体外膜肺氧合在急性呼吸窘迫综合征中的应用进展
2015-01-22敬颖洁,刘畅,李福祥
体外膜肺氧合在急性呼吸窘迫综合征中的应用进展
敬颖洁1刘畅2李福祥1
四川省卫生厅科研课题(130316)
作者单位: 646000 泸州,泸州医学院呼吸内科1
610083 成都,成都军区总医院重症医学科2
【关键词】急性呼吸窘迫综合征;呼吸支持;体外膜肺氧合
急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)发病凶险,病死率高。传统的呼吸支持方法主要包括肺保护性通气、呼吸末正压通气、肺复张、俯卧位通气等。维持适当水平的PEEP肺保护性通气是目前最有效的呼吸支持方法,采用小潮气量(6 ml/kg)的机械通气能明显改善ARDS患者的病死率[1-5]。难治性ARDS合并严重缺氧或呼吸性酸中毒时,通常采用定位策略、NO吸入、反向吸气、呼气比率通气策略、气道压力通气策略、部分液体通气策略、高频通气技术等支持方法进行治疗。然而,对于ARDS患者,单一的呼吸支持疗效并不理想,采用体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation, ECMO)通过改善氧合,排除CO2,使肺得到充分休息,并联合呼吸支持方法治疗ARDS效果较好。ECMO最初仅限于心脏外科的体外循环,1975年,美国国立卫生研究院(NIH)进行了一项有关成人ARDS患者长时间体外循环支持效果的多中心研究,由于该研究的设计和管理存在很多问题, 使得其统计结果很不理想[6]。之后ECMO在成人呼吸衰竭中的的应用一度中断,这使得很多学者对ARDS患者应用ECMO持怀疑态度。自20世纪90年代以来,随着ECMO技术及管理规范的完善,成人ARDS患者应用ECMO治疗的数量逐渐增加。现就国内外ECMO在ARDS中的应用进展作一综述。
一、ECMO在ARDS中的应用
ECMO源于心外科的体外循环技术,其本质仍是一种人工心肺机器,始于20世纪60年代,成熟于80年代。其核心部件为膜肺和血泵,分别起到人工肺脏和人工心脏的作用。ECMO将血液从静脉引出,通过膜肺进行气体交换(吸收O2,排除CO2),经过气体交换的血,在血泵的推动下可回到静脉(VV通路),也可回到动脉(VA通路)。前者主要用于体外呼吸支持,后者因血泵可以代替心脏的泵血功能,既可用于体外呼吸支持,又可用于心脏支持。因此,ECMO针对严重呼吸循环功能衰竭患者可提供较长时间的生命支持,使心肺得以休息,为心肺功能恢复创造有利条件。
ECMO在ARDS中的应用可以追溯到20世纪70年代中期,欧美等国家对ECMO与机械性通气进行多中心对照研究,两种方法治疗ARDS的病死率都在90%左右,这一结果使人们对ECMO治疗呼吸衰竭感到极其失望,直到1979年Gattinoni把ECMO与低频正压通气结合起来,使ARDS的疗效从10%提高到50%。此后,ECMO在ARDS中的治疗逐渐被人们重视,许多医疗中心组织专业医疗队伍进行ECMO的临床研究,各种方法和器械也在不断的完善。自1994年以来,随着VV ECMO技术的完善和皮下插管的应用,成人ARDS患者应用ECMO治疗的数量迅速增加。
据统计,全世界有超过100多家医院在开展此项工作,超过30万人接受ECMO治疗,欧美国家技术较为成熟。2009年,Peek等[7]评估常规通气支持与ECMO治疗成人重型呼吸衰竭(oxygenation for severe adult respiratory failure, CESAR)的研究报告显示, ECMO组较传统通气支持组病死率显著降低。在国内,ECMO主要限于在心脏病领域的应用,对于严重呼吸衰竭,国内有零星的个案报道,但尚未形成规模。2014年,黄炳辉等[8]评价了体外膜肺氧合治疗急性呼吸窘迫综合征的临床疗效,结果表明,采用ECMO治疗ARDS可有效改善患者血、氧代谢,降低不良反应发生率及病死率。
