(一)体外循环11体外循环(extracorporeal1circulation1or1cardiopulmonary1bypass，lCPB)是将回心的上、i下腔或右心房的静脉血引出体外，l经人工肺进行氧合和排除二氧化碳(气体交换)，l再经人工心泵入体内动脉的血液循环。在体外循环(转流)下，l可停止病人呼吸，l阻断或不阻断心脏血流，l切开心脏，l进行心内直视手术。体外循环技术是心脏外科的基本和必要条件。完成体外循环的装置称为人工心肺机(artificial1heart-lung1machine)。
人工心肺机的构件和基本功能
1.血泵(人工心)11是人工心肺机的主要部件，l驱动引出体外管道内血液单向循环至体内动脉。常用的转压式血泵由泵头和泵管组成，l泵头的转子转压泵管使血液单向流动。所用泵管的直径影响每转的血流量。调节转速可控制转流量。此血泵工作过程中会引起血液成分的破坏，l转子对泵管挤压过紧或转流时间偏长破坏更严重。离心泵是更为理想的血泵，l其工作原理是由旋转磁场驱动泵头中的磁性锥体旋转，l依靠离心力驱动血流沿锥体表面流动。其最大优点是减少血液成分破坏，l可较长时间地转流。
2.氧合器(人工肺)11为人工心肺机的另一主要部件，l替代肺的功能，l氧合静脉血和排除二氧化碳。现有两种类型：i
(1)鼓泡式氧合器：i使输入的氧气与引出体外的静脉血直接接触，l形成血气泡。进行气体交换后，l流经去泡装置去泡，l除尽微泡的氧合血流入贮血器，l再经血泵泵回体内。鼓泡式氧合器具有结构简单、i氧合性能好、i操作方便、i价格低等优点，l但由于血、i气直接接触，l易引起血液蛋白变性、i有形成分破坏，l安全使用时限短(3小时以内)。
(2)膜式氧合器：i血液通过薄膜或中空管壁的透析作用进行气体交换。血、i气不直接接触，l无须经去泡过程，l具有良好的气体交换性能和血液保护作用，l适宜较长时间体外循环等优点，l已越来越广泛地用于临床。价格高是国内应用受限的主要原因。
3.变温器11分变温和交换两部分，l在水箱内进行水的降温和升温，l将一定温度的水经管道输入与氧合器并为一体的冷热交换器内，l降低和升高体外循环的血液温度。在变温尤其是升温过程中，l水和血之间的温差需保持在10℃以内，l过大的温差可能导致血液内的气体溢出形成小气泡，l有发生体内气栓的危险。
4.微栓过滤器11体外循环的动、i静脉系统均有过滤装置，l静脉系统的海绵状滤网分别置于血液回收器和氧合器的贮血筒内，l以除去微泡、i过滤血液中的血小板聚积块、i纤维素等碎屑和心内吸引器吸入的微粒、i组织碎片、i异物等。动脉系统过滤器置入血泵后，l以作为体外循环的最后一道安全屏障。其过滤网常用孔径40μm涤纶或聚酯、i聚丙烯等高分子材料制成。
5.血液浓缩器11又称血液超滤器。是仿肾小球滤过原理，l利用半透膜两侧的压力阶差，l滤出水分和小于半透膜孔隙的可溶性中小分子物质，l已成为体外循环机的常备配件。超滤器与体外循环管路以并联方式连接，l其入口与动脉端相连，l出口与静脉回流室相接。有常规超滤、i平衡超滤、i改良超滤三种方式。常规超滤主要是滤出水分，l提高红细胞比容；平衡超滤是边超滤，l边添加复方林格液，l除滤水外，l更为滤出炎性介质等各类有害物质；改良超滤在停机后进行，l不受体外循环血液稀释度限制，l滤出血管和组织间水分，l浓缩血液。术中可根据病情任选其中一种方式或联合应用。
体外循环的预充和血液稀释11转流前，l静脉引流管、i氧合器、i血泵和动脉段管道内必须充满液体，l充分排尽动脉段管道内的空气，l这部分液体即为预充液。其量除与体外循环管道的粗细、i长度有关外，l更与氧合器的类型、i型号相关。氧合器的贮血瓶内最低安全液面所需的液体量是预充的主要部分。
