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AME特邀来稿|体外膜肺氧合(ECMO):一项挽救生命的技术

Published at: 2015年第1卷第S1期

关键词:

编者按:体外膜肺氧合(Extra Corporeal Membrane Oxygenation; ECMO),代表了一个医院,一个地区、甚至一个国家的危重症急救水平的一门技术。近年来,ECMO 发展突飞猛进。近日,来自美国 Indiana University School of Medicine & Indiana University Health 的 I-wen Wang 教授和 George Makdisi 教授在 AME 旗下杂志 Journal of Thoracic Disease(JTD)发表了 Extra Corporeal Membrane Oxygenation (ECMO) review of a lifesaving technology 一文。AME 编辑部有幸邀请到复旦大学附属中山医院重症医学科副主任医师钟鸣教授进行编译,与大家分享 ECMO 国际前沿发展!

 

摘要

在过去的 20 年中,体外膜肺氧合(ECMO)技术的适应症和应用有了惊人的进展;它已成为常规治疗方法无效时,挽救成人和儿童严重心肺功能障碍的必要工具。本文中我们将对 ECMO 的开发、临床适应症、患者管理、插管选择和技术、并发症、预后以及 ECMO 支持时适当的器官功能管理策略进行综述。

 

前言

近几年 ECMO 取得了显著的发展,它已成为常规治疗方法无效时,挽救成人和儿童严重心肺功能障碍的重要工具[1,2]。随着设备的改进、治疗经验的增加,患者的预后得到改善,ECMO 技术在如今变得更加可靠。其适应症扩展到在重症监护病房(ICU)里更长时间的使用,心脏和肺移植前过渡期的支持,以及肺叶切除术中不稳定患者的支持[3-14]。根据体外生命支持组织(Extracorporeal Life Support Organization,ESLO)的注册数据,2014 年 ECMO 的数量超过 5000 例[15],如此巨大的 ECMO 治疗人数增长和适应症的扩大引出的以下伦理学问题:我们应该如何选择 ECMO 治疗病例,以及何时应该停止 ECMO 支持治疗[16]。

无论在 ECMO 的人工循环建立、维持还是撤机,均应由训练有素富有经验的临床医务人员来完成。从本质上来说,ECMO 是一种支持性治疗,而非改变疾病本身的手段;如果我们选择合适的病人、正确的 ECMO 类型和恰当的 ECMO 配置参数(插管部位、管理和并发症的预先判断),我们就能获得良好的预后[17]。随后我们将讨论 ECMO 的指征、病人选择、技术、并发症和 ECMO 对临床预后的影响。

 

ECMO 的演变

1944 年,Kolff 和 Berk [18]注意到血液流经人工肾脏的玻璃纸腔室时能被氧合。1953年,Gibbon 应用这一概念进行人工氧合和灌注支持,第一次成功完成开放心脏手术[19]。1965 年,Rashkindand 和同事首次使用气泡氧合器对一个呼吸衰竭的婴儿进行支持治疗[20]。1969 年,Dorsonet 等报道使用膜式氧合器在婴儿中进行体外循环[21]。1970 年,Baffes 等报道了在先天性心脏缺陷婴儿的心脏手术中,成功使用体外膜肺氧合进行支持。

长时间的 ECMO 支持治疗用于严重呼吸衰竭的首次成功报道于 1972 年,一位创伤后严重呼吸衰竭的病人接受了 ECMO 支持治疗并获得治愈[23]。Kolobow 发明了一种新型膜肺更适用于二氧化碳(CO2)的清除,可适用于慢性阻塞性肺疾病患者的治疗[24]。1975 年,Bartlett 等首次报道 ECMO 成功救治一例严重呼吸窘迫的新生儿[25]。

然而,二十世纪九十年代初,Morris 等的随机对照研究表明,在成人急性呼吸窘迫综合征(adult respiratory distress syndrome ,ARDS)患者中,ECMO 支持治疗与常规机械通气支持相比并没有显著改善预后,随之,对 ECMO 的热度也显著降温[26]。尽管缺少证据支持,欧洲和美国的一些中心坚持在特定的病人中进行标准的机械通气的同时,采用 V-V ECMO 支持治疗作为最后手段,并获得了令人鼓舞的结果 [27-29]。

