成人静脉-动脉体外膜肺氧合期间双循环的术语和生理学

摘要

随着体外膜肺氧合（ECMO）的使用增加，人们越来越意识到，目前缺乏足够的术语来描述在静脉-动脉VA-ECMO 支持期间可能出现的双循环（自身和体外）。描述这种生理现象的术语传统上不精确且往往不准确。澄清这些术语很重要，因为这会影响对 ECMO 和患者数据的解读，不仅影响临床决策，还会影响未来的研究重点。此外，虽然上半身局部低氧血症的概念早已被认可，但许多医生并未意识到二氧化碳也受到双循环的影响。管理自身和体外循环区域内的二氧化碳含量至关重要。在这篇叙述性综述中，我们延续了《马斯特里赫特条约》立场文件的基础工作，描述了VA-ECMO过程中双循环的生理学、术语以及对临床管理方面的影响。本文中的术语建议得到了体外生命支持组织（ELSO）的认可。

患有严重心肺衰竭的患者可能会使用一系列机械循环支持设备进行支持，包括VA-ECMO。在VA-ECMO期间，血液从中心静脉引流，通过膜肺（ML）进行气体交换，然后在正压作用下回输到动脉系统。外周VA-ECMO的回流插管被置于胸腔或腹腔外的大动脉，例如股动脉、锁骨下动脉、腋动脉或颈动脉。中心VA-ECMO需要开胸或开腹手术，其中回流插管被置入胸腔内的主动脉或头颈部动脉。

ECMO回路中的血流可以顺行流动（沿着心脏射血的方向）或逆行流动（与心脏射血的血流方向相反）。

在外周VA-ECMO中，大部分血流通过置管动脉逆行进入主动脉，与左心室向前射出的血流方向相反。这些相反的血流被称为竞争性血流。竞争性血流在主动脉中相遇的位置被称为混合点，该点的位置在很大程度上取决于ECMO泵及左心室产生的相对压力和血流大小，以及动脉回流插管的位置（图 1）。虽然心脏和 ECMO 泵的压力和血流都会影响混合点，但为了简便起见，我们将使用“血流”这一术语。

在大多数类型的中心VA-ECMO中，大部分血流是顺向的，逆向血流极少且只限于回流管道与主动脉瓣之间的那段主动脉。回流程度取决于左心室是否射血（主动脉瓣持续关闭）。由于主动脉的这一近端部分为冠状动脉供血，所以如果左心室射出的血液来自病变肺部的去氧血，这在临床上可能具有重要意义。在混合点两侧的血液中，近端氧气和二氧化碳的含量主要由自身肺供氧的自身血流（称为自身肺区）决定，而远端的则由膜肺供氧的体外血流（称为膜肺区）（图2）。两个区域（混合点近端和远端）由不同的血流来源供血，并且基于独立的气体交换来源具有不同的氧气和二氧化碳含量，这一现象被称为双循环。除了在无自身心脏血流输出且逆行ECMO血流径直流向持续关闭的主动脉瓣的情况下，双循环在VA-ECMO中始终存在。

由于VA-ECMO期间的逆向血流导致双循环的存在，可能会导致主动脉及其相应动脉分支不同部位的氧气和二氧化碳含量出现差异。如果自身肺区和膜肺区的气体交换正常，那么两个区域的氧气含量都将正常或较高。然而，当自身肺区和膜肺区的气体交换异常时，相应的区域可能会出现低氧血症。这种身体不同区域氧气含量不同的现象有多个术语，包括“小丑综合征”、“南北综合征”、“差异性低氧血症”（differential hypoxemia）和“混合云”（mixing cloud）。然而，这些术语并不精确，可能会造成混淆，因此应该被摒弃。“小丑综合征”一词已经被用于描述一种自主神经系统疾病，并不能准确传达关于生理紊乱的信息。“南北综合征”一词虽然可能更具描述性，但它会错误地暗示身体上下部之间有均匀的划分，而混合点可能出现在主动脉内的任何位置，包括左锁骨下动脉近端。“差异性低氧血症”一词给人的感觉是混合点的两侧都存在低氧血症，只是在程度上有所不同。虽然主动脉近端分支的血液由于自身肺交换功能障碍可能导致低氧血症（提高心输出量可能会加重），但是由膜肺供氧的主动脉远端的血液氧气含量是正常甚至是升高的（除非膜肺出现了故障）。仍需要一个术语来描述每个区域中氧气含量的不同，即使只是轻微的不同。“混合云”一词来源于“血液云”这一概念，并不能准确描述生理情况。重要的是，这些术语都没有描述混合点两侧可能出现的二氧化碳含量的差异。此外，“去碳酸基”（decarboxylation）一词在ECMO文献中被不准确地用于描述二氧化碳的清除。该术语指的是从分子中去除羧基的化学反应。同样，“通气”（ventilation）是一个局限于自身肺的生理过程。

