Cardio-Pulmonell Bypass

Cardio-Pulmonell Bypass
Hjärt-lung-maskinen
2
Introduktion
Extrakorporeal cirkulation (ECC) har många användningsområden. ECC används
t.ex. för kardiopulmonell bypass (CPB) vid hjärtkirurgi och aneurysmkirurgi, som
cirkulationsunderstöd vid hjärt- eller lungsvikt (t.ex. VAD eller ECMO), för shuntning
vid levertransplantationer, för hyperterm cytostatikaperfusion, för uppvärmning vid
accidentell hypotermi och vid dialys.
Hjärt-lungmaskinen
Hjärtlungmaskinen ersätter, de flesta, av hjärtats och lungornas funktioner under en
begränsad tid, dvs. vanligtvis under hjärtkirurgi.
Blodet dräneras från patientens hålvener eller från höger förmak. Det samlas upp i en
venreservoar. Från venreservoaren pumpas blodet genom värmeväxlaren, där blodet
kyls eller värms, och oxygenatorn, här sker syresättning samt utvädring av koldioxid.
Det syresatta blodet återvänder sedan till patienten genom aortakanylen.
I hjärtlungmaskinen exponeras blodet för 2-3 m2 främmande ytor. Blodkontakt med
främmande ytor initierar koagulation. Därför kräver ECC antikoagulationsbehandling,
vanligtvis heparinisering. Då blodet är antikoagulerat kan blödning från
operationsområdet tillvaratagas i hjärtlungmaskinen. Blodet sugs upp med
maskinsugarna, filtreras i kardiotomireservoaren och blandas sedan med venblodet i
venreservoaren. På senare tid har det introducerats nya, mindre perfusionssystem
s.k. ”mini system”. De teoretiska fördelarna bakom dessa är; minskad spädning av
blodceller och blodkomponenter, undvikande av blod/luft kontakt, mindre yta i direkt
kontakt med blod, mindre mekanisk stress och trauma för blodceller, heparin coatade
och biokompatibla ytor, mindre behov för systemiskt heparin, samt undvikande av
återförande av blod från operationsområdet.
Under hjärtkirurgi klampas oftast aorta. D.v.s. en tång placeras ovanför aortaklaffen
men under aortakanylen. Det innebär att hjärtlungmaskinen försörjer kroppens
samtliga organ utom hjärtat. För att etablera asystoli samt för att kyla myokardiet och
därmed minimera metabolismen ges kardioplegi, en kall kaliumhaltig lösning direkt in
i hjärtats koronarer.
Vid behov kan dessutom olika typer av filter inkluderas i det extrakorporeala
systemet, till exempel leukocytfilter eller hemofilter.
Oxygenatorer
Oxygenatorn tillför syre, och eventuellt anestesigaser, samt vädrar ut koldioxid.
Oxygenatorns kapacitet kan inte mäta sig med en vanlig lungas. Men tack vare
hypotermi, muskelrelaxantia och anestesi reduceras patientens metaboliska behov till
en nivå som kan motsvara en oxygenators förmåga.
Olika oxygenatortyper har förekommit bla diskoxygenatorn och bubbeloxygenatorn. I
Sverige används numera enbart membranoxygenatorer. Membranoxygenatorerna
kan indelas i två huvudgrupper: silikonmembran och mikroporösa membran.
Silikonmembranet är helt tätt, det innebär att själva membranet deltar i diffusionen.
Silikonmembranet har lång livslängd och risken för luftläckage in i blodbanan är liten.
Dessa oxygenatorer används framför allt till ECMO.
3
De mikroprösa membranen förekommer idag enbart som hollowfiber membran. I
dessa oxygenatorer sker diffusionen genom porer i polypropylen-membranet.
Fördelarna med dessa oxygenatorer är låg primingvolym, god syrgas- och koldioxid
transport och enkelt handhavande.
Värmeväxlare
Hypotermi används för att minska metabolismen och därigenom öka säkerheten vid
t.ex. maskintekniska problem eller vid dåligt venåterflöde. Vid sänkning av
kroppstemperaturen sänks kroppens syrekonsumtion med 5-8% per grad. Sänks
kroppstemperaturen till 30°C reduceras kroppens syrekonsumtion till 50 %, minskas
kroppstemperaturen till 20°C minskar syrekonsumtionen till 25 %.
Graden av hypotermi beror på flera olika faktorer framför allt typ av kirurgi. Vid till
exempel kirurgi i aortabågen krävs ofta cirkulatorisk arrest, då kyls patienten till 15°C.
