体外膜氧合ECMO的基础（译文）
The following article is from 重症时空 Author 骤雨
一、ECMO的历史
体外生命支持是指在自然系统衰竭的情况下补充自然肺和/或心脏功能的能力。现代体外生命支持设备的开发始于John Gibbon发明的体外循环(CPB)，1953年首次成功地用于心脏手术，当时体外支持用于修复一名18岁患者的房间隔缺损。不久，由C.Walton Lillehei医学博士和Richard Dewall发明了气泡式氧合器。然而，这些早期的气泡式氧合器会产生显著的溶血作用，因此限制了气泡式氧合器在长时间气体交换中的使用。1957年硅胶(一种可实现高效气体交换的橡胶材料)的开发导致了“膜氧合器”的发展，并创造了“体外膜氧合”(ECMO)一词。这一点，加上认识到ECMO需要持续抗凝，使得长时间的体外支持成为现实。
据报道，ECMO首次在ICU成功应用于一名24岁的创伤患者，该患者因创伤后急性呼吸窘迫综合征(ARDS)而被插管。然而，现代ECMO的起于新生儿重症监护中，罗伯特·巴特利特(Robert Bartlett)博士率先将其用于儿科心肺衰竭，并发表了首个将ECMO与标准治疗进行比较的随机对照试验。1985年在H1NI流感流行期间，ECMO变得更加普遍，因为ECMO被成功地用于许多患者的急性呼吸窘迫综合征的治疗。从那时起，ECMO的应用已经扩展到全球，因此重症监护领域的临床医生必须对ECMO支持的适应症、禁忌症和并发症有基本的了解。
二、体外膜氧合回路的组成
静脉-静脉(VV)或静脉-动脉(VA)ECMO需要从静脉系统引流脱氧血液，使其穿过膜式氧合器，膜氧合器去除二氧化碳(CO2)，补充氧气，并根据VV或VA的使用将含氧血液返回患者的静脉或动脉系统。这一过程由一个简单的套管系统、一个血泵、一个非微孔聚甲基戊烯氧合器和一个热交换器来实现。
市面上有多种品牌的泵可供选择。所有泵都是离心泵，可为ECMO支持提供高效的流量。为了给患者提供氧合和通气，所有ECMO回路都有与回路一致的氧气供应(FiO2)和“扫气”流量计(图1)。这种氧气流动将成为膜肺内气体交换所用的氧气来源。扫气可以有效地清除二氧化碳，并允许低潮气量通气和肺休息，以使患者恢复健康。肺保护性通气策略对肺恢复至关重要，充分利用ECMO有助于促进肺恢复。(图二)
三、静脉-静脉体外膜氧合
1、适应症和概述
静脉-静脉体外膜氧合(VV-ECMO)适用于对常规药物治疗和机械通气无效的原发性呼吸衰竭。(方框1)许多患者使用深度镇静、麻醉、俯卧位、吸入性肺血管扩张药和利尿剂失败。
支持VV-ECMO患者的主要目标是通过肺保护性通气促进肺休息。肺保护性通气旨在降低呼吸机诱导的肺损伤(VILI)相关触发因素的发生率和严重程度，肺保护性通气旨在降低呼吸机相关性肺损伤(VILI)的发生率和严重程度，如容积伤、气压伤、肺不张伤和生物伤。目前公认的肺保护性通气策略的出现源于对急性肺损伤、大潮气量(Vt)导致肺内皮细胞的动物模型的认识，以及导致炎症、肺不张的肺泡上皮破裂。Brower及其同事首次推荐在急性肺损伤/ARDS患者中使用低Vt治疗，此前他们发现Vt低于传统接受的10至15ml/kg容量的患者死亡率显著降低，无呼吸机使用天数增加。在这些患者中，炎症介质白细胞介素-6(IL-6)水平显著降低，表明低Vt导致肺部炎症减轻，有助于改善他们的临床结果，这支持了被认为发生在Vt较低的牵张诱导的肺损伤的减少。后来的荟萃分析和Cochrane综述提供了进一步的支持，使用低Vt(7mL/kg理想体重)和平台压力低于30cmH2O的肺保护性通气，通过避免VILI降低了28天的死亡率和发病率。
