第一章 体外生命支持的历史
作者撰写该文章时，世界首例新生儿ECMO的存活者已经35岁。在一代医学人的努力下，重症监护病房内长期体外生命支持已经完成了从实验室中的奇迹到临床试验，再到常规治疗方法的转变。在美国，每一个重要的儿童医院都有自己的体外生命支持治疗团队，专门治疗其他常规手段无效的严重心肺衰竭患儿。虽然ECMO一开始主要用于新生儿呼吸衰竭的治疗，经过不断的成长和改进，现在主要用于婴幼儿和成人重症监护病房。事实上，随着对新生儿呼吸衰竭病理生理理解的深入以及更好的防治措施的出现，新生儿体外生命支持治疗的例数在稳步下降。随着我们对儿童和成人病理生理理解的加深以及治疗方法的革新，体外生命支持治疗的应用也将同样逐步下降。
人工心肺机是由John Gibbon医师首先开发的，起始于1939年，在1954年使用人工心肺机完成第一例开心手术。心脏外科手术中，回流的静脉血全部被引流到人工心肺机中，再经人工泵泵入到体循环，使一定时间内心脏内没有血液，允许心内畸形修补或者对冠脉系统进行手术。直接在心脏上进行手术是神奇的，但是人工心肺机本身会引起血液中液体和固体成分的损伤，而且体外循环超过2～3小时后，就会引起致命的并发症。血液损伤的主要原因是气血直接接触。采用可塑性的气体交换膜将气体和血液隔开，解决了大多数的血液损伤问题，心肺机可以持续运转数天，因此长期体外循环的生理学和病理生理学研究就在实验室中开展起来了。
1971年，J. Donald Hill等将人工心肺机首次成功用于长期生命支持。患者是一位年轻男士，因急性严重创伤患有成人呼吸窘迫综合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）。随后，又有几例儿童和成人严重心肺衰竭病例救治成功的报道。同时，成人呼吸窘迫综合征似乎开始流行，而体外生命支持似乎就是它的解决之道。1975年，在NIH的主导下，开始进行对长期体外循环治疗成年患者ARDS进行临床研究。这是首个生命支持技术对急性致死性疾病的前瞻性随机研究，其研究终点为死亡。此项临床研究在设计和执行方面都有很多问题，例如共有9个临床中心参加，但是只有3个中心在纳入第一例患者之前具备ECMO的临床经验。从这项研究中，我们学习到，ARDS的总体死亡率为66%，严重ARDS患者的死亡率高达90%；我们学习到，持续高水平机械通气情况下，经验不足的团队进行VA-ECMO一周，并不能有效提高严重ARDS患者的最终生存率。我们还艰难地学习到，在对急性致死性疾病进行一项前瞻性研究时应该避免的错误，并对这项技术进行了新的命名：体外膜式氧合（ECMO）。这项研究的结果发表在1979年，致使体外生命支持治疗的实验和临床研究因此停滞10年。这项研究现在仍然常常被引用，但是与当代ECMO实践没有关系。然而，ECMO在新生儿呼吸衰竭方面的治疗结果却令人鼓舞。
在1975年NIH的ECMO临床试验的计划阶段，我们报道了第一例体外生命支持治疗成功救治新生儿呼吸衰竭。那时，我们的实验室进行膜式氧合器和长期体外循环动物实验研究已经10年了。1972年，我们就成功进行了首例术后心肺衰竭儿童的体外支持救治，White和Dorson在新生儿呼吸衰竭治疗中却没有成功。我们的患者是一例继发于胎粪吸入的足月呼吸衰竭患儿。低氧血症的主要原因是肺动脉高压引起的经动脉导管和卵圆孔的右向左分流。这在当时可以看作是奇迹，但是我们很快认识到，胎儿循环生理的持续存在（新生儿持续肺动脉高压，PPHN）是大多数足月新生儿呼吸衰竭的主要原因。采用实验室中发展成熟的经血管径路技术、抗凝技术、呼吸机管理技术和体外循环技术，我们对不同疾病情况下的幼儿进行了体外循环支持。随后5年中，我们对40例新生儿患者进行了治疗，存活率50%。其他医院的新生儿专家和外科医师到我们这儿来学习这项技术。到1986年，18家新生儿中心都成功建立了ECMO中心。
