第二节 体外膜氧合器
体外膜氧合器（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）也称为体外生命支持（extracorporeal life support，ECLS），是将静脉血从体内引流到体外，经膜式氧合器（膜肺）氧合后再用驱动泵将血液灌入体内，进行长时间心肺支持。ECMO治疗期间，驱动泵使血液在机体内流动，膜肺可有效摄取氧和排除二氧化碳，全身氧供和血流动力学处于相对稳定状态，使心脏和肺得到充分休息，为肺功能和心功能的恢复赢得时间。
【体外膜氧合器历史】
ECMO由体外循环技术发展而来，并且首先在成人开展。1972年Hill等首先报道用ECMO治疗成人呼吸衰竭患者的成功经验。随后多家医院采用同样的方法治疗严重心肺功能不全患者。但1979年和1994年2次成人前瞻性对照研究均显示ECMO治疗并没有提高存活率，反而增加并发症发生率。虽然现在认识到出现这种结果与当时的治疗时机选择、使用设备、治疗技术和理念等有关，这的确对ECMO在成人应用推广起了很大的阻碍作用。但仍有部分研究人员坚持对该技术进行探索。1989年体外循环生命支持组织（Extracorporeal Life Support Organization，ELSO）成立，并对开展 ECMO 的医院进行注册，对施行ECMO的患者进行网上登记。目前注册医院300多家。2005年ELSO颁布有关ECMO人员、培训和设备方面指南，以控制ECMO治疗费用和人力成本。直到2008年左右，在H1N1流行期间，英国和澳大利亚的几个前瞻性研究，采用新设备、新理念和管理流程，证明ECMO可降低成人ARDS的病死率，改善预后，缩短机械通气时间，减少血液用量和治疗费用［1］。至此，ECMO在成人的治疗效果得到承认并迅速推广，接受ECMO治疗的患者大幅增加（图 5-2-1）［2］。
图5-2-1 ELSO 2017NIAN 6月公布的ECMO注册医院和病例数
1975年Barllet等用ECMO治疗新生儿持续肺动脉高压取得成功。随后多个前瞻性对照研究显示ECMO可以改善新生儿预后，因此该技术在新生儿重症救治中得到推广。ECMO治疗新生儿呼吸衰竭于20世纪90年代达高峰，以后由于其他治疗技术进步如肺表面活性物质、高频振荡通气和一氧化氮吸入，ECMO应用逐渐减少。随着在新生儿应用经验的增多，ECMO逐渐应用到新生儿以外的儿童患者［3］。目前关于ECMO有效性和安全性的信息主要来自ELSO国际注册网，截止到2017年7月，在ELSO登记注册的8万多例患者中，有8 287例患儿因呼吸衰竭行ECMO治疗，因循环衰竭而行ECMO治疗的有9 593例（表 5-2-1）［2］。
国内儿科大约在10年前开始使用ECMO，到2015年有6家医院的PICU能独立开展非开胸ECMO技术。但最近2年发展很快，能独立开展 ECMO 技术的医院明显增多［4，5］。由于技术进步如膜氧合器的改进、表面涂层管路的使用、双腔静脉导管的发明、设备小型化、移动化和管理策略精炼化，使ECMO的应用再次得到推广。
表5-2-1 ELSO 2017年6月公布的ECMO总例数、分类例数和结果
【体外膜氧合器组成】
ECMO组成包括以下几部分［3］：
1.驱动泵
有滚压泵和离心泵两类，各有优缺点。滚压泵通过滚轮压轴对泵管外壁的滚动挤压，推动管内的血液向滚动方向流动。当滚压泵推动血液向前时，其后方产生的负压可将血液从血囊吸入泵管。滚压泵必须有压力控制装置调节泵流量，以免压力过大造成爆管，或过度负压而产生小气泡。滚压泵对血液破坏较大。离心泵利用泵头内转子高速旋转所产生的离心力推动血压流动。泵头的圆心和周边各开一孔，当内转子转动时，圆心中央部为负压，可将血液吸入泵头，而周围部为正压，可将血液甩出。离心泵不会产生过大的负压和正压，安全性更好，对血液破坏性小。