肺保护性通气策略已被证明可以改善没有ARDS的患者的预后，或许还可以防止进展为ARDS。在VV-ECMO运行期间使用肺保护性通气策略，可以最大限度地减少VV-ECMO患者的VILI，促进VV-ECMO患者更早的呼吸机脱机和活动，降低多器官功能障碍的可能性和降低死亡率。
2、病人选择
考虑插入VV-ECMO或任何形式的ECLS的患者应进行全面了解病人情况，以排除不利于使用ECMO的不可逆转的疾病过程(方框2)。插管前应进行超声心动图检查，以排除呼吸衰竭的心脏病因，并确保接近正常的心功能，因为VV-ECMO依赖于患者的心血管系统来维持肺和全身的灌注。如果有证据表明存在严重的心功能障碍，则应考虑静脉-动脉体外给氧(VA-ECMO)。大约10%的原发性呼吸衰竭患者会出现继发于ARDS的低氧血症、高碳酸血症和酸中毒的右心室(RV)功能障碍。RV功能障碍的患者通常可以使用肌力调节剂、肺血管扩张剂、利尿剂和优化其酸/碱状态来减少RV后负荷，促进气体交换，而不需要VA-ECMO。对于一些需要在插管前使用多种正性肌力/血管活性药物的患者，VV-ECMO可能不会导致更差的预后或增加并发症的发生率，一些作者建议将VA-ECMO保留给VV-ECMO插管后的顽固性低血压患者。
临床医生评估患者可能需要VV-ECMO插管，或者治疗已经插管的患者，可以使用呼吸ECMO生存预测(RESP)评分来辅助预测生存，因为VV-ECMO对于医疗系统来说是一种稀缺的医疗资源、劳动密集型和昂贵的设备，使用经过验证的预测死亡模型可以帮助临床医生更好地分配这些资源并创建风险/收益基准。(表1)虽然RESP评分可以帮助预测需要ECMO的成人呼吸衰竭患者的生存，但使用经验证的预测死亡模型可以帮助临床医生更好地分配这些资源并创建风险/收益基准。
2、插管和管道选择
实施ECMO需要两个插管：一个流入插管和一个流出插管。套管是根据与血泵的关系命名的。也就是说，从病人流向血泵的血液是通过流入套管，而从血泵返回病人的血液是通过流出套管。
VV-ECMO插管可以在多种环境下进行，包括急诊室、ICU、手术室和心脏导管实验室。大多数VV-ECMO插管都是通过Seldinger或改良的Seldinger技术经皮进行的。插管前，应保护患者的气道，获得动脉通路以进行血流动力学管理，并获得中心静脉通路，优先保留右侧颈内静脉(RIJ)，因为这可用于放置流出的导管。插管位置通常在超声心动图或放射影像引导下确认。(图三)
VV-ECMO插管的解剖位置主要取决于患者的临床稳定性、ECMO的使用方式和治疗团队的经验。VV-ECMO的常用插管策略是股-RJ入路，即流入套管放置在股静脉内，其末端在RA-IVC交界处下方，流出套管放置在RIJ内，其末端在SVC-RA交界处。另一种插管形式是股-股，即将流入套管放置在RA-IVC交界处的远侧，将流出套管放置在对侧股静脉，套管放置在SVC-RA交界处。股-股策略可能更倾向于再循环，即返回给患者的含氧血液不会进入肺循环，但会立即通过流入的插管返回ECMO回路。如果选择此配置，则应将流入套管固定在与膈肌大致相同的水平或更低，以防止再循环。
或者，单根双腔插管加右IJ静脉插管可以更快地使呼吸机脱机、降低腹股沟部位感染的风险，并最终动员需要VV-ECMO的患者。一种常用的双腔设备是Avalon Elite(Maquet，德国)，尺寸为16-31 Fr。此外，这种方法降低了再循环的可能性，特别是在ECMO流速较高的情况下。
3、维护和并发症
