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Objektgeschichten: Die Herz-Lungen-Maschine
25. Oktober 2023
25. Oktober 2023
Herz-Lungen-Maschinen können für eine begrenzte Zeit die Funktion des Herzes und der Lunge übernehmen. Sie sind die Grundlage für Eingriffe am offenen Herzen. In der Medizinsammlung befinden sich zwei Geräte aus der Zeit um 1960. Sie geben Auskunft über die frühe Phase der Herzchirurgie am Inselspital Bern.
Die Herzchirurgie hat im frühen 20. Jahrhundert ein Zeitproblem: Die mögliche Zeitspanne einer Unterbrechung der Blutzufuhr zum Herzen beträgt maximal 90 Sekunden. Ein ruhendes und unblutiges Herz ist jedoch Voraussetzung, um kompliziertere Eingriffe überhaupt durchführen zu können. Chirurgen haben deshalb bis nach dem Zweiten Weltkrieg sehr beschränkte Möglichkeiten. Wenn sie in Ausnahmefälle operieren und beispielsweise Aneurysma entfernen, Wunden verschliessen oder später auch angeborene Herzfehler korrigieren, operieren sie tastend und blind bei pulsierendem Herz.
Gerade in der Zeit vor der Einführung von Antibiotika gäbe es durchaus Bedarf an herzchirurgischen Eingriffen: Rheumatische Fieber führen vor der Einführung von Antibiotika häufig zu irreparablen Schäden der Herzklappen. Viele jungen Menschen sterben daran, ohne dass die Chirurgie eingreifen könnte. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gibt es unterschiedlich Strategie, um dieses Zeitproblem zu lösen: Nach 1900 experimentieren Chirurgen zunächst mit der Abklemmung von Gefässen, sie entwickeln ausgeklügelte chirurgisch-handwerkliche Verfahren für Operationen am geschlossenen Herz, später forschen sie zur Absenkung der Körpertemperatur oder arbeiten schliesslich an der Entwicklung von Herz-Lungen-Maschinen, die ihnen die notwendige Zeit verschaffen sollen
Bereits im ausgehenden 19. Jahrhundert leiten Forscher Blut aus dem Körper von Tieren, versehen es mit Sauerstoff und führen es wieder zurück. Diese Versuche finden jedoch im Rahmen von Experimenten statt. Physiologen interessieren sich dabei für das Verhalten von bestimmtem Geweben und Organen. Diese Systeme sind Einzelanfertigungen für die Laborarbeit und ihre Nutzung für Operationen steht nicht zur Debatte.
Denn die technischen Hindernisse, um eine Herz-Lungen-Maschine standardmässig einzusetzen sind enorm: Wie genau soll der Sauerstoff ins Blut gelangen? Wie kann verhindert werden, dass das Blut ausserhalb des Körpers gerinnt? Und wie kann man eine regelmässige Zirkulation gewährleisten?
Seit den 1930er Jahren nehmen sich Ärzte und Ingenieure dieser Probleme systematischer an und arbeiten an konkreten extrakorporalen Kreislaufmaschinen. Sie testen beispielsweise verschiedene Pumpsysteme, die das Blut zuverlässig und schonend zirkulieren lassen sollen. Besonders vielversprechend scheint der Einsatz von sogenannten Schlauch- oder Rollenpumpen, die das Blut durch die mechanische Verformung eines Schlauchs befördern. Auch für die Sauerstoffzufuhr werden unterschiedliche Prinzipien und Materialien ausprobiert. Sie zielen alle darauf ab, entweder beim Sauerstoff oder beim Blut eine möglichst grosse Oberfläche zu schaffen, um so den Gasaustausch effizient gestalten zu können.