我们提议，用“差异性氧合”（differential oxygenation）来指代不同的氧含量。用“差异性二氧化碳”（differential carbon dioxide）来指代不同的二氧化碳含量，以描述双循环所产生的氧气和二氧化碳含量的区域性差异。我们建议用“二氧化清除”（CO2 removal）来代替“去碳酸基”（decarboxylation），作为描述膜肺清除血液中的二氧化碳过程的首选术语。虽然自身肺也去除二氧化碳（CO2），但将这些术语分开——自身肺使用“通气”（ventilation），膜肺使用“二氧化碳清除”（CO2 removal）——有助于清楚地讨论不同区域的气体交换过程。此外，虽然FiO2用于描述自身肺通气中的吸入（inspiration）氧浓度，但 FdO2 应作为首选术语来表示输送（delivery）到膜肺的氧浓度——这既是因为膜肺中的氧气并非“吸入”，也是因为一个术语用于描述两种不同的气体来源可能导致医疗差错。FsO2是之前推荐但非首选的另一个术语，因为它已经用于指代游离二氧化硫。

由于混合点的位置取决于自身心脏和ECMO回路产生的竞争性血流的相对大小（图1），因此，任一泵的血液流量变化都会影响混合点在主动脉内的位置，进而影响每个循环供应的身体区域。如果左心室的血液流量非常低，由于通过股动脉输送的ECMO血流是逆行的，那么混合点很可能出现在主动脉的近端，进而全身血流由ECMO回路提供（图1a）。假设ECMO血流量不变，随着左心室的自身血流量增加，混合点在主动脉内向远端移动（图1b）。多项研究通过临床影像学和流体动力学直观地展示了这一混合点。重要的是，混合点的位置并不是静态的，而是会在ECMO运行过程中动态变化。

相比于股动脉回输造成的逆向血流，通过腋动脉、锁骨下动脉或头臂动脉的回输更常导致靠近主动脉近端的混合点。左心室血流减少会导致混合点更靠近主动脉瓣，而左心室血流增加则会使混合点更靠近回输管道。

在心脏收缩力非常差或无收缩力，或/和与非常高的ECMO流量的情况下，主动脉内不会有混合点，这会导致主动脉瓣持续关闭。这是VA-ECMO的常见的并发症，导致血流呈平流状态，持续的主动脉瓣关闭，左心室和左心房扩张，逆向肺静脉血流，以及肺毛细血管压和肺水肿的增加，最终可能导致心肺血栓形成。这种左心室非射血和双循环缺失的病理状态必须得到纠正，因此，理想的生理状态是存在双循环。

在双循环存在的情况下，确定混合点的大致位置非常重要，以确定身体哪个区域由哪个循环供血，每个区域是否具有适当的氧气和二氧化碳含量，以及自身心脏和ECMO泵之间的相互作用。虽然目前无法准确测量，但可以根据自身心脏的搏动指数进行估计。例如，如果患者在接受VA-ECMO时，右上肢动脉脉压> 20 mmHg，混合点通常位于头臂动脉的远端。值得注意的是，使用左心室辅助装置，如微轴流设备或主动脉球囊反搏，会影响混合点的位置，使其在主动脉中进一步向下移动。

为了更精确地确定混合点的位置，可以通过测量不同位置的氧气含量来获取更多信息。这可以通过降低FiO2或FdO2 (同时将另一个参数设置为 1.0)来实现，然后比较右上肢的动脉血氧分压(PaO2)和膜后血氧分压   (Ppost O2)（图 2）。例如，如果右上肢的PaO2在FiO2 为0.40时与预期值一致，并Ppost O2为高氧血症，与 FdO2为1.0时的预期值一致，那么混合点很可能是位于头臂动脉的远端。如果患者左上肢的PaO2（代表左锁骨下动脉）也反映了自身肺的气体交换水平，那么混合点位于左锁骨下动脉远端。脑血管同样必须从自身肺区接收血流。然而，如果左上肢PaO2反映的是膜肺的气体交换功能，那么混合点位于左锁骨下动脉近端的某个位置，不确定颈动脉是从体外循环还是体外循环接收血液。如果右上肢PaO2反映的是膜肺的气体交换功能，那么混合点就靠近头臂动脉，这意味着其他大血管——包括脑血管——是从肺膜循环接收血液。重要的是，在这种情况下无法确定冠状动脉的氧气是由自身肺区还是膜肺区提供的。