使用VV-ECMO治疗病人需要一个由内科医生、外科医生、呼吸治疗师、护士、输液师、药剂师、营养师和其他人员组成的团队。所有这些都在维持ECMO管路的安全和最佳功能方面发挥着关键作用。接受VV-ECMO支持的患者应该通过许多指标进行监测，包括通气设置和压力、动脉血压监测、中心静脉压，以及频繁的实验室检查(包括动脉血气)，以调整扫气流量和/或ECMO流量。根据动脉血气结果，可以进行改变以纠正氧合和通气问题，而不需要更换呼吸机，因为这可能会导致机械通气对肺部造成进一步的机械损伤。如果遇到高碳酸血症和由此导致的呼吸性酸中毒，可以增加扫气流量，以通过膜式氧合器清除更多的二氧化碳。如果低氧血症是问题所在，那么可以尝试增加ECMO流量、给血或增加呼吸机上的FiO2来纠正低氧血症。在VV-ECMO上导致顽固性低氧血症的问题，如再循环，将在本文后面讨论。
机械支持治疗过程中的并发症通常是内科或机械性的。Vaquer及其同事对VV-ECMO用于ARDS的研究进行了系统回顾(2017年)，发现40.2%的患者出现并发症，其中最常见的是出血(29.3%)。10.9%的患者出现机械支持回路并发症，包括流入/流出导管和氧合器，其中12.8%的患者在治疗期间需要更换氧合器。
通过与临床工作人员的持续沟通以及对患者和ECMO回路的体检来认识不断演变的并发症是至关重要的。如前所述，再循环是VV-ECMO过程中遇到的常见问题。其经典表现包括顽固性低氧血症和预氧器血氧饱和度(SpreO2)升高。虽然多种因素会影响再循环百分率，但如果使用双部位插管策略来减少再循环，则应该对流入和流出的套管尖端进行更大程度的分离。如果插管顶端不能进一步分开，可以改用单个双腔导管或增加一个额外的静脉引流导管。
当自然心输出量超过ECMO回路的流速时，就会发生脱氧血液与从ECMO回路返回的含氧血液混合，可能导致全身氧合不良和SaO2降低。为维持SpO2大于88%，建议ECMO血流量至少占全身血流量的60%。ECMO治疗期间心输出量增加的最常见原因是脓毒症，大约13.5%的成人VV-ECMO患者出现抗药性血流感染。除器质性病理外，还应避免因镇静或镇痛不足而导致医源性心输出量异常。
ECMO电路部件容易发生故障，包括套管、血泵、膜式氧合器等。他们必须由临床医生和其他辅助床边提供者持续评估。
流入的插管通常会振动或“抖管”。这是由于流入套管中的高负压，因为套管周围的静脉塌陷，以及管路在内发生振动。一种常见的病因是低血容量，可以用胶体或晶体溶液来纠正。
膜氧合器故障是由于氧气供应故障或血栓形成所致。在确保氧气供应完好无损后，提示血栓形成的发现包括直接看到血栓，特别是在膜的预氧器一侧，膜上的压力梯度很大(正常梯度<50 mmHg)。
出血并发症是ECMO期间发病率和死亡率的主要原因。在使用全身抗凝预防血栓栓塞并发症的同时保持管路通畅可能是具有挑战性的。VV-ECMO的绝对抗凝策略尚不存在。全身肝素的抗凝通常在插管时启动，并通过一系列激活凝血时间(ACT)、激活部分凝血活酶时间(APTT)、抗Xa因子(Axa)分析和血栓弹性成像(TEG)进行监测。但是，无论如何都应该看到监控技术之间的一致性。如果从插管开始出现抗凝禁忌症或出现抗凝禁忌症，VV-ECMO可以在没有抗凝的情况下进行，流量应至少为3.5L/min。
4、静脉-静脉-体外膜氧合脱机
ECMO支持应该在安全的情况下尽快停止。确定拔管的最佳时间没有得到很好的描述或程序化，而且往往取决于制度和医生。一般来说，一旦自然肺功能改善到ECMO扫气流量可以减少到最小允许设置，并且患者的Vt、呼吸频率、峰值压力和平台压力都可以接受，患者就可以拔管并使用机械通气进行支持，直到认为拔管是合适的。
四、静脉-动脉体外膜氧合
1、适应症和概述
