體外循環(huán)的設(shè)備和原理

1、第二章體外循環(huán)的設(shè)備和原理:;要點(diǎn)：體外循環(huán)是由滾壓泵（人工心臟）、氧合器（人工肺）、儲(chǔ)血裝置和管道組成，盡管傳；*統(tǒng)的儲(chǔ)血裝置在逐漸消失。附加的裝置還有熱交換器、心肌保護(hù)裝置、氣體和微栓濾器。還有用于回收術(shù)野血液.以及用于心臟排氣作用的左右心吸引。:;目前使用的膜式氧合器是集儲(chǔ)血和熱交換為一體的，使用安全簡(jiǎn)單有效。:;與滾壓泵相比，離心泵的血液破壞小而且安裝簡(jiǎn)便，但其費(fèi)用高一些。它可以縮短病：:人ICU的帶管時(shí)間以及總的住院時(shí)間。；大量的經(jīng)驗(yàn)表明在體外循環(huán)期間使用肝素涂層的耗材可增加生物相容性，減少病人的/全身炎性反應(yīng)。/.Z.Z/Z/Z./.Z.Z/Z./.z.Z/Z././.z/././

2、.ZZ./././.Z/.Z./.Z/././.Z/././.Z/./././.Z/.Z.Z/./.Z/.Z/./.Z/./.Z/.Z-一、體外循環(huán)的歷史最初的人工循環(huán)是1812年LeGallois從兔頸動(dòng)脈灌注兔腦。自1848年到1853年BrownSequard發(fā)現(xiàn)將黑的靜脈血暴露于空氣中并震蕩可以變成紅色的動(dòng)脈血，于是進(jìn)一步用它來(lái)灌注獨(dú)立的大腦標(biāo)本。最早的鼓泡式氧合器就是Shroder在1882年同樣利用空氣與血液混合的原理來(lái)制作的。而兩年以后VonFrey和Gruber則發(fā)明了膜式氧合器，它避免了空氣和血液在氣泡的表面相接觸。1900年，Howell和他的同事們發(fā)現(xiàn)了肝素可以抗凝的特性

3、，于是體外循環(huán)過(guò)程中就沒(méi)有了凝血的風(fēng)險(xiǎn)。最早在臨床上應(yīng)用體外循環(huán)是在1953年由Massachusetts!院的JohnGibbon醫(yī)生進(jìn)行的， 他們成功的修補(bǔ)了一例房間隔缺損的女性病人。1955年明尼蘇達(dá)大學(xué)的CWaltonLillehei醫(yī)生和其他人在經(jīng)歷了多次失敗后仍然堅(jiān)持發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備。鼓泡式氧合器最早是在1956年被Rygg引入商業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)這些年的改進(jìn)和發(fā)展早已不像最早的設(shè)備了，他們可以用完就扔掉了。整個(gè)氧合器的發(fā)展簡(jiǎn)史見(jiàn)表2.1。表2.1氧合器的歷史非膜式氧合器1937Gibbon肺濾過(guò)氧合1951Dennis/Bjork旋轉(zhuǎn)屏或碟式氧合器1955Lillehei/Dewa

4、ll最早的鼓泡式氧合器1956Kay/Cross將屏式氧合器的預(yù)沖降低到4000ml1956Pygg/Kyvsgaard最早塑料的氧合器1962Cooley/Beall最早商業(yè)化的鼓泡1966Dewall/Najafe/Roden最早帶熱交換的鼓泡氧合器膜式氧合器1955Kolff/Balzfer采用動(dòng)物膜的膜式氧合器1956Kolff卷筒膜式氧合器1958Clowes最早使用特富龍1968Lande甲基聚酯折疊式氧合器1969Pierce碳聚苜體作為主要材料1969PiercePierce-GE1971Kolobow硅樹脂聚合物的氧合器1972Eiseman/Spencer延展了特富龍的氧合