CESAR 研究发表后,ECMO 的使用迎来了新的春天,该研究明确地显示,严重呼吸衰竭患者被随机进入治疗经验丰富的 ECMO 中心或无 ECMO 专业人员的普通医院,前者治疗的病例相比后者,6 个月后的死亡率和重度残疾情况均获得改善[30]。从那时开始,ECMO 的应用出现井喷式增长和持续的发展。

 

ECMO 的临床适应症和禁忌症

ECMO 是一种心肺生命支持,从血管将血液引出,通过机械泵在体外循环,然后再输回循环系统中。当血液引出体外时,血红蛋白被氧合,二氧化碳被清除。氧合情况由血流量决定,二氧化碳清除通过调节流经氧合器逆流回路中的气体流量来控制[31]。

ECMO 适应症根据支持的器官:心脏、肺或者心肺联合支持,可分为三类。截止至 2015 年 1 月,ELSO 的年度报告数据显示,超过 65171 名患者接受了体外生命支持(extracorporeal life support ,ECLS)[15]。其中主要是新生儿,占 53%,儿童占 25%,成人为 23%。ECLS 包括超过 41300 例(63%)呼吸支持,超过 18700 例(29%)心脏支持和超过 5100 例(8%)体外心肺复苏(extracorporeal cardiopulmonary resuscitation ,ECPR)[15]。

 

ECMO 心脏支持的适应症

标准心脏支持适应症包括:在血管内容量充足、使用大剂量的正性肌力药物和主动脉球囊反搏时,仍出现的难治性低心输出量(心脏指数 < 2 L⁄min⁄m2)和低血压(收缩压 <90 mmHg)[17]。

表1. 心脏支持治疗适应症 

 

ECMO 呼吸支持治疗适应症

VV ECMO 和 VA ECMO 都可用于急性呼吸衰竭的救治,以争取时间和维持生命等待基础疾病的改善。在受损肺恢复过程中,ECMO 能够完成氧合、清除二氧化碳,或者二者兼有;在终末期肺疾病时,ECMO 用于移植过渡期等待供体。

表2. 肺支持治疗适应症

 

ECMO 的禁忌证

表3. ECMO 禁忌证 

 

技术开展

VV ECMO 实施中,患者必须有稳定的血流动力学状态。当使用单根静脉插管时,血液由腔静脉或右心房引流出来,体外循环后输回到右心房(图1)。通常采用 Seldinger 技术经皮放置右颈内静脉插管。如果采用双静脉插管,通常放置股静脉插管用于引流,右颈内静脉或股静脉用于回输(图2)。

图1. 单管插管 静脉-静脉 ECMO:单管双腔法

图2. 静脉-静脉 ECMO:双管法

 

VA ECMO 同时提供呼吸和循环支持治疗;此时 ECMO 环路与心肺并联,而 VV ECMO 环路则与心肺串联。VA ECMO 使用中,血液将绕开心脏和肺。血液由右房或腔静脉引出(引流),通过股动脉、腋动脉或颈动脉等周围插管(回输)输回到动脉系统(图3)或者通过中心插管输回到升主动脉,尤其是在心脏术后 ECMO 支持治疗中,术中体外循环插管可以由人工心肺机直接转移到ECMO环路上使用。血液从右房引出并回输到升主动脉(图4)。


图3. 外周静脉-动脉插管法

图4. 中心静脉-动脉 ECMO 插管法


表4. VA 和 VV ECMO 的比较

 

当 ECMO 作为右室辅助的特殊模式时,氧合好的血液输送至肺动脉,这样血液仅绕开了右心系统(图5)。

图5. ECMO 设置成右心辅助装置

 

因为插管便捷,并且损伤相对较小,在紧急或心源性休克情况下,VA ECMO 优先采用股血管通路,能更快地开始 ECMO 支持治疗。ECMO 插管同时,通过放置股动脉远端灌注管,可以减少同侧下肢缺血的概率 详见图(3d)。如果患者在心导管室或 ICU 中,并且病情危重不能到手术室行人工血管端侧吻合置管术,通过胫后动脉插管对下肢进行逆行灌注也是一种选择[32]。股血管有时并不适用于 VA ECMO 插管(例如:患者伴有严重的周围动脉闭塞性疾病或者既往行股动脉重建术)。在这种情况下右颈总动脉可作为插管选择,但这项技术能使大面积分水岭脑梗塞的风险增高 5-10% 。其替代方法是选用腋动脉插管,而且利于 ECMO 支持治疗患者的活动[33,34]。

