Ein Kreuzstrom-Wärmetauscher ist im kardiopulmonalen Kontext, beispielsweise bei kardiopulmonalen Bypass-Verfahren (CPB), eine wichtige Komponente zur Regulierung der Bluttemperatur eines Patienten. Diese Geräte werden häufig in Herz-Lungen-Maschinen integriert, um das Blut während der Zirkulation außerhalb des Körpers bei Operationen am offenen Herzen oder anderen Verfahren, die eine vorübergehende Herz- und Lungenunterstützung erfordern, zu erwärmen oder zu kühlen.
So funktioniert es
In einem Kreuzstromwärmetauscher fließen zwei Flüssigkeiten – typischerweise Blut und ein Wärmeträgermedium (z. B. Wasser) – senkrecht zueinander, getrennt durch eine feste Oberfläche (z. B. Metall- oder Polymerplatten/-rohre), die den Wärmeübergang ohne Vermischung der Flüssigkeiten ermöglicht. Das Design maximiert die Wärmeaustauscheffizienz bei gleichzeitiger Wahrung der Biokompatibilität und Minimierung von Blutverletzungen.
- Blutflussweg: Sauerstoffreiches Blut aus der Herz-Lungen-Maschine fließt durch einen Satz Kanäle oder Schläuche.
- Wasserfließweg: Temperaturgeregeltes Wasser fließt senkrecht durch eine Reihe nebeneinander liegender Kanäle und erwärmt oder kühlt das Blut je nach klinischem Bedarf (z. B. Herbeiführen einer Hypothermie oder Wiedererwärmung).
- Wärmeübertragung: Der Temperaturgradient zwischen Blut und Wasser sorgt für den Wärmeaustausch über die leitfähige Oberfläche. Die Kreuzstromanordnung gewährleistet aufgrund des konstanten Temperaturunterschieds über den Wärmetauscher eine hohe Wärmeübertragungsrate.
Hauptmerkmale
- Biokompatibilität: Materialien (z. B. Edelstahl, Aluminium oder medizinische Polymere) werden ausgewählt, um Blutgerinnsel, Hämolyse oder Immunreaktionen zu verhindern.
- Kompaktes Design: Kreuzstromtauscher sind platzsparend, was für die Integration in CPB-Kreisläufe entscheidend ist.
- Effizienz: Der senkrechte Fluss maximiert den Temperaturgradienten und verbessert die Wärmeübertragung im Vergleich zu Parallelflusskonstruktionen.
- Sterilität: Das System ist versiegelt, um eine Kontamination zu verhindern. Bei Eingriffen an nur einem Patienten werden häufig Einwegkomponenten verwendet.
- Kontrolle: In Verbindung mit einer Heiz-/Kühleinheit hält der Wärmetauscher die Bluttemperatur präzise aufrecht (z. B. 28–32 °C bei Hypothermie, 36–37 °C bei Normothermie).
Anwendungen bei kardiopulmonalen Eingriffen
- Hypothermie-Induktion: Während der CPB wird das Blut gekühlt, um den Stoffwechselbedarf zu senken und Organe wie Gehirn und Herz bei reduzierter Durchblutung zu schützen.
- Rewarming: After surgery, the blood is gradually warmed to restore normal body temperature without causing thermal stress.
- Temperature Regulation: Maintains stable blood temperature in extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) or other long-term circulatory support systems.
Design Considerations
- Surface Area: Larger surface areas improve heat transfer but must balance with minimizing priming volume (the amount of fluid needed to fill the circuit).
- Durchflussraten: Blood flow must be turbulent enough for efficient heat transfer but not so high as to damage red blood cells.
- Druckabfall: The design minimizes resistance to blood flow to avoid excessive pump pressure.
- Infection Control: Stagnant water in heater-cooler units can harbor bacteria (e.g., Mycobacterium chimaera), necessitating strict maintenance protocols.
Beispiel
A typical cross-flow heat exchanger in a CPB circuit might consist of a bundle of thin-walled tubes through which blood flows, surrounded by a water jacket where temperature-controlled water circulates in a perpendicular direction. The exchanger is connected to a heater-cooler unit that adjusts water temperature based on real-time feedback from the patient’s core temperature.
Challenges and Risks
- Hemolysis: Excessive shear stress from turbulent flow can damage blood cells.
- Thrombogenicity: Surface interactions may trigger clot formation, requiring anticoagulation (e.g., heparin).
- Air Embolism: Improper priming can introduce air bubbles, a serious risk during bypass.
- Infections: Contaminated water in heater-cooler units has been linked to rare but severe infections.