Аппарат искусственного кровообращения ( АИК ) или аппарат искусственного кровообращения (АИК) , также называемый насосом или насосом АИК, — это аппарат, который временно берет на себя функцию сердца и легких во время операции на открытом сердце, поддерживая циркуляцию крови и кислорода по всему телу. [1] Таким образом, это экстракорпоральное устройство .
Аппарат искусственного кровообращения управляется перфузиологом . Аппарат механически перекачивает и насыщает кислородом кровь по всему телу пациента, минуя сердце и легкие, что позволяет хирургу работать в бескровном операционном поле.
CPB обычно используется при операциях или хирургических процедурах, связанных с сердцем. Эта техника позволяет хирургической бригаде насыщать и циркулировать кровь пациента, что позволяет хирургу безопасно оперировать сердце. Во многих операциях, таких как аортокоронарное шунтирование (CABG), сердце останавливается из-за степени сложности операции на бьющемся сердце.
Операции, требующие открытия камер сердца, например, восстановление или замена митрального клапана , требуют использования ИК. Это необходимо для того, чтобы избежать системного поглощения воздуха и обеспечить бескровное поле для улучшения видимости хирурга. Аппарат перекачивает кровь и, используя оксигенатор, позволяет эритроцитам поглощать кислород, а также позволяет снизить уровень углекислого газа. Это имитирует работу сердца и легких соответственно.
CPB может использоваться для индукции общей гипотермии тела , состояния, в котором тело может поддерживаться до 45 минут без перфузии (кровотока). Если при нормальной температуре тела остановить кровоток , через три-четыре минуты может произойти необратимое повреждение мозга — может наступить смерть. Аналогичным образом, CPB может использоваться для согревания людей, страдающих гипотермией . Этот метод согревания с использованием CPB успешен, если внутренняя температура пациента выше 16 °C.
Кровь охлаждается во время ИК и возвращается в организм. Охлажденная кровь замедляет базальный уровень метаболизма организма, снижая его потребность в кислороде. Охлажденная кровь обычно имеет более высокую вязкость, но различные кристаллоидные или коллоидные растворы, которые используются для заполнения обходной трубки, служат для разбавления крови. Поддержание соответствующего кровяного давления для органов является сложной задачей, но оно тщательно контролируется во время процедуры. Гипотермия также поддерживается (при необходимости), а температура тела обычно поддерживается на уровне 28–32 °C (82–90 °F).
Экстракорпоральная мембранная оксигенация (ЭКМО) — это упрощенная версия аппарата искусственного кровообращения , которая включает в себя центробежный насос и оксигенатор для временного выполнения функции сердца и/или легких. ЭКМО полезна для пациентов после операции на сердце с сердечной или легочной дисфункцией, пациентов с острой легочной недостаточностью, массивной тромбоэмболией легочной артерии , травмой легких из-за инфекций и рядом других проблем, которые нарушают сердечную или легочную функцию.
ЭКМО дает сердцу и/или легким время на восстановление и восстановление, но это лишь временное решение. Пациенты с терминальными состояниями, раком, тяжелым поражением нервной системы, неконтролируемым сепсисом и другими состояниями не могут быть кандидатами на ЭКМО.
Абсолютных противопоказаний к проведению сердечно-легочного шунтирования нет. [6] Однако есть несколько факторов, которые необходимо учитывать лечащей бригаде при планировании операции.