2.氧合器
有排除二氧化碳、氧气交换与调节血液温度功能，根据制造材质可分为硅胶膜氧合器和中空纤维氧合器。决定氧合器氧气交换的因素包括：氧合器类型和氧气弥散特征、膜面积、血液黏稠度、血流速度和吸入氧浓度（fractional inspired oxygen，FiO2）。硅胶膜氧合器气体交换功能很好，但血液通过阻力大。中空纤维氧合器阻力极小，可减少红细胞破坏，易于预充，且纤维表面可以涂层以减少血液接触异物产生活化。目前国内常用的为中空纤维氧合器。应根据患儿情况选择合适大小的氧合器。
3.动静脉导管和管路
动静脉导管大小是决定ECMO血流量的主要因素。应根据患者年龄、体重、临床情况和施行ECMO类型等选择动静脉导管。在保证患者安全前提下，管路应尽量短，以减少血液与异物表面接触面积、减少预冲液体总量和热量损失。导管及管路均有表面涂层，可降低血栓形成危险，减少凝血因子和血小板消耗，降低全身抗凝水平。
4.变温水箱
血液在管路中流动时接触的表面积很大，很多热量在体外循环时丢失。需要变温水箱提供足够的水流量，经氧合器内的热交换器将血液加温。
5.空氧混合调节器
调节进入氧合器的氧浓度及流量。
6.监测系统
ECMO的附加设备包括各种监测器和安全装置，如血流量、温度、压力、血氧饱和度、血红蛋白和活化凝血时间监测。
【体外膜氧合器类型】
ECMO是将患者静脉血引流至体外，经氧合器气体交换后，再送回到患者体内的心肺辅助技术。根据血液引流和氧合血回输体内的血管类型，ECMO有两种基本类型：血液从静脉引出动脉注入为静脉-动脉ECMO（VA-ECMO）；血液从静脉引出又注入静脉为静脉-静脉ECMO（VV-ECMO）［3］。
1.VA-ECMO
由于ECMO是由体外循环技术发展而成，早期使用ECMO的类型为VAECMO。最常用的方法是血液经颈内静脉导管从右心房引出并经颈动脉插管注入主动脉弓内，绕过了心室和肺部，心脏和肺脏功能均得到支持。该类型可维持最好的动脉血氧饱和度，但是当右心房引流不完全并有肺氧合功能严重障碍时，从左心室排出的氧合不全的血直接进入冠状动脉，导致冠状动脉血氧饱和度降低，不利心肌功能恢复。肺循环的血流骤然减少，使流经肺脏的血液淤滞，增加肺部炎症和血栓形成危险。由于血液直接注入主动脉，会导致左心室后负荷加重，有可能使本就收缩乏力的左心室不能产生足够压力来打开主动脉瓣，这会导致左房压增高和肺水肿甚至肺出血。当心脏完全停止跳动，心脏及肺内血液滞留，容易产生血栓而导致不可逆损害。这需要额外对左心进行引流，以减少心肺血液滞留。另外需要结扎一侧的颈动脉，对脑的发育有一定影响。
2.VV-ECMO
仅仅支持肺脏功能，用于严重呼吸衰竭患儿。通常血液经由股静脉置管到达下腔静脉的导管引出，经氧合器氧合后从颈内静脉导管回到右心房。由于可以经皮穿刺放置静脉导管，避免结扎血管，中枢神经系统的并发症较少。由于进入肺动脉的血液氧饱和度增高，可降低因低氧导致的肺血管痉挛，降低肺血管阻力。来自管路系统的微血栓也被截留在肺内，从而避免发生动脉系统栓塞。该类型ECMO虽然没有直接支持心脏功能，但是通过提高冠状动脉内血氧饱和度和降低胸腔内压，也可以改善心肌功能。近年设计生产的适合于10kg体重以上患儿的双腔静脉导管使得置管更加简单，只需一次性经颈内静脉穿刺置管即可。
3.静脉-静脉-动脉ECMO（VVA-ECMO）
