微型體外循環應用現狀及發展趨勢

孟 凡，楊 明

上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市，200240

微型體外循環應用現狀及發展趨勢

【作 者】孟 凡，楊 明

上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海市，200240

微型體外循環是針對常規體外循環的術后副作用而改進產生的一種新型體外循環系統。本文介紹了其原理、特點、應用及相關研究情況，并針對目前仍存在的炎性反應與灌注時間有限等問題提出了系統小型化、集成化；采用新型搏動流血泵；進行人體參數識別的自適應控制三方面發展方向。

微型體外循環；體外循環

據記載，1951年～1955年中，有18例采用體外循環(extracorporeal circulation, ECC)技術開展心臟外科手術，其中僅一例獲得成功，而今體外循環已經在心臟外科手術中得到廣泛使用，并挽救了成千上萬人的生命[1]。在體外循環發展的60多年間，從設備到技術都已有了長足進步，但目前常規體外循環(conventional extracorporeal circulation, CECC)仍存在一些問題，例如術后炎性反應、凝血紊亂、臟器損傷等[2]。

為了解決CECC的不良反應與并發癥，微型體外循環(minimized extracorporeal circulation, MECC)的研究得到了廣泛關注。MECC是將CECC小型化、集成化后的改進系統，目前已經在美國、英國、德國等國家得到了臨床應用。本文回顧了近些年MECC的應用情況與研究現狀，并對其發展方向進行了展望。

1 MECC構成與基本原理

MECC系統是由血泵、氧合器、變溫器、動靜脈濾器等組成的閉合回路。血液從靜脈插管接至氧合器進行氧氣與二氧化碳氣體交換，代替人體肺臟進行血液氧合，氧合后的血液被吸入血泵并通過主動脈送往

全身各處組織，如此周而復始在體外進行血液循環，代替人體心肺功能。系統內還設有變溫器，起到在手術開始時降低體溫，手術結束時升高體溫的作用；動靜脈濾器用以發現并過濾氣泡，防止氣栓、血栓的形成。不同系統根據具體需要，上述主要部件相互位置有所不同。MECC與CECC主要不同點在MECC去掉了靜脈回流室，靜脈回流室用于儲存一定量血液供循環緩沖，以備突發情況時給灌注師一定反應時間，起到增加循環安全性的作用。

2 MECC的特點

2.1 減少預沖量

MECC將CECC主要部件進行了集成化，去掉靜脈回流室，以患者本身作為靜脈回流緩沖區；另外研究人員也通過實驗證明某些CECC的主要部件可以小型化。例如，意大利研究人員Patrizio Sartini等在給肥胖病人使用MECC進行體外循環時采用了Admiral氧合器，其為一種真空纖維氧合器，體積小于一般體外循環所使用的氧合器體積，最終順利完成了手術[3]。另外MECC多采用離心泵，離心泵在實現同樣灌注參數的條件下所需泵體體積比滾壓泵小，從而可以使整個灌注系統更接近患者，縮短了連接管路的長度。MECC的改進可以明顯減少預沖量，從CECC需要的大約1 500 mL減少到約500 mL左右[4]，大大減少了循環過程中血液稀釋帶來的副作用。

2.2 減少血液與異物接觸面面積

MECC所有內表面都經過生物兼容性材料處理，一般采用肝素，也有采用磷脂酰膽堿涂層[2]。這樣可以減少血栓的形成，同時減少手術過程中肝素的用量，多余的肝素在術后需要用魚精蛋白進行中和，中和不全或中和過量而殘留的肝素和魚精蛋白都會造成術后出血[5]。所以，減少肝素的使用對于術后產生的凝血紊亂有直接的好處。

2.3 閉合循環系統

MECC在去除了與外界相連通的靜脈回流室后，實現了閉合循環回路，明顯減少了血-氣接觸面，從而降低了血液細胞激活數量和炎性反應，為長期循環灌注提供了可能性。美國Millard Fillmore醫院統計了該院1 681例使用體外循環手術案例，其中616例使用開放式循環灌注，1 065例采用閉合式循環灌注，數據顯示閉合式循環灌注在各項指標中都顯示出一定優勢[6]。