Ein erster Meilenstein: 1934 demonstriert der US-amerikanische Chirurg, John Gibbon, am Massachusetts General Hospital erfolgreich, dass seine selbst konstruierte Herz-Lungen-Maschine funktioniert. Sie übernimmt für längere Zeit die Lungen- und Herzfunktion einer Katze und – besonders wichtig – die Katze überlebt das Experiment. Es dauert aber nochmals beinahe 20 Jahre bis nach erfolgreichen Tierversuchen dann die ersten klinischen Anwendungen folgen. 1953 ist es wiederum Gibbon, der – unterstützt durch seine Maschine – chirurgisch den Vorhofseptumdefekt einer 18jährigen Patientin korrigiert. Doch es folgen mehrere Rückschläge. Die Überlebensrate ist tief, sodass sich die Herz-Lungen-Maschinen nicht sogleich durchsetzen. An unterschiedlichen Orten wird in den Labors und Werkstätten jedoch weiter an Pump- und Gasaustauschsystemen gearbeitet, die dann Ende der 1950er bei Medizintechnikherstellern in Serienproduktion gehen und bald in allen grösseren Krankenhäuser stehen – so auch im Berner Inselspital.
Die Geschichte der Berner Herzchirurgie beginnt, bevor eine eigene Klinik dafür besteht. Sie ist eng mit dem Namen Albert Senn verbunden. Beinahe wäre die Karriere von Albert Senn jedoch anders verlaufen. Nach Abschluss seines Medizinstudiums ist er zunächst ab 1945 im Ospedale Regionale in Locarno tätig. Im Oktober trifft Senn dann unter dramatischen Umständen seinen späteren Förderer, den Chirurgieprofessor Karl Lenggenhager. Dieser wird nach einem Bergunfall schwer verletzt ins Krankenhaus eingeliefert. Lenggenhager zeigt sich von der Thromboseprophylaxe Senns beeindruckt und bietet ihm – so erzählt es zumindest Senn später – eine Stelle in der Chirurgischen Klinik Bern an. 1953 unterstützt er ihn auch, ein Stipendium von der American-Swiss Foundation for Scientific Exchange zu erhalten. Lenggehager und Senn verbindet ein gemeinsames Ziel: Sie wollen in Bern eine zeitgemässe kardiovaskuläre Station aufbauen. Senn reiste für diese Weiterbildung im Oktober 1953 in die USA, wo ihn am Presbyterian Hospital in New York, an der Johns Hopkins Hospital in Baltimore und schliesslich in Houston führende Figuren der Zeit auf den neuesten Stand der Herzchirurgie bringen. Michael E. DeBakey, Alfred Blalock, Charles A. Hufnagel oder Clarence Lillehei – Senn lernt während seines Aufenthaltes nahezu alle Chirurgen kennen, die heute als die grossen Pioniere der Herzchirurgie gelten.
Nach der Rückkehr aus den USA führt Senn 1955 die ersten herzchirurgischen Eingriffe durch – jedoch noch ausschliesslich am geschlossenen Herzen.
Senn bringt aus den USA nicht nur viel neues Wissen und Erfahrung mit, sondern auch persönliche Kontakte. Als besonders folgenreich erweist sich die Bekanntschaft mit dem dänischen Herzspezialisten Tyge Sondergaard. Dieser unterstützt nämlich das Inselspital beim Aufbau der Herzchirurgie und kommt ab 1957 regelmässig nach Bern, um vorwiegend sogenannte Sprengungen bei eingeengten Herzklappen durchzuführen. Die Berner Herzchirurgie befindet sich jedoch noch im Aufbau. Sie findet noch immer unter dem Dach der chirurgischen Klinik statt und herzchirurgische Operationen machen einen Bruchteil der Operationen aus. Im Jahresbericht 1959 finden sich 52 Operationen im Bereich des Herzens – von fast 4000 Operationen insgesamt. Im Sommer 1960 ist es dann jedoch so weit: Die noch brandneue Technologie der Herz-Lungen-Maschinen kommt auch nach Bern und ermöglicht den Insel-Chirurgen die ersten Operationen am offenen Herzen.
Welche Herz-Lungen-Maschinen nutzen die Insel-Chirurgen um 1960? Während dieser sehr frühen Phase der Chirurgie am offenen Herzen stehen hauptsächlich drei verschiedene Typen von seriell produzierten Herz-Lungen-Maschinen zur Verfügung: Die sogenannte Mayo-Gibbon-Maschine, eine Weiterentwicklung von John Gibbons Apparat, ein von Richard DeWall konzipierter «Bubble Oxygenator», sowie der sogenannte «Kay-Cross Rotating Disc Oxygenator».