 

适应症比较

人工膜肺提供的氧气总量与血流量直接相关。VV ECMO 时为了获得合适动脉氧合,血流量通常需要3-6L/min。动脉氧合部分依赖于患者的心脏输出量(因为环路与心脏串联)、血红蛋白浓度和血氧饱和度[35]。

VA ECMO 是指引流静脉血液,氧合后由动脉插管输回动脉系统。与 VV ECMO 相比,此项技术能更好的改善全身氧和。因为人工氧合的血液与动脉血混合后,直接灌注远端器官。这种插管方式时,氧合器是与肺平行工作,VV 与 VA ECMO 比较见上表4。

 

ECMO 并发症

ECMO 并发症非常常见,并且与死亡率的增高显著相关。这些并发症可能与需要 ECMO 支持治疗的基础疾病有关或与 ECMO 使用本身相关(外科插管、循环管路、抗凝等)。一般来说,ECMO 用于肺支持治疗比心脏支持并发症要少。当 ECMO 用于 ECPR 时,预后报道最差。VV ECMO 比 VA ECMO 并发症少;除了神经系统并发症外,儿童比成人并发症要少。ECMO 最常见的并发症是出血,介于 10-30% 间[36, 37]。Auberon 等报道高达 34% 的 VA ECMO 和 17% 的 VV ECMO 需要外科止血[38],出血可能发生在外科手术部位、插管部位或先前有创操作部位、胸腔内、腹部或者腹膜后出血。出血增多的原因包括全身肝素化、血小板功能障碍和凝血因子的稀释[39]。输注活化 VII 因子的疗效并不明确,仅在其它治疗无效且威胁生命的出血时才考虑使用[40]。

肺出血在 ECMO 患者中很常见。除了以上止血方法外,还需要定时使用纤维支气管镜清理气道。

近 10-15% 接受 ECMO 支持治疗的 ARDS 患者发生脑出血或梗塞。43% ECMO 死亡患者与脑出血有关[41]。

正常的 ECMO 使用不会造成溶血,除非循环管路或者患者自身出现问题。应每日检查血浆游离血红蛋白浓度,如果变化超过 10 mg/% 需要进一步的明确原因并予以纠正。

全身血栓栓塞性疾病是由于体外循环中血栓形成所致,虽然是罕见并发症,但会造成灾难性后果。其后果 VA ECMO 比 VV ECMO 严重,因为前者血液直接回输到体循环系统中。肝素持续输注以达到目标活化凝血时间(activated coagulation time ,ACT),严密地观察循环管路中血栓形成的情况,可以在绝大多数患者中预防血栓栓塞事件的发生。有文献报道见心脏内血栓形成(图6)[32]。

图6. 19 岁特发性心肌病患者LV血栓形成:LVEF10%,中心插管 VA ECMO后血栓形成

 

肝素诱导的血小板减少症(heparin-induced thrombocytopenia,HIT)可发生在 ECMO 支持治疗的患者中。当 HIT 被确诊,需采用非肝素抗凝替代肝素持续输注。即使肝素抗凝不伴有 HIT,当预期需要长时间使用 ECMO 支持治疗时,我们喜欢使用比伐卢定。一些作者更倾向使用阿加曲班,因为其半衰期短,并且在相似的 ACT 目标范围内同样有效[42]。

