Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_3984_Библиотеки_им_академика_М_И_Перельмана
.pdf
41
Физиологические аспекты ЭКМО
Рис. 10. Разрыв пограничного пристеночного слоя жидкости и возникнове-
ние вторичных потоков при наличии препятствий
Рис. 11. Создание завихрений пограничного слоя при взаимноперпендику-
лярном расположении потока крови и газопроводящих волокон
42
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
Поэтому стремление максимально улучшить условия для диффузии
газов, и соответственно, для экстракорпорального газообмена не
должно приводить к нежелательному повреждению форменных эле-
ментов крови.
Внутреннее строение капиллярных
мембранных оксигенаторов
В капиллярных мембранных оксигенаторах кровь течет вокруг по-
лых волокон (капилляров), через которые проходит газовая смесь и
которые имеют цилиндрическую форму. В процессе производства
полые волокна плотно, компактно укладываются вокруг центрально-
го штыря в виде пучка в соответствии с геометрическим строением
оксигенатора. Концы волокон опускают в емкость с полиуретаном,
затем им дают высохнуть, чтобы произошла закупорка дистальных
концов волокон, и потом производят их нарезку определенной дли-
ны. В атмосферу открываются концы, через которые происходит
вход (inlet) и выход (outlet) газового потока.
Были предложены две методики осуществления кровотока через
мембранный оксигенатор – прохождение крови внутри или снару-
жи волокон. В дальнейшем разработки мембранных оксигенаторов с
прохождением крови внутри капиллярных волокон были отклонены
из-за выявленных существенных недостатков: высокого трансмемб-
ранного градиента давления, выраженной тромбоцитопении, более
частого возникновения гемолиза. В последующих разработках было
изменено направление кровотока, который стал следовать либо пер-
пендикулярно по отношению к пучку капиллярных волокон, либо
вдоль волокон. В последнем случае движение крови через оксигена-
тор имеет направление, противоположное газовому потоку, что ока-
залось более выгодным с позиции оптимизации экстракорпораль-
ного газообмена.
Следующим технологическим решением, направленным на по-
вышение эффективности работы мембранных оксигенаторов, ста-
ло уменьшение эффекта обтекаемости, под которым подразумевают
прохождение крови через оксигенатор без осуществления газооб-
мена, т. е. ситуация, аналогичная внутрилегочному шунтированию
крови. Последующие разработки позволили существенно улучшить
конструкцию мембранных оксигенаторов, повысить эффективность
экстракорпорального газообмена и сделать возможным длительную
эксплуатацию оксигенаторов с целью ЭКМО.
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
43
Физиологические аспекты ЭКМО
Управление экстракорпоральным газообменом
Управление вентиляционной и оксигенирующей функцией мемб-
ранного оксигенатора – это два независимых друг от друга процесса.
Повышение объемной скорости потока газовой смеси через окси-
генатор увеличивает элиминацию (удаление) СО
2
из крови вследс-
твие уменьшения парциального напряжения СО
2
в газотоке, а также
вследствие уменьшения толщины пограничного слоя газовой фазы
(уменьшение диффузионной дистанции). Единственным методом
регуляции переноса О
2
из газового потока в кровь является манипу-
лирование с уровнем FiO
2
газовой смеси. В связи с тем что в совре-
менных мембранных оксигенаторах сама мембрана четко отделяет
газовую смесь от крови, исключается возможность попадания газо-
вых эмболов в системный кровоток. Это делает возможным исполь-
зование азота как одного из компонентов газовой смеси, подаваемой
в оксигенатор, и позволяет в некоторых ситуациях добиваться более
тщательного контроля за уровнем FiO
2
и экстракорпоральной окси-
генацией. Хотя не существует жестких рекомендаций по достиже-
нию оптимальных значений газового состава крови, во время ИК и
при применении ВА ЭКМО, наиболее оптимальным считают уровень
РаО
2
150–250 мм рт. ст. и РаСО
2
35–45 мм рт. ст.
