031体外循环膜肺支持疗法.docx
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031体外循环膜肺支持疗法
031.体外循环膜肺支持疗法
《心血管麻醉及体外循环》胡小琴主编
发表日期:
2006-11-716:
20:
34 浏览数:
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第三十一章 体外循环膜肺支持疗法
龙村
至今体外循环开展已近四十多年的历史，其主要任务是为心脏手术提供一理想的条件。
随着体外循环研究的不断深入，其器械和用品日益完善，应用范围远远超出心脏手术范畴。
体外循环膜肺支持疗法（ExtracorporealMemberaneOxygenationECMO）就是其中之一。
ECMO是指通过长时间的体外循环，对一些呼吸或循环衰竭患者进行有效支持，使心肺得以充分地休息，为心功能和肺功能的恢复赢得宝贵的时间。
有关ECMO还有其它名称（见表31-1）。
表31-1ECMO的其它名称及缩写
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ECCO2 extracorporealcarbondioxideremoval 体外循环CO2排除疗法
ECLA extracorporeallungassist 体外循环肺辅助疗法
ECLHA extracorporeallungandheartassist 体外循环心肺辅助疗法
ECLS extracorporeallungsupport 体外循环肺支持疗法
ELS extracorporeallifesupport 体外循环生命支持疗法
ELSO extracorporeallifesupportorganization 体外循环生命支持系统
AREC assistancerespiratoryextracorporeal 体外循环呼吸辅助
IVBGE intravenousbloodgasexchange 静脉血气交换
IVOX intravenousoxygenator 静脉血氧合
EPBGE extrapulmonarybloodgasexchange 肺外血气交换
PCPS percutaneouscardiopulmonarysupport 经皮心肺支持
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
第一节 历史
1953年Gibbon成功地将体外循环应用于心脏手术，为心胸外科的迅速发展奠定了基础。
当时氧合器的原理是气血直接接触，历时1～2小时的体外循环后，血液被严重破坏，如游离血红蛋白增加，凝血因子大量消耗，血浆蛋白变性等。
到60年代初，仿生呼吸的膜式氧合器（膜肺）用于临床，为长时间体外循环提供了可靠的保证。
早在60年代末期就有人用ECMO治疗呼吸衰竭，不幸的是这些患者颅内出血发生率高。
1972年Hill首先报道了一例成人患者多脏器损伤合并衰竭用长时间体外循环支持的成功经验。
紧接着一些医院用同样的方法抢救成人心功能不全和呼吸功能不全。
1975年美国国立卫生研究院对此进行调查，结果是成人急性呼吸窘迫综合症（ARDS）用常规方法治疗生存率为8%，而用ECMO的生存率也仅为10%，两种疗法效果无明显差异。
自从这一文章的发表到1979年这方面的文献甚少。
其实此报导有三个问题导致ECMO的疗效较低：
①这些患者的肺大多为不可逆器质性改变;②在ECMO治疗时还继续应用60%氧浓度（FiO2）进行呼吸机支持，导致肺组织纤维化;③病因学上这些患者的ARDS为病毒和细菌感染所致，而ECMO对损伤、栓塞所致ARDS疗效较佳。
