第三节　ECMO治疗原理

ECMO的基本工作原理是将患者的静脉血引流至体外，氧合后，再回输到患者的动脉或者静脉，替代或部分替代心脏、肺脏功能，可在一段时间内持续维持患者基本生命体征，以争取心、肺病变得到治愈及功能恢复的机会。ECMO作为一种危重患者的治疗手段主要用于循环支持、呼吸支持及替代体外循环三个方面。循环支持主要用于急性心肌炎、急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）导致的心源性休克和心脏术后心源性休克的抢救以及安装心室辅助装置、人工心脏及心脏移植前的过渡。呼吸支持包括ARDS及新生儿肺疾病的治疗。替代体外循环主要用于肺移植、神经外科、供体脏器支持、急性肺栓塞（acute pulmonary embolism，APE）的抢救等。

一、ECMO模式

ECMO的实施包括静脉血引流，经过氧合器氧合并排出二氧化碳，使静脉血变成动脉血，最终进入人体静脉（VV）或动脉（VA）系统。

（一）静脉-动脉模式

静脉-动脉（VA）模式对患者的心脏和肺都有支持作用，在主动脉内ECMO灌注血流和左心室射出的血流混合，所以患者动脉血的氧含量和二氧化碳含量是两种来源的血流混合的结果。ECMO之前，由于内源性和外源性儿茶酚胺的作用，机体VO₂高，同时伴有全身缺氧，动脉氧饱和度低至85%，而静脉氧饱和度降至50%。VA模式一旦建立，动脉和静脉饱和度可以很快恢复到正常水平。ECMO血流是否足够，可通过监测患者的混合静脉氧饱和度来判断，一般维持SvO₂在65%～75%。

（二）静脉-静脉模式

静脉-静脉（VV）模式仅对患者的肺有支持作用，经氧合器氧合后的动脉血泵入患者静脉系统，与体循环回流的静脉血混合，提高右心房血液的氧分压，降低二氧化碳分压。有一部分混合后的血液又进入ECMO管路，称之为“再循环”，另一部分进入右心室经过肺进入体循环。因为静脉回流的血液量与进入静脉系统的血液量相等，故对中心静脉压、左右心室充盈度和血流动力学没有影响。体循环灌注血流是心脏自身的输出量。进行VV模式后静脉和动脉氧饱和度均有改善，达到80%以上。可以降低呼吸机参数，使得全身氧耗量逐渐恢复正常。

（三）动脉-静脉模式

近年来动脉-静脉（AV）模式ECMO逐步在临床上使用，采用动静脉压力差来驱动血液流经低阻力膜肺，完成气体交换，使肺得到充分的休息。主要用于呼吸支持，患者需要能耐受动静脉分流和心输出量的增加，AV模式使血流经过氧合器，可以增加二氧化碳的排出，降低机械通气条件。AV-ECMO能快速改善血液动脉氧分压和有效地移除体内二氧化碳。

有关不同模式ECMO的主要差异见表2-1。

表2-1　三种模式ECMO的比较

续表

注：RIJV，右颈内静脉；CFV，股静脉；RCCA，右颈总动脉；CFA，股动脉；ECC，体外循环

二、ECMO治疗期间的气体交换

（一）氧输送

ECMO期间，氧供受到四方面因素的控制，是体外机械泵流量、这部分血液在氧合器中氧合、患者自身CO和这部分血液在自身肺内氧摄取等综合作用的结果。

1.膜肺的氧交换

血液在氧合器中氧合受多方因素影响，如呼吸膜的构型、膜的材料和厚度、血层的厚度、FiO₂、红细胞经过气体交换区域的时间、血红蛋白水平、氧合器入口处的血液氧饱和度等。反映膜式氧合器功能的参数额定流量可以概括上述各种影响因素。额定流量是正常静脉血单位时间内经过氧合器血氧饱和度由75%上升至95%的量。膜式氧合器的气体交换面积为0.8m²和1.5m²时，膜面积0.8m²的氧合器额定流量是1L/min，实际氧转运为50ml/min。这一指标在为患者选择氧合器和ECMO支持中评价其功能具有参考意义。

