体外膜氧合器ECMO工作原理

体外膜氧合器ECMO工作原理体外膜氧合器（extracorporealmembraneoxygenerator，ECMO）相较于传统的体外循环辅助手段有维持时间长、仅需低强度抗凝等优点，而且可同时进行呼吸、循环功能支持。目前主要用于严重心肺功能衰竭而传统治疗方法无效的危重症患者。虽然早期的临床研究显示ECMO使用并未取得显著疗效，但是随着氧合器装置、抗凝策略等各项技术的不断发展和临床经验的积累，ECMO的使用范围不断扩展，临床疗效不断提高，从而更加广泛地用于临床危重症急救，具有良好的发展前景。但是对于这一新兴的辅助装置，尚缺乏充足的临床经验，同时也存在较多严重并发症，所以对于ECMO临床应用需慎重抉择。在未来的临床工作研究中，需更多大型临床研究进一步明确ECMO的最佳适应症以及相关并发症的预防和治疗策略。同时，为保证ECMO顺利有效的运行，组建一支优秀的ECMO团队是关键。壹ECMO功能01ECMO功能及发展史ECMO又称体外维生系统，最早于1972年开始应用临床，现在已成为重症心肺疾患患者一种有效的治疗手段。其原理为通过插管引流患者的静脉血至体外，经气体交换后，再通过动脉或静脉将氧合血送回患者体内，应用体外循环技术，对因心脏和肺病变或创伤导致呼吸或循环衰竭的患者进行有效支持，使心肺得以充分休息，为心功能和肺功能的恢复赢得宝贵的时间。它与传统的体外循环有相似之处，但仍有很大的不同。ECMO作为体外生命支持系统的一种形式，以体外循环系统为基础，但明显优于传统体外循环技术，不仅具有循环功能支持作用，同时对呼吸衰竭患者进行呼吸功能支持，可迅速改善失代偿期心肺功能衰竭患者的低氧血症和循环衰竭状态。ECMO的构想从第一例体外循环出现时就已产生，但始终突破不了维持数小时的时间限制。ECMO实际上是心肺转流技术的扩展和延长应用，初期的心肺转流使用鼓泡式氧合器，具有操作简便、快捷、费用低廉等优点，但其缺点在于运作时血液与空气需直接接触，容易造成血小板、红细胞、凝血系统及血浆蛋白等重要血液成分的破坏，甚至发生严重并发症。使用时间超过数小时，即可能发生血小板减少、溶血、凝血功能障碍、血浆蛋白变性等，这也是早期心肺转流不能长时间维持的重要原因。20世纪60年代，膜式氧合器的出现及抗凝策略技术的不断完善，使心肺转流技术的长时使用成为可能。膜式氧合器将血液与气体以半透膜相分开，保护了红细胞、血小板、凝血因子、血浆蛋白等重要血液成分，使ECMO能较长时间安全有效地运行。20世纪60年代后期，在大量实验研究的基础上，临床上开始试用长时间体外心肺辅助支持。1972年，Hill等报道了ECMO在1例成人外伤后发生ARDS患者成功维持75h。1979年发表的首个关于ECMO临床应用的随机对照研究将90例重症ARDS患者随机分为传统通气组和ECMO治疗组，结果组间病死率无明显差异。15年后，第二个关于ECMO用于治疗重症ARDS的随机对照研究也未得出有意义的阳性结果。这使ECMO的发展进入沉寂阶段。分析上述两个研究结果的原因可能与当时对疾病认识不足、病例适应证和禁忌证掌握不恰当、通气策略选用不当、部分参与单位使用ECMO经验不足及ECMO相关设备、技术不成熟等诸多因素有关。直到1996年，英国一项研究肯定了ECMO用于新生儿呼吸衰竭的优势，促进了ECMO的发展，越来越多地用于临床危重症急救。02ECMO的结构与组成ECMO设备主要由控制台、驱动泵、气体交换装置、热交换器及一些监测传感器等部件构成。ECMO治疗机制示意图1．驱动泵驱动泵为整个循环管路提供动力。现阶段有两种驱动泵应用于ECMO治疗，即离心泵和滚压泵。离心泵包括一个圆锥体和磁铁底盘。后者在以设定的频率旋转时，会产生涡流效应，在泵头形成负压，这个压力会驱动血流进入泵内，并由涡流的上部引出。由此可见，引出的血流主要受泵前血容量、泵后阻力、泵头大小及泵的转速的影响。它的主要优点是不会产生过强的负压，也就不会有严重的气泡形成。而其缺点就有血流量不稳定，当血流减少时会加重溶血等。滚压泵原理同CPB滚压泵，即通过挤压管道产生压力（泵前负压吸引血液入泵，泵后正压驱动血液入患者体内）驱动管道内血液流动。血流量受管道直径、泵滚轴的阻断压力、泵转速和血量的影响。其优点是可以提供稳定的血流，缺点主要是易引起压力的持续变化，容易产生气体。2．气体交换装置气体交换装置不仅包括通常我们所讲的“氧合器”的氧合功能，还有排出CO2、调节体温等功能，在ECMO中起到了“人工肺”的作用，进行气体的氧合。现阶段有两种氧合器，即硅胶膜氧合器（siliconeoxygenator）和中空纤维氧合器（hollowfiberoxygenator，HFO）。硅胶膜氧合器，是由表面覆盖很薄硅胶膜的聚碳酸酯核心置于硅胶套筒内组成的。