1.ECMO的不同模式:静脉-动脉体外膜肺氧合(VA ECMO)是最先被采用的模式,其后发展出静脉-静脉(VV)、动脉-静脉(AV)模式。通常,如果需要心肺两个脏器同时进行功能支持,则往往采用VA模式。而对于严重的氧合障碍引发的呼吸衰竭,则采用VV ECMO模式。理论上说,伴高碳酸血症的呼吸衰竭既可采用VV ECMO,也可用VA ECMO模式来支持。VA模式动脉插管容易出现严重的并发症,如神经系统并发症、插管远端肢端缺血、气栓等。因此,如无需心肺功能支持,则不采用VA模式。VV ECMO和VA ECMO两种模式都需要一个能产生3~5 L/min流速的血泵来确保血流能满足成人脏器必需的血供和氧供。此外,最新的AV ECMO模式的血流不需要血泵驱动,而是通过自身的动脉压力来驱动血流,因此,AV模式仅能进行单一的肺功能支持。此外,AV模式仍需两个条件,即膜肺设备管道阻力较低及合适且稳定的血压和血流。这种无泵的动、静脉体外肺辅助系统(pumpless extracorporeal lung assist, pECLA)在自身动脉压驱动下,可获得0.8~1.5 L/min的血流,并能充分清除体内的CO2。
2.主要的膜肺装置
(1)动静脉分流的CO2清除膜肺装置(arteriovenous CO2removal, AVCO2R): 相对于传统的VV或VA模式ECMO机器,AV模式结构相对简单,但其CO2清除率较好。AVCO2R血流的驱动力为患者自身动脉压力,因此,其膜肺装置由低阻、中空、可进行气体交换的纤维构成。遗憾的是,这种装置不能提供氧气交换,因此,机体氧气仍来自于患者自身肺气体交换。AVCO2R装置对动物的研究显示其不仅可以清除CO2,还可以提高呼吸衰竭动物的氧合指数。迄今,AVCO2R装置的人体研究仅有5例报告,均为ARDS成年患者,这些患者均伴CO2潴留,接受AVCO2R治疗3 d,采用经皮股动脉-静脉插管,AVCO2R中空纤维膜面积为2.5 m2,治疗期间所有患者均存活,未出现明显并发症。5例患者体内CO2清除率约70%,全程血流动力学保持稳定,在保证机体所需的氧合情况下,机械通气的分钟通气量从治疗前的(7.2±2.3) L/min降至(3.4±0.8) L/min[9]。Brunston等[10]进行动物研究发现:AVCO2R通过清除CO2能显著降低分钟通气量和气道峰压。因此,对于ARDS患者,AVCO2R联合机械通气疗效较为满意,并且,AVCO2R还能减少ARDS患者机械通气所引起的肺损伤。
(2)无泵的动、静脉体外肺辅助系统(pECLA):1996年,欧洲开始研制无泵的pECLA,不久即成为很多肺部疾病的治疗设备。它是一种易操作、价格适中的模仿人体肺脏的辅助设备。pECLA拥有一套中空纤维的气体交换回路而不再需要泵,对于各种原因导致的重度呼吸衰竭,pECLA在提高氧合和清除CO2是非常有效的。一项使用活体绵羊来评估pECLA在短期内清除CO2效力以及对血流动力学影响的实验,采用在绵羊的颈动脉和颈静脉插管72 h,通过设定血流速度、气体流速和PaCO2来计算CO2清除率。实验表明:当血流速度为1 L/min、气体流速为5 L/min、CO2分压在(40~50)mmHg时,平均CO2清除率约为119.3 L/min。CO2清除率与CO2分压相关联,并依赖于血流速度和气体流速。当血流速度为(1~2)L/min、气体流速为5 L/min、流体阻力最小时,pECLA能清除几乎全部的CO2[11]。另一项动物实验采用ARDS模型,拟评价心肺复苏时pECLA对血流动力学和气体交换效能的潜在影响,结果表明,在进行心肺复苏时,保持pECLA开放相比于关闭pECLA,CO2分压显著降低,氧分压升高,并且对血压没有明显的影响[12]。Jungebluth等[13]研究了pECLA联合机械通气治疗时的最佳PEEP水平,结果表明:在PEEP>10 cmH2O时pECLA能维持最佳的的气体交换,并能保持血流动力学的稳定。
