第二章 体外循环的设备和原理

第二章体外循环的设备和原理

要点：

●体外循环是由滚压泵（人工心脏）、氧合器（人工肺）、储血装置和管道组成，尽管传

统的储血装置在逐渐消失。

●附加的装置还有热交换器、心肌保护装置、气体和微栓滤器。还有用于回收术野血液

以及用于心脏排气作用的左右心吸引。

●目前使用的膜式氧合器是集储血和热交换为一体的，使用安全简单有效。

●与滚压泵相比，离心泵的血液破坏小而且安装简便，但其费用高一些。它可以缩短病

人ICU的带管时间以及总的住院时间。

●大量的经验表明在体外循环期间使用肝素涂层的耗材可增加生物相容性，减少病人的

全身炎性反应。

●灌注师可以通过持续的流量监测，灌注压监测，酸碱平衡，氧合功能，肾功能，凝血

功能监测来确保机体各个脏器都能得到充分的灌注。

一、体外循环的历史

最初的人工循环是1812年Le Gallois从兔颈动脉灌注兔脑。自1848年到1853年Brown Sequard 发现将黑的静脉血暴露于空气中并震荡可以变成红色的动脉血，于是进一步用它来灌注独立的大脑标本。最早的鼓泡式氧合器就是Shroder在1882年同样利用空气与血液混合的原理来制作的。而两年以后V on Frey和Gruber 则发明了膜式氧合器，它避免了空气和血液在气泡的表面相接触。

1900年，Howell和他的同事们发现了肝素可以抗凝的特性，于是体外循环过程中就没有了凝血的风险。

最早在临床上应用体外循环是在1953年由Massachusetts医院的John Gibbon医生进行的，他们成功的修补了一例房间隔缺损的女性病人。1955年明尼苏达大学的C Walton Lillehei医生和其他人在经历了多次失败后仍然坚持发展这项技术和设备。

鼓泡式氧合器最早是在1956年被Rygg引入商业化生产。经过这些年的改进和发展早已不像最早的设备了，他们可以用完就扔掉了。整个氧合器的发展简史见表2.1。

表2.1 氧合器的历史

非膜式氧合器

1937 Gibbon 肺滤过氧合

1951 Dennis/Bjork 旋转屏或碟式氧合器

1955 Lillehei/Dewall 最早的鼓泡式氧合器

1956 Kay/Cross 将屏式氧合器的预冲降低到4000ml

1956 Pygg/Kyvsgaard 最早塑料的氧合器

1962 Cooley/Beall 最早商业化的鼓泡

1966 Dewall/Najafe/Roden 最早带热交换的鼓泡氧合器

膜式氧合器

1955 Kolff/Balzfer 采用动物膜的膜式氧合器

1956 Kolff 卷筒膜式氧合器

1958 Clowes 最早使用特富龙

1968 Lande 甲基聚酯折叠式氧合器

1969 Pierce 碳聚合体作为主要材料

1969 Pierce Pierce-GE

1971 Kolobow 硅树脂聚合物的氧合器

1972 Eiseman/Spencer 延展了特富龙的氧合器

1975 Travenol Labs 以聚丙烯为材料

1985 J&J Cardiopulmonary 最早的中空纤维氧合器

二、鼓泡式氧合器

鼓泡式氧合器是最早被应用于商业的，使用时间超过了46年。鼓泡式氧合器是集氧合室、变温室、动脉储血室和滤器为一体的氧合器。它的原理是静脉血和氧气都通过一个多孔的圆盘变成各种大小不等的泡沫，氧气通过泡沫的表面进入血液而二氧化碳则从血液中分离出来，于是静脉血液就变成动脉血。血液再通过涂有硅酮的祛泡装置后进入病人体内。多数鼓泡式氧合器的变温装置都包含在发泡室内。早期Bentley的变温装置就在动脉储血器内。

