Einfluss der Kanülierungstechnik auf die Druck- und Strömungsverhältnisse der Aorta beim Einsatz einer extrakorporalen Membranoxygenierung

Abstract

Fragestellung: Das Ziel der Doktorarbeit ist, den Einfluss der Kanülierungstechnik beim Einsatz der veno-arteriellen extrakorporalen Membranoxygenierung (va-ECMO) auf die Hämodynamik in der Aorta an einem Aortenperfusionsmodell zu untersuchen. Hierfür soll ein elastisches und anatomisch korrektes Aortenmodell mit einem pulsatilen Antrieb als physiologische Kreislaufsimulation aufgebaut werden. Mit Druck- und Flussmessgeräten sollen Unterschiede der femoralen, axillären und zentralen Kanülierungsmethode vor allem in der Auswirkung auf die Hirnperfusion über die Karotiden ermittelt werden, unter anderem in Kombination mit einer intraaortalen Ballonpumpe (IABP).

Methoden: Als Modell wurde aus Silikon ein Replikat einer menschlichen Aorta hergestellt. Die Compliance des Modells wurde ermittelt über die Druckänderung in der Aorta bei Volumenzufuhr. Das Aortenmodell wurde in ein Kreislaufsystem integriert. Ein Ventricular Assist Device (VAD) diente als Herzsimulation. Es befanden sich Fluss- und Differenzdruckmessgeräte an beiden Karotiden und an der rechten A. iliaca, sowie ein Druckmessgerät am Aorteneingang. Als Perfusionsmedium diente eine viskose Dextranlösung (12% Gewicht/Volumen). Bei laufendem VAD wurden die Drücke und Flüsse an allen Arterienabgängen an physiologische Bedingungen angepasst. Unter den Voraussetzungen dieser Grundeinstellungen eines physiologienahen Kreislaufes, wurden die Perfusionsversuche zur Testung der ECMO-Kanülierungen durchgeführt. Die drei Kanülierungsarten (femoral, axillär und zentral) wurden systematisch untersucht, unter Veränderung der Parameter „Herzfunktion“ (ohne/mit VAD-Antrieb), „ECMO-Pulsatilität“ (ohne/mit Pulsatilität: 50% der Systole, 2300 rpm, 50/min), „IABP“ (ohne/mit IABP). Alle Bedingungen wurden jeweils n=6 mal wiederholt gemessen. Die Drücke und Volumenströme wurden mit einer Mixed-Model Analyse auf statistisch signifikante Unterschiede (p<0,05) getestet. Diese Versuche wurden für eine thermographische Strömungsdarstellung wiederholt. Durch unterschiedlich temperiertes Perfusionsmedium wurden die aufeinander treffenden Strömungen von ECMO und VAD sichtbar gemacht. Zur Beurteilung der ausreichenden Pulsqualität der pulsatil betriebenen ECMO, wurden die Versuche unter identischen Bedingungen n=6 mal wiederholt, um den energieäquivalenten Druck (EEP) zu ermitteln. Die daraus errechnete relative „surplus hemodynamic energy“ (SHE) ist ein Maß für die hämodynamisch generierte Energie beim Einsatz pulsatiler Pumpen.

Ergebnisse: Das Aortenmodell zeigte eine Compliance von 1,56 ml/mmHg. In der Grundeinstellung konnten physiologische Drücke (133/81 mmHg) und Flüsse (Herzzeitvolumen: 4,1 l /min bei 65/min) erreicht werden. In den Perfusionsversuchen hatten die Parameter „Kanülierungsart“, „IABP-Einsatz“ und „Herzfunktion“ einen signifikanten Einfluss auf die Volumenströme in den Karotiden (p<0,001). Die zentrale Kanülierung führte hier zu den höchsten Flussraten und zum geringsten Druckabfall zwischen Aorteneingang und den Karotiden, signifikant (p<0,03) in 6 von 8 Bedingungen. Die Flussraten waren 4,2 bis 18,8 % höher im Vergleich mit den anderen Kanülierungen. In allen Versuchen „ohne IABP“ waren die Flussraten in den Karotiden unter axillärer Kanülierung am niedrigsten (p<0,008). „Mit IABP“ führte die femorale Kanülierung zu den geringsten Volumenströmen an den Karotiden (p<0,001). Die thermographische Strömungsdarstellung zeigte, dass mit laufender Herzfunktion der Anteil der Herzfraktion an den Flüssen in den Karotiden bei femoraler Kanülierung am höchsten ist und mit zunehmender Herzfunktion noch mehr ansteigt, da die sichtbare Wasserscheide an der Grenzschicht der aufeinandertreffenden Strömungen immer mehr distal rückt. Die ECMO-Pulsatilität hatte signifikanten Einfluss auf die relative SHE (p<0,0001) und führte zu einem Anstieg auf rund 2,1 – 6,6 %.

Diskussion: Das Aortenperfusionsmodell ermöglicht eine Kreislaufsimulation unter physiologischen Bedingungen: Aortencompliance, systolischer und diastolischer Druck, Windkesseleffekt, Herzzeitvolumen, die Flussraten an den Gefäßabgängen und die Viskosität des Perfusionsmediums sind im physiologischen Bereich. Der Vorteil der zentralen Kanülierung auf die Karotidenperfusion könnte am antegraden Fluss mit vergleichsweise geringerem Flusswiderstand liegen. Bei Verwendung der femoralen Kanülierung in Kombination mit der IABP, scheint die Ballonpumpe den retrograden Fluss der ECMO rhythmisch zu blockieren, was in niedrigeren Flusswerten in den Karotiden resultiert. Die axilläre Kanülierung zeigte hier im Vergleich höhere Volumenströme. Das Wasserscheidenphänomen bei femoraler Kanülierung mit Herzauswurf konnte thermographisch sichtbar gemacht werden. Die ECMO hatte bei pulsatilem Betrieb eine ausreichende hämodynamische Pulsqualität. Dies verdeutlichte die relative SHE, welche typisch ist für die hier verwendete Zentrifugalpumpe.

Schlussfolgerung: Die zentrale Kanülierung zeigt sich im Modell hinsichtlich der Druck- und Strömungsverhältnisse in den Karotiden als die beste Wahl. Ohne IABP bietet die femorale Kanülierung eine bessere Karotidenperfusion als die axilläre. Mit IABP verhält es sich jedoch umgekehrt.