一项为期10年的回顾性研究,共收集到年龄从7岁到78岁的患者共159名,使用pECLA治疗ARDS的占70.4%,使用pECLA治疗肺炎的占28.3%,这项实验的累积实验天数超过1 300 d。在实验期间,总的病死率为48.7%,绝大多数死于多器官功能衰竭,肺功能不稳定的患者仅占3%,而在pECLA治疗30 d后病死率约为13.6%[14]。大量病案报告、回顾性分析及前瞻性研究证实:pECLA通过清除CO2能逆转高碳酸血症,使氧合更稳定,并能改善末梢循环,可用于治疗各种病因包括ARDS在内所致的急性呼吸衰竭患者以及肺移植的过渡期患者[15-18]。一项以96名重症ARDS患者为研究对象的实验表明,应用pECLA 治疗2 h改善了所有患者的PaCO2和PH值,同时也显著增加了PaO2/FiO2比值,血中CO2的清除量大约占生成总量的50%,从而促进了呼吸性酸中毒的恢复,改善了ARDS患者的预后[19]。
(3)血管内氧合器和CO2清除设备:1989年,Mortensen等[20]针对ARDS患者首次提出血管内氧合器(intravascular oxygenator, IVOX)这一概念,通过外科手术将一中空的纤维膜氧合器置入人体腔静脉,利用人体本身的循环动力,在类似肺泡的装置内进行气体交换,达到清除CO2、改善氧合的作用。IVOX是由聚丙烯制成的一束中空膜纤维氧合器, 长度约为(40~50)cm,由大约500~1 100个纤维氧合管组成,利用梯度驱动的原理,在中空纤维壁上的微孔上进行气体交换。其优点在于装置简单,降低了感染的风险,可清除CO2并改善氧合,并且对血流动力学无明显影响。然而,IVOX设备相对于自然肺,其功能是有限的。动物和人体实验证明:其清除CO2并进行氧气交换的速率约为40 ml/min,仅能满足患者大约25%~30%的代谢需求[21-22]。因此,并不推荐IVOX作为ECMO的常规治疗手段,换句话说,IVOX不能为急性呼吸衰竭患者提供全部的生命支持。
一项国际多中心的IVOXⅠ-Ⅱ期临床试验[23]将164台IVOX设备用于160名由各种病因包括肺部感染、创伤、脓毒血症、ARDS等导致的急性呼吸衰竭患者,发现很多患者在降低呼吸机参数时血气结果有迅速改善。但采用IVOX治疗的患者存活率仅占30%,并伴有严重的肺损伤。大量的动物模型证实,IVOX设备在活体内的使用没有对血流动力学功能产生不利的影响,并且没有发生明显的溶血、血栓栓塞、导管漂移以及腔静脉内膜损伤等并发症,但其出血、感染、静脉闭塞及心律失常等风险性较高[23-24]。鉴于此,IVOX设备在设计和管理上需要做更大的改进才能更适合于临床。
(4)Hattler呼吸辅助导管:Hattler呼吸辅助导管是在IVOX的基础上,改动了两端的纤维束,并在中间导管外加入一可搏动的球囊,这种带球囊的IVOX,增加了O2和CO2的对流率[25]。在体外模型上,体积更大、搏动频率更快的搏动气囊能显著增加携氧和CO2清除能力[26]。静脉内呼吸辅助设备的临床应用受插入导管直径的影响,目前为人类临床试验所准备的导管直径为32Fr,与气囊搏动的最佳气体交换效能基本一致。
