静脉动脉体外膜肺氧合的生理学——全面的临床视角

介绍

静脉动脉体外膜肺氧合 （VA ECMO） 是一种广泛使用的临时循环支持方式，用于治疗严重心源性休克和难治性心脏骤停。近年来，观察到 VA ECMO 在急性和危重心血管治疗中的使用激增。然而，这种广泛的日常实践仍然缺乏强有力的科学证据来证明 VA ECMO 优于传统治疗的令人信服的优越性。在某种程度上，这种证据的缺乏可能归因于 VA ECMO 患者管理的复杂性以及相关的高并发症发生率，这些并发症对临床结果有重大影响。为了尽量减少不良反应和 VA ECMO 相关并发症，正确了解错综复杂的患者与设备相互作用至关重要。反过来，这需要通过教育和培训获得基于专门资格的日常治疗，使医疗保健专业人员能够预测和识别 VA ECMO 的不良影响，并及时相应地调整临床管理。

更详细地说，VA ECMO为急性和重度心脏、循环和通常相关的呼吸衰竭提供动脉化血流到体循环。这种支持旨在稳定患者的休克状态并重建足够的多器官灌注，而进入主动脉的动脉化体外血流强烈影响心脏和血管功能和状况。VA ECMO对患者血流动力学的影响取决于插管模式、回路配置以及提供的体外支持程度。此外，个体患者特征和伴随的重症监护支持动态影响设备与人体生理学之间的相互作用。

在这里，我们着手回顾和反思 VA ECMO 的基本生理概念，以支持对个体患者的临床推理并促进受过良好教育的临床管理。

基本血流动力学改变解释

VA ECMO，通常被称为体外循环 （CPB） 的小型化版本，具有闭环体外血路，与其前身传统 CPB 形成鲜明对比，后者是一个带有储血器的开放系统。在血流动力学方面，VA ECMO的这种技术特性意味着从中心静脉循环中排出的血液直接重新注入主动脉及其分支。静脉引流量取决于 VA ECMO 回路的压降和离心血泵每分钟转数，并倾向于降低中心静脉压、右房压和右心室前负荷。由此产生的效果是VA ECMO可直接降低右心室输出量和肺循环。这种血流动力学变化的程度还取决于患者因素，例如血容量状态和代偿性压力反射控制。重新注入动脉循环的含氧血液对主动脉加压，这可能会增加左心室后负荷，并间接增加左心室前负荷、左房压和肺动脉嵌压。值得注意的是，这种患者-设备相互作用的意义和动态性取决于许多不同的因素，例如心源性休克的原因、左右心室相互依赖性、血管张力、容量状态等。总而言之，天然血路和体外血路平行相互作用，形成两个准闭环回路。从这个角度来看，通过体外回路输注的血液最终会重新进入中心静脉血池。这也意味着，将体外血流注入动脉室并不直接决定左心室后负荷，但应被视为影响动脉和静脉循环之间的动态血流动力学平衡。在这里，天然和人工血泵，即右心室、左心室、心房和体外离心泵相互依存，并且与不同的血管床相互连接，分别是中心静脉、肺和体循环动脉循环。在床边，在评估患者在 VA ECMO 支持下的循环状态时，应考虑所有这些方面。

心脏功能与负荷

在 VA ECMO 支持期间，经常对患者的心脏功能和几何形状进行全面评估至关重要，因为心脏恢复和体外循环断流是临床治疗的关键目标。

经胸和经食道超声心动图可收集有关心脏状况的详细解剖和功能信息。因此，在 VA ECMO 期间，超声心动图检查应由经验丰富的操作人员进行，作为日常工作的一部分，并在临床情况需要时随时进行。

心脏机械负荷条件

除了稳定患者心源性休克状态的血流动力学和呼吸系统这一临床目标外，以避免心脏负荷过重和促进心肌恢复为目标优化管理 VA ECMO 也很重要。临床和实验证明，VA ECMO 可增加左心室的机械负荷，即前负荷和后负荷。在这种情况下，通常认为 VA ECMO 来源的血液逆行输注到主动脉是左心室负荷过重的重要原因。这种现象在最常用的外周插管 VA ECMO 中也会遇到。然而，中心 VA ECMO 也通过非脉冲性、持续输注含氧血液对主动脉加压，因此也可能增加左心室的后负荷。迄今为止，体外支持流量的程度、特定插管位置和相关的主动脉血流动力学以及患者因素如何影响左心室后负荷仍有待阐明。实验和临床数据仍然模糊不清，凸显了这一问题的复杂性。

