takami

第九章搏动血体外循环

要点：

在体外循环技术应用于临床之前搏动血流对于维持正常生理功能的

重要性就早已被熟悉。

搏动血流可维持毛细血管开放，脉搏对细胞外液体互换及维持细胞

代谢起到重要作用。

滚压泵是最常常利用于搏动压力，但其压力曲线很少与生理性搏动

压力曲线相似。

关于搏动体外循环灌注对器官功能有利作用的文献报导，观点常彼

此冲突。但没有文献表明搏动血流时有害的。

搏动血流对于肾脏、肠道、脑益处最大，这在高危病人表现更明显。

未来通过泵和插管的改良，能够产生真正生理性的搏动压力，咱们

将真正阐明搏动血流的益处。

一、引言

1954年，Gibbon进行第一次体外循环心内手术，这一成绩是连年来相关工

程学、药理学及外科学进展的顶峰。1916年，Mclean发觉并提炼出肝素这种有

效的抗凝剂，离开诸如此类发觉，体外循环技术根本无法开展。其他技术功效如：

有效的氧合器、外科手术技术的进步和支持心脏手术循环的泵技术，均远远早于

体外循环的临床应用。这些技术进展使现今的体外循环成为一套应用安全、流程

完备的技术，但是，自首例体外循环手术以来许多争议一直持续。例如，动脉端

过滤器和低温对于搏动灌注是不是必要或呵护要求，这种问题今天仍然未有定

论。这些都是体外循环相关研究的核心，至今仍吸引众多研究者的关注。

二、搏动灌注的进展史

体外循环灌注血流应是搏动性仍是非搏动性的争辩，在体外循环技术进展的

最初期就被提出。在体外循环技术应用于临床之前搏动血流对于维持正常生理功

能的重要性就早已被熟悉19世纪后期，研究离体器官功能的生理学家，应用各

类创新性的手腕，试图模拟正常生理血流及压力转变。Bregman在本书的初期版

本（1991）中详尽的描述了这套由钟摆式撞锤、挤压板和凸轮驱动的泵装置组成

的灌注系统，这一设计的目的就是向灌注血流传递“脉搏”。应用这些灌注系统

进行的研究，使咱们专门好地了解到搏动血流对维持器官正常生理功能的作用。

Hamel(1889)以为，搏动血流是维持离体肾功能的关键。上世纪初期，Hooker(1910)