5、器1975TravenolLabs以聚丙烯為材料1985J&JCardiopulmonary最早的中空纖維氧合器二、鼓泡式氧合器鼓泡式氧合器是最早被應(yīng)用于商業(yè)的，使用時(shí)間超過(guò)了46年。鼓泡式氧合器是集氧合室、變溫室、動(dòng)脈儲(chǔ)血室和濾器為一體的氧合器。它的原理是靜脈血和氧氣都通過(guò)一個(gè)多孔的圓盤變成各種大小不等的泡沫，氧氣通過(guò)泡沫的表面進(jìn)入血液而二氧化碳則從血液中分離出來(lái)，于是靜脈血液就變成動(dòng)脈血。血液再通過(guò)涂有硅酮的祛泡裝置后進(jìn)入病人體內(nèi)。多數(shù)鼓泡式氧合器的變溫裝置都包含在發(fā)泡室內(nèi)。早期Bentley的變溫裝置就在動(dòng)脈儲(chǔ)血器內(nèi)。鼓泡式氧合器簡(jiǎn)單好用但是在臨床上發(fā)泡和祛泡過(guò)程卻導(dǎo)致明顯的血液

6、破壞，幾個(gè)小時(shí)后會(huì)變得更加明顯。鼓泡式氧合器也使微氣栓和大氣栓的風(fēng)險(xiǎn)更高：如祛泡不完全、不小心的儲(chǔ)血室打空致大量的空氣通過(guò)滾壓泵進(jìn)入病人體內(nèi)。而且將空氣和血液混合也認(rèn)為是不安全的（因?yàn)榈獨(dú)鈳缀醪荒苋苡谒?。 當(dāng)然也需要一些二氧化碳混合在空氣中， 否則PCO2就會(huì)很低。 基于以上幾種原因，如今鼓泡式氧合器逐漸退出了市場(chǎng)。而目前膜式氧合器占據(jù)了大部分市場(chǎng)。三、膜式氧合器各種各樣的膜式氧合器設(shè)備在上世紀(jì)五十年代中期就被廣泛應(yīng)用，但是直到19年前才解決降低預(yù)充量的問(wèn)題，因簡(jiǎn)單易行的使用才形成廣泛的商業(yè)化。膜式氧合器是通過(guò)半透膜來(lái)實(shí)現(xiàn)血中的換氣過(guò)程的，半透膜是由聚丙烯或硅膠制成，避免了血液與氣體的直接

7、接觸，這與氣血直接接觸的鼓泡式不同。氣體交換是依據(jù)膜兩側(cè)氣和血中溶解壓差的不同來(lái)進(jìn)行，所以膜式氧合器的交換過(guò)程比鼓泡式氧合器的交換過(guò)程更接近于生理過(guò)程。 沒(méi)有了發(fā)泡和祛泡過(guò)程， 只依靠PO2和PCO2所以更安全。大部分用于商業(yè)的膜式氧合器都是由硅膠或微孔的聚丙烯材料制成的，最著名的范例是由Medtronic/Kolobow設(shè)計(jì)的，它有一個(gè)狹長(zhǎng)的硅膠制成的空隙，其空隙及支持物呈螺旋式排列，分別走血及氣體。它有不同的大小適合不同的病人（如圖2.1）。從新生兒到成人都可以用。具有良好的生物相容性，較小的血液破壞性以及可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行輔助等特點(diǎn)。在常規(guī)使用中， 由于微孔的聚丙烯膜式氧合器的低預(yù)充量及簡(jiǎn)單使

8、用等特點(diǎn)而變得普通。 在它的設(shè)計(jì)中，由于中空孔微小，只能通過(guò)氣體而不能通過(guò)紅細(xì)胞，這種材料可以被制造成片狀或微纖維”的管狀。微纖維被排列成氣和血相聯(lián)系的形狀，外走血，內(nèi)走氣。盡管有些其他的設(shè)計(jì)可能將它們顛倒過(guò)來(lái)，但還是這種方式最普通、最接近生理，對(duì)血液的破壞性最小?，F(xiàn)代膜式氧合器是在血液完全氧合之前變溫。MedtronicAFFINITY就是一個(gè)例子，可用于開放式心臟手術(shù)或閉式心臟手術(shù)。四、體外循環(huán)的組成由氧合器和循環(huán)管道所組成的體外循環(huán)各種設(shè)備暫時(shí)的代替了心和肺的功能， 主要組成部分由泵（人工心臟）、氧合器（人工肺）、靜脈和儲(chǔ)血室、變溫室（通常與氧合器集合于一體）、心肌保護(hù)裝置、氣泡和微栓過(guò)

