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1.ECMO的發(fā)展歷史
鼓泡式氧合器于1953年成功應(yīng)用于體外循環(huán)心臟直視手術(shù),但鼓泡式氧合器并發(fā)癥較多,其應(yīng)用時間僅限數(shù)小時。1956年,Clowes等研發(fā)了氣體交換膜,隨著交換膜材料的不斷改進(jìn),仿生呼吸的膜式氧合器(膜肺)逐漸在臨床普及使用,膜肺的氣體交換能力強(qiáng)、生物相容性好、血液破壞少、氣栓發(fā)生率低,尤其是纖維膜肺的研制,其良好的穩(wěn)定性和安全性為長時間體外氧合應(yīng)用提供了可能【1】。
20世紀(jì)60年代末,有人嘗試用體外心肺支持技術(shù)治療呼吸功能衰竭,并提出ECMO的概念。Hill等于1972年采用ECMO技術(shù)成功治愈了一位24歲合并呼吸衰竭的復(fù)合傷患者【2】。四年之后,Bartlett等報道了首例新生兒急性肺損傷應(yīng)用ECMO技術(shù)治療并存活。此后ECMO的應(yīng)用逐漸增多,多項研究表明ECMO可顯著降低新生兒急性肺損傷及小兒急性呼衰的死亡率【3-5】,這是吸入NO、高頻振蕩通氣、肺泡表面活性物質(zhì)替代等治療措施都無法實現(xiàn)的,因而ECMO已經(jīng)成為了新生兒急性肺損傷的標(biāo)準(zhǔn)治療手段。1989年以來,登記在體外生命支持組織(ELSO)臨床應(yīng)用ECMO的例數(shù)超過24,000例,多數(shù)為新生兒。ECMO對成人肺損傷的療效尚存在爭議,但普遍認(rèn)為此技術(shù)是一項安全有效的維持生命的臨時救治手段。
2ECMO的原理和簡要操作
簡單地說,ECMO治療時先將體內(nèi)血液引流至儲血罐,然后由機(jī)械泵將血泵入氧合器,經(jīng)膜肺將血液氧合、排出CO2并加溫后再通過另一路管道回輸患者體內(nèi)。引流體外和泵入體內(nèi)的管道之間有一備用的短路,其作用是一旦回路或機(jī)械故障時可迅速將機(jī)體與ECMO系統(tǒng)脫離,從而確保臨床使用安全【6】。
ECMO的管道回路模式分二種,即靜脈-動脈體外氧合(VA-ECMO模式)和靜脈-靜脈體外氧合(VV-ECMO模式)。VA-ECMO模式經(jīng)靜脈置管到達(dá)右心房引流靜脈血,通過動脈置管到主動脈弓處將排除了CO2的氧合血回輸動脈系統(tǒng)。新生兒一般選擇右側(cè)頸內(nèi)靜脈和頸總動脈置管,而成人可選擇股動靜脈。VA方式的優(yōu)點是可同時提供心肺支持。其缺點是干擾了正常循環(huán)的血液分配和搏動方式,可造成腦、肺、心肌的損害,氣栓的發(fā)生率較高;此外動脈置管結(jié)扎后尤其在小兒容易發(fā)生血管重構(gòu)畸形。VV-ECMO模式是將血液在右心房水平進(jìn)行氧合并去除CO2,一般認(rèn)為其只提供肺功能的支持,其缺點是血液重復(fù)轉(zhuǎn)流,效率低于VA模式,因而不適用于心功能不能及時糾正的心衰患者。VV模式的優(yōu)點是對血液和機(jī)體的影響較小,避免了動脈插管及其相關(guān)的栓塞等嚴(yán)重并發(fā)癥。體外二氧化碳清除(ECCO2R)的實際上也是VV-ECMO的一種方式,膜肺在此的作用主要是清除多余的CO2,結(jié)合低頻正壓通氣(LFPPV:f=3~5/min)用于治療成人ARDS【7】。