应用一套可部份模拟搏动血流的凸轮驱动泵，研究离体肾的肾血流与尿的生成。

他发觉，增加搏动压力转变幅度，可使肾血流及尿排量增加。

体外循环的临床应用为搏动血流的研究提供了独特的机缘：研究者有能力研

究适度控制的血流环境下病人的波动血流作用。基于这种考虑，设计出了许多可

提供搏动血流的泵系统以供临床利用。对造成过度溶血的担忧、设备工艺的复杂

性和不支持搏动血流的研究发觉（Wesoliwski，1950）阻碍了这一技术的进展和

临床应用，并使非搏动灌注主导了体外循环的临床应用。但尔后的搏动血流研究

仍未止步，而且借助了许多20世纪后期进展的技术。许多研究者在体外循环灌

注中采用球囊泵产生搏动血流。（Berger和Saini,1972;Pappas,1975;Biddle,1976）。但

一样由于担忧出现严峻溶血及设备工艺的复杂性，限制了这一技术的普遍应用。

上世纪70年代中期，德国Stocker公司制造了一种搏动血流的滚压泵，它具有临

床设备所需的所有特征：熟悉易用、简便、安全。这种搏动滚压泵的出现引发了

人们对搏动血流的新兴趣，深切的研究和技术的进展持续至今。

三、搏动灌注的泵系统

为临床体外循环设计了很多血泵，其中一些能够提供搏动血流。在本书的初

期版本，Bregman将这些泵分为两类：容积式泵和动力泵。容积式泵又分为滚压

泵和心室泵；动力泵分为离心泵和涡流泵。

一、容积式泵

1.1滚压泵：

滚压泵可能是临床医生最熟悉的，也是在其他医学领域（如肾透析），应用

最广的血泵。滚压泵应用简单的“挤奶”原理，通过挤压一段已知直径和长度的

管道来供血。（见图9.1）滚压泵有两个反向运动的泵头，以保证“正压”血流，

并可避免血液反流。在非搏动模式下，滚压泵匀速运转，输出持续血流，输出流

量和压力曲线上只有一个小波幅出现（图9.2），小波动来源于滚压泵头与泵管接

触与离开的进程。滚压泵能够通过泵头的快速加速和减速来提供搏动血流。初期

研究者就发觉通过调整滚压泵的这种工作方式，可产生适当的搏动。但是，由于

临床医生担忧滚压泵的这种搏动模式会致使难以同意的严峻溶血，这一技术的进

展受到了阻碍。上世纪70年代中期，位于德国Munich的Stocker公司将步进马

达技术由于临床血泵，再次引发了对于搏动血流滚压泵的兴趣。低重量、低惯性

的泵头使泵头的位置和速度可全程调控。这种供临床利用的新博动泵技术成熟，

易于操作。前期研究表明，备受担忧的严峻溶血并未出现（Taler等，1978）。

应用这种搏动泵进行灌注的病人的血压曲线具有所有生理血压曲线的特征：

波幅、频率和波长，但其曲线与生理曲线鲜有相似的地方。（如图9.2）这种可提

供搏动血流的血泵的主要优势在于，它具有常规滚压泵具有的一切长处：熟悉、

易于操控和安全。

图9.1？？？没有图

滚压泵头。滚压泵保证了体外循环的安全和有效。滚压泵以简单的“挤奶”