根据 ESLO 的登记信息,神经系统并发症率差异很大,低则 4%,高则达 37% [41,43]。据 ESLO 报道,新生儿心脏病患者中严重神经系统并发症发生率最高:癫痫 7%、梗塞 3.5%、颅内出血 11%。儿童中癫痫和出血的发生率稍低,梗塞发生率稍高。成人患者神经系统并发症发生率最低:癫痫 2%、梗塞 4% 和颅内出血 2%。所有年龄组中,出现严重的神经系统并发症的患者住院生存率均降低[44]。Lidergan 等[45]报道 123 例患者行 ECMO 支持治疗,期间有 87 例行头颅 CT 检查。颅内出血(inntra cranial hemorrhage,ICH)或脑梗塞比率共占 37%,其中 15% 局灶出血、9% 局灶梗塞、13% 全脑水肿。45 例中有 16 例由于 CT 的结果而停止了 ECMO 的治疗。大家必须要意识到,这些 CT 的发现可能是由需要 ECMO 治疗的原发疾病所导致,而不是 ECMO 治疗本身的并发症[43]。这些也部分是由于全身肝素化、血小板减少、凝血病或者收缩期高血压所导致。

 

内科并发症

高血压是一个危险的并发症,因为有出血和卒中的风险。缺氧和电解质紊乱或潜在的心脏疾病会导致心律失常。ECMO 支持治疗早期,少尿是一种常见的可观察的肾脏并发症,一些患者出现急性肾小管坏死,可能需要血液滤过和透析治疗。胃肠道并发症包括出血[45],可能由应激、缺血或出血倾向造成。高胆红素血症和胆道结石可能继发于长期禁食和全肠外营养(total parenteral nutrition ,TPN)、溶血和利尿剂的使用。

感染性并发症也很常见,应为 ECMO 管路相当于一个巨大的血管内异物,并且频繁的操作增加了感染的风险。代谢并发症包括电解质紊乱、低血糖或高血糖。由于药物分布容积增加,肾脏、肝脏功能下降,ECMO 治疗时药物的血浆浓度可能会发生变化。当使用治疗窗狭窄的药物时,一定要谨慎并合理调整用药剂量[46]。

机械并发症:循环管路出现血栓是最常见的机械并发症(19%)。大的血栓会造成氧合器故障、消耗性凝血病和肺循环或体循环血栓。近年来,肝素涂层 ECMO 系统的使用降低了这类并发症的概率。

 

VA ECMO 特有的并发症

插管并发症:插管过程中会出现各种并发症,包括血管穿孔出血、动脉夹层、远端缺血和位置错误(例如:静脉插管置入动脉中),或者插管部位假性动脉瘤形成。这些并发症很罕见 < 5%。一个熟练并有经验的外科医生对避免或处理这类并发症至关重要。

心脏内血栓形成(图6):继发于升主动脉逆向血流,当采用股动静脉周围插管行 VA ECMO 支持治疗时。如果左室心排量不能维持,血流淤滞将导致心脏内血栓形成。

冠状动脉或大脑缺氧:VA ECMO 期间,完全氧合的血液从 ECMO 环路经外周股动脉输回体内,优先灌注下肢和腹腔脏器。心脏射出的血液将选择性地灌注心脏、大脑和上肢。如果仅采用下肢血液进行氧合监测,结果将导致心脏和大脑组织缺氧无法被发现。为了避免这种并发症的出现,应同时监测上肢和下肢的动脉血氧饱和度。如果上肢动脉血氧饱和度较差,可以通过灌注部分氧合充分的血液至右心房来改善情况。

 

ECMO 支持治疗患者中器官功能管理

器官功能管理对获得良好的生存预后至关重要,这种预后包括更好的生活质量、更好的总体健康状态、躯体健康和社会功能。器官功能管理的目的是避免原发性心脏和/或肺衰竭的患者,出现多器官功能衰竭;因此开始 ECMO 之前,需要更好的理解血流动力学以及躯体生理对 ECMO 回路做出的反应,血流动力学对预后至关重要。

心血管系统的管理:需要维持全身灌注和血管内容量。临床上通过尿量、中心静脉压、灌注的体征和体重来评估容量情况。使用正性肌力药物可获得良好的心输出量。通过心超评估心脏功能及其恢复情况,排除血栓形成,并且在 ECMO 流量出现明显变化,或患者血流动力学情况出现恶化时,应反复进行心超检查。

呼吸系统的管理:ECMO 用于短时间的支持治疗以等待肺功能恢复。一些医学中心采用高 PEEP 预防肺不张。肺部清洁需要严格执行,包括经常改变体位,根据分泌物情况每 4 小时进行气管内吸痰,每日胸部X线检查,必要时行纤维支气管镜检查。