这是近年发展的混合模式，联合了VV-ECMO对肺脏的支持及VA-ECMO对心脏的支持，并且可以经皮穿刺置管。典型的回路组成是血液经股静脉导管引出，氧合后经两根导管回输，一根位于颈内静脉，一根位于股动脉。通过限制颈内静脉导管的血流速度，维持回输至动脉的血流量约占总血流量30%。VVA-ECMO适用于除需要呼吸支持外心脏也需要部分支持的年龄比较大的患儿。
【体外膜氧合器适应证和禁忌证】［3］
随着ECMO技术不断进步、治疗理念改变应用经验增多，其适应证范围正逐渐扩大。
1.急性严重呼吸功能衰竭
如胎粪吸入综合征、先天性膈疝、急性呼吸窘迫综合征、哮喘持续状态等，经传统专业治疗无效，如高频振荡通气、吸入一氧化氮和肺表面活性物质等，且病因具有逆转可能。
2.急性严重心功能衰竭
如各种原因的暴发性心肌炎、心肌病、急性心肌梗死和心脏外科手术后心力衰竭不能撤除体外循环等［6］。
3.各种原因引起的心跳呼吸骤停
持续复苏5分钟无反应或心肺复苏后心功能不稳定可考虑行ECMO。
4.其他
一些重症感染如感染性休克及重症肠道病毒71型感染，经容量复苏和血管活性药物治疗仍然低血压、尿少和代谢性酸中毒严重可考虑行 ECMO［7］。
禁忌证：不可控制的出血或禁用抗凝剂的活动性出血，慢性病终末期，中枢神经系统严重损伤。
国际ELSO根据ECMO的治疗定位，将一些病死率高于80%的，经ECMO以外全力救治无效的，并有潜在恢复可能的心肺衰竭病例列入救治适应证，并在指南中提供了各种疾病的ECMO适应证标准。ELSO还对ECMO治疗列出了一些治疗禁忌证或相对禁忌证（表5-2-2）［3］，其原因为禁忌证中所列出的病症或病情至今尚无证据证明能够通过ECMO来提高存活率，或能使患者最终存活。
表5-2-2 体外膜氧合器适应证和禁忌证
注：PaO2：血氧分压；FiO2：吸入氧浓度；OI= 平均气道压（cmH2O）×FiO2（%）×100÷PaO2（mmHg）
【体外膜氧合器建立】
1.置管方式
建立并维持良好的血流进出通路是ECMO的关键。这需要选择合理的置管方式并具备良好的置管技术。
V-A ECMO的置管方式有：颈内静脉、颈总动脉置管；股动静脉置管；中心置管，即右心房、升主动脉置管。婴幼儿血管细小，置管尤其困难。体重小于10kg的患儿，因股动脉太细，因此经颈动脉、颈静脉置管最常用。体重大于20kg者，通常经股动脉、股静脉置管。至于体重10～20kg之间，则视情况而定。一般情况下，选择周边血管（股部、颈部）时，最好手术切开置管，这有利于选择适当尺寸的导管，也可提高置管成功率，同时减少经皮穿刺置管造成的血管损伤及其他并发症。置管前首次给予肝素100IU/kg。有研究显示经颈部血管置管时，心脏超声检查比胸片能更准确判断导管位置。
ECMO血流量大小主要取决于静脉导管的粗细。导管内径和长度对血流阻力影响大，理论上应选择内径尽量大，长度尽量短的导管。但由于ECMO常只部分取代心肺功能，不能为了使用粗的导管而把血管（特别是动脉）完全堵死，而妨碍末端动脉血流。静脉弹性较好，可尽量选择较粗的静脉导管，动脉导管则依病人血管大小决定。V-A ECMO导管选择见表5-2-3。
表5-2-3 V-A ECMO导管选择
2.管道预充
预充液包括晶体液（生理盐水）、胶体液（贺斯、万汶）、血浆、白蛋白和红细胞悬液等。小儿一般采用血液预充，尤其是体重小于10kg的婴幼儿，需准备2～4单位红细胞悬液、200～400ml新鲜冰冻血浆、10～20g白蛋白。预充用的生理盐水加入肝素（2IU/ml）以防血栓形成，加入CaCl2（1mmol/L）以防急性稀释性低钙血症。
将管道与动力泵和膜肺连接，并连接动静脉血氧饱和度接头。首先用肝素生理盐水按顺序将管道、离心泵、膜肺等预充排净空气。然后将红细胞悬液、新鲜冰冻血浆或白蛋白冲入管道。将预充好的管道安装到动力泵上试运行，观察泵运转是否正常，检查管道各接口和膜肺有无渗漏，管道内有无气体，检查流量计安装方向等。