与此同时人们发现新生儿呼吸衰竭用ECMO治疗的效果很好。
1975年Bartlett等报告用ECMO治疗羊水误吸综合征的成功经验。
1982年他们总结45例新生儿ECMO病例，其生存率为55%。
人们从上述结果得到鼓舞，各医疗中心纷纷进行这方面的尝试。
1988年Gomell等发表一篇临床报告，12例呼吸衰竭患儿用ECMO有11例存活，而用常规呼吸支持疗法的患儿无一例存活。
ECMO逐渐为人们认识，相应的方法和器械亦在不断完善。
经皮插管方法可使ECMO在短时间内建立，同时避免开胸和损伤大血管。
在新生儿呼吸衰竭的治疗中，一些医院采用经脐带血管建立ECMO，增加静脉回流。
ECMO最常见的并发症为出血，其中以颅内出血最为严重，长期应用肝素和凝血因子消耗是主要原因。
1988年Bindslev等报告用肝素涂抹新型膜肺建立ECMO，可减少肝素用量和出血。
Cottrell等在ECMO治疗中应用抑肽酶保护血小板。
人们对ECMO治疗中各脏器组织病理生理变化，一些药物的药效和药代问题亦进行了深入研究。
一些医疗中心已组织专门医疗队伍进行ECMO临床研究，它独立于小儿科、体外循环科。
为了使濒危婴儿得到及时抢救，FaulRner报告在直升飞机运输的过程中进行ECMO的经验。
由于各方面的共同努力，婴幼儿ECMO疗效有提高。
1993年Zwushenberrger等对5000例ECMO治疗的呼吸衰竭患儿调查表明，其生存率为82%。
而这些患者若不进行ECMO治疗其死亡率为80%。
1994年在英国慕斯召开盛大的ECMO国际会议，对其技术进行综合的总结和探讨，结论是ECMO对儿童特别是新生儿有很好的疗效，对成人的效果不理想，对呼吸衰竭的效果较佳，对感染和心衰的效果较差。
ECMO在全世界发展不平衡，近年来美国新生儿ECMO每年已超过1000例。
到1990年日本已有100多例新生儿应用ECMO治疗，1994年已增加到每年500例体外循环辅助，年龄从出生7小时的新生儿到76岁的老人。
现在韩国已开始ECMO研究，并有成功的报告。
我国ECMO的工作起步较晚。
1990年阜外医院曾报告一例ECMO治疗，因患者事先进行过长期心脑复苏，最后因多脏器衰竭死亡，1993年阜外医院成功地用ECMO抢救一例心脏术后严重肺功能衰竭的病人。
我国在这方面落后的原因有：
①资金、器材缺乏。
②医生对ECMO理解程度不高，不能准确掌握适应症，缺乏临床管理经验。
③无专门ECMO研究队伍。
有关我国开展ECMO的意义和时机问题各个专家有不同看法。
我们认为ECMO是一综合系统的工作，反映国家和医院的整体医疗水平。
但ECMO花费巨大，对国家和病人都是很重的负担，在目前国力有限时开展这一工作应慎重稳妥，今后随着国民经济条件的改善可考虑普及提高。
第二节 ECMO应用的必要性
ECMO是将血液从体内引到体外，经膜肺氧合再用泵将血灌入体内，可进行长时间心肺支持治疗，为肺功能和心功能的恢复赢得宝贵时间。
至今有长达35天ECMO治疗的报告。
这要了解ECMO，应用的必要性必须先了解常规急性呼吸窘迫综合症（ARDS）、新生儿顽固性肺动脉高压（PPHN）和急性心衰治疗的特点。
一、ARDS的常规治疗
ARDS一般指多种疾病或直接肺损伤所致的弥漫性肺损伤过程。
临床表现为肺顺应性下降，气体交换障碍，肺动脉高压。
按临床和病生理变化可分四期。
第一期:
呼吸急促、困难，PaO2基本正常，因过度通气可产生呼碱。
肺部体检和X线无明显异常，病理无特异性改变。
第二期:
肺泡毛细血管膜受损，通透性增加，呼吸困难加重，低氧血症。
胸片可见斑状阴影。
病理显示急性炎性反应，肺间质大量白细胞浸润，微血管纤维素-血小板聚积物栓塞。
若能逆转始动因子，此期可在4-5天内消退。
第三期:
