第一篇　体外循环仪器设备

第一章　体外循环机

【基本概念】

是由一组泵组成的可以驱动血流按预定方向和速度流动的机械设备。 根据在体外循环手术中的需求不同,可分为主泵和从泵: 主泵用来代替心脏供血功能, 保证脏器的灌注; 从泵主要用于心脏停搏液的灌注, 心内吸引及心外吸引。根据血液驱动方式的不同, 可分为滚压泵和离心泵。

(1)能够克服500mmHg 阻力的同时提供7L/min 的流量。

(2)泵驱动过程中最大限度减少对血液成分的损害。

(3)与血流不接触的前提下为血液提供动力, 保证血流量。

(4)根据需要可精确调节泵流量。

(5)配有内置电源和手摇驱动装置, 以防突然断电或其他意外。

(6)配备相应的监测模块, 如时间、 温度、 平面、 压力等。

【滚压泵】

滚压泵需要将一段泵管置于弧形泵槽内, 泵旋转臂的设计要求在任何时候总有一个滚压头挤压泵管。 通过挤压充满血液的泵管, 血液随泵头的运动向前推进, 从而形成持续血流。

滚压泵主要由弧形泵槽、轴心、 旋转臂及滚柱组成。

内壁一般为优弧半圆形或圆形, 是泵旋转臂末端滚柱所行走的轨迹, 内置泵管。

内部连接驱动马达, 带动旋转臂旋转。

滚柱位于旋转臂的末端, 是与泵管直接接触的部位。

双头泵是最普遍的体外循环血泵, 它由210°的半圆形泵槽和两个分别置于180°旋转臂末端的滚压头组成。 当一个滚压头结束对泵管挤压时, 另一个则已经开始下一次对泵管的挤压。 由于其中一个滚压头始终与泵管接触,双头泵产生持续无搏动的血流。

流量决定于每分钟泵头的转速(RPM)和每转泵的排空容积(SV);容积的多少由泵管的内径大小和泵头挤压长短而决定。

由于其耐久性和较低血液破坏而被广泛使用, PVC 在低温体外循环时容易变硬, 并有碎裂的倾向, 所以在泵头挤压时, 其内壁可能产生塑料微粒。

血液破坏较PVC 严重, 临床应用较少。

血液破坏较少, 硅胶管较PVC 释放更多的微小栓子, 因而在CPB 过程中动脉微栓滤器的应用是非常必要的。

在整个体外循环管道夹闭的情况下, 开放微栓滤器排气侧路, 置于距泵管上方100cm 高度, 每分钟水柱下落不超过1cm为松紧适度, 可将机械血液破坏的程度降至最低且不影响机体灌注。

可造成血液及泵管机械性破坏, 导致溶血和泵管损坏。

在滚压泵挤压泵管推动血液单向流动的过程中, 由于动脉端压力高, 可造成部分血液反流, 从而在泵管内形成湍流, 导致血液破坏加重。 同时, 由于前向推动力的减弱, 实际流量会小于调节旋钮的设置流量。

多由出口端管夹过小导致泵管内径变小及泵后管路阻塞引起, 可导致泵后压力急剧升高, 致管道破裂或接头脱开。

多由入口端管夹过小导致泵管内径变小及入血端管路打折引起,滚压泵为非阻力限制型, 可产生持续高负压,从而使血液中的气体析出, 也可导致泵管针孔样裂隙, 气体进入管路, 导致患者气体栓塞。

目前国内应用的主 要 有Stöckert Ⅱ、 Stöckert Ⅲ、 Stöckert SC,及Stöckert S5 和Stöckert C5 型等类型。 根据临床需要通常配有大泵、 小泵和双头泵, S5 和C5 型可将单泵独立悬挂, 以缩短管道距离或方便操作。 Stöckert Ⅱ型泵头结构为半圆形,结构简单, 体积小, 操作方便, 但缺少相应的监测设备及备用电源。 StöckertⅢ、 SC、 S5 型均配有备用电源, 可在停电后连续工作130 分钟; 其泵头则采用了第三代马蹄形结构, 降低了滚柱挤压泵管时管道内血流的压力变化, 减少了血液湍流, 减轻了血液破坏。 Stöckert SC、 S5 型配有液面和压力监测控制模块, 液面监测报警是根据液面自动调整泵速, 避免了立即停泵可能给患者带来的不良影响; 当压力超过设定值, 压力监测报警泵头立即停止旋转, 当压力恢复正常, 自动恢复预设泵速, 从而有效防止了泵管崩裂或管道崩脱。 Stöckert C5 型为目前最新款式, 操控性更加人性化,体型更小, 启动时间更短。 C5 和S5 均可提供多个外挂的大泵或小泵, 使操作更便捷, 管道更短小。