鼓泡式氧合器简单好用但是在临床上发泡和祛泡过程却导致明显的血液破坏，几个小时后会变得更加明显。鼓泡式氧合器也使微气栓和大气栓的风险更高：如祛泡不完全、不小心的储血室打空致大量的空气通过滚压泵进入病人体内。而且将空气和血液混合也认为是不安全的（因为氮气几乎不能溶于水）。当然也需要一些二氧化碳混合在空气中，否则PCO2就会很低。基于以上几种原因，如今鼓泡式氧合器逐渐退出了市场。而目前膜式氧合器占据了大部分市场。

三、膜式氧合器

各种各样的膜式氧合器设备在上世纪五十年代中期就被广泛应用，但是直到19年前才解决降低预充量的问题，因简单易行的使用才形成广泛的商业化。膜式氧合器是通过半透膜来实现血中的换气过程的，半透膜是由聚丙烯或硅胶制成，避免了血液与气体的直接接触，这与气血直接接触的鼓泡式不同。气体交换是依据膜两侧气和血中溶解压差的不同来进行，所以膜式氧合器的交换过程比鼓泡式氧合器的交换过程更接近于生理过程。没有了发泡和祛泡过程，只依靠PO2和PCO2所以更安全。

大部分用于商业的膜式氧合器都是由硅胶或微孔的聚丙烯材料制成的，最著名的范例是由Medtronic/Kolobow设计的，它有一个狭长的硅胶制成的空隙，其空隙及支持物呈螺旋式排列，分别走血及气体。它有不同的大小适合不同的病人（如图 2.1）。从新生儿到成人都可以用。具有良好的生物相容性，较小的血液破坏性以及可长时间进行辅助等特点。

在常规使用中，由于微孔的聚丙烯膜式氧合器的低预充量及简单使用等特点而变得普通。在它的设计中，由于中空孔微小，只能通过气体而不能通过红细胞，这种材料可以被制造成片状或“微纤维”的管状。微纤维被排列成气和血相联系的形状，外走血，内走气。尽管有些其他的设计可能将它们颠倒过来，但还是这种方式最普通、最接近生理，对血液的破坏性最小。

现代膜式氧合器是在血液完全氧合之前变温。Medtronic AFFINITY就是一个例子，可用于开放式心脏手术或闭式心脏手术。

四、体外循环的组成

由氧合器和循环管道所组成的体外循环各种设备暂时的代替了心和肺的功能，主要组成部分由泵（人工心脏）、氧合器（人工肺）、静脉和储血室、变温室（通常与氧合器集合于一体）、心肌保护装置、气泡和微栓过滤器、以及连接这些装置的管道，其他的循环部分还有左右心吸引，它由滚压泵或负压提供吸引，主要是防止左室扩张或清除术野中的血液。

1、泵

在体外循环中氧合器替代了肺的作用，而泵则替代了心脏的功能。它的主要功能就

是提供足够的氧合血进入病人的循环中。人工泵的主要技术参数如下：流量范围广（最高可达7L/min）、低溶血、最低的涡流和停滞血流、使用简单安全、费用低。

近年来无数动脉泵的设计被应用于体外循环。但目前仅仅只有两种泵被广泛的应用于临床中，一种是滚压泵，另一种是离心泵。

1.1 滚压泵：滚压泵（图

2.4）是由一个半圆形的槽，里面有一个转子，连接两个呈180°排列的相同的滚抽组成。动脉管道被安装在槽和转子之间。其中一个滚轴离开泵槽之时另一个滚轴进入泵槽。血流是不间断向同一个方向的。为了使不可避免的红细胞损伤降至最低，泵头可以调节松紧（使用3/8英寸的管道时1米高的水柱每分钟下降1cm）。流量依据泵头每分钟的转速计算。

滚压泵简单便宜，使用方便，是一种不可替代的泵。它可以限制反转。反转产生巨大的真空，导致管道内产生气泡。滚压泵对空气的滚压作用与血液是一样的。例如不小心将储血室打空将会造成大量空气进入病人体内。许多设备和技术都试图减少这种情况的发生，如储血室平面探头，空气探头及氧合器和动脉滤器的设计。

