DE102020003680A1

DE102020003680A1 - Heizsystem für einen extrakorperalen Gastauscher

Info

Publication number: DE102020003680A1
Application number: DE102020003680.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhold BEUTER; Sebastian Wieskotten
Original assignee: Xenios AG
Current assignee: Xenios AG
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2040-06-20
Also published as: DE102020003680B4; WO2021255293A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Heizsysteme und entsprechende ECLS-Systeme, welche das Infektionsrisiko für Patienten bei entsprechenden Anwendungen verringert. Entsprechend wird ein Heizsystem (10) zur Temperaturregulierung eines extrakorporalen Gastauschers (12) vorgeschlagen, welches einen Wasserkreislauf (14), welcher fluidisch mit einer Wasserseite (16) des extrakorporalen Gastauschers (12) verbindbar ist, und eine Pumpe (22), welche mit dem Wasserkreislauf (14) verbunden und zum Fördern des Wassers in dem Wasserkreislauf (14) eingerichtet ist, umfasst. Das Heizsystem (10) umfasst weiterhin mindestens ein Heizelement (24), welches thermisch mit dem Wasserkreislauf (14) gekoppelt ist, und eine Steuereinheit (26), welche mit der Pumpe (22) und dem mindestens einen Heizelement (24) kommunikativ verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Pumpenrate der Pumpe (22) und eine Leistung des mindestens einen Heizelements (24) einzustellen. Erfindungsgemäß ist der Wasserkreislauf (14) im verbundenen Zustand mit dem extrakorporalen Gastauscher (12) geschlossen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Heizsysteme zur Temperaturregulierung von extrakorporalen Gastauschern wie Membranoxygenatoren sowie ECLS-Systeme mit entsprechenden Heizsystemen, insbesondere um Verunreinigungen und Verbreitungen von Keimen zu verhindern.
Stand der Technik
Um bei herzchirurgischen Eingriffen oder auch bei gravierenden bzw. fortgeschrittenen Lungenerkrankungen eine hinreichende Oxygenierung und insbesondere Kohlendioxidverringerung des Bluts zu ermöglichen, können extrakorporale Lebensunterhaltungssysteme, auch als ECLS („extracorporeal life support“) oder extrakorporale Kreislaufunterstützungssysteme bekannt, eingesetzt werden, wobei eine extrakorporale Membranoxygenierung erfolgt. Bei einem solchen Verfahren, auch als ECMO („extracorporeal membrane oxygenation“) bekannt, wird die Atemfunktion des Patienten von einem externen Medizingerät übernommen. Die Lungenfunktion bzw. die Atmung des Patienten wird also durch ein solches Medizingerät ersetzt, wobei das Verfahren eine Oxygenierung und insbesondere Kohlendioxidverringerung des Bluts gewährleisten kann, beispielsweise wenn die patienteneigene Atemfunktion im Falle von herzchirurgischen Eingriffen unterdrückt wird. Bei Lungenerkrankungen kann ein solches Verfahren zudem die Lunge entlasten, so dass diese ohne exogene Beatmung, je nach Behandlung über Tage oder Wochen, heilen kann.
Als extrakorporale Lebenserhaltungssysteme können somit ECMO-Systeme eingesetzt werden, welche einen Membranoxygenator umfassen und als Gasaustauscher für das Blut des Patienten dienen. Kanülen werden dabei, je nach Kanüle, in ein oder zwei Blutgefäße eingebracht und das Blut wird kontinuierlich durch einen Membranoxygenator, der den Gasaustausch in der Lunge ersetzt, gepumpt. Kohlendioxid wird derart aus dem Blut entfernt und mit Sauerstoff angereichertes Blut zum Patienten zurückgeführt. Das Blut kann beispielsweise einem venösen Zugang entnommen und über einen venösen oder arteriellen Zugang zurückgeführt werden. Dann erfolgt die Oxygenierung beispielsweise mittels einer veno-venösen ECMO (VV-ECMO) bzw. einer veno-arteriellen ECMO (VA-ECMO).
Bei der ECMO-Anwendung entstehen jedoch Wärmeverluste, welche vorwiegend durch das kalte Beatmungsgas und die Abwärme der Blutschläuche verursacht werden. Um bei einer ECMO-Anwendung eine zu große Auskühlung des Patienten zu verhindern, sind entsprechend Heizvorrichtungen in Form von Wärmetauscher im Membranoxygenator vorgesehen, um diese Verluste durch eine thermische Koppelung mit aufgeheiztem bzw. temperiertem Wasser über den Wärmetauscher zu kompensieren.
In den vergangenen Jahren wurden jedoch gehäuft invasive Infektionen bei Patienten diagnostiziert, bei denen zuvor ein herzchirurgischer Eingriff durchgeführt worden war. Ausbruchsuntersuchungen zeigten, dass Wassertanks von Temperaturregulierungsgeräten, welche intraoperativ für extrakorporale Membranoxygenatoren eingesetzt wurden, mit einem atypischen Mykobakterium kontaminiert waren. Durch den bei diesen Geräten üblichen offenen Wasserkreislauf konnte das Bakterium vermutlich über einen aerosolgebundenen Weg übertragen werden.
Entsprechend müssen die Systemkomponenten, welche bis auf den Membranoxygenator fluidisch miteinander verbunden sind und bei sukzessiven Behandlungen erneut verwendet werden, nach jeder Anwendung aufwendig dekontaminiert und gereinigt werden. Die Auswahl der dabei verwendbaren Chemikalien ist eingeschränkt, zumal vermieden werden muss, dass giftige Reste im Gerät verbleiben können. Weiterhin können die in den Geräten verbauten Materialien für den Einsatz der benutzten Chemikalien nicht geeignet sein, sodass bei Verwendung solcher Mittel weitere Schäden entstehen können. Entsprechend besteht bei der Dekontaminierung des Wassertanks die Gefahr, dass die vom Benutzer durchgeführte Reinigung und Desinfektion möglicherweise die Integrität des angeschlossenen Membranoxygenators beeinträchtigen könnte. Restmengen von giftigen Reinigungsmitteln könnten weiterhin bei einer möglichen Leckage zwischen Blut- und Wasserkreislauf des Membranoxygenators in den Blutkreislauf gelangen.