3.ECMO启动
动静脉置管与动静脉管道连接完成后，认真检查动静脉管道，确保无误，启动动力泵，ECMO开始运转。注意观察血流方向和流量读数，再打开气体流量计（1～3L/min，FiO2 80%～100%），观察动脉血颜色，检查动静脉氧饱和度是否正常。观察患者动脉血压、中心静脉压、经皮氧饱和度等。
【体外膜氧合器参数调整】［3］
1.流量
ECMO的初始流量一般较高，婴幼儿和儿童需要达到 100～150ml/（kg·min），目的是尽快改善循环，增加组织器官氧供，使心肺得到休息。维持正常的平均动脉压、中心静脉压5～12mmHg和静脉血氧饱和度大于75%。此后根据心率、血压、中心静脉压等调节到适当的流量。随着患者生命体征的逐渐稳定，流量逐渐下调。当流量小于正常血流量的10%～25%时可考虑脱离ECMO。
2.气体
当ECMO开始运行后，先将FiO2调至 70%～80%，气体流量：血流量 =（0.8～1）：1，必要时使用纯氧和高气体流量，观察ECMO动静脉氧饱和度，动脉氧饱和度应达98%以上，静脉氧饱和度65%以上。通过调节FiO2及气流量可调节氧合器的气体交换功能，以FiO2调节PaO2，以通气量控制PaCO2。
【体外膜氧合器管理】［3，8］
ECMO的管理是一项复杂的工作，需要医生、护士和其他相关人员的密切配合。
1.ECMO系统监测管理
静脉管路的负压监测反映血液引流是否通畅，要注意及时监测。注意监测氧合器前后压力，当跨膜压差显著增高时，应怀疑血栓形成可能。氧合器发生血浆渗漏可导致氧合功能下降，血浆渗漏量大时，可造成低蛋白血症而增加肺水肿可能。股动脉置管时常不同程度影响下肢血流，应定期检查下肢脉搏，测量下肢周长。
2.抗凝管理
维持合适抗凝状态是ECMO期间的管理难点，抗凝不足，有血栓形成风险；抗凝过度又可引起出血并发症。肝素是ECMO时最常用抗凝药，一般输注速度为 20～50IU/（kg·h），维持活化凝血时间（ACT）180～220秒，并视临床情况相应调整。早期ACT每间隔1小时测1次，ACT稳定后可间隔3～6小时测1次。对肝素过敏和有肝素诱导的血小板减少症患者禁用肝素，可换用阿加曲班（argatroban）持续输注，速度为0.5～10μg/（kg·min）。
3.呼吸机管理
ECMO应用过程中，仍可使用机械通气维持呼吸。总的原则是使用低呼吸频率、长吸气时间、低吸入氧浓度和平台压低于25cmH2O让肺得到“休息”，同时使用较高的呼气末正压（PEEP）并定期行肺复张，防止肺泡萎陷发生肺不张。呼吸机参数常为：FiO2 30%～40%，R 5～15 次 /min，PEEP 10～15cmH2O，PIP 25～30cmH2O。 如需要高于 15cmH2O的PEEP，可考虑应用高频振荡通气，维持较高的平均气道压。目前也有选择“清醒”ECMO的趋势，即施行ECMO时拔除气管插管，让患者自主呼吸，这有利于减少呼吸机相关性肺损伤，减少镇静剂使用。研究显示患儿接受ECMO期间可成功拔除气管插管，未见任何副作用，即使是呼吸衰竭（ARDS）患者，肺也可以自行复张。
4.温度管理
大量血液连续流经体外管路时，会有大量热量散失，因此管路上配有变温装置。ECMO期间温度过高，机体耗氧增加；温度太低，易发生凝血机制和血流动力学紊乱。应根据患者具体情况维持合适的温度，一般维持36～37℃。为防止ECMO期间体温下降，可利用管路中的变温装置保持体温，也可同时在病床上放置变温毯。
5.镇静管理
为防止患者体内各种导管移位或脱出，防止机械通气期间的人机对抗，缓解疼痛、解除焦虑，降低氧耗，ECMO期间应镇静，但又要避免镇静过深对心血管和呼吸系统产生严重抑制，因此应调整药物剂量，维持合适的镇静深度。常用药物有咪达唑仑、芬太尼和吗啡。
