ECHO教育重症超声查房体外膜氧合

ECHO教育

重症超声查房

体外膜氧合（ECMO）

KellyVictorBAppSc1,2,NicholasABarrettFANZCAFCICM1,StuartGillonBScMBChBMRCPFFICM1,AbigailGowlandBSc1,2,ChristopherISMeadowsBScMBBSMRCPFRCAPGCMFFICM1andNicholasIoannouBAMBBSMAMRCPFRCAFFICM1

重症监护病房，心脏病房，Guy’sandStThomas’NHSFoundationTrust,伦敦，英国

摘要

体外膜氧合（ECMO）是某些严重心肺衰竭情况下进行的一种高级器官支持手段。对于ECMO支持的各方面而言，超声心动图是一种非常有用的诊断和监测工具。由于ECMO独特的特点及其对心脏-呼吸生理截然不同的影响，超声心动图的使用者需要对ECMO技术及ECMO与患者之间的相互作用有一个透彻的理解。在这篇文章中，我们介绍了常用ECMO模式的重要基础概念，并讨论了心脏超声在其中的作用。

病例：

一名38岁女性，无严重基础病史，因A组链医院。患者发生了快速进展的呼吸衰竭，尽管给予气管插管及最高支持水平的通气，仍然不能维持足够的氧合。地方严重呼吸衰竭服务机构会诊了她，并为她建立了静脉-静脉体外膜氧合（VV-ECMO）进行呼吸支持。全身氧合有所改善，但却发生了严重的心血管损伤，心脏超声发现了严重的脓毒性心肌病（射血分数15%，主动脉流速时间积分为5.9cm，二尖瓣返流dP/dt为mmHg）。患者的ECMO支持方式因此转变为静脉-静脉-动脉模式（VVA-ECMO），以提供额外的血流动力学支持。当脓毒症缓解后，动脉ECMO支持在心脏超声指导下被撤除，随后，患者自身呼吸功能得到改善，VV-ECMO也可以撤除。患者在入院第七天时彻底撤除了ECMO。

介绍

ECMO是一种心脏和（或）呼吸支持的高级手段，存在顽固性呼吸衰竭或心脏衰竭并对传统重症治疗手段无效的患者可能具有适应症。ECMO的技术与在心脏手术室中使用的心肺旁路机器相似，ECMO可以通过氧合血液及清除血中二氧化碳的方式进行呼吸系统衰竭的支持，通过机械性循环辅助的方式进行血流动力学的支持。

经典的成人ECMO管路构成列于图1。引流管,通常是经皮股静脉插管-至下腔静脉（IVC）近端处引血。颈内静脉可以作为从腔静脉引血的另一条途径。管路内的血流由一个离心涡流泵驱动。静脉血通过泵后进入“氧合器”，此处，来自新鲜气源的氧气通过一个专门的半透膜弥散入血，而二氧化碳以相反的方向弥散出血。氧合及去二氧化碳后的血液再通过回输管回到患者体内。

回输管的位置取决于所需支持的器官。在仅有呼吸衰竭的患者中，氧合血液回输至循环的右心系统：引流（血）及回输（血）管都位于静脉系统，这种方式因此被称为VV-ECMO。在VV-ECMO时，回输管可通过对侧股静脉置入，末端向前进入右房（RA）中部，或IVC/RA交接部。或者，采用颈内静脉，回血导管末端置于右房中部，或上腔静脉（SVC）/RA交接部。在大多数应用VV-ECMO的成人中，引流及回输采用单独的导管。但是，也可采用双腔单根导管，两个引流侧孔别位于SVC和IVC，回输孔位于RA。

图1.经典成人ECMO构造。血通过引流管从腔静脉引出，离心泵驱动血液通过管路，血液通过膜氧合器进行气体交换，根据所需要的支持，血液通过回输管回流至右心房、或主动脉、或分别回至这两处（分别为VV-ECMO时（股静脉及颈内静脉回流）；VA-或V-VA-ECMO时）。

为了将经外部氧合血液送入循环，VV-ECMO依赖于自身足够的心功能。在肺部没有气体交换的情况下，VV-ECMO对全身氧合改善的程度取决于管路内血流量与自身心输出量之间的比例；ECMO管路内血流量相对于心输出量的比例越高，静脉血氧合的比例越高，结果肺动脉内的混合静脉氧饱和度也越高。因此，氧合主要受到管路内血流量的影响。二氧化碳的清除在很大程度上不受血流量的影响，而取决于通过膜氧合器的新鲜气流的清除速率。