Особенности элиминации СО
2
через мембранный оксиге-
натор:
элиминация CO
2
главным образом зависит от проницаемости ка-
пиллярной мембраны;
увеличение потока О
2
через оксигенатор способствует ускорению
вымывания СО
2
из крови;
чрезмерно высокий поток О
2
через оксигенатор приводит к уве-
личению диффузионного коэффициента для СО
2
и к значимому
снижению pCO
2
в крови, что равносильно легочной гипервенти-
ляции;
низкий поток О
2
через оксигенатор приводит к уменьшению диф-
фузионного коэффициента для СО
2
и увеличению pCO
2
в крови,
что равносильно легочной гиповентиляции.
Особенности трансмембранного транспорта О
2
:
транспорт О
2
через оксигенатор определяется толщиной слоя кро-
ви, а также другими факторами, влияющими на распределение по-
тока крови внутри оксигенатора, в частности способствующими
возникновению так называемого вторичного потока (см. ниже);
наиболее простым механизмом регуляции уровня экстракор-
поральной оксигенации крови является изменение FiO
2
газовой
смеси;
44
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
в связи с тем что мембрана полностью разделяет поток газа и по-
ток крови, азот может быть добавлен в газовую смесь без риска
возникновения газовой эмболии;
оксигенирующая способность мембраны зависит только от тол-
щины слоя крови – чем тоньше слой крови, тем выше уровень ее
оксигенации и РаО
2
;
при высокой объемной скорости кровотока не вся кровь успевает
полностью оксигенироваться, что может привести к относитель-
ному снижению уровня PaO
2
, в связи с этим размер оксигенатора,
площадь его мембраны должны соответствовать предполагаемой
наибольшей объемной скорости кровотока.
Факторы, влияющие на эффективность
экстракорпорального газообмена
мембранного оксигенатора
1. Площадь поверхности мембраны
Так площадь поверхности мембраны стандартного оксигенатора
для взрослых (1,8–4,5 м
2
) в несколько раз уступает площади повер-
хности альвеоло-капиллярной мембраны (70 м
2
), и для достижения
такой же эффективности газообмена, что и у легких, искусственная
мембрана должна обладать повышенной диффузионной способнос-
тью для О
2
и СО
2
. Улучшение трансмембранного транспорта для га-
зов достигается за счет следующих технологических решений:
удлинение пути прохождения крови вдоль газообменных участ-
ков оксигенатора, что способствует увеличению времени для осу-
ществления экстракорпорального газообмена, уменьшение диф-
фузионной дистанции;
уменьшение толщины слоя крови, контактирующего с поверхнос-
тью мембраны, при отсутствии значимого снижения перфузион-
ного давления крови при ее прохождении через оксигенатор;
уменьшение образования вторичных потоков, приводящих к при-
мешиванию неоксигенированной крови к оксигенированной при
покидании ею газообменных участков оксигенатора;
увеличение градиента давления газа (О
2
) (ограничено 760 мм рт. ст.);
увеличение длительности нахождения крови в оксигенаторе.
2. Материал, тип и диффузионные характеристики искус-
ственной мембраны
Трансмембранный транспорт CO
2
зависит прежде всего от про-
ницаемости мембраны: чем тоньше мембрана, тем выше объемная
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
45
Физиологические аспекты ЭКМО
скорость удаления СО
2
. Было показано, что наличие пор в мембране
(микропористая мембрана) способствует повышению эффектив-
ности экстракорпорального газообмена за счет увеличения скорости
диффузии газов. При этом поверхностное натяжение, создаваемое
кровью над поверхностью микропоры, препятствует проникнове-
нию через нее газа непосредственно в кровь (феномен gas leakage).
Газообменная способность микропористых мембран из тефлона и
полипропилена оказалась выше, чем у силиконовой мембраны. Од-
нако при длительном использовании оксигенатора на основе мик-
ропористой мембраны эффективность экстракорпорального га-
зообмена оказалась хуже по сравнению с силиконовой мембраной
вследствие нескольких причин. Образующийся со временем на по-
верхности микропористой мембраны слой из тромбоцитов снижает
ее диффузионную способность вследствие увеличения диффузион-
ного расстояния для газов. Водяной пар (конденсат), накапливаю-
щийся в газоносных путях, также способствует увеличению диффу-
зионного расстояния.
