DE2241698A1 - Verfahren zur erhaltung lebender organe und apparat zur ausfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur erhaltung lebender organe und apparat zur ausfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Dr. med. Roland Doerig Zürich, den 24.8.1972
CH-8037 Zürich/Schweiz
Verfahren zur Erhaltung lebender Organe
und Apparat zur Ausführung des Verfahrens.
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Erhaltung lebender
Organe mittels gekühlter und durch ein Atemgas angereicherter Perfusion sowie einen Apparat zur Ausführung des Verfahrens
.
Es gibt bereits Perfusionsapparaturen zur. Organkonservis-ung,
die jedoch wegen ihres Umfanges und Ihres Gewichts und der
Notwendigkeit elektrischer Energie zum Betrieb vorwiegend"
nur für stationäre Verwendung geeignet sind. Bei diesen Einrichtungen ergibt sich noch der Nachteil, daß das Fördervolumen
der Perfusatpumpe fest einstellbar ist, wodurch bei Anstieg des Perfusionsdruckes in den Gefäßen das lebende Organ
gefährdet ist.
Das Problem liegt vor allem darin, daß sich Spender und Empfänger eines lebenden Organs z.B. einer menschlichen Niere
im allgemeinen an verschiedenen Orten befinden, sodaß ein Transport des Organs erforderlich ist. Da die bekannten Einrichtungen
aus den genannten Gründen für einen Transport kaum in Betracht kommen und das Organ ohne Konservierung nur sehr
kurze Zeit lebensfähig ist, so ist es in vielen Fällen nicht möglich das zur Verfügung stehende Organ noch zu verwenden«,
Die Erfindung löst das Problem und beseitigt damit die lachteile
der bisherigen Einrichtungen. Sie ermöglicht;einen
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tragbaren, stromunabhängigen Perfusionsapparat mit organschonender
Pumpleistung und den erforderlichen Regelungen herzustellen.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine automatische Steuerung der Perfusion in Anpassung
an den Durchflußwiderstand im Organ, unter Verwendung einer durch Gas, z.B. durch Atemgas, betriebenen Perfusatpumpe.
Der Betrieb der Perfusatpumpe und die Kühlung des Perfusats
' erfolgt vorzugsweise mittels Trockeneis und dem daraus gewonnenen COp-Gas. Das Trockeneis kann so auch zum Betrieb
einer zur Perfusatoxygenation dienenden Pumpvorrichtung verwendet werden. Die Kühltemperatur des Perfusates wird zweckmäßig
durch Veränderung der Lage oder der Isolation des Trokkeneisraumes gegenüber dem Organ- und Pumpenraum konstant gehalten.
Es kann auch eine Umschaltung des Betriebes der Perfusatpumpe von C02-Gras auf Atemgas vorgesehen sein. Das nach dem Pumpvorgang
aus der Perfusatpumpe ausströmende Atemgas dient dann zur Oxygenation des Perfusates.
Der Apparat zur Ausführung des Verfahrens besteht aus einem thermoisolierten Behälter mit einem Pumpenraum, einen- Organraum
und gegebenenfalls einem Eaum zur Aufnahme des Trockeneises, wobei im Pumpenraum ein Eingangsventil und ein Ausgangsventil
für das Perfusat vorgesehen ist und das Gas durch einen Gaseinlaß zugeführt und durch ein druck- oder volumen—
gesteuertes Auslaßventil abgegeben wird. Ferner sind Regler zur Einstellung der physiologischen Pulsform, der Pulsfrequenz,
des I^ördervolumens und des maximalen Perfusionsdruckes
für eine pulsatile oder nicht pulsierende Organperfusion,
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sowie zur Einstellung eines hyperbaren Zustandes im Organraum vorgesehen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Perfusionsapparat mit druckgesteuertem Ventil, Fig. 2 eine Variation des Perfusionsapparates nach Fig. 1,
Fig. 3 einen mit Trockeneis betriebenen Perfusionsapparat, Fig. 4 einen Perfusionsapparat mit magnetischem Ventil.