如果需要心脏支持，血液应回输至循环的左心系统-VA-ECMO--管路内通过膜氧合器提供氧合及去除二氧化碳，通过血泵提供直接输注至动脉体循环中的血流。

如果同时存在心脏和呼吸功能衰竭，可能更好的方式是将血液同时回输至静脉和动脉系统;V-VA-ECMO的配置让操作者能够通过“转向阀”调节血流回输至静脉和动脉的比例。当心功能障碍较呼吸衰竭的改善更迅速时，这点就非常重要;从最初的VA支持逐渐过渡到VV支持可以降低ECMO对抗恢复中的自身心脏功能的风险。

通过外周途径（将动脉回血导管以经皮穿刺或外科切开的方式经股动脉插入）是VA-ECMO最常用的方法，导管也可以通过中心途径置入，即打开胸腔，将引血导管和回血导管直接分别放入RA和主动脉。这种方法常用于患者在心脏手术后无法撤除术中的心肺旁路时，通常通过胸骨切开处置入，以及用于儿科患者因外周血管管径过小妨碍经皮置入足够大小的导管时。

心肺生理学和ECMO

在VV-ECMO时，从循环中引出及返回的血容量相等;因此，对前负荷的影响应当极小。被选择进行VV-ECMO的患者，理论上应存在低氧血症和(或)高碳酸血症，并存在相应的肺血管收缩及增高的右心室后负荷。从理论上讲应用ECMO后，氧合的改善及二氧化碳的清除都会减少肺血管收缩，从而减少右室做功并改善其功能。此外，由于体外气体交换降低了对自身肺功能的依赖，机械通气传递至肺部的压力也可以大幅地降低，这同样降低了右室后负荷。VV-ECMO对左心室功能无直接的影响;然而，氧合的改善及呼吸性酸中毒的纠正都可能改善全心心肌功能。此外，还可以观察到因RV功能改善导而出现的LV功能改善，这是由于心室间存在的相互依赖性。

VA-ECMO对生理的影响更深远。从定义上来说，这类患者自身的心脏功能严重受损。来自ECMO管路的氧合血液回输至主动脉，而非右心，这样明显降低了前负荷。VA-ECMO的目标是提供部分心脏支持（预计心输出量的70-80%），允许少量的心脏射血(10-20mmHg的脉压),及允许少量自身的静脉回流持续进入右心并通过肺循环。然而，心脏自身泵出的流经肺血管和心脏的前向血流有可能会被降低，甚至低到可忽略不计的程度。后果是左室扩张(如果不进行治疗，可能会造成心室的永久性损伤)和肺水肿，这是由于左室内血液淤积，以及瓣结构周围或心腔内的血栓形成。发现左室射血不足和血液瘀滞时，可以通过应用正性肌力药物、置入主动脉内球囊反搏、置入Impella经皮左室辅助装置或进行心内分流进行改善。将经外周导管转换为经手术置入的中央导管也是一种心室减压的手段。

VA-ECMO对生理的影响随着心脏功能的恢复而改变。经外周置管的VA-ECMO，回流血液从主动脉远端流向近端，绕过主动脉弓，最终达到主动脉根部及冠状动脉。逆向回流的血液会直接与左室射出的血液发生对抗。在ECMO建立初期，衰竭的心功能可以忽略不计，对逆行的ECMO回流血液的阻力极小:来自ECMO管路内的氧合血液对于冠脉和发自主动脉的血管的灌注通常已足够。然而，当心脏功能恢复时，自身心脏对循环的贡献增加，自身顺向主动脉血流会阻碍经ECMO氧合后的回流血通过主动脉弓。这在心功能恢复早于肺功能恢复时尤其成为一个问题。在这种情况下，恢复的左心室会将来自肺循环“分流”的氧合不良的血液泵入升主动脉和主动脉弓。这样可能导致冠状动脉和大脑的低氧血症，被称为丑角综合征：发自升主动脉的动脉和主动脉弓近端的血供来自于心脏射出的乏氧血液;主动脉远端发出的动脉血供则来自于氧合后的ECMO回流血液。V-VA-ECMO允许调节静脉和动脉回流血流量的比例，可能会在一定程度上解决这个问题。

心脏超声

心脏超声（经胸(TTE)或者经食道（TOE））可用于判断ECMO支持过程是否恰当，如引导导管插入、确认导管位置、ECMO运转后对导管的调节，评估临床过程及是否适合撤除ECMO（见表1）。

