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介紹

體外支持越來越多地被用作心源性休克（包括心臟驟停（eCPR））的搶救策略，在這種情況下，靜脈-動脈（VA）體外膜肺氧合（ECMO）可暫時支持心肺功能；在急性呼吸衰竭時，靜脈-靜脈（VV）ECMO 可用于支持肺功能。在過去二十年中，這兩種 ECMO 模式的使用幾乎呈指數(shù)增長，到 2020 年，ELSO 登記在冊的治療次數(shù)已超過 151,000 次。

在 VA ECMO 期間，靜脈血通常從右心房和/或腔靜脈排出，在氧合器中氧合和脫羧后返回動脈系統(tǒng)。回流插管可以位于升主動脈的中心位置，這在心臟術(shù)后的患者中很常見；也可以經(jīng)皮插入股動脈，這在急性心源性休克或 eCPR 期間很常見。在 VV ECMO 中，靜脈血通常從 IVC 排出，直接回流到右心房，或通過注入上腔靜脈（SVC）回流到右心房。然后，右心通過肺將已經(jīng)氧合和脫羧的血液泵入左心，再由左心將血液泵入動脈循環(huán)。由于 VV ECMO 需要足夠的左右心室功能，因此主要用于嚴重肺功能衰竭的患者。

不同的 ECMO 模式及其相關(guān)的插管技術(shù)對心肺生理學(xué)的影響明顯不同。VV ECMO 主要與右心和肺功能相互作用，因為它可能會降低右心室的后負荷，而 VA ECMO 則繞過并影響整個心肺單元及其功能。

本綜述的目的是描述不同 ECMO 模式的這些相互作用，并說明與正確管理嚴重心力衰竭和/或肺衰竭的體外支持相關(guān)的生理概念。表 1 列出了本綜述中提出的所有相互作用，并解釋了基本的生理概念、臨床后果和可能的管理策略。

靜脈-動脈 ECMO

與左心室后負荷的相互作用

在 VA ECMO 中，氧合和脫羧的血液被送回動脈系統(tǒng)。由于左心室（LV）必須頂著因 ECMO 流入而增加的主動脈壓力進行射血，這必然會增加左心室的后負荷。根據(jù)左心室的狀態(tài)，這可能會產(chǎn)生嚴重的負面影響。在壓力-容積圖中，這表現(xiàn)為環(huán)路向右上方移動，主動脈彈性（Ea）增加，同時左心室充盈容積和舒張末壓增加。由于左心室舒張末壓在充盈容積增大時呈指數(shù)增加，這可能與左心室已經(jīng)膨脹和受損的情況最為相關(guān)，心源性休克時經(jīng)常出現(xiàn)這種情況。這些影響會導(dǎo)致左心室射血分數(shù)降低、每搏量減少、肺水腫和心臟缺血，并可能增加左心室血栓形成的風險--所有這些因素最終都會影響心肌和患者的恢復(fù)。右心功能進一步?jīng)Q定了左心室超負荷的程度，右心室功能增強，如收縮末期壓力容積關(guān)系（ESPVR）增強，可能使功能障礙的左心室進一步超負荷。減輕左心室后負荷和伴隨的擴張的策略包括藥物減輕后負荷（主要通過使用血管擴張劑）或減少血容量，或在必要時通過 Impella 裝置、主動脈內(nèi)球囊反博或左心室通氣導(dǎo)管進行機械減壓。最近的研究和薈萃分析表明，26.7% 至 49.0% 的接受 VA ECMO 的患者接受了機械卸載，機械卸載與死亡率的降低有關(guān)，但前瞻性試驗的數(shù)據(jù)尚缺。機械卸載與 VA ECMO撤機成功率增加有關(guān)），但也觀察到并發(fā)癥發(fā)生率較高。VA ECMO 機械卸載的進入和退出策略需要在未來的研究中進一步明確，左心室負荷過重的管理策略應(yīng)根據(jù)潛在的病理生理過程個體化。如果采用機械卸載，早期策略可能會有益處。