9、濾器、以及連接這些裝置的管道，其他的循環(huán)部分還有左右心吸引，它由滾壓泵或負(fù)壓提供吸引，主要是防止左室擴(kuò)張或清除術(shù)野中的血液。1、泵在體外循環(huán)中氧合器替代了肺的作用， 而泵則替代了心臟的功能。 它的主要功能就是提供足夠的氧合血進(jìn)入病人的循環(huán)中。人工泵的主要技術(shù)參數(shù)如下：流量范圍廣（最高可達(dá)7L/min）、低溶血、最低的渦流和停滯血流、使用簡(jiǎn)單安全、費(fèi)用低。近年來(lái)無(wú)數(shù)動(dòng)脈泵的設(shè)計(jì)被應(yīng)用于體外循環(huán)。但目前僅僅只有兩種泵被廣泛的應(yīng)用于臨床中，一種是滾壓泵，另一種是離心泵。1.1滾壓泵：滾壓泵（圖2.4）是由一個(gè)半圓形的槽，里面有一個(gè)轉(zhuǎn)子，連接兩個(gè)呈180排列的相同的滾抽組成。動(dòng)脈管道被安裝在槽和轉(zhuǎn)子之

10、間。其中一個(gè)滾軸離開泵槽之時(shí)另一個(gè)滾軸進(jìn)入泵槽。血流是不間斷向同一個(gè)方向的。為了使不可避免的紅細(xì)胞損傷降至最低，泵頭可以調(diào)節(jié)松緊（使用3/8英寸的管道時(shí)1米高的水柱每分鐘下降1cm）。流量依據(jù)泵頭每分鐘的轉(zhuǎn)速計(jì)算。滾壓泵簡(jiǎn)單便宜，使用方便，是一種不可替代的泵。它可以限制反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的真空，導(dǎo)致管道內(nèi)產(chǎn)生氣泡。滾壓泵對(duì)空氣的滾壓作用與血液是一樣的。例如不小心將儲(chǔ)血室打空將會(huì)造成大量空氣進(jìn)入病人體內(nèi)。許多設(shè)備和技術(shù)都試圖減少這種情況的發(fā)生，如儲(chǔ)血室平面探頭，空氣探頭及氧合器和動(dòng)脈濾器的設(shè)計(jì)。1.2離心泵：離心泵實(shí)際上是一個(gè)渦流旋轉(zhuǎn)的泵。通過(guò)高速自轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)渦流（Medtronic公司的泵是由

11、一個(gè)葉片組成的），低壓的區(qū)域產(chǎn)生離心，高壓的區(qū)域在外側(cè)。血液通過(guò)渦流向軸的方向順著壓力沿切線排出。這種葉片式的離心泵能量是通過(guò)雙葉片的構(gòu)造傳遞的，這種方式是十分有效的，但是在葉片的邊緣會(huì)產(chǎn)生渦流。MedtronicBio-Pump的設(shè)計(jì)（如圖2.5a和b）其能量是嚴(yán)格根據(jù)血液內(nèi)在的粘滯性來(lái)決定的。離心泵內(nèi)在的安全特點(diǎn)是當(dāng)其混入大量氣體后，它將無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，氣體進(jìn)入離心泵后泵將無(wú)法依靠其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力來(lái)對(duì)抗循環(huán)的阻力。渦輪式的離心泵是沒(méi)有正反的，它與真正的心臟一樣，其流量的大小與前后負(fù)荷相關(guān)。離心泵需要連續(xù)監(jiān)測(cè)流量，例如Medtronic公司設(shè)計(jì)的電磁感應(yīng)，其它的探測(cè)設(shè)備也有如超聲探測(cè)流量等。當(dāng)需要