Vid koronarkirurgi används oftast mild hypotermi, dvs. 33-35°C.
Innan hjärtlungmaskinen avvecklas värms patienterna till minst 36°C i
blåstemperatur.
Det bedrivs mycket forskning kring hypotermi och dess funktion och effekter. Vi kyler
idag inte lika mycket som förr. Kvaliteten på utrustningen har förbättrats, det händer
sällan incidenter med maskinen. Dessutom har operationstiderna förkortats. Men
dåligt venåterflöde förekommer. Då skapar hypotermin större marginaler för
temporärt lägre maskinflöden.
Blodet kyls och värms i hjärtlungmaskinens värmeväxlare. Värmeväxlaren kan vara
en separat komponent eller vara integrerad i oxygenatorn. Den kan vara tillverkad i
plast eller i rostfritt stål. Värmeväxlaren kopplas till en hypo/hypertermienhet, som
pumpar varmt eller kallt vatten genom den.
Venreservoarer
Venreservoaren är placerad mellan venslangen och artärpumpen. Den fungerar som
en buffertreservoar mellan ett varierande venåterflöde och ett relativt konstant
pumpflöde. Reservoaren är ett förvaringsutrymme för blodet från hjärta och lungor.
Dessutom fungerar reservoaren som luftfälla för de ibland stora mängder luft som
kommer i venslangen. Venreservoaren innehåller vanligtvis någon typ av
grovmaskigt filter.
Det finns två typer av venreservoarer; hårda och mjuka.
En mjuk venreservoar är kollaberbar, den sluter tätt kring blodet. Det innebär en
minskad risk för massiv luftperfusion. Blodet exponeras inte för någon stor luftyta,
vilket skulle kunna innebära en minskad blodskada. En mjuk venreservoar kräver en
separat kardiotomireservoar och aktiv avluftning. Oftast kan nivåvakt inte användas.
4
En hård venreservoar ser ut som en stor plastburk. Den är öppen mot luft och
blodytan exponeras mot luft. Handhavandet är enklare och man kan använda
nivåvakt. Ofta är kardiotomireservoaren integrerad i den hårda venreservoaren.
Kardiotomireservoarer
För att filtrera bort till exempel gamla koagler, fett och kanske benfragment, måste
blodet som sugs upp med maskinsugarna filtreras. Detta sker i kardiotomifiltret i
kardiotomireservoaren. Kardiotomifiltrets grovlek är ca 20 micron. Genom
kardiotomifiltret filtreras, förutom sugblod, även blodprodukter, infusionsvätskor och
postoperativt dränblod. Ofta används kardiotomireservoaren som postoperativt
thoraxdränage.
Pumpar
Hjärtlungmaskinen är vanligtvis utrustad med fyra eller fem pumpar. Två eller tre
pumpar används som sugar, en används för kardioplegigivning och en är artärpump,
d.v.s. den pumpar runt blodet i maskinen och i kroppen. Sugarna och
kardioplegipumpen är nästan alltid rollerpumpar. Artärpumpen kan vara en
rollerpump eller en centrifugalpump.
I rollerpumpen placeras en slang och sen pressas blodet fram av två rullar. Flödet
beräknas genom att man multiplicerar varvtalet med antal milliliter blod per varv. Det
är viktigt att ocklusionen är riktigt justerad och att flödesberäkningen är kalibrerad
efter aktuell slangdimension. Trycket mellan pump och oxygenator bör alltid
monitoreras då pumpen är ocklusiv. Rollerpumpen är enkel att handha, den är relativt
billig och den är driftsäker. Med rollerpumpen kan pulsativt eller kontinuerligt flöde
etableras.
Centrifugalpumpen bygger på principen av en forcerad intvingad virvelrörelse. I
naturen uppstår virvlar när vätska och luft sätts i en cirkelrörelse. Luft blir en tornado
och vätska blir en virvel. I centrifugalpumpen sätts blodet i en virvelrörelse och virveln
tvingas in i ett pumphus. Energin pressar blodet ut mot pumphusets kanter och
blodet lämnar pumpen genom utgången på sidan. I pumpens mitt blir trycket lågt, här
är pumpens ingång placerad. Endast ett fåtal centrifugalpumpar kan idag användas
för pulsativt flöde.
Centrifugalpumpen är inte ocklusiv. Flödet är beroende av hur mycket energi som
tillförs (d.v.s. varvtal) samt av pumpens preload (tillflöde) och av pumpens afterload
(flödesmotstånd). Flödet kan alltså inte styras eller beräknas direkt, det måste mätas.
