Herz-Lungen-Maschine

Die erste Herzoperation wurde am 9. September 1896 von Ludwig Rehn vorgenommen. Er operierte damals das Herz eines Patienten, der durch eine Messerstecherei verletzt worden war. Zu diesem Zeitpunkt operierte er noch ohne Herz-Lungen-Maschine, also am offenen, schlagenden Herzen. Durch seine Arbeit erkannte man, dass der Herzmuskel zur Regeneration fähig ist.^[1]

Die Herzchirurgie, wie wir sie heute kennen, ist noch relativ jung. Ab 1930 experimentierte der amerikanische Chirurg John Gibbon gemeinsam mit seiner Frau Mary Hopkinson im Tierversuch mit einer Umleitung des Blutes aus der Hohlvene und künstlicher Oxygenierung. Bereits 1935 gelang es ihm, Herz- und Lungenfunktion eines Versuchstiers vorübergehend ohne Schädigung des Organismus aufrechtzuerhalten. Nach langjähriger Weiterentwicklung gelang Gibbon am 6. Mai 1953 zum ersten Mal eine erfolgreiche Operation mit seiner Herz-Lungen-Maschine am offenen Herzen. Die Patientin war eine 18-jährige Frau mit einem Vorhofseptumdefekt. Sie war 45 Minuten an Gibbons Herz-Lungen-Maschine angeschlossen, die sie 26 Minuten vollständig versorgte, während das Loch in der Herzscheidewand verschlossen wurde.^[2] Durch diese erste erfolgreiche Operation mit der Herz-Lungen-Maschine wurde die moderne Herzchirurgie entscheidend geprägt.

Eine Herz-Lungen-Maschine setzt sich aus mehreren funktionellen Baugruppen zusammen.

Der Oxygenator übernimmt die Gasaustauschfunktion der Lunge, also die Sauerstoffanreicherung und die Elimination von Kohlenstoffdioxid (Decarboxylierung) des Blutes. Oxygenatoren sind Einwegartikel. Es werden zwei Bauprinzipien unterschieden:

• Bubble-(Blasen-)Oxygenator: Sauerstoff wird über die Poren einer Diffusorplatte direkt in das Blut eingeblasen. CO₂- und O₂-Transfer lassen sich nicht getrennt steuern, die mechanische Blutschädigung ist relativ groß und es besteht die Gefahr einer Gasembolisation. Bubble-Oxygenatoren gelten in Deutschland als obsolet und werden nicht mehr eingesetzt.
• Membranoxygenator (Standard): Blut- und Gasphase sind durch eine semipermeable Membran (Platten-, Kapillar- oder Rollenmembran) getrennt; Sauerstoff diffundiert in das Blut, Kohlendioxid diffundiert aus dem Blut in die Gasphase. CO₂- und O₂-Transfer können getrennt gesteuert werden, die mechanische Blutzellschädigung ist deutlich geringer als beim Bubble-Oxygenator.

Um einen p_aO₂ von ca. 100–150 mmHg zu erreichen, werden bei Membranoxygenatoren meist ca. 6 l Sauerstoff pro Minute durch den Oxygenator geleitet. Zur Vermeidung einer Hypokapnie werden dem Sauerstofffluss meist zusätzlich ca. 3–5 Vol.-% CO₂ zugesetzt.

Die Pumpfunktion des Herzens wird von einer Rollerpumpe oder einer Zentrifugalpumpe übernommen:

• die Rollerpumpe erzeugt einen kontinuierlichen (nicht pulsatilen) Blutfluss. Ein pulsatiler Fluss ist über eine entsprechende Steuerung erzeugbar, sein klinischer Zusatznutzen ist jedoch umstritten
• die Zentrifugalpumpe erzeugt den Blutfluss über ein rotierendes Flügelrad. Blutzellschädigung und Embolierisiko sind geringer als bei der (okkludierenden) Rollerpumpe, weshalb Zentrifugalpumpen insbesondere bei Operationszeiten über 4 Stunden, bei einem Linksherz-Bypass oder bei ECMO bevorzugt eingesetzt werden

Eine HLM enthält mehrere Pumpen: Eine Pumpe fördert das oxygenierte Blut zurück in die kanülierte Aorta (bzw. Arteria femoralis), weitere Pumpen dienen dem Absaugen des Blutes über den Vent, über die Kardiotomiesauger und zur maschinellen Autotransfusion.