Folglich besteht ein Bedarf, ein Reinigungs- und Dekontaminierungsaufwand zu reduzieren, ohne die Sicherheit eines behandelten Patienten zu gefährden.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Risiko von Infektionen bei ECMO Anwendungen zu verringern und den Wirkungsgrad der Temperaturregulierung zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Heizsystem zur Temperaturregulierung eines extrakorporalen Gastauschers vorgeschlagen, welches einen Wasserkreislauf, welcher fluidisch mit einer Wasserseite des extrakorporalen Gastauschers verbindbar ist, und eine Pumpe, welche mit dem Wasserkreislauf verbunden und zum Fördern des Wassers in dem Wasserkreislauf eingerichtet ist, umfasst. Das Heizsystem umfasst weiterhin mindestens ein Heizelement, welches thermisch mit dem Wasserkreislauf gekoppelt ist, und eine Steuereinheit, welche mit der Pumpe und dem mindestens einen Heizelement kommunikativ verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Pumpenrate der Pumpe und eine Leistung des mindestens einen Heizelements einzustellen. Erfindungsgemäß ist der Wasserkreislauf im verbundenen Zustand mit dem extrakorporalen Gastauscher geschlossen.
Es wird also erfindungsgemäß ein geschlossenes System bereitgestellt, sodass das Heizsystem fluidisch abgedichtet ist und kein Austausch des im Betrieb des Heizsystems im Wasserkreislauf enthaltenen Wassers mit der Umgebung möglich ist.
Der Wasserkreislauf kann bevorzugt als Schlauchsystem ausgebildet sein, das mittels entsprechenden Konnektoren oder Fluidkoppelungen mit der Wasserseite des extrakorporalen Gastauschers verbunden werden kann. Die Wasserseite ist als Seite eines Wärmetauschers zu verstehen, welche von einer Blutseite bzw. einem Blutkreislauf fluidisch getrennt, damit jedoch thermisch gekoppelt ist. Auf diese Weise kann eine Erwärmung bzw. Temperierung des durch den Wärmetauscher strömenden Bluts eines Patienten erfolgen, ohne einen Stofftransport oder Austausch zwischen den beiden Seiten des Wärmetauschers zu verursachen. Der Gastauscher kann dabei als Membranoxygenator ausgebildet sein.
Der geschlossene Wasserkreislauf des Heizsystems, wobei das Wärmemedium „Wasser“ keinen Kontakt zur Umluft hat, verhindert dadurch effektiv die Bildung gefährlicher Bakterien, welche durch verunreinigtes Wasser in die Umgebungsluft gelangen könnten. Die Gefahr einer ggf. lebensbedrohlichen Keimbildung ist damit ausgeschlossen. Das Wasser kann vor dem Koppeln als steriles Wasser bereits im Wasserkreislauf und/oder im Gastauscher vorhanden sein bzw. vorgelegt werden. Alternativ, oder zusätzlich kann ein Ausgleichsbehälter vorgesehen sein, welcher zum Ausgleichen von Drucken und/oder Strömungsschwankungen mit dem Wasserkreislauf fluidisch verbunden sein und optional ebenfalls eine vorgegebene Menge Wasser enthalten kann. Weiterhin können ein steriler Konnektor oder Zugang vorgesehen sein, um den Wasserkreislauf beispielsweise einmalig mit einer vorgegebenen Menge sterilen „Wassers“ zu befüllen.
Das Heizsystem bildet somit ein Hyperthermiegerät, welches mit einem extrakorporalen Gastauscher bzw. Membranoxygenator verbunden werden kann, wobei durch das mindestens eine Heizelement und die Pumpe temperiertes Wasser durch den Wärmetauscher des Gastauschers gepumpt wird, um eine signifikante Auskühlung des Patienten aufgrund der im extrakorporalen Gastauscher vorhandenen Gasperfusion zu verhindern. Das Wasser bildet das Wärmemedium bzw. Temperierungsmedium. Alternativ können jedoch auch alternative Temperierungsmedien mit alternativen Wärmeübertragungskoeffizienten vorgesehen sein, vorzugsweise in flüssiger Phase.
Durch das geschlossene System kann weiterhin eine kompakte Bauweise bereitgestellt werden, sodass der Reinigungs- und Dekontaminierungsaufwand erheblich reduziert werden kann. Weiterhin ist durch den Ansatz der Erfindung nur eine geringe Wassermenge im Wasserkreislauf erforderlich, sodass eine rasche Anpassung der bereitgestellten Temperierung ermöglicht wird.
Das Heizsystem umfasst zudem nur eine geringe Anzahl von Komponenten, sodass dieses einfach zu montieren und in bestehenden Kreislaufunterstützungssystemen zu implementieren ist. Beispielsweise können die Steuereinheit, die Pumpe und/oder das mindestens eine Heizelement in einer ECMO-Konsole implementiert oder als separate Einheit kommunikativ damit gekoppelt sein. Durch die geringe Anzahl von Komponenten und den Verzicht auf Verschleißteile wird demnach ein wartungsarmes und kostengünstiges Heizsystem bereitgestellt.