Flödet mäts i en flödesprobe, med hjälp av elektromagnetisk teknik. Mätmetoden
bygger på principen att spänning uppstår när elektriska ledare rör sig genom ett
magnetiskt fält.
Pulsativt flöde innebär att man kör rollerpumpen med varierande hastighet så att
pulsvågor bildas. Pulsen som genereras av pumpen dämpas emellertid både av
membranoxygenatorn och av aortakanylen. Det är svårt att skapa en pulsvåg som
liknar den normala, fysiologiska pulsen. Pulsativt flöde skulle möjligen kunna
innebära t.ex. förbättrad perifer cirkulation och bättre njurperfusion. De ojämna
pumphastigheterna förorsakar emellertid ett ökat slitage på såväl pump som slang
och oxygenator. Dessutom ökar risken för frisättning av mikrobubblor från
5
membranet pga de stora tryckvariationerna. Få eller inga kliniker använder idag
pulsativt flöde.
Venklämma
Men venklämman öppnar man och stänger venslangen, d.v.s. man reglerar det
venösa återflödet till hjärtlungmaskinen. Vid start av ECC öppnas venklämman
successivt, tills den är helt öppen.
När ECC skall avslutas, och patienten skall börja pumpa själv, dras venklämman
försiktigt åt. En del av det venösa blodet tvingas då ner i höger kammare och vidare
den normala vägen genom lungor och vänsterhjärta. Under denna avvecklingsfas
observeras hjärtats pumpförmåga med hjälp av artärtryck, transesofagalt
ekokardiografi och centralt ventryck och eventuellt också med pulmonalistryck. När
patientens hjärta orkar pumpa självt minskas pumpflödet från maskin samtidigt som
venklämman dras åt ytterligare. Denna balansgång fortsätter tills patienten helt tagit
över pumpfunktionen, och maskinen står stilla och venklämman är helt stängd.
Kanyler
Artärkanyleringen sker oftast i aorta ascendens, men även kanylering i arteria
femoralis förekommer. Kanyleringsförfarandet börjar alltid med arteriell kanylering,
därefter kopplas artärkanylen ihop med artärslangen från hjärtlungmaskinen. Om
blödning sen skulle uppstå kan volym snabbt transfunderas via artärkanylen.
Den venösa kanyleringen kan antingen ske bicavalt, d.v.s. separata kanyler förs in i
vena cava superior respektive inferior, eller med en dubbellumen kanyl i höger
förmak. Bicaval kanylering används vid kirurgi då man går in i högerhjärtat eller vid
t.ex. transplantationskirurgi. Kanylering i höger förmak används vid koronarkirurgi och
aortaklaffkirurgi samt även vid kirurgi på aorta.
Hemofilter
För att reducera volymen i maskin och för att höja hematokriten kan hemofilter
användas. Vid njursvikt kan t.ex. kalium och slaggprodukter filtreras bort. Det kräver
emellertid mycket filtration. Filtratet kan liknas vid primärurin.
Hemofiltration under hypotermi kan ge hemolys, därför bör filtrationen inte påbörjas
förrän under värmningsfasen.
6
Kardioplegi
Kardioplegi är en kaliumhaltig, oftast kall, lösning som ges in i hjärtats koronarer när
aorta är klampad. Vid kardioplegigivning uppstår kemisk arrest. Ökningen av
extracellulärt kalium förhindrar depolarisation och hjärtat stannar, oftast i diastole.
Målsättningen med kardioplgigivning är; 1. Att etablera snabb asystoli, som innebär
minskat energibehov. 2. Membranstabilisering, d.v.s. depolarisation förhindras och
asystolin kvarstår. 3. Att kyla hjärtat. 4. Att buffra för att upprätthålla adekvat pH för
adekvat metabolism. 5. Att skapa hyperosmolaritet i kärlen, för att förebygga ödem.
6. Att tillföra substrat för anaerob/aerob metabolism.
Olika typer av kardioplegi förekommer; kristalloid kardioplegi eller blodkardioplegi,
antegrad eller retrograd kardioplegi, varm eller kall kardioplegi.
