作者：黄伟明 周成斌
出版社：人民卫生出版社
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体外循环新进展试读：
前言
自首例体外循环心脏直视手术获得成功至今已有六十多年，我国的心脏外科及体外循环技术在后三十年有了极大的发展。目前我国一年的心脏外科手术量已达21万多例，体外循环也有近16万例之多，我国已成为心脏手术的大国。近二十年来体外循环的一个重要分支——体外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）在我国也得到迅速发展，并应用到重症监护病房（ICU）的抢救、急诊室的心肺复苏等，一年已接近1000例，为挽救急危重病患者作出了贡献。体外循环技术还应用在非心脏手术、器官移植、器官保护的辅助循环中，以不同的形式在更多的领域中发挥其重要的作用，促进了学科的发展。在新的历史发展时期，如何在临床工作量日益增加的巨大压力下，在新设备、新产品、新技术、新理念不断涌现的现阶段，学习掌握体外循环学科的基础知识及新知识，了解和熟悉相关学科的临床知识，了解学科发展的动态和学科研究的现状，对已从事工作多年的或新入行的医护人员，都是十分重要的。
在当前发达的互联网时代，新的理念、不同的观点、不同地域的学术交流十分活跃，大量的信息通过不同的渠道都可以获得，为我们开阔了视野，但如何整合如此浩瀚的资料，掌握体外循环专业近年来的新进展、新动态、新技术却少有专著问世。为此，我们组织了国内有丰富临床经验的部分专家和年轻学者，通过查找大量的资料，结合个人的临床经验，历时一年有余，撰写了本书，以不同的角度和观点尽量反映大家关注的体外循环热点问题，希望读者能从中获得有意义的信息。为了进一步提高本书的质量，以供再版时修改，恳请读者提出宝贵意见。
科学的发展无止境，医学上的许多问题仍然需要我们共同努力去研究和探索，本书能对体外循环包括体外生命支持的临床及研究工作有所帮助，这将是我们最大的欣慰。在此也衷心感谢参与编写本书的专家学者们付出的辛勤劳动。黄伟明 周成斌2017年6月于广州
第一章 体外循环设备与耗材第一节 新一代人工心肺机一、人工心肺机的概念与演变
随着20世纪医学科学的迅速发展，触及外科学底线的心脏手术，尤其是心内直视手术，在1953年6月首次获得成功。心脏手术的成功一方面因具备了基础条件，如心脏疾病诊断工具的发展，外科医师对胸心解剖的熟悉，必备药物的开发等，而另一个最重要的方面是因为人工心肺机的诞生。人工心肺机在心脏手术中将患者全身的静脉血液引入人工心肺机的氧合器（人工肺），经过氧合的血液成为动脉血，过滤，变温后再经过血泵（人工心）泵回患者体内，这一在体外完成的复杂过程替代了人体自身进行的心肺活动，从而绕过了心脏，使心脏能在停止搏动的状态下被外科医师打开进行修补，手术后又能支持心脏恢复搏动。人工心肺机这种人工智能作用，维持了患者的生命，保证了心脏手术的顺利进行，这种技术被称为体外循环。自从开展体外循环心脏手术以来，人工心肺机成为了心脏手术不可缺失的辅助设备。随着我国心血管外科的发展，中国一年的心血管手术量已达21万多例，其中体外循环心脏手术量也近16万例，人工心肺机在实施心脏手术中发挥了巨大的作用。六十多年来，人工心肺机经过长期的临床应用，不断得到改进和完善，应用高科技的材料、技术，装备先进的计算机操作系统及各种有效的安全报警装置，提高了人工心肺机的整体质量，功能不断强化，操作更加安全。
支撑人工心肺机两大主要功能的部件是氧合器和血泵，早期人工心肺机将两者设计为固定的整体，中期氧合器和血泵各自独立发展，氧合器由垂屏式、转碟式、鼓泡式发展到硅胶膜式和中空纤维膜式，中空纤维膜式氧合器（下称膜肺）也发展到第四代第五代。而血泵的发展相对缓慢，早期设计的滚压式血泵仍占主要地位，滚压泵的主要缺点是长时间工作时，对血液破坏明显，而且泵管有可能破裂。尽管如此，由于操作简单，费用低，滚压泵仍然是国内外使用最广泛的血泵。目前，滚柱式血泵在原有的基础上有了很大的改进，如泵头的质量、转动时精确度的提高，无噪音的驱动马达等，德国产Stockert-sc型人工心肺机就已经采用了第三代马蹄形血泵。
20世纪70年代血泵的发展有一个重要的突破——离心泵的问世，离心泵的设计理念完全不同于滚压泵，因其对血液破坏少，体积小，安全，可移动等优点而异军突起，有巨大的发展潜力，国外许多医院已将其作为主泵应用。二、新一代人工心肺机
近十几年来在国际上出现的较新型的人工心肺机有：
日本TERUMO SYSTEM Ⅰ型机：日本TERUMO（泰尔茂）公司的SYSTEM Ⅰ型人工心肺机（图1-1）是美国SARNS的产品，20世纪90年代SARNS 9000型开创了计算机操作系统在人工心肺机的应用，并首先使用指控式的电脑触摸屏，以及后来的SARNS 8000型到2000年的TERUMO-SYSTEM Ⅰ型机，科技含量都较高，血泵的开启、流量的调节采用了指控式和传统手控式的双重控制系统。并最早配备了管路的SAT/HCT（氧饱和度/血细胞比容，CDI 100）连续监测仪及血气连续监测仪（CDI 500）。加上有较完备的静脉回流控制系统，压力报警，气泡报警，温度监测，应急电源，为临床灌注师操作提供了许多方便。System Ⅰ在国内曾风靡一时，但可惜之后没有新一代的产品出现。图1-1 日本TERUMO SYSTEM Ⅰ型机