肾脏系统的管理:由于 ECMO 回路会触发急性全身炎症反应,患者在 ECMO 治疗的第一个 24-48 小时内会经历一个少尿期。急性炎症反应导致毛细血管渗漏和血管内容量的丢失,造成少尿和急性肾小管坏死。48 小时后多尿期开始(这是肾功能恢复最早期的一个标志)。如果少尿持续 48-72 小时,通常需要利尿剂来减轻水肿。当肾功能衰竭无法改善,可将持续性肾脏替代治疗(continuous renal replacement therapy,CRRT)加入循环回路中。Kielstein 等[47]证实 60% 的 ECMO 支持治疗患者由于急性肾损伤(acute renal injury,AKI)需要 CRRT;在 ECMO 治疗过程中,因 AKI 需要使用 CRRT 者 3 个月的生存率为 17%,而不需要 CRRT 者为 53% 。他们发现 ECMO 支持治疗中,因 AKI 需要使用 CRRT 的患者死亡率增加,并且长时间的 CRRT 也与高死亡率相关。Zwiers 等[48]研究显示,在中位数为 8.2 年的随访时间中,新生儿中出现 ECMO 支持治疗相关 AKI 者,发展为慢性肾脏疾病(chronic kidney disease ,CKD)和/或高血压的风险增加。

中枢神经系统(Central nervous system ,CNS)的管理:CNS 并发症非常常见;在接受 ECMO 治疗超过 12 小时的患者中高达 48% [30]。这些并发症与组织缺氧、酸中毒程度相关,或者说主要是由原发疾病所造成,而不是 ECMO 治疗的并发症。我们推荐避免使用肌松药、镇静病人常规进行每日清醒和神经系统检查。虽然病情不稳定的患者转运风险大,但如果在怀疑 CNS 并发症,仍应该进行影像学检查[45]。对癫痫或疑似癫痫的病人,推荐积极主动的干预治疗。

感染的控制:要求严格的无菌措施[13]。至少每周一次或者当怀疑存在感染时,从循环回路中抽血进行培养来监测有无血流感染。各家医院的经验不同,操作规范会有较大差异。

血液系统注意事项:为了优化氧输送,患者的血红蛋白应该维持在 8 g/dL 以上。由于 ECMO 支持治疗期间会消耗血小板,输注血小板维持计数大于 100,000 /mcL。ACT 应维持在 180-240 s 以避免出血并发症[49]。

当预计需要长时间使用 ECMO,例如作为左室辅助装置或等待移植的受体,我们喜欢使用直接凝血酶抑制剂,如比伐卢定,来代替肝素,同时不断地调整比伐卢定剂量维持 APTT 在 1.5-2.5 倍的基线水平或在医师设定的范围内[50];一些作者更喜欢使用阿加曲班,因为其半衰期较短,并且有效的 ACT 目标范围也相似。

水、电解质和营养支持:ECMO 患者需要严密监测液体量和电解质水平(钾,镁,磷和离子钙)。使用静脉高营养满足其高能量需求。因为液体复苏,液体潴留和少尿期的原因,患者的体重在 ECMO 开始的第 1-3 天内会增加。

 

预后

截止至 2015 年 1 月,根据来自 ELSO 的年度报告[15],65171 例患者接受了体外生命支持(ECLS),其中 71% 成功脱机,59% 出院或转诊。用于呼吸支持的 ECLS 呈现大范围的持续增长。超过 141300 名患者接受治疗,其中新生儿、儿童和成人存活出院率分别为 74%、57% 和 57%。使用 ECLS 进行心脏支持治疗也出现大范围的持续增长。近 18800 名患者已接受治疗,其中新生儿、儿童和成人存活出院率分别为 41%、50% 和 41% [15]。

