体外循环学进展
2007-03-08 15:12阅读：
体外循环开展在已有四十多年的历史。随着科学技术的飞速发展，体外循环的理论和实践均发生了很大变化，其本身亦从最初的简单技术逐渐发展为一门综合性临床应用学科。目前，世界上平均每小时进行100例心血管外科手术。大量的心血管直视手术直接推动了体外循环及其相关学科和产业的发展。为了概括近年体外循环的主要进展，本文主要从体外循环用品和体外循环方法二方面进行介绍。
一、 体外循环用品的进展
（一） 膜式氧合器（膜肺）
膜肺的变化是体外循环发展的代表。它主要表现在下列方面：
1、良好的气体交换
目前世界发达国家都使用管外走血，管内走气型膜肺。其主要优点表现在：①血液在中空纤维外行走可减少血液的剪应切力，减轻血液的损伤。②血液在特殊排列中空纤维外行走可减少血浆层流，提高气体交换能力。③血液在管外行走气体交换好，需要中空纤维少，减少了血液和膜的接触，并可明显地降低预充量。膜肺进出口二端压力差越小血液破坏越轻。Tanichifa的研究认为将中空纤维以蛇形排列为佳。当血液行走纤维外时氧合能力提高，血液破坏降低，预充量减少。Terumo
Carpox-E膜肺采用血液的重力引流，使血液进入膜肺时剪应切力的降低，以减小血液破坏。为了使管外走血型膜肺的血膜更加均匀，一些工程人员在中空纤维表面稀疏均匀缠绕一层0.5mm金属丝，这可避免血膜薄厚不均，同时可使体外循环中产生的静电安全排放，避免了纤维膜的击穿。血膜越薄，气体交换能力越强。
2、性能稳定
新型中空纤维使血液在氧合器内产生涡流，实践证明这种流场气体交换能力高，并使膜肺进出口压差减小23mmHg。中空纤维膜肺在长时间灌注中因气体的蒸发作用使液体丢失，甚至发达血浆渗漏，日本学者在聚丙烯中空纤维内用硅油硅化，微孔闭塞使气体交换不受影响，并能克服上述不足。有孔型膜肺在长期灌注中因蛋白和血?#8220;宓母阶攀蛊体交换能力下降。无孔型膜肺如Sei-Med膜肺在这方面具有独特的优点。硅胶膜肺气体交换稳定性好，适于长时间灌注，而中空纤维在体外循环中其表面由于蛋白不断沉淀，使呼吸膜增厚，气体交换功能逐渐下降，一般在14小时日趋明显。Iida等将中空纤维表面敷以硅胶薄膜（0.2mm），在动物实验中O2和CO2交换良好，血浆游离血红蛋白轻。微孔中空纤维中的微孔大小和总面积对气体交换起有关键作用。现在很多技术可使微孔孔径变小，但总面积增加，这样增加了膜肺气体交换面积同时又可使膜表面的蛋白膜不易破裂，进而防止血浆渗透。
3、血液破坏轻微
现有的人工材料与血液接触均可产生补体激活及血?#8220;寮せ睿以尼龙和聚氯乙烯较为突出。目前膜肺大多采用组织相溶性较好的聚四氟乙烯和聚丙烯材料。有学者事先在膜肺上涂抹一层肝素以改善人工材料的组织相容性，并取得了良好的效果。Kagisaki等在婴幼儿体外循环应用肝素涂抹系统结果发现补体激活明显抑制，中性粒细胞弹性蛋白和白细胞介素6释放减少。UsuiT在临床观察发现，肝素涂抹膜肺的气体交换稳定性比常规膜肺长。这可能是因肝素涂抹改善了膜肺的生物相容性，使蛋白沉淀在纤维膜表面的速率减慢。Baksaas在体外循环物品表面涂上一层特殊的聚合物，其表面更加光滑。实验结果表明和肝素涂抹比较此聚合物生物相容性更佳，表现在髓过氧化酶和血?#8220;逖栓蛋白低，提示白细胞和血?#8220;寮せ罱锨帷
4、操作简便
Medtronic膜肺、Polystan
Safe-1等膜肺血流量为1~7/Lmin，一种型号可用于不同体重息者。CobeVPCML膜肺有二个氧合室，血流量分别为1.3L/min和2.7L/min，二者合用可达4L/min。增加了应用范围。有些膜肺将回流室变温器溶为一体，如Medtronic膜肺、Bentley膜肺，操作简便。Terumo