表1心脏超声在ECMO起始、监测以及撤除中的应用

起始

引管置入，确认导管位置正确

监测

一般指标

左室大小及功能

右室大小及功能

心包积液

收缩期肺动脉压

并发症

导管异位

导管或者血管血栓

静脉或者动脉堵塞

左室血栓

心包积液/心包填塞

肺栓塞

VA-ECMO撤离：（撤离试验期间的评估：减少血流量至1l/min*30分钟）

LVEF≥20-25%

主动脉VTI≥12cm

组织多普勒成像（TDI）latS’≥6cm/s

心脏超声在建立ECMO过程中的作用

引流管和回输管的正确位置对于确保ECMO安全有效的运转至为重要。可以应用Seldinger技术进行经皮置管：在超声引导下将穿刺针置入目标血管，将导丝通过穿刺针插入血管内，随后通过导丝逐级送入扩张器，以在软组织内建立一个隧道，最后，沿导丝置入导管。确认导丝（及随后置入的导管）按预定途径进入目标血管非常重要。比如，在导管置入腔静脉的过程中，确认导丝和插管朝向右房进入而不是偏离至分支血管极为重要。心脏超声和（或）X线透视技术为导丝及导管置入提供了一种监测手段。

在儿科患者群体中，置管过程中使用心脏超声已被证明可以减少后续调整导管的需求，而且，一项研究报道，与单独应用胸部平片相比，心脏超声更具优势。此外，与X-线设备相比，心脏超声更为便携，并且避免了患者和医护人员的放射暴露。在那些心脏超声技术性及热情度高的中心内，比较ECMO置管期间心脏超声与X线透视技术有效性的研究更易于开展，对这些研究结果进行解读时应明了此情况。在具体实践中，选择哪种技术应视自身的优势及可获得的资源而决定。

置管后，应采用心脏超声评估导管位置。理想的位置取决于所用导管的类型，以及导管引流孔和（或）回输孔的位置。因此，了解被评估导管的“解剖”结构非常重要。

图2多级引流管

图3（A）多级引流管—引血部详图。

（B）位于近端IVC的引流管（箭头所示）的二维图像，位于肝静脉回流水平之上

图4单级回输管（静脉）

多级静脉引流管通常在末端有一个入口，并在导管（末端）全长上有多个等距引流孔（见图2）；导管尖端应位于下腔静脉近端，通常在肝静脉回流水平以上。心脏超声可以发现这些沿套管长轴排布的引流孔，因此可用于识别这类插管（见图3）。单级回输管末端是可弯曲的，并带有多个回输孔（见图4）。这种导管的远端在超声下呈现为特征性的“斑点状”（见图5）。回输管的末端通常置于右房中部，或者下腔静脉/右房接合处（股静脉途径），或者上腔静脉/右房接合处（颈内静脉途径）。不仅如此，彩色血流多普勒成像技术可用于识别回输管末端的及通过侧孔的血流。确保引流管和回输管二者末端之间存在一定距离是非常重要，如果距离不足，会导致回流的氧合血液发生再循环回到ECMO管路中，而不是进入患者的循环中，结果造成全身氧合效率降低。如果ECMO导管位置不理想，为了改善全身氧合可能需要进行随后的导管调整，而这种调整可以在心脏超声直接引导下完成。最后，必须确保回输管与房间隔及三尖瓣隔开，这样会将机械性损伤和心律失常的风险降到最低。

双腔单根导管----在同一根导管中，血液从上腔静脉和下腔静脉引出，回流至右房---需要一种截然不同的方法来定位。导管经颈内静脉置入，确保导管末端准确位于下腔静脉而回输孔位于右房非常重要，这样血流才能直接流向三尖瓣（见图6A）。确认的最佳方式是彩色多普勒，并且可以在心脏超声的指导下完成精细的调整，以获得最佳的位置（见图6B）。图7显示了双腔单根导管的调整：导管末端最初位于肝静脉内（见图7A）；在心脏超声指导下将导管退出后并重新向前置入，直到导管末端准确地位于下腔静脉内（图7B）。

图5（A）单级回输管（静脉）--可曲式末端的详图。

（B）位于下腔静脉和右房交界处的回输管的二维图像（箭头所示）。导管远端呈“斑点状”特征性外观。

在外周（置管的）VA-ECMO中，通过股动脉置入的回输管通常位于髂总动脉或者腹主动脉的分叉处。在单独使用经胸心脏超声或者经食道心脏超声检查时此处均显示不佳。因此，可能有必要联合腹部超声和经食道超声（腹部超声用于确认导丝位于腹主动脉，经食道超声用于确认导丝进入降主动脉）。其它成像方式，如X线透视技术，可做为另一种选择。