Bevorzugt sind der Wasserkreislauf und/oder die Pumpe als Einmalartikel ausgebildet. Wie vorstehend beschrieben, wird durch das geschlossene System die Gefahr einer gefährlichen Keimbildung bereits weitestgehend ausgeschlossen. Durch die Verwendung von Einmalartikel können mit hinreichender Sicherheit sterile Materialien verwendet werden und es kann auf eine Reinigung oder Dekontaminierung nach Verwendung des extrakorporalen Gastauschers bzw. Membranoxygenators weitestgehend verzichtet werden. Somit wird das Infektionsrisiko für den zu behandelnden Patienten und für sukzessive Behandlungen weiter reduziert.
Die Einmalartikel erleichtern weiterhin nicht nur den Reinigungsvorgang, sondern ebenfalls die Aufrüstung des Heizsystems bzw. des extrakorporalen Kreislaufunterstützungssystems. So können die Einmalartikel mittels einfachen Konnektoren miteinander verbunden oder sogar im verbundenen Zustand bereitgestellt werden, sodass lediglich eine fluidische Koppelung mit dem extrakorporalen Gastauscher und eine thermische Koppelung mit dem mindestens einen Heizelement erforderlich sind. Beispielsweise kann ein Schlauchset mit einem verbundenen Ausgleichsbehälter bzw. Befüllungsbehälter als Einmalartikel bereitgestellt sein. Nach Verwendung können die verschiedenen Komponenten des Systems bis auf das Heizelement einfach und sicher entsorgt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Heizsystem einen Wasserbehälter, welcher mit dem Wasserkreislauf fluidisch und lösbar gekoppelt ist, wobei das mindestens eine Heizelement derart im Wasserbehälter angeordnet ist, dass das aus dem Wasserkreislauf in den Wasserbehälter gefördertes Wasser das mindestens eine Heizelement umgibt.
Der Wasserbehälter bzw. Wassertank kann somit eine vorgegebene Menge an Wasser aufweisen und mit dem Wasserkreislauf verbunden werden, um das Wasser im Kreislauf mittels der Pumpe zu fördern. Das mindestens eine Heizelement ist bevorzugt derart angeordnet, dass das Wasser beim Fördern des Wassers durch den Wasserkreislauf mit einer möglichst großen Fläche des Heizelements in Berührung kommt, ohne den Fluss wesentlich zu blockieren. Mit anderen Worten ist der Wasserbehälter bevorzugt derart ausgebildet, dass dieser als Durchlauferhitzer fungiert, wobei das von der Pumpe durch den Wasserbehälter gepumpte Wasser das mindestens eine Heizelement umspült.
Das mindestens eine Heizelement ist weiterhin bevorzugt derart angeordnet, dass die Heizoberfläche gut zugänglich und einfach zu reinigen ist. Beispielsweise kann im Wasserbehälter ein durchgehender Kanal vorgesehen sein, welcher an jeweiligen Öffnungen mittels Konnektoren mit dem Wasserkreislauf verbunden werden kann. Bevorzugt ist das Heizelement zumindest teilweise an einem inneren Umfang bzw. einen inneren Querschnitt des Kanals angeordnet.
Auch kann der Wasserbehälter selbst gut zugänglich am Heizsystem angeordnet sein, beispielsweise außerhalb des Heizsystems, sodass dieser mit wenigen Handgriffen abgenommen werden kann. Die lösbare Verbindung ermöglicht, dass der Wasserbehälter mit den darin angeordneten Heizelementen für weitere bzw. sukzessive Anwendungen entkoppelt werden kann. Entsprechend kann, zusammen mit der Anordnung des mindestens einen Heizelements, der Ausgestaltung des Kanals und der Anordnung und Ausgestaltung des Wasserbehälters eine einfache Reinigung und Dekontaminierung bereitgestellt werden. Die weiteren Komponenten des Heizsystems können als Einmalartikel ausgebildet sein, sodass auch in diesem Fall der Reinigungs- und Dekontaminierungsaufwand sowie das Infektionsrisiko des Patienten erheblich verringert werden.
Bevorzugt ist das mindestens eine Heizelement ein Kaltleiter. Somit kann das Heizelement mindestens einen PTC-Widerstand oder PTC-Thermistor umfassen oder als PTC-Element bzw. als Element mit einem positiven Temperaturkoeffizienten („positive temperature coefficient“) ausgebildet sein.
PTC-Elemente haben den Vorteil, dass diese eine ausgeprägte Heizdynamik aufweisen, während sie gleichzeitig bei höheren Temperaturen einen erhöhten elektrischen Widerstand besitzen. Hierdurch wird ein erhöhter Stromfluss aufgrund einer Temperaturänderung verhindert. Somit sind PTC-Heizelemente besonders prozesssicher, überhitzen nicht und brennen selbst in einem entleerten Wasserbehälter nicht durch.
In einer weiteren Ausführungsform umgibt das mindestens eine Heizelement zumindest einen Abschnitt des Wasserkreislaufs. Mit anderen Worten ist in dieser Ausführungsform kein Heizelement im Wasserkreislauf angeordnet, sodass eine direkte Kontaktierung mit dem Wasser vermieden wird. Es wird gemäß dieser Ausführungsform somit ein kontaktfreier Durchlauferhitzer bereitgestellt.
Im Abschnitt kann sich ein magnetisches Element bzw. ferromagnetisches Element befinden, welches im Kanal des Wasserkreislaufs angeordnet und bevorzugt so ausgestaltet ist, dass es bei möglichst geringem Strömungswiderstand eine große Oberfläche zum umströmenden Wasser bietet. Der Wasserkreislauf kann beispielsweise als Schlauchset ausgebildet sein. Der zumindest eine Abschnitt weist dabei am äußeren Umfang des Wasserkanals (beispielsweise eines Schlauchs) ein Heizelement auf welches als Induktionsspule ausgebildet ist und den Wasserkanal umgibt, bevorzugt vollständig.
Die Steuereinheit ist in einer solchen Ausgestaltung dazu eingerichtet, eine Frequenz des durch die Induktionsspule fließenden Stroms an einer Endstufe der Steuereinheit einzustellen.
