體外膜氧合器ECMO工作原理

體外膜氧合器ECMO工作原理體外膜氧合器（extracorporealmembraneoxygenerator，ECMO）相較于傳統(tǒng)的體外循環(huán)輔助手段有維持時(shí)間長(zhǎng)、僅需低強(qiáng)度抗凝等優(yōu)點(diǎn)，而且可同時(shí)進(jìn)行呼吸、循環(huán)功能支持。目前主要用于嚴(yán)重心肺功能衰竭而傳統(tǒng)治療方法無(wú)效的危重癥患者。雖然早期的臨床研究顯示ECMO使用并未取得顯著療效，但是隨著氧合器裝置、抗凝策略等各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和臨床經(jīng)驗(yàn)的積累，ECMO的使用范圍不斷擴(kuò)展，臨床療效不斷提高，從而更加廣泛地用于臨床危重癥急救，具有良好的發(fā)展前景。但是對(duì)于這一新興的輔助裝置，尚缺乏充足的臨床經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也存在較多嚴(yán)重并發(fā)癥，所以對(duì)于ECMO臨床應(yīng)用需慎重抉擇。在未來(lái)的臨床工作研究中，需更多大型臨床研究進(jìn)一步明確ECMO的最佳適應(yīng)癥以及相關(guān)并發(fā)癥的預(yù)防和治療策略。同時(shí)，為保證ECMO順利有效的運(yùn)行，組建一支優(yōu)秀的ECMO團(tuán)隊(duì)是關(guān)鍵。壹ECMO功能01ECMO功能及發(fā)展史ECMO又稱體外維生系統(tǒng)，最早于1972年開(kāi)始應(yīng)用臨床，現(xiàn)在已成為重癥心肺疾患患者一種有效的治療手段。其原理為通過(guò)插管引流患者的靜脈血至體外，經(jīng)氣體交換后，再通過(guò)動(dòng)脈或靜脈將氧合血送回患者體內(nèi)，應(yīng)用體外循環(huán)技術(shù)，對(duì)因心臟和肺病變或創(chuàng)傷導(dǎo)致呼吸或循環(huán)衰竭的患者進(jìn)行有效支持，使心肺得以充分休息，為心功能和肺功能的恢復(fù)贏得寶貴的時(shí)間。它與傳統(tǒng)的體外循環(huán)有相似之處，但仍有很大的不同。ECMO作為體外生命支持系統(tǒng)的一種形式，以體外循環(huán)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，但明顯優(yōu)于傳統(tǒng)體外循環(huán)技術(shù)，不僅具有循環(huán)功能支持作用，同時(shí)對(duì)呼吸衰竭患者進(jìn)行呼吸功能支持，可迅速改善失代償期心肺功能衰竭患者的低氧血癥和循環(huán)衰竭狀態(tài)。ECMO的構(gòu)想從第一例體外循環(huán)出現(xiàn)時(shí)就已產(chǎn)生，但始終突破不了維持?jǐn)?shù)小時(shí)的時(shí)間限制。ECMO實(shí)際上是心肺轉(zhuǎn)流技術(shù)的擴(kuò)展和延長(zhǎng)應(yīng)用，初期的心肺轉(zhuǎn)流使用鼓泡式氧合器，具有操作簡(jiǎn)便、快捷、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)在于運(yùn)作時(shí)血液與空氣需直接接觸，容易造成血小板、紅細(xì)胞、凝血系統(tǒng)及血漿蛋白等重要血液成分的破壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥。使用時(shí)間超過(guò)數(shù)小時(shí)，即可能發(fā)生血小板減少、溶血、凝血功能障礙、血漿蛋白變性等，這也是早期心肺轉(zhuǎn)流不能長(zhǎng)時(shí)間維持的重要原因。