Freimut Gebhard Herbert Hammer · 2020. 9. 17. · Man Renal Transplantation After Ex Vivo...
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Freimut Gebhard Herbert Hammer
Bachelor - AbschlusspräsentationpH-Regulierung in extrakorporalen Nierenperfusions-systemen
Motivation Normotherme Organperfusion Tierversuche Implementierung Zukünftige Arbeit Zusammenfassung Literatur
ÜbersichtMotivation• Nieren• Transplantationen
Normotherme Organperfusion• AutoMock• pH-Regulierung
Tierversuche• Sprungversuche• Prototypentest
Implementierung
Zukünftige Arbeit
1 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Nieren
Nieren & pH-Wert
I In vivo pH-Wert RegulationI 3 Puffersysteme
• Bikarbonate• Phosphat• Protein
Abbildung: Niere, Ausschnitt aus[Har18]
2 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Nieren
Nieren & pH-Wert
I Blutoxygenator reguliert den BikarbonatpufferI Andere reagieren langsamI Z. B. Hämolyse
=⇒ pH-Wert steigt über den Schwellenwert=⇒ Alkalose
I Z.B. Verlust von Plasmaprotein=⇒ pH-Wert sinkt unter den Schwellenwert, da kein H+
freigesetzt werden kann=⇒ Azidose
3 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Transplantationen
Nierenspende
I Oft die letzte Hoffnung für Patienten mit unzureichenderNierenfunktion
I 2017 knapp 2000 Transplantationen in DeutschlandI . . . aber > 8000 Patienten auf der Warteliste [Org17]
4 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Transplantationen
Problematik
Abbildung: Nierentransplantationen [Org17]
I Meist postmortale Spende=⇒ Transportwege
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Transplantationen
Behandlung extra korporaler Nieren
I Hypotherme Lagerung• Durchspült• Kalt gelagert
=⇒ Verlangsamte Reaktionen• Risiko steigt mit der Zeit
=⇒ Maximum 24hI Normotherme Perfusion
• ca. 200 ml Blut verwerfen• Kanülieren• An AutoMock anschließen
=⇒ Niere wird versorgt
6 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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AutoMock
Was ist das Ziel?I Automatisches
OrganperfusionssystemAutoMock
I Entwickelt vom I11 und derUniklinik Aachen
I Z.B. für NierenI Möglichst physiologischen
BedingungenI Subsystem reguliert
pH-Wert=⇒ Verbesserung der
Organqualität undTransportzeit Abbildung: Das AutoMock System
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AutoMock
Herausforderung
I Viele komplexe SubsystemeI Oft hochgradig nicht linearI Variierende TotzeitI Störanfällige Signale
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pH-Regulierung
pH-Regulierung
I Nieren sind empfindlich für Änderungen• Druck• Sauerstoffgehalt• pH-Wert• · · ·
I Blut kann einige Schwankungen puffernI Zielbereich 7,35 - 7,45
=⇒ Sonst steigt das Risiko für KomplikationenI Ohne Regulation steigt der pH-Wert
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pH-Regulierung
Aufgabenstellung
Abbildung: Die Spritzenpumpe
I Möglichst robust und präziseI Mit Injektionen
• NaOH 1M• HCl 1M
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pH-Regulierung
Aufgabenstellung
I Metabolische Azidose / AlkaloseI Warnungen & NotstopI Im Tierversuch überprüfen
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Sprungversuche
Durchführung
I Zwei SchweineniereI Verschiedene InjektionenI Totzeit messenI Reaktion einschätzen
Abbildung: Verfestigtes Perfusat imersten Tierversuch
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Sprungversuche
BeispielI Niere 1:
Injektion Lösung Dosis Uhrzeit1 HCl 1M 1,25 ml 16:312 HCl 1M 2,50 ml 16:453 HCl 1M 5,00 ml 16:564 NaOH 1M 5,00 ml 17:05
I Niere 2 (Fehler beim Kanülieren und Flüssigkeitsverlust):Injektion Lösung Dosis Uhrzeit
1 NaOH 1M 1,25 ml 16:402 NaOH 1M 2,50 ml 16:503 NaOH 1M 5,00 ml 17:034 HCl 1M 5,00 ml 17:08
13 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Sprungversuche
Auswertung – pH-Wert
16:05 16:19 16:34 16:48 17:02 17:17
7
7.25
7.5
7.75
8
8.25
Uhrzeit
pH-W
ert(te
mpera
turko
rrigier
t)
pH VerlaufInjektion
Value out of range
Abbildung: pH – Niere 1
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Sprungversuche
Auswertung – CO2
16:05 16:19 16:34 16:48 17:02 17:17
2.5
5
7.5
10
12.5
15
Uhrzeit
kPaC
O 2
CO2 VerlaufInjektion
Abbildung: CO2 – Niere 1
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Prototypentest
Ablauf
X Dosierungen testenX Manuell testenX Logs einspielenI Tierversuch (24.1 und 31.1)
=⇒ Daten & Reaktion auswerten=⇒ Verbesserungen umsetzen
16 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Prototypentest
Auswertung – pH-Wert
14:1014:1714:2414:3114:3814:4614:5315:0015:0715:14
6.6
6.8
7
7.2
7.4
7.6
7.8
8
8.2
8.4
Uhrzeit
pH-W
ert(te
mpera
turkor
rigier
t)
arterieller pH-Wertvenöser pH-Wert
WarnungNotaus
Abbildung: Prototypentest – pH-Wert
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Prototypentest
Auswertung– Fluss
14:1014:1714:2414:3114:3814:4614:5315:0015:0715:14
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Uhrzeit
ml/m
in
arterieller Fluss
Abbildung: Prototypentest – Fluss
18 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Prototypentest
Auswertung– Regulation
14:1014:1714:2414:3114:3814:4614:5315:0015:0715:14
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Uhrzeit
mlHC
l1M
InjektionsvolumenNotaus
Abbildung: Prototypentest – Regulation