Vid blodkardioplegigivning blandas kaliumlösning med syresatt blod från
oxygenatorn. Den färdigblandade kardioplegilösningen kyls sedan i en separat
kardioplegivärmeväxlare till önskad temperatur (ofta ca 7°C). Målet är att bibehålla en
så normal metabolism som möjligt med aerob förbränning. Blodkardioplegi har bättre
buffertkapacitet och bättre syrebärande kapacitet än kristalloid kardioplegi. Dessutom
är det kolloidosmotiska trycket högre.
Vid antegrad kardioplegigivning ges kardioplegin från aortaroten in i hjärtats artärer.
En fördel är att asystolin kommer snabbt, nackdelarna är bla att distributionen är
begränsad förbi koronarstenoser och att kardioplegin kan läcka ner i vänster
kammare vid aortainsufficiens.
Retrograd kardioplegi distribueras via sinus coronarius. Här är fördelarna bla bättre
distribution förbi koronarstenoser och mindre risk för skada på koronarostier.
Nackdelarna är t.ex. fördröjd asystoli (större volymer måste ges), risk för sämre
distribution till högerhjärtat och risk för skador på sinus coronarius.
Monitorering
Hjärtlungmaskinen är utrustad med ett flertal larm och monitorer. Bland de viktigaste
kan nämnas:
- Tryckmonitorering efter pumpen, före och efter oxygenatorn. Här registreras
tryckstegringar på grund av till exempel fällningar i oxygenatorn eller felaktigt
aortakanylläge.
Tryckmonitorering görs även på kardioplegidelen av hjärt- lungmaskinen.
- Temperaturmonitorering på flera olika ställen. På vatten i värmeväxlaren, på venoch artärblod samt på kardioplegin.
- Nivådetektor. En ultraljudsdetektor fästes på den hårda venreservoaren. Detektorn
registrerar, larmar och stoppar artärpumpen om blodnivån sjunker under
detektorns nivå.
- Bubbeldetektor. Detektorn placeras runt artärslangen. Den detekterar, larmar och
stoppar artärpumpen om det kommer luft i artärslangen.
- Inline-monitorering av blodgaser. Monitorer som mäter tex pH, pCO2, pO2,
syremättnad, hematokrit och temperatur i ven och/eller artärslang.
- Online-monitorering av blodets saturation på både artär och vensidan.
7
Patienten övervakas också med en hel del monitorering:
- EKG
- Artär och Centralt ventryck (CVP) och ibland även pulmonalistryck.
- Temperatur, som regel i urinblåsan. Vid kylning till djup hypotermi mäts oftast
temperaturen på flera ställen, t.ex. i örat och/eller i esofagus.
- Cerebral saturation (Invos)
- Transesofagal ekokardiografi
Priming
Det extrakorporeala systemet måste fyllas med vätska och avluftas innan det kopplas
till patienten. Ett ECC-system till en vuxen kräver ca 1500 ml i prime. Vid maskinstart
blandas alltså patientens blodvolym med primingvolymen. En viss hemodilution
accepteras, den tom eftersträvas. Eftersom hypotermi ökar blodets viskositet
motverkas viskositetsökningen genom att blodet spädes med kristalloid prime.
Anestesi och hypotermi innebär att inte lika många syrgastransportörer behövs per
liter blod. En hematokrit på ca 25% eftersträvas emellertid.
Före priming beräknas hur hög hematokriten kommer att bli efter spädning. Vid
behov primas maskinen med blod. Men vanligtvis primas hjärtlungmaskinen inför
vuxenkirurgi med kristalloid prime bestående av Ringer-Acetat med tillsats av
Mannitol.
Blodflöde
Behovet av blodflöde varierar mycket beroende på bla ålder, kön, muskelmassa,
anestesidjup, hematokrit och temperatur. Till vuxna beräknas flödet schablonmässigt
till 2,4 liter/m2/minut. Flödet kan i viss mån verifieras med venöst syrgasinnehåll.
Monitorering av syrgasinnehållet i venslangen är en vanligt förekommande metod för
att värdera perfusionens kvalitet, dvs om distributionen av syre till kroppens vävnader
och organ är tillräcklig. Ambitionen är att pO2 i kapillärerna skall vara högre än pO2
intracellulärt, så att ett drivtryck från kapillär till cell erhålles. Venöst pO2 visar hur
mycket syre som finns tillgängligt för cellen. Syremättnaden visar hur stor volym syre
som finns bundet till hemoglobinet. Under extrakorporeal cirkulation i hypotermi är
förhållandet pO2/syremättnad inte konstant utan varierar med temperatur, pH, pCO2
och 2.3 DPG.