在多数情况下，TTE提供的图像质量对于ECMO的患者来说已经足够。当图像质量不理想或者无法进行诊断时，TOE也许可以提供更优越的空间分辨率。尽管TOE在重症领域是一种常规操作，但对于行ECMO的患者群体来说，仍应谨慎考虑。接受ECMO并常规接受肝素抗凝治疗的患者常常血小板减少，和获得性vonWillebrand因子缺乏；出现并发症的风险增加，尤其是大出血。有人认为，与单纯TTE相比，TTE的超声造影技术是一个有效的工具，既减少某些TOE相关的风险，同时又确保在单独使用TTE时的心内膜结构及边界良好识别能力。已证明在ECMO患者中使用造影技术是可行，并被美国心脏超声协会（ASE）所推荐。

心脏超声在监测中的作用

在VV-ECMO时，心脏超声主要用于评估右室大小及收缩功能。ASE（美国心脏超声协会）的推荐意见中强调仔细而全面的右心室评估，这种评估应是多个成像模式联合多个声窗的评估。右室大小的评估最好在心尖四腔切面，舒张末期测量基底部的短轴最大径。右室纵向功能应在心尖四腔心切面，通过M型超声在三尖瓣瓣环水平测量三尖瓣环收缩期位移（TAPSE）进行评估。TAPSE是最低点和收缩期最高点间的距离。还应使用组织多普勒技术测量三尖瓣收缩期峰值血流速（RVTDIS’）。在没有肺动脉狭窄时，应常规测量三尖瓣返流峰速，作为评估收缩期肺动脉压力（sPAP）的替代指标。此外，可以测量右室面积变化分数和右室dP/dt评估右室收缩功能。但是，由于缺乏证据，在使用ECMO的患者人群中测量这些参数的意义还不确定。此外，对于所有VV-ECMO患者，与初始置管位置相比，确保导管位置不变非常重要，确保患者未出现进展性的心包积液同样重要，它可能提示导管相关性心脏损伤。

由于前负荷、充盈压，及IVC流量是不断变化的，对VV-ECMO患者的心脏超声参数的绝对值的解读极具挑战性。在这些患者中，尚缺乏关于解读心脏超声数据绝对值及其变化范围的证据。因此，对右室大小、右室功能和估测sPAP的连续性研究要比单次研究的数据更有价值。

在VA-ECMO模式，评估左心室和右心室的大小及功能都是非常必要的。左心室腔大小是一种重要的考量，因为左心室扩大提示心内血流瘀滞，需要使用强心药物或额外应用机械设备来改善前向血流。需要使用以下一些标准参数来全面评估心脏收缩功能：目测左心室大小和射血分数（EF）、辛普森法双平面射血分数、组织多普勒法二尖瓣后瓣环收缩期峰值运动速度（TDIlatS’）、和二尖瓣返流dP/dt。于胸骨旁长轴切面测量左心室舒张末内径时,应与左心室主轴垂直、紧临二尖瓣尖远端的心内膜处(测量)。辛普森法双平面法测量射血分数时应是同一轴线上的左心室最大面积，因此应避免（在）收缩时和心内膜边界不够满意（时测量），测量可选取心尖四腔心和二腔心切面，并仔细描记心内膜。在测量TDIlatS’时，指示线应垂直于二尖瓣环，取样容积应位于瓣环水平；应测量模态信号收缩峰值。二尖瓣返流dP/dt测量的是等容收缩期心室压力上升速度，可通过连续多普勒的二尖瓣返流频谱，测量1-3m/s之间的时间间隔。二尖瓣返流dP/dt可作为左心室收缩功能的替代指标之一。

在VA-ECMO时，其它可用的左心室收缩功能参数包括：主动脉速度时间积分和左室流出道速度时间积分。这种方法结合了连续频谱多普勒和脉冲频谱多普勒，可在心尖五腔切面或左室长轴切面获得。确保测量方向与血流方向成一条直线非常重要，这样可以保证心脏超声测量流速时的最大准确性。而且，脉冲多普勒需要准确设置取样容积的位置。关于取样点的精确性存在一些争议（距主动脉瓣叶结合处0.5或1cm）。然而，当对于同一个患者进行连续心脏超声测量时，保持取样点的一致性才是至为重要的因素。

在VA-ECMO患者中评估右心室功能也是非常重要的，可使用与VV-ECMO时相同的办法（如前所述）。

应反复进行心脏收缩功能的评估。如果出现明显心脏功能恢复的证据，则可以撤除VA-ECMO，通常可撤除VA-ECMO的最小血流速为2-2.5L/min。进一步的评估可在短暂降至更低血流速时进行（见心脏超声在ECMO撤除中的作用）。

