离心泵体外循环的应用进展

纪振华，武婷

离心泵（centrifugal pump）自1972年问世以来，一直没有被广泛关注和应用。但是随着上世纪80年代左心辅助循环和体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）或体外生命支持技术（extracorporeal life support，ECLS）的应用发展和循环管道表面肝素涂层等生物医学工程技术的提高，血液驱动泵已经由传统的滚压泵发展至如今的磁浮离心泵［1-2］。作为新一代体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）动力装置，离心泵具有体积小、质量轻、操作安全、流量大等优点，临床应用也越来越多。目前国外医院离心泵不但广泛用于ECMO和左心辅助循环，也用于许多常规CPB心脏手术。近些年国内虽然也有离心泵临床应用的报道，但基本都是用于ECMO，常规CPB心脏手术绝大多数仍以滚压泵作为驱动血泵［3］。本文就国内外对离心泵研究状况以及应用发展方向作一简要综述。

1 离心泵结构和工作原理

离心泵可分为两大部分，即驱动部分和控制部分，具体是由泵头、驱动器、流量传感器、控制部分以及手动驱动装置等组成，其中泵头是核心部件，由6道直槽、3层椎体、叶片和流体通道等组成。生物相容性为离心泵的关键性能，为提高离心泵的生物相容性，泵头材料增加了涂层材料［4-5］。

离心泵是依靠磁性驱动使泵头作高速旋转运动，通过旋转的叶轮或者黏性剪切力将动能传输给液体，从而形成涡流，使泵室侧壁形成高压区，而中央形成低压区，离心泵中心部位和周边均有孔，使泵的出口端和入口端产生一个压力差，即离心力，当离心力大于外周阻力时，促使液体单向流动［6］。在输出端阻力很低或者没有阻力时，转速和流量成正比，泵速越大，压差就越大，泵输出量就越大。而红细胞对剪应切力有很大耐受性。离心泵产生的是非搏动性血流。灌注流量主要是由出口端阻力和压差所决定。出口端阻力分为两部分：一是血管阻力；二是体外循环各部分所产生的阻力，包括膜肺、动脉插管、动脉微栓过滤器等。离心泵灌注流量与转速及其产生的压力呈非线性正相关，所以它也被称为压力泵［7］。与滚压泵不同，离心泵是后负荷依赖型，故灌注流量只受患者本身和体外循环阻力变化的影响。

2 离心泵的临床应用

2.1离心泵在常规CPB心脏手术中的应用 因为离心泵优点众多，故在常规CPB心脏手术中越来越多地应用离心泵作为CPB主泵。特别是在以下两种临床情形中应用离心泵有突出的优势。

2.1.1大体质量患者常规CPB心脏手术 大体质量患者（体质量＞70 kg）在CPB时，往往需要较高的转速和流量来维持组织脏器灌注，用滚压泵虽然也能达到这个灌注要求，但是高速碾压泵管大大增加了血细胞的破坏。离心泵用于大体质量患者CPB时，能较好维持灌注压力和血流动力学指标平稳，血液和尿液中的血浆游离血红蛋白（free serum hemoglobin，FHb）明显低于用滚压泵者［8］。

2.1.2危重患者或者复杂心脏手术 危重患者的CPB时间往往较长。近年来国内外提倡在危重患者或者复杂心脏手术CPB中使用离心泵，因为离心泵具有对血液有形成分破坏小、安全性高、术后并发症少等众多优点，可以进行较长时间的CPB。若遇到难以脱机的手术，可以直接而又快速地转为心室辅助或者ECMO［9］。

2.2心室辅助 心室辅助装置（ventricular assist device，VAD）将血液从静脉系统引出，然后泵入动脉系统，部分或者全部代替心室做功［10］。对术前严重心衰而单纯靠药物难以起效或者心脏手术停机困难、心功能差的患者，可使用离心泵进行心室辅助，为心功能恢复赢得宝贵时间。离心泵既能对单个心室进行辅助，也能同时对左、右心室进行辅助［11］。循环支持时，离心泵可自动调节流量，当外周低阻力时，泵流量增加；当心功能逐渐恢复时，血压增高，同时泵流量会自动减少。若正性肌力药物和离心泵心室辅助循环联合使用可取得更好的临床疗效［12-13］。

2.3ECMO 近年来ECMO技术已经广泛应用于各种原因导致的急性循环和（或）呼吸衰竭的抢救性辅助治疗，可以提供较长时间心或者肺的支持，为心功能或者肺功能的恢复赢得时间［14-15］。ECMO可以为机体提供持续平流血液灌注，通常有两种形式，即静脉-静脉体外膜肺氧合（veno-venous extracorporeal membrane oxygenation，V-V ECMO）和静脉-动脉体外膜肺氧合（veno-arterial extracorporeal membrane oxygenation，V-A ECMO），V-V ECMO仅提供呼吸支持，而V-A ECMO可同时提供呼吸和循环支持［16］。

有学者认为，对一些重症患者预防性地应用ECMO技术，可以提高存活率［17］。有报道在ECMO辅助下成功对急性心肌梗死高危患者进行冠状动脉介入治疗［18］。国内外有大的心脏中心为心脏移植患者在等待供体期间进行ECMO支持，有助于为患者赢得宝贵时间，提高心脏移植的成活率［19］。

