微型体外循环应用现状及发展趋势

孟 凡，杨 明

上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市，200240

微型体外循环应用现状及发展趋势

【作 者】孟 凡，杨 明

上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市，200240

微型体外循环是针对常规体外循环的术后副作用而改进产生的一种新型体外循环系统。本文介绍了其原理、特点、应用及相关研究情况，并针对目前仍存在的炎性反应与灌注时间有限等问题提出了系统小型化、集成化；采用新型搏动流血泵；进行人体参数识别的自适应控制三方面发展方向。

微型体外循环；体外循环

据记载，1951年～1955年中，有18例采用体外循环(extracorporeal circulation, ECC)技术开展心脏外科手术，其中仅一例获得成功，而今体外循环已经在心脏外科手术中得到广泛使用，并挽救了成千上万人的生命[1]。在体外循环发展的60多年间，从设备到技术都已有了长足进步，但目前常规体外循环(conventional extracorporeal circulation, CECC)仍存在一些问题，例如术后炎性反应、凝血紊乱、脏器损伤等[2]。

为了解决CECC的不良反应与并发症，微型体外循环(minimized extracorporeal circulation, MECC)的研究得到了广泛关注。MECC是将CECC小型化、集成化后的改进系统，目前已经在美国、英国、德国等国家得到了临床应用。本文回顾了近些年MECC的应用情况与研究现状，并对其发展方向进行了展望。

1 MECC构成与基本原理

MECC系统是由血泵、氧合器、变温器、动静脉滤器等组成的闭合回路。血液从静脉插管接至氧合器进行氧气与二氧化碳气体交换，代替人体肺脏进行血液氧合，氧合后的血液被吸入血泵并通过主动脉送往

全身各处组织，如此周而复始在体外进行血液循环，代替人体心肺功能。系统内还设有变温器，起到在手术开始时降低体温，手术结束时升高体温的作用；动静脉滤器用以发现并过滤气泡，防止气栓、血栓的形成。不同系统根据具体需要，上述主要部件相互位置有所不同。MECC与CECC主要不同点在MECC去掉了静脉回流室，静脉回流室用于储存一定量血液供循环缓冲，以备突发情况时给灌注师一定反应时间，起到增加循环安全性的作用。

2 MECC的特点

2.1 减少预冲量

MECC将CECC主要部件进行了集成化，去掉静脉回流室，以患者本身作为静脉回流缓冲区；另外研究人员也通过实验证明某些CECC的主要部件可以小型化。例如，意大利研究人员Patrizio Sartini等在给肥胖病人使用MECC进行体外循环时采用了Admiral氧合器，其为一种真空纤维氧合器，体积小于一般体外循环所使用的氧合器体积，最终顺利完成了手术[3]。另外MECC多采用离心泵，离心泵在实现同样灌注参数的条件下所需泵体体积比滚压泵小，从而可以使整个灌注系统更接近患者，缩短了连接管路的长度。MECC的改进可以明显减少预冲量，从CECC需要的大约1 500 mL减少到约500 mL左右[4]，大大减少了循环过程中血液稀释带来的副作用。

2.2 减少血液与异物接触面面积

MECC所有内表面都经过生物兼容性材料处理，一般采用肝素，也有采用磷脂酰胆碱涂层[2]。这样可以减少血栓的形成，同时减少手术过程中肝素的用量，多余的肝素在术后需要用鱼精蛋白进行中和，中和不全或中和过量而残留的肝素和鱼精蛋白都会造成术后出血[5]。所以，减少肝素的使用对于术后产生的凝血紊乱有直接的好处。

2.3 闭合循环系统

MECC在去除了与外界相连通的静脉回流室后，实现了闭合循环回路，明显减少了血-气接触面，从而降低了血液细胞激活数量和炎性反应，为长期循环灌注提供了可能性。美国Millard Fillmore医院统计了该院1 681例使用体外循环手术案例，其中616例使用开放式循环灌注，1 065例采用闭合式循环灌注，数据显示闭合式循环灌注在各项指标中都显示出一定优势[6]。