6.液体管理
液体超载增加危重患者病死率。由于需要输注多种药物、多合并肾功能异常和毛细血管渗漏等多种原因，ECMO患者常常存在液体超载。因此应严密监测患者液体平衡状况。有液体超载时首先进行利尿处理，效果不好应及时行持续血液透析滤过治疗。
【体外膜氧合器效果评估】
ECMO开始运行后，体内氧合血增多，PaO2升高，PaCO2降低，即使降低呼吸机参数也能维持较好的氧供，表明ECMO呼吸支持有效。动脉血压能够维持，减少正性肌力药物用量，而平均动脉压无明显降低，患者四肢逐渐温暖，末梢循环改善，皮肤发花消失，尿量增加，血乳酸下降，表明循环支持有效。需要注意容量负荷，如果辅助流量提高困难，动脉血压不升，静脉管道抖动明显，静脉端负压升高，提示可能存在容量不足，可以适当补充容量，观察动脉血压和中心静脉压。
超声心动图可以实时观察左右室收缩和舒张情况，监测心脏射血分数（EF）、心室收缩指数（FS）等代表心功能的指标，房室壁厚度，室间隔运动，心内血栓形成，畸形矫治情况。动态观察更加有意义，可以反映心功能恢复趋势，判断ECMO预后。
【体外膜氧合器更换】
临床出现以下情况时，必须更换ECMO。
1.机械性溶血 可直接测量血中的游离血红蛋白或临床发现血红蛋白尿。
2.氧合器出现严重的血浆渗漏，甚至已影响其气体交换功能。
3.氧合器气体交换功能变差。
4.ECMO系统内，可见到血栓形成。
【体外膜氧合器撤离】［3］
一旦患者心肺功能好转，血流动力学平稳，肺顺应性增加，胸片示肺部病变好转。当呼吸机参数达到 FiO2＜50%，PIP＜30cmH2O，PEEP＜8cmH2O，血气指标满意，超声心动图证实心脏具有足够的射血功能，可逐渐降低ECMO流量并逐渐降低膜肺氧浓度，观察患儿生命体征。当流量降至正常血流量的10%～25%后，仍能维持血流动力学稳定，血气指标满意，可考虑停机。对VV-ECMO只需要逐渐降低氧合器气体流量和氧浓度，直至停止，如果患者血气正常，说明患者肺部通气氧合功能正常，可考虑停机。
下列情况应终止ECMO：①不可逆严重脑损伤；②其他重要器官严重衰竭；③顽固性出血；④肺部出现不可逆损伤。一般在ECMO 7～10天后有上述情况应终止ECMO。
【并发症及处理方法】
1.出血
是应用ECMO最常见的并发症。常由于全身肝素化、凝血因子缺乏和血小板减少所致，有时也因为置管或手术部位止血不彻底。表现为置管部位和手术切口渗血，或其他部位的出血。在应用ECMO治疗过程中要尽量避免或者减少一些非紧急的侵入性操作，以免发生难以控制的大出血。血小板低于50×109/L时，应输注血小板。应用肝素涂层的ECMO管道可减少肝素用量，降低出血发生率。
2.感染
ECMO期间发生感染主要与手术创伤过大及置管时间过长有关。感染与患者成活率成负相关。防治ECMO支持期间感染的发生，应执行严格的无菌操作，合理使用有效抗生素，尽早恢复肠内营养，缩短ECMO的时间。
3.溶血
是ECMO常见并发症之一，可能与静脉引流不良、负压过大，造成红细胞的机械性破坏相关。应常规检测血浆游离血红蛋白，当溶血较严重，出现血红蛋白尿时应适当碱化尿液，促进血红蛋白排出，保护肾功能。如出现严重血红蛋白尿，需行血浆置换。
4.栓塞
ECMO所致凝血功能紊乱、激活凝血系统、活化血小板以及抗凝不充分等因素可引起血栓形成，导致不同部位的栓塞。应调整肝素用量、适当增加血流量。应用肝素涂层管道，可减少血液成分激活。血栓严重时需更换ECMO系统。
（曾健生 钱素云）
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