可为预充的液体有5％葡萄糖、i生理盐水、i乳酸林格液等晶体溶液和血浆、i白蛋白、i代血浆、i库血或自体血等胶体溶液。取何种和多少量的液体预充，l依病人年龄、i体重、i术前红细胞比容或血红蛋白含量、i预计血液稀释度而定。糖尿病人少用或不用葡萄糖。多采用中度稀释，l使病人转流后的红细胞比容为20％～25％或血红蛋白质70～80g/L。血液稀释的目的是降低血液粘稠度，l改善微循环，l增进组织灌注，l减少红细胞损伤，l减轻凝血机制紊乱。成人多以晶体液预充，l小儿需一定比例的晶体液和全血预充。发绀型先心病患儿常需白蛋白或血浆替代库血预充。
体外循环与低温11机体代谢与体温直接相关，l随体温的降低，l机体代谢率迅速降低，l每降低7℃，l组织代谢率下降50％。为防止重要器官缺血、i缺氧，l常以降低体温来提高体外循环的安全性。降温的程度则根据手术类型、i手术方法等情况预先确定或临时调整。临床上将低温分为浅低温(32～28℃)、i深低温(27～20℃)、i超深低温(20～15℃)。一般采用浅低温。随着人工心肺机的性能日趋优良，l心内操作技巧的提高，l手术时间的缩短，l常温或次常温(32～35℃)心内直视手术日渐多用。
体外循环中测量体温的部位有鼻咽部、i食管和直肠。临床上多采用鼻咽部测温。亦有以鼻咽部和直肠或食管和直肠两处同时监测。
体外循环的基本方法
1.体外循环的建立11一般以胸骨正中切口进胸显露心脏、i建立体外循环(图41-1)。套绕上、i下腔静脉阻断带和升主动脉牵引带后全身肝素化。体内肝素用量以3mg/kg体重计算，l一次静脉推注，l预充液内肝素用量按1mg/dl晶体溶液和4mg/dl血制品计算。经升主动脉插动脉供血管，l插管与人工心肺机动脉端连接。经右房或上、i下腔分别插腔静脉引流管，l与人工心肺机静脉血回收管相接。监测活化凝血时间(ACT)，l其值由正常的80～120秒延长至480～600秒方可开始体外循环。转流后，l每隔30分钟重复监测ACT，l根据实测值确定肝素追加量，l使其值维持在上述安全转流水平。开始转流时，l仍维持一定心脏负荷。此时，l主动脉血流来源于心脏射血和血泵泵血，l称此转流形式为并体循环。心内操作毕，l心脏恢复血液灌注和跳动后，l使心脏空跳，l以偿还缺血后的氧债，l冲走酸性代谢产物，l再逐渐增加心脏负荷，l以便顺利脱机。逐渐增加心脏负荷的体外循环亦属并体循环，l常称辅助循环。
图41-111体外循环装置示意图
2.体外循环流量11体外循环流量的高低直接影响各器官，l尤其脑、i肝、i肾等重要器官的组织灌注和术后的功能恢复。所需灌注流量与温度密切相关。体温高，l灌注流量要高；体温低，l灌注流量则相应调低。灌注流量过低，l组织灌注不足，l缺血缺氧；过高并不增加组织灌注，l反会增加血液有形成分的机械性损伤。灌注流量按公斤体重或体表面积两种方法计算。成人37℃时的灌注流量一般为50～75ml/(kg·min)或2.2～2.4L/(m2·min)。儿童的基础代谢率高，l灌注流量要偏高。10～15kg患儿灌注流量高至120～150ml/(kg·min)，l10kg以下为125～175ml/(kg·min)。
3.体外循环中的监测11为保证体外循环的安全性，l术中除需严密监测ACT、i温度、i灌注流量外，l以下监测指标亦十分重要。
(1)动脉压：i常用桡动脉或足背动脉穿刺测压。体外循环中动脉压一般维持在50～70mmHg间，l老年人血管阻力高，l灌注压亦相应偏高，l小儿则可稍偏低。血压过高或过低，l应针对原因作相应处理。在作灌注流量调整前要考虑到血管阻力、i温度、i血液稀释对血压的影响。
(2)中心静脉压：i常行锁骨下静脉，l颈内静脉或大隐静脉穿刺测压。体外循环时，l经锁骨下静脉或颈内静脉置管测压者，l因管端接近上腔静脉引流管，l所测值接近零或为负值，l该压力的高低可反映腔静脉引流的通畅程度。而通过在大隐静脉置管所测压力与体外循环前接近，l可作为血容量高低的指标。