Filter im extrakorporalen Kreislauf entfernen fragmentierte Erythrozyten, Zellaggregate, Luftbläschen und Fettpartikel aus dem Blut. Der Entschäumer entfernt insbesondere beim (obsoleten) Bubble-Oxygenator eingebrachte Gasbläschen.

In den Oxygenator integrierte, wasserdurchspülte Metallspiralen ermöglichen die gezielte Kühlung (kontrollierte Hypothermie) und die spätere Wiedererwärmung des Blutes. Da beim Wiedererwärmen die Löslichkeit von O₂ und CO₂ abnimmt und sich Gasbläschen bilden können, muss der Entschäumer in Flussrichtung stets hinter dem Wärmeaustauscher angeordnet sein.

Zur venösen Drainage werden zwei Verfahren unterschieden:

• bikavaler Zugang: getrennte Kanülierung von Vena cava superior und Vena cava inferior über je eine Hohlvenenkanüle; notwendig, wenn das rechte Herz eröffnet oder an einer atrioventrikulären Klappe bzw. am Vorhof- oder Ventrikelseptum operiert wird
• Zweistufenkanüle (Mehrstufenkanüle): einfachere Drainage ausschließlich über den rechten Vorhof (distale Öffnung in der Vena cava inferior, proximale Öffnung im Vorhof); nicht einsetzbar bei Eröffnung des rechten Herzens. Dieses Vorgehen wird z. B. bei Bypass- und Aortenklappenersatzoperationen gewählt

Arteriell wird meist die Aorta ascendens kanüliert; alternativ kann über die Arteria femoralis (retrograde Perfusion) oder die Arteria subclavia zurückgeleitet werden, z.B. bei Aorteneingriffen oder bei vermuteten Verwachsungen im Bereich der Sternotomie.

Über den Vent (Ventrikelsauger, Linksvent) wird kurz nach Beginn der extrakorporalen Zirkulation dasjenige venöse Blut kontinuierlich aus dem linken Ventrikel abgesaugt, das über die Venae pulmonales und die Venae cardiacae minimae in den linken Ventrikel fließt. Ohne Vent käme es durch dieses Blut zu einer Überdehnung des linken Ventrikels. Der Vent wird entweder über die Ventrikelspitze oder über eine Pulmonalvene durch den linken Vorhof eingeführt.

Davon zu unterscheiden ist der „Needle-Vent", eine kleinkalibrige Kanüle, die proximal der Aortenklemme in die Aorta ascendens eingebracht und dort fixiert wird. Über sie wird nicht drainiert, sondern die kardioplegische Lösung in die Aortenwurzel und die Koronararterien appliziert (siehe Abschnitt „Myokardprotektion").

Zusätzlich wird Wundblut aus dem Operationsgebiet über ein oder zwei Kardiotomiesauger abgesaugt. Beim Absaugen von Blut können Sogdrücke von deutlich über −100 mmHg auftreten, wodurch es zur mechanischen Schädigung von Erythrozyten (mit Hämolyse bzw. verkürzter Erythrozytenüberlebenszeit) und Thrombozyten (mit erhöhter postoperativer Nachblutungsneigung) kommen kann.

Es werden verschiedene Bauformen der Herz-Lungen-Maschine unterschieden:

• konventionelle extrakorporale Zirkulation (CECC) mit größerem Füllvolumen und offenem venösen Reservoir
• miniaturisierte bzw. minimierte extrakorporale Zirkulation (MECC/MiECC) mit geschlossenem oder flexiblem venösen Reservoir, kürzeren Schläuchen und deutlich geringerem Füllvolumen (ca. 0,4–0,7 l); dadurch fällt die initiale Hämodilution geringer aus und die inflammatorische Aktivierung ist aufgrund der kleineren extrakorporalen Kontaktfläche vermindert. Bei einem abrupten Abfall des venösen Rückflusses (z.B. durch operative Manipulation) kann das fehlende venöse Reservoir jedoch rascher zu einer sog. „Low-flow"-Phase führen.
• mobile Systeme im Rahmen der ECMO, die sich in Kreislaufführung und Einsatzdauer von der klassischen intraoperativen HLM unterscheiden und vor allem in der Notfallmedizin und Intensivmedizin eingesetzt werden

