第一章 体外循环的历史

第一章第一章 体外循环简史体外循环简史 引言引言 体外循环的历史从某种意义上可以说是心脏外科手术的历史。从人类不断的 探索、发现，到外科手术频繁的医疗事故的发生以及所有与之相关的工作人员 为之付出的辛劳汗水，这些都是心脏外科进展的镜子。最初的心脏缝合被视作 危险、凶暴甚至是亵渎神灵的行为，在今天已经成为了常规的方法。无疑这些 领域的先驱们的勇气和决定更促进了体外循环的发展。 关于心肺分流术的历史和心脏外科的发展的介绍已经有很多，推荐对此感 兴趣的读者应该了解心脏外科的“界标”。本书后续章节将会详细的介绍心肺分 流术的历史背景及该领域的细节问题。因此，本章节将简单的介绍一些在心肺 分流术发展中具有里程碑式意义的主要资料。 一、第一台体外循环机一、第一台体外循环机 John Heysham 和 Gibbon（1903-1973）很好的定义了心肺分流术的定义。 Gibbon 教授出身于医生世家，在哈佛医学院跟随 Churchill 教授工作。1930 年， 一例行胆囊切除术后的女患者发生了肺血栓栓塞并发症。Churchill 教授对其实 施了肺栓塞摘除术，但在当时的美国还没有行肺栓塞摘除术后存活的报道。 Gibbon 教授负责该病人的后续治疗，也由此萌生了心肺分流术的念头。 在漫长的夜里，Gibbon 教授无助的看着与病魔斗争的病人的血液逐渐变暗 且血管逐渐扩张，Gibbon 教授想到能否将病人的血液移走使其与氧混合并将二 氧化碳排出，然后再将富含氧的红色血液回输到患者的动脉，以此来挽救患者 的生命。设想能否绕过栓塞的血管在体外建立一个旁路来执行部分的心肺功能。 为了实现这个目的，接下来的 20 年，Gibbon 教授与其妻子一起开始潜心设计 机械性泵氧器。1949 年 IBM 实验室设计了第一代心肺分流机，这种心肺机应 用到小狗的心肺旁路仅有 10%的死亡率，1951 年开发了临床心肺机。1953 年， 历史上首次借助心肺分流术成功的缝合了房间隔缺损。 然而，这一历史性的时刻很快因为 Gibbon 教授后续治疗的四例病人的死 亡而停顿。他开始重新审视这项技术并对自己的手术能力产生怀疑，由此暂停 了这个项目。Kirklin 教授使用改进的二代心肺机对 8 例心内缺陷的患者进行治 疗，发现仅仅有 4 人因体外循环并发症导致死亡。这些研究进一步推动了心肺 分流技术的发展。 二、氧合作用二、氧合作用 氧合器的发展历史见图 1.1。关于血液的氧合的方法已经研究了多年，早期 的研究直接将氧气注射入血流，同时也尝试了许多其它的方法，但都以失败告 终。这些早期的研究单纯注意了人工氧合作用而忽视了对二氧化碳的移除作用。 1、肺、肺 1956 年，Campbell 报道使用狗肺成功的对人施行了心脏外科手术。 （Campbell et al., 1956）1954 年，Mustard 及其合作者报道了将猴肺用于人心脏 手术的氧合作用。这些看似已经很成功的研究，但却极其复杂以至于不久便被 放弃（(Mustard et al., 1954; Mustard ，Thomson, 1957） 。1958 年，Drew 使用了 病人自身肺与左右心旁路及深低温相结合的方法（Drew and Anderson, 1959） ， 这一技术延长了手术修补的有效时间且考虑了复杂的不利因素（Westaby and Bosher，1957） 。 2、交叉循环、交叉循环 Andreasen 和 Watson 在英国的 Kent 州进行了犬类研究并在 1952 年发表了 研究结果。如果上腔静脉进入到心脏被套结于腔静脉-心房交接点，没有狗会超 过 10 分钟还不死亡。如果套结于远端的不成对的静脉，静脉就会流入到右心房， Lillehei 报道首次成功的实现了适当的血流灌注脑，使其不受损伤达 40 分钟。 这些发现挑战了一个现有的重要观念：与正常心输出量相当的灌注流量对保护 重要器官免受损伤是必要的，并说明了事实上只需要 8-9%的流量就足够了。 （Andreasen and Watson，1952） 明尼苏达大学的 Lillehei 教授认识到这些心外科手术相关的发现意义重大 （Lillehei，2000） 。