2.氧供的决定因素

由于转流中的流量一般都低于膜式氧合器的额定流量，血液经过膜肺后可被充分氧合，机体的氧供取决于灌注流量和氧摄取能力。每升血液的携氧量等于Hb（g/L）×1.39×（SaO₂−SvO₂）。当血红蛋白水平低或静脉血氧饱和度高时，血液经过膜肺后摄氧量降低，可以通过降低血红蛋白氧结合能力或提高灌注流量来代偿。反之，我们可以通过提高血红蛋白氧结合能力在较低流量的情况下增加氧供。新生儿在接受VV和VA模式的ECMO时，患儿氧需要量是200ml/L，满足这一条件在VA模式中灌注流量为400ml/min即可，VV模式灌注流量为660ml/min（图2-4）。

图2-4　当膜肺在推荐最大流量时使用，血液释放的氧量与静脉血氧饱和度成负相关

为了达到200ml/L的氧供，在不同的静脉血氧饱和度下血流量不同。AVDO ₂为50ml/L是VA灌注的典型指标，而AVDO ₂为30ml/L是VV灌注的典型指标

3.ECMO治疗期间机体氧供

最终机体动脉氧分压和氧供是患者自身心肺和ECMO支持的共同结果。

假定患者自身的肺没有气体交换能力。在这种条件下，VV模式转流时，PaO₂和SaO₂与混合静脉血的值是相等的，不会超过95%。通常SaO₂在80%～90%，PaO₂在40mmHg上下。只要心输出量可代偿性增加，氧供可以满足机体需要。患者自身肺功能改善后，动脉血氧饱和度将会提高，VV模式转流中通过动静脉血氧饱和度的差异可以准确衡量自身肺的功能状况。

机械泵灌注的血液氧饱和度通常是100%，SvO₂大约是75%，如果血红蛋白含量是150g/L，ECMO灌注的血液氧含量大约为200ml/L。动脉血气是自身过肺血液和体外灌注血液综合作用的结果（图2-5）。机体血氧含量=体外灌注血液氧含量×（ECC流量/总流量）+左心室血氧含量×（过肺血流量/总流量）。在下述情况中机体PaO₂会上升：流量不变，肺功能改善；体外支持流量不变，心输出量下降；心输出量不变，体外支持流量增加。但是，ECMO动脉插管的部位和体循环血气的采样部位往往对血气结果的判定有很大影响，如选择股动、静脉插管时，冠脉血流和右上肢的血流来自患者的左心室，是经过自身肺氧合后的血液，反映患者肺功能状况，而下肢血液主要是经ECMO氧合后的血液。

图2-5　在VA循环下，一半的静脉回流进入体外管路，另一半进入右室、肺循环和左室

在本例中，肺内无气体交换，因此肺动脉血、肺静脉血和主动脉根部的血流氧含量是相同的。这种未氧合的血液和完全氧合的体外血流在主动脉弓混合，使得体循环动脉氧饱和度为90%

（二）二氧化碳的排出

1.膜肺的二氧化碳交换

ECMO期间膜肺排出二氧化碳的量与膜肺的构型、材料、气体交换面积、进入膜肺的静脉血PCO₂、灌注流量、膜肺通气量等有关。通常膜肺通气中不含二氧化碳，通气充分时，二氧化碳弥散的压力阶差等于血液的二氧化碳分压。血液经过膜肺，PCO₂不断降低，压力阶差减小，故二氧化碳在膜肺入血口处排出速度较出血口处快。所以，二氧化碳排出的量与膜肺血液流量关系不大，与进入膜肺血液的PCO₂有一定关系，膜肺的气体交换面积和通气量是决定二氧化碳排出的决定因素（图2-6）。在额定流量下，二氧化碳排出能力较氧摄取能力强。在任何硅胶膜和微孔膜的膜肺中，通气量充足时，二氧化碳的排出较氧合效率高。膜肺的设计通常是为了氧合需要，所以有排出更多二氧化碳的储备能力。

图2-6　任何氧合器在最大推荐流量以内CO ₂排出总是好于氧合

在本例中，在AV DO ₂ 50ml/L下氧摄取见虚线，而该氧合器的最大流量维持在500ml/L氧供，在任何血流量下，CO ₂排出都超过摄氧，静脉血中PCO ₂越高，CO ₂排出越多