Der in Fig. 1 dargestellte Perfusionsapparat besteht aus einem Behälter 1 mit Thermoisolation 2. Er ist aufgeteilt in
einen Pumpenraum 3 und einen Organraum 4ο Im Pumpenraum 3 befinden
sich das passive Eingangsventil 5 und das passive Ausgangsventil 6 für das Perfusat, der Gaseinlaß 7 und der Gasauslaß
8 sowie das druckgesteuerte Gasauslaßventil 9. letzteres setzt sich zusammen aus einem beweglichen Teil in Gestalt
einer vorgespannten monostabilen Membran 10 mit einer Gasdurchtrittsoffhung 11 und einem feststehenden Teil 12 dem
Ventilsitz. Unter monostabiler Membran wird eine Membran verstanden,
welche beim Ausbiegen nach einer Seite von selbst wieder in die Ausgangslage zurückkehrt.
Der Gaseinlaß 7 erfolgt an einem Rohr 13» das den festen Teil
12 des Gasauslaßventils 9 trägt und das mit einem Außengewinde 13a in eine Gewindebohrung des Behälters 1 eingesetzt
ist. Durch Drehung des Rohres 13 kann die Lage des Teiles
und damit die Spannung der Membran 10 geändert werden. Über dem Gasauslaß 8 ist ein Überdruckventil 14 angeordnet.
Der Organraum 4 enthält das zu konservierende Organ 15» welches
mit seiner Arterie 16 an der Perfusatzuleitung 17 angeschlossen
ist. Die Vene 18 ist nach dem Organraum 4 offen. Ein Abschnitt der Perfusatleitun^ 17 enthält eine elastische
τ 4 309810/1103
Erweiterung 19· Das im Organraum 4 eingeschlossene Organ 15
steht unter dem Druck eines Luftkissens 20. Die Perfusatflüssigkeit
oder kurz Perfusat 21 genannt hat im Pumpenraum 3 und im Organraum 4 verschieden hohes Niveau. In den Perfusatkreislauf
ist ein Filter 22 eingebaut.
Der Perfusionsapparat arbeitet in der Weise: Das aus einer in der Zeichnung nicht dargestellten Druckflasche ausströmende
Atemgas gelangt durch den Gaseinlaß 7 in das Rohr 13 und von da in den Pumpenraum 3ι wo es durch das Perfusat 21
sprudelt, welches dabei mit dem Gas angereichert wird. Das Gas sammelt sich über dem Perfusat an, wodurch bei geschlossenem
Gasauslaßventil 9 im Pumpenraum 3 ein Druck entsteht,
welcher das Perfusat durch das passive Ausgangsventil 6 über die Perfusatzuleitung 17 in die Arterie 16 des Organs 15 fördert,
das Organ in Richtung der Pfeile durchströmt und aus der Vene 18 in den Organraum 4 abfließt, wo es sich am Boden sammelt.
Mit zunehmendem Perfusatvolumen im Organraum wird das darüber befindliche Luftkissen 20 komprimiert. Ist im Pumpenraum
3 der gewünschte Solldruck erreicht, so wird die vorgespannte Membran 10 plötzlich vom feststehenden Teil 12 des
Gasauslaßventils 9 abgehoben und nimmt die Stellung 10a ein. Das Gas entweicht durch die Öffnung 11 und den Gasauslaß 8
nach außen, wodurch der Druck im Pumpenraum 3 fällt. Nun drückt das vorher komprimierte Luftkissen im Organraum 4 das Perfusat
durch das Eingangsventil 5 zurück in den Pumpenraum 3» wobei es beim Durchlaufen des Filters 22 gereinigt wird. Sobald der
Druck im Organraum 4 und im Pumpenraum 3 auf den Ausgangswert
gefallen ist, so schnellt die Membran 10 in ihre Ruhelage zurück und schließt das Gasauslaßventil 9 wieder. Das Gas strömt
durch den Gaseinlaß 7 nach und es beginnt ein neuer Pumpvorgang. Durch Drehen des Rohres 13 kann die Spannung der Membran 10
verändert werden. Wird der feststehende Teil 12 des Gasauslaßventils 9 gehoben, so öffnet das Ventil schon bei niedrigerem
öolldruck. Auf diese Weise kann der maximale Pulsdruck erniedrigt,
das Fördervolumen verringert, die Pulsfrequenz erhöht werden und in Abhängigkeit davon die Pulsform und die Perfusions-
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menge pro Zeiteinheit gesteuert werden. Diese Werte lassen sich auch in gleicher Weise durch Regelung des Gaszuflusses
ändern.
Entsteht im Organ 15 ein Durchflußwiderstand, so ist bei konstanter
Gasflußmenge der Solldruck im Pumpenraum 3 schon früher und nach kleinerem Fördervolumen pro Pumpvorgang erreicht.