经过一系列的实验研究后（Cohen and Lillehei, 1954） ，他报 道了“可控式交叉循环”的技术。如其名字，这个技术将成人的循环与儿童的相 连接，成人在这里起“充氧器”的作用。 “可控式”意指可以通过一个泵控制进出供 着及病人的血流量。 这是一个大胆而创新的设想。理论上会有 200%的死亡率，但实际上，在 45 例手术中没有发生供着死亡，45 例病人中，有 28 例存活且顺利出院，有的 甚至存活 30 年（Lillehei et al., 1986） 。可控式的交叉循环在应用中存在一定缺 陷，不能完全满足循环要求。与此同时，在 Lillihei 发展新的充氧泵之前，也出 现了许多常规体外循环形式。 3、鼓泡式氧合器、鼓泡式氧合器 简单的将气体氧与血液混合可能因为空气栓塞而导致灾难性的结果。Clark 及其同事在 1950 年取得了重大突破，他们开始使用 Dow Corning 公司生产的 DC 消泡净包被的小玻璃珠或小杆（Clark et al., 1950） 。这一概念进一步被 Lillehei 和 DeWall 所发展，他们使用螺旋状含有螺旋系统的沉降管很大程度的 消除了气泡。最初的模型是经过消毒和重复使用的，之后产生了一次性的鼓泡 式氧合器。在常规的氧合器使用之前，Lillehei 和 DeWall 的鼓泡式氧合器于 1955 年 5 月 13 日第一次用于一个患有室间隔缺损、肺动脉高压的三岁儿童。 鼓泡式氧合器随后被改进用于成人患者。Rygg-Kyvsgaard 将鼓泡室与沉降 室以一个储水器连接在一起置于一个塑料袋中。用聚乙烯制作成的海绵涂上祛 泡剂进行祛泡。这个装置由丹麦制造，可以达到 3L/min 的流量。Gott 和同事发 明了一种独立组合成的塑料薄膜氧合器，进一步改进了 Lillehei 和 DeWall 的发 明，这种改进意味着鼓泡式氧合器可作为无菌密闭的单独物品提供。这个进步 对心脏外科学的发展中具有重要意义（Gott et al., 1957a,b） 。 Naef 于 1990 年写到：Lillehei 和 DeWall 发明的具有螺旋式储水器的鼓泡 式氧合器，1955 年 5 月 13 日首次用于临床，征服了世界，也帮助手术者以从 容的、精确的方式完成心内畸形的手术。通往开放式心脏手术的大门已经打开。 DeWall 进一步发展了鼓泡式氧合器并将一次性的观念和无菌树脂等引进了 氧合器和热交换器。随着更好的技术的出现，以及在可控式环境下的安全操作， 外科医生初次意识到先天性或后天性心脏病复杂的病理解剖，并且按现在的方 式引导外科技术的发展。 4、薄膜式氧合器、薄膜式氧合器 Gibbon 通过一个快速旋转的垂直圆筒发明了薄膜式氧合器。薄膜的本质是 血覆盖于金属片上形成的一层薄膜，氧合作用就在此发生。第一代模型中没有 储水槽。将 95%的氧气和 5%的二氧化碳混合以 5L/min 的速度流动。氧合器的 静脉、动脉端具有滚压泵，血液通过管道进行传输，管道浸入在水浴中保持恒 温。最初的模型的流量可以达到 500ml/min（Gibbon，1937） 。后来，又引入了 电网用来产生紊流的血气界面从而改进氧合作用（Gibbon，1954） 。这一设计后 来被 Mayo 诊所进一步改进，在透明树脂上面包被了 14 根电线。血液通过一系 列 0.6 微米孔径的孔沿着网格流动。氧气流量为 10L，二氧化碳的流量随着血 液的 pH 值而变动（Kirklin et al，1955） 。但是与 DeWall-Lillehei 发明的鼓泡式 氧合器相比，Mayo 诊所的薄膜氧合器虽然有所提高，但其为手工制造且价格昂 贵，不便于操作和维护。 Kay and Cross 于克利夫兰发明了转盘式薄膜氧合器。尽管这种设备具有商 业价值，但是在使用上还存在许多缺陷，包括：预充量大、难于清洗和消毒。 （Cross et al., 1956; Kay et al., 1956） 5、膜式氧合器、膜式氧合器 1944 年，Kolff 发明了赛璐玢膜装置作为人工肾进行透析。他进一步尝试将 其作为膜氧合器，但发现无效（Kolff and Berk, 1944; Kolff and Balzer, 1955） 。