Im Vergleich zur konventionellen HLM ist die miniaturisierte extrakorporale Zirkulation mit einer geringeren Rate an Herzrhythmusstörungen, geringerem Blutverlust und einer kürzeren Verweildauer auf der Intensivstation und im Krankenhaus assoziiert.^[3]

Die HLM muss im Wesentlichen folgende Aufgaben erfüllen:

• künstliche Pumpfunktion
• Sauerstoff-Anreicherung des Blutes
• Kohlenstoffdioxid-Elimination
• Thermoregulation

Venöses Blut (= O₂-armes, CO₂-reiches Blut) des Patienten wird über Schläuche aus den Hohlvenen in die HLM geleitet. Dort wird es im Oxygenator mit Sauerstoff (O₂) gesättigt und von Kohlenstoffdioxid (CO₂) befreit. Auch Narkosegas kann so zugeführt werden. Das Blut wird durch die HLM automatisch auf Körpertemperatur gehalten oder aktiv gekühlt, um eine künstliche Hypothermie zu erzeugen. Das arterialisierte Blut (= O₂-reiches, CO₂-armes Blut) wird mittels Pumpe in ein größeres arterielles Gefäß wie Aorta, Arteria femoralis oder Arteria subclavia zurückgeleitet.

Fließt das zentralvenöse Blut des Patienten anstatt durch Herz und Lunge durch die HLM und wird es von dort in eine große Körperarterie zurückgepumpt, spricht man von extrakorporaler Zirkulation (EKZ) bzw. kardiopulmonalem Bypass (CPB).

Wird das gesamte venöse Blut über die HLM geleitet, liegt ein totaler Bypass vor; die Lungenfunktion wird dabei vollständig von der HLM übernommen, die Lunge wird nicht mehr durchblutet und der Patient muss nicht beatmet werden.

Vor Beginn und nach Beendigung des totalen Bypasses wird für einige Minuten ein partieller Bypass durchgeführt: Nur ein Teil des venösen Blutes wird durch die HLM geleitet, der übrige Anteil wird noch vom rechten Herzen durch die Lunge zum linken Herzen gepumpt; während dieser Phase muss der Patient weiterhin (mit 100 % Sauerstoff) beatmet werden.

Der Anschluss an die HLM erfolgt typischerweise in folgender Reihenfolge:

• Zugang zum Herzen über mediane Sternotomie
• Anschlingung der oberen und unteren Hohlvene beim bikavalen Zugang
• Antikoagulation mit Heparin nach Eröffnen des Perikards
• Kanülierung der Aorta ascendens (oder der Arteria femoralis)
• Kanülierung der Hohlvenen bzw. des rechten Vorhofs (bzw. Einsatz einer Zweistufenkanüle)
• Beginn der extrakorporalen Zirkulation im partiellen Bypass
• Einbringen des Vents (Linksvent)
• Totaler Bypass
• Abklemmung der Aorta ascendens mittels Aortenklemme
• Kardioplegie

Bei der Kanülierung der Aorta oder der Arteria femoralis können arteriosklerotische Plaques von der Gefäßwand abgelöst werden und eine arterielle Embolisation verursachen.

Vor Anschluss an den Patienten muss die HLM mit einem sog. Priming-Volumen (bei Erwachsenen ca. 1,0–1,5 l) vorgefüllt werden, üblicherweise mit blutfreien, isotonen balancierten Elektrolytlösungen (ggf. mit Zusatz von Natriumbicarbonat, Mannitol, künstlichem Kolloid, Humanalbumin oder Glucose). Die Vermischung mit dem Patientenblut führt zu einer Hämodilution mit einem Hämatokritabfall auf ca. 20–25 %; das Priming-Volumen wird daher meist auf maximal 30–40 % des körpereigenen Blutvolumens begrenzt. Blut wird dem Priming-Volumen nur bei präoperativ niedrigem Hb-Wert oder bei Kleinkindern zugesetzt. Die Hämodilution verbessert die Rheologie des Blutes und damit die Organdurchblutung, insbesondere unter Hypothermie.

Bei Normothermie sollte die Blutflussrate der HLM ca. 2,4 l/min/m² Körperoberfläche (2,2–2,5 l/min/m²; 50–80 ml/kgKG/min) betragen; sie kann anhand von MAP, zentralvenöser/gemischtvenöser Sättigung, Urinproduktion, Laktatkonzentration, Körpertemperatur und arteriellen Blutgasen angepasst werden. Bei Hypothermie kann der Blutfluss deutlich reduziert werden, eine Steigerung ist dagegen nur bedingt möglich.