德国MAQUET HL-20型机：早期曾是德国JOSTRA（优斯特拉）品牌的MAQUET（迈柯唯）机系列，1991年有HL-15型机，1995年生产出HL-20型机，2002年曾出现HL-30型机，但因种种原因未继续生产，此后更无新机型出台。
意大利SORIN集团的STOCKERT S5、C5型机：目前国内较新的一代人工心肺机以这两款机型为代表，STOCKERT（史托克）自1974年创建了第一代人工心肺机，到1994年生产了SⅢ型第三代机，1997年SC型为第四代机，2005年出现第五代S5型机，2009年第六代机SORIN C5型机。S5、C5两型机近几年才进入我国市场。
下面重点介绍一下S5及C5型人工心肺机。（一）STOCKERT S5型人工心肺机
STOCKERT S5型人工心肺机（图1-2）是一部组合式体外循环系统，是STOCKERT SⅢ型机的升级产品，可灵活配置，有3～5泵位的选择，各泵位之间可互换，满足个体化需要。机座带有延伸支架可另外增加悬挂大泵，小泵或离心泵。S5型及C5型均无中央电脑系统，开机后快速进入使用状态，无须预热。监测与控制系统的显示模块采用高清晰度的薄膜彩色触摸屏，其特点表现在三个方面：
1.安全性
S5型机具有较完善的监控系统，信息量大，使用独立模块，降低故障率；采用先进的一体化连续血气检测（静脉O SAT/HCT）；2实时监测液平面，包括正常液平面显示，低平面报警显示，低平面停机显示；压力监测有压力上限、下限的设定，报警及停机的显示；体温报警的设置；气泡报警及停机显示等。触摸屏可锁定防止误操作；有自动切换的应急电源供电系统，并显示剩余可用电量时间，可以在断电情况下最长提供130分钟供电；其他异常情况的信息也有文字、声音的提醒功能。整机有较高的安全性。
2.操作系统
操作简单，全屏触摸；血泵方向可180°～240°旋转，以选择最佳位置减少管道的长度；泵头转速旋钮可行快速或微调控制；静脉回流控制器可行精细准确控制；S5型机有搏动灌注的选择，流量的多种显示；操作菜单软件已经优化，但窗口较多，仍需经专业培训才可熟练掌握。
3.质量可靠性
S5型机采用马蹄形血泵设计，使泵管管道压力相对平缓，减少对红细胞的破坏；泵头采用直轴驱动马达，无级变速，可精确控制转速，泵头运转无噪音；高分辨率触摸显示屏清晰醒目稳定。但其机器维护要求较高，需长期保持在湿度、温度较稳定的环境，并定期对不间断电源（UPS电源）放电及充电。图1-2 意大利SORIN STOCKERT S5型机（二）STOCKERT C5型人工心肺机
STOCKERT C5型人工心肺机（图1-3）是一部一体化体外循环系统，是STOCKERT SC型机的延续，大部分设置及性能与S5型机相类似。C5型机外形更为小巧，紧凑，使用灵活，在较小的空间中各操作部件都伸手可及，设计更为人性化。除了固定的3泵座4泵头外，可伸出支架按需要增加两种不同尺寸的悬挂泵：150英寸（1英寸= 2.54厘米）和85英寸的滚压泵，并预留了放置离心泵的空间。与S5型机一样，无中央电脑系统，开机无须预热，仅用10秒钟便可启动整机，快速进入使用状态。C5型机的监测与控制系统采用高清晰度的薄膜彩色触摸屏，血泵采用直轴无皮带传动马达，运转时噪音极低，几乎无声。C5型机的小巧，紧凑及可伸出悬挂泵的灵活，使其可满足婴幼儿心脏手术的特殊需求，大大缩短体外循环的管路。C5型机同样具有不间断的应急电源（UPS）快速转换功能。
STOCKERT系统配备了最新的图表式数据管理系统（DMS），可与C5型或S5型机组合。可自动记录体外循环机上的各种数据，还可采集来自外接设备，如麻醉监护系统，血气分析系统，ACT测定仪，脑血氧分析仪上的各种数据。以利于灌注师的数据保存，记录，管理及处理。图1-3 意大利SORIN STOCKERT C5型机（三）新一代人工心肺机的特点
1.保留搏动灌注的功能
体外循环的搏动灌注作用与非搏动灌注相比有无更多的优点多年来一直是大家讨论的热点，尽管至今无明确的结论，但新一代的人工心肺机包括SYSTEM Ⅰ、STOCKERT系列仍保留了血泵的搏动灌注功能，足以说明搏动灌注仍有其保留的价值。目前认为搏动灌注的主[1]要优点表现在：①减少全身炎性反应综合征及内分泌（激素）的反应；②对上半身器官保护如脑的灌注更好；③减少了血管收缩药物的使用；④对心肌功能的恢复更有利；⑤减少肺水肿和缩短气管插管的时间；⑥更多的尿量；⑦术后血乳酸水平较低。
与非搏动灌注相比，搏动灌注相对于非搏动灌注的主要缺点是溶血和微气栓的产生较多。STOCKERT机在转流中开启搏动灌注后流量将自行下降，需逐渐调整恢复，在转换成非搏动血流时，机器可自动保持流量不变，操作比SYSTEM Ⅰ方便。