In Bern greifen die Chirurgen zunächst auf den «Kay-Cross Oxygenator» zurück. Entwickelt haben ihn am St. Vincent Charity Medical Center in Cleveland die US-amerikanischen Chirurgen Earl B. Kay und Frederick Cross. Sie adaptieren 1956 den Entwurf des schwedischen Mediziners Viking Björk für den klinischen Einsatz, der das Prinzip bereits 1948 bei Tierversuchen getestet hat. Kurz darauf produziert und vertreibt der US-amerikanische Medizintechnik-Hersteller Pemco Inc. den Scheibenoxygenator weltweit – auch nach Bern.
Der Kay-Cross-Oxygenator der Medizinsammlung (Inv.-Nr. 15845). Es fehlt die für den Betrieb notwendige Pumpe.
Das Inselspital erwirbt offenbar kurz vor 1960 ein Exemplar, das die ersten Operationen am offenen Herzen ermöglicht und sich heute in der Medizinsammlung befindet. Der Scheibenoxygenator funktioniert folgendermassen: Blut wird durch einen Glaszylinder geleitet. Dort rotieren silikonummantelte Scheiben und tauchen in das Blut ein. Das Blut lagert sich an den Scheiben ab und es bildet sich ein Film mit grosser Oberfläche, der effizient den neuen Sauerstoff aufnehmen kann. Ein weiterer Vorteil der drehenden Scheiben: Gefährliche Blasen, die sich durch das Absaugen des Blutes bilden können, werden durch die Drehbewegung ausgestossen. Der Sauerstoff selbst wird durch eine Metallröhre oberhalb der Scheiben eingebracht. Das oxygenierte Blut kann danach wieder in den Körper geleitet werden. Ein integrierter Wärmetauscher kontrolliert und passt die Temperatur des Blutes an.
Dieser Oxygenator ist jedoch nur ein Teil des Herz-Lungen-Maschinensystems. Er benötigt eine Pumpe, um das Blut aus- und wieder einzuleiten. Gemäss Albert Senn ist es eine Rollenpumpe nach DeBakey, die den Kay-Cross-Oxygenator im Inselspital antreibt. Senn bringt die Rollenpumpe persönlich von einer weiteren USA-Reise 1958 nach Bern. Niemand Geringeres als Denton Cooley, einer der Pioniere der Herzchirurgie und Mitentwickler von frühen Herz-Lungen-Maschinen, empfiehlt Senn die Pumpe persönlich. Es spricht viel dafür, dass die Insel-Chirurgen die ersten Operationen am offenen Herzen in Bern mit dieser Rollenpumpe und dem Kay-Cross-Oxygenator durchführen.
Ebenfalls um 1960 erwirbt die Chirurgische Klinik des Inselspitals ein zweites Modell: den «Rygg-Kyvsgaard Bubble Oxygenator». Benannt nach seinen dänischen Entwicklern, dem Chirurgen Inge Rygg und dem Ingenieur Erik Kyvsgaard. 1955 entwerfen sie am Rigshospital in Kopenhagen, eine Herz-Lungen-Maschine. Sie setzen dabei auf das «Bubble»-Prinzip: Blasenoxygenatoren bringen den Sauerstoff direkt in Blasenform ins Blut ein, wobei die grosse Oberfläche der Blasen für einen effizienten Gasaustausch sorgt. Bereits im darauffolgenden Jahr findet eine erste Version des Oxygenators Anwendung bei einer Operation am offenen Herzen. Zwei Jahre später stellen sie an der ersten «Work Conference on Extracorporal Circulation» in Chicago einen Grundentwurf vor, der in den Folgejahren mehrere Neuauflagen erlebt. Dabei verfolgen Sie das Ziel, möglichst grosse Teile des Gerätes, das mit Blut in Berührung kommt, zum einmaligen Gebrauch herzustellen. Damit wollen sie eine Schwäche der Konkurrenz beheben. Der Kay-Cross Scheibenoxygenator muss beispielsweise nach jedem Gebrauch sehr aufwändig demontiert, gereinigt und sterilisiert werden. Rygg und Kyvsgaard konstruieren einen «Plastikbeuteloxygenator», der sich wie auch die Kunststoffschläuche nach jeder Anwendung austauschen lässt.