原理工作，安全高效。

图9.2？？？没有图

搏动灌注和非搏动灌注病人的动脉压波形。非搏动灌注压力曲线的小波动来

源于滚压泵头与泵管接触与离开的进程。

图9.3Hammersmith医院手术演示室里的Stocker搏动滚压泵。这种泵完全

改革了搏动灌注的方式，这一成绩主要归功于他的低惯性泵头和步进马达技术。

1.2心室泵：

心室泵又称往复泵，它以超级接近心脏自身工作的方式运转。它与心脏有一

路的工作原理，在射血期紧缩囊内或心室内的血液。当腔内压力达到峰值，泵开

始工作，单向活瓣打开，血液在跨瓣压差的作用下从出口活瓣射出。充盈期依赖

储血囊入口在射血期末的压力转变，囊内产生负压。这一负压来自于对撤除对液

囊的紧缩。（图9.4）这种泵复杂的特性，连同昂贵的费用，阻碍了它的临床应用。

其被动充盈系统单独依托输入口处的压力转变驱动，这决定它无法与目前临床应

用的体外循环系统兼容。这种泵极为难于在传统的体外循环回路中安置，它必需

置于回流室下方，以保证被动充盈，由于以上原因，被动充盈式心室泵只被用于

心室辅助装置，主如果利用其血流动力学长处。

主动充盈式心室泵为体外灌注提供更好的选择。在充盈期，液囊主动充盈，

这使泵在循环回路中的位置再也不受限。这种系统在临床研究中的表现超级成功

（Ealdenberger,1997;Mutch,1998）。但是其昂贵的价钱阻碍了其临床应用。这种心

室泵所必需的活瓣装置相当昂贵。虽然它能产生真正的搏动血流（图9.5），但因

其价钱，应用超级有限。

图9.4两种心室泵的模式图，主动充盈泵（A,B）被动充盈泵（C,D）在射

血期（A和C）二者工作原理相同。它们的区别在充盈期，（B和D）主动充盈

泵驱动轮与驱动杆仍维持偶联，驱动轮向射血期相反方向转动，将紧缩板主动

“拉”回原位。腔内即产生负压，随后充盈。而被动充盈泵，驱动轮与驱动杆分

离，依托入口端的峰压充盈。

图9.5应用心室泵灌注的病人动脉血压曲线，接近生理曲线。

图9.6典型的离心泵头，泵头可与驱动设备分离。能够看见泵头内的涡

轮和其底部的驱动磁铁。

1.3动力泵：

动力泵是一种负荷感受型泵，它通过涡轮旋转增加泵头入口处的血流速度来

提供灌注血流。（图9.6）许多因素影响动力泵的血流，包括压力、阻力和涡轮的

转速。动力泵是真正的非搏动泵，输出压力曲线毫无搏动血流特征，也没有滚压

泵那样的小波动。但是应用这一系统产生搏动血流的尝试取得了必然程度的成

功。为了产生搏动血流，动力泵需要快速加速，但这也可能会引发难以同意的严

峻溶血。但许多研究都未发觉这种令人担忧的情形发生。

（Takami,1996;Tayama,1997）但是，搏动离心泵的临床应用进展缓慢。许多搏动

离心泵的前期研究结果也不鼓励其应用。一些研究者发觉其很难产生接近生理状

态的搏动血流。一些前期研究则发觉这种泵没有搏动滚压泵灌注所具有的长处。

不过，最近的研究过量的是鼓舞性的结果。Orime等发觉新式的Jostra离心泵，

提供的搏动血流和搏动滚压泵一样可改善肝、肾微循环。

动力泵或离心泵正常工作条件下是真正的非搏动泵。但随着电机的革新和进

展，也能够提供必然程度的搏动血流，加上这一设备的内在安全性，增进了其在

搏动灌注领域的临床应用。（Ninpmiya等，1994）

四、搏动血流的生理效应

体外循环中搏动血流的作用，可被分为两方面：血流动力学和代谢作用。虽

然大多数证据支持搏动血流在体外循环中的应用，目前尚未证据反对它的应用，

但机体的血流是一个复杂的系统，目前还未全面了解，还存在很多争辩。

一、搏动血流的血液动力学效应

搏动血流的血液动力学效应最快被临床医生熟悉。一项研究表明，全身血管

阻力与血流模式有关，而行搏动灌注的病人更易维持生理水平的血管阻力。1980

年Taylor确认了这一效应，他的研究证明，非搏动灌注的病人常常发生进行性的

血管收缩，如不处置，可在术后对病人造成严峻危害。（图9.7）因此，对于这些

非搏动灌注病人，需要通过药物干与如此的血管收缩。他同时发觉，搏动灌注病

人无此类术后并发症，无需药物干与。虽然，通过药物调节这种血管收缩超级成

功，但显然通过搏动灌注预防其发生，较之药物医治，是更为满意和符合生理的

解决方式。

搏动血流维持这种血流动力学状态的机制是复杂的，仍未完全了解。许多因

素与非搏动血流所致的血管收缩有关，包括肾素-血管紧张素系统的激活，儿茶

酚胺、后叶加压素的释放，局部组织的缩血管神经。但是，要理解为何不同的血

流灌注模式会引发病人不同的生理效应，就必需追寻这两种组织供血方式的本质

区别。

图9.7两组病人的全身血管阻力（SVR），一组是搏动灌注组（△-△，n=50），

另一组是非搏动组（■-■，n=10）两组SVR在灌注中均上升，且维持至术后。

但非搏动灌注组SVR明显高于搏动组。两组数据存在显著不同，说明搏动组有

更适当的SVR.