1.2 离心泵：离心泵实际上是一个涡流旋转的泵。通过高速自转产生一个涡流（Medtronic公司的泵是由一个叶片组成的），低压的区域产生离心，高压的区域在外侧。血液通过涡流向轴的方向顺着压力沿切线排出。这种叶片式的离心泵能量是通过双叶片的构造传递的，这种方式是十分有效的，但是在叶片的边缘会产生涡流。Medtronic Bio-Pump的设计（如图

2.5a和b）其能量是严格根据血液内在的粘滞性来决定的。离心泵内在的安全特点是当其混入大量气体后，它将无法运转，气体进入离心泵后泵将无法依靠其旋转产生的压力来对抗循环的阻力。

涡轮式的离心泵是没有正反的，它与真正的心脏一样，其流量的大小与前后负荷相关。

离心泵需要连续监测流量，例如Medtronic公司设计的电磁感应，其它的探测设备也有如超声探测流量等。当需要精确调节泵速来控制流量时流量探测设备就起会发挥作用。离心泵非常实用，这种泵是全密闭式的，经久耐用，并且操作简单，比滚压泵对血液破坏小。尽管它的费用比滚压泵高，但是病人术后在ICU的带管时间要短以及整个住院时间也短许多。

2、静脉储血室

静脉储血室的主要作用是收集病人从静脉系统回流的血液，去除气泡以及病人静脉

血中的微小颗粒物。它分为硬质储血室和袋式储血室。

2.1 硬质储血室：它是由一个透明的塑料容器组成，通大气，可以过滤静脉血中的气泡和比较粗大的杂质（100-200μ）。常用的储血室可容纳的血量范围从1L到4.5L（如图2.6）。

2.2袋式储血室：袋式储血室是一种带有100-200μ过滤功能的PVC材料。可容纳血量200ml到

3.0L（如图2.7）。

硬质储血室使用起来比较简单，方便混合血液，适合于体外循环，它可以很轻松的处理静脉血的空气。经过简单改造就可以变成利用真空负压引流的系统。它们的弊端就是可能会打空，如果是采用滚压泵的话就会将空气打入到病人体内，如果同时使用静脉储血平面探头或空气探头就可能自动阻止此类事件发生。

袋式储血室使用起来要稍麻烦一些。如果静脉血中含有空气则必须及时的从袋中抽吸出来，而且它需要另一个硬质储血室来盛装从心脏术野和左室收集的血液。许多临床工作者认为袋式储血室更安全，因为当它空的时候就塌下来，可以防止大量气体被打入动脉管道内，所以袋式储血室更好，它消除了气血平面带来的危险。

3、血液回收器

心脏术野的血液通常吸引到一个心内储血容器内。这个容器可以滤过大量的固体和气体微栓。它是由聚碳酸酯做成的，收集到的血液可通过去泡层和一个20μ到40μ的微栓滤过层（如图2.8）。

另一部分观点认为吸引的血液应该通过洗血球机洗涤。洗血后可将红细胞与激活的血小板、白细胞和血浆分离，再回输到病人体内。

4、变温器

在体外循环期间，为了提高心肌保护的质量，要对病人进行体温调节，而且这样的体温变化也可以适应不同类型手术的要求。通过变温器可以对病人进行体温调节，这个变温器由两套系统组成，一套系统是血液，另一套是水。这两套系统由特殊材料隔开，但这种材料可进行热传导。这种材料可以是塑料、铝或者钢材。所有的这些材料都有自己的优缺点。铝是迄今为止最好的热交换材料，但是铝的生物相容性很差；塑料价格相对较低，但是要求相对更大的热交换面积并且热交换功能差；而钢材是最近最为常用的材料，因为钢材具有很好的热交换效能，而且易于安装，具有很好的生物相容性。