Ett sjunkande venöst syrgasinnehåll föranleder åtgärder för att öka
syredistributionen. Åtgärderna varierar beroende på orsaken till den sjunkande
venösa saturationen Exempel på sådana åtgärder kan vara ökat blodflöde eller
erytrocyttransfusion för att öka antalet syrgastransportörer, alternativt kan
hemofiltration göras om blodvolymen är stor.
8
Blodgaser
Ambitionen är att även i hjärtlungmaskinen försöka skapa så fysiologiska
förhållanden som möjligt. Men de metaboliska förhållandena i kroppen förändras
under ECC, mycket beroende på hypotermi. Det finns två olika huvudteorier gällande
blodgasstrategi under ECC; pH-stat och alfa-stat. Dessa är dock mest aktuella när
man kyler mycket, som tex inför cirkulatorisk arrest.
PH-stat: Blod som kyls stiger normalt i pH. Med pH-stat-strategin hålles pH konstant
under kylning, det innebär att pCO2 måste stiga. Högt pCO2 ger vasodilatation i
hjärnan, vilket kanske skulle kunna tillförsäkra hjärnan en god perfusion.
Alfa-stat: PCO2 hålles konstant under kylning. Autoregulationen i hjärnan bibehålles.
Hjärnödem undviks.
Antikoagulation
När blod kommer i kontakt med främmande ytor startar ett antal kaskadreaktioner,
tex: koagulationskaskaden, komplementsystemet, fibrinolytiska systemet och kininkallikreinsystemet. Mest påtaglig och konkret är koagulationskaskaden. Därför måste
antikoagulationsbehandling ges i samband med ECC.
Målsättningen med antikoagulation är: 1. Att förebygga koagulation i patient och
extrakorporealt system. 2. Att preservera patientens koagulationsfaktorer och på så
vis förebygga postoperativ blödning.
Vanligtvis används Heparin som antikoagulans. Heparin är en polysackarid som
utvinnes ur grisinälvor eller nötlungor. Heparin påverkar inte själv direkt
koagulationen, utan verkar huvudsakligen genom att förstärka effekten av antitrombin
III (ATIII). Antitrombinet bildar komplex med aktiverade koagulationsfaktorer och
inaktiverar dem. Heparinet förstärker ATIII-effekten.
Heparinkänsligheten varierar signifikant mellan olika patienter. Det kan bero på
heriditet, läkemedel eller sjukdomar. Det är viktigt med en adekvat Heparindosering,
både för antikoagulation och för preservation av koagulationsfaktorer.
Halveringstiden för Heparin, injicerat i blod är i genomsnitt ca 60 min. Men den
varierar mycket mellan olika patienter. Hos barn metaboliseras Heparinet ofta dubbelt
så fort som hos vuxna.
Schablonmässigt ges 400 E Heparin/kg inför ECC.
Heparin reverseras med Protamin. Protamin är enkla proteiner, isolerade ur
fisksperma. Observera att reaktioner kan förekomma bland fiskallergiker. Det är
viktigt att beräkna rätt Protamindos. För mycket Protamin ger onödiga tryckfall.
Dessutom fungerar Protaminet självt som antikoagulant vid för höga doser.
Protamindosen vid reversering är 1 mg Protamin mot 100 E Heparin.
Heparineffekten monitoreras oftast med hjälp av ACT (Activated Clotting Time). Vid
ACT-test blandas blod med ett reagens och sedan mäts hur lång tid det tar innan
fibrin bildas. ACT skall under ECC vara >420 sekunder. ACT är en enkel och snabb
analys. ACT-värdet förhåller sig linjärt till Heparinkoncentrationen i blod. ACT
påverkas emellertid av ett stort antal andra faktorer, som tex: hemodilution, andra
läkemedel och hypotermi.
9
Tillbud och incidenter vid ECC
Kvalitet och säkerhet är viktigt och prioriteras högt av såväl perfusionister som
industri. Både hjärtlungmaskiner och engångsmaterial håller en mycket hög
prestanda. Perfusionistutbildning och auktorisation och certifiering av perfusionister
har bidragit till god kompetens i perfusionistkåren. Men trots detta kan tillbud och
incidenter uppstå. Exempel på sådana tillbud är:
- Luftembolisering
- Accidentell dekanylering
- Luftblock i venslangen
- Koagulation i systemet
- Köldantikroppar
- Koagulation vid accidentell hypertermi
- Hypoperfusion
- Blodläckage
- Vattenkontamination från värmeväxlaren.
Perfusionisterna i Lund
Sept. 2007