血管辅助导管最新的进展体现在经皮叶轮呼吸辅助导管(impeller percutaneous respiratory assist catheters, iPRAC)的发展,IPRAC包含由静止的中空纤维束形成的表面积约0.07 m2的旋转风轮,插入的导管直径小于25Fr[26],这种导管临床应用与否取决于能否保护血管内膜不被旋转纤维所损伤。iPRAC并不影响实验动物的血流动力学功能,其清除CO2的效能比目前任何呼吸辅助导管都高,但在其用于临床前仍需进一步完善。未来研究需要解决的是通过导管最佳的血流和气体交换,评估异常中空纤维膜转动时产生的长期CO2清除效能,以最终促进额外CO2的清除[27]。
二 、ECMO用于ARDS的适应症和禁忌症
1.适应症:ARDS患者满足以下条件时可考虑使用ECMO:①使用传统的机械通气仍不能纠正缺氧和提高肺脏的顺应性;②年龄<65 岁,接受机械通气<7 d,无抗凝禁忌症,患者未达到濒死状态;③氧合指数( PaO2/FiO2)<100 mmHg或P( A-a)O2≥600 mmHg;④Murray肺评分≥3分;⑤患者出现失代偿呼吸衰竭伴酸中毒pH<7.2[28]。
2.禁忌症:对于ARDS患者,尤其是重症患者,禁忌是相对的,在权衡患者全身状况、ECMO治疗所带来的益处,机体能否耐受等因素后,根据患者的具体情况作出抉择。但对于全身应用抗凝剂、严重出血或DIC、慢性疾病或恶性疾病的终末期、严重的免疫抑制、急性重度颅脑损伤等情况,一般不考虑使用ECMO。
三、 ECMO实施中的并发症
ECMO在治疗ARDS中的并发症包括机械和患者自身两部分。机械并发症包括氧合器故障、循环管道破裂、泵或压力传感器失灵、导管位置移动等。患者自身并发症包括出血、溶血、神经系统并发症、器官功能衰竭(如心脏、肝脏、肾脏)、气压伤、感染及代谢紊乱等。
体外生命支持中心提供了ECMO治疗ARDS时出现并发症频率的相关数据[29],Fitzgerald等[30]提供了ARDS患者使用ECMO的技术相关并发症信息,在治疗时间长达22 000 h时,没有威胁生命的技术并发症发生,在治疗时间长达27 137 h时,记录到总共27种技术并发症,其中以泵失灵、循环管道破裂、导管位置移动最为常见。然而,ECMO在治疗ARDS是最常见的并发症是出血,这在很大程度上与静脉持续使用肝素有关。在一项前瞻性随机对照研究中显示,采用ECMO管道和膜表面肝素涂层替代静脉全身使用肝素可减少每日出血量及红细胞输注量,并且,其存活率较无肝素治疗患者高[28]。
四 、ECMO治疗ARDS的展望
传统的机械辅助通气能改善一些ARDS患者的氧合,但对于仅仅使用机械通气不能改善氧合的患者,如不纠正严重持续的缺氧状态,可能导致不可逆的器官功能损害甚至死亡。ECMO能清除CO2,改善缺氧,直到患者的肺脏恢复气体交换功能[31-37]。ECMO通过采用管路内面肝素涂层和膜氧合器,能避免出血等并发症。因此,使用ECMO治疗ARDS患者更为理想,掌握ECMO的适应症和治疗持续时间是决定治疗效果的关键影响因素。随着ECMO并发症的减少,它在ARDS中的作用将显得越来越重要,但如何更好的管理设备及制定具体的应用规则仍需进一步研究。
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(本文编辑:黄红稷)
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·综述·
收稿日期:(2014-12-05)
文献标识码:中图法分类号: R563 A
通讯作者:李福祥,Emial: lfx98@163.com
基金项目:国家自然科学基金面上项目(81171869)
DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2015.04.020