气体和血液从硅胶筒的不同侧进入氧合器最大化进行气体交换来工作。优点是使用时间较长，溶血较少；缺点是预充时间较长较麻烦，不能应用肝素涂层。中空纤维氧合器，现在主要有两大类，即聚丙烯含微孔型材质和新一代的聚甲基戊烯plasmatight与diffusiontype无孔型氧合器。优点是预充方便，可应用肝素涂层，更容易控制出血，但泵内容易出现血栓。3．热交换器热交换器是由聚碳酸酯外壳包裹不锈钢管构成的，血液在钢管内流动，管外通过加热水温为管内血液加热。它不仅能为血液调节温度，还能析出血液中气泡。在实施ECMO时，由于血液流经体外管道等，大量的热量会随之散发。为保证患者体温的相对恒定，热交换器就显得尤为必要。一般设定加热水温为37~40℃之间，最高不超过42℃，否则温度过高易形成气泡。4．桥桥是ECMO输出管与输入管之间的一段管道，在正常进行体外循环治疗时，需将其夹闭；在拟停机等各种需要脱离管道的情况下，需将其打开，保持管路的畅通，保证此时血液的正常运行，避免血栓的形成，防止脱离管道失败。5．监测装置监测装置能持续监测患者生命体征、血流量、pH值、氧饱和度、CO2分压、活化凝血时间（activatedclottingtime，ACT）等，通过对这些数值的监测可以尽快的发现治疗中出现的不良事件，如氧合器损坏、管道脱离、患者内环境的稳态遭破坏等。6．插管、管道及接头作为血液物理回路和各部分的连接装置。03ECMO的工作模式1．V-VECMO模式静脉血由腔静脉引流血液（经股静脉或右侧颈内静脉插管），血液经膜肺进行气体交换后再泵回静脉系统（经股静脉或颈内静脉插管）；也可用一根双腔插管插入颈内静脉实现。V-VECMO可以进行部分或全部肺功能支持，可用于呼吸衰竭患者。2．V-AECMO模式静脉血由右心房（经股静脉或右侧颈内静脉插管）引流血液，泵入膜肺进行气体交换（氧合和排除CO2）后，经外周动脉（经股动脉或锁骨下动脉）泵入动脉系统，或开胸时直接由主动脉插管泵入。V-AECMO是一个密闭的环路，可以进行部分甚至全部心肺功能支持，这一点与体外循环存在本质区别，而且与一般体外循环系统相比，前者仅需相对较低强度的抗凝，不仅可用于循环衰竭患者，还可以用于呼吸衰竭患者的支持治疗。3．AV-ECMO模式即无泵的二氧化碳清除模式，需要患者循环相对稳定，可以耐受大量动静脉分流，AV-ECMO模式不适合进行完全呼吸功能支持。但通过AV-ECMO途径，依靠动静脉间的压力使血流经过膜肺，可实现二氧化碳的清除，降低机械辅助通气的需要。静脉-静脉体外二氧化碳清除系统是采用静脉置管连接低速泵驱动的体外氧合器，不存在动静脉分流，避免血流动力学的影响和动脉置管导致的下肢缺血。体外CO2清除是一种安全、有效、可操作性较强的体外肺辅助技术，能有效降低体内CO2水平，辅助降低呼吸机参数，避免呼吸机相关肺损伤的发生。但目前仍需大规模的临床随机对照研究，来进一步证实体外CO2清除系统在肺保护实施和临床转归等方面的优势。贰ECMO临床应用随着医疗技术的不断发展，对许多疾病的诊治水平不断提高，许多患者的生存率明显改善，但安全、有效、长时间的生命支持依然是严峻的挑战。ECMO作为体外生命支持系统的新技术，可以对呼吸、循环衰竭的危重症患者同时进行有效的心肺功能支持，为自身心肺功能的恢复及其原发病的治疗赢得时机，是目前循环、呼吸衰竭有效而特殊的辅助手段。其中VA-ECMO主要用于循环衰竭、心搏骤停及心脏外科手术后循环衰竭的辅助支持，同时也可用于呼吸衰竭患者；V-VECMO早期主要用于儿科呼吸衰竭，并取得了显著疗效，其后越来越多地用于成人急性肺损伤、急性呼吸窘迫综合征、急性呼吸衰竭及肺移植手术。近年的研究报道表明，在终末期心力衰竭、感染性休克或脓毒症等方面也获得了一定成效。01心脏适应证急性心衰，无法以药物或主动脉内球囊反搏维持足够的循环时，可考虑使用ECMO。1．心脏手术后心源性休克多由再灌注损伤引起的心肌顿抑所致。若无其他心脏结构异常或心肌梗死，单纯的心肌顿抑尽管暂时功能很差，都能在4~6天内恢复。2．急性心肌炎多为暂时性，是应用ECMO的良好指征。3．急性心肌梗死后心源性休克可在ECMO辅助下行内科支架（PTCA）或外科搭桥（CABG）。4．心肌病可在ECMO辅助下过渡到安装心室辅助装置或心脏移植。5．急性肺栓塞引起的右心衰可先用ECMO稳定患者，再给予溶栓药，或手术去除肺动脉内的血栓。02肺适应证急性呼吸衰竭，无法以传统呼吸器，甚至高频呼吸器维持时，可考虑用ECMO取代肺脏功能，维持足够的换气，并降低呼吸器设定，减少过高的呼吸器设定直接对肺的损伤。1．新生儿肺部疾病①吸入性胎粪肺炎症候群；②透明膜病；③先天性膈疝；④新生儿顽固性肺高压。2．急性呼吸窘迫综合征。03其他应用1．肺移植。2．某些神经外科手术，如基底动脉瘤手术等，需要应用体外循环时，