使用身体不同部位的动脉血氧饱和度（SpO2）来确定混合点只有在膜肺和自身肺泵出的血液具有显著不同的血氧饱和度时才会有效（即当膜肺或自身肺因功能障碍而泵出低氧血时）。当两者功能都正常时，使用PaO2来确定混合点的位置更加实用。值得注意的是，任何调节氧气或二氧化碳含量的干预措施应该在其所在的自身肺区或膜肺区内进行。还必须强调的是，这些区域是动态变化的，在ECMO支持期间，随着患者自身心输出量或/和 ECMO 血流的任何变化而变化。

重要的是，右上肢是身体上可测量自身肺区SpO2的第一个位置，因此必须对其进行持续监测，以临床医生评估自身心脏是否正在泵出低氧合血流，并随后进入脑循环。一些中心还采用近红外光谱（NIRS）监测患者的大脑，以帮助早期发现脑部缺氧。

体外循环中血液离开膜肺时的氧含量——由 PpostO2 和SpostO2反映——取决于膜肺的气体交换功能（即取决于 FdO2）、ECMO的血流速度以及膜前的氧饱和度（SpreO2）。而体内循环中血液离开自身肺时的氧含量——由PaO2、动脉血氧饱和度（SaO2）和脉搏血氧饱和度（SpO2）反映——取决于自然肺的气体交换（即取决于FiO2和其他通气设置）、肺血流量以及混合静脉血氧饱和度（SvO2）（图2）。

血红蛋白浓度会影响两个循环中的含氧量。根据肺膜区和自身肺区的器官代谢活动，局部氧消耗（VO2）可能有所不同。这将反映在SvO2和SpreO2中，具体取决于引流管在体内的位置。值得注意的是，在VA-ECMO期间的双循环会影响返回心脏的上、下腔静脉血的比率和含氧量。

虽然“差异性氧合”这一术语表明了各区域之间的氧含量存在差异，但为了便于描述血液中的氧含量低（低氧血症）以及氧输送无法满足组织需求（组织缺氧）的病理情况，有必要进一步澄清这一术语。因此，存在三种潜在的情况（表1）：（1）既无低氧血症也无组织缺氧；（2）有局部低氧血症但无组织缺氧；（3）有局部低氧血症和组织缺氧（表现为乳酸增加或其他终末器官缺氧的证据）。情况1：自身肺区和膜肺区的氧含量存在差异，但两个循环的SaO₂仍在正常范围。值得注意的是，在任一区域都可能出现潜在的有害的非生理性高氧血症（极高的 PaO₂）。情况2：自身肺区（2A）或膜肺区（2B）存在严重的功能障碍，导致低氧血症，但并无组织缺氧。在这种情况下，可能没有必要纠正低氧血症。情况3：自身肺区（3A）或膜肺区（3B）存在严重的功能障碍，不仅导致低氧血症，还导致组织缺氧。在这种情况下，需要纠正低氧血症导致组织缺氧的。

与差异性氧合类似，两种循环中，通过自身肺区进行的通气以及通过膜肺进行的二氧化碳清除率可能有所不同。膜肺区域的二氧化碳分压——由膜后二氧化碳分压（PpostCO2）反映——由膜肺的气流量、死腔分数、扩散特性、膜前二氧化碳分压（PpreCO2）以及ECMO的血流量（特别是在较低血流量时）决定。自身肺区域的二氧化碳分压（CO2）——由动脉二氧化碳分压（PaCO2）反映——由自身肺的肺泡通气、扩散特性、静脉混合二氧化碳含量以及肺血流量决定（图2）。两种循环中的二氧化碳含量还由血红蛋白浓度和血氧饱和度（霍尔丹效应）决定。二氧化碳的生成也会影响二氧化碳的含量。

与差异性氧合一样，定义差异性二氧化碳导致的酸碱失衡场景也很重要。有三种潜在情况（表2）：（1）二氧化碳分压正常；（2）局部高碳酸血症；（3）局部低碳酸血症。是否需要干预以纠正或恢复正常酸碱状态或PCO2取决于患者的生理状况和耐受酸碱紊乱的能力。值得注意的是，避免酸碱紊乱在孕妇和神经科急症患者中尤为重要。此外，如果未注意到或未正确处理自身肺区和膜肺区的高/低碳酸血症或组织代谢的变化，差异性二氧化碳可能会加剧。