超声心动图监测ECMO的并发症

高达5.3%的成年患者在ECMO支持期间出现心脏并发症，而超声心动图可以作为一种发现危及生命并发症的必不可少的工具。是否发生并发症取决于患者自身、导管类型和位置，及ECMO支持的模式。

导丝或导管若穿透心肌可导致大量心包积液，此时，心脏超声是可用的诊断方法。然而，对于ECMO患者来说，心包填塞时的典型生理学指标的作用受限。心脏前负荷、后负荷、ECMO血流及机械通气设置的动态变化可能对目前已了解的心脏病理生理学产生了显著的影响。因此，常规地使用血流动力学对应的心脏超声指标是十分困难的，这些指标在ECMO时的使用价值还需要进一步评估。此外，当缺乏血流动力学异常的证据时，应该谨慎判读。VA-ECMO支持过程中原无明显影响的心包积液，在撤除体外循环支持过程中可能就会引起血流动力学的显著改变，因此需要严密监测。

曾有报道ECMO导管因错位或移位穿透房间隔，这种并发症可以依靠心脏超声进行检测（图8）。

图8放大的心尖四腔影像，请注意房间隔，（A）二维成像，（B）彩色血流多普勒成像。可见ECMO导管横穿房间隔（箭头），有彩色血流提示右向左分流。

在心脏外，导管的错位可以阻碍静脉回流，进入IVC可导致肝脏和其它内脏器官充血（图9A），进入SVC可引起上腔静脉综合征并减少脑灌注，特别是对于儿童患者。

图9（A）由于ECMO导管位置的影响，肝静脉回流受阻，彩色血流多普勒成像下的表现（箭头）。

（B）拔除ECMO导管后，可见下腔静脉内血栓（箭头）。

当血液经过体外循环管路时，可激活凝血级联反应；因此，ECMO支持的患者形成血管内血栓的风险增加。这种风险受综合因素的影响，如血管内导管引起的血流阻塞，如严重心功能不全患者的心内低血流流速。常规给予肝素抗凝降低血栓形成的风险；然而，血管内和心腔内的血栓发生率仍然很高，特别是在低ECMO血流速时，因此，在心脏超声的研究中应寻找血栓形成的证据（图9B）。ECMO管路内的血栓（通常在氧合器内）可能导致凝血因子和血小板的大量消耗，从而导致回路相关凝血功能障碍；在使用肝素抗凝的情况下，可能会出现大出血。

心腔内出现“自发性造影回声”与血液淤滞有关，因此，在一般心脏患者人群中血栓形成的风险增加。在ECMO支持的患者中，这种现象也被认为是升主动脉内、左心室内和肺静脉内血栓形成可能性增加的表现；进一步提示需要通过药物或机械手段促进前向血流。

超声心动图在ECMO撤除过程中的作用

撤除VA-ECMO需要严谨的临床评估及生化评估，这些都可以通过一系列的超声心动图检查实现。当ECMO同时联合正性肌力药物时，评估患者撤除ECMO可能性时要考虑到药物对心肌收缩力的影响。超声心动图参数已被证明是VA-ECMO撤除时有价值的预测因子。降低VA-ECMO支持的撤除试验包括快速将血流速降至1L/分，持续30分钟（目的是把血栓形成的风险降到最低），同时进行临床、血流动力学及心脏超声参数的评估。目前，尚无国际认可的心脏超声流程来指导撤除VA-ECMO，而且各治疗中心的撤除方法也不尽相同。可预测患者成功撤除VA-ECMO的参数包括：LVEF≧20%-25%，主动脉VTI≧12cm以及TDIlatS’≧6cm/秒。此外，在撤除ECMO之前，也应寻找证据排除左室扩张及大量心包积液。TAPSE和右室TDIS’可用于监测右室功能的恢复情况；然而，正如前述，连续评估较单个的数据更有意义（见“超声心动图在监测中的作用”部分）。

撤除VV-ECMO主要取决于对肺自身气体交换功能及顺应性的评估，这与降低ECMO支持相关。因此，在撤除VV-ECMO时并不需要常规心脏超声检查。然而，在撤除过程中，把右室大小和功能的监测与sPAP评估相结合，可以提供心脏随呼吸生理改变而反应的有用信息。

结论：

在重症医学领域，ECMO作为一项严重心-肺衰竭的支持手段正被越来越多的使用。从适应征的评估、指导置管，到并发症的监测、发现，以及ECMO的撤除，全面心脏超声检查在ECMO支持的各个阶段都不可或缺。当操作者了解这项床旁使用的技术，对需要ECMO支持患者的常见独特病理生理有很好的理解，并拥有一个工作关系密切的多学科重症治疗小组时，心脏超声就会带来最大的收益。