Da die Koronararterien während des HLM-Einsatzes durch die Aortenklemme von der arteriellen Perfusion ausgeschlossen werden, droht eine ischämische Schädigung des Myokards. Zum Schutz werden folgende Maßnahmen kombiniert:

• Kardioplegie: Über den Needle-Vent wird eine spezielle, meist hyperkaliämische kristalloide kardioplegische Lösung (z.B. Buckberg-, Calafiore- oder Bretschneider-Lösung) in die Aortenwurzel und damit ins Koronarsystem appliziert. Sie erzeugt innerhalb von ca. 30–60 Sekunden einen schlaffen, diastolischen Herzstillstand und senkt den myokardialen Stoffwechsel. Bei der anterograden Kardioplegie fließt die Lösung in physiologischer Richtung über die Koronararterien ab. Bei der retrograden Kardioplegie wird sie über den Sinus coronarius entgegen der normalen Flussrichtung appliziert, z.B. ergänzend bei schwerer Koronarsklerose oder in Einzelfällen isoliert bei akutem Hauptstammverschluss. Alternativ kann eine warme (35–37 °C) Blutkardioplegie (Blut : Kardioplegielösung ca. 1 : 4) verwendet werden, die mit einer geringeren Inzidenz eines postoperativen Low-Cardiac-Output-Syndroms, aber möglicherweise mit einem erhöhten Risiko neuropsychologischer Defizite assoziiert ist
• lokale Myokardkühlung (z.B. mit eisgekühlter Ringer-Lactat- oder NaCl-Lösung auf ca. 15 °C); sie trägt nur zu etwa 10 % zur Kardioprotektion bei (ca. 90 % entfallen auf die Kardioplegie selbst), sodass zunehmend auch in milder Hypothermie oder Normothermie operiert wird
• allgemeine (systemische) Hypothermie über den Wärmeaustauscher der HLM

Die Klassifikation der Hypothermiegrade ist nicht einheitlich, gebräuchlich ist folgende Einteilung:

• milde Hypothermie: 35–32 °C
• mäßige Hypothermie: 32–28 °C
• tiefe Hypothermie: 28–18 °C
• profunde (ausgeprägte) Hypothermie: 18–4 °C

Pro 1 °C Temperaturabfall sinkt der Sauerstoffverbrauch um ca. 7 %. Bei profunder Hypothermie (z.B. 18 °C) kann ein bis zu ca. 60-minütiger totaler Herz-Kreislauf-Stillstand toleriert werden. Trotz dieser myokardprotektiven Maßnahmen kann eine Myokardschädigung auftreten, insbesondere bei Kammerflimmern, unzureichender Myokardperfusion, koronaren Embolisationen oder einer fehlerhaften Steuerung des Linksvents mit Überdehnung oder Kollaps des linken Ventrikels.

Da das Blut in der HLM mit Fremdoberflächen in Kontakt kommt, ist vor der Kanülierung eine Vollheparinisierung zwingend erforderlich, um eine überschießende Aktivierung der Hämostase mit Thrombenbildung und Embolisation zu verhindern. Mittel der Wahl ist unfraktioniertes Heparin (initial ca. 300–400 IE/kgKG).

Da die Heparinwirkung bei dieser Dosierung mittels PTT nicht mehr zuverlässig erfassbar ist, wird sie über die Activated Clotting Time (ACT) gesteuert. Vor Kanülierung ist ein ACT-Wert von über 400 Sekunden (400–600 s) erforderlich. Während der EKZ wird ebenfalls ein Wert von ca. 400–600 Sekunden angestrebt und etwa alle 30 Minuten kontrolliert. Bei einem Abfall unter 400 Sekunden wird Heparin (ca. ⅓ der Initialdosis) nachinjiziert. Patienten unter präoperativer Heparin-Dauertherapie sprechen unter Umständen vermindert an. Bei unzureichendem ACT-Anstieg trotz ausreichender Heparin-Gabe kann eine Substitution von Antithrombin erwogen werden. Bei Verdacht auf eine heparininduzierte Thrombozytopenie (HIT) Typ II ist Heparin kontraindiziert; als Alternative wird Argatroban eingesetzt.