Auf diese Weise wird eine kontaktlose Induktionserwärmung bereitgestellt, wobei die Spule beispielsweise eine im Schlauchsystem des Wasserkreislaufs eingearbeitete Metallhülse umfasst. Eine Stromfrequenz, beispielsweise im Bereich von etwa 25 bis 50 kHz, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld in der Induktionsspule, wodurch im (ferro)magnetischen Element induktiv erzeugte Wirbelströme entstehen und das magnetische Element sich der Frequenz entsprechend erwärmt. Durch die Leistungssteuerung bzw. die Einstellung einer bestimmten Frequenz an der Endstufe, beispielsweise einer HF-Endstufe, kann somit eine Feineinstellung bzw. eine feinstufige Regelung des Wärmeeintrags bereitgestellt werden.
Durch diese Anordnung und Funktionsweise kann sogar auf einen separaten Wasserbehälter mit darin angeordneten Heizelementen verzichtet werden. Die erforderliche Menge des Wassers als Wärmemedium kann dadurch im Heizsystem bzw. im Wasserkreislauf nämlich weiter reduziert werden, sodass das Heizsystem sehr reaktionsschnell regelbar ist. Die der Wasserseite des Wärmetauschers bzw. des Gastauschers zugeführte Energie kann einfach über die Leistungsregelung einer Frequenz-Endstufe, beispielsweise einer HF-Endstufe, und über die Fließgeschwindigkeit des Wassers bzw. die Pumpenrate dem jeweils eingesetzten Gastauscher optimal angepasst werden. Die Kombination dieser beiden Regelparameter ermöglicht, dass sich ein optimaler Wirkungsgrad des Heizsystems erzielen lässt.
Weiterhin kann der als Anwendungsteil zu betrachtende Gastauscher bzw. Membranoxygenator aufgrund seiner Isolationsklasse eine hohe Anforderung an den maximal zulässigen Patientenableitstrom stellen. Durch die induktive und kontaktlose Erwärmung bzw. Energieübertragung wird diesbezüglich eine galvanische Trennung des Wasserkreislaufs zu den spannungsführenden Teilen des Heizsystems bereitgestellt, welche einen maximalen Schutz des Patienten vor unerwünscht hohen Ableitströmen ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich zum der Frequenz entsprechenden Wärmeeintrag, kann das Heizsystem weiterhin bevorzugt mehrere Heizelemente umfassen, wobei jede Induktionsspule einen jeweiligen Abschnitt umgibt und einzeln einstellbar ist. Somit kann die Erwärmung und die Energiezufuhr sukzessive und gleichmäßiger erfolgen, während gleichzeitig eine Kontrollstufe bereitgestellt wird, um ein Überschreiten eines oberen und unteren Schwellenwerts zu verhindern. So darf die Wassertemperatur aus physiologischen Gründen keinesfalls 42°C überschreiten und würde eine zu niedrige Temperatur des Wärmemediums ggf. zu einer weiteren Abkühlung des im Gastauscher fließenden, zu erwärmenden Bluts des Patienten verursachen. Entsprechend kann durch die sequentielle Anordnung und einzelne Steuerung der Heizelemente zunächst eine Erhöhung auf eine vorgegebene Temperatur erreicht und anschließend eine Feineinstellung der Temperatur durch ggf. weitere Energiezufuhr bereitgestellt werden.
Obwohl das Heizsystem nicht auf die Verwendung einer spezifischen Pumpe beschränkt ist, ist die Pumpe bevorzugt eine Zentrifugalpumpe bzw. Kreiselpumpe. Das Antreiben des Wasserkreislaufs mittels einer Zentrifugalpumpe hat den Vorteil, dass eine im Wesentlichen verschleißfreie Pumpe verwendet wird und das Heizsystem somit auch für Langzeitanwendungen besonders geeignet ist. Kreiselpumpen erlauben über eine magnetische Kopplung eine einfache galvanisch getrennte Kraftübertragung zwischen dem Pumpenantrieb (Motor) und dem Pumpenmodul. Somit kann die Pumpe auch derart ausgeführt werden, dass sich der Antrieb wiederverwenden lässt, während das Pumpenmodul als kostengünstiges Einwegprodukt eingesetzt werden kann. Weiterhin ist bei einer Zentrifugalpumpe eine stufenlose Einstellung der Pumpenrate möglich, sodass ebenfalls eine Feineinstellung der Wasserflussrate ermöglicht wird.
Das Funktionsprinzip der Zentrifugalpumpe verhindert darüber hinaus die Entstehung eines zu hohen Drucks des Wassers, beispielsweise eines Berstdrucks, am Gastauscher bzw. am Wärmetauscher. Somit wird ein wartungsarmes und besonders sicheres Heizsystem bereitgestellt.
Die Zentrifugalpumpe kann mit einem Pumpenantrieb eines Motors gekoppelt sein, um eine Drehmomentübertragung zu ermöglichen. Bevorzugt ist die Zentrifugalpumpe dabei als Disposable oder Einmalartikel ausgebildet und fluidisch von dem jeweiligen Pumpenantrieb getrennt und leicht koppelbar, beispielsweise über eine magnetische Kopplung. Die Steuereinheit betätigt den Motor des Pumpenantriebs und ist dazu eingerichtet, die Drehzahl bzw. die Pumpenrate der Pumpe einzustellen.
Die Pumpe kann stromaufwärts des mindestens einen Heizelements oder stromabwärts des mindestens einen Heizelements angeordnet sein. Entsprechend kann die Förderung des Wärmemediums bzw. des Wassers je nach Typ des verwendeten Gastauschers bzw. Membranoxygenators oder Heizelements entweder durch Ansaugen oder durch Andrücken erfolgen. Bevorzugt ist die Pumpe stromabwärts des Gastauschers bzw. Wärmetauschers und stromaufwärts des mindestens einen Heizelements angeordnet.
