第三章体外循环生理及病理生理

第三章体外循环生理及病理生理要点：体外循环导致的最主要病理生理变化是由于血液接触管道表面的人工材料所引起和导致的血液破坏及介导的反应。其他导致异常生理反应的因素包括：产生异常血流、低温、血液稀释。虽然体外循环能明确导致肠道渗透性及功能变化，但是许多胃肠道并发症其实与术后的低心排状态有关。体外循环后肾功能一定程度的功能失调相当常见，并且与术前功能、体外循环的时间长短、术后的心脏输出功能等有关。肺功能总是被体外循环削弱，但是一般来说，这些对临床的影响比以前要少的多神经及神经精神的功能失调是体外循环导致的重要不良后果，依据使用标准不同，其发生率在1%到80%之间。一、前言体外循环的准确定义是指使用人工设备的方法来保持对正常生理循环的完全支持。在近半个世纪来，在医学治疗中取得了大量的进步，但是事实上它仍然是非生理性的。我们知道，心脏外科离不开体外循环，因此最常规的体外循环目前还在使用，允许心脏和肺被静止的时间不断延长，为心脏手术提供便利。其他目前不常用的体外循环如体外膜肺氧合（ECMO）、体外二氧化碳移除和心室辅助装置等。最近的先驱性工作是建立全人工的心脏或者至少能够支持循环延长时间的装置直到成为心脏移植的“桥梁”。在过去5年，大量的研究和金钱投入到这些项目中并取得一些突破性进展，进一步鼓舞了其在临床上的应用。尽管上面提到的不同类型的体外循环应用有很多种变化，，但他们都遵循相同的基本原则。由于炎症反应和体外循环与本章的目的相关，我们将关注体外循环，读者应清楚的是，大部分的病理生理后遗症是由体外循环引起的。1、历史背景尽管最早的建立人工循环的历史可追溯到19世纪早期，但是直到1953年才由Gibbon将体外循环应用于临床（Brown－Sequard，1858；vonFrey及Gruber，1885；Galleti及Mora，1995）。当时Gibbon成功的利用体外循环，为一位年轻的女性修补了房间隔缺损。他的工作最早源于1937年为一例严重的肺动脉栓塞患者利用暂时阻断肺动脉而实行人工循环，（Gibbon，1937，1939）。继Gibbon的临床应用开拓不久，不少里程碑式的尝试使得体外循环变为现实。其中最值得一提的是Lillehei，他最早提出交叉循环的理念（Lillehei，1955），1954年，Lillehei在一个成人与一位需要先天性心脏病手术的小孩之间建立了交叉循环，在这一尝试中，该成人完全承担了心肺机的作用。随后的两年，Lillehei完成了47例相似的手术，病人的存活率超过50％，用来支持的成人百分之百存活。这一工作为人工体外循环成为可能奠定了基础，真正的人工体外循环机的出现，指日可待。另外一个里程碑式的发明是合适的深低温设备，以及对血液成分与人工材料表面的反应和由体外循环引起的全身炎症反应的深入了解。（Senning，1954；Gollan，1959；Swan和Paton，1960；vanOeveren，1990）。在过去25年里，体外循环促进了心脏外科学的发展，因此，成为一个简单易行、安全可靠，并且具有实践性的治疗手段。对体外循环各个方面继续进行的大量研究进一步促进了其安全性。但是，它仍然是非生理性的，而且它的损害作用永远不能消除。正是由于这个原因，脱泵的概念最近变得越来越流行，有许多外科医师在冠状动脉搭桥手术中100％不使用体外循环。可是，对于大多数而言，它仍是有价值的工具，但尤其重要的是我们应该详细了解它引起的病理生理后遗症的可能性。2、生理和病理生理由于体外循环改变生理的方面如此广泛引发人们的争论，以至于认为体外循环本身就是一个病理生理过程。“生理”一词由伟大的荷兰生理学家Boerhaave创造，用来描述对正常状态下相互依赖的器官功能的研究。病理生理是定义在疾病中观察到的正常生理功能的紊乱和变化。体外循环影响多个方面，因此导致正常器官发生一系列变化，在此情况下可以认为是“疾病”状态。