在日常临床治疗中，需要强调的是控制动脉血压，如将平均血压值控制在 65 mmHg，并尽可能降低高血容量，可显著控制左心室后负荷。此外，将体外血流减少到足够的系统循环所需的可耐受的最小值，也能降低左心室后负荷，防止左心室随之扩张。

作为日常工作的一部分，VA ECMO 下的心脏功能和负荷条件应通过先进的连续血流动力学监测进行评估，最好使用肺动脉导管并结合反复床旁超声心动图检查。在这种情况下，应该强调的是，右心室功能的评估至关重要，因为右心室的收缩力保持不变，可有效地将血液泵入心脏左侧，从而导致 VA ECMO 期间左心室负荷过重。

当保守治疗 VA ECMO 期间心脏负荷条件不足时，可考虑辅助性左心室减压干预。应仔细评估这些额外疗法的益处和相关并发症（如出血和肢体缺血）。此外，还需要明确定义患者的特定临床目标：

• 卸压或减压指的是旨在减轻左心室所承受的机械（过度）负荷的策略，这种负荷在第一近似值上取决于心腔压力和几何形状（拉普拉斯定律）。
• 减压策略旨在确保经肺和经心血流，防止左心室腔和主动脉根部血栓形成。
• 将 VA ECMO 与另一种设备结合使用的联合机械循环支持策略可增加全身总血流量，超过 VA ECMO 单独使用的极限。

VA ECMO 中辅助性介入左心室减压策略的这些治疗目标在临床上可能相互交织，但代表了联合机械循环支持的不同生理方面。

心脏功能的评估和管理

由于患者的心血管系统与体外血路之间存在复杂的相互作用，因此在 VA ECMO 期间正确描述衰竭或恢复期心脏的心肌收缩力具有挑战性。在 VA ECMO 期间，右心室可能会明显卸载，而左心室的后负荷可能会增加。这反过来又会影响右心室与左心室的相互依存关系，从而影响肺血流和左心室负荷。在从 VA ECMO 断流的过程中，这些方面变得尤为重要。已对各种血流动力学和超声心动图参数进行了研究，以评估患者的准备情况和预期的断流成功率。虽然这些参数大多侧重于左心状态，但应该强调的是，右心室功能对长期预后也至关重要，尤其是在以慢性机械循环支持为目标时。

另外，也可在床旁通过评估外周动脉血压描记图（即动脉脉压，定义为收缩压和舒张压之差）间接监测 VA ECMO 下的心脏收缩功能。临床上，人们普遍认为，当增加 VA ECMO 血流量时，动脉搏动性会降低，而平均血压通常会因持续注入的体外血流对主动脉加压而升高。在心源性休克和心脏骤停患者的 VA ECMO 中，动脉脉压似乎是重要的预后信息。为了进一步明确动脉脉压作为心脏收缩力替代指标的作用，需要进行更多的研究，以阐明其在 VA ECMO 中的复杂性质。从血流动力学的角度来看，动脉脉搏压力是左心室搏动血流与注入主动脉或其一个大分支的 VA ECMO 血流相结合的结果。与原发性心室血流相比，ECMO 血流是连续的、非搏动性的，主要是整个回路压降和离心血泵特性变化的结果。在解释动脉脉压、波形和平均压力时，应同时考虑心脏功能和动脉血流方面以及与动脉血管相关的特征，如主动脉顺应性随年龄和血管疾病而降低，外周血管阻力因患者因素或血管活性药物而改变（图 1）。显然，心率、血管内血容量以及肌力和血管正性肌力支持也都可能影响患者的收缩储备，并掩盖了对心脏原生收缩力的客观评估。

图 1. 人体心血管系统与静脉-动脉体外膜肺氧合（VA ECMO）回路相互作用的示意图。肺循环以中心静脉压（CVP）、右心室和肺为代表，与以左心室（LV）前负荷为代表的体循环相连，通过心室-动脉耦联产生搏动性的原生 LV 血流和全身血压。VA ECMO 循环排出中心静脉血（CVP），产生持续的体外血流（ECMO 血流）注入全身循环，并通过 ECMO-动脉耦合对全身血压做出贡献。由于心室-动脉和 ECMO-动脉耦联，可观察到搏动性动脉波形，其搏动性、幅度和形状受左心室收缩力增加（红色）、主动脉顺应性增加（绿色）、外周阻力增加（赭色）和 ECMO 血流增加的影响。

