freimut gebhard herbert hammer · 2020. 9. 17. · man renal transplantation after ex vivo...

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


Nieren

Nieren & pH-Wert

I In vivo pH-Wert RegulationI 3 Puffersysteme

• Bikarbonate• Phosphat• Protein

Abbildung: Niere, Ausschnitt aus[Har18]



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



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]



Transplantationen

Problematik

Abbildung: Nierentransplantationen [Org17]

I Meist postmortale Spende=⇒ Transportwege



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



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



AutoMock

Herausforderung

I Viele komplexe SubsystemeI Oft hochgradig nicht linearI Variierende TotzeitI Störanfällige Signale



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



pH-Regulierung

Aufgabenstellung

Abbildung: Die Spritzenpumpe

I Möglichst robust und präziseI Mit Injektionen

• NaOH 1M• HCl 1M



pH-Regulierung

Aufgabenstellung

I Metabolische Azidose / AlkaloseI Warnungen & NotstopI Im Tierversuch überprüfen



Sprungversuche

Durchführung

I Zwei SchweineniereI Verschiedene InjektionenI Totzeit messenI Reaktion einschätzen

Abbildung: Verfestigtes Perfusat imersten Tierversuch



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



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



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



Prototypentest

Ablauf

X Dosierungen testenX Manuell testenX Logs einspielenI Tierversuch (24.1 und 31.1)

=⇒ Daten & Reaktion auswerten=⇒ Verbesserungen umsetzen



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



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



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



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



Lösungsansatz

=⇒ Expertensystem=⇒ Mehrere Teilmodelle

• Injektionsvolumen• Änderungserkennung• Injektionsrate• Warnungen• Notstop



Letzte Schritte

I Erkenntnisse aus dem TierversuchI Tierversuch am 31.1I Notstopsystem testenI Injektionsratensystem testenI Ausarbeitung fertigstellen



Zukünftige Arbeit

I LangzeittestsI Weiteres Optimieren



Zusammenfassung

I pH-Regulierung zur Verbesserung der OrganqualitätI Hochgradig nicht-lineares SystemI Mehrere PuffersystemeI Expertensystem als Lösungsansatz



Zusammenfassung

I DosierungI KonzentrationI Reaktion & TotzeitI PumpentreiberI Notstop & WarnungenI Injektionsrate



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



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)



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)



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



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




0 50 100 150

7.45

7.5

7.55

7.6

7.65

7.7


pH-W

ert(tem

peratu

rkorrig

iert)

Abbildung: Injektion von 1,25 ml NaOH 2M




0 50 100 150

7.2

7.3

7.4

7.5


pH-W

ert(tem

peratu

rkorrig

iert)

Abbildung: Injektion von 2,5 ml HCl 2M




0 50 100 150

7.4

7.5

7.6

7.7

7.8


pHWe

rt(tem

peratu

rkorrig

iert)

Abbildung: Injektion von 2,5 ml NaOH 2M




0 20 40 60

6.8

7

7.2

7.4

7.6


pH-We

rt(tem

peratu

rkorrig

iert)

Abbildung: Injektion von 5 ml HCl 2M



Modell

Abbildung: Prototyp 2 – Kommunikation



Modell

Abbildung: Prototyp 2 – Übersicht



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+



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



References I

[Bö18] Nico Böhr. “Hardwareplattform zur sicherenVernetzung von Medizintechnik”. Masterarbeit. RWTHAachen, 2018.

[Cam77] W.Hugh Cameron. “A model framework for computersimulation of overall renal function”. In: Journal ofTheoretical Biology 66.3 (1977), S. 551 –572.

[Gre10] Heiner Greten. Innere Medizin. Bd. 13. Thieme,2010.

[Har18] David Hardes. “Messung und Regelung derZusammensetzung einer Nierenperfusionslösung”.Masterarbeit. RWTH Aachen, 2018.



References II

[Hic18] Sandra Hicks. “Supervision and Control of the BloodFlow in a Kidney Perfusion System”. Masterarbeit.RWTH Aachen, 2018.

[HN11] Sarah A. Hosgood und Michael L. Nicholson. “First inMan Renal Transplantation After Ex VivoNormothermic Perfusion”. In: Transplantation 92(2011), S. 735–738.

[JU+85] R J Uttamsingh u. a. “Mathematical model of thehuman renal system”. In: 23 (Dez. 1985), S. 525–35.



References III

[Kat16] Johann Moritz Kaths. “Normothermic Ex Vivo KidneyPerfusion - A Novel Approach for the Storage,Assessment, and Repair of Renal Grafts”.dissertation. University of Toronto, 2016.

[Kli+09] Rainer Klinke u. a. Physiologie. Georg ThiemeVerlag, 2009.

[LA] Nicholson M. L. und Hosgood S. A. “RenalTransplantation After Ex Vivo Normothermic Perfusion:The First Clinical Study”. In: American Journal ofTransplantation 13.5 (), S. 1246–1252.



References IV[Mos+09] Robert Moss u. a. “A computational model for

emergent dynamics in the kidney”. In: PhilosophicalTransactions of the Royal Society of London A:Mathematical, Physical and Engineering Sciences367.1896 (2009), S. 2125–2140.

[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.


dso.de/organspende-und-transplantation/transplantation/nierentransplantation.html




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.


https://www.terumo-cvs.com/products/ProductDetail.aspx?groupId=1&familyID=47&country=1



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