VA-ECMO不仅提供VV-ECMO的气体交换能力，还在单纯性心力衰竭或合并心肺衰竭时提供机械循环支持，与自然心功能并行。VA-ECMO管路的组件与VV-ECMO相似。不同的是，流出的插管被放置在动脉中，为患者提供循环支持。VA-ECMO的插管可以是中央插管，也可以是外周插管。中心插管，即静脉流入插管放置在右心房，流出导管放置在升主动脉，主要用于在心脏切开后，这些患者尽管接受了大剂量的肌力和血管加压剂支持，但仍未能脱离CPB。这些患者通常既有心力衰竭，不完全血运重建，术中心肌保护差或接受了技术上困难的手术。外周插管用于心源性休克和心脏骤停通常是通过在股静脉或右IJ静脉中放置静脉流入套管和在股动脉中放置动脉流出套管或将其移植到右锁骨下动脉或腋窝动脉中来完成的。
2、病人选择
Rao和他的同事概述了在向患者提供VAECMO之前应该考虑的5个因素：(1)适应症，(2)插管策略，(3)左心室扩张/排气策略，（4)肢体远端缺血/灌注策略，(5)退出策略。方框3列出了启动VA-ECMO的适应症。然而，目前还没有社会认可的循证指南，哪些患者最有可能从VA-ECMO获益。
VA-ECMO患者的死亡率为50%-60%，6个月存活率低至30%。因此，对VA-ECMO插管的病人人进行筛查至关重要。与VV-ECMO相似，插管前应排除不可逆性病变过程，并应进行超声心动图检查以确定心脏病理。超声心动图检查应确保，由于严重左心室(LV)扩张的风险增加，不存在超过轻度主动脉瓣关闭不全的情况。在插管前应放置大口径中心静脉通路和动脉导管，以进行血流动力学监测和液体或血液产品的给药。与RESP评分类似，静脉-动脉ECMO(SAVE)评分可以在插管前用于预测需要VA-ECMO治疗的顽固性心源性休克患者的存活率。
2、管路
中心插管主要在患者脱机失败时进行。在体外循环中预先放置的静脉和动脉插管通常用于VA-ECMO启动，不需要额外的插管。中心插管的缺点包括需要重新进入胸腔进行拔管，增加患者出血和感染的风险，以及在插管时无法拔管，限制了早期活动的潜力。上肢外周动脉插管采用锁骨下动脉、无名动脉或腋窝动脉置管，可提供中央置管的生理学优势，包括降低左室扩张的可能性和脑低氧血症的风险，但仍允许早期拔管和活动。虽然通过股动脉和静脉外周插管是最常见的插管策略，但也并非没有显著的风险，包括股动脉闭塞、远端肢体缺血、筋膜室综合征和上体灌注不足。
合适的插管大小应符合等效心脏指数2.2至2.5L/m2/min，被认为是全流量VA-ECMO。静脉插管通常为19至25Fr，而动脉插管为15至24Fr。
3、维护和并发症
VA-ECMO的特殊考虑包括左心室扩张和肺水肿的风险、确保动脉管腿远端有足够的灌注、小丑综合征和抗凝要求。识别左心室扩张对于促进心肌恢复、防止左心室内血瘀和优化患者脱机至关重要。床边识别左心室扩张可以通过几种方式完成。首先，确保主动脉瓣打开可以通过动脉线追踪来完成，记住随着ECMO流量的增加，MAP也会增加并导致脉压和每搏量降低。理想情况下，应该放置一条右桡动脉管，以便进行血流动力学监测，并确保右大脑半球和右臂有足够的氧合；然而，由于新的或恶化的左心室扩张引起的肺水肿可以通过右桡动脉线上逐渐降低的PO2值来检测到。最后，连续的胸部X光片可能显示肺水肿，提示左心室扩张；然而，如果仅用胸片来检测，必须排除其他因素和水肿的原因，如ARDS或感染。左心室减压策略包括主动脉内气囊反搏(IABP)、房间隔造口术、左心房至主动脉插管，以及手术或经皮海绵窦减压。虽然每种排气方法的优缺点都超出了本综述的范围，但应该承认的是，目前还没有标准的LV减压方法。