2.ECMO治疗期间机体二氧化碳排出

假设患者自身肺没有气体交换能力，VV模式ECMO时，PaCO₂与PvCO₂相等；VA模式转流时，PaCO₂是机械辅助流量和自身心输出量混合后的结果。由于膜肺二氧化碳排出的高效性，通过调节膜肺的通气量排出机体产生的二氧化碳，使PCO₂维持在任一水平。在临床实践中，为了达到充足的氧合效果，膜肺的二氧化碳排出往往是过量的，造成严重的呼吸性碱中毒。这种情况需要在膜肺的通气中加入少量二氧化碳，降低其压力阶差，或降低通气量，以减少二氧化碳的转运。如果患者自身肺的氧交换能力可以满足机体需要，ECMO的目的是为了排出二氧化碳，可以采用低血流量VV模式或AV模式。

现在越来越多的聚甲烯戊烯（PMP）无微孔中空纤维膜肺用于临床，其膜面积有所下降，但是氧气和二氧化碳交换的基本原则是不变的，其气体流率与血液流率都是有一定限度的，但是其较低的阻力使得预充和血流分布都更加高效（表2-2）。

表2-2　膜式氧合器气体交换特点

动脉/静脉压力关系在体外管路中也是一样的。管路动脉端压力决定于泵前负荷、泵流量和血流阻力（管线、管路组成、插管和患者自身血压）。随着流量增大，管路动脉端压力升高，同时管路漏血崩脱的风险也升高，一般认为300mmHg之内的压力是安全的。由于静脉血流是由虹吸或者泵产生的负压吸引产生的，管路静脉侧压力较低。如果管路静脉侧压力低于大气压，静脉血流中进气的风险增加（如通过三通阀）；如果负压过大，血液形成气穴，同时红细胞破坏增加。不管使用何种灌注系统，中心静脉血引流量决定了泵的前负荷，也决定着泵流量。回血插管的位置决定着ECLS的模式。回血插管口径应该满足体外支持所需要的流量，又不产生过高的管路压力。回血插管位于静脉中就是VV模式，回血插管位于动脉中就是VA模式。根据ECLS模式的不同，体外支持生理也被称为“串联”（VV）模式或者“并联”（VA）模式。

三、ECMO期间患者自身肺的情况

（一）肺功能正常时机械通气的原则

当ECMO仅用于循环支持时，转流期间无论是从胸部X线表现还是生理功能上，肺均处于正常状态。VA模式下通气血流比极度不匹配，无效腔增加，在呼吸机上表现为呼气末二氧化碳压力降低，如果这时减少机械通气，气道压力过低可能发生肺泡萎陷，所以最好采取呼气末正压（positive endexpiratory pressure，PEEP）通气，气道峰压和平台压不宜过高，维持较低的潮气量和呼吸频率（respiratory rate，RR）。

（二）呼吸功能不全时机械通气的原则

通常，患者存在一定程度的肺部异常和呼吸功能不全，程度从轻度的心源性肺水肿（ECMO用于心脏支持）到严重的肺功能不全（ECMO用于呼吸支持）不等。在这种情况下，只要原先存在的高气道压力下降，膨胀的小气道和肺泡可能萎陷，肺部的实变充血在影像学上表现为胸片变白，这时肺部气体交换的生理功能几乎丧失，这在VA和VV模式的ECMO中很常见，患者完全依赖ECMO实现气体交换，在此期间如果中断ECMO，即使只有1～2分钟也会造成患者严重缺氧或心脏停搏。因此，在ECMO中断期间，需要设置呼吸机通气条件以确保患者安全，一般FiO₂为100%，吸气峰压（peak inspiratory pressure，PIP）﹤40cmH₂O，PEEP为10cmH₂O，呼吸频率20～30次/分。ECMO支持期间为了减轻肺部实变，PIP低于40cmH₂O，FiO₂低于50%，平均气道压力（MAP）维持在10～20cmH₂O。

（三）肺纤维化的预防

肺实变会造成数日至数周的严重肺功能不全，在肺损伤的急性纤维增生期肺功能的恢复伴随着一部分肺组织的破坏和继发性纤维化。实验研究提出减轻肺损伤和纤维化的一些方法，但目前临床上，除了避免呼吸机过高的通气设置外，没有防止进行性肺损伤的方法。