Carpox-E膜肺循环途径和鼓泡式氧合器相似。在某些复杂手术的上、下灌注中易于管理。减少预充量是婴幼儿体外循环的关键。Dideco901膜肺将变温器移至支架上。Polaystan
mimi型膜肺设计将预充液减至110ml以下。Jostra膜肺进出口压差小，在做ECMO时只要患者心功能尚可，有一定的动脉压就不需要泵的驱动。这样大大简化了操作和管理。
5、 静脉内氧合器（Intravenous Oxygenator，IVOX）
IVOX装置是根据梯度驱动的原理：在气体交换时，由于膜两侧气体的分压不同，导致气体由压力高的一侧向压力低的一侧弥散。从外型上看，IVOX装置是细长的中空纤维式的膜式氧合器，其中空纤维是由多孔的聚丙烯制成；与中空纤维相对的另一侧为气体的进出口，两个口折叠连接与中空纤维的尾部；临床上首先在患者的右侧股静脉行静脉切开术，将IVOX装置置于上下腔静脉内，进气口与氧气连接；出气口连接于一个真空泵，这个泵可以通过可控制的低于大气压的压力将气体从中空纤维中引出。在材料和功能特点上IVOX装置与ECMO装置有类似之处，但是IVOX也有自己独特的地方：（1）最明显的特点就是IVOX不需要体外人工泵的辅助；（2）由于IVOX装置的中空纤维呈卷曲状，因此一旦其散开就会产生一定的阻挡血流的作用，使血液以一种非层流的方式进行流动。这种非层流的流动方式加上腔静脉系统中较低的静脉压和较慢的血流速度，这样在某种程度上最大限度的增加了血流与中空纤维接触的面积，也就是最大限度的增加了气体交换的面积。以上的两个特点还可以阻止游离的氧气进入循环；真空泵可以协助中空纤维中的气体排除，因为通气管路中的气体压力始终低于大气压力，中空纤维的任何干扰都不会使气体进入循环而是使血液进入纤维。整个中空纤维的表面都覆盖了一层极细的连续的硅氧烷胶片来防止血气直接接触或阻止血浆渗漏到中空纤维。为了防止产生血栓在整个装置的表面还涂抹了一层肝素，同时在一定程度上降低炎性反应。为了增加气体交换能力，在IUOX内装一气囊，通过气囊的扩张和吸瘪，使中空纤维周围的血液产生湍流，增大气血交换面积。
（二）灌注泵
1、 滚压泵
滚压泵目前在原理和结构上没有大的变化，但在附属装置上有很大的完善，如备用电池可使机器在断电时进行数小时的运转。一些新型体外循环机在盖子掀开时泵自动停止。以免异物进入泵槽，发生意外。另外一些泵还装有一些辅助装置，如气泡监测、液平面监测、压力监测等，它们可以和主泵相连接，事先设定报警限，超过这一范围就出现报警，主泵停止转动。一些泵为特殊灌注方法设计了特殊的转流方式，如搏动灌注（见有关章节），停跳液灌注（灌注量、转速、压力报警可预先设置），上、下身灌注时主、付泵灌注等。一般体外循环机备有四个泵头，也可将体外循环机备5－6个泵头。有的体外循环机还附有静脉回流控制设备，温度控制系统，计时系统等。随着计算机技术的普及，体外循环机辅助应用计算机日益增多，要求灌注师有良好的计算机知识，这样才能充分发挥其先进功能。体外循环机的计算机系统可帮助灌注师制定预充计划、自动记录灌注中的各参数，通过各种传感器监测灌注中各种指标，保证体外循环的安全实施。随着信息网络化日渐普及，体外循环的各种参数亦可通过网络进行资料储存和共享。
2、 离心泵
液体在一容器内的高速圆心运动，可产生强大的离心力，此时同心圆中部为负压，外周为高压。如果在腔的中心部位和外周部位各开一孔，液体就会因压差产主流动，当周边的压力高于腔外的阻力时，液体即可产主单方向运动。早期的泵头为涡流剪切力式，分层塔状锥体形设计。为了增加液体运动，减弱转速，减少产热，新型的离心泵头内设计有转子叶片，其中弯曲流线型转子叶片离心泵头的流体力学性能强。为了增加离心泵的活动性，其驱动部分用导线连接，使其进行远距离操作。泵头内采用肝素涂抹技术，改善其生物相容性，避免血栓。离心泵还可进行搏动灌注。这是靠微处理机控制电机在高速和低速交替运转而使血流形成脉冲。每个离心泵配有一个流量传感器。有电磁传感和超声多普勒两种类型。电磁流量传感器精确度高，干扰因素少，一次性使用。超声多普勒传感器不需要探头，可反复使用。当血液稀、用不同管道、有温度变化时，超声多普勒传感器测定的流量可有变异。
