第二章 体外循环的设备和原理

第二章体外循环的设备和原理

要点：

●体外循环是由滚压泵（人工心脏）、氧合器（人工肺）、储血装置和管道组成，尽管传

统的储血装置在逐渐消失。

●附加的装置还有热交换器、心肌保护装置、气体和微栓滤器。还有用于回收术野血液

以及用于心脏排气作用的左右心吸引。

●目前使用的膜式氧合器是集储血和热交换为一体的，使用安全简单有效。

●与滚压泵相比，离心泵的血液破坏小而且安装简便，但其费用高一些。它可以缩短病

人ICU的带管时间以及总的住院时间。

●大量的经验表明在体外循环期间使用肝素涂层的耗材可增加生物相容性，减少病人的

全身炎性反应。

●灌注师可以通过持续的流量监测，灌注压监测，酸碱平衡，氧合功能，肾功能，凝血

功能监测来确保机体各个脏器都能得到充分的灌注。

一、体外循环的历史

最初的人工循环是1812年Le Gallois从兔颈动脉灌注兔脑。自1848年到1853年Brown Sequard 发现将黑的静脉血暴露于空气中并震荡可以变成红色的动脉血，于是进一步用它来灌注独立的大脑标本。最早的鼓泡式氧合器就是Shroder在1882年同样利用空气与血液混合的原理来制作的。而两年以后V on Frey和Gruber 则发明了膜式氧合器，它避免了空气和血液在气泡的表面相接触。

1900年，Howell和他的同事们发现了肝素可以抗凝的特性，于是体外循环过程中就没有了凝血的风险。

最早在临床上应用体外循环是在1953年由Massachusetts医院的John Gibbon医生进行的，他们成功的修补了一例房间隔缺损的女性病人。1955年明尼苏达大学的C Walton Lillehei医生和其他人在经历了多次失败后仍然坚持发展这项技术和设备。

鼓泡式氧合器最早是在1956年被Rygg引入商业化生产。经过这些年的改进和发展早已不像最早的设备了，他们可以用完就扔掉了。整个氧合器的发展简史见表2.1。

表2.1 氧合器的历史

二、鼓泡式氧合器

鼓泡式氧合器是最早被应用于商业的，使用时间超过了46年。鼓泡式氧合器是集氧合室、变温室、动脉储血室和滤器为一体的氧合器。它的原理是静脉血和氧气都通过一个多孔的圆盘变成各种大小不等的泡沫，氧气通过泡沫的表面进入血液而二氧化碳则从血液中分离出来，于是静脉血液就变成动脉血。血液再通过涂有硅酮的祛泡装置后进入病人体内。多数鼓泡式氧合器的变温装置都包含在发泡室内。早期Bentley的变温装置就在动脉储血器内。

鼓泡式氧合器简单好用但是在临床上发泡和祛泡过程却导致明显的血液破坏，几个小时后会变得更加明显。鼓泡式氧合器也使微气栓和大气栓的风险更高：如祛泡不完全、不小心的储血室打空致大量的空气通过滚压泵进入病人体内。而且将空气和血液混合也认为是不安全的（因为氮气几乎不能溶于水）。当然也需要一些二氧化碳混合在空气中，否则PCO2就会很低。基于以上几种原因，如今鼓泡式氧合器逐渐退出了市场。而目前膜式氧合器占据了大部分市场。

三、膜式氧合器

各种各样的膜式氧合器设备在上世纪五十年代中期就被广泛应用，但是直到19年前才解决降低预充量的问题，因简单易行的使用才形成广泛的商业化。膜式氧合器是通过半透膜来实现血中的换气过程的，半透膜是由聚丙烯或硅胶制成，避免了血液与气体的直接接触，这与气血直接接触的鼓泡式不同。气体交换是依据膜两侧气和血中溶解压差的不同来进行，所以膜式氧合器的交换过程比鼓泡式氧合器的交换过程更接近于生理过程。没有了发泡和祛泡过程，只依靠PO2和PCO2所以更安全。