通过水温的改变来调节血液的温度，根据临床上的具体需要来加热或降温。为了进一步提高能效，水的走行方向与血液的走行方向是相对的，最大可能改变温度。

热交换器的效率评价公式如下：

热交换因子=Tbo-Tbi/Twi-Tbi

在理论上热交换因子为1.0。但大多数系统的热交换因子都在0.4-0.5之间变动。不管怎样，热交换因子受流量的影响最多。当心脏灌注流量低于1L/min时热交换因子可达到0.9。

5、管道

大多数研究都聚焦于体外循环的主要组成部分，但管道也是其中一部分。管道由许多种材料做成，分为不同的尺寸和硬度，在体外循环中由病人的静脉出来通过各种接头再进入病人的动脉系统中（如图2.10）。

早年橡胶管道由于弹性良好而被使用于体外循环的滚压泵中。而现在已由硅胶管道所代替。但最早的硅胶管道在滚压泵中容易裂开。聚氯乙烯或PVC是现在大多数体外循环管道的选择，它的优点是耐用、不易裂开、可以变化尺寸以及硬度，具有良好的生物相容性和透明度。

6、心肌保护装置

目前，大部分需要体外循环的心脏手术都要将心脏与体外循环分开，所以需要阻断主动脉，这是一个心肌缺血的过程。许多临床工作者主要采用心肌间断灌注的方法，阻断之后再用氧合血灌注心肌。现在已经有许多心脏停跳液出现，当阻断主动脉后采用KCL 来使心脏停跳于舒张期，给外科医生提供一个静止的心脏便于手术操作。一些缓冲液加入到灌注液中，为心肌创造一个碱性环境，就像甘露醇一样，用来防止心肌水肿。近年来，常常将氧合血与心肌保护液混合在一起，以满足心肌代谢，也提供了正常的血浆来防止缺血性酸中毒；一些代谢底物如天门冬氨酸和谷氨酸液可用来维持细胞代谢；心肌保护液可使用温的，也可使用冷的。可从主动脉根部顺行灌注，也可以从冠状静脉窦逆行灌注。心肌保护的方式和成分都可不受限制，其最主要的目标就是起到心肌保护的作用。

如Medtronic公司的MYO心肌保护系统，它是将热交换器、气泡捕捉装置和心肌灌注的管道集中于一体的。

五、生物相容性

1、表面肝素涂层

血液在体内时接触的是血管内皮，而在体外循环期间接触的是大面积的人工血管以及空气。人工管道表面缺乏抑制和平衡被激活的血液的物质。与人工管道表面接触会触发人体防御机制的多种生物学反应，包括凝血、纤溶、补体、激肽等系统。这些系统可能导致血小板和白细胞的激活以及红细胞的损伤。它们也造成其它一些相关的反应如使血细胞释放有害的酶、过敏反应、氧自由基的产生和内毒素的产生。这些反应不仅同时发生而且相互影响，最终这些生物学反应可能影响心、肺、脑和其他器官，产生所谓的“系统炎症反应”，“灌注后综合症”或“全身炎症反应”。

健康的血管内皮是最合适的生物相容性表面。血管内皮的复合凝血机制维持血液不产生血栓。这个系统维持血管的完整，刺激纤维系统产生纤维蛋白和斑块，攻击外来物质，激活免疫系统，产生其他物质来维持或平衡这些系统。内皮通过综合作用分泌肝素硫酸盐来抑制凝血。肝素硫酸盐激活抗纤维蛋白来催化纤维蛋白抑制物和Xa因子。

体外循环肝素涂层的表面是模拟健康的血管内皮的特性，而达到抑制凝血的目的和表现其生物相容性。它模仿血管内皮产生的肝素硫酸盐抑制凝血和阻止凝血级联反应的多个关键点，如抑制Xa和XIIa因子的激活，隔离血液和人工管道的表面，抑制蛋白和细胞损伤（如图2.12）。

