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心肺バイパス（CPB）または心肺装置（ポンプまたはCPBポンプとも呼ばれる）は、心臓灌流技師が操作する装置で、開胸手術中に一時的に心臓と肺の機能を代行し、全身に血液と酸素の循環を維持します。[ 1 ]そのため、体外装置です。
この装置は、心臓と肺を迂回して血液を患者の全身に機械的に循環させ、酸素を供給するため、外科医は無血の手術野で手術を行うことができる。
人工心肺（CPB）は、心臓に関わる手術や外科処置で一般的に用いられます。この技術により、手術チームは患者の血液に酸素を供給し循環させることができ、外科医は安全に心臓手術を行うことができます。冠動脈バイパス移植術（CABG）など、多くの手術では、拍動している心臓の手術は非常に困難であるため、心臓を停止させます。
僧帽弁修復術や置換術など、心臓の各腔を開く手術では、体外循環装置（CPB）の使用が必須となります。これは、全身への空気の混入を防ぎ、術野を無血状態にすることで外科医の視界を確保するためです。CPBは血液を送り出し、酸素供給装置を用いて赤血球が酸素を取り込むとともに、二酸化炭素濃度を低下させます。これは、それぞれ心臓と肺の機能を模倣したものです。
CPBは、全身性低体温症の誘発に使用できます。これは、灌流（血流）なしで最大45分間身体を維持できる状態です。正常体温で血流が停止すると、3～4分で永久的な脳損傷が発生し、死に至る可能性があります。同様に、CPBは低体温症の患者を温めるためにも使用できます。このCPBを用いた温め直し方法は、患者の中心体温が16 ℃以上であれば成功します。
体外循環中は血液が冷却され、体内に戻されます。冷却された血液は体の基礎代謝率を低下させ、酸素需要を減少させます。冷却された血液は通常粘度が高くなりますが、バイパスチューブのプライミングに使用される様々な晶質液や膠質液によって血液は希釈されます。臓器の適切な血圧を維持することは困難ですが、手術中は注意深く監視されます。必要に応じて低体温も維持され、体温は通常28～32 ℃（82～90 °F）に保たれます。
体外式膜型人工肺（ECMO）は、遠心ポンプと酸素供給装置を備え、心臓や肺の機能を一時的に代行する、人工心肺装置の簡易版です。ECMOは、心臓手術後の心機能障害や肺機能障害のある患者、急性肺不全、大量肺塞栓症、感染症による肺損傷、その他心機能や肺機能を損なう様々な疾患の患者に有効です。
ECMOは心臓や肺の修復・回復のための時間を与えるものですが、あくまで一時的な解決策です。末期疾患、がん、重度の神経系障害、制御不能な敗血症などの患者は、ECMOの適応とならない場合があります。
CPBは以下のような状況で使用されます。
心肺バイパスには絶対的な禁忌はありません。[ 6 ]ただし、手術を計画する際に医療チームが考慮する必要のある要因がいくつかあります。
ヘパリン誘発性血小板減少症およびヘパリン誘発性血小板減少症と血栓症は、ヘパリン投与に関連する生命を脅かす可能性のある状態です。これらの状態の両方で、ヘパリンに対する抗体が形成され、血小板の活性化と血栓の形成を引き起こします。ヘパリンは通常、体外循環で使用されるため、ヘパリン誘発性血小板減少症およびヘパリン誘発性血小板減少症と血栓症の原因となる抗体を持っていることがわかっている患者には、代替の抗凝固療法が必要です。ビバリルジンは、体外循環を必要とするヘパリン誘発性血小板減少症およびヘパリン誘発性血小板減少症と血栓症の患者において最も研究されているヘパリン代替薬です。[ 7 ]
抗トロンビンIII欠乏症などの患者のごく一部は、ヘパリンに対する抵抗性を示すことがある。このような患者では、十分な抗凝固作用を得るために、ヘパリン、新鮮凍結血漿、または組換え抗トロンビンIIIなどの他の血液製剤を追加で投与する必要があるかもしれない。[ 8 ]
