第一章体外循环的历史

第一章 体外循环简史

引言

体外循环的历史从某种意义上可以说是心脏外科手术的历史。从人类不断的探索、发现，到外科手术频繁的医疗事故的发生以及所有与之相关的工作人员为之付出的辛劳汗水，这些都是心脏外科进展的镜子。最初的心脏缝合被视作危险、凶暴甚至是亵渎神灵的行为，在今天已经成为了常规的方法。无疑这些领域的先驱们的勇气和决定更促进了体外循环的发展。

关于心肺分流术的历史和心脏外科的发展的介绍已经有很多，推荐对此感兴趣的读者应该了解心脏外科的“界标”。本书后续章节将会详细的介绍心肺分流术的历史背景及该领域的细节问题。因此，本章节将简单的介绍一些在心肺分流术发展中具有里程碑式意义的主要资料。

一、第一台体外循环机

John Heysham 和Gibbon（1903-1973）很好的定义了心肺分流术的定义。Gibbon教授出身于医生世家，在哈佛医学院跟随Churchill教授工作。1930年，一例行胆囊切除术后的女患者发生了肺血栓栓塞并发症。Churchill教授对其实施了肺栓塞摘除术，但在当时的美国还没有行肺栓塞摘除术后存活的报道。Gibbon教授负责该病人的后续治疗，也由此萌生了心肺分流术的念头。

在漫长的夜里，Gibbon教授无助的看着与病魔斗争的病人的血液逐渐变暗且血管逐渐扩张，Gibbon教授想到能否将病人的血液移走使其与氧混合并将二氧化碳排出，然后再将富含氧的红色血液回输到患者的动脉，以此来挽救患者的生命。设想能否绕过栓塞的血管在体外建立一个旁路来执行部分的心肺功能。为了实现这个目的，接下来的20年，Gibbon教授与其妻子一起开始潜心设计机械性泵氧器。1949年IBM实验室设计了第一代心肺分流机，这种心肺机应用到小狗的心肺旁路仅有10%的死亡率，1951年开发了临床心肺机。1953年，历史上首次借助心肺分流术成功的缝合了房间隔缺损。

然而，这一历史性的时刻很快因为Gibbon教授后续治疗的四例病人的死亡而停顿。他开始重新审视这项技术并对自己的手术能力产生怀疑，由此暂停了这个项目。Kirklin教授使用改进的二代心肺机对8例心内缺陷的患者进行治疗，

发现仅仅有4人因体外循环并发症导致死亡。这些研究进一步推动了心肺分流技术的发展。

二、氧合作用

氧合器的发展历史见图1.1。关于血液的氧合的方法已经研究了多年，早期的研究直接将氧气注射入血流，同时也尝试了许多其它的方法，但都以失败告终。这些早期的研究单纯注意了人工氧合作用而忽视了对二氧化碳的移除作用。

1、肺

1956年，Campbell 报道使用狗肺成功的对人施行了心脏外科手术。（Campbell et al., 1956）1954年，Mustard及其合作者报道了将猴肺用于人心脏手术的氧合作用。这些看似已经很成功的研究，但却极其复杂以至于不久便被放弃（(Mustard et al., 1954; Mustard ，Thomson, 1957）。1958年，Drew使用了病人自身肺与左右心旁路及深低温相结合的方法（Drew and Anderson, 1959），这一技术延长了手术修补的有效时间且考虑了复杂的不利因素（Westaby and Bosher，1957）。

2、交叉循环

Andreasen 和Watson 在英国的Kent州进行了犬类研究并在1952年发表了研究结果。如果上腔静脉进入到心脏被套结于腔静脉-心房交接点，没有狗会超过10分钟还不死亡。如果套结于远端的不成对的静脉，静脉就会流入到右心房，Lillehei报道首次成功的实现了适当的血流灌注脑，使其不受损伤达40分钟。这些发现挑战了一个现有的重要观念：与正常心输出量相当的灌注流量对保护重要器官免受损伤是必要的，并说明了事实上只需要8-9%的流量就足够了。（Andreasen and Watson，1952）

明尼苏达大学的Lillehei教授认识到这些心外科手术相关的发现意义重大（Lillehei，2000）。经过一系列的实验研究后（Cohen and Lillehei, 1954），他报道了“可控式交叉循环”的技术。如其名字，这个技术将成人的循环与儿童的相连接，成人在这里起“充氧器”的作用。“可控式”意指可以通过一个泵控制进出供着及病人的血流量。