3. Объемная скорость кровотока и газотока
Мембранные оксигенаторы имеют определенную заданную (рас-
четную) максимальную объемную скорость потока крови, при ко-
торой артериовенозная разница по насыщению О
2
поддерживается
на уровне 25%. Эта заданная объемная скорость кровотока не может
быть изменена, она является фиксированной для каждой модели
мембранного оксигенатора. Чем больше объемная скорость крово-
тока, тем меньше степень перемешивания крови вокруг мембраны за
счет возникновения вторичного потока и тем ниже РО
2
на выходе из
оксигенатора. Трансмембранный перенос О
2
возрастает при умень-
шении чрезмерно высокой объемной скорости экстракорпорально-
го кровотока. Увеличение объемной скорости потока газа уменьша-
ет содержание и парциальное напряжение СО
2
в газоносных путях
оксигенатора, что способствует усилению удаления СО
2
из крови,
как при легочной гипервентиляции. В противоположность этому
уменьшение объемной скорости газотока увеличивает содержание и
парциальное напряжение СО
2
в газоносных путях оксигенатора, что
вызывает уменьшение диффузионного градиента для СО
2
и его уда-
ление из крови, как при легочной гиповентиляции.
4. Сопротивление жидкой фазы (пограничного слоя; диф-
фузионной дистанции)
Наличие пограничного слоя крови около неподвижной поверх-
ности мембраны оксигенатора (область сниженного кровотока)
приводит к увеличению диффузионной дистанции и снижению
46
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
эффективности газообмена. Чем больше толщина слоя крови (или
кровяной фазы) над поверхностью мембраны, тем хуже условия
для диффузии газов. Поэтому основным направлением улучшения
газообменной способности мембранного оксигенатора является
уменьшение диффузионного барьера. Показано, что диффузионное
расстояние в мембранном оксигенаторе в 10–50 раз больше, чем в
легких. В связи тем что слой крови около мембраны более толстый,
чем в легких, требуется больше времени для контакта крови с мемб-
раной оксигенатора и создание более мощного вторичного потока
с целью перемешивания крови около поверхности мембраны. При
этом трансмембранный транспорт O
2
во многом определяется тол-
щиной слоя крови вокруг мембраны, а также другими факторами,
влияющими на распределение крови около мембраны и создание
вторичного потока. В связи с тем что сила переноса О
2
через мембра-
ну очень высока для всех типов мембранных оксигенаторов, оксиге-
нирующая способность конкретной мембраны зависит в основном
от толщины слоя крови вокруг нее. Увеличение объемной скорости
газотока приводит к увеличению элиминации СО
2
за счет снижения
рСО
2
в газовой фазе и рСО
2
в пограничном слое крови, что улучшает
диффузию СО
2
из центральных слоев потока крови к пограничным и
далее через мембрану оксигенатора.