2.安全装置的完善与发展
人工心肺机的发展十分重视安全设备的配套，灌注师在操作机器[2]时也尽可能使用越来越多的安全装置。2012年Brian等调查了五个地区146个中心，发现在体外循环中使用最多的安全装置是血平面监测（100%）和气泡监测（50%～100%），见表1-1。
由于现代人工心肺机的高科技化，机器结构及操作较为复杂，灌注师在整个转流过程中还要因为经常处理许多常规的工作而分心，低平面监测仪和气泡感应器便成为心脏手术中使用的最重要的两个安全装置。低平面监测仪和气泡感应器在心肺转流中可以防止氧合器突然[3]出现大量的气泡微泡进入体内造成动脉气栓。但需要了解和熟悉这两个安全装置的工作原理及正确使用方法才能发挥其有效的作用。（1）低液平面报警装置：
低液平面感应器通过一个可弃式的黏合垫（即贴片）固定在硬壳式静脉储血器上，位置一般选择在该储血器标示的最小血平面之上，使用过程中低平面感应器一旦感应到液平面降低至临界线，就会自动减慢主泵，若液平面继续下降超过贴片位置，主泵将完全停止转动，若液平面回升至安全界限时，血泵自动启动，恢复流量。表1-1 各地区使用体外循环安全装置的状况NA：北美；CSA：中美和南美；Asia：亚洲；OA：澳大利亚和新西兰；EU：欧盟
人工心肺机的低平面感应器分为两类，SORIN公司的STOCKERT S5型和C5型使用电容式低液平面感应器；TERUMO的SYSYTEM Ⅰ型则采用超声技术作低液平面监测。
a.超声感应器：原理是通过感应头（换能器）产生超声波到静脉储血器内的血液，然后感应头充当了超声波的接收器，接收从静脉储血器的壁或过滤器对面反射回来的超声波，当储血器内血液或液体平面下降至感应头中心0.51cm内时就会触发报警，然后2秒钟后血泵停转。尽管超声监测器可清楚分辨液体与气体这两种不同的介质，但其[4]准确性仍会受到一些因素的影响，如：静脉储血器的壁厚必须在1.8～3.8mm；感应器前面的血液厚度必须> 10mm；静脉储血器两边的壁必须是相对应或平行的以利于超声波的接收；感应器与储血器之间的超声耦合剂涂得太少；超声耦合剂由于长时间转流而变干或流失。以上因素都会直接影响监测的准确性。由于使用超声感应器的条件所限，在应用软袋式静脉储血器时，因密闭式储血袋的血平面不稳定而使其无法正确工作。
b.电容式低平面监测：是由机带的感应头与耗材——固定贴片组成，使用时将固定贴片粘在静脉储血器外壳最低血平面位置，电容感应头固定在贴片上。使用时，感应器贴片上的薄金属条和储血器内液体（清液体或血液）或空气形成电容器。液体与空气两者都是绝缘介质，因此是储存电量的基础。另一个组成部分是振荡器，振荡器位于感应头的中央，感应器一头连接体外循环机，一头固定在黏合垫子上，通过黏合垫自身电压的变化激活或抑制感应器，电压变化只受金属条控制，而不接收来自储血器外壳或血液的反射。根据液平面下降引起的电压改变（最大3.4V），振荡器慢慢降低或停止主泵的运转。
当有液体在静脉储血器内时，固定贴片内的金属条储存少量的电量，因此没有电流，振荡器不移动，但当空气靠近感应器贴片的10mm内（称为停机界限）范围时，产生小的电流，并测到电压降低，振荡器开始移动，触发液体低平面报警，泵头转速便慢慢降低，若液平面进一步下降，电压降到最大（3.4V）时，泵头即停止转动，直到液平面再回到固定贴片之上，血泵才自动开始慢慢恢复报警前的转速。
电容低平面感应器与超声感应器相比较有3个优点：不需要任何感应器耦合剂；静脉储血器内血液厚度不影响监测；储血器壁的角度不影响感应器的操作和可靠性。这就使得电容式低平面监测器在市场上成为大多数硬壳式（及部分软袋式）氧合器使用的模式。（2）气泡探测装置：
气泡探测器是监测管道气泡的安全装置，有超声与红外线两种方式。目前多采用超声技术。
SORIN、TERUMO和MAQUERT三种类型人工心肺机的气泡探测都使用超声技术。早期在设计气泡探测器时考虑有两个目的，一是探测到> 300μm的气泡微栓时报警，二是当气栓直径> 3500μm（3.5mm）时，即到达设定的阈值点马上关闭血泵。在使用超声装置时，建议用超声耦合剂，这样更有利于连接和传送超声波。另外，夹入探测器内的管道尺寸要合适才会稳固，从而避免管道因夹不紧或探测器在管道中移动导致错误报警。
SORIN超声气泡探测器有三种不同尺寸的规格用于1/4英寸、3/8英寸和1/2英寸的管道。SⅢ型和S5型机也有一个附带的1/4英寸气泡探测器，可以连接到停搏液灌注管。SORIN SⅢ型和S5型机有一个“定位报警”的敏感触发器，可以及时探测到> 300μm直径的气泡微栓（GME）并报警。当使用SORIN SⅢ型泵时，气泡感应器的停机[5]触发装置要根据使用的管道尺寸来定位。例如当使用1/2英寸气泡感应装置时，报警/停泵触发器可测到直径5.0mm（5000μm）的气泡，相当于0.065ml的空气。而使用3/8英寸管道，报警/停泵触发器可测到直径5.5mm（5500μm）的气泡，相当于0.087ml的空气。使用1/4气泡感应器装置时，报警/停泵触发器可测到直径3.5mm（3500μm）的气泡，相当于0.022ml的空气。后者的敏感度和停泵触发器与使用停搏液气泡感应器是相同的。