Mittels der druckabhängigen Membran 10 steuert die Pumpe also wie ein Herz automatisch Pulsfrequenz und Pördervolumen in Anpassung
an den Durchflußwiderstand im Organ 15, wobei der maximale
Pulsdruck pro Pumpvorgang unverändert bleibt. Dadurch wird die Gefahr der Zerstörung des Organs 15 infolge Perfusionsüberdruck
mit Sicherheit vermieden. Ferner ergibt sich der Vorteil, daß die dem Organwiderstand am besten entsprechende Perfusionsgröße
erhalten bleibt.
Die in der Perfusatzuleitung nach dem Ausgangsventil angebrachten
elastischen Teile der Wand 19» dämpfen die Pulsschlage und
es kann bei großer Elastizität, trotz pulsatiler Pumpwirkung, sogar ein pulsloser kontinuierlicher Perfusatdurchfluß im Organ
erreicht werden.
Am Gasauslaß 8 ist ein Überdruckventil 14 vorgesehen. Durch
dieses läßt sich eine Perfusion im hyperbaren Zustand erzielen.
Der in Pig. 2 dargestellte Perfusionsapparat unterscheidet sich
von der ersten Ausführung dadurch, daß das Gas nach seinem Austritt aus dem Rohr 13 durch eine elastische Membran 23 vom Perfusat
getrennt ist. Das Gas sammelt sich zwischen der Membran 10 und der elastischen Membran 23 bis der Druck das Gasauslaßventil
9 öffnet, und das Gas durch den Gasauslaß 8a nach Durchströmen des Perfusates in den Organraum entläßt. Der Gegendruck
wird durch die sich zusammenziehende elastische Membran 23 erzielt. Unter dem Druck des Gases wird das Perfusat aus
dem Pumpenraum 3-d.urch das Filter 22, das Ausgangsventil 6a,
die elastische Erweiterung 19 der Perfusatzuleitung 17 in die
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Arterie 16 des Organs gefördert. Nach Durchströmen des Organs 15 in Richtung der Pfeile fließt das Perfusat durch die
Vene 18 in den Organraum 4 und von da über das Eingangsventil 5a in den Pumpenraum 3·
An der Membran 10 ist ein zusätzliches Gaseinlaßventil 24 angeordnet, welches am Ende des Pumpvorganges mit der sich
öffnenden Membran 10 bewegt wird und die Gaszufuhr am Rohr 13 schließt. Dadurch wird die Gaszufuhr bis zum nächsten Pumpvorgang
unterbrochen und ein Verlust an Treibgas vermieden.
Der in Pig. 3 dargestellte Perfusionsapparat wird im Unterschied
zu den anderen zwei Ausführungen wahlweise mit C02_G-as
aus Trockeneis 32 oder mit Atemgas aus einer Druckflasche betrieben.
Nebst dem Pumpenraum 3 und dem Organraum 4 weist er
einen zusätzlichen Druckraum 31 zur Aufnahme des Trockeneises
32 auf, welcher gegen den Organraum 4 durch die Isolation 33 thermisch getrennt ist. Eine Rohrleitung 34 verbindet den Raum
31 mit dem Anschluß 13 des Gaseinlasses 7. Das durch das Rohr 13 einströmende Gas ist vom Perfusat 21, wie in Fig. 2, durch
die elastische Membran 23 getrennt. Pur die Oxygenation des Perfusates mit Luft sind ein Luftauslaßventil 36 und ein Lufteinlaßrohr
37 vorgesehen, die den Organraum 4 mit der Außenluft verbinden. Pur den hilfsweisen Betrieb mittels Atemgas
aus einer Druckflasche, z.B. bei Fehlen von Trockeneis in einem Spital, sind die gestrichelt dargestellten Teile zusätzlich
erforderlich: Eine Verbindungsleitung 38 zwischen dem
Lufteinlaßrohr 37 und dem Gasauslaß 8 sowie eine Anschlußleitung 39 zu einer nicht dargestellten Atemgasdruckflasche. Ein
Überdruckventil 35 in der Rohrleitung 34 kann zur Sicherheit
angebracht werden.