5. Внутреннее устройство мембранного оксигенатора
Для того чтобы создать тонкий слой, кровь внутри оксигенатора
должна располагаться между и вокруг множества капиллярных воло-
кон. Частично компенсировать недостаток площади газообменной
поверхности синтетической мембраны по сравнению с нативными
легкими удается за счет создания вторичных потоков, которые спо-
собствуют перемешиванию оксигенированной и неоксигенирован-
ной крови и перемещению последней ближе к поверхности мемб-
раны. Последнее приводит к уменьшению толщины диффузионного
пограничного слоя, сокращению диффузионной дистанции и улуч-
шению трансмембранного газообмена. Возникновение вторичных
потоков при прохождении крови через оксигенатор может быть
обеспечено путем создания шероховатостей на поверхности мемб-
раны или препятствий на пути потока крови (взаимноперекрещен-
ные волокна). Создание вторичных потоков (завихрений) явилось
важным технологическим решением, направленным на улучшение
газообменных характеристик мембранного оксигенатора. Однако
возникновение избыточных вторичных потоков может привести к
повышению напряжения сдвига в пограничных слоях и вызвать пов-
реждение клеток и белков крови. В широко используемых в последнее
время половолоконных оксигенаторах поток крови может следовать
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
47
Физиологические аспекты ЭКМО
либо перпендикулярно, либо параллельно пучку газопроводящих и
теплообменных волокон. В последнем случае поток крови может
следовать либо в том же, либо во встречном направление по отно-
шению к потоку газовой смеси. Оксигенаторы с взаимоперекрещи-
вающимся направлением потока крови и расположением газопро-
водящих и теплообменных волокон имеют лучшие конструктивные
возможности по созданию вторичных потоков. В оксигенаторах, где
кровь течет между газопроводящими волокнами, возможно возник-
новение феномена шунтирования, т. е. часть потока крови может не
подвергаться эффективному газообмену. Конструктивные решения,
направленные на адекватное распределение потока крови газопро-
водящими волокнами на входе и на выходе из оксигенатора, способ-
ны повысить эффективность экстракорпорального газообмена.
Таким образом, рассмотренные выше особенности экстракорпо-
рального газообмена были учтены при создании современных мо-
делей мембранных оксигенаторов, выпускаемых разными произво-
дителями, некоторые из них будут представлены в следующей главе.
48
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
ГЛАВА 3
УСТРОЙСТВО И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
МЕМБРАННОГО ОКСИГЕНАТОРА
Развитие ЭКМО как клинической дисциплины напрямую связано с
разработкой и совершенствованием оборудования и технологий
проведения искусственного кровообращения (ИК). Внедрение в
клиническую практику мембранных оксигенаторов для обеспече-
ния ИК при кардиохирургических операциях создало предпосылки
для создания особого типа мембранных оксигенаторов, способных
длительно (в течение нескольких дней и даже недель) обеспечивать
процесс экстракорпорального газообмена.
Первоначально использовали безмембранные оксигенаторы,
в которых экстракорпоральный газообмен (оксигенация и элими-
нации СО
2
) осуществлялся при непосредственном контакте крови и
газовой среды. Для этой цели были разработаны 2 типа безмембран-
ных оксигенаторов – пузырьковые и пленочные. В пузырьковых
оксигенаторах экстракорпоральный газообмен происходил в про-
цессе прохождения потока газа непосредственно через кровь. В зави-
симости от направления потока газа и крови пузырьковые оксигена-
торы подразделялись на прямопоточные и противопоточные.
В обоих случаях при прохождении газа через кровь происходило ее
вспенивание, что требовало пеногашения с помощью специального
пеногасительного устройства для профилактики попадания пузырь-
ков газа в системный кровоток и возникновения газовой эмболии.
Однако избыточное количество пеногасителя (антифома) могло
приводить к образованию отдельных капелек этого вещества, кото-
рые сами по себе могли стать причиной эмболии. Кроме того, при
использовании пузырьковых оксигенаторов существовала слож-
ность регулирования уровня оксигенации крови и повышенный
риск перенасыщения крови О
2
.
В пленочных оксигенаторах экстракорпоральный газооб-
мен происходил при контакте газовой среды с тонким слоем крови
(пленки), создаваемым при ее растекании по твердой поверхности
(стационарные пленочные оксигенаторы) или при вращении
дисков, цилиндров и спиралей, частично погруженных в емкость с
кровью (ротационные пленочные оксигенаторы). Пленочные
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
49
Устройство и функционирование мембранного оксигенатора
оксигенаторы характеризовались достаточно большой площадью
контакта газовой среды с кровью (около 4–5 м
2
), что обеспечивало
высокую объемную скорость переноса О
2
в кровь (150–200 см
3
/мин).
При нормальном функционировании преимуществом данного типа
безмембранных оксигенаторов над пузырьковыми являлся значи-
тельно меньший риск развития газовой эмболии и более точное
достижение требуемой концентрации газов в крови. Однако при
нарушении непрерывности пленки крови, сопровождаемом обра-
зованием отдельных ручейков, значимо снижалась оксигенирующая
способность оксигенатора. Технологические решения, направлен-
ные на решение этой проблемы, привели к усложнению конструк-
ции и управлению оксигенатора, повышению травматизации крови.