这是一个大胆而创新的设想。理论上会有200%的死亡率，但实际上，在45例手术中没有发生供着死亡，45例病人中，有28例存活且顺利出院，有的甚至

存活30年（Lillehei et al., 1986）。可控式的交叉循环在应用中存在一定缺陷，不能完全满足循环要求。与此同时，在Lillihei发展新的充氧泵之前，也出现了许多常规体外循环形式。

3、鼓泡式氧合器

简单的将气体氧与血液混合可能因为空气栓塞而导致灾难性的结果。Clark及其同事在1950年取得了重大突破，他们开始使用Dow Corning 公司生产的DC 消泡净包被的小玻璃珠或小杆（Clark et al., 1950）。这一概念进一步被Lillehei和DeWall所发展，他们使用螺旋状含有螺旋系统的沉降管很大程度的消除了气泡。最初的模型是经过消毒和重复使用的，之后产生了一次性的鼓泡式氧合器。在常规的氧合器使用之前，Lillehei和DeWall的鼓泡式氧合器于1955年5月13日第一次用于一个患有室间隔缺损、肺动脉高压的三岁儿童。

鼓泡式氧合器随后被改进用于成人患者。Rygg-Kyvsgaard将鼓泡室与沉降室以一个储水器连接在一起置于一个塑料袋中。用聚乙烯制作成的海绵涂上祛泡剂进行祛泡。这个装置由丹麦制造，可以达到3L/min的流量。Gott和同事发明了一种独立组合成的塑料薄膜氧合器，进一步改进了Lillehei和DeWall的发明，这种改进意味着鼓泡式氧合器可作为无菌密闭的单独物品提供。这个进步对心脏外科学的发展中具有重要意义（Gott et al., 1957a,b）。

Naef于1990年写到：Lillehei和DeWall发明的具有螺旋式储水器的鼓泡式氧合器，1955年5月13日首次用于临床，征服了世界，也帮助手术者以从容的、精确的方式完成心内畸形的手术。通往开放式心脏手术的大门已经打开。

DeWall进一步发展了鼓泡式氧合器并将一次性的观念和无菌树脂等引进了氧合器和热交换器。随着更好的技术的出现，以及在可控式环境下的安全操作，外科医生初次意识到先天性或后天性心脏病复杂的病理解剖，并且按现在的方式引导外科技术的发展。

4、薄膜式氧合器

Gibbon通过一个快速旋转的垂直圆筒发明了薄膜式氧合器。薄膜的本质是血覆盖于金属片上形成的一层薄膜，氧合作用就在此发生。第一代模型中没有储水槽。将95%的氧气和5%的二氧化碳混合以5L/min的速度流动。氧合器的静脉、动脉端具有滚压泵，血液通过管道进行传输，管道浸入在水浴中保持恒温。

最初的模型的流量可以达到500ml/min（Gibbon，1937）。后来，又引入了电网用来产生紊流的血气界面从而改进氧合作用（Gibbon，1954）。这一设计后来被Mayo诊所进一步改进，在透明树脂上面包被了14根电线。血液通过一系列0.6微米孔径的孔沿着网格流动。氧气流量为10L，二氧化碳的流量随着血液的pH值而变动（Kirklin et al，1955）。但是与DeWall-Lillehei发明的鼓泡式氧合器相比，Mayo诊所的薄膜氧合器虽然有所提高，但其为手工制造且价格昂贵，不便于操作和维护。

Kay and Cross于克利夫兰发明了转盘式薄膜氧合器。尽管这种设备具有商业价值，但是在使用上还存在许多缺陷，包括：预充量大、难于清洗和消毒。（Cross et al., 1956; Kay et al., 1956）

5、膜式氧合器

1944年，Kolff发明了赛璐玢膜装置作为人工肾进行透析。他进一步尝试将其作为膜氧合器，但发现无效（Kolff and Berk, 1944; Kolff and Balzer, 1955）。1957年，Clowes和Neville发明了一种四氟乙烯薄膜充氧器。膜面积为25平米，但是这种氧合器存在消毒和装配的问题（Clowes and Neville，1957）。当硅酮因为其对氧气和二氧化碳都具有很好的渗透性而被用作氧合器的膜时，Bramson及其同事报道了一种新的一次性的具有热交换器的氧合器（Bramson et al.,1965）。这个模型具有14个单元，每一个单元都含有供气体扩散的硅橡胶膜。Bodell等人用管状毛细血管膜代替薄膜，这种观念导致了中空纤维模式氧合器。