Der Perfusionsapparat nach Fig. 3 arbeitet in folgender Weiee:
Das im Raum 31 aus dem Trockeneis 32 infolge Erwärmung entstehende C02~Gas fließt über die Rohrleitung 34 in den Gaseinlaß
7 der Perfusatpumpe und erzeugt bei geschlossenem Gasaus-
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laßventil 9 einen Druck auf die elastische Membran 23· Dadurch wird das Perfusat 21 aus dem Pumpenraum 3 durch das
Ausgangsventil 6 in die Arterie 16 des Organs 15 gefördert.
Das aus der Vene 18 frei ausfließende Perfusat hebt das Per-. fusatniveau im Organraum 4 und preßt die darüber befindliche
Luft durch das Luftauslaßventil 36 nach außen. Ist im Pumpenraum 3 der Solldruck erreicht, so· wird die vorgespannte Membran
10 plötzlich vom Ventilsitz 12 abgehoben. Das C02-Gas entweicht durch die Gasdurchtrittsoffnung 11 und den Gasauslaß
8 ins Freie, Die vom Gasdruck befreite elastische Membran
23 zieht sich zusammen und das Perfusat 21 kann aus dem
Organraum 4, durch das Eingangsventil 5 und das Filter 22 in
den Pumpenraum nachfliessen. Dadurch fällt das Perfusatniveau im Organraum 4 auf den gestrichelt angedeuteten Stand und es
entsteht ein Unterdruck im darüber befindlichen Raum, da das Luftauslaßventil 36 geschlossen ist. Dadurch wird Luft durch
das Lufteinlaßrohr angesogen, welche das Perfusat 21 durchsprudelt
und· oxygeniert. Ist der Druck im Pumpenraum 3 auf
den Ausgangswert gefallen, so schnallt die Membran 10 in ihre
Ruhelage und schließt das Gasauslaßventil 9· Das Betriebsgas strömt weiter durch den Gaseiniaß 7 ein und ein neuer Pumpvorgang
beginnt· Somit arbeitet der Perfusionsapparat völlig automatisch, solange Trockeneis vorhanden ist.
Pur den hilfsweisen Betrieb des Perfusionsapparates mittels
einer Atemgasdruckflasehe wird die Rohrleitung 34 vom Anschluß
13 abgenommen und dafür eine Leitung 39 angeschlossen,
die zur Atemgasflasche führt. Der Gasauslaß 8 des Pumpenraumes 3 wird durch die Verbindungsleitung 38 mit dem Lufteinlaßrohr
37 verbunden und somit das "ausströmende Atemgas in den Organraum 4 geleitet, wo es das Perfusat 21 durchsprudelt
und oxygeniert. Die Luft entweicht darauf durch das Luftauslaßventil 36. Beim Betrieb mit Atemgas erfolgt die zusätzliche
Kühlung mit. gewöhnlichem Eis im Raum 31· Die Arbeitsweise der Perfusatpumpe entspricht dem Trockeneisbetrieb.
Die gewünschte konstante Kühltemperatur des Perfusats 21 läßt
309810/1103 . " ö "
sich durch eine entsprechende Lage und Isolation des Trokkeneis-Druckbehältert
31 gegenüber dem Organ- und Pumpenraum erreichen.
Fig.4 zeigt eine Variation des druckgesteuerten Gasauslaßventils
9 mit magnetischer Steuerung. Es besteht aus einem feststehenden zylindrischen Rohr 25 mit seitlicher Gasauslaßöffnung
26 und aus einem darin beweglichen Stempel 27 mit metallener Halteplatte 28 am oberen Ende. Im oberen Ende des
Rohres 25 ist ein Magnet 29 angeordnet, auf dem die Halteplatte 28 aufliegt. In dieser Stellung ist die Gasauslaßöffnung
26 durch den Stempel 27 verschlossen.
Wenn im Pumpenraum 3 der gewünschte Solldruck erreicht ist, so wird der Stempel 27 angehoben, wobei die Halteplatte 28
plötzlich vom Magnet 29 abreißt. Dadurch wird die Gasauslaßöffnung 26 frei und das Gas kann entweichen. Sobald der Druck
im Pumpenraum 3 wieder auf den Ausgangswert gefallen ist, fällt der Stempel 27 unter Mitwirkung des Magneten 29 nach unten und
verschließt das Gasauslaßventil 9. Die Gaszufuhr erfolgt separat
über den Gaseinlaß 7.