持続性左上大静脈は、正常な発達過程で左側の大静脈が退縮しない胸部系の変異です。これは胸部静脈系の最も一般的な変異であり、人口の約0.3%に発生します。[ 9 ]この異常は術前画像検査で検出されることが多いですが、術中に発見されることもあります。持続性左上大静脈があると、適切な静脈ドレナージや逆行性心筋保護液の投与が困難になる場合があります。CPB中の持続性左上大静脈の管理は、大静脈変異の大きさやドレナージ部位などの要因に依存します。[ 10 ]
CPBを使用する際には、脳灌流、つまり脳血流を常に考慮する必要があります。CPBの性質と循環への影響により、身体自身の脳の自己調節機能が影響を受けます。この問題の発生と予防の試みは何度も取り上げられてきましたが、まだ完全には理解されていません。[ 11 ]
CPBにはリスクがないわけではなく、多くの関連問題があります。そのため、CPBは心臓手術にかかる数時間の間だけ使用されます。CPBは凝固カスケードを活性化し、炎症性メディエーターを刺激し、溶血や凝固障害を引き起こすことが知られています。この問題は、膜型酸素供給器に補体タンパク質が蓄積するにつれて悪化します。[ 13 ]このため、ほとんどの酸素供給器には、最大6時間のみ使用するように製造元が推奨していますが、凝固して機能しなくなることがないように注意すれば、最大10時間使用されることもあります。これより長い期間の場合は、膜型酸素供給器 が使用され、最大31日間稼働させることができます。例えば、台湾の症例では、16日間稼働した後、患者は心臓移植を受けました。[ 14 ]
CPBに関連する最も一般的な合併症は、抗凝固療法の拮抗中に起こるプロタミン反応です。[ 10 ]プロタミン反応には3つのタイプがあり、それぞれ生命を脅かす低血圧（タイプI）、アナフィラキシー（タイプII）、または肺高血圧（タイプIII）を引き起こす可能性があります。[ 15 ] [ 13 ]精管切除術を 受けた患者（プロタミンは精子に含まれています）や糖尿病患者（プロタミンは中性プロタミンハゲドーン（NPH）インスリン製剤に含まれています）など、プロタミンに以前曝露した患者は、交差過敏症のため、タイプIIプロタミン反応のリスクが高くなります。[ 13 ]プロタミンは速効性の薬剤であるため、通常は反応の可能性を監視できるようにゆっくりと投与されます。[ 12 ]プロタミン反応の管理の最初のステップは、プロタミンの注入を直ちに中止することです。コルチコステロイドは、あらゆるタイプのプロタミン反応に使用されます。クロルフェニラミンは、II型（アナフィラキシー）反応に使用されます。III型反応の場合は、ヘパリンを再投与し、患者はバイパスに戻る必要がある場合があります。[ 13 ]
CPBは即時の認知機能低下の一因となる可能性がある。心肺血液循環システムおよび接続手術自体が、血球の破片、チューブ、プラークなど、さまざまな異物を血流中に放出する。例えば、外科医が大動脈をクランプしてチューブに接続すると、結果として生じる塞栓が血流を遮断し、ミニ脳卒中を引き起こす可能性がある。精神障害に関連するその他の心臓手術要因としては、低酸素症、高体温または低体温、異常な血圧、不整脈、術後の発熱などが挙げられる。[ 16 ]
心肺バイパス装置は、ポンプと酸素供給装置の 2 つの主要な機能ユニットで構成されています。これらのユニットは、一連のチューブまたはホースを通して、患者の体から酸素が不足した血液を取り除き、酸素が豊富な血液と交換します。さらに、熱交換器を使用して、回路内の血液を加熱または冷却することで体温を制御します。回路のすべてのコンポーネントは、回路内での凝固を防ぐために、ヘパリンまたは他の抗凝固剤で内部コーティングされています。 [ 10 ]
CPB回路の構成要素は、シリコーンゴムまたはPVC製のチューブの連なりによって相互接続されている。[ 17 ]
現在、多くのCPB回路では、CPB中の血流の維持と制御に遠心ポンプが使用されています。ポンプヘッドの回転速度（RPM）を変更することで、遠心力によって血流が生成されます。このタイプのポンプ動作は、ラインの過圧、クランプ、またはキンクを防ぎ、血液製剤への損傷（溶血など）が少ないと考えられているため、ローラーポンプよりも優れていると考えられています。[ 18 ]