12、精確調(diào)節(jié)泵速來(lái)控制流量時(shí)流量探測(cè)設(shè)備就起會(huì)發(fā)揮作用。離心泵非常實(shí)用，這種泵是全密閉式的，經(jīng)久耐用，并且操作簡(jiǎn)單，比滾壓泵對(duì)血液破壞小。盡管它的費(fèi)用比滾壓泵高，但是病人術(shù)后在ICU的帶管時(shí)間要短以及整個(gè)住院時(shí)間也短許多。2、靜脈儲(chǔ)血室靜脈儲(chǔ)血室的主要作用是收集病人從靜脈系統(tǒng)回流的血液，去除氣泡以及病人靜脈血中的微小顆粒物。它分為硬質(zhì)儲(chǔ)血室和袋式儲(chǔ)血室。硬質(zhì)儲(chǔ)血室：它是由一個(gè)透明的塑料容器組成，通大氣，可以過(guò)濾靜脈血中的氣泡和比較粗大的雜質(zhì)（100-200常用的儲(chǔ)血室可容納的血量范圍從1L到4.5L（如圖2.6）。袋式儲(chǔ)血室：袋式儲(chǔ)血室是一種帶有100-200仙過(guò)濾功能的PVC材料?？扇菁{血量20

13、0ml至ij3.0L（如圖2.7）。硬質(zhì)儲(chǔ)血室使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單，方便混合血液，適合于體外循環(huán)，它可以很輕松的處理靜脈血的空氣。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造就可以變成利用真空負(fù)壓引流的系統(tǒng)。它們的弊端就是可能會(huì)打空，如果是采用滾壓泵的話就會(huì)將空氣打入到病人體內(nèi)， 如果同時(shí)使用靜脈儲(chǔ)血平面探頭或空氣探頭就可能自動(dòng)阻止此類事件發(fā)生。袋式儲(chǔ)血室使用起來(lái)要稍麻煩一些。 如果靜脈血中含有空氣則必須及時(shí)的從袋中抽吸出來(lái)， 而且它需要另一個(gè)硬質(zhì)儲(chǔ)血室來(lái)盛裝從心臟術(shù)野和左室收集的血液。 許多臨床工作者認(rèn)為袋式儲(chǔ)血室更安全， 因?yàn)楫?dāng)它空的時(shí)候就塌下來(lái)， 可以防止大量氣體被打入動(dòng)脈管道內(nèi)， 所以袋式儲(chǔ)血室更好，它消除了氣血平面帶來(lái)

14、的危險(xiǎn)。3、血液回收器心臟術(shù)野的血液通常吸引到一個(gè)心內(nèi)儲(chǔ)血容器內(nèi)。這個(gè)容器可以濾過(guò)大量的固體和氣體微栓。它是由聚碳酸酯做成的，收集到的血液可通過(guò)去泡層和一個(gè)20N到40仙的微栓濾過(guò)層（如圖2.8）。另一部分觀點(diǎn)認(rèn)為吸引的血液應(yīng)該通過(guò)洗血球機(jī)洗滌。 洗血后可將紅細(xì)胞與激活的血小板、 白細(xì)胞和血漿分離，再回輸?shù)讲∪梭w內(nèi)。4、變溫器在體外循環(huán)期間，為了提高心肌保護(hù)的質(zhì)量，要對(duì)病人進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)，而且這樣的體溫變化也可以適應(yīng)不同類型手術(shù)的要求。 通過(guò)變溫器可以對(duì)病人進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)， 這個(gè)變溫器由兩套系統(tǒng)組成，一套系統(tǒng)是血液，另一套是水。這兩套系統(tǒng)由特殊材料隔開，但這種材料可進(jìn)行熱傳導(dǎo)。這種材料可以是塑料、

15、鋁或者鋼材。所有的這些材料都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。鋁是迄今為止最好的熱交換材料，但是鋁的生物相容性很差； 塑料價(jià)格相對(duì)較低， 但是要求相對(duì)更大的熱交換面積并且熱交換功能差；而鋼材是最近最為常用的材料，因?yàn)殇摬木哂泻芎玫臒峤粨Q效能，而且易于安裝，具有很好的生物相容性。通過(guò)水溫的改變來(lái)調(diào)節(jié)血液的溫度， 根據(jù)臨床上的具體需要來(lái)加熱或降溫。 為了進(jìn)一步提高能效，水的走行方向與血液的走行方向是相對(duì)的，最大可能改變溫度。熱交換器的效率評(píng)價(jià)公式如下：熱交換因子=Tbo-Tbi/Twi-Tbi在理論上熱交換因子為1.0。但大多數(shù)系統(tǒng)的熱交換因子都在0.4-0.5之間變動(dòng)。不管怎樣，熱交換因子受流量的影響最多。當(dāng)心臟