Um die Einstellung der Pumpenrate und die der Leistung des mindestens einen Heizelements weiter zu optimieren, kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, Informationen zur durch den extrakorporalen Gastauscher fließenden aktuellen Blutflussrate und den Typ des Gastauschers zu empfangen und die Pumpenrate und/oder die Leistung des mindestens einen Heizelements, basierend auf den Kenndaten des Gastauschers bzw. Membranoxygenators und der aktuellen Blutflussrate, einzustellen.
Insbesondere kann dadurch eine Feineinstellung der Wasserflussrate durch den Wärmetauscher, die einen erheblichen Einfluss auf dessen Leistung hat, erfolgen, ohne dafür einen zusätzlichen Flussmesser zu benötigen. Beispielsweise kann anhand der beiden Parameter und in der Steuereinheit abgelegten Kennfeldern der Gastauscher bzw. Membranoxygenatoren die optimale Wasserflussrate berechnet und die Pumpenrate bzw. die Drehzahl der Pumpe eingestellt werden. Die Blutflussrate kann beispielsweise über eine Schnittstelle von einem entsprechenden Sensor empfangen werden, oder es kann ein systemeigener Sensor, beispielsweise an der Blutseite des Gastauschers, vorgesehen sein, welcher kommunikativ mit der Steuereinheit gekoppelt ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Steuereinheit bevorzugt dazu eingerichtet sein, die Temperatur des austretenden Gasgemisches am Gastauscher bzw. Membranoxygenator zu ermitteln. So können für die Behandlung des Patienten verschiedene Gasgemische vorgesehen sein, sodass neben einer Anreicherung mit Sauerstoff auch eine Anreicherung des Bluts mit Stickstoff, Stickoxid, Helium und/oder Kohlenmonoxid vorgesehen sein können. Je nach Zusammensetzung des medizinischen Gasgemisches können die Temperaturen des austretenden Gasgemisches unterschiedlich sein und somit eine unterschiedliche Leistung des Heizsystems bzw. der Pumpenrate und/oder der Leistung des mindestens einen Heizelements erfordern. Die Temperatur kann beispielsweise über eine Schnittstelle oder einen im Gastauscher vorgesehenen Sensor von der Steuereinheit empfangen werden.
Bevorzugt werden zusätzlich oder alternativ zur Blutflussrate ein oder mehrere Patientenparameter kontinuierlich ermittelt, um die Leistung des Heizsystems zu überwachen. So kann die Steuereinheit bevorzugt dazu eingerichtet sein, eine Temperatur des durch den extrakorporalen Gastauscher fließenden Bluts und/oder eine Temperatur eines mit einer Blutseite des extrakorporalen Gastauschers verbundenen Patienten über einen gekoppelten Temperatursensor zu empfangen und die Pumpenrate und/oder die Leistung des mindestens einen Heizelements, basierend auf der Temperatur, einzustellen.
Beispielsweise kann ein zusätzlicher externer Temperatursensor vorgesehen sein, welche über eine Schnittstelle, beispielsweise in einem ECMO-Gerät oder ECMO-Modul, kommunikativ mit der Steuereinheit gekoppelt ist. Auf diese Weise kann eine zu geringe Leistung des Heizsystems, wenn beispielsweise eine Abkühlung der Patiententemperatur ermittelt wird, korrigiert werden, indem die Leistung des mindestens einen Heizelements erhöht und/oder, je nach Ausgestaltung, mehrere Heizelemente zugeschaltet werden, um die Temperatur des Wärmemediums zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Pumpenrate erhöht werden, sodass eine verbesserte Temperierung des durch den extrakorporalen Gastauscher fließenden Bluts bereitgestellt wird.
Obwohl, wie vorstehend beschrieben, eine Einstellung der Pumpenrate und/oder der Leistung des mindestens einen Heizelements bereits aufgrund des Typs des Gastauschers und der Blutflussrate erfolgen kann, kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass das Heizsystem einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Wasserkreislaufs, welcher stromabwärts des mindestens einen Heizelements und stromaufwärts des extrakorporalen Gastauschers angeordnet ist, umfasst, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Pumpenrate und/oder die Leistung des mindestens einen Heizelements, basierend auf der Temperatur des Wasserkreislaufs, einzustellen.
Somit kann, bevorzugt kontinuierlich, ermittelt werden, welche Energiezufuhr zur optimalen Temperierung des Bluts erforderlich ist und ob die vorgegebene Temperatur auch entsprechend erreicht wird. Dabei wird die benötigte Energie bzw. Wärme über die Ausgangsleistung an der Steuereinheit geregelt, beispielsweise an einer HF-Endstufe im Falle einer induktiven Erwärmung.
Es kann also die Wassertemperatur nach dem mindestens einen Heizelement gemessen und an das System bzw. die Steuereinheit zurückgemeldet werden. Da die Wassertemperatur keinesfalls 42 Grad überschreiten darf, wird die maximal zulässige Temperatur bevorzugt über einen redundanten Sensor überwacht und die Leistung ggf. reduziert. Umgekehrt kann die Leistung, wie vorstehend beschrieben, bei einer zu niedrigen Temperatur entsprechend erhöht werden. Folglich findet eine Überwachung der in den Gastauscher eingespeisten Wassertemperatur statt. Ferner kann die Leistung und/oder die Pumpenrate entsprechend angepasst werden.