上面提到的体外循环生理是指由静脉-动脉心肺转流状态下相互依赖的器官功能，由体外循环引起的变化在表3.1中简单描述。在此状态下，生理功能与正常有所不同，因此从本质上来讲，是病理生理的范畴。血流、气体交换、血液表面接触效应、和网状内皮系统的正常功能部分或者全部由于体外循环设备而发生改变。由此而引起各个器官的功能随之发生变化。设计这些设备所考虑的机械性的和药理性的因素也在表3.1中列出。与体外循环有关的异常、恶化或者不正常的器官功能就是体外循环的病理生理。如果可能的话，由于机械装置替代心肺而在体外循环中的使用，从特定的器官损害或功能恶化中将始终的、无处不在的与体外循环有关的器官功能改变区别开来是很困难的，尤其是所有的体外循环研究都是来源于那些本身就有内在疾病的病人，而且常常是心脏手术。因此，这里的“生理”和“病理生理”都基于异常的基础，在本章中归于一类进行讨论。尽管体外循环的某些方面可以很清楚的界定为病理生理的，比如大量的气体栓塞，但是一些却不能与正常的功能区别，比如血小板聚集，由此，表3.1表述体外循环的生理和内在的病理生理。3、材料构成——相关因素机械事故可通过在日常使用中对循环管道的可更换单元进行规律的维护来避免。在这方面，使用一次性、不可回收的、预先消毒的与血液接触的耗材可以最大程度的消除这样的事故。小心谨慎的对滚动泵进行设置并连续监测动脉管道的流量和压力可以减少并发症的发生。为了处理人为造成的气体栓塞、氧合器血栓形成、动脉夹层、静脉插管不当等问题，体外团队对循环管路任一部分进行快速更换与实战演练是必要的。本书中其他章节就防止这些病理生理功能问题将进行具体详细的讨论。体外循环的构成材料必须完全清洁、惰性的、消毒并无菌的，机械性清洁不适合完全清除管路里重复使用部分中的异体蛋白和致热源。曾有报道这类异体蛋白可能作为血浆纤维蛋白酶原激活物，在心脏手术中引起异常的出血。20%的氢氧化钠溶液中和清洗可以消除异种蛋白（1971年，Brooks和Bahnson）。预先包装的一次性使用物品应当是清洁的，但可能并不是必须如此。所谓清洁的一次性使用物品仍然含有涤纶或尼龙线、消泡剂等等物质的微粒，可以导致体循环栓塞。一些体外循环组成成分可能含有可塑剂或某种溶质在使用过程中释放到血液中。所有与人体血液接触的塑料物质必须符合政府生物塑料标准。此类标准包含那些将塑料注入或埋藏到动物的皮下，所有的医用塑料都必须通过这类测试程序。标有“医用级别”或“植入测试”并不表示特殊标准或者具有独特的特性。事实上，塑料制成的材料虽然能通过政府的相关测试，但是最终的产品并不意味着就是无毒的。在组装过程中粘接、加热密封、放射或气体消毒等都会改变这些材料的特性或增加可能会对病人产生损害的物质。1971年Stanley等报道一个悲剧性的试验，确证在狗的试验中由环氧乙烷消毒的体外循环管道引起致命的中毒。这类与环氧乙烷有关的致命毒性报道已经从不同的来源证实，然而，一些药物的相互作用仍然知之甚少，比如：氟烷、甲氧氟烷、NO、麻醉药、抗生素、止痛药，这些药会长时间暴露于各种塑料表面。临床经验表明很少的反应会发生，因为长时间暴露于血液中，我们可以观察到清亮的聚乙烯管道变得浑浊，雪白的硅橡胶管道变得发黄。这些塑料与血液成分的长期相互反应需要更进一步的研究。氧合器所有气体界面的一些部位涂有消泡剂。当这些物质包被过多或者与表面接触不牢，部分可能会脱落并导致栓塞（Reed和Kitte，1959），塑料材料本身也可因腐蚀从体外循环管道上脱落，滚动泵对氯聚乙烯管道从外到里的挤压和断裂也可损坏，滚动泵过长时间对硅橡胶管道的从外到里的挤压也可产生小的碎片。如果空气吸入到循环管道并突然进入到动脉灌注管道，会造成体循环栓塞。动脉管路发生此种情况的可能性在1973年Wellons和Nolan已经被证实，空气可能被带到动脉循环滤器中。这种问题可以通过使用二氧化碳预充来解决。通过这种方法，预充时的气体或气泡能够由溶解度高过氧气和氮气的二氧化碳来排出。同样的方法用来给氧合器膜排气也很有效。