进行性呼衰，肺血流重新分配，血管阻塞加重，机械通气高FiO2难以提高PaO2。
此期病理主要特点为Ⅱ型细胞明显增殖，毛细血管面积明显减少。
若治疗适当，病情仍可恢复。
第四期：
为肺纤维化和复发性肺炎。
临床表现为肺顺应性下降，气体交换障碍，肺动脉高压，为不可逆的器质性改变。
急性呼吸衰竭最基本的治疗是机械呼吸治疗，其中呼气终末正压呼吸（PEEP）为改善呼衰发挥了积极作用。
PEEP作用包括逆转进行性肺泡萎陷，阻止液体向肺泡渗出，减轻间质水肿，从而改善肺泡气体交换。
它还使萎陷的肺泡膨胀，使已膨胀的肺泡容量加大。
但PEEP难以解决血液氧合这一根本问题，其原因有：
⑴PEEP不能解决ARDS肺内分流问题，有人给早期ARDS患者使用PEEP，其结果对死亡率、病程进展无明显影响；⑵在长期高FiO2的PEEP治疗中可导致氧中毒发生，此时肺泡透明膜形成，气体弥散障碍；⑶PEEP治疗为胸腔正压，影响静脉回流，不利于血流动力学的维持；⑷急性呼吸衰竭患者肺顺应性很低，气道阻力很大，PEEP易造成肺气压伤。
二、心衰的常规治疗
心力衰竭是指由于心输出量绝对或相对不能满足机体需要而导致的以循环功能障碍为主的综合症。
其主要特点是体（肺）循环瘀血和组织血液灌注不足。
病理生理原因有:
①原发心肌收缩性受损；②心室压力或容量负荷过度；③心脏舒张充盈受限。
其治疗主要原则为改善心脏舒缩功能，调整合适的心率，减轻心脏前后负荷，提高心排血量。
这些治疗主要靠药物来进行。
对于顽固性的心衰，上述常规办法有限。
主动脉球囊反搏（IABP）对提高心排量，改善心肌氧的供需平衡有积极意义。
其原理:
心室舒张期主动脉内球囊扩张增加向冠脉和脑组织的射血。
在心室收缩期球囊吸瘪，降低此时压力负荷，减少心脏做功。
其局限为:
①主动脉瓣膜关闭不全和主动脉瘤患者不能使用；②不能降低心脏的前负荷；③对于心射血能力极差的患者无能为力；④严重心律失常的患者效果不佳；⑤婴幼儿缺乏大小合适的导管；⑥对右心衰作用有限。
目前一些辅助循环主要针对左心系统。
三、PPHN的常规治疗
PPHN是新生儿的体循环血液通过动脉导管或卵圆孔使肺动脉压力持续增高。
临床的突出特征是全身紫绀，这是未氧合的静脉血进入动脉系统的结果。
PPHN的常规治疗方法主要包括人工呼吸、血液碱化、扩张血管，力图降低肺血管阻力，增加肺血流。
FOX的文章表明过度通气可产生呼吸性碱中毒，但pH大于7.5可明显降低肺动脉压力，同时增进肺的气体交换。
不幸的是当新生儿肺部疾患严重，这种治疗方法可因过度通气而产生严重的气道压伤。
妥拉唑林为抗肾上腺能药物，并有组织胺效应，可广泛用于PPHN的治疗。
但对新生儿应用此药的药代动力学知之甚少。
它还可引起血压的明显下降，长期应用可导致胃肠出血。
ECMO应用的必要性体现在它能克服上述治疗方法的不足。
使采用常规治疗的死亡率为80％，改善为用ECMO治疗生存率为80％。
第三节 ECMO原理
ECMO治疗期间，心脏和肺得到充分的休息，而全身氧供和血流动力学处在相对稳定的状态。
此时膜肺可进行有效的二氧化碳排除和氧的摄取，体外循环机使血液周而复始地在机体内流动。
这种呼吸和心脏的支持优越性表现在:
①有效地改善低氧血症。
现有氧合器能将静脉血（PvO2<5.3kPa（40mmHg），SvO2<30%）氧合为动脉血（PaO213.2～92.6kPa（100～700mmHg），SaO298～100%），每分钟流量可达1～6L。
在ARDS急性期气体弥散障碍，肺小动静脉分流时，ECMO可满足机体组织细胞的氧需要，并排出二氧化碳。
②长期支持性灌注为心肺功能恢复赢得时间。
早在60年代初人们就想用体外循环方法治疗ARDS，但当时的氧合器的氧合是气血直接接触，血液破坏严重，最终失败。