Das Blut fliesst vom Körper dank der Schwerkraft (Höhenunterschied OP-Tisch – Herz-Lungen-Maschine) und unterstützt durch eine Vakuum-Kammer in den Plastikbeutel. Die integrierte Rollpumpe pumpt das Blut in die sogenannte «Oxygenierungssäule», wo es mit Sauerstoff angereichert und schliesslich im silikonbeschichteten Schwamm entschäumt wird. In einem Reservoir sammelt sich das künstlich hergestellte arterielle Blut, bevor es durch die rollende Bewegung der Pumpe wieder in den Körper geleitet wird. Besonders raffiniert, weil technisch einfach gelöst: Die Kontrolle des Blutvolumens funktioniert über eine Waage. Der gesamte «Plastikbeuteloxygenator» hängt an einer integrierten Waage und das Gewicht lässt sich in Echtzeit auf einer analogen Anzeige ablesen.
Der «Rygg-Kyvsgaard Bubble Oxygenator» der Medizinsammlung mit dem Einweg-Plastikbeutel (Inv.-Nr. 10221)
In den Handbüchern und Artikeln in den Fachzeitschriften wirkt das alles ganz einfach verständlich. Doch auch für den Rygg-Kyvsgaard-Oxygenator gilt: Er steht für die Frühphase der Herzchirurgie. Operationen sind mit viel Risiko verbunden und auch die Herz-Lungen-Maschinen weisen beträchtliche Nebenwirkungen auf. So kann der «Bubble»-Oxygenator durch das direkte Einblasen von Sauerstoff ins Blut die roten Blutkörperchen zerstören und vor allem in der Anfangszeit ist auch das Problem von gefährlichen Luftblasen im Blut nicht gänzlich gelöst.
Für die Zeit um 1960 sind die Berner Zahlen nicht greifbar. Doch aus dem Kopenhagener Rigshospital ist für die Zeit von 1958 bis 1961 die Anzahl Patient:innen überliefert, die mit der Rygg-Kyvgaard-Herz-Lungenmaschine operiert werden. 37 sind es insgesamt – 9 davon überleben den Eingriff nicht. Das Prinzip des Blasenoxygenators hält sich bis in die 1970er Jahre hinein, bis es dann von den Herz-Lungen-Maschinen verdrängt wird, die nach dem Membranprinzip funktioniert.
Details der Rollpumpe und des Bedienpanels der Herz-Lungenmaschine nach Rygg-Kyvsgaar
Um 1960 sind Herzoperationen weit weg davon, Routineeingriffe zu sein. Die Risiken sind enorm. Nur schon die korrekte Handhabung dieser ersten Herz-Lungen-Maschinen ist äusserst komplex und es gibt noch keine ausgebildeten Spezialisten dafür. In den Anfangsjahren bedienen sie angehende Herzchirurgen, wie Ulrich Althaus, später Direktor der Klinik für Thorax-, Herz- und Gefässchirurgie am Inselspital. Erst allmählich entsteht mit der Kardiotechnik ein eigenständiges Berufsbild.
Als die meisten grösseren Krankenhäuser Herz-Lungen-Maschinen anschaffen und die Technik endgültig vom Labor in die Operationssäle kommt, produzieren die Maschinen weit weniger Schlagzeilen, als man vielleicht vermuten könnte. Schaut man sich die mediale Berichterstattung um 1960 an, fällt auf, dass die Einschätzungen durchaus ambivalent ausfallen. Einerseits gilt die Herz-Lungen-Maschine als Wunder der Technik, als ein weiteres wichtiges Instrument in der grossen Fortschrittsgeschichte der Medizin. An der Weltausstellung 1958 in Brüssel, die ganz im Zeichen der Raumfahrt und Atomkraft und dem technischen Fortschritt im Allgemeinen steht, präsentieren gleich mehrere Länder in ihren Pavillons Operationssäle und Herz-Lungen-Maschinen als Inbegriff modernster Medizin.