ECMO与 心 肺 复 苏 （cardiopulmonary resuscitation，CPR） 技 术 相 结 合 ，即 ECPR（extracorporeal cardiopulmonary resuscitation），可以抢救性治疗顽固性心跳骤停。ECMO技术可以在抢救过程中保证心脑等重要脏器的有效灌注，提高恢复自身循环的概率，改善CPR的疗效，大大提升了患者的存活率。

2.4左心转流 在大动脉炎或主动脉瘤患者行主动脉手术时，使用离心泵作左心转流，无需肝素化，可使上下肢血压差距明显缩小，减少血液丢失，延长阻断时间，避免了脊髓、肾功能损伤的发生。

2.5其他应用 国内外也有离心泵CPB在全身高热治疗、脏器肿瘤的热疗、肝移植［20］、肾移植等方面成功应用的报道。

3 离心泵的优点

3.1对血液有形成分破坏较轻 与滚压泵相比，离心泵对红细胞、血小板等血液有形成分的破坏较轻，因为离心泵头是非阻闭性的，避免了对血液有形成分的挤压。另外，离心泵头和循环管路等材料为肝素涂层，组织相容性好，减少了对血液有形成分的激活［21］。有报道，在成人CPB中使用离心泵能明显减少红细胞和血小板的破坏，减少了心脏术后胸腔引流量和输血量，减少神经系统并发症［22］。但是也有临床研究报道滚压泵和离心泵的临床效果无明显差异［23-24］。分析原因可能是CPB中影响血小板数量和功能的因素较多，使用离心泵仅是其中一个环节的改进。在同样的CPB条件下，与滚压泵相比，离心泵能明显减少血液中FHb含量，减少溶血和血红蛋白尿的发生，降低急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）的发生率。滚压泵不但在CPB中直接挤压红细胞造成裂解，而且使得亚损伤红细胞也较多，术后亚损伤细胞特别容易破裂，导致术后24 h FHb浓度仍处于较高水平。所以离心泵可以用于长时间的体外循环和辅助循环［25］。

3.2灵活轻便、高效能 离心泵质量轻、体积小，驱动装置可以与泵头分离，可自由调节泵头位置，预充量小，但可以为人体提供较高流量，操作简单，对一些不能脱机的心脏手术的患者可进行长时间的床旁辅助循环。离心泵既可以附着在体外循环机器上，作为主泵与滚压泵联合使用，也可成为一套独立系统，如ECMO系统［21］。

3.3安全系数高 离心泵的高安全性主要体现在3个方面：一是非阻闭型泵，当循环管道扭折时压力增高有限，泵管不会崩脱；二是离心泵高速运转时，其中心是负压区，而外周是高压区，即使有少量气体进入，也会被储存在中心的负压区，不会被泵出。当进入的气体达到泵头预充量的60%时，泵头会自动停止运转，不能产生离心力，也就避免了气体进入体内；三是离心泵头和管道材料内表面光滑，摩擦系数小，为肝素涂层，质地较硬，故很少产生固体微栓，大大降低了各重要脏器发生栓塞的可能性［21］。

4 离心泵CPB的注意事项

4.1易倒流 因为离心泵在转速比较慢时容易出现倒流或者无流量的现象，所以离心泵在排气预充时，打开泵出口端的阻闭钳前，必须保证泵速达到能克服出口端阻力而不会产生倒流时的最小转速，一般建议是1 500 r/min，然后再提高转速，在高转速下排气预充。预充排气完毕和停止CPB时，必须先降低泵速至最小转速（1 500 r/min），然后再夹闭静脉回流管和动脉端，最后停泵。另外需要注意的是，停止CPB后，通过主动脉插管间断输注机器余血时，离心泵泵速必须达到1 500 r/min以上，才能缓慢松开动脉端的阻闭钳进行还血操作。这点与滚压泵有较大不同［26］。

4.2管道易打折 因为离心泵是非阻闭型的，如果泵输出端管道或插管弯曲打折，管道内压力会骤增，但是不会崩脱，这样就有可能发生组织脏器无灌注或者低灌注。因此，若运转中出现流量突然下降，泵低流量报警，动、静脉血氧饱和度下降等情况，应该注意是否有动脉插管不当或者动脉端管道打折的可能性［26］。

4.3小流量控制困难 由于离心泵小流量控制比较困难，易出现倒流现象，所以在小体质量（＜30 kg）患者或者婴幼儿CPB中应慎重使用。

5 小结

总之，近年来离心泵作为新一代CPB驱动装置在欧美国家得到了广泛的临床应用。但是目前国内使用的离心泵绝大部分是进口产品，因其价格比较昂贵，又都是一次性使用，故限制了临床使用，但是在一些病情复杂或者危重患者中仍然值得应用推广。在临床中应根据患者病情和经济状况适当运用。随着国产离心泵成功研制并应用于临床以及医保政策的逐渐完善和普及，相信离心泵在国内的应用将会越来越广泛。