其他作者（1971，Lawrence等；1973，Gomes等）也强调心腔内排气对防止空气栓塞的重要性。体外循环开始和脱离的过程中采取不同方法来防止气体栓塞在其他章节中将会描述。最后，体外循环过程中有关的污染造成的感染是另一种形式的病理生理改变。Blakemore等1971年描述体外循环会由于冠脉吸引装置受到污染，即使往氧合器中灌入排空气体或者通过管道或者使用雾化湿化装置也能导致污染。因此，尽可能地随时使用合适的空气过滤装置和仔细的注意避免吸引范围内空气污染能减小这样的污染发生。然而，血液污染，尤其是提到过的面临吞噬和杀菌功能的内皮细胞受损的病人，更有可能在体外循环中受到感染。由于体外循环中可能受到污染，许多外科医师往往倾向使用预防性抗生素加到体外循环中或者病人体内，但是，这样做的价值如何还很难说（Benner,1969；Conte等，1972；Rosendorf等，1974）。二、体外循环造成的人工环境心肺转流形式的体外循环从多个方面改变正常身体造成非生理环境。由于它破坏了正常的血液循环并且将之暴露于陌生的环境中，从而产生我们不想要的影响。虽然很多病人最终从体外循环中完全康复，并没有任何受损害的迹象，每个人都认为生理发生了变化。心肺转流也好，其他形式的体外循环也好，都导致机体“休克”样的状态。器官必须承受由此引起的低灌注压过程以及被暴露于其他非生理状态之中，比如血液稀释，低温和非脉动性血流。1、血液稀释体外循环开始之前，整个循环路中的管道，包括、储血器、氧合器和过滤器等组成部分都必须由液体预充。预充量的决定因素有气体交换装置的种类、静脉储血器的容量以及病人的血容量。无血预充以携氧能力为代价而变得可行。最近由血液导致的疾病受到关注，以及其他一些原因，多数成人病例使用此种技术。过高的血液容积以及更好的携氧能力很容易在全血预充中达到，但是，随之增加的是血液粘度、血球溶解、潜在的输血反应和譬如肝炎等血液疾病的传播。这些因素能在体外循环时血球压积达到正常的25—30%时基本平衡。也就是说在预充或灌注时需要500—1000ml的血液，此种情况当然也依赖于其他因素的影响，譬如低温，抑或因携氧容量能力而采取折中（Kawashima等，1974；Utley等1976）。血液稀释面临的是低温导致的粘度增加和血液淤滞。血液存放必须少于24小时以保持适当血小板活性，否则需要使用其他新鲜血成分。预充液必须是等渗盐水或者是胶体液，血液稀释是引起体外循环胶体渗透压降低的主要原因，而且必须使其得到代偿（Utley等，1981）。当使用无血预充时，导致灌注交换和快速的血液稀释引起相同容量的预充液进入到身体相应的液体空间，导致本章前述的血容量减少。盐水或类似晶体液将完全进入细胞外液体中，需要容量支持以保持血液容量达到正常。必要的晶体液预充增加身体的水分和细胞外液体。一些研究发现晶体和胶体预充没有差别（Ohgrist1981；Gallagher，1985），然而一些人认为胶体预充要好，（Sade，1985），胶体液含白蛋白或羟乙基淀粉表现较好（Sade1985；Lumb，1987），另一种预充液值得关注的是FluosolDA，一种能携带氧气的氟碳溶液，在实验中，这种液体被认为与盐水和血液一样作为预充液，（Rousou，1985；Stone1986）但是临床上氟碳的使用令人失望并且没有得到广泛使用。许多研究者都在研究如何使心外科病人完全避免输血，原因包括费用、简化操作、节约血库血量、避免可能的血小板纤维聚集导致的微栓塞、避免输入白细胞导致的肺和其他组织损伤，更重要的是避免HBV/HIV等血液传播疾病。在JehovahWitness宣言中，大多数成人和儿童心脏手术中无血制品使用已经成功报道（Gombotz1985；Hening1988），节约血液制品的主要进展是使用血液救助和自体血液回输（Kaplan，1977；Schaff，1978），以及循环管路中细胞清洗后回输等（Moran，1978）。2、低温控制性低温在心脏外科中是个主要的课题，在许多手