使用SORIN S5型机，灌注师可以从系统控制面板中选择自己使用的3/8英寸，1/2英寸或1/4英寸管道三个规格的气泡感应装置的停泵触发器。而在SⅢ型机，GME敏感触发器都设计为一样的> 300μm。S5型机系统控制面板的配置上，如选择大气泡设置，停泵触发器就定位于GME > 6.5mm（6500μm），相当于0.144ml的空气量。选择中气泡即设定停泵触发器在GME > 5.0mm（5000μm），相当于0.065ml的空气量。选择小气泡报警时，一旦出现直径> 4.0mm（4000μm）的气泡（相当于0.034ml的空气量）时即停泵。为S5型机1/4英寸管道停搏液气泡感应器设置的停泵触发器固定在直径> 4.0mm（4000μm）的气泡（相当于0.034ml的空气量）。
TERUMO Sarns 8000型机和SYSTEM Ⅰ型机的超声气泡探测器设置为固定的1/4英寸或3/8英寸管道。气泡敏感触发器与SORIN人工心肺机的是相似的，但如果使用3/8英寸管道设置，流量高达6.0LPM时，当发现> 0.3ml或8.3mm（8300μm）的空气时，停泵触发器就会启动。另一方面，使用1/4英寸模块流量达到3.0LPM，发现GME空气> 0.5ml，或9.85mm（9850μm）时，将触发报警并停泵。
MAQUET超声气泡探测装置也与SORIN人工心肺机上的一样，定位于1/4英寸，3/8英寸或1/2英寸管道，HL20型与HL30型机的敏感触发器设定如果发现GME > 300μm即报警，停泵触发器则设置在GME > 5.0mm（5000μm）空气，相当于0.065ml空气，这款人工心肺机也有自带的气泡探测器，同样可连接在心肺转流（cardiopulmonary bypass，CPB）停搏液管路上（表1-2）。表1-2 几种不同人工心肺机超声气泡探测报警设定（3）体外循环实时监测：
体外循环中机器的运转，灌注师操作、控制及处理的效果，以及对患者的影响，是通过许多实时监测反映出来的。据2012年Brian等[2]调查的结果显示（表1-3），体外循环中各种压力的监测，血氧监测及氧饱和度监测最受重视。实时监测项目的不断完善，使灌注师可随时了解各种情况的变化，作出准确的处理，进一步提高了体外循环的安全性。
深低温体外循环尤其是停循环，由于增加了术后神经系统的并发症而引起普遍重视，上述资料显示术中使用脑血氧仪的单位平均达到74%，比脑电图的应用（5%）要多得多，说明脑血氧仪提供的数据更有临床指导意义。体外循环中灌注师可获得的血流动力学等参数更多是依赖麻醉监护仪所提供，人工心肺机自身带有的监测只有2～3路的压力监测，2～3路的温度探测，近年来一些人工心肺机配备专用的动静脉血氧饱和度仪，血气监测仪，提供了转流效果的信息，提高了灌注师的体外循环管理水平。
由于现代人工心肺机采用的先进技术，使机器本身发生的故障减少，提高了系统的可靠性，并降低了灌注师操作的失误率，大大提高了体外循环转流中的安全性。表1-3 各地区体外循环期间实时监测的状况NA：北美；CSA：中美和南美；Asia：亚洲；OA：澳大利亚和新西兰；EU：欧盟（4）负压辅助静脉引流的应用：
随着微创心脏手术的开展及婴幼儿心脏手术的需要，在体外循环静脉引流中使用负压辅助静脉引流（vacuum-assist venous drainage，VAVD）技术越来越多。VAVD有两个基本条件：膜肺的静脉储血器可以密闭并带有减压阀；人工心肺机必须配有VAVD专用装置——负压压力表。
在静脉循环中使用负压是为了改善静脉回流，但在某些情况下负[6-8]压可导致固定静脉插管的荷包线周围产生微气泡，许多学者研究了VAVD的负压问题，并比较了−10mmHg，−20mmHg及−40mmHg等不同压力下气泡微栓出现的数量，强调体外循环中如使用VAVD，其负压应保持在< −40mmHg，只要达到最佳静脉引流，负压越小越安全。此外，还应考虑静脉本身的重力虹吸引流，患者与手术台的位置，氧合器位置的高度对负压的影响。
目前国内使用较多的进口VAVD装置是德国MAQUET的VAVD CONTROLLER，具有产生负压，负压表，负压调节控制功能（图1-4）。图1-4 德国MAQUET的VAVD CONTROLLER（四）冷热水循环水箱
为了满足心脏直视手术对体外循环的要求，对患者体温进行必要的调控，通常有两种途径可选择：体表变温和血液变温。变温的设备是专用的变温水箱（也称冷热交换水箱）和直接传递温度的变温器及变温毯，变温水箱的作用是在体外循环中提供冷（冰）水或热水循环，通过血液变温器或变温水床为患者进行全身的或体表的降温及复温。为适应临床的需要，目前的变温水箱一般配有3组水循环回路，分别为氧合器、变温毯、心脏停搏液提供冷热水循环。