Das einfache Verfahren, das geringe Gewicht und die geringe Anzahl der verwendeten Teile ermöglichen die Herstellung eines
kompakten, portablen und preiswerten Perfusionsapparates, mit dem lebende, menschliche und tierische Organe leicht transportiert
werden können. Der Apparat ist für einmaligen Gebrauch gedacht, kann aber bei entsprechender Reinigung auch öfter benutzt
werden. Bei Verwendung von Trockeneis, welches die Energie für die Kühlung, für die Perfusion und für die Oxygenation
liefert, sind die Unterhaltungskosten sehr gering.
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Claims (14)
- Pat ent ansprächeVerfahren zur Erhaltung lebender Organe mittels gekühlter und durch ein Atemgas angereicherter Perfusion, gekennzeichnet durch eine automatische Steuerung der Perfusion in Anpassung an den Durchflußwiderstand im Organ (15)» unter Verwendung einer durch Gas, zum Beispiel durch Atemgas, "betriebener Perfusatpumpe (9-12).
- 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des Perfusates (21) und der Betrieb der Perfusatpumpe (9-12) einschließlich einer Pumpvorrichtung (36,37) zur Perfusatoxygenation mittels Trockeneis (32) und dem daraus entstehenden CO2~Gas erfolgt.
- 3) Verfahren nach Anspruch 2S dadurch gekennzeichnets daß die Kühltemperatur des Perfusates (21) durch Veränderung dar Lage und/oder der Isolation (33) des Baumes (31) für das Trockeneis (32) gegenüber dem Organraum (4) und dem Pumpenraum (3) konstant auf dem Sollwert gehalten wird»
- 4) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3? gekennzeichnet durch eine Umschaltung des Betriebes der Perfusatpumpe (9-12) von dem aus Trockeneis (32) entstehenden C02-Gas auf Atemgas„
- 5) Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet 9 daß das nach dem Pumpvorgang aus der Perfusatpumpe (9-12) ausströmende Atemgas zur Oxygenation des Perfusates (21) dient«.
- 6) Apparat zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Behälter (1) mit Thermoisolation (2),309810/1103 " 2 "40bestehend aus einem Pumpenraum (3)» einem Organraum (4) und gegebenenfalls einem Raum (31) zur Aufnahme des Trokkeneises (32), wobei im Pumpenraum (3) ein Eingangsventil (5) und ein Ausgangsventil (6) für das Perfusat (21) vorgesehen ist, und das Gas durch den Gaseinlaß (7) zugeführt und durch ein druck- oder volumengesteuertes Auslaßventil (9) abgegeben wird.
- 7) Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Pumpenraum (3) ein Gasauslaßventil (9) angeordnet ist, das einen beweglichen Teil in Gestalt einer vorgespannten monostabilen Membran (10) enthält, die im gespannten Zustand mit einer Öffnung (11) am feststehenden Teil anliegt und das Ventil Schließt.
- 8) Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasauslaßventil (9) aus einem zylindrischen Rohr (25) besteht und einen darin beweglichen Stempel (27) besitzt, dessen HaI-teplatte (28) von einem Magneten (29) gehalten wird.
- 9) Apparat nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasauslaßventil (9) vom Perfusat (21) durch eine elastische Membran (23) getrennt ist.
- 10) Apparat nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Membran (10) ein zusätzliches Ventil (24) angeordnet· ist, das die Gaszufuhr nach Öffnung des Gasauslaßventils (9) schließt.
- 11) Apparat nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß (7) durch ein Rohr (13) erfolgt, das den feststehenden Teil (12) des Gasauslaßventils (9) trägt und dessen Längsverschiebung eine Änderung der Vorspannung der Membran (10) und damit eine Änderung der Pulsform, des Pulsdruckes und der Pulsfrequenz ermöglicht.- 3 309810/1103"7
- 12) Apparat nach Anspruch 6 bis 11, gekennzeichnet durch Regelvorrichtungen für eine pulsatile oder nichtpulsierende Organperfusion sowie zur Perfusion im hyperbaren Zustand.
- 13) Apparat nach Anspruch 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesonderter, thermoisolierter und druckfester Behälter für die Aufnahme des Trockeneises (32) vorgesehen ist.
- 14) Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5> gekennzeichnet durch einen leichten und kompakten Apparat, der tragbar und für jeden Transport geeignet ist, wobei eine hypotherme Organperfusion zur Erhaltung und Lagerung lebender, menschlicher und tierischer Organe gewährleistet ist.309810/1103
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