3 MECC系統實例

目前在市場上的各種MECC設備中，血泵主要采用離心泵，少數MECC采用滾壓泵；氧合器主要分為膜式氧合器與真空纖維氧合器兩種。以下介紹幾種各具特色的MECC系統。

3.1 Maquet公司生產的MECC系統

該系統整個閉合管路都經過表面肝素化，主要由Rotaf l ow離心泵和Quadrax D膜式氧合器組成，見圖1。整個系統預沖量為500 ml，采用了倒吸式自體血液預充技術(retrograde autologous priming, RAP)，可以實現預充液全部排出，由自體血液預充的效果，減小了血液稀釋問題[7]。

圖1 MECC系統Fig.1 MECC system

3.2 ROCsafeRX系統

該系統是一個由Sarns離心泵、Terumo RX 15真空纖維氧合器、動脈血液過濾器等設備集成的閉合式系統，見圖2。該系統還集成了一個靜脈氣栓檢測單元，由氣泡檢測、氣泡收集與電子靜脈開關等組成，可以在檢測到氣泡的同時降低離心泵轉速以降低流速，隨之關閉靜脈開關以便手動清除氣泡收集器中的空氣[8]。

圖2 ROCsafeRX MECC系統Fig.2 ROCsafeRX MECC system

3.3 Aachen系統

亞琛工業大學最新研制出一款MECC系統，其將旋轉泵集成在氧合器內，變溫器集成在靜脈血液緩沖器內，再將所有部件采用無管道直接連接從而將所有主要部件集成為一個主體，見圖3和圖4。該系統設計預充量為102 mL，適合用于兒童的體外循環灌注。目前已完成與其他同種類泵體的對比動物實驗輸出壓力300 kPa(40 mmHg)左右，最大流量(184±45) ml/min，見圖5。證明其已實現小型動物模型要求的灌注功能，并且降低了術后炎性反應[9-11]。該系統消除了各主要部件之間的連接管路長度，從而明顯減少了預充量和血液接觸面積，對炎性反應，血液稀釋等問題的解決提供了新的方法。

圖3 Aachen MECC系統Fig.3 Aachen MECC system

圖4 Aachen MECC系統使用過程中Fig.4 Aachen MECC system in the operation

圖5 Aachen MECC系統動物實驗Fig.5 Aachen MECC system in the animal experiment

4 MECC的臨床應用

在MECC研制初期，其通常只是被用在冠狀動脈旁路移植(Coronary Artery Bypass Grafting, CABG)與主動脈瓣置換(aortic valve replacement，AVR)過程中，隨著近些年MECC的不斷發展，已經有越來越多的心臟外科手術采取MECC輔助循環，并取得了不錯的效果。

4.1 MECC應用于CABG與AVR手術中

MECC在CABG與AVR手術中取得了比CECC更好的輔助效果，對病人康復提供了更好的條件。Klinikum等對291名接受過CABG或AVR手術的病人(CECC組146人、MECC組145人)進行了統計，結果顯示在設備故障方面二者均表現良好，而在灌注功效方面（包括輸血量與房顫發生率）MECC組要顯著優于CECC組[8]。另外，Kof i dis T等對80名（其中30名采用CECC輔助循環，50名采用MECC輔助循環）接受CABG手術治療的病人信息進行了統計分析：MECC組的失血量與輸血量均小于CECC組；輔助循環時間也短于CECC組(74±17) min比(82±24)min；ICU監護時間兩組沒有明顯差別；血細胞激活與破壞方面MECC組優于CECC組[12]。

4.2 MECC應用于心臟術后心源性休克的灌注循環

德國雷根斯堡大學醫院報告了一例為57歲心源性休克病人采用MECC長期循環灌注的案例。該病人由于冠狀動脈栓塞發生心臟術后心源性休克，為其采用了MECC循環灌注，持續時間37 d，期間病人處于清醒狀態，自主呼吸，最終過渡到心臟移植。該例證明MECC有可能延長安全灌注時間，可以用于心源性休克到供體移植的短期過渡，但由于灌注循環期間，病人行動受限，故不適合作長期輔助循環使用[13]。