血气采样的区域（即在自身肺区还是膜肺区）决定了在尝试管理气体交换时应该对哪侧肺（自身肺还是膜肺）进行干预。为了做到这一点，需要了解在VA-ECMO期间混合点的位置，并考虑到混合点可能是动态的。大多数情况下，需要实现一定程度的左心室射血，无论是通过降低后负荷（逐渐减少血管收缩剂或开始使用血管扩张剂，使用无创正压通气，在血液动力学上耐受的ECMO流量减少），还是使用正性肌力药物或左心室辅助装置（微轴流设备，主动脉内球囊反搏），以减轻左心室扩张。当实现足够的左心室射血时，混合点通常位于头臂动脉的远端。因此，一般来说，对自身肺提供的支持（通常是呼吸机）应该根据右上肢的血气进行调整，而对膜肺提供的支持（通常是气流量）应该根据膜后血气进行调整。

根据受影响的区域，可能需要采取几种干预措施之一来纠正区域性低氧血症。在自身肺区（表1，情况2A和3A）中，干预措施可能包括确保引流管能引流上腔静脉中的血液，调整机械通气设置，和/或转换为静脉-动脉-静脉（V-AV）-ECMO（图3）。为了允许双循环的交叉循环，理想情况下，可将引流管放置在位于上腔静脉的末端或颈静脉内。机械通气的设置应该尽早调整，以减轻肺水肿和肺分流，这在患有心源性肺水肿的患者中尤其重要。如果安装了左心室微轴流设备，增加其流量也可以缓解左心室的充血和减轻肺水肿。如果患者同时患有急性呼吸窘迫综合症（ARDS），避免呼吸机相关性肺损伤（VILI）的最佳策略可能是早期转换为V-AV混合插管，并添加静脉回流分支。一种常见的情况是，同时患有心源性休克及ARDS的患者一开始行VA-ECMO。当心脏在肺部之前恢复时，混合点在主动脉中向远端移动，导致上半身低氧血症。最初，可以采取优化呼吸机以管理ARDS的措施，如果不成功，通常会将回路转换为V-AV。另外，可以将混合点向更靠近升主动脉的位置移动，以减少自身肺区的低氧血供应脑循环的可能性从而避免脑缺氧，但需要注意的是，这可能无法纠正冠状动脉的缺氧。将混合点向更靠近升主动脉的位置移动可以通过重新放置动脉回流管道至上半身来实现，例如右腋动脉、右锁骨下动脉或头臂动脉，或者将回流导管转换为近端主动脉的中心插管。增加ECMO的血流量或减少左心室微轴流设备的流量会将混合点更靠近近端。然而，这些操作会导致左心室后负荷增加，导致左心室射血减少、肺水肿加重、血液淤积，最终导致心肺血栓形成，从而加剧了潜在问题。因此，这些操作可以暂时用于处理严重的脑低氧血症的情况，但应尽快选择减轻左心充血的替代策略。在膜肺区（表1，情况2B和3B）内，干预措施可能包括调整FdO2或根据情况更换膜肺。

在区域性高/低碳酸血症的情况下，根据受影响的区域，可能需要采取几种干预措施来纠正这种紊乱。在自身肺区（表2，情况2A和3A），如果患者接受机械通气，可调整自身肺的通气。对于自主呼吸的患者，除了避免使用导致低通气的中枢神经系统抑制剂外，调整自身肺区的通气较为困难。虽然可以使用前文中提到的重新插管配置，以减少自身肺区循环供应大脑的可能性，从而调节大脑高/低碳酸血症，但这种操作很少进行。在膜肺区域（表2，情况2B和3B），干预措施包括提高气流量或更换膜肺。  

重要的是，由于每个循环中的气体含量是独立存在的，因此应针对各自循环中的高碳酸血症或低碳酸血症对自身肺的通气量或膜肺的CO2清除率进行调整，这样对其他循环中的CO2含量影响最小，甚至没有影响。这是临床医生经常感到困惑的问题，因为以前医生的注意力一直集中在差异性氧合上，而差异性CO2水平直到最近才被认识到。此外，如果使用错误的血气数据进行调节，例如根据右上肢的PaCO2来调节气流量，可能会导致差异性CO2水平加剧，导致区域性高/低碳酸血症。例如，当肾脏由膜肺区循环灌注时（无论混合点是否靠近肾动脉），尽管自身肺通气量正常，但出现高碳酸血症和酸血症时（表2，情况2B），会导致肾脏的氢离子排泄增加，导致全身性（包括自身肺区）代谢性碱中毒。这种情况需要增加ECMO的气流量，为肾脏创造一个碱性环境，以促进碳酸氢盐的排泄。同样，对于自身肺低通气（表2，情况2A）的患者，通过增加ECMO气流量来纠正高碳酸血症会导致肾脏暴露于体外诱导的呼吸性碱中毒，从而触发碳酸氢盐排泄增加，并导致碳酸氢盐缓冲系统的减少，这可能导致自身肺区出现危险的酸血症水平。