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1.ECMO的發展歷史
鼓泡式氧合器于1953年成功應用于體外循環心臟直視手術,但鼓泡式氧合器并發癥較多,其應用時間僅限數小時。1956年,Clowes等研發了氣體交換膜,隨著交換膜材料的不斷改進,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、生物相容性好、血液破壞少、氣栓發生率低,尤其是纖維膜肺的研制,其良好的穩定性和安全性為長時間體外氧合應用提供了可能【1】。
20世紀60年代末,有人嘗試用體外心肺支持技術治療呼吸功能衰竭,并提出ECMO的概念。Hill等于1972年采用ECMO技術成功治愈了一位24歲合并呼吸衰竭的復合傷患者【2】。四年之后,Bartlett等報道了首例新生兒急性肺損傷應用ECMO技術治療并存活。此后ECMO的應用逐漸增多,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、肺泡表面活性物質替代等治療措施都無法實現的,因而ECMO已經成為了新生兒急性肺損傷的標準治療手段。1989年以來,登記在體外生命支持組織(ELSO)臨床應用ECMO的例數超過24,000例,多數為新生兒。ECMO對成人肺損傷的療效尚存在爭議,但普遍認為此技術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治療時先將體內血液引流至儲血罐,然后由機械泵將血泵入氧合器,經膜肺將血液氧合、排出CO2并加溫后再通過另一路管道回輸患者體內。引流體外和泵入體內的管道之間有一備用的短路,其作用是一旦回路或機械故障時可迅速將機體與ECMO系統脫離,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模式經靜脈置管到達右心房引流靜脈血,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。新生兒一般選擇右側頸內靜脈和頸總動脈置管,而成人可選擇股動靜脈。VA方式的優點是可同時提供心肺支持。其缺點是干擾了正常循環的血液分配和搏動方式,可造成腦、肺、心肌的損害,氣栓的發生率較高;此外動脈置管結扎后尤其在小兒容易發生血管重構畸形。VV-ECMO模式是將血液在右心房水平進行氧合并去除CO2,一般認為其只提供肺功能的支持,其缺點是血液重復轉流,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模式的優點是對血液和機體的影響較小,避免了動脈插管及其相關的栓塞等嚴重并發癥。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的臨床應用
3.1新生兒肺疾病適應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,因最終都導致肺損傷、低氧血癥甚至持續性肺動脈高壓。一般認為,新生兒氧合指數(OI)≥40時為ECMO啟用標準(氧合指數=平均氣道壓力×吸入氧濃度×100÷動脈氧分壓)。ECMO的目標是維持機體正常氣體交換,通常VA方式應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測應在85%以上。一旦轉流穩定,肺內機械通氣一般調整為低呼吸頻率(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,應用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,使治療成功率大為提高。先天性隔疝若在出生后6小時內表現出相應癥狀者絕大多數不能存活,ECMO替代治療可使此類患兒的死亡率降至50%以下。新生兒嚴重感染時,ECMO是一種挽救生命的手段,但此時感染導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,對藥物和常規呼吸支持治療無效的持續性肺高壓患兒,采用ECMO治療,在保證充分氧供的同時,避免了常規機械通氣對肺的進一步損傷,并可降低肺血管阻力,為患兒重新建立正常體肺循環和存活創造了條件。
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。一般認為,誤吸、創傷、嚴重肺部感染、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。但作為一種操作復雜、管理繁瑣、費用昂貴的治療手段,臨床上通常在常規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%,但同期相同嚴重程度的呼衰患者經ECMO和保護性機械通氣等治療措施,生存率可達66%【9】。因此,在傳統方法治療過程如病情繼續進展或伴心血管功能不穩定的呼衰患者,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尚無統一標準,成人ARDS的一個入選指標是吸入純氧2小時PaO2<50mmHg。但上述指標的合理性和嚴謹性仍需進一步評估和統一。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、肝素誘導血小板減少癥等。