三、泵血作用

体外循环装置的关键成分组件是有效的无创伤性的机械泵。在滚压泵广泛应用之前产生了很多种泵装置。1928年Dale与Schuster发明了一种具有瓣膜的进气口和出气口，但是这种单一的泵不能产生足够的流量，因此，Jongbloed使用6个这种类型的泵去实现心肺分流。在明尼苏达，Lillehei研究组使用了马达泵。

1934年，DeBakey改良了一种可以快速输血的Porter-Bradley滚压泵。这种泵适用于体外循环，并且很快成为临床灌注的主要类型的泵。

四、血液稀释

体外循环存在两个主要的问题，一个是“灌注后综合症”，另一个是“同种血液综合症”。早期，氧合器和循环环路都经过供着血液预处理。Zuhdi用5%葡萄

糖预处理体外循环装置建立了血稀释的概念。DeWall 和 Lillehei随后证实了体外循环中血稀释的好处(DeWall and Lillehei, 1962; DeWall et al., 1962; Lillehei, 1962) 。尽管有大量的文献报道，但即使是在今天，对血液的稀释仍存在争论。

五、低温疗法

从历史上看，我们很清楚的知道应用于心脏外科手术的低温疗法要早于体外循环的兴起。William Bigelow 在他早期治疗冻疮的基础之上，运用狗作为实验动物模型，对低温引起的生理性影响做了详细的研究(Bigelow et al., 1950)。.他指出了低温疗法在心脏外科手术中使用的可能性：

低温作为类似麻醉的效果可以在很多方面扩大手术的范围。体温和组织需氧量的下降可以永久的排除某些循环器官的临床手术禁忌症。这项技术使得外科医生有可能可以对缺血性心脏进行外科手术而不需要借助外界的辅助泵，也有可能实行器官的移植。

1952年9月2日，John Lewis教授及其团队在阻塞进气和适度全身低温的条件下对一个5岁女孩施行了房间隔缺损的关闭手术。在低温和体外循环广泛应用于临床之前，Gollan致力于低温和体外循环的联合治疗研究（Gollan et al，1955）。美国的Sealy教授将体外循环和低温首次应用于房间隔缺损闭合术，这个手术持续了7小时15分钟。到1958年，Sealy报道了通过联合技术进行了49例手术（Sealy et al,1958）。如前所述，Drew将体温降到12-15度且提出了心脏手术中的循环停止的概念（Drew and Anderson,1959）。

六、肝素

不使用肝素的体外循环的行为几乎是不可想象的。肝素的发现是一个非常有趣的故事（Jaques, 1978)，在药物历史上被称作一个“奇遇发现”的经典例子。1754年，Horace Well创造了这个词，“塞伦迪普的三王子”它是nate发现的标题（简称GED, 2002)。1916年 W. H. Howell 和医学生McLean 在研究乙醚的促凝血性质时，偶然发现了一种磷脂促凝剂。若干年后，一种水溶性的粘多糖经Howell 鉴定，被证明就是肝素(McLean, 1959) ，即使到了今天，除了极少数情况，即因为真正的过敏或肝素诱导的血小板减少症不能使用，肝素和体外循环是不可分割的。

七、小结

体外循环的历史是一个真实的令人神往的故事。毅力，智慧和技巧的结合，才使早期的先驱们创造了正如我们今天所看到的体外循环艺术。大量的先天和后天性的心脏疾病通过体外循环的帮助行外科治疗。随着科技的进步，体外循环不断得到发展。例如肝素涂层管道、最小的系统性炎症反应，经皮使用的氧合器和心室辅助设备，这些超出想象的东西，都会实现，并且会成为历史。

体外循环发展早期的关键事件：

1916年：MclLean发现了肝素

1930年：Gibbon诞生了体外循环的设想

1934年：Debakey提出了体外循环滚压泵的概念

1950年：Bigelow建立了开放式心脏手术的深低温

1953年：Gibbon首次成功的使用了体外循环技术

1954年：Lillehei使用了可控式的交叉循环