Um die Gleichmäßigkeit der Erwärmung zu verbessern und eine Feineinstellung der spezifischen Leistung zu ermöglichen, umfasst das Heizsystem bevorzugt eine Mehrzahl von Heizelementen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Heizelemente einzeln zu- und abzuschalten und/oder eine Leistung der Heizelemente einzeln einzustellen. Entsprechend können je nach erforderliche Energiezufuhr einzelne Heizelemente zugeschaltet und deren Leistung weiterhin einzeln gesteuert werden, sodass eine feinstufige Regelung des Wärmeeintrags bereitgestellt werden kann. Weiterhin kann dadurch beispielsweise eine stufenweise Erwärmung oder eine gezielte Korrektur der zwischenzeitlich erreichten Temperatur des Wärmemediums erfolgen.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein ECLS-System bzw. ein extrakorporales Kreislaufunterstützungssystem gelöst, welches das erfindungsgemäße Heizsystem und einen extrakorporalen Gastauscher umfasst. Entsprechend kann das ECLS-System eine extrakorporale Oxygenierung und Dekarbolisierung des Bluts eines Patienten bereitstellen, wobei das durch den extrakorporalen Gastauscher fließende Blut von der Wasserseite bzw. dem Wasserkreislauf des Heizsystems entsprechend effizient und sicher temperiert wird.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizsystems im gekoppelten Zustand mit einem extrakorporalen Gastauscher;
2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Heizsystems gemäß 1; und
3 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des Heizsystems gemäß 1.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1 ist schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizsystems 10 im gekoppelten Zustand mit einem extrakorporalen Gastauscher 12 in Form eines Membranoxygenators gezeigt. Das Heizsystem weist einen Wasserkreislauf 14 auf, welcher fluidisch mit einer Wasserseite 16 des extrakorporalen Membranoxygenators 12 verbunden ist. Der Membranoxygenator 12 weist weiterhin eine Blutseite 18 auf, welche beispielsweise mittels zweier Kanülen mit dem Kreislauf eines Patienten verbunden sein kann, wobei das Blut beispielsweise einem venösen Zugang entnommen und über einen venösen oder arteriellen Zugang zurückgeführt wird. Durch die Blutseite 18 kann somit Blut eines Patienten gefördert werden, wobei eine mit der Blutseite 18 gekoppelte Gasperfusionsleitung 20 vorgesehen ist, um den Gasaustausch in der Lunge zu ersetzen bzw. Kohlendioxid aus dem Blut zu entfernen und mit Sauerstoff angereichertes Blut dem Patienten zurückzuführen.
Zum Fördern des Wärmemediums, im vorliegenden Beispiel Wasser, ist eine Pumpe 22 vorgesehen, welche mit dem Wasserkreislauf 14 verbunden und zum Fördern des Wassers in dem Wasserkreislauf 14 eingerichtet ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Pumpe 22 eine Zentrifugalpumpe, wodurch ein besonders wartungsfreies System und gleichzeitig Überdrucke im Membranoxygenator vermieden werden können. Die Pumpe 22 weist dabei optional einen Pumpenantrieb 22a sowie ein Pumpenmodul 22b auf, wobei das Pumpenmodul 22b vorliegend als Einwegartikel ausgebildet ist. Es können jedoch optional alternative Pumpen vorgesehen sein, beispielsweise eine Kreiselpumpe, wie eine Rotorpumpe bzw. Impellerpumpe, oder eine Halbaxial-Pumpe, auch bekannt als Diagonalpumpe.
Die Pumpe 22 fördert das Wasser durch ein Heizelement 24, welches thermisch mit dem Wasserkreislauf 14 gekoppelt ist. Somit wird eine Energiezufuhr bereitgestellt und das Wasser vor dem Eintritt in den Membranoxygenator 12 erwärmt. Im Membranoxygenator 12 findet anschließend ein Wärmeaustausch zwischen der Wasserseite 16 und der Blutseite 18 statt, sodass das durch den Membranoxygenator 12 fließende Blut, das durch den Gasaustausch Wärmeenergie verliert, temperiert wird. Die Pumpe 22 ist vorliegend stromabwärts des Heizelements 24 geschaltet, könnte alternativ jedoch auch stromaufwärts des Heizelements 24 angeordnet sein.
Die genaue Temperierung wird durch die Leistung des Heizelements 24 sowie die Pumpenrate der Zentrifugalpumpe bestimmt. Diese Regelparameter werden entsprechend von einer Steuereinheit 26 des Heizsystems 10, welche mit der Pumpe 22 und dem mindestens einen Heizelement 24 kommunikativ verbunden ist, eingestellt. Auf diese Weise findet eine Temperaturregulierung des extrakorporalen Membranoxygenators 12 und insbesondere der Blutseite 18 statt, sodass durch die Wasserseite 16 und die Blutseite 18 ein Wärmetauscher gebildet wird.
Der Wasserkreislauf 14 bzw. das Heizsystem 10 ist in diesem verbundenen Zustand mit dem extrakorporalen Membranoxygenator 12 ein geschlossenes System, sodass das Wasser keinen Kontakt zur Umluft hat. Auf diese Weise wird die Bildung gefährlicher Bakterien, welche durch verunreinigtes Wasser in die Umgebungsluft gelangen können, effektiv verhindert. Somit ist die Gefahr einer ggf. lebensbedrohlichen Keimbildung ausgeschlossen und das Infektionsrisiko des Patienten wird entsprechend erheblich reduziert.
Weiterhin hat das geschlossene System den Vorteil, dass nur eine geringe Wassermenge im Wasserkreislauf erforderlich ist, sodass eine rasche Anpassung der bereitgestellten Temperierung ermöglicht wird. Der Wirkungsgrad der Temperaturregulierung kann somit gleichzeitig erhöht werden.