与20多年前新生儿气管插管和机械通气技术所处的环境一样，这项新技术的出现同样受到仍属新领域的新生儿学家的质疑和轻视。我们进行了第一个前瞻性的ECMO救治新生儿呼吸衰竭的随机研究，采取了一些比较有弹性的试验设计方法，纠正了以前在成人研究中出现的错误。经过长时间的争论，这项研究的结果最终发表在1985年的Pediatrics杂志上，并邀请专家对这项技术和试验本身进行了评价和质疑。这些质疑和争论推动O’Rourke等在波士顿儿童医院进行了第二个前瞻性随机研究。他们同样采用相同的弹性试验方案，结果也相同（ECMO组救治存活率为94%）。密歇根试验被认为将过于危重的患儿纳入ECMO组而受到质疑。两年后，波士顿试验则因为拒绝将对照组患儿纳入ECMO救治受到责难。且不管学术性的争论，新生儿学家认识到常规应用ECMO的结果，将会是高存活率的快乐健康儿童，因此ECMO成为独立于其他方法的新生儿呼吸衰竭的标准治疗手段。
1990年，NIH组织了一个主旨为将高技术医学从实验室向临床转化的工作组，专门将新生儿ECMO作为一个例子来讨论。在新生儿ECMO从概念转化为常规应用的过程中，有几个因素促进了这个进步。这个技术的所有细节完全是在实验室和动物研究基础上建立起来，然后才进行临床研究的。临床研究经历了Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期验证，定期有报告和讨论发表，但是在大众媒体上没有敏感的报道。临床研究一开始就建立了所有中心、所有患者纳入的登记制度，后来证明这一举措对于技术的进步是极具价值的。ECMO的应用也使得对那些在没有ECMO支持情况下就会死亡的危重患者的研究成为可能。这最终揭示了新生儿呼吸衰竭病理生理和治疗技术许多不为前人所知的特点，反过来使得人们对其他更加简单的治疗手段有了更好的理解。随着技术的发展，ECMO技术开始标准化并不断推广，也被正在和即将使用这项技术的医师有组织地研究和改进。1989年，这些研究者和临床医师建立了名为“体外生命支持组织（ELSO）”的正式组织机构。在最近20年，该组织在这个领域建立了多个指南和技术操作文件，发表了标准教科书，并坚持了体外生命支持治疗病例的注册系统。ELSO也追踪和记录了体外生命支持治疗技术在其他疾病和患者群中的应用演变。到2010年1月为止，已经注册4万余例患者，其中半数是新生儿。又有两个前瞻性的新生儿研究发表了其试验结果，一个是在英国开展的大规模临床研究，其试验设计几乎解决了急性致死性新生儿疾病救治方面前瞻性随机研究面临的所有问题。ECMO现在已经成为独立于其他治疗手段的常规治疗方法，总体存活率是85%，胎粪吸入患儿成功率最高，达98%，先天性膈疝存活率最低，为55%。
在新生儿呼吸衰竭救治成功的基础上，有些医师又开始转向儿童和成人呼吸衰竭的救治。Kolobow等发现高压通气模式（肺牵张）和过高的FiO2（fraction of inspired oxygen）可导致严重的肺损伤。Gattinoni和Kolobow采用体外循环排出二氧化碳，高频喷射通气进行氧合，将呼吸与氧合分开，这样就不需要机械通气，可以防止肺组织牵张损伤，严重ARDS患者的救治成功率达到56%。这些结果重新激起了人们采用体外生命支持治疗救治成人呼吸衰竭的兴趣，在20世纪90年代，多个团队报道了类似的结果。
