Einführung
Die zunächst aus der technischen Sicht so einfach erscheinende Aufgabe, eine Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe zu fördern, erhält ihren überraschenden Schwierigkeitsgrad im wesentlichen aufgrund der zu beachtenden physiologischen Eigenschaften des menschlichen Körpers.
Hier müssen in erster Linie Baugröße und äußere Form der Pumpe genannt werden. Die physiologisch günstigste Form schränkt das technisch Mögliche erheblich ein, so dass man nicht umhin kommt, neue Wege zu beschreiten.
Als wichtigste Kenngrößen sind Pumpdruck, Volumendurchsatz und die resultierende Leistung zu betrachten.
Das Herz macht im Ruhezustand ca. 70 Schläge pro Minute.
Die linke Herzhälfte pumpt das Blut in die Körperarterie, dabei setzt sich das Herzvolumen aus 70ml Schlagvolumen, welches bei einem Schlag in die Arterie fließt, und dem verbleibenden Restvolumen von ca. 60ml zusammen.
Es hebt dabei die Blutmenge des Schlagvolumens auf ein Druckniveau von 100mmHg (13,3kPa), das entspricht einer Druck-Volumen-Arbeit von etwa 1,2Nm pro Schlag. Die Beschleunigungsarbeit beträgt weniger als 1% davon.
Sie kann vernachlässigt werden. In der rechten Hälfte wird die gleiche Menge Blut in die Lunge gedrückt.
Wegen des geringeren Widerstandes, den die Lunge dem Blut entgegensetzt, ist nur ein Druck von 15mmHg (2kPa) notwendig. Es wird eine Arbeit von 0,14Nm verrichtet.
Bei den oben genannten 70 Schlägen pro Minute wäre das eine Durchschnittsleistung von insgesamt 1,3W. Da die Leistung aber nur zur Systole, die im Ruhezustand 40% der Gesamtzeit ausmacht, aufgebracht wird, liegt hier die Maximalleistung bei 3,2W.
Unter Belastung kann der Blutdurchsatz auf das Fünffache ansteigen. Dazu erhöhen sich Schlagvolumen (auf Kosten des Restvolumens), Schlagfrequenz bei etwa gleichbleibender Systolendauer und in gewissem Maße auch der Blutdruck.
Damit steigt auch die Leistung auf das etwa Fünffache.
Druckverlauf im Herzen und den Blutgefäßen [Handbuch für Kardiotechnik].
Das künstliche Herz muss also in der Lage sein, den eben genannten Druck und den Volumendurchsatz aufzubringen und dem Bedarf gegebenenfalls durch eine Regelung anzupassen. Außerdem muss der Wirkungsgrad hoch sein, um den notwendigen Energievorrat in Grenzen zu halten.
Natürlich müssen Geräusche, Vibrationen und ähnliche Belastungen in Grenzen und die Ausfallwahrscheinlichkeit im Interesse des Lebens des Patienten auf einem Minimum gehalten werden.
Im besonderen sei hier auf Probleme bei derzeit im Einsatz befindlichen Herzunterstützungssystemen hingewiesen. Diese sind aufgrund ihrer Bauform im Bauchraum des Patienten untergebracht, und benötigen deswegen lange Zuleitungen zum natürlichen Herzen.
Daraus resultiert eine Langzeitbelastung für den Patienten, die die mögliche maximale Einsatzdauer des Systems beschränkt. Teilweise treten wegen der Krafterzeugung mit einem magnetischen Klappanker Schlaggeräusche auf, die noch in einer Entfernung von 5 Metern deutlich hörbar sind.
Da ein Austausch verschlissener Teile nur durch Reoperation möglich ist, muss wegen der angestrebt langen Nutzungsdauer besonderes Augenmerk auf die Materialalterung gerichtet werden.
Während nämlich beim natürlichen Herzen durch stete Zellerneuerung im lebenden Muskel eine „Materialermüdung“ nicht eintreten kann, ist die Zahl der Biegezyklen flexibler Materialien in den technischen Herznachbildungen sehr begrenzt.
Insbesondere die Oberflächenveränderungen an den Membranen führen langfristig zu medizinischen Komplikationen.
Dr. Arnim Nethe mit einem Größenmodell des Herzunterstützungssystem