靜脈回流是體外支持的限制因素

Guyton 的靜脈回流 (VR) 模型一直是爭論的話題。通過一系列精心設(shè)計的生理實驗，我們解決了之前針對該模型提出的論點。盡管辯論的全部細微差別超出了本文的范圍，但以下推理不受任何剩余爭議的影響。由于血容量超過非張力容量，因此循環(huán)受到張力容量的加壓，這產(chǎn)生正的跨壁血管壓力，在零流量時也存在。這是儲存在血管壁中的靜態(tài)能量的表現(xiàn)。平均體循環(huán)充盈壓（MSFP）是零流量時的平衡動靜脈壓，等于張力血管容量與全身血管順應(yīng)性的比率。在流動期間，心室和/或 ECMO 泵的工作將部分張力容量從靜脈轉(zhuǎn)移到動脈室。流動的先決條件是存在壓力梯度，將血液從高壓點推向低壓點。靜脈回流要求 MSFP 超過右心房 (RA) 壓力 (PRA)，并且血流受到靜脈血管的阻力特性（VR 阻力：RVR）的阻礙。雖然承認 RVR 是代表復(fù)雜生理學(xué)的數(shù)學(xué)抽象，但它仍然可以用以下關(guān)系表示：

當膨脹跨壁壓力降至零時，血管回路的軟血管壁將開始塌陷。當右側(cè)泵功能（原生 RV 或 ECMO 泵）排出的容積大于 VR 回流功能從外周推入 RA 的容積時，血管就會塌陷，隨著阻力向無窮大方向增加，進一步限制了血流。在這種情況下，除非首先增加 VR，否則心輸出量和/或 ECMO 流量無法通過增加泵速來提高。根據(jù)上述公式，只有通過使用血管加壓藥和/或擴容，增加張力容量和 MSPF，或減少靜脈回流阻力（RVR），才能實現(xiàn)這一目標。

由于天然動脈系統(tǒng)和人工動脈系統(tǒng)中的氧含量不同而導(dǎo)致的差異性缺氧

在 VA ECMO 的情況下，氧和二氧化碳含量不同的原生動脈血流和人工血流都會進入動脈系統(tǒng)。除了左心室后負荷增加外，根據(jù)插管策略和左心室功能，人工回路的含氧血液可能無法到達所有器官。在接受外周插管 VA ECMO 治療的患者中，如果左心室功能有所改善，但肺功能較差，則可能會出現(xiàn)不同程度的缺氧（又稱南北現(xiàn)象或丑角現(xiàn)象）：左心室含氧量低的血液可到達身體右上象限，包括心臟和大腦，而注入股動脈的膜肺含氧量高的血液無法到達這些重要器官?？蓪⒂覙飫用}的血氣分析結(jié)果與左橈動脈或股動脈的血氣分析結(jié)果進行比較，以監(jiān)測差異缺氧。在 VA ECMO 期間，靜脈系統(tǒng)也可能出現(xiàn)不同程度的缺氧：從 IVC 排出的血液中的氧飽和度可能與肺動脈和 SVC 中的氧飽和度相差很大。由于靜脈混合增加，肺動脈飽和度逐漸降低可能會進一步降低左心室飽和度?？赏ㄟ^將引流插管朝向 SVC 重新定位或修改插管策略來解決這一問題。一種常見的解決方案是 V-AV ECMO（從 IVC 引流血液并注入 SVC 和股動脈），或者在右心室衰竭的情況下進行 VV-A ECMO（從 IVC 和 SVC 引流）。改善差異性缺氧的關(guān)鍵在于增加 SVC 的引流，因為 IVC 的富氧血液會進入 RA 并減輕差異性缺氧。

VA ECMO 中氣體交換的轉(zhuǎn)移和監(jiān)測

在 VA ECMO 期間，肺功能通常會惡化，主要原因是左心室充盈壓增加，肺血管隨之充血。人工肺可以為患者提供完全的氣體交換，肺通氣所需的機械動力被轉(zhuǎn)移到膜肺。這種轉(zhuǎn)移的程度與通過原肺的血量直接相關(guān)。監(jiān)測原生肺功能很困難，但可以通過容積測量評估真實的氧攝入量和二氧化碳排出量。要完全斷開并移除 ECMO 循環(huán)，原生肺必須能耐受足夠的心輸出量并提供充分的氣體交換。因此，從氣體交換和心輸出量方面監(jiān)測原生心肺單元可為撤機過程提供指導(dǎo)。傳統(tǒng)的熱稀釋法測量心輸出量可能會失敗，而氣體交換測量可評估原生心輸出量和肺功能。然而，根據(jù)人工回路和原生回路的動脈和靜脈之間不同的缺氧情況和不同的二氧化碳含量，人工回路的氣體交換可能只能提供有關(guān)原生回路的有限信息。