16、灌注流量低于1L/min時(shí)熱交換因子可達(dá)到0.9。5、管道大多數(shù)研究都聚焦于體外循環(huán)的主要組成部分，但管道也是其中一部分。管道由許多種材料做成，分為不同的尺寸和硬度，在體外循環(huán)中由病人的靜脈出來(lái)通過(guò)各種接頭再進(jìn)入病人的動(dòng)脈系統(tǒng)中（如圖2.10）。早年橡膠管道由于彈性良好而被使用于體外循環(huán)的滾壓泵中。而現(xiàn)在已由硅膠管道所代替。但最早的硅膠管道在滾壓泵中容易裂開。聚氯乙烯或PVC是現(xiàn)在大多數(shù)體外循環(huán)管道的選擇，它的優(yōu)點(diǎn)是耐用、不易裂開、可以變化尺寸以及硬度，具有良好的生物相容性和透明度。6、心肌保護(hù)裝置目前，大部分需要體外循環(huán)的心臟手術(shù)都要將心臟與體外循環(huán)分開，所以需要阻斷主動(dòng)脈，這是一個(gè)心肌缺血

17、的過(guò)程。許多臨床工作者主要采用心肌間斷灌注的方法，阻斷之后再用氧合血灌注心肌?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多心臟停跳液出現(xiàn)，當(dāng)阻斷主動(dòng)脈后采用KCL來(lái)使心臟停跳于舒張期，給外科醫(yī)生提供一個(gè)靜止的心臟便于手術(shù)操作。 一些緩沖液加入到灌注液中， 為心肌創(chuàng)造一個(gè)堿性環(huán)境，就像甘露醇一樣，用來(lái)防止心肌水月中。近年來(lái)，常常將氧合血與心肌保護(hù)液混合在一起，以滿足心肌代謝，也提供了正常的血漿來(lái)防止缺血性酸中毒；一些代謝底物如天門冬氨酸和谷氨酸液可用來(lái)維持細(xì)胞代謝；心肌保護(hù)液可使用溫的，也可使用冷的?？蓮闹鲃?dòng)脈根部順行灌注，也可以從冠狀靜脈竇逆行灌注。心肌保護(hù)的方式和成分都可不受限制，其最主要的目標(biāo)就是起到心肌保護(hù)的作用。如

18、Medtronic公司的MYO心肌保護(hù)系統(tǒng)，它是將熱交換器、氣泡捕捉裝置和心肌灌注的管道集中于一體的。五、生物相容性1、表面肝素涂層血液在體內(nèi)時(shí)接觸的是血管內(nèi)皮，而在體外循環(huán)期間接觸的是大面積的人工血管以及空氣。人工管道表面缺乏抑制和平衡被激活的血液的物質(zhì)。 與人工管道表面接觸會(huì)觸發(fā)人體防御機(jī)制的多種生物學(xué)反應(yīng)，包括凝血、纖溶、補(bǔ)體、激肽等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能導(dǎo)致血小板和白細(xì)胞的激活以及紅細(xì)胞的損傷。它們也造成其它一些相關(guān)的反應(yīng)如使血細(xì)胞釋放有害的酶、過(guò)敏反應(yīng)、氧自由基的產(chǎn)生和內(nèi)毒素的產(chǎn)生。這些反應(yīng)不僅同時(shí)發(fā)生而且相互影響，最終這些生物學(xué)反應(yīng)可能影響心、肺、腦和其他器官，產(chǎn)生所謂的系統(tǒng)炎癥反應(yīng)”