3ECMO的臨床應(yīng)用
3.1新生兒肺疾病適應(yīng)ECMO治療的新生兒肺疾病包括胎糞吸入綜合征、先天性隔疝、肺部感染等,因最終都導(dǎo)致肺損傷、低氧血癥甚至持續(xù)性肺動脈高壓。一般認(rèn)為,新生兒氧合指數(shù)(OI)≥40時為ECMO啟用標(biāo)準(zhǔn)(氧合指數(shù)=平均氣道壓力×吸入氧濃度×100÷動脈氧分壓)。ECMO的目標(biāo)是維持機(jī)體正常氣體交換,通常VA方式應(yīng)維持回路中靜脈血氧飽和度高于75%,而VV方式時脈搏氧飽和度監(jiān)測應(yīng)在85%以上。一旦轉(zhuǎn)流穩(wěn)定,肺內(nèi)機(jī)械通氣一般調(diào)整為低呼吸頻率(5~10次/min)、低氣道壓(<25cmH2O)和一定的PEEP(4~10cmH2O),FiO2在21~40%。因新生兒很少有慢性肺疾病基礎(chǔ),應(yīng)用ECMO支持后生存率相對最高。胎糞是一種無菌異物,ECMO的過渡治療為新生兒清除胎糞贏得時機(jī),使治療成功率大為提高。先天性隔疝若在出生后6小時內(nèi)表現(xiàn)出相應(yīng)癥狀者絕大多數(shù)不能存活,ECMO替代治療可使此類患兒的死亡率降至50%以下。新生兒嚴(yán)重感染時,ECMO是一種挽救生命的手段,但此時感染導(dǎo)致的生理功能紊亂增加了ECMO治療的難度和維持時間【8】。此外,對藥物和常規(guī)呼吸支持治療無效的持續(xù)性肺高壓患兒,采用ECMO治療,在保證充分氧供的同時,避免了常規(guī)機(jī)械通氣對肺的進(jìn)一步損傷,并可降低肺血管阻力,為患兒重新建立正常體肺循環(huán)和存活創(chuàng)造了條件。
3.2急性呼吸衰竭、ARDS和急性肺損傷用于急性呼吸功能衰竭的替代治療是研制ECMO的初衷。一般認(rèn)為,誤吸、創(chuàng)傷、嚴(yán)重肺部感染、膿毒血癥等直接或間接造成肺損傷,繼而引起的呼吸衰竭和ARDS是ECMO的適應(yīng)癥,特別適用于小兒或成人的急性肺損傷。但作為一種操作復(fù)雜、管理繁瑣、費用昂貴的治療手段,臨床上通常在常規(guī)呼吸支持和輔助治療無效后才考慮使用ECMO。臨床病例報道顯示采用傳統(tǒng)呼吸支持治療為主的綜合治療,呼吸衰竭患者的生存率約為18%~44%,但同期相同嚴(yán)重程度的呼衰患者經(jīng)ECMO和保護(hù)性機(jī)械通氣等治療措施,生存率可達(dá)66%【9】。因此,在傳統(tǒng)方法治療過程如病情繼續(xù)進(jìn)展或伴心血管功能不穩(wěn)定的呼衰患者,為保持良好的氣體交換、避免通氣過度和氣道高壓,ECMO也不失為一種臨時挽救生命的手段。目前對何時該啟用ECMO尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),成人ARDS的一個入選指標(biāo)是吸入純氧2小時PaO2<50mmHg。但上述指標(biāo)的合理性和嚴(yán)謹(jǐn)性仍需進(jìn)一步評估和統(tǒng)一。由于ECMO只是暫時的替代措施,因此不適用于不可逆的心肺腦疾病和預(yù)后不良的患者。相對禁忌癥則包括老年、免疫抑制、腦外傷、左心衰、肝素誘導(dǎo)血小板減少癥等。
