bekannt. Fraglos aber gibt es genug Motive, das System der Unterstützung von Herz und Lunge zu verbessern.

Ingenieure und Mediziner

Ein solches Konzept, es gibt auch andere, wird von Aachener Ingenieuren in Zusammenarbeit mit Anästhesisten, Herzchirurgen und Kardiotechnikern des Klinikums entwickelt und vom Land NRW finanziert. Das international bereits ausgezeichnete Projekt hat einen arg komplizierten englischen Namen, auf deutsch kann man es „Maßgeschneiderte künstliche Lunge” nennen. Denn das ist der wesentliche Ansatz, den die Leiterin des Projekts, die Diplomingenieurin Jutta Arens, mit ihrem Team am Institut für Angewandte Medizintechnik der RWTH verfolgt: Ein System der Herz-Lungen-Unterstützung, das auf die Person des individuellen Patienten angepasst werden kann, sowohl bei einer Operation wie bei einer nachfolgenden Behandlung.

Oft müssen nämlich die Funktionen von Herz und Lunge noch einige Tage nach einer Operation auf der Intensivstation unterstützt werden, bis die Organe wieder in der Lage sind, selbsttätig zu arbeiten. Notwendig kann die Unterstützung der Lunge aber auch ohne vorhergehende Operation sein, zum Beispiel bei Entzündungen.

Technisches Grundprinzip des neuen Konzepts ist es, statt mit einer großen Maschine in drei Größen mit Modulen zu arbeiten, die je nach individuellem Bedarf ausgetauscht werden können. Das macht die Geräte insgesamt deutlich kleiner und verkürzt die Schlauchlängen. Darüber hinaus kann die operative wie nachoperative Phase mit demselben Gerät bedient werden, indem nur die jeweils benötigten Module angebracht werden.

Ausgangsbasis für die Miniaturisierung ist die bereits vor sieben Jahren entwickelte MiniHLM für Neugeborene mit Herzfehlern, ein Projekt an dem Jutta Arens als Doktorandin beteiligt war. Dass es gleichwohl recht lange gedauert hat, bis die Medizintechnik sich der bekannten Nachteile der HLM angenommen hat, erklärt Arens damit, dass das „ein technisch sehr komplexes Problem ist”.

Und dieses Problem heißt Blut. „Mit Wasser wär das alles kein Problem, aber Blut ist für einen Techniker, offen gesagt, eine ganz blöde Flüssigkeit.” Weil Blut nicht homogen ist, also Partikel enthält, weil es gerinnen kann und weder zu schnell noch zu langsam fließen darf.

So wird es trotz der intensiven Kooperation zwischen Ingenieuren und Medizinern noch ein paar Jahre dauern, Arens schätzt noch bis zu sieben, bis aus dem Forschungsprojekt ein marktreifes Produkt geworden ist. Bis dahin wird auch noch eine ganze Reihe Kaninchen und Schweine zum Wohle künftiger Patienten operiert werden müssen. Ohne Tierversuche ist solche Medizintechnik leider nicht zu haben.
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