Основными недостатками безмембранных оксигенаторов яв-
лялись: повышенная травматизация крови, приводящая к гемоли-
зу и денатурации белков, отсутствие оксигенаторов однократно-
го применения, сложность конструкции и управления. Кроме того,
технология безмембранного газообмена не позволяла длительно
использовать данный тип оксигенаторов для осуществления экс-
тракорпоральной оксигенации с целью длительной коррекции ды-
хательной или сердечно-дыхательной недостаточности. Среднее
время работы составляло не более 4 часов, более длительное приме-
нение безмембранных оксигенаторов сопровождалось различными
осложнениями. При контакте металла и пластика с форменными
элементами крови развивался значительный гемолиз. Происходило
повреждение форменных элементов крови и белковая денатурация.
При длительном применении экстракорпоральной перфузии име-
ли место сосудистые проблемы, включая диффузную капиллярную
утечку, гипоперфузию тканей, ацидоз и прогрессирующую полиор-
ганную недостаточность.
В основном применение безмембранных оксигенаторов ограни-
чивалось проведением ИК при кардиохирургических операциях.
Развитие медицинских технологий привело к созданию различ-
ного типов полупроницаемых мембран, предназначенных для про-
ведения заместительной почечной терапии (гемодиализ, гемофиль-
трация, гемодиафильтрация), плазмасепарации (или плазмафереза),
экстракорпоральной мембранной оксигенации.
Основным функциональным компонентом мембранных оксиге-
наторов является полупроницаемая (газопроницаемая) мембрана,
обеспечивающая перенос О
2
в кровь и удаление (элиминацию) СО
2
и разделение газовой среды и крови, т. е. отсутствие прямого контак-
та крови и газа. Данный тип оксигенаторов характеризуется высокой
газопроницаемостью (для О
2
и СО
2
), биосовместимостью, достаточ-
но высокой прочностью (отсутствие прорыва мембраны), устойчи-
50
С.В. ГОТЬЕ, В.Н. ПОПЦОВ, Е.А. СПИРИНА
востью к физической и химической стерилизации, минимальной
травматизацией форменных элементов крови, низким риском раз-
вития гемолиза, незначительной тромбогенностью, длительностью
адекватного экстракорпорального газообмена и другими положи-
тельными свойствами и характеристиками, что сделало мембранные
оксигенаторы пригодными как для проведения ИК, так и для ЭКМО.
Отличие мембраны оксигенатора от альвеолокапиллярной мембра-
ны легких человека приведено в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительная характеристика искусственной мембраны оксигенатора
и альвеолокапиллярной мембраны легких человека
Показатель
Мембрана
оксигенатора
Альвеолокапиллярная
мембрана
Площадь поверхности (м
2
) 0,5–4,0 70
Толщина слоя крови (мкм) 200 8
Длина слоя крови (мкм) 250,000 200
Толщина мембраны (мкм) 150 0,5
Максимальный трансмембран-
ный транспорт (перенос)
О
2
(мл/мин)
400–600 2,000
В зависимости от типа мембраны мембранные оксигенаторы
разделяются на пластинчатые (или листовые) и капилляр-
ные. Большинство современных оксигенаторов, используемых
для проведения ИК или ЭКМО, являются капиллярными. Кроме
того, необходимо различать истинные мембранные оксигена-
торы («true» membrane oxygenator), где полностью исключен
контакт крови и газовой среды при осуществлении экстракорпо-
рального газообмена, псевдомембранные, микропористые
оксигенаторы («pseudo» membraneoxygenator) с неприкры-
тыми трансмембранными порами, через которые осуществляется
прямой контакт крови и газовой среды при экстракорпоральном
газообмене.
Эффективность экстракорпоральной оксигенации при использо-
вании мембранных оксигенаторов определяется:
типом мембраны;
диффузионной способностью мембраны;
Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана