Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhaltung menschlicher und tierischer Organe durch Perfusion mit einem gekühlten und durch ein Atemgas angereicherten Perfusat sowie einen Apparat zur Ausführung des Verfahrens.
Diese, in der Medizin als Organperfusion bereits bekannte Konservierungsmethode, verwendet bisher umfangreiche und teure Apparaturen mit elektrisch betriebenen Rollerpumpen oder pneumatischen Perfusionspumpen mit elektrischem Kontroll- und Kühlsystem und einer Energielieferung aus dem Lichtnetz oder aus Akkumulatoren oder aus Gasdruckflaschen. Die Kosten der Herstellung und des Betriebes sind sehr hoch, und wegen ihres schweren Gewichts können diese Apparate im allgemeinen nur stationär verwendet werden. Ausserdem passt sich die Förderleistung der Perfusionspumpen nicht automatisch an den variablen Gefässwiderstand im Organ an, so dass dieses zerstört wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisherigen Verfahren und Apparate zu beseitigen durch Herstellung einer tragbaren, einfach aufgebauten und stromunabhängigen Perfusionsapparatur mit organschonender Pumpleistung, die auch alle erforderlichen Regelmöglichkeiten besitzt.
Die Erfindung ist gekennzeichhet durch eine automatische Steuerung der Perfusion in Abhängigkeit vom Durchflusswiderstand im Organ, unter Verwendung einer durch Gas betriebenen Pumpe.
Der Apparat zur Ausführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Behälter mit einem Pumpenraum und einem Organraum, wobei im Pumpenraum ein Eingangsventil und ein Ausgangsventil für das Perfusat vorgesehen sind, und das Gas durch einen Gaseinlass zugeführt und durch ein druck- oder volumgesteuertes Auslassventil abgegeben wird, derart, dass letzteres bei einem bestimmten Druck oder Volumen plötzlich öffnet und der Druck in der Pumpe infolge Entweichen des Gases auf den Ausgangswert abfällt, wodurch das Perfusat durch den vorher erzeugten Gegendruck in die Pumpe nachfliesst, ferner gekennzeichnet durch Regler zur Einstellung der Pulsform, der Pulsfrequenz, des Fördervolumens und des maximalen Perfusionsdrucks für eine pulsatile oder kontinuierliche Organperfusion sowie zur Erzielung eines hyperbaren Zustandes im Organraum.
Das Verfahren wird insbesondere angewendet zur Erhaltung einer menschlichen Niere während der Lagerung und des Transportes.
Vorzugsweise wird zum Betrieb der Pumpe das Atemgas verwendet. Letzteres kann auch zur Kühlung des Perfusates dienen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Verfahrens schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Perfusionsapparat mit druckgesteuertem Gasauslassventil,
Fig. 2 einen Perfusionsapparat mit anderer Anordnung des Gasauslassventils,
Fig. 3 einen Schnitt durch den Pumpenraum eines Perfusionsapparates mit volumgesteuertem Gasauslassventil.
Der in Fig. 1 dargestellte Perfusionsapparat besteht aus einem Behälter 1 mit Thermoisolation 2. Der Behälter 1 ist in einem Pumpenraum 3 und einem Organraum 4 aufgeteilt.
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 aus einem beweglichen Teil in Gestalt einer vorgespannten monostabilen Membran 10 mit einer Gasdurchtrittsöffnung 11 und einem feststehenden Teil 12 dem Ventilsitz zusammen. 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 12 und damit die Spannung der Membran 10 ver ändert werden. Über dem Gasauslass 8 ist ein tJberdruckven- til 14 angeordnet.
Der Organraum 4 enthält das zu konservierende Organ 15, welches mit seiner Arterie 16 an der Perfusatzusatzleitung 17 angeschlossen ist. Die Vene 18 ist nach dem Organraum 4 offen. Ein Abschnitt der Perfusatzuleitung 17 enthält eine elastische 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, dass das aus einer in der Zeichnung nicht dargestellten Druckflasche ausströmende Atemgas durch den Gaseinlass 7 in das Rohr 13 und von da in den Pumpenraum 3 gelangt, 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 abfliessen lässt, wo es sich am Boden sammelt Mit zunehmendem Perfusatvolumen im Organraum wird das darüber befindliche Luftkissen 20 komprimiert.
Wenn im Pumpenraum 3 der gewünschte Solldruck herrscht, so wird die vorgespannte Membran 10 plötzlich vom feststehenden Teil 12 des Gasauslassventils 9 abgehoben und nimmt die Stellung 10a ein. Das Gas zieht durch die Öffnung 11 und den Gasauslass 8 nach aussen ab, 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 wieder durch den Gaseinlass 7 nach, und es beginnt ein neuer Zyklus.
Durch Drehen des Gewinderohres 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 Solldruck. Auf diese Weise kann der maximale Pulsdruck erniedrigt, das Fördervolumen verringert, die Pulsfrequenz erhöht werden und in Abhängigkeit davon die Pulsform und die Perfusionsmenge 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 vorhanden. Mittels der druckabhängigen Membran 10 steuert die Pumpe also wie ein Herz autpmatisch Pulsfrequenz und Fördervolumen in Anpassung an den Durch flusswiderstand 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 ständig erhaltenbleibt.
Die in der Perfusatzuleitung nach dem Ausgangsventil angebrachten elastischen Wandteile 19 dämpfen die Pulsschläge, und es kann bei grosser Elastizität, trotz pulsatiler Pumpwir kung, sogar ein pulsloser, kontinuierlicher Perfusatdurchfluss im Organ erreicht werden.
Da der Behälter 1 mit einer Thermoisolation 2 versehen ist, so kann die beim Ausströmen des Gases entstehende Expansionskälte zur Kühlung des Perfusats nutzbar gemacht werden. Dies geschieht durch das aus dem Rohr 13 durch das Perfusat sprudelnde Gas.
Am Gasauslass 8 ist ein Überdruckventil 14 vorgesehen.
Durch dieses lässt sich eine Perfusion im hyperbaren Zustand erzielen.
Der in Fig. 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 8 a nach Durchströmen des Perfusats in den Organraum 4 entlässt. Der Gegendruck wird durch die sich zusammenziehende elastische Membran 23 erzielt. Unter dem Druck des Gases wird das Perfusat aus dem Pumpenraum 3 durch das Filter 22, das Ausgangsventil 6a, die elastische Erweiterung 19 der Perfusatzuleitung 17 in die Arterie 16 des Organs 15 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 5 a 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 Perfusionsapparat nach Fig. 3 besitzt ein volumgesteuertes Gasauslassventil 9, das durch einen Schwimmer 25 betätigt wird. Der Schwimmer 25 ist an einer längsbeweglichen Stange 26 geführt, die am oberen Ende das Ventil 9 trägt und Anschläge 27 und 28 besitzt. Das untere Ende des Schwimmers 25 ist gelenkig mit einem Kipphebel 29 verbunden, der unter der Wirkung einer Zugfeder 30 steht. Wenn das Perfusat 21 im Pumpenraum 3 das obere Niveau 30b einnimmt, so ist das Gasauslassventil 9 geschlossen, da der Schwimmer 25 den Anschlag 27 nach oben drückt. Durch den Gaseinlass 7 kann das Gas einströmen, wodurch das aus dem Ausgangsventil 6 abfliessende Perfusat 21 auf das Niveau 30a sinkt. Hierbei senkt sich der Schwimmer 25 unter Mitnahme des Kipphebels 29 nach unten.
Letzterer kippt nach Überschreiten der Kippstellung unter Wirkung der Feder 30 in die untere Stellung, wobei der Schwimmer 25 in die untere Lage 25a gelangt. Der Anschlag 28 wird in die Stellung 28a mitgenommen und damit auch die Stange 26, wlche das Gasauslassventil 9 ruckartig öffnet, so dass dieses die Stellung 9a einnimmt. Das Gas kann nun durch den Gasauslass 8 entweichen und der Gasdruck verschwindet, wodurch das Perfusat 21 durch das Eingangsventil 5 nachfliessen kann, bis es wieder das Niveau 30b erreicht hat und das Gasauslassventil 9 wieder geschlossen ist. Auf diese Weise wiederholt sich der Pumpvorgang automatisch, und das Perfusat 21 wird, wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben, durch das Organ 15 gefördert.
Das einfache Verfahren, die geringe Anzahl der verwendeten Teile, die völlig automatische und betriebssichere Funktion sowie der geringe Energiebedarf ermöglichen die Herstellung eines kompakten und leichten Perfusionsapparates, der leicht transportiert und daher überall eingesetzt werden kann.
The invention relates to a method for preserving human and animal organs by perfusion with a cooled perfusate enriched with a breathing gas and to an apparatus for carrying out the method.
This conservation method, already known in medicine as organ perfusion, has so far used extensive and expensive equipment with electrically operated roller pumps or pneumatic perfusion pumps with an electrical control and cooling system and an energy supply from the lighting network or from accumulators or from gas pressure bottles. The costs of manufacture and operation are very high and, because of their heavy weight, these apparatuses can generally only be used stationary. In addition, the delivery rate of the perfusion pumps does not automatically adapt to the variable vascular resistance in the organ, so that it is destroyed.
The invention is based on the object of eliminating the disadvantages of the previous methods and apparatus by producing a portable, simply constructed and power-independent perfusion apparatus with organ-friendly pumping capacity, which also has all the necessary control options.
The invention is characterized by an automatic control of the perfusion as a function of the flow resistance in the organ, using a pump operated by gas.
The apparatus for carrying out the method is characterized by a container with a pump chamber and an organ chamber, an inlet valve and an outlet valve for the perfusate being provided in the pump chamber, and the gas being supplied through a gas inlet and discharged through a pressure- or volume-controlled outlet valve, in such a way that the latter suddenly opens at a certain pressure or volume and the pressure in the pump drops to the initial value as a result of the gas escaping, whereby the perfusate flows into the pump due to the previously generated counterpressure, further characterized by regulators for setting the pulse shape, the Pulse frequency, the delivery volume and the maximum perfusion pressure for a pulsatile or continuous organ perfusion as well as for achieving a hyperbaric state in the organ space.
The method is used in particular to preserve a human kidney during storage and transport.
The breathing gas is preferably used to operate the pump. The latter can also serve to cool the perfusate.
Exemplary embodiments of the method are shown schematically in the drawing. Show it:
1 shows a section through a perfusion apparatus with a pressure-controlled gas outlet valve,
2 shows a perfusion apparatus with a different arrangement of the gas outlet valve,
3 shows a section through the pump chamber of a perfusion apparatus with a volume-controlled gas outlet valve.
The perfusion apparatus shown in FIG. 1 consists of a container 1 with thermal insulation 2. The container 1 is divided into a pump chamber 3 and an organ chamber 4.
In the pump chamber 3 are the passive inlet valve 5 and the passive outlet valve 6 for the perfusate, the gas inlet 7 and the gas outlet 8 as well as the pressure-controlled gas outlet valve 9. The latter consists of a movable part in the form of a prestressed monostable membrane 10 with a gas passage opening 11 and a fixed part 12, the valve seat together. A monostable membrane is understood to mean a membrane which, when bent to one side, automatically returns to its starting position.
The gas inlet 7 takes place on a pipe 13 which carries the fixed part 12 of the gas outlet valve 9 and which is inserted with an external thread 13a into a threaded hole in the container 1. By rotating the tube 13, the position of the part 12 and thus the tension of the membrane 10 can be changed ver. A pressure relief valve 14 is arranged above the gas outlet 8.
The organ space 4 contains the organ 15 to be preserved, which is connected with its artery 16 to the additional perfusate line 17. The vein 18 is open after the organ space 4. A section of the perfusate feed line 17 contains an elastic widening 19. The organ 15 enclosed in the organ space 4 is under the pressure of an air cushion 20.
The perfusate fluid or perfusate 21 for short has different levels in the pump chamber 3 and in the organ chamber 4. A filter 22 is built into the perfusate circuit.
The perfusion apparatus works in such a way that the breathing gas flowing out of a pressure bottle (not shown in the drawing) passes through the gas inlet 7 into the tube 13 and from there into the pump chamber 3, where it bubbles through the perfusate 21, which is enriched with the gas becomes. The gas collects above the perfusate, whereby when the gas outlet valve 9 is closed, a pressure is created in the pump chamber 3, which conveys the perfusate through the passive outlet valve 6 via the perfusate line 17 into the artery 16 of the organ 15. The organ flows through in the direction of the arrows and allows it to flow out of the vein 18 into the organ space 4, where it collects on the floor. As the perfusate volume in the organ space increases, the air cushion 20 located above it is compressed.
When the desired setpoint pressure prevails in the pump chamber 3, the pretensioned membrane 10 is suddenly lifted from the stationary part 12 of the gas outlet valve 9 and assumes the position 10a. The gas is drawn out through the opening 11 and the gas outlet 8, as a result of which the pressure in the pump chamber 3 falls. Now the previously compressed air cushion in the organ space 4 pushes the perfusate back through the inlet valve 5 into the pump space 3, whereby it is cleaned as it passes through the filter 22. As soon as the pressure in the organ space 4 and in the pump space 3 has fallen to the initial value, the membrane 10 snaps back into its rest position and closes the gas outlet valve 9 again. The gas flows in again through the gas inlet 7 and a new cycle begins.
By turning the threaded tube 13, the tension of the membrane 10 can be changed. If the stationary part 12 of the gas outlet valve 9 is lifted, the valve opens even at a lower setpoint pressure. In this way, the maximum pulse pressure can be reduced, the delivery volume can be reduced, the pulse frequency can be increased and the pulse shape and the perfusion quantity per unit of time can be controlled as a function thereof. These values can also be changed in the same way by regulating the gas flow.
If a flow resistance arises in the organ 15, the setpoint pressure in the pump chamber 3 is already present earlier and after a smaller delivery volume per pumping process with a constant gas flow rate. By means of the pressure-dependent membrane 10, the pump automatically controls the pulse frequency and delivery volume like a heart in adaptation to the flow resistance in the organ 15, the maximum pulse pressure per pumping process remaining unchanged. As a result, the risk of the organ 15 being destroyed as a result of excess perfusion pressure is reliably avoided. Furthermore, there is the advantage that the perfusion size that best corresponds to the organ resistance is always maintained.
The elastic wall parts 19 attached in the perfusate supply line after the outlet valve dampen the pulse beats, and with great elasticity, despite the pulsatile pumping effect, even a pulseless, continuous perfusate flow can be achieved in the organ.
Since the container 1 is provided with thermal insulation 2, the expansion cold that occurs when the gas flows out can be used to cool the perfusate. This is done by the gas bubbling out of the tube 13 through the perfusate.
A pressure relief valve 14 is provided at the gas outlet 8.
This allows perfusion in the hyperbaric state to be achieved.
The perfusion apparatus shown in FIG. 2 differs from the first embodiment in that the gas, after it emerges from the tube 13, is separated from the perfusate by an elastic membrane 23. The gas collects between the membrane -10 and the elastic membrane 23 until the pressure opens the gas outlet valve 9 and the gas is released through the gas outlet 8 a into the organ space 4 after the perfusate has flowed through. The counterpressure is achieved by the contracting elastic membrane 23. Under the pressure of the gas, the perfusate is conveyed from the pump chamber 3 through the filter 22, the outlet valve 6a, the elastic extension 19 of the perfusate feed line 17 into the artery 16 of the organ 15.
After flowing through the organ 15 in the direction of the arrows, the perfusate flows through the vein 18 into the organ space 4 and from there via the inlet valve 5 a into the pump space 3.
An additional gas inlet valve 24 is arranged on the membrane 10, which is moved with the opening membrane 10 at the end of the pumping process and closes the gas supply on the pipe 13. As a result, the gas supply is interrupted until the next pumping process and a loss of propellant gas is avoided.
The perfusion apparatus according to FIG. 3 has a volume-controlled gas outlet valve 9 which is actuated by a float 25. The float 25 is guided on a longitudinally movable rod 26 which carries the valve 9 at the upper end and has stops 27 and 28. The lower end of the float 25 is articulated to a rocker arm 29 which is under the action of a tension spring 30. When the perfusate 21 in the pump chamber 3 assumes the upper level 30b, the gas outlet valve 9 is closed because the float 25 pushes the stop 27 upwards. The gas can flow in through the gas inlet 7, as a result of which the perfusate 21 flowing out of the outlet valve 6 sinks to the level 30a. Here, the float 25 descends while the rocker arm 29 is carried along.
After the tilted position has been exceeded, the latter tilts into the lower position under the action of the spring 30, the float 25 moving into the lower position 25a. The stop 28 is taken into the position 28a and thus also the rod 26, which opens the gas outlet valve 9 abruptly, so that it assumes the position 9a. The gas can now escape through the gas outlet 8 and the gas pressure disappears, whereby the perfusate 21 can flow in through the inlet valve 5 until it has reached level 30b again and the gas outlet valve 9 is closed again. In this way, the pumping process is repeated automatically, and the perfusate 21 is conveyed through the organ 15, as described in the previous exemplary embodiments.
The simple process, the small number of parts used, the fully automatic and reliable function and the low energy requirement enable the production of a compact and lightweight perfusion apparatus that is easy to transport and can therefore be used anywhere.