许多临床经验以及科研结论都认为肝素涂层能减轻人体的防御反应，抑制凝血级联反应（如图2.13）。因此，血管外科医师和灌注师们都已经接受了肝素涂层的管道作为常规减轻体外循环副作用的一部分了。

Carmeda BioActive (如图2.14)和Trillium生物涂层表面都是将肝素涂于管道表面。但它们的特点与其他的肝素类似物有如下不同：与肝素共价键结合、亲水性、负电荷、完全覆盖其内表面。Carmeda BioActive表面的涂层是与肝素共价结合的，为血浆提供一个稳定的生物活性表面。肝素共价形成一种多糖，结合于管道表面，余下的具有生物学活性位点的分子则参与生物学反应，类似于肝素硫酸盐部分则黏附于自然的血管内皮表面一样。与肝素结合的共价键相当稳定，所以肝素不会脱离表面而进入循环，而是在管道内表面抑制凝血，发挥其生物相容性的作用。据研究Carmeda BioActive涂层完全覆盖管道（Medtronic Inc.,2000），这就保证了血液与人工材料无接触。

Carmeda BioActive 是被最广泛的研究的一种体外循环管道。临床医师及其他科学工

作者已有大量相关文献发表。

Trillium是Medtronic公司的另一种肝素涂层的表面，它通过三种途径模拟内皮的功能：

1.与管道内表面共价结合的肝素与内皮产生的肝素硫酸盐一样可产生自然抗凝的作用。

2.由于是硫酸盐或磺酸盐带有大量的负电荷，所以它像血管内皮一样可以排斥带负电荷的血小板。

3.聚环氧乙烷有非常强的亲水性。它可以形成一层稳定的水层来供细胞的附着和蛋白的沉积。

研究者证明具有抗凝活性的肝素类似物是带有负电荷的磺酸盐的聚合物。磺酸盐的聚合物与磺酸盐肝素相似可加快抑制凝血（Silver et al.,1992；Han et al.,1995;charef et al.,1996）。磺酸盐聚合物的复合物与纤维蛋白单体相互作用，阻止纤维原变成纤维后形成血栓（Silver et al.,1992）磺酸盐聚合物可以破坏纤维蛋白原而不能参与附着于蛋白，所以破坏血栓形成（Santerre et al.,1992）。同时负电荷的磺酸盐聚合物也排斥带负电荷的血小板（Lelah et al.,1985;Grasel and Cooper,1989;Okkema et al.,1991）。

PEO聚合物是亲水性非常强的，所以它的表面很光滑。防止细胞和蛋白聚集（Lee et al.,1995）。人工管道与血液接触的最初几分钟里蛋白被人工管道吸附，之后就导致血小板的附着并激活凝血途径产生血栓(Lee and Oh,2002)。PEO在血液和人工管道之间形成水合氯醛的隔离带。PEO-水层只有很低的自由能，极少有蛋白和血小板黏附（Lee et al.,1995，2000）。PEO链不停的移动以保持其分子结构。其动态表面也可阻止蛋白和血小板的黏附（Lee et al.,1995，2000）。

临床工作者和科学家的研究指出Trillium公司的涂层可对血小板起保护作用（Baksaas et al.,1999;Palanzo et al.,1999;Tevaearai et al.,1999;Cazzaniga et al.,2000; Palanzo et al.,2001），AFFINITY NT氧合器同样可以保护循环中血小板的数量。减少术后血液制品的使用（Dickinson et al.,2002），减少白细胞增多症的发生（Cazzaniga et al.,2000），减少粒细胞和血小板的激活（Baksaas et al.,1999）以及减少凝块的产生（Tevaearai et al.,1999）。

肝素涂层的管道有大量的文献证实了它们的作用。

六、充分灌注

在体外循环期间灌注师的主要任务就是保证全身各个器官充足的氧和血的灌注。为了达到目的有以下监测方法：酸碱平衡监测、流量监测、氧供-氧耗监测、外周血管阻力监测、肾功能监测、凝血功能监测。