In 2 ist schematisch ein Heizsystem 10 gemäß 1 mit einem induktiven Heizelement 24 dargestellt. Das Heizelement 24 ist entsprechend als Induktionsspule 28 ausgebildet, welche einen Abschnitt des Wasserkreislaufs 14 berührungslos umgibt, wie mit den gestrichelten Linien dargestellt. In diesem Abschnitt enthält der Wasserkreislauf 14 ein magnetisches Element 30. In der vorliegenden, beispielhaften Ausführung ist das magnetische Element 30 als ferromagnetische Hülse ausgebildet, wobei das Wasser durch die Hülse gefördert wird. Die Hülse ist innerhalb des Wasserkreislaufs 14 bzw. in einem Strömungskanal angeordnet und somit mit dem Wasserkreislauf 14, beispielsweise einem Schlauchset, fluidisch verbunden. Die Hülse kann dabei in einem Innenraum eines Schlauchs eingesetzt und darin axial fixiert sein, beispielsweise mittels einer Presspassung, Rastelementen oder mittels äußerer Halteelemente wie beispielsweise Klammern oder Schellen.
Die Induktionsspule 28 ist mit der Steuereinheit 26 verbunden und umgibt die Hülse vorliegend vollständig, ist jedoch von der Oberfläche der Hülse radial beabstandet, sodass die Induktionsspule 28 die Hülse berührungslos umgibt. Die Steuereinheit 26 ist bevorzugt dazu eingerichtet, eine Frequenz des durch die Induktionsspule 28 fließenden Stroms an einer Endstufe der Steuereinheit 26 einzustellen. Auf diese Weise wird eine kontaktlose Induktionserwärmung bereitgestellt. Eine Stromfrequenz, beispielsweise im Bereich von etwa 25 bis 50 kHz, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld in der Induktionsspule 28, wodurch in der Hülse induktiv erzeugte Wirbelströme entstehen und die Hülse sich der Frequenz entsprechend erwärmt. Die der Wasserseite des Wärmetauschers bzw. des Membranoxygenators zugeführte Energie kann einfach über die Leistungsregelung einer Frequenz-Endstufe, beispielsweise einer HF-Endstufe, und über die Fließgeschwindigkeit des Wassers bzw. die Pumpenrate dem jeweils eingesetzten Membranoxygenator optimal angepasst werden. Die Kombination dieser beiden Regelparameter ermöglichtes, dass sich ein optimaler Wirkungsgrad des Heizsystems erzielen lässt.
In dieser Ausführungsform kann auf einen separaten Wasserbehälter verzichtet und die erforderliche Wassermenge verringert sowie die Dimensionierung des Heizsystems 10 kompakt gehalten werden. Besonders vorteilhaft können die Komponenten des Systems, abgesehen von der Steuereinheit 26 und dem Heizelement 24 bzw. der Induktionsspule 28, als Einmalartikel oder Disposables ausgebildet sein.
Ebenfalls sind im Heizsystem 10 weitere Sensoren 32, 34 vorgesehen, welche mit der Steuereinheit 26 kommunikativ gekoppelt sind, wie mit den gestrichelten Pfeilen gezeigt. So ist ein Temperatursensor 32 zum Messen einer Temperatur des Wasserkreislaufs 14 stromabwärts der Induktionsspule 28 und stromaufwärts des extrakorporalen Membranoxygenators 12 angeordnet, wobei die Steuereinheit 26 dazu eingerichtet ist, die Pumpenrate und/oder die Leistung der Induktionsspule 28, basierend auf der gemessenen Temperatur des Wasserkreislaufs 14, einzustellen.
Zusätzlich zur Wassertemperatur werden eine Blutflussrate und eine Bluttemperatur von der Steuereinheit 10 ermittelt. Dazu weist der Membranoxygenator 12 einen entsprechenden mit der Steuereinheit 26 gekoppelten Sensor 34 auf, um die aktuelle Blutflussrate und die Bluttemperatur des durch den extrakorporalen Membranoxygenator 12 fließenden Bluts zu erfassen. In der Steuereinheit 26 ist weiterhin der Typ des Membranoxygenators 12 hinterlegt, sodass die Steuereinheit 26 die Pumpenrate und/oder die Leistung der Induktionsspule 28 basierend auf dem Typ des Membranoxygenators 12, der aktuellen Blutflussrate, der Wassertemperatur und der Bluttemperatur einstellen kann. Dadurch wird eine besonders genaue Temperierung ermöglicht. Es können jedoch weniger Sensoren 32, 34 im Heizsystem 10 vorgesehen sein.
Um eventuelle Druckschwankungen auszugleichen, ist weiterhin ein optionaler Ausgleichungsbehälter 36 vorgesehen. Somit können Überdrücke an der Wasserseite 16 des Membranoxygenators 12 vermieden werden und es kann eine vorgegebene Menge sterilen Wassers vor der Inbetriebnahme des Heizsystems in dem Ausgleichungsbehälter zum Befüllen des Wasserkreislaufs 14 vorgesehen sein.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des Heizsystems 10 gemäß 1 mit einem Wasserbehälter 38 gezeigt. Der Wasserbehälter 38 ist mit dem Wasserkreislauf 14 fluidisch und lösbar gekoppelt und enthält dazu einen durchgehenden Kanal 40. An der Innenwandung des Kanals 40 sind weiterhin zwei Heizelemente 24 als PTC-Elemente 42 vorgesehen, welche jeweils mit der Steuereinheit 26 gekoppelt sind und einzeln steuer- und regelbar sind, um somit eine feinstufige Regelung des Wärmeeintrags zu ermöglichen. Es können jedoch alternativ auch nur ein oder mehrere Heizelemente 24 vorgesehen sein. Beim Durchströmen des Kanals 40 umgibt bzw. umspült das Wasser somit die PTC-Elemente 42, sodass eine effektive Erwärmung des Wassers bereitgestellt wird. Der Wasserbehälter 38 dient mit den darin enthaltenen PTC-Elementen 42 als Durchlauferhitzer für den Wasserkreislauf 14. Die Anordnung und Anzahl der PTC-Elemente 42 ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.