(3)泵压：i经动脉段的过滤器接压力表，l监测泵压，l该压力反映自血泵至主动脉插管端的阻力。压力一般在150～200mmHg，l若过高提示动脉段血流受阻，l应立即寻找原因，l及时纠正，l以防意外。
(4)血气：i体外循环为非生理性循环，l在其降温、i复温过程中常因低压、i低灌注流量等因素致组织缺氧、i乳酸增加。血液稀释和体外循环对肺、i肾功能的影响将减弱机体对酸碱的缓冲和纠治能力，l易产生酸碱失调。因此体外循环中动态监测血气甚为重要。以调整和维持PO2、iPCO2的张力、ipH、iBE、iHCO3值在正常范围。pH受温度影响，l为避免判断错误，l某一温度的正常pH需按下列公式进行温度纠正。
pH(T)=pH(37℃)＋0.0147×(37－T)(5)电解质：i体外循环中的电解质变化以K＋最为显著，l对机体的影响也最重要，l多发生低钾血症。常见原因有：i①尿中丢失过多，l术前长期服用排钾利尿剂者，l体内总钾量偏低；②补充不足，l若忽视了体外循环预充液中补充一定浓度钾盐，l转流后会引起血清K＋浓度骤降；③异常转移，l体外循环中氧合器过度通气，lCO2大量排出，l或使用大量NaHCO3均可使pH增高，l细胞外液H＋降低，l引起K＋细胞内转移；体外循环常采用低温技术，l低温可使K＋向细胞内转移，l以红细胞最为明显，l其次为肝、i胰、i肾等器官，l低温体外循环时间越长，lK＋向细胞内转移越多。体外循环中定期监测和维持正常血清K＋浓度，l对恢复冠脉血流后的心脏复苏和复苏后的心功能恢复都十分重要。
(二)心肌保护11心肌保护(myocardial1protection)的概念是在研究心肌缺血性损伤的基础上形成的。体外循环下心内直视手术需阻断心脏血流，l致使心肌缺血、i缺氧。缺血、i缺氧时心肌氧化产能障碍，l仅靠无氧酵解提供少量能量。由于血运中断，l心肌代谢产物不能及时清除，l严重缺氧时的大量乳酸堆积会加重组织酸中毒，l而抑制糖酵解过程，l高能磷酸盐贮备迅速消耗。细胞内一些依赖于能量的重要代谢过程紊乱。心肌能量缺乏，l导致心肌细胞质膜功能障碍，l细胞内电解质动态失调，l大量Ca2＋细胞内流，l致使细胞内Ca2＋超负荷，l心肌发生持续性收缩。当ATP减少到不足以使肌动-肌球蛋白横桥分离，l心肌则僵直挛缩，l即所谓的“石头样心”(stone1heart)。心肌持续挛缩的机械力不仅消耗能量，l且作用于已受损的心肌细胞，l造成心肌细胞破裂，l细胞内酶大量释放，l导致心肌细胞死亡。随心脏血流阻断时间的延长，l这种缺血性改变会愈重。
心肌在缺血一段时间后恢复氧合血灌注时，l损害会更严重。主要表现为心肌水肿，l氧利用能力下降，l高能磷酸盐水平低下，l心肌顺应性差等改变，l称此为缺血再灌注损伤(ischemic1reperfusion1injury)。
缺血再灌注损伤的机制是多种因素参与的复杂的病理生理过程。其原因有：i①能量耗竭：i当缺血时，l线粒体内氧化过程完全停止，lAMP再磷酸化生成ADP及ATP受到抑制，l积聚在心肌内的AMP分解成腺苷、i肌苷及次黄嘌呤，l后者从细胞内弥散至细胞外。复灌后高能磷酸盐的前体缺乏，l即缺乏生成恢复心肌功能所必需的ATP的原料。②Ca2＋超负荷：i长时间缺血、i缺氧后，l心肌细胞聚积大量的H＋，l再灌注时，l首先引起H＋－Na＋交换，l大量进入细胞内的Na＋激活细胞质膜上的Na＋－Ca2＋交换蛋白，l使Ca2＋大量内流，l当ATP衰竭时，l无力将过量的Ca2＋泵回肌浆网内和细胞外。③氧自由基损伤：i缺血缺氧后心肌细胞胞浆内增高的Ca2＋激活组织内的黄嘌呤去氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，l使次黄嘌呤与再灌注时血内丰富的氧作用生成大量O2－自由基，l而内生性自由基清除剂不敷所需，l导致细胞损害。