19 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Modelle
I Vorgängermodelle• PID Regler• Simulation der Niere• Fuzzy Regler
I Prototyp 1• Treibertest• Einarbeitung• Mehrere PID-Regler
I Prototyp 2• Treiber verbessert• Expertensystem• Mit Sprungversuchen optimiert
20 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Lösungsansatz
=⇒ Expertensystem=⇒ Mehrere Teilmodelle
• Injektionsvolumen• Änderungserkennung• Injektionsrate• Warnungen• Notstop
21 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Letzte Schritte
I Erkenntnisse aus dem TierversuchI Tierversuch am 31.1I Notstopsystem testenI Injektionsratensystem testenI Ausarbeitung fertigstellen
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Zukünftige Arbeit
I LangzeittestsI Weiteres Optimieren
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Zusammenfassung
I pH-Regulierung zur Verbesserung der OrganqualitätI Hochgradig nicht-lineares SystemI Mehrere PuffersystemeI Expertensystem als Lösungsansatz
24 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Zusammenfassung
I DosierungI KonzentrationI Reaktion & TotzeitI PumpentreiberI Notstop & WarnungenI Injektionsrate
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
26 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Sprungversuch 2 – pH Wert
16:05 16:19 16:34 16:48 17:02 17:17
7
7.25
7.5
7.75
8
8.25
Uhrzeit
pH-W
ert(te
mpera
turkor
rigier
t)
pH VerlaufInjektion
RingerinjektionValue out of range
Abbildung: pH – Niere 2 (Fehler beim Kanülieren und Flüssigkeitsverlust)
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Sprungversuch 2 – CO2
16:05 16:19 16:34 16:48 17:02 17:17
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Uhrzeit
kPaC
O 2
CO2 VerlaufInjektion
Ringerinjektion
Abbildung: CO2 – Niere 2 (Fehler beim Kanülieren und Flüssigkeitsverlust)
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Sprungversuch 2 – K+
16:05 16:19 16:34 16:48 17:02 17:17
2
3
4
5
6
7
8
9
Uhrzeit
mmol/l
K+
K+ VerlaufInjektion
Abbildung: K+ – Niere 1
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Sprungversuch 1 – Injektion 1
0 20 40 60 80 100 120
7.3
7.4
7.5
Sekunden nach Injektion
pH-W
ert(tem
peratu
rkorrig
iert)
Abbildung: Injektion von 1,25 ml HCl 2M
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Sprungversuch 1 – Injektion 2
0 50 100 150
7.45
7.5
7.55
7.6
7.65
7.7
Sekunden nach Injektion
pH-W
ert(tem
peratu
rkorrig
iert)
Abbildung: Injektion von 1,25 ml NaOH 2M
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Motivation Normotherme Organperfusion Tierversuche Implementierung Zukünftige Arbeit Zusammenfassung Literatur
Sprungversuch 1 – Injektion 3
0 50 100 150
7.2
7.3
7.4
7.5
Sekunden nach Injektion
pH-W
ert(tem
peratu
rkorrig
iert)
Abbildung: Injektion von 2,5 ml HCl 2M
32 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Sprungversuch 1 – Injektion 4
0 50 100 150
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
Sekunden nach Injektion
pHWe
rt(tem
peratu
rkorrig
iert)
Abbildung: Injektion von 2,5 ml NaOH 2M
33 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Sprungversuch 1 – Injektion 5
0 20 40 60
6.8
7
7.2
7.4
7.6
Sekunden nach Injektion
pH-We
rt(tem
peratu
rkorrig
iert)
Abbildung: Injektion von 5 ml HCl 2M
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Modell
Abbildung: Prototyp 2 – Kommunikation
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Modell
Abbildung: Prototyp 2 – Übersicht
36 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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Prototypentest– K+
14:1014:1714:2414:3114:3814:4614:5315:0015:0715:14
3
4
5
6
7
8
Uhrzeit
K+mm
ol/l
K+
Warnung
Abbildung: Prototypentest – K+
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Auswertung– CO2
14:1014:1714:2414:3114:3814:4614:5315:0015:0715:14
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
22.5
25
Uhrzeit
kPaa
rt.CO
2
arterieller CO2-Partialdruckvenöser CO2-Partialdruck
Warnung
Abbildung: Prototypentest – CO2
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References I
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Motivation Normotherme Organperfusion Tierversuche Implementierung Zukünftige Arbeit Zusammenfassung Literatur
References II
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41 / 26pH-Regulation | BachelorarbeitF. Hammer
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[Org17] Deutsche Stiftung Organtransplantation.Organspende und Transplantation in Deutschland2017. dso.de/organspende-und-transplantation/transplantation/nierentransplantation.html. Aufgerufen:01.11.2018. 2017.
[RF00] Florian Lang Robert F.Schmidt Gerhard Thews.Physiologie des Menschen. Bd. 28. Springer, 2000.
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Motivation Normotherme Organperfusion Tierversuche Implementierung Zukünftige Arbeit Zusammenfassung Literatur
References V
[Sto13] André Stollenwerk. “Ein modellbasiertesSicherheitskonzept für die extrakorporaleLungenunterstützung”. dissertation. RWTH Aachen,2013.
[Ter18] Terumo. CDI Blood Parameter Monitoring System500. https://www.terumo-cvs.com/products/ProductDetail.aspx?groupId=1&familyID=47&country=1, abgerufenam 30.10.2018. 2018.
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