3 MECC系统实例

目前在市场上的各种MECC设备中，血泵主要采用离心泵，少数MECC采用滚压泵；氧合器主要分为膜式氧合器与真空纤维氧合器两种。以下介绍几种各具特色的MECC系统。

3.1 Maquet公司生产的MECC系统

该系统整个闭合管路都经过表面肝素化，主要由Rotaf l ow离心泵和Quadrax D膜式氧合器组成，见图1。整个系统预冲量为500 ml，采用了倒吸式自体血液预充技术(retrograde autologous priming, RAP)，可以实现预充液全部排出，由自体血液预充的效果，减小了血液稀释问题[7]。

图1 MECC系统Fig.1 MECC system

3.2 ROCsafeRX系统

该系统是一个由Sarns离心泵、Terumo RX 15真空纤维氧合器、动脉血液过滤器等设备集成的闭合式系统，见图2。该系统还集成了一个静脉气栓检测单元，由气泡检测、气泡收集与电子静脉开关等组成，可以在检测到气泡的同时降低离心泵转速以降低流速，随之关闭静脉开关以便手动清除气泡收集器中的空气[8]。

图2 ROCsafeRX MECC系统Fig.2 ROCsafeRX MECC system

3.3 Aachen系统

亚琛工业大学最新研制出一款MECC系统，其将旋转泵集成在氧合器内，变温器集成在静脉血液缓冲器内，再将所有部件采用无管道直接连接从而将所有主要部件集成为一个主体，见图3和图4。该系统设计预充量为102 mL，适合用于儿童的体外循环灌注。目前已完成与其他同种类泵体的对比动物实验输出压力300 kPa(40 mmHg)左右，最大流量(184±45) ml/min，见图5。证明其已实现小型动物模型要求的灌注功能，并且降低了术后炎性反应[9-11]。该系统消除了各主要部件之间的连接管路长度，从而明显减少了预充量和血液接触面积，对炎性反应，血液稀释等问题的解决提供了新的方法。

图3 Aachen MECC系统Fig.3 Aachen MECC system

图4 Aachen MECC系统使用过程中Fig.4 Aachen MECC system in the operation

图5 Aachen MECC系统动物实验Fig.5 Aachen MECC system in the animal experiment

4 MECC的临床应用

在MECC研制初期，其通常只是被用在冠状动脉旁路移植(Coronary Artery Bypass Grafting, CABG)与主动脉瓣置换(aortic valve replacement，AVR)过程中，随着近些年MECC的不断发展，已经有越来越多的心脏外科手术采取MECC辅助循环，并取得了不错的效果。

4.1 MECC应用于CABG与AVR手术中

MECC在CABG与AVR手术中取得了比CECC更好的辅助效果，对病人康复提供了更好的条件。Klinikum等对291名接受过CABG或AVR手术的病人(CECC组146人、MECC组145人)进行了统计，结果显示在设备故障方面二者均表现良好，而在灌注功效方面（包括输血量与房颤发生率）MECC组要显著优于CECC组[8]。另外，Kof i dis T等对80名（其中30名采用CECC辅助循环，50名采用MECC辅助循环）接受CABG手术治疗的病人信息进行了统计分析：MECC组的失血量与输血量均小于CECC组；辅助循环时间也短于CECC组(74±17) min比(82±24)min；ICU监护时间两组没有明显差别；血细胞激活与破坏方面MECC组优于CECC组[12]。

4.2 MECC应用于心脏术后心源性休克的灌注循环

德国雷根斯堡大学医院报告了一例为57岁心源性休克病人采用MECC长期循环灌注的案例。该病人由于冠状动脉栓塞发生心脏术后心源性休克，为其采用了MECC循环灌注，持续时间37 d，期间病人处于清醒状态，自主呼吸，最终过渡到心脏移植。该例证明MECC有可能延长安全灌注时间，可以用于心源性休克到供体移植的短期过渡，但由于灌注循环期间，病人行动受限，故不适合作长期辅助循环使用[13]。

