mini|Herz-Lungen-Maschine im OP
Die Herz-Lungen-Maschine (HLM) ist ein medizintechnisches Gerät, das die Pumpfunktion des Herzens sowie die Lungenfunktionen Sauerstoffanreicherung (Oxygenierung) des Blutes und Kohlendioxid-Elimination für einen begrenzten Zeitraum ersetzt und damit eine Operation am offenen Herzen ermöglicht. Das Blut verlässt dabei den Körper über ein Kanülen- und Schlauchsystem (kardiopulmonaler Bypass), wird mit Sauerstoff angereichert und wieder zurückgepumpt. Man spricht hierbei von einer extrakorporalen Zirkulation. Zudem kann durch eine Herz-Lungen-Maschine über einen Wärmeaustausch(er) ein Patient schnell abgekühlt und aufgewärmt werden. Die HLM ist nicht mit der Eisernen Lunge zu verwechseln, die lediglich die Atmung unterstützt.
Der Weg des Blutes verläuft hierbei meist von den Hohlvenen oder dem rechten Herzvorhof sowie aus Herzkammern und eröffneten Herzkranzgefäßen im Operationsgebiet zur HLM und nach Filterung, Sauerstoffanreicherung und Kohlendioxidelimination sowie Erwärmung und nochmaliger Filterung zurück über die Hauptschlagader oder eine Schenkelarterie. In der Praxis werden hierbei verschiedene Bypass-Arten unterschieden (totaler kardiopulmonaler Bypass, partieller Bypass, linker atriofemoraler Bypass, femorofemoraler Bypass, Linksherzbypass und Rechtsherzbypass).Reinhard Larsen: Anästhesie und Intensivmedizin in Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie. 1999, S. 80 f. und 117–120.
Die häufigste Anwendung findet die Herz-Lungen-Maschine in der Herzchirurgie. In der Notfall- und Intensivmedizin kommen kleinere spezialisierte Systeme, so genannte extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO), zum Einsatz.
Geschichte mini|Die erste deutsche Herz-Lungen-Maschine der Fa. Ulrich GmbH & Co. KG (1958) mini|Ärzte an der Herz-Lungen-Maschine während einer Operation in der Herzklinik Bad Berka (1986)
Als Erfinder der Herz-Lungen-Maschine gilt John Heysham Gibbon, der 1937 bis 1939 die erste Herz-Lungen-Maschine für Menschen bauteFriedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. 1973, S. 167 f. und dessen in den USA entwickelte Maschine bei der Operation eines Vorhofseptum-Defektes bei einer 18-jährigen Patientin am 6. Mai 1953 für 26 Minuten an der Klinik der Pennsylvania University in Philadelphia eingesetzt wurde.Susanne Hahn: Herz-Lungen-Maschine (HLM). 2005, S. 584.
Die Idee einer extrakorporalen Zirkulation publizierte im Jahr 1812 bereits der französische Physiologe Le Gallois in seinem Buch Expériences sur le principe de la vie.Friedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. In: Franz Xaver Sailer, Friedrich Wilhelm Gierhake (Hrsg.): Chirurgie historisch gesehen: Anfang – Entwicklung – Differenzierung. Dustri-Verlag, Deisenhofen bei München 1973, ISBN 3-87185-021-7, S. 164–185, hier: S. 167. Maximilian von Frey baute 1885 mit seinem Kollegen Max von Gruber an der Universität in Leipzig mit einem Filmoxygenator mit Kolbenpumpe zur erstmaligen Anwendung des Blutkreislaufs in einem geschlossenen extrakorporalen SystemFriedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. 1973, S. 167. den Vorläufer heutiger Herz-Lungen-Maschinen.J. Willis Hurst, W. Bruce Fye, Heinz‐Gerd Zimmer: The heart‐lung machine was invented twice—the first time by Max von Frey. In: Clinical Cardiology. Band 26, September 2003, S. 443–445, doi:10.1002/clc.4960260914 Zur Verhinderung der Blutgerinnung verwendete Carl Jacobj 1895 Blutegel-Extrakte.Friedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. 1973, S. 168.
Eine zentrale Bedeutung für die extrakorporale Zirkulation durch die Herz-Lungen-Maschine hat die Entdeckung des Heparins durch Jay McLean im Jahr 1916 und dessen chemische IsolierungFriedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. 1973, S. 168. durch William H. Howell. Heparin verhindert die Blutgerinnung, was eine elementare Voraussetzung zum Betrieb einer Herz-Lungen-Maschine darstellt.