因血流停止而導(dǎo)致肺功能惡化

實驗數(shù)據(jù)表明，血流停止和肺血流缺失可能導(dǎo)致纖維化、肺順應(yīng)性降低和肺壞死。似乎存在著幾種病理生理學(xué)相互作用，可能會對原生肺功能產(chǎn)生重大影響。左心室充盈壓升高導(dǎo)致的肺水腫加重、炎癥導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化以及全身性炎癥導(dǎo)致的搏動性血流缺失都可能導(dǎo)致長期的肺損傷。改善肺功能的策略包括減輕左心室負荷、及時充分地治療肺炎和撤機前支氣管鏡檢查，以及優(yōu)化通氣策略。

VV ECMO

對施加到原生肺的機械功的影響

靜脈-靜脈 ECMO 具有減少呼吸機誘發(fā)肺損傷的潛在益處。在動物實驗中，近乎呼吸暫停的通氣大大減少了嚴重 ARDS 模型的肺組織損傷。有可能將二氧化碳排出量從原生肺轉(zhuǎn)移到人工肺，而原生肺的二氧化碳排出量與人工肺的二氧化碳排出量成反比。然而，二氧化碳排出量的過渡變化很容易被體內(nèi)大量的二氧化碳儲存所補償。減少機械功可能是 VV ECMO 治療的目標，但最佳呼吸機設(shè)置仍是未知數(shù)。雖然在等能量通氣模型中，無論機械功的成分如何，相似的動力應(yīng)用都會導(dǎo)致相似的肺損傷，但通氣策略應(yīng)以優(yōu)化和保護肺、心臟和遠端器官功能為目標。

與右心室功能的相互作用

急性呼吸窘迫綜合征的特征之一是由于缺氧性肺血管收縮和機械通氣造成的后負荷增加而導(dǎo)致的 RV 衰竭。超聲心動圖可及時發(fā)現(xiàn)急性肺心病患者，治療策略包括啟動 VV ECMO . ARDS 情況下急性肺心病的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了 RV 保護性通氣的概念，而 VV ECMO 可促進 RV 保護性通氣。在 VV ECMO 中，含氧血液被泵入肺血管，從而改善缺氧性肺血管收縮的影響。這種效果取決于肺泡缺氧的普遍程度，但通過啟動 VV ECMO，肺血管阻力和肺動脈壓力大幅下降已得到證實。此外，將氣體交換轉(zhuǎn)移到人工肺可能會減少對機械通氣的需求，從而有可能進一步減少右心室應(yīng)變。右心室功能可能成為未來 VV ECMO 啟動和撤機策略的重要因素。重要的是，ECMO 治療期間的支持水平也可能影響 RV 功能：完全的氣體交換轉(zhuǎn)移和絕對的肺靜息可能會促進肺不張，并伴有 RV 應(yīng)變，而支持水平不足則可能會加劇機械通氣造成的肺損傷。在選擇最佳設(shè)置時，應(yīng)同時考慮 RV 應(yīng)變和應(yīng)用于肺部的機械功。圖 1 從理論上說明了這一概念。

圖 1. 對 CO2 去除、機械功和 RV 功之間擬議相互作用的理論分析。(A) 總 VCO2、肺 VCO2 和 VCO2 ECMO 之間的關(guān)系。從肺到 VV ECMO 轉(zhuǎn)移的增加以線性關(guān)系減少肺 VCO2。(B) 機械功 (MP) 作為從肺到 ECMO 的氣體交換傳輸?shù)暮瘮?shù)。雖然肺的機械功 (MPLung) 是肺 VCO2 的線性函數(shù)，但 RV 功 (MPRV) 可能形成 U 形曲線。潛在的最佳設(shè)置（紅點）是指功和的最小值，并指示氣體交換轉(zhuǎn)移的最佳點。

靜脈混合和動脈血氧飽和度

動脈飽和度取決于心輸出量、肺部 V/Q 比率和靜脈含氧量。在高分流狀態(tài)下（多達 50% 的 ARDS 患者可能出現(xiàn)這種情況），低心輸出量狀態(tài)和低靜脈血氧飽和度可能會嚴重影響動脈系統(tǒng)的血氧飽和度。在 VV ECMO 的情況下，靜脈混合氧飽和度取決于 ECMO 流量與心輸出量的比率以及各自的氧含量。在高心輸出量和明顯分流的情況下，動脈飽和度可能會隨著 ECMO 流量與心輸出量比率的降低而呈曲線下降。然而，即使動脈血氧飽和度隨著心輸出量的增加而降低，氧輸送也會改善。