ポンプコンソールは通常、複数の回転式モーター駆動ポンプで構成されており、蠕動運動によってチューブを「マッサージ」します。この動作により、血液がチューブ内を穏やかに送り出されます。これは一般的にローラーポンプまたは蠕動ポンプと呼ばれます。これらのポンプは遠心ポンプよりも安価ですが、ラインがクランプされたり折れ曲がったりすると過圧になりやすいです。[ 18 ]また、大量の空気塞栓症を引き起こす可能性が高く、灌流技師による絶え間ない綿密な監視が必要です。[ 10 ]
CPBでは低体温が頻繁に用いられるため（代謝要求を減らすため）、回路内の血液を温めたり冷やしたりするために熱交換器が使用される。加熱と冷却は、ラインを温水または氷水の浴槽に通すことによって行われ、心筋保護液ラインには別の熱交換器が必要となる。[ 10 ]
手術の種類に応じて、患者の体内のさまざまな場所に複数のカニューレが縫い付けられます。静脈カニューレは酸素が不足した静脈血を患者の体から抜き取り、動脈カニューレは酸素が豊富な血液を動脈系に注入します。カニューレのサイズ選択の主な決定要因は、患者の体格と体重、予想される流量、およびカニューレを挿入する血管のサイズによって決まります。 [ 10 ]心筋保護カニューレは、心臓の拍動を停止させるために心筋保護液を注入します。
一般的に使用されるカニューレ挿入部位：
心筋保護液は、CPB中に心臓を保護するために使用される液体溶液です。カニューレを介して冠動脈の開口部（通常は大動脈根経由）および/または心臓静脈（冠状静脈洞経由）に投与されます。[ 18 ]これらの投与方法は、それぞれ順行性または逆行性と呼ばれます。心筋保護液は、心臓を停止させることで心臓を保護します。これにより、心臓の代謝要求が減少します。心筋保護液には複数の種類がありますが、ほとんどは心臓内の速いナトリウム電流を阻害することで作用し、活動電位の伝導を妨げます。他の種類の溶液は、心筋細胞に対するカルシウムの作用を阻害することで作用します。[ 19 ]
CPBは手術前に十分な準備が必要である。特に、カニューレ挿入、冷却、心臓保護戦略は、外科医、麻酔科医、灌流技師、看護スタッフの間で調整されなければならない。[ 18 ]
カニューレ挿入の方法は、手術や患者固有の詳細によって様々です。しかし、外科医は右心房、大静脈、または大腿静脈にカニューレを挿入して、体から血液を抜き取ります。酸素化された血液を戻すために使用されるカニューレは通常、上行大動脈に挿入されますが、手術の必要性に応じて、大腿動脈、腋窩動脈、または腕頭動脈に挿入される可能性があります。[ 10 ] [ 20 ]カニューレが挿入されると、静脈血がカニューレによって体からリザーバーに排出されます。この血液は、機械式ポンプによって体に戻される前に、ろ過、冷却または加温され、酸素化されます。
CPB回路は、患者に接続する前に、液でプライミングし、動脈ライン/カニューレからすべての空気を抜く必要があります。回路は晶質液でプライミングされ、場合によっては血液製剤も追加されます。カニューレ挿入前（中心カニューレ挿入を使用する場合は通常、心膜を開いた後）に、活性化凝固時間が480秒を超えるまでヘパリンまたは他の抗凝固剤が投与されます。 [ 12 ]
動脈カニューレ挿入部位に石灰化やその他の疾患がないか検査します。術前画像検査や超音波プローブを使用して、剥がれて閉塞や脳卒中を引き起こす可能性のある大動脈石灰化を特定するのに役立てることができます。カニューレ挿入部位が安全であると判断されたら、遠位上行大動脈に同心円状のひし形の巾着縫合糸を2本配置します。巾着縫合糸の内側にメスで切開を加え、動脈カニューレを切開部から通します。大動脈解離を起こさないように、カニューレを大動脈に対して垂直に通すことが重要です。[ 12 ]止血帯を使用して巾着縫合糸をカニューレの周囲に締め付け、カニューレに固定します。[ 18 ]この時点で、灌流技師はCPB回路の動脈ラインを進め、外科医は患者から来る動脈ラインをCPB装置から来る動脈ラインに接続します。 2つを接続する際に回路内に空気が入らないように注意しなければなりません。そうしないと、患者に空気塞栓症が発生する可能性があります。[ 19 ] [ 12 ]動脈カニューレ挿入の他の部位には、腋窩動脈、腕頭動脈、または大腿動脈があります。