作为临床参考，国际指南建议最低脉压为 10 mmHg，以确保跨肺和心脏血流、左心室射血以及防止心室腔和主动脉根部血栓等严重并发症。特定的动脉脉压并不等同于（不）适当的心脏机械负荷条件，但如果动脉脉压较低，即小于 10 mmHg，则需要对心脏功能和负荷条件进行详细分析。

此外，在评估是否准备好断流时，动脉脉压也是一个考虑因素，但应注意的是，脉压差小于 15 mmHg 与低心输出量有关。一般来说，从 VA ECMO 断流需要对患者的血流动力学进行系统、细致的评估，这与 VA ECMO 支持程度和辅助重症监护有关，尤其是当标准断流方法不成功时。这种详细的临床评估还应包括心脏填塞的鉴别诊断，尤其是在断流困难或理解不清的情况下，因为在 VA ECMO 期间，由于患者与设备相互作用对血流动力学的影响，可能不会出现心脏填塞的经典临床症状。

对心肺功能和状况进行最佳监测和管理

当需要较高的体外血流速率（>4 L/min; 60-80 mL/kg）来维持足够的器官灌注时，应该意识到肺动脉血流可能会显著减少。这可能会导致原肺缺血。虽然肺部有双重血液供应，但肺实质的灌注主要依赖肺动脉血流，不能完全通过支气管动脉供血来补偿。尤其是肺移植后使用 VA ECMO 支持的患者，由于在移植过程中支气管动脉通常会被牺牲，因此肺和气管支气管缺血的风险会增加。作为一种指征，当肺动脉流量长期降至总心输出量的 25% 以下时，就可能达到临界阈值。在临床上，意识到高流量 VA ECMO 导致的潜在病理生理学至关重要，因为肺缺血在床边可能仍然不明显，无法识别，只有通过肺水肿的临床表现才会显现出来。重要的是，应使用肺动脉导管、超声心动图仔细监测肺动脉血流，或在机械通气期间通过呼末二氧化碳仪间接监测潮气末二氧化碳（EtCO2）水平。

监测肺循环应始终与评估右心室功能同时进行，因为在 VA ECMO 下，右心室前负荷可能会减少。然而，在这种情况下，肺血管阻力（PVR）起着关键作用，因为它能增强右心室的后负荷和前负荷。

PVR 增高可能是容量超负荷、预先存在和长期存在的左侧心力衰竭的结果，而这种情况可能只有一部分是可逆的。此外，休克时的高碳酸血症以及肺部异常（包括水肿、肺不张和浸润性病变）也可能导致 PVR 增加。应通过调整机械通气设置或体外气体流量来避免高碳酸血症。这样，以正碳酸血症为目标就能防止 PVR 增加，从而保证在可接受的右心室负荷条件下有足够的肺血流量。

肺部并发症

由于 VA ECMO 期间左心室负荷过重，潜在心衰导致的左心室充盈压过高可能会进一步增加，引起或加剧肺水肿，这是 VA ECMO 的常见并发症。肺水肿可能会因绕过肺循环的高流量 VA ECMO 导致的肺缺血以及休克、并发感染或 VA ECMO 环路人工表面的血液接触导致的全身炎症而进一步复杂化，正如最近所回顾的那样。

肺部并发症会严重影响原生气体交换，导致含氧量低的血液从左心射入主动脉。这会导致众所周知的差异性低氧血症或丑角综合征现象，严重影响上半身的氧合，尤其是冠状动脉和脑循环。Harlequin's 综合征主要发生在心脏收缩力恢复时的外周 VA ECMO 中，但也可能发生在支持心室 "射血 "的附加血泵中，即 ECPELLA 或 ECMELLA 结合 VA ECMO 和 ImpellaR。在病床旁，应立即通过优化机械通气设置（即增加呼气末正压（PEEP）和吸入氧饱和度（FiO2）并纠正高血容量）来对抗丑角综合征。当保守措施无效时，应考虑静脉-静脉动脉、半中心锁骨下或中心 VA ECMO 配置。此外，还有人建议在腔静脉上端严格选择性地进行上半身中心静脉引流，以防止出现不同程度的低氧血症。