Andererseits berichten die Medien differenziert über die Schwierigkeiten und Grenzen. Die Neue Zürcher Zeitung führt im März 1959 beispielsweise aus, dass zwar die Frage der Pumpe – also die Funktion des Herzens – weitgehend gelöst sei, dass aber die Funktion der Lunge, also die Sauerstoffzufuhr, weiterhin Schwierigkeiten bereite. Zudem verweist der Artikel auf die Komplexität von Herzeingriffen, bei der der geringste Fehler schwerwiegende Auswirkungen haben kann und deshalb auch die Herz-Lungen-Maschine immer perfekt funktionieren und vor allem auch korrekt bedient werden müsse.
Tatsächlich spielen Operationen mit der Herz-Lungen-Maschine in den frühen 1960er Jahren eine untergeordnete Rolle. Der Jahresbericht des Inselspitals von 1962 weist insgesamt 12 Operationen aus, die dank der neuen Technologie durchgeführt werden können: Neun Verschlüsse bei Ventrikelseptumdefekt und drei Valvulotomien der Aortenstenose. 1968 sind es dann insgesamt 100 Herzoperationen, wovon 28 mit der Herz-Lungen-Maschine durchgeführt werden. Noch in den frühen 1970er Jahren führen Herz-Chirurgen des Inselspitals, die nach der Eröffnung des Bettenhochhauses nun über eine eigene Klinik verfügen, im Schnitt 120 Herzoperationen jährlich durch. Der grosse Anstieg erfolgt dann in den 1970er Jahren, die eine Verdopplung der Anzahl Operationen bringt. Die Herz-Lungen-Maschine ist somit eine revolutionäre Technik, die gewisse Operationen überhaupt erst erlaubt und auch die Grundlage legt für Herzklappenersatz oder schliesslich Herztransplantationen. Doch die Komplexität der Operationen, deren gelingen von zahlreichen Faktoren und dem perfekten Zusammenspiel verschiedener Akteure mit Apparaten und Instrumenten abhängt, hat zur Folge, dass die Einführung der ersten Herz-Lungen-Maschinen nicht als klare Zäsur in der Geschichte der (Berner) Herzchirurgie beschrieben werden kann. Vielmehr ist es eine kontinuierliche Entwicklung von einer kleinen Subdisziplin der Allgemein Chirurgie hin zu einem selbstständigen, erfolgreichen und hochangesehenen Fachgebiet.
Senn, Albert: History of cardiovascular surgery and its future: A personal review, in: International Journal of Angiology 1 (3), 01.06.1992, S. 129–133. Online: <https://doi.org/10.1007/BF02651545>.
Rygg, Inge H.; Frederiksen, Thorkild; Jørgensen, Mogens: Gas Exchange in the Rygg-Kyvsgaard Bubble Oxygenator, in: Thorax 18 (3), 09.1963, S. 220–224.
Dennis, C.: A heart-lung machine for open-heart operations. How it came about, in: ASAIO transactions 35 (4), 1989, S. 767–777.
Prinz, Benjamin: Operieren am blutleeren Herzen: Eine Geschichte chirurgischer Zeit zwischen Handwerk, Maschinen und Organismen, 1900–1950, in: NTM Zeitschrift für Geschichte der Wissenschaften, Technik und Medizin 26 (3), 09.2018, S. 237–266. Online: <https://doi.org/10.1007/s00048-018-0195-x>.
Lena, Tea; Amabile, Andrea; Morrison, Alyssa u. a.: John H. Gibbon and the development of the heart-lung machine: The beginnings of open cardiac surgery, in: Journal of Cardiac Surgery 37 (12), 12.2022, S. 4199–4201. Online: <https://doi.org/10.1111/jocs.17067>.
Iwahashi, Hidehiko; Yuri, Koichi; Nosé, Yukihiko: Development of the oxygenator: past, present, and future, in: Journal of Artificial Organs 7 (3), 01.09.2004, S. 111–120. Online: <https://doi.org/10.1007/s10047-004-0268-6>.
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