最新的水箱设计采用多组水循环回路，操作系统采用全触摸式彩色显示屏，具有高效制冷（冰）能力，操作简单，有回收循环水的功能，内置集成紫外线灯对水循环进行消毒，水箱整体体积更小巧，工作噪音降至最低，更智能化，更加安全（图1-5和表1-4）。图1-5 德国MAQUET HCU 40变温水箱表1-4 MAQUET HCU 40变温水箱主要技术参数三、展望人工心肺机的未来
尽管半个多世纪以来人工心肺机有了巨大的发展，但仍处于不断完善、改进的阶段。随着生物医学工程、计算机以及相关其他学科的新技术应用于体外循环，为人工心肺机的发展展现了广阔的前景。
20世纪90年代，一种新兴的外科技术——经自然腔道内镜手术和微创手术出现了，达芬奇外科系统机器人的问世，改变了传统的外科观念，机器人辅助心脏手术越来越受到重视，在开展微创心脏手术的同时，也产生了微创体外循环的新概念，微型体外循环设备及物品将成为未来发展的一个方向。
人工心肺机的体外循环原理衍生了体外生命支持（extra-corporeal life support，ECLS）的出现，ECLS迅速发展的模式将促进人工心肺机向小型化发展，小巧的离心泵替代滚压泵作为主泵是一大进步。目前离心泵采用磁悬浮和（或）液悬浮技术，在运转时血泵内用于驱动血液流动的叶轮悬浮在泵体内，马达直接驱动叶轮，叶轮在运转时与其他结构没有接触，因此血泵具有溶血少、血栓发生率低、无机械磨损及能效比高的优势，并减少了预充液，可长时间应用，充分体现了其优越性。
人工心肺机自诞生后，除了主要应用于心脏外科，还在非心脏的手术、非手术的辅助循环、紧急心肺复苏等方面取得许多进展，扩展了使用范围。随着医学科学的深入发展和不断增加的临床需求，未来新一代机型需与高新技术融合，有更完善的监测、更大量的信息。我们相信，一部更加智能化，自动化，人性化，更加安全，可靠的人工心肺机将出现在不久的将来，为灌注师提供功能强大的体外循环装置，更好地在临床中发挥其重要的作用。（黄伟明）参考文献
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法国Le Gallois早在1812年提出：“如果能用某种装置代替心脏，注射自然的或人造的动脉血，就可以成功地长期维持机体任何部分的存活”。1885年Von Frey和Gruber制成第一台可以连续灌注经氧合血液的人工心肺机，此即为血膜式氧合器的原型。1882年Schroder发明一种血液在体外氧合的方式，即从盛放静脉血的容器底部将空气吹入，使其产生气泡，当气泡在血液中上浮的过程中，血液通过血气界面进行气体交换，这是鼓泡式氧合器的原型。
由于该时期人工装置的氧合效率都不如生物肺，1895年Jacobj试用狗肺、猪肺和牛肺作为氧合器进行体外氧合，预充量为800ml。进入20世纪以来，氧合器种类更多：Gibbon使用的氧合器是转碟式的，Kirklin采用的是IBM公司制作的碟式氧合器。20世纪50年代后期出现鼓泡式氧合器，并在20世纪60年代大量使用。差不多同时，用可通透的Teflon薄膜制造的膜式氧合器出现，同鼓泡式氧合器相比具有更多的优点。到20世纪70年代，因为膜式氧合器在长时间手术时安全性更高，术后的并发症也较少，许多医疗中心转而使用膜式氧合器。
以下是1951—1953年所有在全体外循环下进行的心内直视手术病例（在交叉循环出现前——1954.3.26）的公开报道（表1-5）。表1-5 1951—1953年所有在全体外循环下进行的心内直视手术情况
1954年，Lillehei和他的同事将成人本身作为泵和氧合器与患者连接，用交叉循环的方法修补先天性心内畸形，16个月内共进行了47例手术，其中28例存活。这在实际上开创了心脏外科的时代，但是，用人作为泵和氧合装置存在巨大的风险，发展安全的体外循环装置仍然是进一步研究的目标。二、现今的氧合器类型
氧合器必须在不同温度（10～40℃）、不同流量［0～200ml/（kg·min）］、不同血细胞比容、不同压力和不同气体流量的条件下都具备足够的气体交换能力。由于现代工业及材料学的发展，体积过大、难以消毒、氧合效率低下、成本高昂及操作风险不可控等各种各样的原因，原来的碟式氧合器及异种生物氧合器被逐渐淘汰，而鼓泡式氧合器和膜式氧合器都可以满足以上必要的条件得以保存至今。
鼓泡式氧合器氧合过程形成的大量微气泡在氧合柱内同血液充分混合后直接进行气体交换，血液经过滤除泡等程序后进入人体，但其缺点是血液同气体的直接接触损伤了血液的成分，增加红细胞的溶血，同时导致血小板聚集，补体激活和炎症介质的大量释放。但由于鼓泡式氧合器制造简单且成本低廉，现仍在我国及部分发展中国家使用。膜式氧合器使用组织相容性较好的半透膜材料，利用气体弥散的原理进行血液氧合，由于血气不直接接触，可以减轻或避免鼓泡式氧合器产生的不良反应，因而成为目前使用最广泛的氧合器。