大部分用于商业的膜式氧合器都是由硅胶或微孔的聚丙烯材料制成的，最著名的范例是由Medtronic/Kolobow设计的，它有一个狭长的硅胶制成的空隙，其空隙及支持物呈螺旋式排列，分别走血及气体。它有不同的大小适合不同的病人（如图 2.1）。从新生儿到成人都可以用。具有良好的生物相容性，较小的血液破坏性以及可长时间进行辅助等特点。

在常规使用中，由于微孔的聚丙烯膜式氧合器的低预充量及简单使用等特点而变得普通。在它的设计中，由于中空孔微小，只能通过气体而不能通过红细胞，这种材料可以被制造成片状或“微纤维”的管状。微纤维被排列成气和血相联系的形状，外走血，内走气。尽管有些其他的设计可能将它们颠倒过来，但还是这种方式最普通、最接近生理，对血液的破坏性最小。

现代膜式氧合器是在血液完全氧合之前变温。Medtronic AFFINITY就是一个例子，可用于开放式心脏手术或闭式心脏手术。

四、体外循环的组成

由氧合器和循环管道所组成的体外循环各种设备暂时的代替了心和肺的功能，主要组成部分由泵（人工心脏）、氧合器（人工肺）、静脉和储血室、变温室（通常与氧合器集合于一体）、心肌保护装置、气泡和微栓过滤器、以及连接这些装置的管道，其他的循环部分还有左右心吸引，它由滚压泵或负压提供吸引，主要是防止左室扩张或清除术野中的血液。

1、泵

在体外循环中氧合器替代了肺的作用，而泵则替代了心脏的功能。它的主要功能就

是提供足够的氧合血进入病人的循环中。人工泵的主要技术参数如下：流量范围广（最高可达7L/min）、低溶血、最低的涡流和停滞血流、使用简单安全、费用低。

近年来无数动脉泵的设计被应用于体外循环。但目前仅仅只有两种泵被广泛的应用于临床中，一种是滚压泵，另一种是离心泵。

1.1 滚压泵：滚压泵（图

2.4）是由一个半圆形的槽，里面有一个转子，连接两个呈180°排列的相同的滚抽组成。动脉管道被安装在槽和转子之间。其中一个滚轴离开泵槽之时另一个滚轴进入泵槽。血流是不间断向同一个方向的。为了使不可避免的红细胞损伤降至最低，泵头可以调节松紧（使用3/8英寸的管道时1米高的水柱每分钟下降1cm）。流量依据泵头每分钟的转速计算。

滚压泵简单便宜，使用方便，是一种不可替代的泵。它可以限制反转。反转产生巨大的真空，导致管道内产生气泡。滚压泵对空气的滚压作用与血液是一样的。例如不小心将储血室打空将会造成大量空气进入病人体内。许多设备和技术都试图减少这种情况的发生，如储血室平面探头，空气探头及氧合器和动脉滤器的设计。

1.2 离心泵：离心泵实际上是一个涡流旋转的泵。通过高速自转产生一个涡流（Medtronic公司的泵是由一个叶片组成的），低压的区域产生离心，高压的区域在外侧。血液通过涡流向轴的方向顺着压力沿切线排出。这种叶片式的离心泵能量是通过双叶片的构造传递的，这种方式是十分有效的，但是在叶片的边缘会产生涡流。Medtronic Bio-Pump的设计（如图

2.5a和b）其能量是严格根据血液内在的粘滞性来决定的。离心泵内在的安全特点是当其混入大量气体后，它将无法运转，气体进入离心泵后泵将无法依靠其旋转产生的压力来对抗循环的阻力。

涡轮式的离心泵是没有正反的，它与真正的心脏一样，其流量的大小与前后负荷相关。

离心泵需要连续监测流量，例如Medtronic公司设计的电磁感应，其它的探测设备也有如超声探测流量等。当需要精确调节泵速来控制流量时流量探测设备就起会发挥作用。离心泵非常实用，这种泵是全密闭式的，经久耐用，并且操作简单，比滚压泵对血液破坏小。尽管它的费用比滚压泵高，但是病人术后在ICU的带管时间要短以及整个住院时间也短许多。

2、静脉储血室

静脉储血室的主要作用是收集病人从静脉系统回流的血液，去除气泡以及病人静脉