二、搏动血流的微循环效应

Burton（1954）指出，当动脉血压在收缩后衰减时，微循环中血液继续流动，

直至毛细血管前动脉内压力达到临界关闭点时，毛细血管内血流停止。他进一步

证明了，搏动可延长毛细血管开放和血液流动。这一概念成为“搏动血流是最佳

血流模式”理论的基础，并可解释许多咱们已经熟悉到的搏动血流的长处。早在

1938年，McMaster就发觉血流无搏动时，淋巴回流减少。Ogata等（1060）证明

毛细血管的流量与直径与脉搏有关，而与总血流量和平均压无关。1960年，Takeda

证明一种毛细血管网的普遍萎缩与无搏动血流所致的毛细血管关闭和血流减少

有关。临床发觉的非搏动灌注所致的外周阻力增加，与毛细血管直径减小和毛细

血管的关闭有关。这表明搏动压力是搏动血流维持外周血管开放的关键因素。

Shepard等以为即便临界关闭压力的观点是正确的，搏动血流传递至组织的能量

对维持外周血管开放有重要作用。他们通过数理模型模拟，发此刻平均流量和压

力相同的情形下，搏动血流的能量是非搏动血流的2.4倍。Shepard等指出搏动血

流对维持毛细血管开放有重要作用；而脉搏本身也有助于细胞外液体互换和细胞

代谢的维持。Parsons和McMaster研究兔模型发觉，非搏动灌注可使离体兔耳水

肿，而搏动灌注不会发生。他们还发觉搏动灌注的兔耳对照染色清楚更快，这表

明搏动血流增强液体互换和廓清率。Prior等以为脉搏维持毛细血管水平液体互

换有重要作用，而平均压只对维持液体平衡有作用。毛细血管水平的脉搏压力结

构与平均血压，血液和组织间隙渗透压都是维持液体平衡和细胞水平营养物质互

换的重要因素。这些理论大体符合Starling原理，只是Starling为熟悉到脉搏的重

要作用。搏动血流对于维持正常生理功能的重要性可能主要因其微循环效应。愈

来愈多的实验和临床研究支持这一理论。

3、搏动灌注的代谢效应

搏动对于代谢的重要作用是几十年来的研究核心，一些有价值的文献陆续发

表。通过各主要器官系统功能和结构的深切研究，科学家在大多数重要器官系统

的研究中证明了搏动对于代谢的重要作用。

4、博动灌注与肾脏

搏动血流对肾功能的影响在体外循环临床应用之前很早就是研究热点。1889

年Hamel通过对离体肾的研究，发觉了搏动对肾功能有重要影响。1913年Gell

在高作中假设，搏动血流对肾功能的改善作用是其增加毛细血管水平气体互换和

淋巴回流增加的结果。1940年Kohlstaedt和Page等cretion以为脉搏本身就与

肾功能的维持有关，他们用无搏动血流灌注离体肾时发觉，肾素分泌增加，尿生

成减少。这些初期发觉是后期相关理论的基础。Many等进行的类似研究也支持

这些结论，他们确信无搏动灌注动物的肾素水平升高，并引发显著的全身性水电

解质失衡。

1978年Mavroudis在一篇综述中指出对于搏动血流重要性的争辩。

Seljurt(1951),Ritter(1952),Goodyer和Glenn(1951),Oelert和Eufe（1974）都发此刻提

供维持生理需要的平均血压时，搏动血流对离体肾功能没有影响。有可能是模拟

方式的不同致使了这种相反的结果。大量应用各类体外灌注方式进行的研究支持

初期的结论，即搏动血流对维持离体肾功能有必然作用。

Fintersbuch（1961）和Nakayama（1963）别离报导，体外循环动物模型中，

搏动灌注条件下肾静脉回流取得保护，而非搏动灌注条件下肾动脉结构受到破

坏。应用相似的模型，Barger和Herd（1966）发觉随着肾内血流转变，致使钠排

泄减少。1974年Boucher等的研究进一步证明了搏动血流对于维持生理性肾血流

的作用，他们在体外循环中加入放射性标记的微粒，研究显示搏动灌注条件下肾

血流得以维持。1988年Mori等发觉，在低温停循环后，搏动灌注的犬比非搏动

灌注犬肾血流量更大，肾功能恢复更快更完全。1989年Nakamural等应用类似的

体外循环犬模型，研究发觉搏动灌注犬的乳酸排泄和生成尿量明显大于非搏动灌

注。1982年Taylor发觉心内手术病人选用搏动灌注，可使尿量增加和血浆血管

紧张素Ⅱ水平下降。Landymore发觉非搏动灌注病人血浆肾素水平较高，而搏动