20世紀(jì)60年代，膜式氧合器的出現(xiàn)及抗凝策略技術(shù)的不斷完善，使心肺轉(zhuǎn)流技術(shù)的長(zhǎng)時(shí)使用成為可能。膜式氧合器將血液與氣體以半透膜相分開(kāi)，保護(hù)了紅細(xì)胞、血小板、凝血因子、血漿蛋白等重要血液成分，使ECMO能較長(zhǎng)時(shí)間安全有效地運(yùn)行。20世紀(jì)60年代后期，在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，臨床上開(kāi)始試用長(zhǎng)時(shí)間體外心肺輔助支持。1972年，Hill等報(bào)道了ECMO在1例成人外傷后發(fā)生ARDS患者成功維持75h。1979年發(fā)表的首個(gè)關(guān)于ECMO臨床應(yīng)用的隨機(jī)對(duì)照研究將90例重癥ARDS患者隨機(jī)分為傳統(tǒng)通氣組和ECMO治療組，結(jié)果組間病死率無(wú)明顯差異。15年后，第二個(gè)關(guān)于ECMO用于治療重癥ARDS的隨機(jī)對(duì)照研究也未得出有意義的陽(yáng)性結(jié)果。這使ECMO的發(fā)展進(jìn)入沉寂階段。分析上述兩個(gè)研究結(jié)果的原因可能與當(dāng)時(shí)對(duì)疾病認(rèn)識(shí)不足、病例適應(yīng)證和禁忌證掌握不恰當(dāng)、通氣策略選用不當(dāng)、部分參與單位使用ECMO經(jīng)驗(yàn)不足及ECMO相關(guān)設(shè)備、技術(shù)不成熟等諸多因素有關(guān)。直到1996年，英國(guó)一項(xiàng)研究肯定了ECMO用于新生兒呼吸衰竭的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了ECMO的發(fā)展，越來(lái)越多地用于臨床危重癥急救。02ECMO的結(jié)構(gòu)與組成ECMO設(shè)備主要由控制臺(tái)、驅(qū)動(dòng)泵、氣體交換裝置、熱交換器及一些監(jiān)測(cè)傳感器等部件構(gòu)成。ECMO治療機(jī)制示意圖1．驅(qū)動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)泵為整個(gè)循環(huán)管路提供動(dòng)力?，F(xiàn)階段有兩種驅(qū)動(dòng)泵應(yīng)用于ECMO治療，即離心泵和滾壓泵。離心泵包括一個(gè)圓錐體和磁鐵底盤。后者在以設(shè)定的頻率旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，在泵頭形成負(fù)壓，這個(gè)壓力會(huì)驅(qū)動(dòng)血流進(jìn)入泵內(nèi)，并由渦流的上部引出。由此可見(jiàn)，引出的血流主要受泵前血容量、泵后阻力、泵頭大小及泵的轉(zhuǎn)速的影響。它的主要優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的負(fù)壓，也就不會(huì)有嚴(yán)重的氣泡形成。而其缺點(diǎn)就有血流量不穩(wěn)定，當(dāng)血流減少時(shí)會(huì)加重溶血等。滾壓泵原理同CPB滾壓泵，即通過(guò)擠壓管道產(chǎn)生壓力（泵前負(fù)壓吸引血液入泵，泵后正壓驅(qū)動(dòng)血液入患者體內(nèi)）驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)血液流動(dòng)。血流量受管道直徑、泵滾軸的阻斷壓力、泵轉(zhuǎn)速和血量的影響。其優(yōu)點(diǎn)是可以提供穩(wěn)定的血流，缺點(diǎn)主要是易引起壓力的持續(xù)變化，容易產(chǎn)生氣體。2．