目前使用的膜式氧合器主要由带微孔的中空纤维膜组成，膜孔径仅3～5μm，这样血液和气体接触面积很小。微孔膜的优点是可以在较小的膜面积下达到满意的气体交换效果。其缺点在于，一旦在血液一侧形成负压，气体会进入血液并形成气栓，使用时间稍长会造成血浆渗漏。还有一种膜式氧合器是没有微孔的硅胶膜氧合器。其膜在氧合器内反复折叠，由于没用微孔，不会产生气栓，也甚少出现血浆渗漏。但是硅胶膜氧合器价格昂贵而且需要加大氧合面积才能达到中空纤维膜氧合器同等的气体交换效果。所以短时间灌注时，该类氧合器没有明显的优点。然而该氧合器在过去一段时期内是唯一推荐在长时间体外循环，比如长时间体外膜式氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）时使用。但随着高科技材料的改进、中空纤维的排列组合更为合理及涂层技术的应用，硅胶膜氧合器的优势在缩小，使用量也逐渐减少。三、儿童体外循环的特点
儿童尤其是新生儿与成人相比较，其循环血量少、氧耗量大、肺血管床反应性高，存在心内或心外的分流、器官发育不成熟、体温调节机制不同、对微栓耐受性差等生理特点。新生儿及婴幼儿心脏指数2为2.8～3.2L/（min·m），比成人高25%～50%；血管顺应性高，因此血压偏低；体表面积和体重的比例大；体温中枢发育不成熟，易随外界温度而改变；婴儿脑重占体重1/6，脑血流占心输出量的1/3，儿童期脑氧耗量占全身氧耗量50%，比成人大，而且超声多普勒资料显示，年龄愈小，上腔回血量愈多，也显示了与成人不同。在体外循环的操作上，常温时，不同的体重应用不同的流量（表1-6），体重越轻，分钟流量越大，低温时因代谢降低，灌注流量可相应减少（表1-7）。表1-6 常温体外循环所需要的流量
随着外科技术及外科理念的发展，越来越多复杂畸形的心脏病得以成功矫治，而在新生儿或小婴儿复杂心内畸形纠治手术中使用得最多的就是深低温技术。大多数情况下，深低温技术的使用是为了使外科医师能够在低流量（如纠治肺动脉闭锁伴丰富侧支循环）和停循环（如纠治主动脉畸形）的条件下更方便地进行手术操作。表1-7 根据体温预计最低流量（MPFRs）
低流量提供了一个基本无血的手术视野，有利于外科医师在心内进行一些重点操作。停循环时，手术医师可拔除心房和主动脉插管，使手术视野完全没有血液和插管的干扰，有利于更精确地完成手术操作。
根据小儿体外循环的特点，使用小型的管道系统和设备以减少预充液量是现代婴幼儿手术的趋势。在成人预充量仅为其血容量的1/4～1/3，而新生儿中体外循环预充量可能是其血容量的200%～400%，大量的预充液体将显著稀释患儿血液，使新生儿血细胞比容大幅度降低（< 15%），因此预充液中必须添加血液制品。四、婴幼儿膜式氧合器的新发展
随着现代高科技的发展，目前婴幼儿膜式氧合器的产品结构及材料大致相同，均由硬壳静脉贮血器、热交换器及氧合室等组成，其中外壳多为聚碳酸酯（PC），中空纤维膜为多孔聚丙烯，热交换器由不锈钢材料、聚亚氨酯（PU）或者聚酯纤维（polyethylene terephthalate，PET）构成，过滤器为聚酯纤维（PET），消泡器为聚亚氨酯（PU），密封件为硅胶（SI），封帽为热塑性弹性体等。
尽管材料类似，但由于纤维排列及集成度不一，各种品牌的膜式氧合器的氧合、变温、预充量等性能相差较大。传统的膜式氧合器大多在预充之前不要求，但是建议对氧合器进行二氧化碳预充；而且不允许任何形式的可吸入麻醉药（如异氟烷、乙烷等）和酒精滴到氧合器外壳中（否则可能会损害产品）；如果使用注射麻醉剂，例如丙泊酚，不应该在血液氧合之前注射，仅可注射小剂量（否则，药物剂量过大可能导致氧合器由于脂肪沉淀而出现功能障碍）。同时要求在使用热交换器时，不可在其供水中使用消毒剂或漂白剂。
考虑到婴幼儿的生理特点及体外循环的影响，目前国内外市场不断出现新型的微孔中空纤维膜氧合器。纵观这些正在研制或已经出厂的产品，其共性主要表现在：
1.使用新型的中空纤维材料和黏合剂，摒弃塑化剂DEHP以减少对患儿的远期影响，使其可以使用部分可吸入麻醉药（如七氟烷等），如迈科唯公司的QUADROX-i 11000膜式氧合器。
2.使用多层编织技术，使中空纤维在体积变小的情况下其血液气体交换功能明显加强，从而减少预充量，如索林公司的D100、D101系列，特殊的花瓣形血流路径设计可在流量相同的情况下，以最小的膜表面积即可达到满意的氧合效果（见文末彩图1-6）。图1-6 D100、D101膜式氧合器结构图
3.使用广泛的生物涂层技术，用生物药物（肝素涂层和磷酸胆碱涂层）或仿生物质（高分子涂层）涂抹管道内壁表面（以共价键、离子键或分子键结合），避免或减少了血液直接接触异物——管道，从而达到减少肝素用量、减少炎症反应、保护血小板及凝血因子的目的。目前常用的有美敦力公司的Carmeda BioActive Surface无沥滤端点结合的肝素涂层和Balance Biosurface不含肝素的极亲水生物涂层，索林公司的磷酸胆碱（PC）生物涂层，泰尔茂公司的X coating及迈科维公司的BIOLINE仿生高分子涂层等。它们模仿人体血管的内皮细胞，为血液通道提供一个稳定的表面，减少各种炎性介质的产生及血小板的黏附，以保护血小板的正常功能。