4.3 MECC用于左心辅助设备(Left Ventricular Assist Device, LVAD)植入

LVAD的植入可不需要体外循环辅助，即无泵左心辅助设备植入，但在该类手术中采用MECC作为备用灌注源可使手术效果更好。希腊AHEPA大学医院为一名65岁的扩张性心肌病病人植入LVAD时使用MECC作为辅助循环，术中MECC防止了LVAD移植过程中造成的血液灌注波动，减小了手术副作用。将MECC用于LVAD的植入还可以代替一部分呼吸作用和LVAD植入后右心室短暂紊乱情况下的辅助循环，起到手术中突发情况的应急作用，增加该类手术的安全性[7,14]。

除此之外，还有报道在降主动脉移植过程中采用MECC，也都取得了较好的手术效果[15]。

5 MECC的发展方向

目前MECC主要研究方向仍应致力于减小术后副作用与延长循环灌注时间。基于上述分析本文认为MECC未来主要有三个发展方向。

5.1 采用搏动流血泵灌注

目前临床使用中的MECC大部分采用非搏动流灌注（nonpulsatile perfusion，NP），而搏动流灌注（pulsatile perfusion，PP）与非搏动流灌注的研究也在不断进行。Tijen等[16]对215例临床灌注结果分析得出两种灌注的灌注总量无显著差别，术后ICU各项数据表明PP组更利于心脏、肾和肺功能的恢复；Zhao Ju等[17]证明术中及术后短期脑血氧饱和度PP组高于NP组；内皮素PP组低于NP组；结合其他参数证明PP组可提供更好的脑供氧和微循环灌注。沈耀峰等[18]通过临床实例证明CPB心脏手术采用搏动灌注的脑氧代谢和肾保护优于非搏动流灌注。以上研究显示搏动流比非搏动流在器官保护与恢复方面更具优势，此外还有研究显示在血流动力学方面搏动流具有更好的能量传输特性[19-20]，所以MECC将来应采取搏动流灌注。选择搏动流血泵方面，由于滚压泵与离心泵在血液破坏方面的劣势，将来可以采用LVAD中已临床使用的各种隔膜式搏动泵，该类型泵已被证明可以长时间工作于人体内。

5.2 系统小型化与集成化来减少预冲量并降低术后炎性反应

一方面，在保证性能的前提下进一步缩小主要部件尺寸并进行表面生物兼容性处理，从而减小预冲量与血液和异物接触面积；另一方面，虽然血泵和氧合器等都是带来主要预冲量的部件，但最大一部分预冲量还是由连接管路带来[10]，所以应进一步加大系统集成化，以通过缩短连接管路来减少预冲量。Aachen系统提出的方法，即将所有部件集成为一个整体，减少了主要部件间的管路长度也缩小了系统整体尺寸，使其在术中可以更靠近患者，从而又减少了系统与患者间管路长度。

5.3 人体参数的识别进行系统自适应控制

MECC系统为了降低预冲量去掉了在灌注过程中起缓冲作用的静脉回流室，从而降低了系统的安全性，增加了灌注师的操作难度。目前只有经验非常丰富的灌注师与配合默契的手术团队才能采用MECC系统，这也是妨碍MECC系统普及的一个原因。如果能结合灌注过程中对心血管功能，人体重要脏器功能，血液生化等重要人体参数的有效识别与监测，进行MECC系统的自适应控制，尽可能的使体外循环灌注符合或接近生理指标，便可以提高循环灌注的安全性与系统的可操作性。

目前，我国在MECC的使用与研究方面尚处在起步阶段，临床应用与研究成果还不多，希望国家能对该领域予以关注并加大投入力度，促进MECC在我国的推广与发展，为更多的患者带来福音。

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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

国家自然科学基金科学仪器基础研究(81027001)

孟凡，E-mail: mengfan711@yahoo.com.cn

杨明，E-mail: myang@sjtu.edu.cn