Herz-Lungen-Maschinen nutzen für den Bluttransport noch immer Rollenpumpen, deren Erfindung bis ins Jahr 1934 zurückreicht, die zunächst zu Transfusionszwecken verwendet und bereits 1924 von Claude S. BeckVgl. Claude S. Beck: Wounds of heart: technic of suture. In: Archiv of Surgery. Band 13, 1926, S. 205 ff. entworfen und dann 1937 bis 1939 von Gibbon beim Bau seiner ersten Herz-Lungen-Maschine verwendetFriedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. In: Franz X. Sailer, F. W. Gierhake (Hrsg.): Chirurgie historisch gesehen: Anfang – Entwicklung – Differenzierung. Dustri-Verlag, Deisenhofen bei München 1973, ISBN 3-87185-021-7, S. 164–185, hier: S. 167 f. wurden.
Auch die Entdeckung der Sauerstoffanreicherung des Blutes geht auf eine Beobachtung aus dem Jahr 1944 zurück, als bei der Durchführung einer Hämodialyse beobachtet wurde, dass das zum Patienten zurückfließende Blut die Farbe änderte.
1926 gelang dem sowjetischen Wissenschaftler Sergej Brjuchonenko die erste erfolgreiche extrakorporale Zirkulation an einem abgetrennten Hundekopf, worauf er als Erster der extrakorporalen Zirkulation eine Zukunft in der Herzchirurgie voraussagte.
Der italienische Herzchirurg Achille Mario Dogliotti führte am 9. August 1951 weltweit zum ersten Mal eine Herzoperation mit einem artifiziellen extrakorporalen Kreislauf durch. Es war ein 49-jähriger Patient von Dogliotti und Aldo Costantini, der sich in Turin einer Operation bzw. Exstirpation eines Mediastinaltumors unterzog. Dogliottis Herz-Lungen-Maschine bestand aus einem Rollerpumpensystem und einem Oxygenator, der nach dem Gasdispersionsprinzip arbeitete.Rudolf J. Tschaut: Extrakorporale Zirkulation in Theorie und Praxis. Pabst Science Publishers, Lengerich/Bremen/Berlin 2005, ISBN 978-3-89967-217-6, S. 17
Nach langer Vorarbeit gelang dem Amerikaner John Gibbon am 6. Mai 1953 die erste extrakorporale Zirkulation an einem Menschen in den Vereinigten Staaten von Amerika. Zuvor hatte Gibbon den Prototyp einer Herz-Lungen-Maschine gebaut; mit ihrer Hilfe überlebte 1935 eine Katze gut eine halbe Stunde, ohne dass ihr eigenes Herz schlug. Gibbon wurde später bei der Entwicklung unterstützt von Ingenieuren der Firma IBM. Es gab zahlreiche Rückschläge und auch Todesfälle, bis die MaschineJohn H. Gibbon: Application of a mechanical heart and lung apparatus to cardiac surgery. In: Minnesota Med. Band 37, 1954, S. 171 ff. 1953 einwandfrei arbeitete.
Er operierte eine 18-jährige Frau mit Vorhofseptumdefekt, wobei die Patientin 45 Minuten lang an die Herz-Lungen-Maschine angeschlossen war. Die Herz-Lungen-Maschine wurde dann unter anderem von Viking Olof Bjork in Schweden und anderen weiter entwickelt (Vgl. dazu Clarence Crafoord und Åke Senning). In den USA betrieb insbesondere John Webster Kirklin an der Mayo Clinic die Weiterentwicklung und setzte sie 1955 für Operationen am offenen Herzen ein.
Mit dem Einsatz der Herz-Lungen-Maschine ließ sich ein zentrales Problem der Herzchirurgie lösen, das bis dato sichere Operationen am Herzen unmöglich gemacht hatte: der Mangel an Operationszeit. Um das Herzinnere für chirurgische Eingriffe zugänglich zu machen, bedarf es einer temporären Abklemmung der großen Herzgefäße, was die Sauerstoffzufuhr zum Gehirn unterbricht und die Operationszeit ohne Hilfsmittel somit auf wenige Minuten beschränkt. Die maschinelle Umleitung und die Sauerstoffanreicherung des Blutes trugen entscheidend dazu bei, diese Zeitspanne auf bis zu eine Stunde auszudehnen und ohne Hast zu operieren.
Da die damals verwendeten Oxygenatoren bei weitem nicht die Leistung heutiger Geräte erreichten, war die 1954 eingeführte Blutstromkühlung (Hypothermie) mit der damit einhergehenden Verminderung des Sauerstoffverbrauchs von großer Bedeutung, um Patienten auch längere Zeit mit einer Herz-Lungen-Maschine am Leben erhalten zu können.