4.使用负压吸引装置（VAVD），以密闭式静脉贮血罐替代以往的开放式贮血罐，利用贮血罐内产生的负压增加静脉引流量，达到减少管道预充量的目的。使用更细密的滤器网面及深度滤器等使滤过栓子的效率大为提高，如迈科维公司的VKMO系列的贮血罐（见文末彩图1-7），索林公司的D100系列的贮血罐（见文末彩图1-8），顶端增加了负压保护装置。图1-7 VKMO系列的静脉贮血罐图1-8 索林公司的D100静脉贮血罐
5.使用整合技术，将动脉微栓滤器整合在膜式氧合器内，以减少过去使用独立动脉微栓滤器的预充量。如迈科维公司的QUADROX-I 11000氧合器（见文末彩图1-9）。图1-9 QUADROX-I 11000膜式氧合器A.膜式氧合器；B.膜式氧合器工作原理
总的来说，改进后的新型小儿型微孔中空纤维膜氧合器均减少了预充量（15～90ml）。而Maquet quadrox-1 vkmo 11000型和Dideco D100 Lilliput氧合器是专为新生儿所设计的，包括氧合器和变温器在内仅需要40ml预充量，其容量控制的贮血罐最小预充量为10ml，美国COBE公司也生产了预充仅47ml的膜式氧合器。虽然预充量很小，但是流量可以达到700～800ml/min，完全可以保证新生儿的灌注。如果使用非常精细的管路（内径1/4″，甚至于3/16″）并尽可能缩短管道长度，使用这些氧合器时整个循环系统仅需要100ml的预充液（见文末彩图1-10）。图1-10 常见的进口新型膜式氧合器五、我国膜式氧合器市场的现状
随着国家支持力度的不断加大以及全球一体化进程的加快，近年来国内心脏外科及体外循环医疗器械行业得到了突飞猛进的发展。尽管同发达国家相比仍然存在差距，但是中国心脏外科及体外循环医疗器械发展快速，成为了全球第二大医疗设备市场。据2014年的统计，中国膜式氧合器主要品牌的市场仍以进口产品为主。其中MEDOS膜式氧合器在中国市场的占有率最高，约为19.7%；MEDTRONIC膜式氧合器的市场占有率约为8.6%；SORIN GROUP ITALIA膜式氧合器约为12.1%；EDWARDS的膜式氧合器约为17.6%；其他各个品牌在中国市场的占有率共约为46%，其中国产膜式氧合器的总和约占市场的35%。国内膜式氧合器厂家主要分布在西安、广东、天津、威海等地，由于这些企业在自主设计，材料选择以及生产工艺等诸多方面还不够成熟，因此其产品质量仍不够稳定、设计老化、无涂层而且预充量大，缺乏研发能力，投入不足，有些膜式氧合器研发近十年产品仍处于图纸阶段，与国外产品比较存在较大差距。因而婴幼儿膜式氧合器的国产化，虽然市场前景广阔但步伐艰难，任重而道远。（黄国栋）参考文献
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自从1953年Gibbon使用人工心肺机成功完成世界上第一例心脏手术后，体外循环这一新兴的技术开始普遍应用于心脏外科。1972[1]年，Hill首次使用体外循环设备为一例成人外伤后严重呼吸衰竭的患者行长时间（75小时）支持获得成功。这是一次超长时间的体外循环并获得成功，大大超出了所有人的想象力。同年，Robert报告在手术室外成功使用体外循环的另一种模式——体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）也获得成功，这一创举促使了体外循环向ECMO迈开了一大步，这种技术首先在新生儿和小儿患者中得到应用，而后逐渐扩大应用到成人。ECMO在临床上的应用至今已经有三十多年的历史，对于患有严重心肺功能不全又对传统常规治疗难以起效的成人或小儿，ECMO已成为一个非常重要的[2，3]治疗手段。近十多年来，ECMO由于设备的改进，技术的不断发展，成功经验的不断积累而变得更加安全可靠，适应证扩展到ICU有更多的患者使用，如心或（和）肺移植的过渡，不稳定患者肺切除的[4][5]支持，急性呼吸窘迫综合征（ARDS）患者的支持等。尤其是2009年H1N1（A型流感）的暴发，使得经传统治疗失败的心肺衰竭的成人患者数量猛然增加，引发大家对V-V ECMO和体外CO2排除以支持呼吸系统的治疗方式再度关注。ECMO又称体外生命支持（extra-corporeal life support，ECLS）。ECLS应用于呼吸衰竭的机制，是通过避免机械通气的损伤，起到保护肺脏、促进早期恢复的作用，并可作为肺移植的一种过渡手段。除了V-V ECMO，对心脏术后衰竭以及由于各种病因引起的血流动力学降低的危重患者，使用V-A [6]ECMO的机会也增加了。
据世界体外生命支持组织（Extracorporeal Life Support Organization，ELSO）的统计，至2015年底全球使用ECMO总例数已达73 596例，存活51 837例（70%），出院42 947例（58%）。接受ECLS的患者大多是新生儿，占53%，小儿占25%，成人占23%；其中41 300多例（63%）是呼吸支持，18 700多例（29%）是心脏支持，[7]5100多例（8%）是体外心肺复苏。（一）ECMO的基本结构与原理