Гепарин-индуцированная тромбоцитопения и гепарин-индуцированная тромбоцитопения и тромбоз являются потенциально опасными для жизни состояниями, связанными с введением гепарина. В обоих этих состояниях образуются антитела против гепарина, что вызывает активацию тромбоцитов и образование тромбов . Поскольку гепарин обычно используется при ИК, пациентам, у которых, как известно, есть антитела, ответственные за гепарин-индуцированную тромбоцитопению и гепарин-индуцированную тромбоцитопению и тромбоз, требуются альтернативные формы антикоагуляции. Бивалирудин является наиболее изученной альтернативой гепарину у людей с гепарин-индуцированной тромбоцитопенией и гепарин-индуцированной тромбоцитопенией и тромбозом, требующими ИК. [7]
Небольшой процент пациентов, например, с дефицитом антитромбина III , может проявлять резистентность к гепарину. Таким пациентам может потребоваться дополнительный гепарин, свежезамороженная плазма или другие продукты крови, такие как рекомбинантный антитромбин III, для достижения адекватной антикоагуляции. [8]
Персистирующая левая верхняя полая вена — это вариация грудной системы, при которой левосторонняя полая вена не инволюционирует во время нормального развития. Это наиболее распространенная вариация грудной венозной системы, встречающаяся примерно у 0,3% населения. [9] Аномалия часто обнаруживается при предоперационных исследованиях визуализации, но может быть обнаружена и во время операции. Персистирующая левая верхняя полая вена может затруднить достижение надлежащего венозного дренажа или доставку ретроградной кардиоплегии . Лечение персистирующей левой верхней полой вены во время искусственного кровообращения зависит от таких факторов, как размер и место дренирования вариации полой вены. [10]
При использовании ИК всегда следует учитывать церебральную перфузию, мозговое кровообращение. Из-за природы ИК и его влияния на кровообращение нарушается собственная церебральная ауторегуляция организма . Возникновение и попытки предотвратить эту проблему рассматривались много раз, но до сих пор нет полного понимания. [11]
ИК не лишен риска, и существует ряд связанных с этим проблем. Как следствие, ИК используется только в течение нескольких часов, которые может занять операция на сердце. Известно, что ИК активирует каскад коагуляции и стимулирует воспалительные медиаторы, что приводит к гемолизу и коагулопатии. Эта проблема ухудшается по мере того, как белки комплемента накапливаются на мембранных оксигенаторах. [13] По этой причине большинство оксигенаторов поставляются с рекомендацией производителя, что они используются только в течение максимум шести часов, хотя иногда их используют до десяти часов, при этом необходимо следить за тем, чтобы они не сгустились и не перестали работать. Для более длительных периодов времени используется мембранный оксигенатор , который может работать до 31 дня — например, в тайваньском случае в течение 16 дней, после чего пациенту сделали пересадку сердца. [14]
Наиболее распространенным осложнением, связанным с КПБ, является реакция на протамин во время отмены антикоагуляции. [10] Существует три типа реакций на протамин, и каждый из них может вызвать опасную для жизни гипотензию (тип I), анафилаксию (тип II) или легочную гипертензию (тип III). [15] [13] Пациенты, ранее подвергавшиеся воздействию протамина, например, те, у кого была вазэктомия (протамин содержится в сперме) или диабетики (протамин содержится в нейтральных инсулиновых формулах протамина Хагедорна (НПХ), подвергаются повышенному риску реакций на протамин II типа из-за перекрестной чувствительности. [13] Поскольку протамин является быстродействующим препаратом, его обычно вводят медленно, чтобы можно было отслеживать возможные реакции. [12] Первым шагом в лечении реакции на протамин является немедленное прекращение инфузии протамина. Кортикостероиды используются при всех типах реакций на протамин. Хлорфенамин используется при реакциях II типа (анафилактических). При реакциях типа III гепарин вводят повторно, и пациенту может потребоваться повторное подключение к шунтированию. [13]
АКШ может способствовать немедленному снижению когнитивных способностей. Система кровообращения «сердце-легкие» и сама операция по соединению выбрасывают в кровоток различные отходы, включая кусочки клеток крови, трубки и бляшки. Например, когда хирурги зажимают и соединяют аорту с трубкой, образующиеся эмболы могут блокировать кровоток и вызывать мини-инсульты. Другими факторами операции на сердце, связанными с психическим повреждением, могут быть явления гипоксии, высокая или низкая температура тела, аномальное кровяное давление, нерегулярные сердечные ритмы и лихорадка после операции. [16]
Устройства кардиопульмонального шунтирования состоят из двух основных функциональных блоков: насоса и оксигенатора . Эти блоки удаляют обедненную кислородом кровь из тела пациента и заменяют ее обогащенной кислородом кровью через ряд трубок или шлангов. Кроме того, теплообменник используется для контроля температуры тела путем нагрева или охлаждения крови в контуре. Все компоненты контура покрыты изнутри гепарином или другим антикоагулянтом для предотвращения свертывания внутри контура. [10]
Компоненты схемы КПБ соединены между собой серией трубок, изготовленных из силиконовой резины или ПВХ . [17]
Во многих схемах ИК в настоящее время используется центробежный насос для поддержания и контроля потока крови во время ИК. Изменяя скорость вращения (RPM) головки насоса, поток крови создается центробежной силой . Этот тип действия насоса считается более эффективным, чем роликовый насос, поскольку он, как полагают, предотвращает избыточное давление, зажим или перегиб линий и наносит меньший ущерб продуктам крови ( гемолиз и т. д.). [18]
Консоль насоса обычно состоит из нескольких вращающихся насосов с электроприводом, которые перистальтически «массируют» трубку. Это действие мягко продвигает кровь через трубку. Это обычно называют роликовым насосом или перистальтическим насосом . Насосы более доступны по цене, чем их центробежные аналоги, но подвержены избыточному давлению, если линии зажаты или перекручены. [18] Они также с большей вероятностью могут вызвать массивную воздушную эмболию и требуют постоянного, пристального наблюдения со стороны перфузиолога. [10]
Оксигенатор предназначен для добавления кислорода к переливаемой крови и удаления части углекислого газа из венозной крови .