灌注病人尿量增加。这些成人心脏手术中的发觉也反映在儿科手术中。1979年

Wiliams在婴儿手术中发觉，应用搏动灌注的患儿尿量是非搏动灌注的两倍。

与动物实验和体外实验一样，并非所有的临床研究结果都支持搏动灌注。许

多研究偏向于以为搏动和非搏动血流对肾功能的影响并无真正区别。Badner发觉

血流模式对肾功能鲜有影响，Louagie等认定搏动血流与体外循环病人尿量减少

和肌酐清除率下降有关。出现这些矛盾的结果和一些多变的因素有关，包括搏动

的组成方式和麻醉方式。麻醉对病人的血液动力学效应是多变的，加上不同类型

的血泵输出的搏动血流曲线也是各不相同，这些可能就是产生这些矛盾结果的原

因。只要没有统一的理想搏动灌注方式和麻醉方式，这些关于搏动血流的争辩就

会继续。

虽然搏动血流的应用和它在体外循环中的效应还存在争议。但在高危病人应

用中，搏动灌注的效果令人乐观。Matsuda等发觉术前肾功能不全的病人更易从

搏动灌注中受益，研究证明这种病人中只有搏动灌注组的肾功能得以维持。

五、搏动血流与脑

虽然具有内在保护性的自身调节机制，脑在体外循环进程中仍是易于受到损

伤。在体外循环中很多因素都对大脑有影响，包括温度、血压、血液粘度和血氧

和二氧化碳分压。1969年Hill就描叙了体外循环下心内直视手术所致的脑组织显

著的神经病理学表现，包括局部脑病变的组织学依据。其后的许多研究也证明了

初期的发觉，同时也发觉这些损害能够通过搏动灌注来预防。通过类似的犬模型

的研究，Sanderson（1972）和Taylor（1980）证明散在脑损害与非搏动灌注有关，

而搏动灌注不会引发这种损害；搏动灌注组脑脊液中的肌酸激酶BB同工酶（CK

BB）水平显著降低，提示脑损害显著减少。

研究还发觉血流模式对脑在心脏手术中的生理反映有影响。通过一系列研

究，Taylor证明搏动灌注和非搏动灌注组的下丘脑-垂体轴受手术应激激活的程度

明显不同。这些研究表明无搏动组丘脑对甲状腺释放激素（TRH）的反映受到阻

碍。无搏动组ACTH与皮质醇的分泌减少。Philibin也已证明，血管加压素在无

搏动组有类似表现。所有这些发觉表明不同的灌注方式，脑组织的生理反射也不

同，而搏动灌注下更接近生理模式。

除可维持大脑的功能活性，搏动血流还可避免常出现于非搏动灌注初期的大

脑酸中毒。这可能是由于搏动灌注保证了脑组织的循环流量，dePaepe和Simpson

发觉非搏动灌注分散了大脑的局部血供。Kono等证明，搏动组和非搏动组病人

的大脑血管阻力相差25%。另一些研究关注大脑的氧消耗，并证明搏动组大脑的

代谢增加。

这些支持搏动灌注改善大脑功能与代谢的实验证据，并非未受挑战。许多研

究者以为搏动和非搏动对大脑的影响没有区别。Hindman在对兔模型中的大脑血

流与氧耗的研究中发觉，这两项参数在搏动组和非搏动组中没有不同。但这些结

果可能只能反映研究中模拟的搏动血流的特性，而非搏动血流本质的特性。

六、搏动血流与肝脏及胰腺

肝脏和胰腺的血流受阻是有明确文献记载的体外循环并发症。初期研究指出

体外循环中胰腺功能被激发，血浆淀粉酶水平升高与非搏动灌注有关。Feiner发

觉非搏动灌注体外循环下心脏手术病人有16%出现胰腺缺血。Saggau通过监测胰

岛素、血糖、高血糖素和生长激素水平，发觉搏动灌注使胰腺功能在灌注中维持

正常功能。1982,Murray证明搏动灌注可改善病人胰腺功能，减少淀粉酶升高的

发生。Mori常温和低温灌注中，只有搏动灌注组犬的胰腺功能维持正常。

搏动和非搏动灌注对肝功能影响的研究与胰腺的研究有类似的结论。Papper

选取血浆谷草转氨酶（sGOT）作为肝脏受损的标志物，发觉搏动血流有利于保

护肝功能。Mathie等发觉搏动血流可维持狗在体外循环中的肝血流和肝功能。。

Mathie证明非搏动灌注可引发肝脏血管收缩，血流减少，氧消耗减少。较之非搏

动灌注，搏动灌注可使肝、胰血流更接近生理状态。这有助于维持这些组织的正

常功能与结构。

7、搏动血流与肠道

腹部并发症是体外循环手术的一种重要死亡原因。一项对500例心内手术的

研究表面，1.8%的病人出现了各类腹部并发症。这组病人的死亡率高达44%，充