3.3心臟手術(shù)由于VA-ECMO的血流灌注可達(dá)心輸出量的75%,因此有人將ECMO嘗試用于CPB脫機(jī)困難的心臟手術(shù)病人。治療期間必須保證正常肺通氣以防肺不張,并注意維持正常的血CO2和O2分壓。至于在先天性心臟病新生兒心臟手術(shù)前使用ECMO,尚存在爭議【10】。
3.4肺梗塞或氣道梗阻對急性肺梗塞和氣道梗阻的患者,快速建立ECMO是一種有效的搶救措施。
3.5心肺移植手術(shù)ECMO不僅可為晚期心肺功能衰竭而等待移植手術(shù)的患者爭取足夠的時間,也可改善全身狀況,對預(yù)后有利。ECMO還為順利度過手術(shù)和術(shù)后恢復(fù)期保駕護(hù)航。肺移植術(shù)后的再灌注水腫和呼吸衰竭是臨床治療的難點,因此有人在肺移植術(shù)中建立ECMO代替CPB,并將ECMO支持時間延長到術(shù)后,這對危重病人的管理和肺功能的恢復(fù)非常有利,尤其是肺動脈高壓行單肺移植者【11】。在心臟移植術(shù)后,心肌頓抑常導(dǎo)致頑固性的心功能衰竭,而ECMO支持則為心肌頓抑的恢復(fù)創(chuàng)造條件。雖然主動脈內(nèi)球囊反搏更常用于臨床,但它只針對左心系統(tǒng),不能對嚴(yán)重心衰病人提供足夠的循環(huán)支持,且在股動脈較細(xì)的小兒患者使用受限。在這些情況下,ECMO能代替球囊反搏或兩者聯(lián)合治療。
3.6其他ECMO在臨床難于處理的代謝性酸中毒、心肌炎、頑固性休克、無心跳供體的臟器保護(hù)等方面也能發(fā)揮其特殊的治療價值。并發(fā)或并存急性腎功能衰竭、肝功能衰竭時,需要血液透析治療,可將血透機(jī)或其他支持裝置連接在ECMO回路上,用于支持多臟器功能【12】。
4ECMO治療的并發(fā)癥
ECMO的并發(fā)癥主要包括機(jī)械原因和生理原因兩大類。前者如回路血栓堵塞或脫落、氧合器功能不良、機(jī)械泵或加熱器故障、置管和拔管相關(guān)并發(fā)癥等。一旦發(fā)生上述并發(fā)癥,應(yīng)迅速讓機(jī)體從ECMO上脫離,并恢復(fù)治療前的機(jī)械通氣,同時處理相應(yīng)的回路問題。生理原因主要跟ECMO擾亂了凝血功能和動脈搏動灌注方式有關(guān),主要包括以下幾方面。
一、中樞神經(jīng)系統(tǒng)ECMO無脈搏轉(zhuǎn)流和右頸動脈的結(jié)扎改變了正常的血液循環(huán)方式,有可能導(dǎo)致右腦損傷和聽力損害,ECMO期間保持正常的頭位以利于良好的顱內(nèi)血供對預(yù)防中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥十分重要。為避免右頸內(nèi)靜脈血液淤滯,有人建議經(jīng)頸內(nèi)靜脈向腦端置管,充分引流顱內(nèi)血液從而減輕腦淤血。此外,鎮(zhèn)靜劑的應(yīng)用可減少ECMO期間躁動和癲癇的發(fā)生。
二、血液系統(tǒng)主要是出血傾向,顱內(nèi)出血尤其是新生兒腦室出血發(fā)生率在14%左右。在不足35周的新生兒應(yīng)用ECMO,幾乎100%發(fā)生腦室出血,因此ECMO禁用于不足36周的新生兒。ECMO轉(zhuǎn)流期間血小板易粘附于硅膠膜和管道表面,導(dǎo)致血小板的持續(xù)破壞和消耗,因而ECMO對血液系統(tǒng)損害最大的是血小板。故ECMO治療期間一般需每天補(bǔ)充濃縮血小板。紅細(xì)胞破壞和溶血也容易發(fā)生,因而成人有時需補(bǔ)充濃縮紅細(xì)胞。肝素化回路可減少血細(xì)胞的破壞,降低出血的發(fā)生率,但價格較昂貴。
