上QQ阅读APP看书，第一时间看更新
第三章 氧 合 器
第一节 气体的交换与运输
1.人体的呼吸过程由外呼吸、气体在血液中的运输和内呼吸三个相互衔接并同时进行的环节组成。
2.肺泡和血液间气体交换以及血液与组织间的气体交换均遵循气体分压差原理（单一气体从浓度较高的一侧向浓度较低的一侧扩散）。
3.影响气体扩散因素除气体分压差外，还和其他因素有关，具体如下：
气体交换与肺泡的膜面积成正比，气体扩散和肺泡通气膜厚度成反比。气体交换还依赖于肺泡通气量和肺血量两者间的协调配合。
第二节 氧合器的工作原理
【气体在氧合器中的交换】
1.氧在有血氧合器中的交换
无论是哪种氧合器，氧气交换总是先发生在气体与静脉血液密切靠近的部位，因此氧合器设计中才要求鼓泡式氧合室具有一定的空间范围、膜式氧合器中血液流动需要随时改变方向以达到最佳的氧合效果，中空纤维型膜式氧合器“外走血内走气”正是出于这种考虑。
2.二氧化碳在有血氧合器中的交换
由于CO 2在相同的条件下比氧气的血液溶解度大且扩散速度快，在存在气体分压差的情况下，保证氧合器排气孔开放，CO 2可以很快地从血液中溢出。
【鼓泡式氧合器】
1.工作原理
氧气经发泡装置形成微小气泡，在氧合室内与血液充分混合成微小血泡，血液与气体直接接触完成氧合的同时进行血液变温，再经特制的去泡装置后成为含氧丰富的动脉血流入储血室。
2.结构
（1） 发泡装置：
发泡板是由金属碳化合物烧结而成，透气、透水，一侧的气体通过发泡板到达另一侧时成为微气泡。要求发泡板气体微泡形成均匀，通气阻力小，透气能力强。
（2） 氧合室：
静脉回流的血液直接流入氧合室，与经过发泡板的微气泡充分混合形成血气泡。微小血泡为血液的气体交换提供了丰富的面积，血气泡越小氧合能力就越强；但是随着血气泡的直径减小，二氧化碳的排除逐渐受到限制。另外，氧合性能还受气流量和血液与气泡接触时间的影响。
（3） 变温器：
血液变温由变温器完成，影响变温能力的因素主要包括热交换材料的导热系数、有效的热交换面积、血液与水的温差、血液和水流的方向及流速。通常在体外循环变温过程中水温最高不超过42℃，血温与水温温差不大于10℃；变温器中血流越慢，热交换时间越久，变温效果越好。
（4） 去泡室：
通常用硅油降低气泡的表面张力，使气泡破裂而消除。但硅油可形成油栓，所以将硅油附着于滤网上，当微血泡流经时，微气泡消失。
（5） 动脉储血室：
经过发泡、氧合、变温、去泡的过程，静脉血成为动脉血，通过滤网进入储血室，其中的滤网同时兼有去除微气泡和微血栓的作用，储血室内的动脉血通常维持一定的液面，保证动脉血不会因为涡流产生气泡。
（6） 回流室：
由于心内和心外吸引回来的血液在氧合前需要滤除各种异物杂质，所以需要额外的回流室进行过滤，该回流室要求能靠重力将术野吸引的异物和气泡完全滤除且对流经的血液不产生明显的阻力。
3.操作注意事项
（1） 初次使用氧合器以前认真阅读说明书，避免发生意外。
（2） 根据患者的实际情况选择合适的氧合器。
（3） 使用前需试水，确保变温装置无渗漏。
（4） 预充时，应该注意发泡情况，发泡不均匀，需更换氧合器。
（5） 血液长期在发泡板滞留又无气体通过发泡板时，发泡板筛孔有堵塞的危险，一旦发泡筛孔堵塞将直接影响鼓泡式氧合器的氧合。
（6） 一般鼓泡式氧合器使用的安全时限为3小时。
（7） 鼓泡式氧合器必须用纯氧发泡，过大的氧流量不仅增加发泡板的气流阻力，生成气栓，不利于微气泡的形成，还缩短了血气接触时间而不利于氧合。
（8） 鼓泡式氧合器的最大特点是血液和气体直接接触，血液破坏较严重。
（9） 气血直接接触导致麻醉药容易挥发，体外循环期间容易导致患者麻醉变浅。