一、成人呼吸衰竭
即使采用最优秀的治疗方案，ARDS患者的总体死亡率仍高达30%～40%。气管插管后1周内高死亡风险的ARDS患者是体外生命支持治疗的适应证。这些患者插管后2～4天时，肺泡动脉氧分压差（Alveolar-arterial oxygen difference AaO2）超过600mmHg，死亡率接近80%，而采用体外生命支持治疗后救治成功率高达70%。采用体外生命支持治疗前，如果气管插管时间超过5天，则恢复几率很低，因此采用体外生命支持治疗救治ARDS的总体成功率大约为55%。密歇根大学报道了采用体外生命支持治疗救治ARDS最大宗的临床经验，总体存活率为52%，而2002年以来，其存活率为65%，其数据量足够大，可以分析患者因素对转归的影响，也可以分析年龄和机械通气天数对恢复的影响。2009年，Brogan发表了成人呼吸衰竭救治方面的ELSO注册数据。
英国Leicester的ECMO团队进行了一项ARDS患者常规机械通气治疗和ECMO治疗的前瞻性随机临床研究，采用在新生儿研究中已经获得认可的设计方案，其研究结果（CESAR试验）发表于2009年，常规治疗组存活率为47%，而Leicester ECMO方案救治组的存活率为63%。
二、儿童呼吸衰竭
1991年，儿童重症监护研究小组和ELSO开展联合研究，纳入32家儿童重症监护病房，679例呼吸衰竭患者。总体死亡率为40%，多参数回归分析表明，ECMO是唯一一项有益于临床转归的治疗手段。Green采用该研究的数据库作了配对分析比较，发现55例ECMO救治存活率为74%，而110例常规治疗存活率为53%。
与新生儿和成人相比，年长儿童发生急性呼吸衰竭的几率很低，最常见的原因是病毒性或细菌性肺炎。哮喘持续状态是儿童另外一个致命的病症。在其他治疗措施都无效的情况下，应该考虑体外生命支持治疗，总体存活率大约为75%，视患者的初始发病情况不同而有所不同。多数呼吸衰竭的儿童可以采用VV-ECMO治疗。未能存活的儿童，最常见的死亡原因是原发感染造成肺组织不断破坏，或者体外生命支持治疗前缺氧缺血阶段引起的大脑损伤。随访过程中，存活儿童基本上是正常的，一旦肺组织恢复，肺功能和运动耐受能力都能恢复到正常。
三、心脏衰竭
ECMO在VA模式下可以同时进行心脏和肺脏支持。1972年以来，ECMO就一直用于心衰的救治，但是直到最近10年，其应用才快速增长，且主要是在儿童患者。其原因在于ECMO是美国唯一能够用于儿童的心脏功能替代装置，可以最终康复，或者可能过渡到器官移植。在成年心衰患者，ECMO常规用于心源性休克和心搏骤停的抢救，以获得评估、心脏辅助装置植入和最终器官移植的时间。
2008年，新一代的膜肺、安全的离心泵和血管插管技术进入美国，这些装置使得ECMO更加安全和简单，一般的ICU工作人员也能很好管理。这种技术（我们称为ECMO-Ⅱ或第Ⅱ代ECMO）具有将ECMO普及到医院中其他新领域的潜力。ECMO成为可能也得益于一个新专业领域的出现：ECMO技术专家。这些从护理、呼吸治疗和灌注专业来源的医学专家都获得了专门的知识和技术，足以理解和处理长期体外生命支持技术出现的各种问题。ECMO专家独立承担管路系统和患者处理等重大责任，典型的ECMO规程中其职责可能是“调整管路流量和压力、利尿剂应用、血液制品的输注、镇静和呼吸机设定，以维持最佳生命支持状态”。本手册列出了ECMO团队所要求的专家培训和资质，以及ECMO管理的细节。
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