离心泵的特点表现为
①血液损伤小
血液进入高速旋转的离心泵内，自身能产生强大的动能向机体驱动。离心泵内表面光滑可减少血液进入其内产生的界面磨擦。离心泵可避免压力过高，这样使血液破坏轻微。
②压力缓冲大
离心泵可视无瓣膜开放泵。血液入高速旋转的泵腔内，产生离心力，当压力高于输出端的阻力，血液即输入体内。泵的转速越高，产生压力越大，泵输出量就越高；同时它们受输出端阻力的影响，如外周阻力高，流量会相应减少，这就是压力依赖性。如果泵输出端管道扭折闭合，管内压力上升而不易崩脱，因为离心泵是开放性的，管内高压难以形成。
③安全性高
旋转物体的质量和其产生的离心力成正比。离心泵周边是高压区，中心是负压区，如果有少量微气栓，也会由于比重轻而集中于中心部位难以泵出，当出现进入大量气体的意外时，因气体质量轻难以形成强大的离心力，防止大量气体泵入体内。
3、重力泵
滚压泵的闭合性对血液破坏较大。在出口管道阻塞时可使泵压急剧升高，直至泵管崩裂。如果在回流室液体排空时可泵入气体至体内。离心泵的开放性使其在转速不高时易发生血流倒流。为了克服两者缺点，人们设计了重力泵。它的基本原理和滚压泵相似，但泵管为硅胶皮囊，当回流室有一定液体，它可靠重力充满在泵槽中的囊袋泵管，而滚压轴对泵管外壁以固定方向进行滚动挤压，推动泵管内的液体向一定方向流动。如果回流室液面较低或无液体时，皮囊泵管为瘪平状，滚压轴虽仍进行滚压，但不可能使气体注入体内。另外，当压力很高或出口管道扭折时泵出口液体可使皮囊膨胀不造成泵管的崩裂。由于泵管的闭合性，它没有离心泵血液倒流的可能性。该泵的流量和泵速不呈绝对正比关系，其流量监测一般采用电磁法或超声法。该泵目前已在临床使用，不足之处主要表现体积较大，移动性能差。具体性能比较见表。
（三）肝素涂抹表面
体外循环（ECC）的异物表面作用可导致补体激活等一系列副作用。Marcum等发现，血管内皮具有肝素和分解血凝物质的酶类。在人造物质上移植有活性的肝素以达到抗凝作用，这就是肝素涂抹表面（HCS）技术。早期的HCS是利用氯化三（十二烷基）甲铵和肝素固定于高分子化合物表面。由于这种离子化合物不稳定，和血液接触易被冲走。特别和白蛋白这种离子亲和力强的物质接触涂抹的肝素易于脱落。为了增加涂抹肝素的稳定性，人们试图通过共价键和肝素的氨基、羧基或羟基结合。但由于这种结合破坏了肝素的功能基团而难以发挥作用。Baxter实验室成功地用氯化烷苯二甲胺和肝素以离子键结合成非水溶性化合物。这种HCS和血液接触后只有5%肝素脱落、其余牢固和人工物质结合而具有抗凝作用。Carmeda公司的技术人员发现，在肝素一端的粘多糖进行共价键结合,可将肝素牢固植入膜内，而另一端的功能基团具有抗凝活性，这类似于内皮细胞表面抗凝功能结构。HCS上的肝素和血液接触时，一端的功能基团立即和血液的AT-III结合，后者催化AT一III和凝血酶形成无活性的复合体。由于肝素另一揣牢固的植入在膜内，AT-III和凝血酶复合体随血流而去，进入体内可逆分解。而HCS上肝素继续和新接触血液产生作用。这样在没有全身肝素化时避免了血液凝集，同时防止了血液和高分子化合物接触。HCS膜上植入的肝素要大于1.0μg/cm2才具有很好的抗凝效果。HCS不会改变原有物质的特性。如氧合器膜气体交换功能、动脉滤器除栓子功能等，在120小时非肝素化转流中未见血栓。肝素涂抹的体外循环用品在体外循环手术中已得到广泛应用。其效果有争议，两方面意见各占50%。目前此项技术尚需降低成本，并应有进一步改善。