【膜式氧合器】
1.工作原理
血液和气体不直接接触，通过特制的薄膜（微孔或无孔）完成气体交换的人工氧合。与鼓泡式氧合器比较具有以下优点：
（1） 良好的气体交换能力。
（2） 血液破坏轻。
（3） 可以减少栓塞的发生。
（4） 适合长时间循环支持。
（5） 具有保护重要脏器功能的特点。
2.材料和分类
橡胶膜、硅胶膜、多聚化合物制成的微孔薄膜和中空纤维是膜式氧合器的主要材料。根据膜的基本结构将膜式氧合器分为无孔型和有孔型。
（1） 硅胶膜的气体通过率最接近人体肺泡膜，为无孔膜式氧合器的首选材料。
1） 适合长时间体外循环使用，在ECMO治疗中有长达63天的记录。
2） 由于气体血液完全隔离，没有微孔存在，不会因气液相压力差而产生气栓，发生血浆渗漏。
3） 代表产品有Sei-Med、Jostra膜式氧合器。
（2） 有孔型膜式氧合器临床使用较多，一般选用聚四氟乙烯、聚丙烯为原料。
1） 直通型微孔逐渐被新型的无规则缝隙样微孔代替，有效减少了使用中微气栓和血浆渗漏的发生。
2） 血液与微孔膜接触时，立即产生血浆的轻微变化和血小板的黏附，使薄膜微孔覆盖一层极薄的蛋白膜，微孔膜使气体交换更加迅速，气体不直接接触微孔膜，减轻了血浆蛋白的变性和血小板的黏附。
3） 微孔越小越多，交换面积越大，且不易产生血浆渗漏。
4） 代表产品有TERUMO、JOSTRA、MEDTRONIC等膜式氧合器。
3.结构
（1） 氧合
1） 中空纤维的出现进一步增强了气体交换能力、节省了交换面积。
2） 早期中空纤维“内走血外走气”，但由于血液属于非牛顿流体，在膜表面流动时会产生层流现象，靠近膜表面的血浆增加了膜的厚度，因此影响气体交换。
3） 新型中空纤维“外走血内走气”的设计方案可以很好地解决层流问题，血液在中空纤维之间流动时不断改变方向，使血细胞和血浆充分混合以达到单位面积的最佳氧合，从而减少了中空纤维的用量和预充量，完成更好的氧合。
（2） 变温：
大多数膜式氧合器采用先变温后氧合的方法，也有变温氧合同时进行的，均取得了满意的临床效果。
（3） 回流室
1） 膜式氧合器采用一个回流室来接受不同部位的回流血液，根据不同的血液来源选择性过滤。通常静脉回流的血液直接进入回流室底部，通过薄层滤网流入血泵入口端；预充液和心内心外吸回的血液则需要多层过滤和去泡。
2） 膜式氧合器根据回流室的不同分为开放型和闭合型两种。①闭合型由两部分组成：回流室和贮血袋，回流室位置较高，其后串联贮血袋。预充排气时贮血袋内有液体充满，循环期间，静脉血经回流室过滤后流入完全封闭的贮血袋，再经血泵注入膜式氧合器完成氧合。贮血袋起到了缓冲系统和管道活瓣的作用，可以防止因回流室无血而产生的气体被泵入循环管道。②开放型只用一个较大的回流室，它与大气相通，回流室出口直接与血泵泵管连接，可直接作为缓冲池合理控制体外循环。目前大多数膜式氧合器采用开放型。
（4） 附属装置
1） 多联三通：血液从膜式氧合器动脉血出口处流出，经动脉端的单向阀到达多联三通后流入回流室处的入口。
2） 氧合器与回流室间的短路管道：方便排气用，CPB期间处于关闭状态。
3） 接口转换器：为了适应不同体重的患者，回流室出口端及静脉入口端配有适应不同管道连接的接口转换器。
（5） 中空纤维间的金属丝：
某些膜式氧合器的中空纤维间夹杂着按一定规律排列的金属丝，金属丝的直径决定了血流通道的空隙，降低了血液流动的阻力。金属丝还能去除血液中的静电成分。
（6） 微栓整合氧合器：
为了减少体外循环预充，新型氧合器将动脉微栓滤器与氧合器完美整合在一起，临床应用更加方便。目前泰尔茂（Terumo）公司及MAQUET集团均有相应产品。