随着科技发展产生了膜肺，它仿生肺的呼吸模式，氧合过程中血液损伤轻，加上材料生物相容性的改进，体外循环其它措施的改善，目前ECMO可进行相当长的时间。
③避免长期高氧吸入所致的氧中毒。
膜肺在给空气时就可达到正常肺氧合效果，还可根据血气分析结果分别调节FiO2和通气量，以达到最佳的气体交换。
④避免了机械通气所致的气道损伤。
ECMO治疗期间，可保证充分氧供。
同时进行的机械通气只是为了避免肺泡萎缩，不需要很高的压力；⑤有效的循环支持。
ECMO治疗期间可进行右心辅助、左心辅助或全心辅助，心脏射血可由体外循环机代替，机械射血能力可达7L/min。
同时它可通过调节静脉回流，降低心脏前负荷。
在保证血流供应时，适当应用扩血管药，可改善微循环灌注并降低心脏后负荷。
此时扩血管药使用安全度很大。
由于前后负荷改善，在没有或较少的正性肌力药物条件下，心肌获得充分休息，能量储备增加。
⑥ECMO治疗中可用人工肾对机体内环境如电解质进行可控性调节。
其安全度高，效果好。
第四节 循环途径
ECMO的作用之一是将血液引出体外，经膜肺氧合再注入体内。
ECMO的循环途径有多种，各种循环路径都有其自身的特点。
现将主要路径介绍如下：
一、静脉－动脉转流
（一）周围静脉－动脉转流
将静脉插管从股静脉置入，插管向上延伸至右房，引出的静脉血在氧合器中氧合，经泵从股动脉注入体内。
此法可将80%回心血流引至氧合器，降低肺动脉压和心脏前负荷。
缺点是股动脉低部位灌注使上半身的冠状动脉和脑组织得不到充分的灌注。
有人将动脉插管延伸至主动脉根部以缓解这一难题，但这增加了血栓形成的危险，并有可能造成动脉机械性损伤。
另外肺循环血流骤然减少，使肺的血液淤滞，增加了肺部炎症和血栓形成的危险性。
此方法非搏动成分多，对维持稳定的血流动力学有一定困难。
目前认为在ECMO治疗中维持一定肺血流和肺动脉压力，有利于肺功能和结构的恢复。
（二）中心静脉－动脉转流
这是目前最常用的方法（图31－1）。
由于右颈部血管对插管有很强的耐受，一般通过颈内静脉插管，经右房将血液引流至氧合器，氧合血通过颈动脉插管至主动脉弓输入体内。
主要特点为：
体外循环注入的氧合血可替代衰竭的心肺功能。
当流量达到120ml/kg·min时，心脏可处于休息状态。
此法可降低肺动脉压力，人工呼吸依赖性成分少，适用于严重的呼吸衰竭的患儿。
不足之处在于:
①非搏动灌注成分多，血流动力学不易稳定；②插管拔管操作复杂，特别是结扎一侧颈部血管，对今后的脑发育有潜在危险。
McGough等采用锁骨下动脉插管方法，能够保证双侧颈动脉的血液灌注，其要点为：
插管外径应为无名动脉内径的75%，这样可保证在灌注时右侧血管有充分的血流；ECMO结束时进行动脉修复。
由于婴儿小、插管细、颈内静脉引流往往不能满足灌注需要。
Ford等利用髂血管引流取得了良好效果。
还有学者利用新生儿的脐血管增加静脉引流量，因为胎儿期的脐血管血流量可达130ml/kg·min，但也可带来一些并发症如肝内膜下出血、门脉高压、坏死性小肠结肠炎等。
图31－1
二、周围静脉－右室转流
最早的方法是从股静脉插管，将插管延伸至下腔静脉的近心端或右房，引出的血液经氧合后从颈内静脉输入。
此法不能提供充分的氧合血，心脏的前负荷不能有效地降低，需要较高的FiO2和高流量的机械呼吸才能维持机体的氧供。
Wetterberg等设法将输送氧合血的静脉插管延伸至右房，再经三尖瓣口最后送至右室，由于三尖瓣能有效地分隔右室内的氧合血和右房内的非氧合血，80%血液可氧合，右室收缩氧合血注入肺动脉。
这样保证了肺部的血液灌注，同时心脏搏动射血亦存在。
本法适用于无心功能不全的呼吸衰竭患者，不需动脉结扎，操作简单。
主要缺点是对心功能无辅助作用，新生儿重症呼吸衰竭时不宜使用。
这种方法对PPHN无明显的治疗作用。