Nach Beendigung der EKZ wird die Heparinwirkung durch Protamin antagonisiert (ca. 1.000 IE Protamin-HCl neutralisieren ca. 1.000 IE unfraktioniertes Heparin). Maßgeblich für die Protamin-Dosis ist die verabreichte Heparin-Gesamtmenge, nicht allein der ACT-Wert. Protamin sollte langsam appliziert werden, da es anaphylaktoide Reaktionen, Blutdruckabfall, Tachykardie und einen Anstieg des pulmonalvaskulären Widerstands auslösen kann.

Hinweis: Diese Dosierungsangaben können Fehler enthalten. Ausschlaggebend ist die Dosierungsempfehlung in der Herstellerinformation.

Neben dem totalen und partiellen Bypass können je nach Operation weitere Bypass-Formen zum Einsatz kommen:

• Linksherz-Bypass: bei isoliertem Pumpversagen des linken Ventrikels; arterialisiertes Blut des linken Vorhofs wird unter Umgehung des linken Ventrikels in die Aorta ascendens oder A. femoralis gepumpt
• Rechtsherz-Bypass: bei isoliertem Pumpversagen des rechten Ventrikels; venöses Blut des rechten Vorhofs wird in den Truncus pulmonalis oder – nach maschineller Oxygenierung – in den linken Vorhof zurückgepumpt
• linker atriofemoraler Bypass: bei Operationen an der Aorta descendens; ein Teil des arterialisierten Blutes des linken Vorhofs wird distal des abgeklemmten Aortenabschnitts in die A. femoralis gepumpt, während die obere Körperhälfte weiterhin vom linken Herzen versorgt wird
• femorofemoraler Bypass: venöses Blut der V. femoralis wird über die HLM geleitet und in die A. femoralis zurückgepumpt; einsetzbar z. B. zur vorübergehenden Entlastung bei Low-Cardiac-Output-Syndrom oder – bei Operationen an der Aorta ascendens – als vollständiger Bypass

Die Herz-Lungen-Maschine wird in erster Linie im Rahmen von Herzoperationen eingesetzt (vgl. Herzchirurgie), um Eingriffe am offenen und blutleeren Herzen oder herznahen großen Gefäßen durchführen zu können.

Die Herz-Lungen-Maschine wird in der Herzchirurgie unter anderem bei folgenden Eingriffen verwendet:

• Herztransplantationen
• Aorto-koronarer Bypass (ACB)
• Aortenklappenersatz (AKE)
• Mitralklappenersatz (MKE)
• Mitralklappenrekonstruktion (MKR)
• Pulmonale Endarteriektomie (PEA)
• Aorta-descendens-Ersatz
• Aorta-ascendens-Ersatz
• Thorakales Aortenaneurysma (TAA)
• Bauchaortenaneurysma (BAA, auch Abdominales Aortenaneurysma (AAA))
• Korrektur von Herzfehlern
• Kunstherz-Einbau
• Wiedererwärmung bei Unterkühlung

Zum Teil kommen Herz-Lungen-Maschinen auch bei Lungentransplantationen zum Einsatz.

Der Kontakt des Blutes mit künstlichen Oberflächen kann eine systemische Inflammationsreaktion auslösen. Beim Absaugen von Blut über Vent und Kardiotomiesauger kann es durch die auftretenden Sogkräfte zu einer mechanischen Schädigung von Erythrozyten und Thrombozyten kommen. Weitere mögliche Komplikationen sind z.B.:

• Gerinnungsstörungen mit erhöhtem Transfusionsbedarf
• akutes Nierenversagen
• postoperative neurokognitive Störungen
• Postkardiotomie-Syndrom^[4]

Die Steuerung der Perfusion ist klinisch bedeutsam: Eine unzureichende Sauerstoffzufuhr während der Bypasszeit erhöht das Risiko eines postoperativen akuten Nierenversagens, sodass eine zielgerichtete Steuerung der Perfusion empfohlen wird.^[5] Auch die Dauer der extrakorporalen Zirkulation ist relevant: Eine längere Bypasszeit ist mit einem höheren Risiko für postoperative neurokognitive Störungen assoziiert.^[6]

• Striebel HW. Die Anästhesie. 4. Auflage. Stuttgart: Georg Thieme Verlag; 2019. ISBN 978-3-13-243960-3. (Kapitel 76: Anästhesie in der Herzchirurgie)