4.操作注意事项
（1） 根据术中最高血流量选择适当的膜式氧合器。
（2） 使用前试水，预充前将膜式氧合器与水箱相连，全流量或出口端加压循环5～10分钟，观察有无渗漏。
（3） 调节通气量控制二氧化碳分压，调节氧浓度控制氧分压，精确控制氧合器气体交换。
（4） 目前使用的膜式氧合器绝大部分为泵后型，即静脉血引流到回流室后由血泵注入氧合器完成气体交换及变温，再经动脉微栓滤器入患者体内。有些膜式氧合器采用泵前型，血液依靠引流重力通过膜式氧合器进行气体交换，完成氧合，再由血泵泵入体内，以适应更多的体外循环要求，如有效的搏动灌注和动脉瘤手术时的双泵双管。
（5） 膜式氧合器出气孔的开放保证气体交换。
（6） 深低温停体外循环时，应开放膜式氧合器旁路，使体外血液循环持续，以免血细胞沉积，膜式氧合器下部血液浓缩，再次转流时因血液分布不均影响血液氧合。当再次恢复循环时切勿忘记关闭旁路。
（7） 由于闭式氧合器的贮血袋贮血能力有限，在灌注过程中调整静脉回流时，可以通过改变回流室平面来控制引流。停机后输血时贮血袋很难精确判断血液输入量，此时可根据滚压泵的转数和泵管每转的输出量乘积来计算。婴幼儿体外循环管理期间尤其值得重视。
（8） 通常膜式氧合器的安全使用时限是6～8小时。无孔型膜式氧合器更适用于长时间灌注，在ECMO治疗时经常选用。一旦发现膜式氧合器气体交换能力下降应及时更换（见本书附录二），串联鼓泡式氧合器或并联膜式氧合器，迅速、有效、安全地操作。
（9） 膜式氧合器安装时必须分清泵前型和泵后型。泵前型依靠重力抵抗膜式氧合器阻力，泵后型依靠血泵动力抵抗阻力，一旦泵后型膜式氧合器置于泵前，当流量达到一定程度时，膜式氧合器中液相压力小于气相压力，会导致大量气体进入血液循环，造成严重恶果。
第三节 氧合器中血液的破坏
【血液破坏】
1.血液与氧合器表面接触立即发生血浆蛋白、纤维蛋白原、白蛋白、γ-球蛋白的沉积以减少外源性凝血酶原激活物。氧合器在进行了初始的蛋白吸收和构型改变后，血小板和白细胞发生黏附。血小板一旦黏附在氧合器表面就被激活，进而导致其他血小板的聚集和血栓形成。
2.鼓泡式氧合器中血液和气体的直接接触增加了血液损害，同时导致血细胞功能减退，微气泡的形成和裂解在细胞损害过程中同样起重要作用，气血流量比越高，血液破坏越严重。
3.膜式氧合器血小板损耗明显减少，对于中空纤维型膜式氧合器，管内走血对血小板的损耗比管外走血严重。薄膜型氧合器与外走血的中空纤维型膜式氧合器在血小板损耗方面差异不大。血细胞的损害在鼓泡式氧合器中明显高于膜式氧合器。
4.体外循环期间血液的损害与血流量、灌注时限、温度高低及麻醉和用药都有很大的关系，很难将血液破坏归咎于某一种因素。
【肝素涂层技术的应用】
肝素涂层技术不仅可以解决体外循环血液抗凝的问题，而且极大地缓解了血液与异物表面接触的反应。大量临床试验研究在这方面已经取得了满意的效果。目前许多ECMO耗材表面均采用肝素涂层技术。
第四节 氧合器性能的综合评价
【基本性能】
1.氧合性能
是最基本、最主要的性能指标，反映气体交换中氧气弥散和血液携氧的综合能力。通常要求：血红蛋白120g/L，血氧饱和度65%的血液进入氧合器，O 2的结合量为45ml/（L•min）。
2.二氧化碳排出能力
要求：血液内二氧化碳分压为5.85kPa（45mmHg）条件下，血液经过氧合器后可以排出二氧化碳38ml/（L•min）。
3.变温能力
由于现在的变温装置与氧合器融为一体，氧合器的变温性能以变温系数衡量，与变温材料、变温面积和血流类型有关。变温系数越高，变温性能越好。