由于导管在心腔内，易发生心律失常，此时可酌情用些镇静剂和β受体阻滞剂。
也可用特制的双腔管经颈静脉插入，静脉血通过14F外管腔从腔静脉引流至体外，经氧合后从8F内管腔注入右心。
此管有不锈钢丝加强，管壁仅有0.25mm厚。
此法临床实践有限，报道的存活率为95%，而常规方法为87%.使用双腔管的患儿ECMO的时间短，神经并发症少，可保留颈动脉。
但引流不充分是其不足。
第五节 ECMO的基本用品
ECMO配置的基本原则是：
①气体交换能力好；②能保证长时间的灌注需要；③预充量小；④血液破坏轻；⑤操作简便。
为达到上述目的各医疗中心进行了不懈的努力。
根据各医院的具体情况，ECMO配置有很大差异，但基本上包括氧合器、泵、管道这三大部分。
一、氧合器
血液在通过肺的氧合过程中不和气体直接接触，氧和二氧化碳通过膜弥散进行交换。
早期的氧合器是血液和气体直接接触，所以在氧合的过程中血液严重变性，另外有气体栓塞的潜在危险。
膜肺就是参照肺的呼吸模式而设计。
血液在膜肺内不与气体直接接触，气体和血液被人工膜分离。
气体交换根据氧和二氧化碳的分压差进行弥散交换。
刚进入膜肺血液的PO2<5.4kPa（40mmHg），PCO2>6.7kPa（50mmHg），而气相的PO2为13.5kPa（100mmHg），PCO2为4.6kPa（35mmHg），如给纯氧PO2为100kPa（>700mmHg）。
由于这种分压差，气相的氧向血液弥散，血液的CO2向气相弥散。
当血液注入患者体内时，其PO2>12.5kPa（95mmHg），PCO2在4.6kPa（50mmHg）左右。
大部分高分子膜二氧化碳弥散系数和氧弥散系数比值（DCO2/DO2）都小于5:
1，而人肺泡为20：
1。
如要使血中的CO2充分排除，DCO2/DO2应大于12:
1。
人们在研究中发现硅胶膜最近似于这一参数，所以它是无孔膜肺的首选材料。
以后人们又发现带微孔的薄膜有很强的气体通透性，DCO2/DO2近似于人肺。
微孔在0.1～5.0um之间。
血液和薄膜接触时，立即产生血浆轻微变性和血小板粘着，使微孔膜涂上一层极薄的蛋白膜。
这层膜使血液自由流动，气体易于扩散，同时减少了蛋白进一步变性和血小板粘着。
ECMO治疗中应用的膜肺主要有两重：
即中空纤维型和硅胶膜型。
前者以Terumo、Medtronic、Dideco等公司的产品为代表，后者以Sei-Med、Jostra等公司的产品为代表。
中空纤维膜肺的材料多为聚丙烯，分管内走血、管外走气和管内走气、管外走血二种。
管内走血的中空纤维膜肺有以下不足：
①血液经过纤维内需承受很大的剪切应力，使血液破损;②血液在纤维内易形成血栓，当中空纤维闭塞时，膜肺氧交换能力下降，血流阻力增加；③管内走血血气接触面小，血液流动形成层流，气体交换能力差。
为了克服上述不足，目前已生产了管外走血、管内走气新型膜肺，它的流动形式为涡流，气血交换能力大；血液承受的剪切力小，血液破坏轻；氧合性能较稳定。
应用微孔型膜肺，微孔部的气体和液体接触形成表面张力可阻止血液成分的漏出。
在长期的灌注中气相侧水凝集界面消失，液体可能漏出；此外蛋白膜可逐渐增厚，直接影响气体的弥散。
相比之下硅胶膜性能较为稳定.但它气体交换能力有限，预充量大，价格较贵。
为了完善膜肺在ECMO的性能，Katayma等近来研制一种新型Polyolefin中空纤维膜肺。
其膜面积为0.3M2，预充量为47ml，O2和CO2交换量分别为70ml/min和55ml/min，流量可达到160ml/kg·min。
在连续7天的转流中无血浆漏出。
Bagley将中空纤维（1000根）编织成网，经股静脉送入右房。
将气体输入中空纤维内，由于中空纤维内外气体分压差而达到O2和CO2的交换。