值得一提的是常规ECC使用肝素涂抹系统还需要全身肝素化。因为心脏手术组织损伤大，一些组织因子可通过外源性凝血系统激活凝血酶原，增加机体凝血状态。如果没有全身肝素化，虽然血液在肝素涂抹表面没有凝血，但不能保证机体血管内血液凝集。一些特殊情况如外伤、内脏严重出血、全身肝素化加重这种出血，可慎重考虑使用HCS而不用全身肝素化。Eivind对搭桥患者调查表明肝素涂抹系统使患者在ECC中的肝素用量减少，鱼精蛋白拮抗降低，可缓解补体的激活，乳铁蛋白和凝血酶原片段增加缓解。
（四）白细胞滤器
体外循环引起的并发症如低心输出量综合征和呼吸功能不全等和白细胞的激活有密切关系。体外循环将血液引至体外经氧合后注人体内，在此过程中血液与大量人工物质接触，加上气血直接接触、吸引等作用，使血液中的补体激活。激活的补体（C5a、C3b）作用于白细胞膜上特异性受体，使其产生一系列的反应。如白细胞脱颗粒释放各种生化物质，大量氧自由基产生，白细胞变形能力下降、沉积于肺血管中，导致正常组织细胞结构和功能的破坏，影响患者术后康复。Dewanjee等在猪体外循环模型中发现，ECC中激活的白细胞在肺、脾、骨骼肌组织嵌顿较多，其中以肺组织白细胞嵌顿的危险性最大。
人们试图滤除激活白细胞，从根本上简单地解决激活白细胞的副作用。这些方法包括离心法、冻消融法等，但上述方法效果有限。近来应用白细胞滤过器（LDF）成功地解决了这一问题。从结构上分为两类，一类为由醋酸纤维素膜紧密折叠的柱状滤器；一类为不同孔径（粗孔70～100μm，中孔15～70μm，微孔8～15μm）纤维板叠加而成板状滤器。白细胞滤器由聚脂纤维制成，和常规的乙酸酯滤器相比，它的生物相容性更高。白细胞在滤器中的吸附方式有直接和间接两种。直接吸附作用是指激活白细胞在流经滤器时，在钙离子、镁离子、补体、粘附蛋白的介导下，白细胞形态发生变化，并粘附在滤网上。间接吸附是白细胞在血?#8220;宓慕槿胂拢粘附在滤网上。在血液流经滤器时，凝血酶激活，血?#8220;逄堑鞍2b/3a受体增加、激活，并释放凝血物质，如血栓素、Willebrand因子等，进而吸附于滤网表面。这一表面对血?#8220;逵忻飨哉掣阶饔谩０紫赴，淋巴细胞是靠简单的机械滤过；单核细胞是靠机械滤过和直接吸附；而粒细胞则是靠简单机械滤过、直接吸附和血?#8220;褰榈嫉募浣游附的共同作用。
在心肺移植手术中，白细胞的激活和氧自由基产生被认为是损伤肺组织的主要因素。Bando等对12个离体缺血肺再灌注情况进行观察，应用氧自由基清除剂SOD组和LDF组具有良好的氧合功能、肺循环阻力较低、组织损伤轻微。Schueler的实验结果和上述相同。其中LDF组的肺水含量明显减少。Pillai等在牛的心肺移植中发现：非LDF组的2小时存活率仅为50%，而LDF组为100%。它们还发现：LDF组氧自由基产生明显减少，左房右房细胞差异小，体外循环90分钟后白细胞仍处于低水平状态，而对照组相反。病理检查发现肺内大量白细胞淤积、肺泡出血。
在大量的报道中，有些学者在实践中提出不同的观点。Hurst在换瓣患者中通过对CD18、IL-6、IL-8的初步观察，比较心指数、射血分数、血流动力学的变化、肺功能等未能发现使用白细胞滤器的明显优越性。Lust对50例患者进行观察，发现：患者在术后恢复无明显差异，虽然在白细胞滤器出口的白细胞明显下降，但对整体白细胞影响甚微。
“紫赴的激活是机体防御的一部分。心脏手术体外循环时，机体大面积暴露，感染机会增加，大量的白细胞滤除，对机体的抵御产生何种影响？术中白细胞减少何种程度为最佳？不同的患者，如老人、儿童有何差异？上述一系列问题都有待进一步探讨。
二、体外循环方法的进展