4.预充量
在保证气体交换的前提下，预充量越小越好。
【组织相容性】
补体、白细胞、血小板的激活程度反映组织相容性的好坏。由于膜式氧合器中气体和血液不直接接触，比鼓泡式氧合器生物相容性高，表现在体内激活轻微，白细胞溶酶体释放减少，血小板功能保护较好。
【安全性】
常规安全操作的情况下，仍然可能由于各种原因导致氧合器异常，通常表现为氧合不佳及变温装置渗漏，合格的氧合器不应该发生以上安全问题。
【稳定性和简易性】
鼓泡式氧合器的使用时限是2～3小时，有孔型膜式氧合器为6小时左右，无孔型膜式氧合器为4～5天，在ECMO支持治疗中有28天的记录。
为了管理简便，许多氧合器采用可分离设计、动静脉连接口转换及360°旋转等特殊装置。
第五节 ECMO氧合器
体外膜式氧合器氧合（ECMO）所用的氧合器通常需要更长的工作时间和良好的气体交换性能。2005年以前ECMO支持的氧合器为美敦力公司开发设计的硅胶膜式氧合器，采用无孔设计，可以连续工作30天。但这种氧合器氧合性能较低，因此只能通过增加氧合面积来实现充分氧合，从而导致该氧合器具有体积大、阻力高、排气困难等缺点，而且必须配合滚压泵才能顺利驱动血液流经ECMO氧合器。
伴随中空纤维材料的改进及微孔技术的不断提高，近几年具有更小微孔的聚甲基戊烯（polymethylpentene）中空纤维逐渐应用于ECMO支持治疗。由MAQUET公司推出的QUARDROX系列氧合器具有低阻力、高氧合、长时间使用的优点，结合JOSTRA ROTEFLOW离心泵的ECMO系统正在成为ECMO临床治疗的主流。
（赵举 卞璐瑜）
参 考 文 献
1.Aronstam EM，Geiger JP，Morris JA Jr，et al. Preliminary observations on the performance of the Bramson membrane lung oxygenator. Ann Thorac Surg，1968，5（4）：367-370
2.Ohshima N，Yoshido F. Performance of baffled bubble blood oxygenators. Artif Organs，1979，3（2）：161-170
3.Dorrington KL，Ralph ME，Bellhouse BJ，et al. Oxygen and CO 2 transfer of a polypropylene dimpled membrane lung with variable secondary flows. J Biomed Eng，1985，7（2）：89-99
4.Lim MW. The history of extracorporeal oxygenators. Anaesthesia，2006，61（10）：984-995
5.Alberts MS，Niles SD，Wilson D，et al. Triboelectric charging and dissipation characteristics of the Maquet Quadrox-D membrane oxygenator. J Extra Corpor Technol，2009，41（2）：105-109
6.LaFayette NG，Schewe RE，Montoya JP，et al. Performance of a MedArray silicone hollow fiber oxygenator. ASAIO J，2009，55（4）：382-387