Entwicklung eines hochintegrierten intravaskulären Membranoxygenators für die Behandlung des akuten Lungenversagens

Cattaneo, Giorgio Franco Maria; Rau, Günter

doi:HT014935418

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

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Giorgio Franco Maria Cattaneo

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangIX, 141 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-08-31

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17065
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62311/files/Cattaneo_Giorgio.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik (811001-1)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Medizin (frei) ; Künstliche Lunge (frei) ; ARDS (frei) ; Blutoxygenation (frei) ; artificial lung (frei) ; blood oxygenation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

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.

Miniaturisation and integration represent the biggest challenges in the biomedical devices of the last generation. Particularly blood oxygenators have been successfully used for the last decades as components of the heart-lung machines but still don’t offer in the traditional configuration an alternative for the middle and long-term treatment of the acute lung failure. Innovative systems with reduced blood contact surface, priming volume and number of components are developed with the aim of lower risk of infection, blood clotting and cell damage. In this context the possibility of blood oxygenation through membranes in the limited space within the vena cava in the venous system has been investigated for the last two decades. The limitations are of anatomical and physiological nature. The anatomy of the venous system makes the introduction of fibers in a defined configuration difficult and limits the implantable fiber surface. Moreover, flow resistance within the system should not disturb the physiology of the venous system. This work describes the conception, the development and the investigation of a high-integrated intravascular membrane oxygenator (HIMOX) which took place in the last years at the Helmholtz Institut for biomedical engineering at the RWTH Aachen. The system is aimed to provide the maximal performance without detrimental effect on the physiological functions. An innovative fiber configuration represents the core of the proposed concept. Compact flexible fiber bundles slide on a middle catheter and fit to the anatomy of the venous system. In the folded configuration the diameter of the system is reduced and implantation through a narrow peripheral vessel possible. The compression and the expansion of the fiber bundles lead to a filling of the space within the vena cava and to an increased fiber surface. Resulting cross flow fiber configuration results in enhanced blood mixing and thus increased gas exchange. The first test samples were manufactured in a wide range of construction parameters. The effect of the fiber configuration on the flow conditions was mathematical modelled and experimental evaluated. Further components of the system were developed under consideration of the anatomical and physiological conditions of the venous system. The integration of a micro-axial blood pump compensates for fiber resistance to blood flow. A deformable cover guarantees the separation between the blood within the system and the blood outside. This leads to physiological blood pressure in the organs and blood flow to the heart. The integration of the pump in a housing as well as the construction of a cover in form of a coated stent are presented. The gas supply to the bundles within the limited available space takes place partially serial, partially parallel. This makes a high gas flow with a reduced pressure drop possible. The realisation of this concept through slides and elastic components is described. In vitro as well as animal experiments with the first test samples lead to the first conclusions about the potential performance of the system and allow an outlook in the future of the project.

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