确保动脉插管小腿的充分灌注至关重要，因为12%-22%的外周插管患者会出现下肢缺血，可能会导致需要筋膜切开或截肢的筋膜室综合征。在外周VA-ECMO插管时，许多中心在股总动脉或股浅动脉放置6-8Fr远端灌注套管，以提供动脉插管部位远端的顺行血流。肢体缺血不仅可能导致患者需要额外的手术，还可能导致VA-ECMO脱机困难，是院内死亡的独立危险因素。
鉴于经外周插管的VA-ECMO血流是逆行的，根据心输出量相对于VA-ECMO血流的不同，在主动脉根部和膈肌水平之间可能形成血液的分水岭区域，有时被称为“混合云”。分水岭区域是肺动脉气体交换受损的直接结果，导致缺氧的血液被左心室混合后排出，这些血液在主动脉内逆行流动。较高的LV输出量将使分水岭区域更远，更靠近膈肌，而较低的LV输出量将导致分水岭区域保持离主动脉根部更近。分水岭区域构成的威胁是差别性低氧血症，也称为小丑综合征或南北综合征，在这种情况下，上半身面临低氧血流到大脑、心脏和上肢的风险，而下半身将从ECMO回路充分灌注。对这一现象的认识依赖于连续的右上肢动脉血气测量和连续的脑血氧饱和度趋势。治疗小丑综合征时，应考虑治疗潜在的肺部病变，最大限度地提高呼吸机氧合支持，如有适应症，进行左心室减压，并在动脉流出管上放置Y型接头，通过额外的静脉插管(静脉-动脉-静脉ECMO)将氧合良好的血液输送到静脉系统。
VA-ECMO本身就是促炎的，导致泵血栓形成、氧合器失效或血栓栓塞事件的风险增加。血栓形成的风险必须与大出血的风险相权衡，因为在有或没有全身抗凝的情况下，多达27%的VA-ECMO患者将遭受重大出血事件。大多数医疗机构都与当前ELSO的建议一致，使用ACT目标为180到220的普通肝素；然而，抗Xa检测正在成为治疗的标准和一种混合的方法。
4、VA-ECMO脱机
一旦发现心肌恢复的迹象，就应该尝试撤除VA-ECMO。然而，所有的器官系统都应该优化，特别是肺脏系统，一旦ECMO支持停止，它将负责气体交换。在撤机尝试之前，肌力和血管升压药应该滴定到低剂量，并留出增加的空间。血流动力学监测仪，包括右上肢动脉导管和PA导管，应该保持在适当的位置，以确定灌注指数的趋势，确保有足够的心肌恢复，以支持末端器官。虽然没有标准的治疗方法脱机，但推荐循序渐进的方法。许多中心采用三步法，包括每日脱机检查，随后进行床边评估拔管，并最终在TEE指导下在手术室进行正式的脱机检查，以进行拔管。弗里德和他的同事详细介绍了每天的脱机尝试，流量每分钟增加0.5LPM，最低为2LPM。如果患者的MAP下降不超过10-15mm Hg，支持压力没有显著增加，则允许患者以最低耐受速率血流，血流动力学趋势持续8小时。每日脱机试验通常采用TTE系列检查进行，因为成功脱机与主动脉VTI>10cm、LVEF>20%~25%、二尖瓣环侧向收缩期峰值流速>6 cm/s 相关。一旦每日脱机试验获得耐受性，通常通过将ECMO流量降至1LPM来进行床边评估以进行拔管，并评估血流动力学。如果耐受性良好，患者可以安排在手术室接受正式的ECMO检查，减少ECMO流量，夹住导管30分钟，最多4小时。如果成功，患者可以拔管，这通常涉及动脉切开部位的外科修复。
五、总结
ECMO在世界各地的ICU中的使用继续增加，其使用的适应症也在继续扩大。对它在脓毒症等其他禁忌症状态中使用的进一步调查正在进行中，可能会改善这类高危患者的预后。ECMO开始显示出治疗患者潜力的其他领域是创伤性损伤和烧伤患者。随着这种不断发展和增加的足迹，ECMO的知识及其日常维护对任何从事重症监护医学领域的临床医生来说都将是重要的。
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