（四）预测肺功能转归

VV模式支持下，当肺没有气体交换功能时，动脉和混合血静脉氧饱和度相等，呼气末二氧化碳分压很低。当肺功能改善后，动脉血氧饱和度上升，胸片表现为部分区域出现通气，呼气末二氧化碳分压有所增加。处理得当的话，ECMO 3～7天后，自身肺可以实现总通气量的20%～40%的气体交换。ECMO转流7天后，若自身肺气体交换功能低于总量的20%，肺功能恢复的可能性很低。也有ECMO转流4周后肺功能未见改善，而最终完全恢复的个案。条件允许的情况下，严重肺功能不全患者ECMO期间要维持其肺泡的膨胀状态，同时要避免呼吸机对肺的损伤。建议维持平均气道压（MAP）10～20cmH₂O，严格限制PIP低于40cmH₂O，FiO₂低于50%。传统的治疗方法还包括变换体位、体位引流、利尿脱水、加强营养等。

肺血管阻力是预测肺功能转归的重要指标之一。虽然在肺完全实变时低氧造成的肺血管收缩严重，但肺血管阻力仅轻度升高。这种情况在VV模式ECMO中较为明显，因为肺循环血量与体循环血量相等，所以即使不监测心输出量，通过平均动脉压（mean arterial pressure，MAP）和平均肺动脉压的比较，可以得出体循环阻力和肺循环阻力关系的比值。当肺完全实变时，肺动脉压可能轻度上升并维持数日；如果继发肺损伤和纤维化，纤维组织取代了肺毛细血管床，肺血管阻力将上升达体循环水平；如发生右心力衰竭，病情则难以恢复。所以，ECMO期间，肺循环和体循环平均压的比值是肺功能恢复的重要指标。

四、ECMO期间自身循环系统功能

（一）VV模式

对血流动力学没有影响，无论是采用两根单独的插管或一根双腔插管，静脉引流回来的血流量与输入体内的血流量相等。

（二）VA模式

1.心脏

在体外循环中，左心引流一般是必需的，VA ECMO中，只要左室有适宜的射血量，一般不需要左心引流。在ECMO用于循环支持时，或出现心肌顿抑导致严重左心功能不全时，左心系统可能出现过度膨胀，继而造成心功能进一步损害和肺水肿。在这种情况发生时，当然最好是在其发生之前，应该放置左心减压。左心过胀就会导致严重的心肌损伤和肺水肿，由于这个原因，维持部分左心功能和心输出量是非常重要的，如果心力衰竭程度很重，无力对抗动脉压而不能有效射血，应该应用血管扩张剂降低外周循环阻力或实施左心减压。可以通过开胸直接放置左心引流管或通过心导管人为造成一个小的房间隔缺损。

2.体循环灌注

动脉搏动的波形和脉压可反映VA模式对体循环灌注的影响。因为体外机械泵产生的是平流血流，所以流经体外管路的血量越多，动脉波形越平坦。一般来说，VA模式体外支持的血流量占静息心输出量的70%～80%，而过肺和左心血流占20%～30%。这种情况下，脉搏波形减小，但仍可以清晰辨别。只要总的灌注流量适宜，动脉波形的大小并没有太大的生理意义。在总的灌注流量较低时，搏动血流可以适度缓解灌注不足和酸中毒。原因在于非搏动血流对主动脉和颈动脉窦的压力感受器的刺激作用较强，造成内源性儿茶酚胺释放增多，对微循环产生不利影响。在ECMO期间，所有的措施都旨在维持机体充足的氧供。肾脏是对非搏动血流最敏感的脏器，非搏动血流会刺激近球小管产生中度抗利尿作用，这一现象可被小剂量利尿剂拮抗。

五、ECMO治疗期间不同时期机体氧代谢特点

患者行ECMO治疗前往往已处于濒危状态，脏器灌注和组织氧供不足，必须借助氧代谢的动态观察。氧代谢监测理论和技术的发展改变了对危重患者的评估方式和治疗策略，对危重患者的治疗由以往的血流动力学调整转向氧代谢状态的改善，最终目标是纠正外周组织缺氧，使氧供与氧需要量达到平衡。为防止发生氧障碍和氧债，在维持和改善全身血流动力学及氧代谢相关参数的同时，还应注意局部组织氧障碍的参数，并以此调节相关治疗。