三、心血管系統(tǒng)ECMO期間有時出現(xiàn)心搏出壓和搏出量極度降低的現(xiàn)象,即所謂的心臟暈厥現(xiàn)象【13】,一般持續(xù)時間較短暫,具體機(jī)理不明,但與死亡率有關(guān)。此外,高血壓也是ECMO期間一種危險的并發(fā)癥,可增加顱內(nèi)出血的危險,甚至誘發(fā)心包填塞。栓塞也是常見并發(fā)癥,氣栓或者血栓可引起神經(jīng)系統(tǒng)和外周組織梗塞的相應(yīng)癥狀。
四、其他少尿在ECMO早期常見,另外還有感染、水電解質(zhì)紊亂、酸堿平衡失調(diào)等。
5新型ECMO的研發(fā)與應(yīng)用
5.1AV-ECMO
一種新的ECMO方式,血液從動脈經(jīng)過專門用于AV方式的低阻力體外膜肺【14】回流到靜脈,血流直接依靠動靜脈之間的壓力差推動,因而無需血泵裝置。數(shù)學(xué)模型分析表明,10~15%心搏量經(jīng)過氣流量5L/min的AV-ECMO可滿足CO2的清除,而對O2交換意義較小。血流量主要取決于管道直徑和平均動脈壓。AV-ECMO臨床應(yīng)用的可行性和安全性已得到證實【15,16】,它可使高碳酸血癥患者的PaCO2明顯下降。AV方式的最大優(yōu)點在于避免了與機(jī)械泵有關(guān)的并發(fā)癥,減少了血液破壞和簡化臨床管理;其缺點動脈置管并發(fā)癥增多,心臟負(fù)荷增加。AV-ECMO適用于急性呼吸衰竭、高碳酸血癥、需行保護(hù)性肺通氣又要避免高CO2分壓的ARDS合并腦損傷患者【17】。
其禁忌癥包括心衰、休克和外周動脈阻塞性疾病。當(dāng)然,對于這種新的AV-ECMO方式,尚需更多的研究和臨床實踐,才能對其作出正確的評價。
5.2小型膜肺及微型可植入型膜肺
整合血泵動力和氧合,甚至加熱的小型微型人工肺正被開發(fā)研制【18】,這將大大減少血液的破壞和提高效率,更有利于臨床操作和應(yīng)用。另一個簡易化設(shè)計是能置入腔靜脈內(nèi)的微型氧合器,但由于較低壓力的靜脈血經(jīng)過氧合器時流速緩慢,氧合效率很低,無法滿足ARDS患者的氧合需求。于是人們設(shè)想研制一種將較小阻力氧合器和微軸血泵相結(jié)合的血管內(nèi)肺膜【19】。還有一種設(shè)想是通過右心房的壓力作為泵動力,利用可植入性氧合器獲得長期氣體交換輔助,這一設(shè)計思路已在動物(綿羊)試驗中獲得成功【20】,正在投入臨床試驗。
6小結(jié)
1.ECMO的臨床應(yīng)用給體外循環(huán)帶來新的理念和定位,是心肺輔助循環(huán)的一種拓展,眾多實驗和臨床資料證實ECMO對改善機(jī)體氧合、排除多余CO2、維持血流動力學(xué)的穩(wěn)定、促進(jìn)心肺功能的恢復(fù)十分有效。而正確掌握適應(yīng)癥和選擇轉(zhuǎn)流方式,盡可能降低和減少相關(guān)并發(fā)癥,才能更好地提高ECMO對危重病人治療的成功率。我們有理由相信,隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展,ECMO(或ECLS)一定會在臨床危重病人的治療中發(fā)揮越來越重要的作用。