1957 年，Clowes 和 Neville 发明了一种四氟乙烯薄膜充氧器。膜面积为 25 平米，但 是这种氧合器存在消毒和装配的问题（Clowes and Neville，1957） 。当硅酮因为 其对氧气和二氧化碳都具有很好的渗透性而被用作氧合器的膜时，Bramson 及 其同事报道了一种新的一次性的具有热交换器的氧合器（Bramson et al.,1965） 。 这个模型具有 14 个单元，每一个单元都含有供气体扩散的硅橡胶膜。Bodell 等 人用管状毛细血管膜代替薄膜，这种观念导致了中空纤维模式氧合器。 三、泵血作用三、泵血作用 体外循环装置的关键成分组件是有效的无创伤性的机械泵。在滚压泵广泛 应用之前产生了很多种泵装置。1928 年 Dale 与 Schuster 发明了一种具有瓣膜的 进气口和出气口，但是这种单一的泵不能产生足够的流量，因此，Jongbloed 使 用 6 个这种类型的泵去实现心肺分流。在明尼苏达，Lillehei 研究组使用了马达 泵。 1934 年，DeBakey 改良了一种可以快速输血的 Porter-Bradley 滚压泵。这 种泵适用于体外循环，并且很快成为临床灌注的主要类型的泵。 四、血液稀释四、血液稀释 体外循环存在两个主要的问题，一个是“灌注后综合症”，另一个是“同种血 液综合症”。早期，氧合器和循环环路都经过供着血液预处理。Zuhdi 用 5%葡 萄糖预处理体外循环装置建立了血稀释的概念。DeWall 和 Lillehei 随后证实了 体外循环中血稀释的好处(DeWall and Lillehei, 1962; DeWall et al., 1962; Lillehei, 1962) 。尽管有大量的文献报道，但即使是在今天，对血液的稀释仍存在争论。 五、低温疗法五、低温疗法 从历史上看，我们很清楚的知道应用于心脏外科手术的低温疗法要早于体 外循环的兴起。William Bigelow 在他早期治疗冻疮的基础之上，运用狗作为实 验动物模型，对低温引起的生理性影响做了详细的研究(Bigelow et al., 1950)。. 他指出了低温疗法在心脏外科手术中使用的可能性： 低温作为类似麻醉的效果可以在很多方面扩大手术的范围。体温和组织需 氧量的下降可以永久的排除某些循环器官的临床手术禁忌症。这项技术使得外 科医生有可能可以对缺血性心脏进行外科手术而不需要借助外界的辅助泵，也 有可能实行器官的移植。 1952 年 9 月 2 日，John Lewis 教授及其团队在阻塞进气和适度全身低温的 条件下对一个 5 岁女孩施行了房间隔缺损的关闭手术。在低温和体外循环广泛 应用于临床之前，Gollan 致力于低温和体外循环的联合治疗研究（Gollan et al，1955） 。美国的 Sealy 教授将体外循环和低温首次应用于房间隔缺损闭合术， 这个手术持续了 7 小时 15 分钟。到 1958 年，Sealy 报道了通过联合技术进行了 49 例手术（Sealy et al,1958） 。如前所述，Drew 将体温降到 12-15 度且提出了心 脏手术中的循环停止的概念（Drew and Anderson,1959） 。 六、肝素六、肝素 不使用肝素的体外循环的行为几乎是不可想象的。肝素的发现是一个非常 有趣的故事（Jaques, 1978)，在药物历史上被称作一个“奇遇发现”的经典例子。 1754 年，Horace Well 创造了这个词， “塞伦迪普的三王子”它是 nate 发现的标题 （简称 GED, 2002)。1916 年 W. H. Howell 和医学生 McLean 在研究乙醚的促 凝血性质时，偶然发现了一种磷脂促凝剂。若干年后，一种水溶性的粘多糖经 Howell 鉴定，被证明就是肝素(McLean, 1959) ，即使到了今天，除了极少数情 况，即因为真正的过敏或肝素诱导的血小板减少症不能使用，肝素和体外循环 是不可分割的。 七、小结七、小结 体外循环的历史是一个真实的令人神往的故事。毅力，智慧和技巧的结合， 才使早期的先驱们创造了正如我们今天所看到的体外循环艺术。大量的先天和 后天