氣體交換裝置氣體交換裝置不僅包括通常我們所講的“氧合器”的氧合功能，還有排出CO2、調(diào)節(jié)體溫等功能，在ECMO中起到了“人工肺”的作用，進(jìn)行氣體的氧合?，F(xiàn)階段有兩種氧合器，即硅膠膜氧合器（siliconeoxygenator）和中空纖維氧合器（hollowfiberoxygenator，HFO）。硅膠膜氧合器，是由表面覆蓋很薄硅膠膜的聚碳酸酯核心置于硅膠套筒內(nèi)組成的。氣體和血液從硅膠筒的不同側(cè)進(jìn)入氧合器最大化進(jìn)行氣體交換來(lái)工作。優(yōu)點(diǎn)是使用時(shí)間較長(zhǎng)，溶血較少；缺點(diǎn)是預(yù)充時(shí)間較長(zhǎng)較麻煩，不能應(yīng)用肝素涂層。中空纖維氧合器，現(xiàn)在主要有兩大類，即聚丙烯含微孔型材質(zhì)和新一代的聚甲基戊烯plasmatight與diffusiontype無(wú)孔型氧合器。優(yōu)點(diǎn)是預(yù)充方便，可應(yīng)用肝素涂層，更容易控制出血，但泵內(nèi)容易出現(xiàn)血栓。3．熱交換器熱交換器是由聚碳酸酯外殼包裹不銹鋼管構(gòu)成的，血液在鋼管內(nèi)流動(dòng)，管外通過(guò)加熱水溫為管內(nèi)血液加熱。它不僅能為血液調(diào)節(jié)溫度，還能析出血液中氣泡。在實(shí)施ECMO時(shí)，由于血液流經(jīng)體外管道等，大量的熱量會(huì)隨之散發(fā)。為保證患者體溫的相對(duì)恒定，熱交換器就顯得尤為必要。一般設(shè)定加熱水溫為37~40℃之間，最高不超過(guò)42℃，否則溫度過(guò)高易形成氣泡。4．橋橋是ECMO輸出管與輸入管之間的一段管道，在正常進(jìn)行體外循環(huán)治療時(shí)，需將其夾閉；在擬停機(jī)等各種需要脫離管道的情況下，需將其打開(kāi)，保持管路的暢通，保證此時(shí)血液的正常運(yùn)行，避免血栓的形成，防止脫離管道失敗。5．監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)裝置能持續(xù)監(jiān)測(cè)患者生命體征、血流量、pH值、氧飽和度、CO2分壓、活化凝血時(shí)間（activatedclottingtime，ACT）等，通過(guò)對(duì)這些數(shù)值的監(jiān)測(cè)可以盡快的發(fā)現(xiàn)治療中出現(xiàn)的不良事件，如氧合器損壞、管道脫離、患者內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)遭破壞等。6．插管、管道及接頭作為血液物理回路和各部分的連接裝置。03ECMO的工作模式1．V-VECMO模式靜脈血由腔靜脈引流血液（經(jīng)股靜脈或右側(cè)頸內(nèi)靜脈插管），血液經(jīng)膜肺進(jìn)行氣體交換后再泵回靜脈系統(tǒng)（經(jīng)股靜脈或頸內(nèi)靜脈插管）；也可用一根雙腔插管插入頸內(nèi)靜脈實(shí)現(xiàn)。V-VECMO可以進(jìn)行部分或全部肺功能支持，可用于呼吸衰竭患者。2．V-AECMO模式靜脈血由右心房（經(jīng)股靜脈或右側(cè)頸內(nèi)靜脈插管）引流血液，泵入膜肺進(jìn)行氣體交換（氧合和排除CO2）后，經(jīng)外周動(dòng)脈（經(jīng)股動(dòng)脈或鎖骨下動(dòng)脈）泵入動(dòng)脈系統(tǒng)，或開(kāi)胸時(shí)直接由主動(dòng)脈插管泵入。V-AECMO是一個(gè)密閉的環(huán)路，可以進(jìn)行部分甚至全部心肺功能支持，這一點(diǎn)與體外循環(huán)存在本質(zhì)區(qū)別，而且與一般體外循環(huán)系統(tǒng)相比，前者僅需相對(duì)較低強(qiáng)度的抗凝，不僅可用于循環(huán)衰竭患者，還可以用于呼吸衰竭患者的支持治療。3．AV-ECMO模式即無(wú)泵的二氧化碳清除模式，需要患者循環(huán)相對(duì)穩(wěn)定，可以耐受大量動(dòng)靜脈分流，AV-ECMO模式不適合進(jìn)行完全呼吸功能支持。但通過(guò)AV-ECMO途徑，依靠動(dòng)靜脈間的壓力使血流經(jīng)過(guò)膜肺，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳的清除，降低機(jī)械輔助通氣的需要。靜脈-靜脈體外二氧化碳清除系統(tǒng)是采用靜脈置管連接低速泵驅(qū)動(dòng)的體外氧合器，不存在動(dòng)靜脈分流，避免血流動(dòng)力學(xué)的影響和動(dòng)脈置管導(dǎo)致的下肢缺血。體外CO2清除是一種安全、有效、可操作性較強(qiáng)的體外肺輔助技術(shù)，能有效降低體內(nèi)CO2水平，輔助降低呼吸機(jī)參數(shù)，避免呼吸機(jī)相關(guān)肺損傷的發(fā)生。但目前仍需大規(guī)模的臨床隨機(jī)對(duì)照研究，來(lái)進(jìn)一步證實(shí)體外CO2清除系統(tǒng)在肺保護(hù)實(shí)施和臨床轉(zhuǎn)歸等方面的優(yōu)勢(shì)。貳ECMO臨床應(yīng)用隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)許多疾病的診治水平不斷提高，許多患者的生存率明顯改善，但安全、有效、長(zhǎng)時(shí)間的生命支持依然是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。ECMO作為體外生命支持系統(tǒng)的新技術(shù)，可以對(duì)呼吸、循環(huán)衰竭的危重癥患者同時(shí)進(jìn)行有效的心肺功能支持，為自身心肺功能的恢復(fù)及其原發(fā)病的治療贏得時(shí)機(jī)，是目前循環(huán)、呼吸衰竭有效而特殊的輔助手段。其中VA-ECMO主要用于循環(huán)衰竭、心搏驟停及心臟外科手術(shù)后循環(huán)衰竭的輔助支持，同時(shí)也可用于呼吸衰竭患者；V-VECMO早期主要用于兒科呼吸衰竭，并取得了顯著療效，其后越來(lái)越多地用于成人急性肺損傷、急性呼吸窘迫綜合征、急性呼吸衰竭及肺移植手術(shù)。近年的研究報(bào)道表明，在終末期心力衰竭、感染性休克或膿毒癥等方面也獲得了一定成效。01心臟適應(yīng)證急性心衰，無(wú)法以藥物或主動(dòng)脈內(nèi)球囊反搏維持足夠的循環(huán)時(shí)，可考慮使用ECMO。1．心臟手術(shù)后心源性休克多由再灌注損傷引起的心肌頓抑所致。若無(wú)其他心臟結(jié)構(gòu)異常或心肌梗死，單純的心肌頓抑盡管暫時(shí)功能很差，都能在4~6天內(nèi)恢復(fù)。2．急性心肌炎多為暫時(shí)性，是應(yīng)用ECMO的良好指征。3．急性心肌梗死后心源性休克可在ECMO輔助下行內(nèi)科支架（PTCA）或外科搭橋（CABG）。4．心肌病可在ECMO輔助下過(guò)渡到安裝心室輔助裝置或心臟移植。5．急性肺栓塞引起的右心衰可先用ECMO穩(wěn)定患者，再給予溶栓藥，或手術(shù)去除肺動(dòng)脈內(nèi)的血栓。02肺適應(yīng)證急性呼吸衰竭，無(wú)法以傳統(tǒng)呼吸器，甚至高頻呼吸器維持時(shí)，可考慮用ECMO取代肺臟功能，維持足夠的換氣，并降低呼吸器設(shè)定，減少過(guò)高的呼吸器設(shè)定直接對(duì)肺的損傷。1．新生兒肺部疾病①吸入性胎糞肺炎癥候群；②透明膜病；③先天性膈疝；④新生兒頑固性肺高壓。2．急性呼吸窘迫綜合征。03其他應(yīng)用1．肺移植。2．某些神經(jīng)外科手術(shù)，如基底動(dòng)脈瘤手術(shù)等，需要應(yīng)用體外循環(huán)時(shí)，