Das für die Temperierung erforderliche Wasser kann vor der Inbetriebnahme des Heizsystems 10 im Wasserbehälter 38 vorhanden sein, sodass nach der fluidischen Koppelung mit dem Wasserkreislauf 14 ebenfalls ein geschlossenes Heizsystem 10 mit einem geschlossenen Wasserkreislauf 14 bereitgestellt wird.
Die lösbare Verbindung ermöglicht weiterhin, dass der Wasserbehälter 38 mit den darin angeordneten Heizelementen 24 für weitere bzw. sukzessive Anwendungen entkoppelt und einfach gereinigt und dekontaminiert werden kann. Die restlichen Komponenten des Heizsystems 10 können als Einmalartikelausgebildet sein, sodass auch in diesem Fall der Reinigungs- und Dekontaminierungsaufwand sowie das Infektionsrisiko des Patienten erheblich verringert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Pumpe 22 weiterhin stromaufwärts des Wasserbehälters 38 angeordnet. Alternativ kann die Pumpe 22 jedoch stromabwärts des Wasserbehälters 38 angeordnet sein.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Heizsystem
12: Extrakorporaler Gastauscher bzw. Membranoxygenator
14: Wasserkreislauf
16: Wasserseite
18: Blutseite
20: Gasperfusionsleitung
22: Pumpe
22a: Pumpenantrieb
22b: Pumpenmodul
24: Heizelement
26: Steuereinheit
28: Induktionsspule
30: Magnetisches Element
32: Temperatursensor
34: Temperatursensor und/oder Flusssensor
36: Ausgleichungsbehälter
38: Wasserbehälter
40: Kanal
42: PTC-Element

Claims

Heizsystem (10) zur Temperaturregulierung eines extrakorporalen Gastauschers (12), umfassend - einen Wasserkreislauf (14), welcher fluidisch mit einer Wasserseite (16) des extrakorporalen Gastauschers (12) verbindbar ist, - eine Pumpe (22), welche mit dem Wasserkreislauf (14) verbunden und zum Fördern des Wassers in dem Wasserkreislauf (14) eingerichtet ist, - mindestens ein Heizelement (24), welches thermisch mit dem Wasserkreislauf (14) gekoppelt ist, und - eine Steuereinheit (26), welche mit der Pumpe (22) und dem mindestens einen Heizelement (24) kommunikativ verbunden und dazu eingerichtet ist, eine Pumpenrate der Pumpe (22) und eine Leistung des mindestens einen Heizelements (24) einzustellen, wobei der Wasserkreislauf (14) im verbundenen Zustand mit dem extrakorporalen Gastauscher (12) geschlossen ist.
Heizsystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Wasserkreislauf (14) und/oder die Pumpe (22) als Einmalartikel ausgebildet ist.
Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Wasserbehälter (38), welcher mit dem Wasserkreislauf (14) fluidisch und lösbar gekoppelt ist, wobei das mindestens eine Heizelement (24) derart im Wasserbehälter (38) angeordnet ist, dass das aus dem Wasserkreislauf (14) in den Wasserbehälter (38) gefördertes Wasser das mindestens eine Heizelement umgibt.
Heizsystem (10) nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Heizelement (24) ein Kaltleiter oder PTC-Element (42) ist.
Heizsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das mindestens eine Heizelement (24) zumindest einen Abschnitt des Wasserkreislaufs (14) umgibt.
Heizsystem (10) nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine Abschnitt ein magnetisches Element (30), bevorzugt ein ferromagnetisches Element, aufweist, welches in einem Kanal des Wasserkreislaufs (14) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Heizelement (24) als Induktionsspule (28) ausgebildet ist, welche das Element (30) berührungslos umgibt, wobei die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, eine Frequenz des durch die Induktionsspule (28) fließenden Stroms an einer Endstufe der Steuereinheit (26) einzustellen.
Heizsystem (10) nach Anspruch 6, welches mehrere Heizelemente (24) umfasst, wobei jede Induktionsspule (28) einen jeweiligen Abschnitt umgibt und einzeln einstellbar ist.
Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (22) eine Zentrifugalpumpe ist.
Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (22) stromaufwärts des mindestens einen Heizelements (24) oder stromabwärts des mindestens einen Heizelements (24) angeordnet ist.
Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, eine durch den extrakorporalen Gastauscher (12) fließende aktuelle Blutflussrate und den Typ des Gastauschers (12) zu empfangen und die Pumpenrate und/oder die Leistung des mindestens einen Heizelements (24) basierend auf dem Typ des Gastauschers (12) und der aktuellen Blutflussrate einzustellen.
Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des durch den extrakorporalen Gastauscher (12) fließenden Bluts und/oder eine Temperatur eines mit einer Blutseite (18) des extrakorporalen Gastauschers (12) verbundenen Patienten über einen gekoppelten Temperatursensor (34) zu empfangen und die Pumpenrate und/oder die Leistung des mindestens einen Heizelements (24) basierend auf der Temperatur einzustellen.
Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Temperatursensor (32) zum Messen einer Temperatur des Wasserkreislaufs (14), welcher stromabwärts des mindestens einen Heizelements (24) und stromaufwärts des extrakorporalen Gastauschers (12) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, die Pumpenrate und/oder die Leistung des mindestens einen Heizelements (24) basierend auf der Temperatur des Wasserkreislaufs (14) einzustellen.
Heizsystem (10) nach Anspruch 12, welches einen redundanten Temperatursensor (32) zum Messen einer Temperatur des Wasserkreislaufs (14) umfasst.
Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches eine Mehrzahl von Heizelementen (24) umfasst, wobei die Steuereinheit (26) dazu eingerichtet ist, die Heizelemente (24) einzeln zu- und abzuschalten und/oder eine Leistung der Heizelemente (24) einzeln einzustellen.
Extrakorporales Kreislaufunterstützungssystem, umfassend einen extrakorporalen Gastauscher (12) und ein Heizsystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.