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：體外循環(huán)是由滾壓泵（人工心臟）、氧合器（人工肺）、儲血裝置和管道組成，盡管傳；*統(tǒng)的儲血裝置在逐漸消失。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血和熱交換為一體的，使用安全簡單有效。:;與滾壓泵相比，離心泵的血液破壞小而且安裝簡便，但其費用高一些。它可以縮短?。?人ICU的帶管時間以及總的住院時間。；大量的經(jīng)驗表明在體外循環(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脈血，于是進(jìn)一步用它來灌注獨立的大腦標(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)過程中就沒有了凝血的風(fēng)險。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持發(fā)展這項技術(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。整個氧合器的發(fā)展簡史見表2.1。表2.1氧合器的歷史非膜式氧合器1937Gibbon肺濾過氧合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，使用時間超過了46年。鼓泡式氧合器是集氧合室、變溫室、動脈儲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一個多孔的圓盤變成各種大小不等的泡沫，氧氣通過泡沫的表面進(jìn)入血液而二氧化碳則從血液中分離出來，于是靜脈血液就變成動脈血。血液再通過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的變溫裝置就在動脈儲血器內(nèi)。鼓泡式氧合器簡單好用但是在臨床上發(fā)泡和祛泡過程卻導(dǎo)致明顯的血液

6、破壞，幾個小時后會變得更加明顯。鼓泡式氧合器也使微氣栓和大氣栓的風(fēng)險更高：如祛泡不完全、不小心的儲血室打空致大量的空氣通過滾壓泵進(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（因為氮氣幾乎不能溶于水） 。 當(dāng)然也需要一些二氧化碳混合在空氣中， 否則PCO2就會很低。 基于以上幾種原因，如今鼓泡式氧合器逐漸退出了市場。而目前膜式氧合器占據(jù)了大部分市場。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)充量的問題，因簡單易行的使用才形成廣泛的商業(yè)化。膜式氧合器是通過半透膜來實現(xiàn)血中的換氣過程的，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進(jìn)行，所以膜式氧合器的交換過程比鼓泡式氧合器的交換過程更接近于生理過程。 沒有了發(fā)泡和祛泡過程， 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)計的，它有一個狹長的硅膠制成的空隙，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時間進(jìn)行輔助等特點。在常規(guī)使用中， 由于微孔的聚丙烯膜式氧合器的低預(yù)充量及簡單使

8、用等特點而變得普通。 在它的設(shè)計中，由于中空孔微小，只能通過氣體而不能通過紅細(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)計可能將它們顛倒過來，但還是這種方式最普通、最接近生理，對血液的破壞性最小?，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

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、使用簡單安全、費用低。近年來無數(shù)動脈泵的設(shè)計被應(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）是由一個半圓形的槽，里面有一個轉(zhuǎn)子，連接兩個呈180排列的相同的滾抽組成。動脈管道被安裝在槽和轉(zhuǎn)子之

10、間。其中一個滾軸離開泵槽之時另一個滾軸進(jìn)入泵槽。血流是不間斷向同一個方向的。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)速計算。滾壓泵簡單便宜，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。滾壓泵對空氣的滾壓作用與血液是一樣的。例如不小心將儲血室打空將會造成大量空氣進(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，如儲血室平面探頭，空氣探頭及氧合器和動脈濾器的設(shè)計。1.2離心泵：離心泵實際上是一個渦流旋轉(zhuǎn)的泵。通過高速自轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個渦流（Medtronic公司的泵是由

11、一個葉片組成的），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產(chǎn)生渦流。MedtronicBio-Pump的設(shè)計（如圖2.5a和b）其能量是嚴(yán)格根據(jù)血液內(nèi)在的粘滯性來決定的。離心泵內(nèi)在的安全特點是當(dāng)其混入大量氣體后，它將無法運轉(zhuǎn)，氣體進(jìn)入離心泵后泵將無法依靠其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力來對抗循環(huán)的阻力。渦輪式的離心泵是沒有正反的，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)測流量，例如Medtronic公司設(shè)計的電磁感應(yīng)，其它的探測設(shè)備也有如超聲探測流量等。當(dāng)需要