接受 ECMO 治疗存活的患者可以根据 ECMO 适应症分为:严重的急性呼吸衰竭或心脏衰竭。

急性呼吸窘迫综合征(ARDS):Hemmila 等[37]研究表明 ECMO 支持治疗的 ARDS 患者中 67% 成功脱离 ECMO,并且 52% 存活出院。CESAR 研究[3]证实转运至 ECMO 中心治疗显著改善了严重 ARDS 患者的恢复和生存率。因此,我们推荐严重的成人 ARDS 患者转运至 ECMO 中心治疗。在有经验的 ECMO 中心,约 25% 患者将会改善和恢复,不需要 ECMO 治疗,另 75% 患者需要 ECMO 治疗。在需要 ECMO 治疗的患者中,60%-70% 可以存活。转运至 ECMO 中心组与常规治疗组相比,6 个月无残疾生存率得到显著改善(63% vs 47%)。在严重的 H1N1 禽流感所导致的 ARDS 中的研究也获得相似的结果,转诊至 ECMO 中心治疗降低了医院死亡率 (23.7 % vs 52.5 %) [51]。

VA ECMO 可以在心源性休克或心跳骤停患者中提供紧急支持。假设患者脑功能正常或是仅有轻度受损,使用 ECMO 支持治疗直到患者恢复或者作为一个长期的心室辅助装置过渡到心脏移植。文献报道 VA ECMO 支持治疗在心跳骤停、严重的心源性休克或心脏术后脱离体外循环失败的患者中,其生存率在 20%-30% 间[13,52,53]。Shin 等[54]研究证实心跳骤停患者中 ECMO 复苏相比常规心肺复苏,改善了生存率,减小了神经系统并发症。Shen 等在出院时间、30 天和 1 年生存率研究中也证实了以上结论[55]。

 

技术安全的保障和建议

VV ECMO:当使用单管静脉插管时,最佳位置是插管远端应放置在膈肌以下(下腔静脉中)并且近端开口在上腔静脉中或是上腔静脉和右心房连接处,动脉套管开口方向朝向三尖瓣(见图1)。每日检查插管位置,尤其是在发生急性事件时,如:ECMO 流量或血氧饱和度显著下降时。应该排除插管是否移位进入右心室或冠状窦中。当有明显右室功能障碍表现时,我们应该考虑转换为 VA ECMO 模式。

外周 VA ECMO:如果采用 Seldinger 技术,应该避免在有周围血管病史的病人中使用;避免在同侧腹股沟放置动脉和静脉插管,以免相邻的动脉插管叠压在股静脉上,压扁股静脉引起静脉淤血;仅插入动脉插管的前端;避免肢体远端缺血最好的方法是在端侧吻合的血管移植物上插入动脉插管(插管不进入动脉管腔内);不要等到出现骨筋膜室综合征,才行筋膜切开术。

在左室功能低下时,需警惕由于收缩力差、左房或左室无搏出(右房引流良好使得几乎没有血液到达左房造成)引起左室功能障碍和扩张的风险,需将外周插管转换为带左室引流的中心插管、持续使用正性肌力药物,如肾上腺素、多巴胺或去甲肾上腺素/左旋去甲肾上腺素,经外周左室辅助装置或者经皮房间隔造口术均是可选择的方案[56-57]。

中心插管 VA ECMO:左室功能障碍患者;增加左室引流至体外循环回路中,操作方法如前述,在开胸切口外另做切口插入插管,这个技术将有助于患者尽早开始活动。

 

原文题目:Extra Corporeal Membrane Oxygenation (ECMO) review of a lifesaving technology

原文通讯作者|I-wen Wang, MD, PhD. Indiana University School of Medicine - Division of Cardiothoracic Surgery, Indiana University Health Methodist Hospital, Indianapolis, IN 46202, USA.

 

相关阅读—作者专访:

Professor I-wen Wang: better life supported through mechanical circulatory devices-a dream within reach

http://www.jthoracdis.com/article/view/3628/html

译者|钟鸣,复旦大学附属中山医院重症医学科副主任医师,中国医师协会重症医学分会青年委员会委员,JTD 杂志编委,欧洲营养协会认证讲师班学员。曾以第一或通讯作者发表论文 30 余篇,其中 SCI 论文 5 篇。

 

本文题图来自网络。

本文由「 AME 科研时间」首发,媒体转载请注明出处。让我们一起爱临床,爱科研,也爱听故事。

点击链接,即可阅读发表在 AME 旗下 JTD 杂志的英文原文。http://www.jthoracdis.com/article/view/4753

Doi:

10.3978/kysj.2014.1.1005
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