Um 1955 gelang dann die Konstruktion eines Oxygenators, der Blut mit Hilfe von Gasblasen mit Sauerstoff anreicherte, ohne dass die befürchtete Gefahr von Luftembolien zum Tragen kam. 1956 kam erstmals der 1955 von Willem J. Kolff und R. BalzerVgl. Friedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. 1973, S. 167 f. entwickelte und noch heute verwendete Typ eines Membranoxygenators zum Einsatz. Es sollte aber noch 13 Jahre dauern, bis er die Marktreife erlangte.
Die erste Herzoperation unter Anwendung einer – von Manfred Schmidt-Mende und Hans Georg Borst geschaffenen – Herz-Lungen-Maschine in Deutschland fand am 19. Februar 1958Hans-Jürgen Peiper: Die Zenker-Schule. (Ansprache anlässlich der Feierstunde zum 68. Geburtstag von Prof. Dr. med. Horst Hamelmann am 26. Mai 1992 in Würzburg) In: Würzburger medizinhistorische Mitteilungen 11, 1993, S. 371–387, hier: S. 379 f. am Marburger Universitätsklinikum statt und wurde von dem bedeutenden Herzchirurgen Rudolf Zenker durchgeführt. Operiert wurde eine 29-jährige Patientin mit Ventrikelseptumdefekt. Angesichts des chronischen Devisenmangels der Deutschen Demokratischen Republik entwickelte Karl-Ludwig Schober eine eigene Herz-Lungen-Maschine.
Funktionen und Zubehör
Pumpfunktion, Pumpen Das Herz pumpt das Blut in pulsierender Bewegung durch die Blutgefäße. Um den oft stark wechselnden Belastungen des Organismus gerecht zu werden, wird das gepumpte Volumen (Herzzeitvolumen) ständig angepasst. Die Regulationsbreite eines Erwachsenen geht dabei von ca. 5 l/min in Ruhe bis ca. 25 l/min unter stärkster Belastung.Axel Gödecke, Jürgen Schrader, Malte Kelm: Das Herz. In: Hans-Christian Pape, Armin Kurtz, Stefan Silbernagl (Hrsg.): Physiologie. 9. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart / New York 2019, ISBN 978-3-13-242391-6, S. 183 f.
Für den extrakorporalen Kreislauf werden noch heute vorzugsweise Rollenpumpen verwendet. Hierbei wird ein in einem halbkugelförmigen Käfig liegender Kunststoffschlauch von zwei gegenüberliegenden Andruckrollen des mittig rotierenden Pumpenkopfes ausgedrückt. Die alternative Verwendung von Zentrifugalpumpen ist technisch schwieriger und aufwändiger. Finger- oder Axialpumpen im okkludierenden Betrieb zeigen eine deutlich höhere Hämolyse, die abhängig von Stärke und Dauer eines beim Pumpvorgang entstehenden SogsReinhard Larsen: Anästhesie und Intensivmedizin in Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie. 5. Auflage. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York u. a. 1999, ISBN 3-540-65024-5, S. 82 f. und 107. ist, als Rollenpumpen.
Die technischen Ansprüche ergeben sich aus den oben beschriebenen Regulationsmöglichkeiten, den Anschlussmöglichkeiten an den Blutkreislauf und den Sicherheitsanforderungen. Die Pumpen sind sowohl für den kontinuierlichen als auch den pulsatilen Betrieb ausgelegt. Die regelbaren Förderraten liegen zwischen 0,01 l/min und 8 l/min. Eine hohe Präzision des Pumpenkopfes sorgt für eine möglichst geringe Blutschädigung (bei Rollenpumpen ist die Hämolyserate abhängig vom Anpressdruck der Pumpe). Eine elektronische Steuerung verhindert die unkontrollierte Drehzahländerung des Pumpenkopfes zuverlässig.
Lungenfunktion, Oxygenatoren Zentrale Aufgabe der Lunge ist der Gasaustausch von Sauerstoff und Kohlendioxid. In der Lunge finden sich hierfür optimale Bedingungen. Die Diffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid erfolgt über eine sehr große Fläche von bis zu 200 m², bei geringer Blutfilmdicke und ausreichend langer Kontaktzeit.
Die heute zur Verfügung stehenden Geräte zur Sauerstoffsättigung des Blutes (Oxygenatoren) kann man in zwei Klassen einteilen: Blasenoxygenator – Gas in direktem Kontakt zum Blut Hohlfasermembranoxygenator – Gas und Blut getrennt Der Blasenoxygenator kommt heute in Deutschland kaum mehr zur Anwendung. Aber auch dem heute gebräuchlichen Membranoxygenator gelingt die Nachahmung der menschlichen Lunge nur unvollkommen. Die Blutschicht ist erheblich dicker und es steht eine nur ca. 2 bis 10 m² große Diffusionsfläche zur Verfügung.