（一）血?#8220;宸掷爰际酰≒lateletpheresis）
在体外循环过程中，血?#8220;蹇删各种直接或间接的途径被激活，从而发生粘附、聚集、收缩、释放等反应，导致术后血?#8220;迨量和功能的消耗性下降，患者术后的凝血功能降低。因此，血?#8220;骞δ芎褪量的保护成为体外循环血液保护措施中最为重要的部分。有学者在围体外循环期使用血?#8220;逡种萍寥缫蛛拿浮氨甲苯酸等抑制血?#8220;骞δ埽使其在术后药物代谢后发挥凝血和止血功能。目前有学者力图使血?#8220;灞苊馓逋庋环的打击，在体外循环前利用血?#8220;宸掷爰际踅部分血?#8220;宕踊颊呷血中分离出来制成单采血?#8220;寤蚋谎?#8220;逖浆（Platelet-RichPlasma，PRP），在术后回输。其分离原理利用特制的密度梯度高速离心机、离心杯及血?#8220;逯存液，将患者自体血中的血?#8220;褰行分离并贮存。
目前，在心血管外科中应用较多者系所谓'术前急性血?#8220;宸掷爰际酰ˋcute Preoperative
Plateletpheresis，APP）'，即在体外循环肝素化之前实施血?#8220;宸掷耄待鱼精蛋白中和后回输给患者。Noon等在术前24小时对患者放血并分离血?#8220;搴脱浆，术后回输，从实验室和临床指标均证明这种术前分离性放血对患者术后止血有显著效果。Boldt等的研究证实APP可较好地保护富血?#8220;逖浆（PRP）中血?#8220;宓木奂功能；Menges等发现经过APP的患者在术后回输PRP（10ml/kg）后，血浆中组织型纤溶酶原激活物（t-PA）活性增加较少，各临床凝血参数在术后第一日早晨即恢复至术前水平，明显优于对照组。Davies等在术前利用流动离心式血细胞分离机，平均从4600ml的患者全血中收集了857mlPRP（血?#8220;遄芰3.5×1011，浓度约为40万/mm3），术后回输后发现纵膈引流液量及血制品需求量均显著少于对照组。Armellin等的大样本观察不仅发现行APP后的患者术后胸腔引流液量及血制品输注量明显少于对照组，还发现有51.4%的患者在围术期无需输入任何血制品，此比例亦显著高于对照组的34.5%。Menges等的观察发现接受APP的搭桥患者，在体外循环中纤溶系统的激活程度较小，术后各项凝血和纤溶指标的恢复均较对照组快，且所有患者均无围术期输血，而对照组则有25%的患者接受了红细胞。
在临床应用中，尚未发现APP有明显的副作用。仅Wickey等提出APP处理后肝素的首次剂量及转中的维持量均需加大，提示PRP有可能导致肝素抵抗，转中须严密监测抗凝。还有学者对APP的临床应用价值提出争议，如Hirose等的研究发现APP较传统的体外循环前放全血的方法有减少术后输血量的倾向，但无统计学差异；Tobe等发现肝素化前进行APP所收集的8~10ml/kgPRP可使患者在术后胸腔引流液量趋于减少但无明显差异，且围术期血制品输注量亦未见明显减少；Shinfeld等亦认为APP对术后止血的改善效果不如单纯应用大剂量抑肽酶（6,000,000KIU）。近年的研究对这些争议提出了较好的解释。Iguchi等通过大样本回顾性分析，指出APP对术后止血的改善效果决定于以下因素：患者术前情况、手术方式、体外循环时间和PRP分离量。Ferraris等以患者的术前出血时间将100例患者分为凝血高风险组和低风险组，发现在高风险组中，接受APP的患者术后胸腔引流液量和血制品输注量最少，接受体外循环前放全血的患者较多，对照组最多，而低风险组患者则无此差异，提示PRP对术前凝血功能异常的患者具有更为明显的血液保护效果。Christenson等将40例接受再次搭桥的患者随机分为APP组和对照组，发现APP组患