分说明这种并发症的严峻程度。通过对5924例病人回溯性分析，Baue发觉胃肠

道并发症是影响体外循环并发症发病率和死亡率的重要因素；并指出这种并发症

是由于非搏动灌注致使的肠系膜血流灌注不足。许多研究将肠系膜的灌注不足与

肠道缺血。内毒素血症联系起来。体外循环的患儿的内毒素血症是一段时刻的研

究核心。Anderson证明患儿的内毒素高水平与肠系膜灌注不足所致的肠道通透性

增高有关。他在早前的研究已证明，内毒素血症与术后感染无关。Riddington等

发觉42%的非搏动灌注病人出现肠粘膜缺血、肠壁通透性增加和内毒素水平增

高。这些研究进一步发觉，肠道PH水平只到非搏动灌注结束，心脏复跳才回到

正常水平。尔后，Hamulu也描述了这种类似的效应。

Fiddian-Green提出搏动血流可使肠道血流改善，减少粘膜的缺血，并增加氧

供。他进一步指出术前灌肠及应用抗生素可减少内毒素血症的发生。Reilly推断

搏动灌注引发肾素-血管紧张素系统的激活，致使肠道的灌注不足和缺血，并引

发肠壁通透性增加。Taylor指出搏动灌注时肾素-血管紧张素活性低，更易维持接

近生理状态的循环结构和流量，是其肠道并发症发病率低的重要原因。

八、组织氧消耗

许多研究者和临床工作者都将组织氧耗量作为判断组织灌注是不是充沛的

一项指标，也是搏动和非搏动灌注对照的一项重要参数。Shepard和Kirklin等1969

年报导非搏动灌注族的小牛组织氧耗量下降，而搏动灌注组维持不变。代谢性酸

中毒与氧耗量低有关，研究者发觉搏动灌注可增加组织氧耗，预防代谢性酸中毒。

Boucher研究证明，当搏动灌注流量超过200ml/kg时，搏动灌注的以上长处则不

存在了，但这种流速远超正常临床所需。

Shepard（1966）提出了三项机制来解释搏动和非搏动灌注下组织氧耗量出现

不同的原因：

1.脉搏可冲破细胞周围的边界层，加速扩散

2.脉搏可克服毛细血管的临界关闭压力

3.搏动血流增加组织间液和淋巴液的回流

Prior最近的研究也证明了这些推论。

组织氧耗量是判读灌注是不是充分的良好标准。由于初期对缺氧和组织酸中

毒的熟悉，使医生采取降低核心温度的方式减少体外循环病人的代谢需求。但即

便采取降温技术，搏动灌注病人的组织氧耗仍很高。，这表明组织灌注改善。现

代的氧合设备知足搏动灌注病人的氧需求并非困难。而非搏动灌注病人复温时，

由于局部缺血，可发生再灌损伤。搏动血流通过维持血管的正常生理结构，成为

一种简便有效的医治手腕。

五、限制搏动血流有效传输的因素

搏动泵是一种利用液压输送血流的高效设备。但是，它在临床应用的效劳被

一些非本质因素所制约。在常规体外循环中血泵都离主动脉较远。但理想状态下，

搏动泵应该靠近主动脉，就像自身心脏和主动脉那样靠近。但不幸的是，这是不

现实的，血泵和主动脉之间有专门大距离，这之间有膜式氧合器、动脉端过滤器

和一段有弹性的管道。管道的活动与弹性，氧合器的膜表面都将吸收能量，使搏

动生成器的效率下降。研究发觉体外循环回路上许多部份都会吸收能量。而最大

的限制因素是动脉插管。动脉插管的直径常常小于4-5mm，而与其连接的动脉管

道直径是8-10mm。这一直径的突然下降，显著影响脉搏传入主动脉。一些研究

者证明大口径的动脉插管可使接近生理的波动传入主动脉，但这种大口径插管增

加了本已很复杂的手术的风险性，是难于同意的。

图9.9包括膜肺在内的循环回路对搏动液压的影响。膜肺明显使搏动泵传出

的能量降低。

六、搏动灌注的未来

搏动灌注的进展被上世纪的科技进展所推动。采用“步进马达”技术的搏动

滚压泵是一种被临床所同意的搏动血流系统。通过对泵设计的深切研究，新一代

搏动泵能够提供加倍接近生理的搏动血流。但是本章所提到的限制其进展的因素

仍然存在。最近的体外循环临床技术的进展为搏动灌注带来了希望。虽然最近有

了一些新的技术进展，诸如循环回路的最小使血泵离病人加倍接近，真空静脉吸

引器的辅助，搏动泵配套设备加倍优化，但最重要的制约因素，动脉插管仍然是

未被克服的阻碍搏动血流传输的障碍。若是动脉插管方式能够取得改良，在不久

的未来真正生理性的搏动血流灌注将成为现实。