缺血再灌注损伤严重者，l导致心内膜下坏死，l心脏复苏困难，l或心脏复跳后搏动无力或顽固性心律失常；中度损伤则引起术后低心排出量综合征，l晚期出现心力衰竭，l心肌纤维化。心肌缺血缺氧后的能量供需失衡是心肌缺血再灌注损伤的根本原因。体外循环中如何有效地预防心肌缺血再灌注损伤，l保护心肌功能，l是涉及到心脏手术成败与否的重要课题。
心脏停搏液的组成11以心脏能量供需平衡理论为基础研制出来的心脏停搏液具有良好的心肌保护效果。临床应用的心脏停搏液种类很多，l大致可归纳为三大类：i①以ST.Thomas医院为代表的晶体停搏液(见下表)；②稀释血停搏液；③富含能量底物的晶体或血停搏液。无论是何种心脏停搏液，l其心肌保护作用的机制均是：i①使用化学诱导方法，l使心脏迅速停搏，l避免缺血性电机械活动，l减少能量需要和消耗。主要成分是高钾，l亦有加用镁、i普鲁卡因以辅助停搏。最适宜钾浓度为20～40mmol/L，l常用浓度为20mmol/L。②降低心肌温度，l可大大降低心肌代谢和能量需求，l保存心肌的能量储备。心脏表面冰水淋浴和4℃的心脏停搏液心脏灌注后，l心肌温度迅速降低。术中心脏停搏液反复或持续灌注，l心肌温度可维持在15℃左右。③提供氧和能量底物，l常在心脏停搏液中加用葡萄糖、i磷酸肌酸、i门冬氨酸、i辅酶Q10等能量物质，l以维持心脏缺血期间和恢复灌注后所需的能量物质。
此外，l心脏停搏液还必须是偏碱(pH7.6～8.0)、i高渗(320～380mmol/L)和具有良好的膜稳定作用的特性，l以保护缺血心肌的适宜代谢环境、i完整的细胞结构和质膜离子泵功能。
心脏停搏液的灌注方法11有顺行、i逆行和顺行-逆行联合灌注三种方法。
1.顺行灌注11分为经升主动脉前壁插针灌注和冠状动脉口直接灌注。
升主动脉插针灌注：i凡主动脉瓣关闭良好，l无须切开主动脉作心内直视手术的病人均可用此方法行停搏液灌注。于升主动脉前壁近心端预置小荷包缝线，l于荷包线内插入停搏液灌注针，l灌注针与灌注管相连接，l收紧荷包线固定灌注针。阻滞升主动脉的同时，l开始停搏液灌注。灌注速度以250～300ml/min为适宜。首次量一般为10～25ml/kg，l有时需根据心脏大小和灌注效果适当增减用量。每隔20～30分钟重复灌注。其钾浓度和停搏液量均可酌减。近年有在开放主动脉阻断钳之前行含钾温血停搏液末次灌注，l以减轻缺血再灌注损伤。
冠状动脉口插管灌注：i适用于主动脉瓣关闭不全，l较大的佛氏窦瘤破裂或主-肺动脉窗病变者。切开主动脉前壁，l将冠状动脉灌注管直接塞入冠状动脉口进行停搏液灌注。灌注压力以不高于80mmHg为宜。
2.逆行灌注11适用于不能直接顺行灌注和冠状动脉狭窄或阻塞的病人，l是一种将特制带囊的冠状静脉窦灌注管置入冠状静脉窦内进行停搏液灌注的方法。有开放和闭式两种置管形式。开放置管是切开右房壁，l直视下将灌注管送入冠状静脉窦口内；闭式法则不切开右心房，l于右房近下腔静脉口处作荷包缝线，l荷包线内切口插灌注管入右心房，l再将手指于房壁外引导送入静脉窦口内。开始灌注时，l气囊自动膨起堵住管外窦口间隙，l以防停搏液漏入右房。灌注压不宜超过50mmHg，l灌注总量和再次灌注的间隔时间、i用量基本同于顺灌。
3.顺行-逆行联合灌注11是近年发展起来的新技术，l成人、i小儿均适用。主要应用于主动脉瓣关闭不全及需在主动脉根部手术操作和手术时间较长的病例。首次多采用顺行灌注，l以后改为逆行灌注。其优点是可减少冠状动脉口插管，l灌注时不必中断手术，l缩短了心脏缺血时间。
无缺血和缺血再灌注过程的心脏、i心内直视手术的心肌保护无疑是最佳的心肌保护方法。由此，l发展起来的不停跳下冠状旁路手术、i体外循环下顺行或逆行冠状动脉灌注下的多种心内直视手术已广为应用。