这种装置可在体内进行长达19天的气体交换。
采用这种方法应注意:
①充分抗凝，防止栓塞;②保证静脉回流通畅，以免中空纤维网堵塞静脉。
该方法目前主要用于成人。
儿童的血管较细，插入这种装置将影响血液的流通。
研制小体积、高氧合性能并保证血流通畅的类似装置将是小儿ECMO的努力方向。
ECMO中需要肝素抗凝，出血是最常见的并发症，而且血液和异物接触时会发生严重的炎性反应。
为了避免上述不足，Akagi利用母体胎盘作为气体交换的场所。
其装置分为二大部分（图31－2）。
一部分为膜肺、人造血（氟碳化合物）和驱动装置，它的目的是使人造血和胎盘进行气体交换。
另一部分为胎盘和肝素涂抹管道及驱动装置，它的目的是将新生儿血液和胎盘进行交换。
由于二部分为胎盘所分隔，ECMO中患儿不需要另加肝素。
另外胎盘和新生儿有很好的相容性，可改善体外循环的炎性反应。
目前这一技术尚处于实验阶段。
图31－2
二、血泵
ECMO治疗中泵是必不可少的器械。
目前最常用的是滚压泵和离心泵两种。
滚压泵是将一泵管置入泵槽内，通过滚压轴不断的挤压将血液注入体内（图31－3）。
离心泵是让血液进入一高速旋转的流场中产生离心力，通过此力将血液泵入体内。
有关二种泵的性能见表31-2:
表31-2离心泵和滚压泵的性能比较
流量
类型
血液
破坏
微栓
产生
意外
进气
远端
阻塞
长期
灌注
机动
性能
血液倒
流
离心泵
和转速压力呈正比
开放
限压
较轻
不易
不易
管道
压力
增高
有限
适合
易于
移动
转速不
够时可
发生
滚压泵
和转速有固定关系
闭合
限量
较重
常见
常见
压力
增高
管道
崩裂
不适
合
不易
移动
闭合不
紧时可
发生
图31－3
目前在婴幼儿ECMO采用什么类型的泵看法不一。
Palder认为离心泵的血液破坏轻，可根据静脉回流自动调节射血量，避免产生气栓。
Wenger发现离心泵在一定的条件下可根据心房压力自动调节流量，但离心泵过度的负压应引起足够的重视。
根据阜外医院使用离心泵的经验，离心泵对低流量精密调节能力差。
婴幼儿ECMO泵的选择以滚压泵为佳。
Ito在ECMO中应用新型的气动泵，可根据静脉回流自动调节输出量，不产生负压和急剧的高压，操作安全简易。
三、管道
ECMO管道可分为插管和循环管道两部分。
ECMO循环管道要求预充量小，生物相容性好。
新生儿血容量为85ml/kg，3kg的患儿血容量约为255ml。
目前ECMO循环管道的最小的预充量也超过500ml。
临床上应尽量缩短循环管道，选用适当的管径和膜肺，以减少预充量。
为了将ECMO用品缩小利于移植至胸腔，Tatsumi将二个带瓣膜的心脏辅助装置和一中空纤维膜肺联合成一体。
它的氧合交换能力为170ml/min，最大流量可达5.5L/min，并有搏动功能，其临床应用尚需一段时间。
血液和异物接触时会发生一系列的炎性反应。
改善循环管道的生物相容性对减少ECMO中的并发症有重要意义。
近来出现了肝素表面涂抹技术，使血液接触表面的生物相容性大为改善。
它和以前的肝素浸泡涂抹不同，是将肝素和血液接触表面的分子通过化学键相联接，具有长期局部抗凝的优点。
对于易出血的患者可不用肝素进行ECMO，因为血液和这些特制的异物表面接触不会凝集。
Koul用这种装置对动物进行非肝素化ECMO，24小时后实验组动物的肺和血流动力学无明显变化，血小板和凝血因子得到充分的保护。
Whittlesseg在临床上进行试用，给少量肝素或不给肝素，取得了良好的效果。
成人ECMO插管可用经皮穿刺的方法，在ECMO结束时血管还可以保留。
婴幼儿血管细，采取这种方法有困难。
一般婴幼儿采用动、静脉插管。
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