MAQUET-HL20①界面设计简单, 操作方便, 每个泵的功能配置名称均显示在其操作面板(SCP)上。 报警及错误信息均有声光双重提示, SCP 上设有一个特定的消音键。 ②SCP 上整合了MAQUET HCU20 水箱的遥控组件, 避免了操作者注意力转移所带来的风险。 ③心肌灌注模块可与SCP 组合, 自动记录并显示心肌保护液灌注的各种重要数据, 如灌注量、 灌注比例、 时间、 温度、 压力。 ④数据处理系统JOCAP XL 功能强大, 可记录分析所有灌注数据, 并可与多种设备对接, 如血气分析仪、 麻醉监护仪等, 监控并记录其工作数据。 ⑤压力监测系统, 最多可监测四导压力, 应用标准医用压力传感器, 并根据压力传感器确定监测范围和精度。 ⑥温度监测系统, 可监测四导温度, 采用YS100 系列温度探头, 各探头彼此独立工作。 ⑦气栓防护系统, 包括液面和气泡监测系统, 可防止气体进入体外循环管路。 ⑧根据各种常用泵管大小设定流量后进行保存, 在以后的使用中只需选择不同类型的泵管设置即完成流量校正, 提示明确, 选择方便。 ⑨泵头逆时针转动按钮成对设计, 必须在同时按压两个按钮3 秒以后才完成逆转设置, 该按钮对应的指示灯亮, 为防止临床不慎、 误操作导致的逆转发挥很好的预防作用。

该泵最大的特点是将离心泵驱动装置与4 个滚压泵安置在一起, 并可灵活拆卸组装, 增加了大量保证泵安全运行的监测, 实现了数字化信息采集记录, 并配有可充电蓄电池, 因此体积庞大。另外, 由于Sarns 体外循环机滚压泵具有打开泵头盖自动停泵的设计, 在CPB 过程中需要引起重视, 防止操作失误带来不必要的麻烦。

该设备配有4 个大泵、 2 个小泵及主控面板,及备用蓄电池。 各泵头可灵活相互更换, 数字化程度高, 数据采集系统功能强大。 流量调节可通过主控面板及流量旋钮调控, 智能化程度高。 该系统同样具备悬挂功能, 可将大泵或小泵按需要悬挂。 也可将离心泵悬挂在主机上配合使用。

国产体外循环机的研发始于20 世纪50 年代至60 年代, 并得到了快速的发展, 其中以天津、 上海、 北京为主要开发区, 自行研制了国产滚压泵, 并很快应用于临床。 其中天津汇康体外循环机经过多次改进, 可以与某些进口血泵媲美, 目前已经有诸多医疗单位和科研机构投入使用。

【离心泵】

围绕固定点做圆周运动的物体受离心力的作用有向圆的切线方向运动的倾向。 离心泵正是根据离心力的原理所设计。离心泵设计为非闭塞型和后负荷依赖型。

离心泵由泵头(离心杯)、 流量传感器、 驱动器、 控制部分及手动驱动装置等组成。 泵头包括内置磁铁、 锥体形叶轮和有两个开口的透明塑料室, 三者依靠特殊技术紧密结合。

内置磁铁在电机的带动下,使锥形叶轮高速旋转, 带动液体流动, 叶轮旋转速度越快, 液体产生的离心力也越大, 液体在离心力的作用下在离心杯侧壁形成压力, 而由侧壁开口流出; 同时在离心杯中央形成低压区, 液体即可随叶轮转动进入离心杯, 从而产生有效的血液灌流。

离心泵最终的灌注流量由压差和出口端的阻力所决定。 出口端阻力一部分为体外循环中各装置所产生的阻力, 包括氧合器、 过滤器、管道和动脉插管; 另一部分为患者自身的血管阻力。 由于离心泵的流量和产生的压力直接相关, 因此离心泵又被称为压力泵。 和滚压泵相比, 离心泵为后负荷依赖型。 流量仅受体外循环和患者本身的阻力变化影响。