左右室-动脉耦联和相互依存关系

心室-动脉耦联的概念是指心脏和动脉血管作为相互依存的系统，共同产生心输出量和血压。心室-动脉耦联可表示为动脉弹性（EA）和心室弹性（EES）的比值，即 EA/EES 比值，正常参考值约为 1.0 mmHg/ml（图 2）。在临床上，EES 是与心肌收缩力有关的参数，指左心室收缩末压与容积的比值，正常参考值约为 2.5 mmHg/ml。EA 代表有效动脉弹性，这一参数代表射血时心室必须克服的心外力或动脉负荷，正常参考值约为 2 mmHg/ml。通过心室-动脉耦联可以估计心脏将血液泵入动脉血管的效率。在心力衰竭和 VA ECMO 支持期间，EA/EES 比值会强烈升高，可解释为与心室收缩力或 EES 降低相比，后负荷或 EA 相对增加，这通常被称为心室-动脉失耦联。相反，EA/EES 比值小于 0.5 mmHg/ml 则表明心室-动脉耦联达到最佳状态，心脏在低血管阻力下有效收缩。心室-动脉耦联的概念可用于临床评估患者在 VA ECMO 下的心血管状况，已有关于不同心血管疾病的报道，但值得进行更多的实验和临床分析。从临床角度来看，应该注意的是，床旁使用 EA 和 EES 并非普遍常规，但可通过超声心动图和有创动脉血压监测进行。

图 2. 基线（健康）、心力衰竭和由静脉体外膜氧合（ECMO）提供不同血流支持的心力衰竭期间左心室压力-容积环路示意图。EA 表示动脉弹性，EES 表示心室弹性，详见正文。

与左侧心室-动脉耦联类似，右侧心室-肺动脉耦联和右-左心室相互作用或相互依存也是影响 VA ECMO 日常管理的重要生理概念。右心室-肺动脉耦联也被描述为比例肺动脉脉压，即肺动脉脉压与平均肺动脉压力之比。有报道称，在 VA ECMO 期间，左心室扩张患者的肺比例脉搏压降低，而无左心室扩张患者的肺比例脉搏压升高，这反映了在 VA ECMO 期间左心室机械负荷过重。这一观点强调了右心室收缩力对左心室负荷过重的重要性，因为右心室与左心室相互依存。经胸超声心动图可通过超声心动图测量右心室收缩力与右心室收缩压估计值的关系，无创评估 VA ECMO 期间右心室-肺动脉耦联。

也可以根据机械通气时呼出气体中测得的跨肺血流和 EtCO2 之间的关系在床旁监测跨肺血流的量，这两者都与右心室功能、肺血流和右左心室的相互依存性有内在联系。在这种情况下，表明心输出量低的临界值是 EtCO2 <14 mmHg，而 EtCO2 显著升高 >5 mmHg 则与 VA ECMO 的成功断流有关。

通过分析心室-动脉耦联，还可以根据心脏与血管系统的相互作用估算心脏能量。在压力容积环中，可以确定搏动功（SW）和势能（PE），其总和即压力容积面积等于一个心动周期内消耗的总能量，这与心肌耗氧量有关（图 3）。其中，SW 代表心室射血时为维持动脉血压而传递的能量，而心室效率则表示为 SW 与压力容积面积之比，PE 则表示心肌在收缩末期储存的能量（图 3）。

图 3. 左心室压力-容积环路示意图，说明每搏功（SW）和势能（PE）。EA 表示动脉弹性，EES 表示心室弹性，详见正文。

结论

由于患者与体外设备之间复杂而动态的相互作用，在 VA ECMO 期间密切监测心血管功能具有挑战性。

对生理机制和概念的深入了解有助于根据患者的需求优化 VA ECMO 支持，促进心脏恢复并预防并发症。

参与日常 ECMO 治疗的医护专业人员的继续教育和培训，必须以人体病理生理学知识为基础，并辅以先进的血流动力学评估，目的是在临床进行充分的推理，以尽可能为患者提供最佳治疗。

来源：The physiology of venoarterial extracorporeal membrane oxygenation - A comprehensive clinical perspective.DOI: 10.1177/02676591241237639

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