ECMO的原理与体外循环相似，是在体外循环设备的基础上进行新的优化组合。循环系统由血泵，膜肺（氧合器），热交换器以及插管和管道组成。尽管目前有部分ECMO仍使用传统的滚压泵作为动力泵，但成套专用的ECMO设备及耗材现多采用离心泵取代传统的滚压泵，像Medtronic公司、TURUMO公司、MAQUET公司及SORIN公司，都使用各自的离心泵与膜肺连接成一个新的组合——ECMO系统。ECMO系统分为设备与耗材两部分：设备包括电源、驱动马达、恒温水箱、监测与操作系统；耗材是由离心泵头和膜肺连接在一起组成的ECMO套包。ECMO系统的特点是体积小，重量轻，便于移动、转运，操作简单，灵活性强，使用安全，尤其适用于紧急状态下快速安装。由于ECMO使用时间较长，为减少对血液成分的损伤，与血液直接接触的耗材部分已经过表面生物涂层的处理。
ECMO在体外模拟人体心脏与肺的作用，辅助和支持心肺功能，让患者的心脏与肺脏得到休息，并逐渐改善、恢复。由于ECMO作用的不同，其系统已自成体系，与体外循环有较大的区别（表1-8）。表1-8 ECMO与常规体外循环的区别注：CPB：心肺转流（体外循环）；ECMO：体外膜肺氧合；OR：手术室；ICU：重症监护室；ACT：激活凝血时间；V-A：静脉-动脉；V-V：静脉-静脉
1.离心泵
滚压泵与离心泵是在ECLS中使用的最基本的两类血泵，滚压泵通过挤压固定在U型的血槽内柔韧的泵管，驱动管道内的血液均匀地向前流动。泵速与泵管内径按比例形成流量，转流中需要小心的操作和细心的管理，一般不适合较长时间的成人支持。20世纪70年代Medtronic公司最早研制出离心泵，离心泵通过泵头内叶片高速旋转产生离心力导致引流管内的负压及随后泵出的正压血流，泵速与血流量两者之间没有直接或固定的关系，需要流量计测定流量。现代离心泵的设计更加完善，采用磁性的或磁悬浮的驱动装置，高速旋转产生了每分钟的流量，由于泵头小，预充量少，产热量降低，血液表面接触面积减少而使溶血发生率降低。
离心泵由控制台、驱动马达和离心泵头组成。目前常用的离心泵品牌有Medtronic BioMedicus泵、Terumo Capiox泵、MAQUET Rotaflow泵及SORIN Revolution泵（图1-11）。离心泵泵头外壳的制作材料选用耐热耐久、抗化学腐蚀的聚碳酸酯，离心泵内部结构的设计有分层锥体式、平行直槽式、流体通道式和弯曲叶片式等四种类型。离心泵头内含磁铁，与带有磁性装置的驱动马达相互磁性连接，当驱动马达高速旋转时带动泵头内的锥体或叶片高速旋转，产生涡流和离心力，推动血液向前流动。各离心泵头内部结构不同，MAQUET Rotaflow泵头内的支撑轴采用陀螺状的单点支撑的蓝宝石轴承，而AFFINITY CP离心泵则采用陶瓷材料作为支撑轴，这些制作材料大大减少了因摩擦引起的发热。离心泵产生的流量需要有一个流量传感器来测定，传感方式有超声和电磁两种。为了改善与血液的良好的生物相容性，减少炎性反应，减少术后出血及降低并发症的发生率，离心泵采用了生物涂层技术，如Medtronic公司的产品采用的是Trillium和Carmeda的肝素生物相容性涂层，MAQUET公司采用BIOLINE肝素涂层，SORIN公司采用磷酸胆碱涂层。MAQUET Rotaflow泵头是目前体积最小的，预充量只有32ml的离心泵，比较适合小儿应用。该泵头驱动装置集成了流量监测和气泡检测两种功能，可分别监测引流端的压力和泵出端的压力以防止出现超负压和超正压。使用更简单，其内置蓄电池开机后自动充电，交流电切断后可继续运转90分钟，机上配备的手摇柄，可在机器出现故障时，以手摇转动血泵的方式维持灌注流量。图1-11 SORIN Revolution离心泵泵头
新一代德国MEDOS DELTA STREAM Ⅲ（图1-12）的S.PUMP、DP3是一种对角线式的离心泵系统，离心泵采用磁悬浮原理，由于无摩擦，不产热，对血球破坏极小。其特点主要是：使用DP3泵头（图1-13）灌注可长达7～40天，泵头设计可达到零流量而无反流现象，流量调节成人最小100ml/min；小儿20ml/min，泵头预充量仅16～17ml，尤其适合儿童及婴幼儿，DP3是唯一具有搏动灌注的离心泵。驱动马达配有2块蓄电池，每块最长可用180分钟，适合较长时间的患者转运。图1-12 MEDOS DELTA STREAM Ⅲ离心泵系统图1-13 MEDOS deltastream DP3泵头
2.膜肺
膜肺（氧合器）负责血液的气体交换，是ECLS系统中最关键的部分之一，氧合器的设计经过从早期平面（垂屏式）氧合器到鼓泡式氧合器，发展到膜式氧合器，由此开始了体外循环的膜肺时代。膜肺又分为两种形式，无微孔的硅橡胶膜肺和中空纤维膜肺。硅胶膜氧合器无微孔，通过气体弥散的作用进行气体交换，不会产生气栓以及血浆渗漏，可长时间使用，但缺点是氧合能力受结构影响，需较大的膜面积才能满足临床需要，加上价格昂贵，市场受限。中空纤维膜肺也
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