离心杯既可以通过电动磁铁控制, 也可以在断电情况下通过手动方式使之高速转动。

与滚压泵相比, 离心泵具有体积小、 便于移动、 血液损伤小、 简便安全等众多优点(表1-1); 而且由于离心泵开放、 阻力依赖的特点, 在动脉入口端发生梗阻时, 离心泵只能产生700～900mmHg 的正压,不致发生泵管崩裂; 当泵入口端发生梗阻时,产生的负压也只有-400～-500mmHg, 不致气体析出。 这些优点使得离心泵在临床上应用越来越广。

离心泵既可以附在体外循环机上, 作为主泵与滚压泵共同组成一整套体外循环系统, 也可以作为一套独立系统, 如体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation, ECMO)系统。

泵启动及停止时要求泵速在1500rpm 以上, 以克服动脉端阻力, 防止血液倒流。 容量不足时, 前负荷降低, 静脉引流减少, 静脉端负压过高, 管道抖动, 动脉流量减少, 因此应相应补充容量; 后负荷(动脉压), 在转速不变的情况下, 可导致流量减少或升高。 因此,临床上, 应根据实际情况进行转速调整。

该泵1976年由美敦力公司研制首次应用于体外循环, 控制面板可隐藏, 可有效防止误操作。 泵头材料为丙烯酸树脂, 预充量仅为80ml, 离心杯内的转子由3 层相互平行的锥形叶轮组成, 转子底部的磁铁由外部控制装置带动使转子高速旋转, 当泵转速在1500rpm 时产生的最大压力为150mmHg, 因此要求在泵速超过1500rpm 时,才可开放循环管路以防压力不足造成血液逆流。 泵出口与离心杯杯壁之间的剪切力可造成血液破坏。 电磁流量传感器不受温度、 红细胞容积等因素的影响, 可精确监测流量。 之后,美敦力相继推出了bio-console550 和560 离心泵系统以及BP-50、 BPX-80 和Affinity CP 泵头。 在安全性、 操控性和监测上都有了较大的改进。

由Sarns 3M推出的Delphin 离心泵与BioMedicus Pump 相同,血液进出口互成直角但预充量降低至40ml, 控制面板更加简洁、 轻便。 血流量由超声探测仪在泵出口管道上监测, 而且流量与泵转速成一定的比例。 体外实验比较了这两种离心泵, 发现在血流量分别为2、 4、 6L/min 时, Delphin Pump 血浆游离血红蛋白水平均明显高于BioMedicus Pump,而血小板计数后者又低于前者。

泵头为单点轴承支撑, 螺旋状血流通道, 表面积及预充量小(32ml), 内表面肝素涂层, 没有无效腔及产热点, 血流通过速度快且稳定, 因此减少了血液有形成分的破坏及炎性介质激化。 泵头驱动装置集成了流量监测和气泡监测两种功能, 泵头支架可根据需要灵活调节。

为驱动控制装置和氧合变温装置一体化设计, 是目前世界上体积最小(315mm×255mm×427mm)、 重量最轻(10kg)、 操作最智能的便携式生命支持系统。 内置蓄电池可维持设备运转90 分钟。 可连续监测血温、 血红蛋白含量、 血细胞比容及动静脉氧饱和度, 同时集成的传感器可精确监测压力和流量。 先进的安全管理系统, 可以设置报警、 警告、 限制、 干预等措施, 使系统运行更加安全。 自动锁屏功能, 可以防止意外操作导致的设置更改。

Nikkiso 离心泵是日本公司开发的小型血泵, 其叶轮直径5mm,预充25ml, 外径66mm, 高58mm, 重145g。由于该泵主要在日本使用, 日本学者对它做了大量临床调查, 发现用Nikkiso 泵灌注血浆游离血红蛋白浓度均比滚压泵和BioMedicus 泵低, 还有报道指出其血小板消耗和激活也低于其他血泵。

是由美国研制的一种磁悬浮式血泵, 泵内叶轮无轴心支持, 旋转过程中不产热, 因此血液破坏小。 驱动装置通过电缆与控制装置连接, 可根据需要摆放位置。

参考文献

1.黑飞龙.体外循环教程.北京: 人民卫生出版社, 2011.

2.龙村, 于坤, 李欣.体外循环学.第2 版.北京:人民卫生出版社, 2017.

3.龙村.体外循环灌注技术.北京: 人民卫生出版社, 2009.

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5.Philip HK, Christopher MM.Techniques in Extracorporeal Circulation.4th edition.Arnold, 2004.