12、精確調(diào)節(jié)泵速來控制流量時流量探測設(shè)備就起會發(fā)揮作用。離心泵非常實用，這種泵是全密閉式的，經(jīng)久耐用，并且操作簡單，比滾壓泵對血液破壞小。盡管它的費用比滾壓泵高，但是病人術(shù)后在ICU的帶管時間要短以及整個住院時間也短許多。2、靜脈儲血室靜脈儲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)儲血室和袋式儲血室。硬質(zhì)儲血室：它是由一個透明的塑料容器組成，通大氣，可以過濾靜脈血中的氣泡和比較粗大的雜質(zhì)（100-200常用的儲血室可容納的血量范圍從1L到4.5L（如圖2.6）。袋式儲血室：袋式儲血室是一種帶有100-200仙過濾功能的PVC材料。可容納血量20

13、0ml至ij3.0L（如圖2.7）。硬質(zhì)儲血室使用起來比較簡單，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)過簡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打空，如果是采用滾壓泵的話就會將空氣打入到病人體內(nèi)， 如果同時使用靜脈儲血平面探頭或空氣探頭就可能自動阻止此類事件發(fā)生。袋式儲血室使用起來要稍麻煩一些。 如果靜脈血中含有空氣則必須及時的從袋中抽吸出來， 而且它需要另一個硬質(zhì)儲血室來盛裝從心臟術(shù)野和左室收集的血液。 許多臨床工作者認(rèn)為袋式儲血室更安全， 因為當(dāng)它空的時候就塌下來， 可以防止大量氣體被打入動脈管道內(nèi)， 所以袋式儲血室更好，它消除了氣血平面帶來

14、的危險。3、血液回收器心臟術(shù)野的血液通常吸引到一個心內(nèi)儲血容器內(nèi)。這個容器可以濾過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去泡層和一個20N到40仙的微栓濾過層（如圖2.8）。另一部分觀點認(rèn)為吸引的血液應(yīng)該通過洗血球機(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。 通過變溫器可以對病人進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)， 這個變溫器由兩套系統(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。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； 塑料價格相對較低， 但是要求相對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，因為鋼材具有很好的熱交換效能，而且易于安裝，具有很好的生物相容性。通過水溫的改變來調(diào)節(jié)血液的溫度， 根據(jù)臨床上的具體需要來加熱或降溫。 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的，最大可能改變溫度。熱交換器的效率評價公式如下：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。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通過各種接頭再進(jìn)入病人的動脈系統(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，所以需要阻斷主動脈，這是一個心肌缺血

17、的過程。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)阻斷主動脈后采用KCL來使心臟停跳于舒張期，給外科醫(yī)生提供一個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)造一個堿性環(huán)境，就像甘露醇一樣，用來防止心肌水月中。近年來，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維持細(xì)胞代謝；心肌保護(hù)液可使用溫的，也可使用冷的。可從主動脈根部順行灌注，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，攻擊外來物質(zhì)，激活免疫系統(tǒng)，產(chǎn)生其他物質(zhì)來維持或平衡這些系統(tǒng)。內(nèi)皮通過綜合作用分泌肝素硫酸鹽來抑制凝血。肝素硫酸鹽激活抗纖維蛋白來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聯(lián)反應(yīng)的多個關(guān)鍵點， 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

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。但它們的特點與其他的肝素類似物有如下不同：與肝素共價鍵結(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結(jié)合的，為血漿提供一個穩(wěn)定的生物活性表面。肝素共價形成一種多糖，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)合的共價鍵相當(dāng)穩(wěn)定，所以肝素不會脫離表面而進(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，它通過三種途徑模擬內(nèi)皮的功能：.與管道內(nèi)表面共價結(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。磺酸鹽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。同時負(fù)電荷的磺酸鹽聚合物也排斥帶負(fù)電荷的血小板