呼吸商對呼氣末肺容量的影響

人工肺的氣體交換會影響肺動脈中的氣體含量，從而改變原生肺的氣體交換比率。由于主要通過人工肺進行的氧合和二氧化碳排出不足，原肺的呼吸商（RQ = VCO2/VO2）會降低。這會影響肺泡氣體成分，特別是肺泡 pO2 和氧合。加蒂諾尼等人早在 1978 年就已證明，根據(jù) RQ 的不同，要使動脈飽和度達到 90%-94% 就需要更高的吸入氧濃度分數(shù)。最近發(fā)表的一項理論分析表明，如果二氧化碳完全通過人工肺排出，而原生肺的 RQ 值小于 0.1，則可能需要 1.0 的 FiO2 才能達到 100 mmHg 的 pO2 值。操作 ECMO 或 ECCO2R 的醫(yī)生應(yīng)注意，如果人工肺主要用于排出二氧化碳而不提供氧合，可能會發(fā)生意外缺氧。如果人工肺也提供氧合，這種影響就會大大降低。肺動脈中的氣體含量不僅會影響呼吸商，還會影響血液和肺泡中的氮含量。隨著時間的推移，原肺中的高氧分數(shù)會增加肺泡氮的沖刷，從而可能導(dǎo)致吸收性肺不張。雖然這種效應(yīng)在 20 世紀 70 年代就已得到證實，但在現(xiàn)代 ECMO 治療 ARDS 的情況下，這種效應(yīng)尚未得到研究。因此，未來對嚴重 ARDS 的生理學(xué)研究應(yīng)考察掃氣氧分數(shù)的變化是否有助于穩(wěn)定呼氣末肺容積。

討論

體外療法對心血管和肺部生理學(xué)有重大影響，臨床管理，尤其是在缺乏大型臨床研究數(shù)據(jù)的情況下，應(yīng)依靠合理的生理學(xué)概念。了解這些概念有助于臨床醫(yī)生調(diào)整管理策略，從而改善日常臨床治療，最終提高患者的治療效果。

在 VA ECMO 中，心臟和肺的生理機能都發(fā)生了嚴重改變：雖然在 VA ECMO 中，左心室本質(zhì)上是無負荷的，但左心室的后負荷始終會增加，如果不考慮采取重要措施，如充分考慮 ECMO 流量和左心室無負荷原則，左心室功能可能會大幅惡化。為了增加可實現(xiàn)的最大 ECMO 流量并進一步增加氧輸送量，必須了解靜脈回流的各種因素。當以斷斷續(xù)續(xù)的流量操作時，泵速的進一步增加只會加劇血管塌陷，因為已經(jīng)具有負跨壁壓力的血管壁被推向 ECMO 插管孔口。此時，只有改善促進靜脈回流的因素才能增加潛在的ECMO流量。在 VV ECMO 中，相互作用圍繞右心室和肺功能。靜脈回流的概念在 VV ECMO 中是正確的，但由于引流和回流插管可能通過靜脈系統(tǒng)連通，泵速的增加不會導(dǎo)致血管塌陷，而是會增加再循環(huán)，而沒有改善患者氧合的潛力。VV ECMO 對右心室功能的影響，特別是后負荷減少應(yīng)納入治療策略，氣體交換的變化和由此產(chǎn)生的動脈氧飽和度取決于 RQ、氮含量和靜脈混合氧飽和度，這對于日常臨床管理非常重要。

未來的研究應(yīng)集中于生理問題。在 VA ECMO 中，這些問題應(yīng)集中于維持左心室和肺功能，直到實現(xiàn)器官恢復(fù)。在 VV ECMO 中，最佳設(shè)備和呼吸機設(shè)置仍不明確，但策略應(yīng)考慮氣體成分、RV 功能以及對遠處器官的附帶損傷最小化。需要確定標準化的心肺功能監(jiān)測策略，包括整體氣體交換評估和適應(yīng)性熱稀釋等新方法。

大型臨床試驗可能有助于回答有關(guān)死亡率或患者長期預(yù)后的問題，但要充分了解體外療法對心肺系統(tǒng)的影響，調(diào)整和優(yōu)化這些設(shè)備的進入、維持和退出策略，以及確定需要回答的重要研究問題，還需要進行小型生理動物和患者研究以及計算生理建模。

來源:Interactions between extracorporeal support and the cardiopulmonary system

https://doi.org/10.3389/fphys.2023.123101

轉(zhuǎn)載自斌哥話重癥

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