4.3 MECC用于左心輔助設備(Left Ventricular Assist Device, LVAD)植入

LVAD的植入可不需要體外循環輔助，即無泵左心輔助設備植入，但在該類手術中采用MECC作為備用灌注源可使手術效果更好。希臘AHEPA大學醫院為一名65歲的擴張性心肌病病人植入LVAD時使用MECC作為輔助循環，術中MECC防止了LVAD移植過程中造成的血液灌注波動，減小了手術副作用。將MECC用于LVAD的植入還可以代替一部分呼吸作用和LVAD植入后右心室短暫紊亂情況下的輔助循環，起到手術中突發情況的應急作用，增加該類手術的安全性[7,14]。

除此之外，還有報道在降主動脈移植過程中采用MECC，也都取得了較好的手術效果[15]。

5 MECC的發展方向

目前MECC主要研究方向仍應致力于減小術后副作用與延長循環灌注時間。基于上述分析本文認為MECC未來主要有三個發展方向。

5.1 采用搏動流血泵灌注

目前臨床使用中的MECC大部分采用非搏動流灌注（nonpulsatile perfusion，NP），而搏動流灌注（pulsatile perfusion，PP）與非搏動流灌注的研究也在不斷進行。Tijen等[16]對215例臨床灌注結果分析得出兩種灌注的灌注總量無顯著差別，術后ICU各項數據表明PP組更利于心臟、腎和肺功能的恢復；Zhao Ju等[17]證明術中及術后短期腦血氧飽和度PP組高于NP組；內皮素PP組低于NP組；結合其他參數證明PP組可提供更好的腦供氧和微循環灌注。沈耀峰等[18]通過臨床實例證明CPB心臟手術采用搏動灌注的腦氧代謝和腎保護優于非搏動流灌注。以上研究顯示搏動流比非搏動流在器官保護與恢復方面更具優勢，此外還有研究顯示在血流動力學方面搏動流具有更好的能量傳輸特性[19-20]，所以MECC將來應采取搏動流灌注。選擇搏動流血泵方面，由于滾壓泵與離心泵在血液破壞方面的劣勢，將來可以采用LVAD中已臨床使用的各種隔膜式搏動泵，該類型泵已被證明可以長時間工作于人體內。

5.2 系統小型化與集成化來減少預沖量并降低術后炎性反應

一方面，在保證性能的前提下進一步縮小主要部件尺寸并進行表面生物兼容性處理，從而減小預沖量與血液和異物接觸面積；另一方面，雖然血泵和氧合器等都是帶來主要預沖量的部件，但最大一部分預沖量還是由連接管路帶來[10]，所以應進一步加大系統集成化，以通過縮短連接管路來減少預沖量。Aachen系統提出的方法，即將所有部件集成為一個整體，減少了主要部件間的管路長度也縮小了系統整體尺寸，使其在術中可以更靠近患者，從而又減少了系統與患者間管路長度。

5.3 人體參數的識別進行系統自適應控制

MECC系統為了降低預沖量去掉了在灌注過程中起緩沖作用的靜脈回流室，從而降低了系統的安全性，增加了灌注師的操作難度。目前只有經驗非常豐富的灌注師與配合默契的手術團隊才能采用MECC系統，這也是妨礙MECC系統普及的一個原因。如果能結合灌注過程中對心血管功能，人體重要臟器功能，血液生化等重要人體參數的有效識別與監測，進行MECC系統的自適應控制，盡可能的使體外循環灌注符合或接近生理指標，便可以提高循環灌注的安全性與系統的可操作性。

目前，我國在MECC的使用與研究方面尚處在起步階段，臨床應用與研究成果還不多，希望國家能對該領域予以關注并加大投入力度，促進MECC在我國的推廣與發展，為更多的患者帶來福音。

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The Present and Future State of Minimized Extracorporeal Circulation

【Writers】Meng Fan, Yang Ming

School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240

Minimized extracorporeal circulation improved in the postoperative side effects of conventional extracorporeal circulation is a kind of new extracorporeal circulation. This paper introduces the principle, characteristics, applications and related research of minimized extracorporeal circulation. For the problems of systemic in fl ammatory response syndrome and limited assist time, the article proposes three development direction including system miniaturization and integration, pulsatile blood pump and the adaptive control by human parameter identi fi cation.

minimized extracorporeal circulation, extracorporeal circulation

R318.1

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2013.03.013

1671-7104(2013)03-0203-04

2012-12-02

國家自然科學基金科學儀器基礎研究(81027001)

孟凡，E-mail: mengfan711@yahoo.com.cn

楊明，E-mail: myang@sjtu.edu.cn