（一）氧债偿还期

ECMO建立前患者存在各种原因导致的缺氧状态。维持正常组织氧合需要“充足”的全身氧输送，这意味着必须满足两个重要条件：①CO、Hb和SaO₂需要维持DO₂在临界值以上；②必须满足各器官的氧需求，在初步复苏后如仍怀疑氧合是否正常，首先应测量全身DO₂、VO₂和乳酸水平，综合评价以确保终末器官的灌注和氧合。

1.ECMO初期氧代谢

ECMO建立后，机体循环状态改善，缺氧情况缓解。氧供满足机体需要，微循环改善，细胞功能恢复，组织有氧代谢增强，患者氧代谢障碍逐渐恢复。蓄积的酸性代谢产物被机体清除，血乳酸水平迅速下降。此期往往还存在短路循环引起的有效弥散减少，水肿引起的弥散距离增加和微栓塞引起的弥散面积减少。针对这种状况要减少缩血管药物的用量，利尿超滤排出机体多余水分，适度抗凝避免微栓形成。ECMO治疗初期的一个重要特点是偿还氧债，这时需要有充足的灌注流量，血液要有充分的氧合状态，保证满足机体氧耗。

2.超正常的氧供策略

超正常的氧供策略是指以纠正氧债为准，以达到超正常氧运输参数作为治疗方法的措施，增加氧供值达到超正常水平，以偿还氧债为治疗原则，以心指数﹥4.5L（/min·m²）、氧释放指数﹥600ml（/min·m²）及氧消耗指数﹥170ml（/min·m²）为预定目标。

大量研究表明，对所有危重患者有意使之达到心指数、氧释放和氧消耗的超生理指标，并不能明显降低病死率。某些作者提出复苏至超正常氧运输水平，实际上是有害的。近来对使用超正常氧运输参数作为复苏终点的观点，并未得到支持。

（二）氧代谢平衡期

ECMO建立后，氧供需平衡，组织氧代谢改善，机体各项氧代谢指标正常后，就进入了氧代谢平衡期。机体依赖ECMO辅助，ECMO支持所提供的DO₂与机体VO₂相匹配，这时主要是等待心肺功能的恢复，预防并发症的出现。

（三）储备恢复期

此期，患者自身心肺功能逐渐恢复，对ECMO辅助流量和血液氧合的依赖逐渐减少，机体氧供/氧耗比值逐渐接近正常，氧代谢进入正常储备期。这时可考虑ECMO的撤除。

六、ECMO期间患者的管理

灌注血流量应该达到可以为机体提供充足的氧供和排出二氧化碳的水平，机械通气降低条件进行保护性通气，使肺脏充分休息。同样，患者的心功能严重受损时，血泵可以代替心脏泵血功能，维持血液循环，让心脏得到休息。动脉血气需要即时监测，通过增减机械辅助流量使混合静脉氧饱和度维持在预定水平。通过调节灌注流量或通气量使PaCO₂维持在40mmHg。通过容量调节保持适宜的体循环血压。血红蛋白维持在100～150g/L，血小板（platelet，PLT）计数应﹥75×10⁹/L，激活凝血时间（activated clotting time，ACT）维持在180秒左右（正常值的1.5倍）。其他设置没有变化的情况下，静脉血氧饱和度大幅下降多由代谢率的增加所致，可以是一过性的（哭闹或痉挛），也可能是持续的。如发热，持续性的代谢率增高时，可以适当提高机械灌注流量，加强镇定或肌松，适度降温。其他设置没有变化而静脉氧饱和度大幅升高，说明氧代谢率降低或自体肺功能改善。低血容量、插管梗阻或移位、气胸和心包积液都会导致静脉引流骤降。进行性的体循环氧饱和度下降伴随PCO₂上升是膜肺功能下降的一个标志，这时要考虑更换新的系统，虽然这种情况很少发生。ECMO需要操作者对心肺系统的病理生理知识有深入的理解，还需要具备全面的重症监护相关技能，详细内容请见本手册相关章节。