19、，灌注后綜合癥”或全身炎癥反應(yīng)健康的血管內(nèi)皮是最合適的生物相容性表面。血管內(nèi)皮的復(fù)合凝血機(jī)制維持血液不產(chǎn)生血栓。這個(gè)系統(tǒng)維持血管的完整，刺激纖維系統(tǒng)產(chǎn)生纖維蛋白和斑塊，攻擊外來(lái)物質(zhì)，激活免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生其他物質(zhì)來(lái)維持或平衡這些系統(tǒng)。內(nèi)皮通過(guò)綜合作用分泌肝素硫酸鹽來(lái)抑制凝血。肝素硫酸鹽激活抗纖維蛋白來(lái)催化纖維蛋白抑制物和Xa因子。體外循環(huán)肝素涂層的表面是模擬健康的血管內(nèi)皮的特性， 而達(dá)到抑制凝血的目的和表現(xiàn)其生物相容性。 它模仿血管內(nèi)皮產(chǎn)生的肝素硫酸鹽抑制凝血和阻止凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)的多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)， 如抑制Xa和XIIa因子的激活，隔離血液和人工管道的表面，抑制蛋白和細(xì)胞損傷（如圖2.12）。許多臨床經(jīng)驗(yàn)

20、以及科研結(jié)論都認(rèn)為肝素涂層能減輕人體的防御反應(yīng)， 抑制凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng) （如圖2.13）。因此，血管外科醫(yī)師和灌注師們都已經(jīng)接受了肝素涂層的管道作為常規(guī)減輕體外循環(huán)副作用的一部分了。CarmedaBioActive（如圖2.14）和Trillium生物涂層表面都是將肝素涂于管道表面。但它們的特點(diǎn)與其他的肝素類似物有如下不同：與肝素共價(jià)鍵結(jié)合、親水性、負(fù)電荷、完全覆蓋其內(nèi)表面。CarmedaBioActive表面的涂層是與肝素共價(jià)結(jié)合的，為血漿提供一個(gè)穩(wěn)定的生物活性表面。肝素共價(jià)形成一種多糖，結(jié)合于管道表面，余下的具有生物學(xué)活性位點(diǎn)的分子則參與生物學(xué)反應(yīng)，類似于肝素硫酸鹽部分則黏附于自然的血管內(nèi)皮表

21、面一樣。與肝素結(jié)合的共價(jià)鍵相當(dāng)穩(wěn)定，所以肝素不會(huì)脫離表面而進(jìn)入循環(huán)，而是在管道內(nèi)表面抑制凝血，發(fā)揮其生物相容性的作用。據(jù)研究CarmedaBioActive涂層完全覆蓋管道（MedtronicInc.,2000）,這就保證了血液與人工材料無(wú)接觸。CarmedaBioActive是被最廣泛的研究的一種體外循環(huán)管道。臨床醫(yī)師及其他科學(xué)工作者已有大量相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。Trillium是Medtronic公司的另一種肝素涂層的表面，它通過(guò)三種途徑模擬內(nèi)皮的功能：.與管道內(nèi)表面共價(jià)結(jié)合的肝素與內(nèi)皮產(chǎn)生的肝素硫酸鹽一樣可產(chǎn)生自然抗凝的作用。.由于是硫酸鹽或磺酸鹽帶有大量的負(fù)電荷，所以它像血管內(nèi)皮一樣可以排斥帶負(fù)電荷的血小板。.聚環(huán)氧乙烷有非常強(qiáng)的親水性。 它可以形成一層穩(wěn)定的水層來(lái)供細(xì)胞的附著和蛋白的沉積。研究者證明具有抗凝活性的肝素類似物是帶有負(fù)電荷的磺酸鹽的聚合物?；撬猁}的聚合物與磺酸鹽肝素相似可加快抑制凝血(Silveretal.,1992；Hanetal.,1995;charefetal.,1996)o磺酸鹽聚合物的復(fù)合物與纖維蛋白單體相互作用,阻止纖維原變成纖維后形成血栓(Silveretal.,1992)磺酸鹽聚合物可以破壞纖維蛋白原而不能參與附著于蛋白， 所以破壞血栓形成(Santerreetal.,1992。同時(shí)負(fù)電荷的磺酸鹽聚合物也排斥帶負(fù)電荷的血小板