Поскольку гипотермия часто используется в ИК (для снижения метаболических потребностей), теплообменники используются для нагревания и охлаждения крови в контуре. Нагрев и охлаждение осуществляются путем пропускания линии через ванну с теплой или ледяной водой, а для линии кардиоплегии требуется отдельный теплообменник. [10]
Несколько канюль вшиваются в тело пациента в различных местах в зависимости от типа операции. Венозная канюля удаляет венозную кровь, обедненную кислородом, из тела пациента, а артериальная канюля вливает обогащенную кислородом кровь в артериальную систему. Основные факторы, определяющие выбор размера канюли, определяются размером и весом пациента , ожидаемой скоростью потока и размером сосуда , в который вводится канюля. [10] Кардиоплегическая канюля доставляет кардиоплегический раствор , чтобы заставить сердце остановиться.
Некоторые часто используемые места канюляции:
Кардиоплегия — это жидкий раствор, используемый для защиты сердца во время искусственного кровообращения. Он доставляется через канюлю в отверстие коронарных артерий (обычно через корень аорты) и/или в сердечные вены (через коронарный синус). [18] Эти методы доставки называются антеградными или ретроградными соответственно. Кардиоплегический раствор защищает сердце, останавливая или останавливая его работу. Это затем снижает метаболические потребности сердца. Существует несколько типов кардиоплегических растворов, но большинство из них работают путем ингибирования быстрых натриевых токов в сердце, что предотвращает проведение потенциала действия . Другие типы растворов действуют путем ингибирования действия кальция на миоциты . [19]
CPB требует значительной предусмотрительности перед операцией. В частности, канюляция, охлаждение и кардиозащитные стратегии должны быть скоординированы между хирургом , анестезиологом , перфузиологом и медсестринским персоналом . [18]
Стратегия канюляции варьируется в зависимости от нескольких деталей, специфичных для операции и пациента. Тем не менее, хирург поместит канюлю в правое предсердие, полую вену или бедренную вену, чтобы забрать кровь из организма. Канюля, используемая для возврата оксигенированной крови, обычно вставляется в восходящую аорту, но есть вероятность, что она будет вставлена в бедренную артерию, подмышечную артерию или плечеголовную артерию в соответствии с требованиями операции. [10] [20] После того, как канюля вставлена, венозная кровь отводится из организма с помощью канюли в резервуар. Затем эта кровь фильтруется, охлаждается или нагревается и насыщается кислородом, прежде чем она вернется в организм через механический насос.
Контур ИК должен быть заполнен жидкостью, а весь воздух должен быть удален из артериальной линии/канюли перед подключением к пациенту. Контур заполняется кристаллоидным раствором, а иногда также добавляются продукты крови. Перед канюляцией (обычно после вскрытия перикарда при использовании центральной канюляции) вводится гепарин или другой антикоагулянт до тех пор, пока активированное время свертывания не превысит 480 секунд. [12]
Место артериальной канюляции осматривается на предмет кальцификации или других заболеваний. Предоперационная визуализация или ультразвуковой зонд могут использоваться для выявления кальцификации аорты, которая потенциально может сместиться и вызвать окклюзию или инсульт . После того, как место канюляции будет признано безопасным, на дистальную часть восходящей аорты накладываются два концентрических ромбовидных кисетных шва. В пределах кисетных швов делается прокол скальпелем , и артериальная канюля проводится через разрез. Важно, чтобы канюля проходила перпендикулярно аорте, чтобы избежать расслоения аорты . [12] Кисетные швы стягиваются вокруг канюли с помощью жгута и закрепляются на канюле. [18] На этом этапе перфузиолог продвигает артериальную линию контура ИК, а хирург соединяет артериальную линию, идущую от пациента, с артериальной линией, идущей от аппарата ИК. Необходимо следить за тем, чтобы в контуре не было воздуха, когда они соединены, иначе у пациента может развиться воздушная эмболия . [19] [12] Другие места для артериальной канюляции включают подмышечную артерию , плечеголовную артерию или бедренную артерию .
Помимо различий в расположении, венозная канюляция выполняется аналогично артериальной канюляции. Поскольку кальцификация венозной системы встречается реже, проверка или использование ультразвука для кальцификации в местах канюляции не нужны. Кроме того, поскольку венозная система находится под гораздо меньшим давлением, чем артериальная система, для удержания канюли на месте требуется только один шов. [12] Если необходимо использовать только одну канюлю (двухэтапная канюляция), ее проводят через ушко правого предсердия , через трехстворчатый клапан и в нижнюю полую вену. [19] Если требуются две канюли (одноэтапная канюляция), первая обычно проводится через верхнюю полую вену, а вторая — через нижнюю полую вену. [19] У некоторых пациентов также может быть канюлирована бедренная вена .