3.3心臟手術由于VA-ECMO的血流灌注可達心輸出量的75%,因此有人將ECMO嘗試用于CPB脫機困難的心臟手術病人。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ECMO不僅可為晚期心肺功能衰竭而等待移植手術的患者爭取足夠的時間,也可改善全身狀況,對預后有利。ECMO還為順利度過手術和術后恢復期保駕護航。肺移植術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中建立ECMO代替CPB,并將ECMO支持時間延長到術后,這對危重病人的管理和肺功能的恢復非常有利,尤其是肺動脈高壓行單肺移植者【11】。在心臟移植術后,心肌頓抑常導致頑固性的心功能衰竭,而ECMO支持則為心肌頓抑的恢復創造條件。雖然主動脈內球囊反搏更常用于臨床,但它只針對左心系統,不能對嚴重心衰病人提供足夠的循環支持,且在股動脈較細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等方面也能發揮其特殊的治療價值。并發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治療的并發癥
ECMO的并發癥主要包括機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、機械泵或加熱器故障、置管和拔管相關并發癥等。一旦發生上述并發癥,應迅速讓機體從ECMO上脫離,并恢復治療前的機械通氣,同時處理相應的回路問題。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,主要包括以下幾方面。
一、中樞神經系統ECMO無脈搏轉流和右頸動脈的結扎改變了正常的血液循環方式,有可能導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血供對預防中樞神經系統并發癥十分重要。為避免右頸內靜脈血液淤滯,有人建議經頸內靜脈向腦端置管,充分引流顱內血液從而減輕腦淤血。此外,鎮靜劑的應用可減少ECMO期間躁動和癲癇的發生。
二、血液系統主要是出血傾向,顱內出血尤其是新生兒腦室出血發生率在14%左右。在不足35周的新生兒應用ECMO,幾乎100%發生腦室出血,因此ECMO禁用于不足36周的新生兒。ECMO轉流期間血小板易粘附于硅膠膜和管道表面,導致血小板的持續破壞和消耗,因而ECMO對血液系統損害最大的是血小板。故ECMO治療期間一般需每天補充濃縮血小板。紅細胞破壞和溶血也容易發生,因而成人有時需補充濃縮紅細胞。肝素化回路可減少血細胞的破壞,降低出血的發生率,但價格較昂貴。
三、心血管系統ECMO期間有時出現心搏出壓和搏出量極度降低的現象,即所謂的心臟暈厥現象【13】,一般持續時間較短暫,具體機理不明,但與死亡率有關。此外,高血壓也是ECMO期間一種危險的并發癥,可增加顱內出血的危險,甚至誘發心包填塞。栓塞也是常見并發癥,氣栓或者血栓可引起神經系統和外周組織梗塞的相應癥狀。
四、其他少尿在ECMO早期常見,另外還有感染、水電解質紊亂、酸堿平衡失調等。
5新型ECMO的研發與應用
5.1AV-ECMO
一種新的ECMO方式,血液從動脈經過專門用于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。數學模型分析表明,10~15%心搏量經過氣流量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方式的最大優點在于避免了與機械泵有關的并發癥,減少了血液破壞和簡化臨床管理;其缺點動脈置管并發癥增多,心臟負荷增加。AV-ECMO適用于急性呼吸衰竭、高碳酸血癥、需行保護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用。另一個簡易化設計是能置入腔靜脈內的微型氧合器,但由于較低壓力的靜脈血經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。于是人們設想研制一種將較小阻力氧合器和微軸血泵相結合的血管內肺膜【19】。還有一種設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
1.ECMO的臨床應用給體外循環帶來新的理念和定位,是心肺輔助循環的一種拓展,眾多實驗和臨床資料證實ECMO對改善機體氧合、排除多余CO2、維持血流動力學的穩定、促進心肺功能的恢復十分有效。而正確掌握適應癥和選擇轉流方式,盡可能降低和減少相關并發癥,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,隨著科技的不斷進步和發展,ECMO(或ECLS)一定會在臨床危重病人的治療中發揮越來越重要的作用。