Если для операции необходимо остановить сердце, также требуются кардиоплегические канюли. Антеградная кардиоплегия (прямой поток, через артерии сердца), ретроградная кардиоплегия (обратный поток, через вены сердца) или оба типа могут использоваться в зависимости от операции и предпочтений хирурга. Для антеградной кардиоплегии делается небольшой разрез в аорте проксимальнее места артериальной канюляции (между сердцем и местом артериальной канюляции), и через него вводится канюля для доставки кардиоплегии в коронарные артерии . Для ретроградной кардиоплегии делается разрез на задней (задней) поверхности сердца через правый желудочек . Канюля помещается в этот разрез, проводится через трехстворчатый клапан и в коронарный синус . [18] [19] Линии кардиоплегии подключаются к аппарату искусственного кровообращения.
На этом этапе пациент готов к шунтированию. Кровь из венозной канюли(ей) поступает в аппарат искусственного кровообращения под действием силы тяжести, где она насыщается кислородом и охлаждается (при необходимости), прежде чем вернуться в организм через артериальную канюлю. Теперь можно применить кардиоплегию, чтобы остановить сердце, а на аорту между артериальной канюлей и кардиоплегической канюлей накладывается поперечный зажим, чтобы предотвратить обратный ток артериальной крови в сердце. Важным моментом является установление соответствующих целевых показателей артериального давления для поддержания здоровья и функционирования органов, включая мозг и почки. [21]
Как только пациент готов отказаться от поддержки с помощью шунтирования, зажим и канюли снимаются, и вводится протамина сульфат для устранения антикоагулянтного действия гепарина.
Австрийско-немецкий физиолог Максимилиан фон Фрей сконструировал ранний прототип аппарата искусственного кровообращения в 1885 году. Это было сделано в Физиологическом институте Карла Людвига Лейпцигского университета . [22] Однако создание таких машин было невозможно до открытия гепарина в 1916 году, который предотвращает свертывание крови .
Советский ученый Сергей Брюхоненко в 1926 году разработал аппарат искусственного кровообращения для полной перфузии организма под названием « Автожектор» , который использовался в экспериментах на собаках, некоторые из которых были продемонстрированы в фильме 1940 года « Эксперименты по оживлению организмов» . Группа ученых из Бирмингемского университета (включая инженера-химика Эрика Чарльза) была среди пионеров этой технологии.
Четыре года велась работа по усовершенствованию машины, и 5 апреля 1951 года доктор Кларенс Деннис возглавил команду в Медицинском центре Университета Миннесоты , которая провела первую операцию на человеке, включающую открытую кардиотомию с временным механическим захватом функций сердца и легких. Пациент не выжил из-за неожиданного сложного врожденного порока сердца, но машина оказалась работоспособной. [23] [24] Одним из членов команды был доктор Рассел М. Нельсон (который позже стал президентом Церкви Иисуса Христа Святых последних дней ), и он провел первую операцию на открытом сердце в Юте в ноябре 1951 года, которая прошла успешно. [25]
Первая успешная механическая поддержка функции левого желудочка была выполнена 3 июля 1952 года Форестом Дьюи Додриллом с использованием машины, разработанной совместно с General Motors, Dodrill-GMR . Позже машина использовалась для поддержки функции правого желудочка. [26]
Первая успешная операция на открытом сердце человека с использованием аппарата искусственного кровообращения была проведена Джоном Гиббоном и Фрэнком Ф. Оллбриттеном-младшим 6 мая 1953 года в университетской больнице Томаса Джефферсона в Филадельфии . [27] Аппарат Гиббона был впоследствии доработан и стал надежным инструментом хирургической бригадой под руководством Джона У. Кирклина в клинике Майо в Рочестере, штат Миннесота, в середине 1950-х годов. [28]
Оксигенатор был впервые концептуализирован в 17 веке Робертом Гуком и разработан в практические экстракорпоральные оксигенаторы французскими и немецкими экспериментальными физиологами в 19 веке. Пузырьковые оксигенаторы не имеют промежуточного барьера между кровью и кислородом, они называются оксигенаторами «прямого контакта». Мембранные оксигенаторы вводят газопроницаемую мембрану между кровью и кислородом, что снижает травматичность крови оксигенаторов прямого контакта. Большая часть работы с 1960-х годов была сосредоточена на преодолении недостатка газообмена мембранного барьера, что привело к разработке высокопроизводительных микропористых полых волоконных оксигенаторов, которые в конечном итоге заменили оксигенаторы прямого контакта в кардиологических операционных. [29]
В 1983 году Кен Литци запатентовал закрытую систему экстренного шунтирования сердца, которая уменьшила сложность схемы и компонентов. [30] Это устройство улучшило выживаемость пациентов после остановки сердца, поскольку его можно было быстро развернуть в нехирургических условиях. [31]