位置の違いを除けば、静脈カニューレ挿入は動脈カニューレ挿入と同様に行われます。静脈系の石灰化はまれであるため、カニューレ挿入部位の石灰化の検査や超音波の使用は不要です。また、静脈系は動脈系よりもはるかに圧力が低いため、カニューレを所定の位置に保持するために必要な縫合糸は1本だけです。[ 12 ] 1本のカニューレのみを使用する場合（2段階カニューレ挿入）、右心耳、三尖弁、下大静脈に挿入します。[ 19 ] 2本のカニューレが必要な場合（1段階カニューレ挿入）、通常は1本目を上大静脈に、2本目を下大静脈に挿入します。[ 19 ]一部の患者では大腿静脈にカニューレを挿入することもあります。
手術のために心臓を停止する必要がある場合は、心筋保護液カニューレも必要です。順行性心筋保護液（心臓の動脈を通って順方向に流れる）、逆行性心筋保護液（心臓の静脈を通って逆方向に流れる）、または両方のタイプが、手術と外科医の好みに応じて使用される場合があります。順行性心筋保護液の場合、動脈カニューレ挿入部位の近位（心臓と動脈カニューレ挿入部位の間）の大動脈に小さな切開を行い、そこからカニューレを挿入して冠動脈に心筋保護液を投与します。逆行性心筋保護液の場合、右心室を通って心臓の後面（背面）に切開を行います。カニューレはこの切開部から挿入され、三尖弁を通って冠状静脈洞に入ります。[ 18 ] [ 19 ]心筋保護液ラインはCPB装置に接続されます。
この時点で、患者はバイパス手術を受ける準備が整います。静脈カニューレからの血液は重力によってCPB装置に入り、そこで酸素化され、必要に応じて冷却された後、動脈カニューレを通して体内に戻ります。ここで心筋保護液を投与して心臓を停止させ、動脈カニューレと心筋保護液カニューレの間の大動脈にクロスクランプをかけて、動脈血が心臓に逆流するのを防ぎます。脳や腎臓を含む臓器の健康と機能を維持するために適切な血圧目標を設定することは重要な考慮事項です。[ 21 ]
患者がバイパスサポートから離脱する準備ができたら、クロスクランプとカニューレを取り外し、プロタミン硫酸を投与してヘパリンの抗凝固作用を逆転させる。[ 22 ]
オーストリア系ドイツ人の生理学者マクシミリアン・フォン・フライは、 1885年に人工心肺装置の初期プロトタイプを製作した。これは、カール・ルートヴィヒのライプツィヒ大学生理学研究所で行われた。[ 23 ]しかし、血液凝固を防ぐヘパリンが1916年に発見されるまでは、このような装置は実用化できなかった。
ソ連の科学者セルゲイ・ブルホネンコは、 1926年に全身灌流用の心肺装置「オートジェクター」を開発し、犬を使った実験に使用しました[ 24 ]。その一部は、1940年の映画「生物の蘇生実験」で紹介されました[ 25 ]。バーミンガム大学の科学者チーム（化学エンジニアのエリック・チャールズを含む）は、この技術の先駆者の一人でした。
4年間かけて機械の改良に取り組み、1951年4月5日、クラレンス・デニス博士はミネソタ大学医療センターのチームを率いて、心臓と肺の機能を一時的に機械的に代行する開胸心臓手術を初めて人間に対して行った。患者は予期せぬ複雑な先天性心疾患のため生存しなかったが、機械は実用的であることが証明された。[ 26 ] [ 27 ]チームの一員には、後に末日聖徒イエス・キリスト教会の会長となるラッセル・M・ネルソン博士がおり、 1955年11月9日にソルトレイク総合病院でユタ州初の開胸心臓手術を成功させた。 [ 28 ]
左心室機能の機械的補助の最初の成功例は、1952年7月3日にフォレスト・デューイ・ドドリールがゼネラルモーターズと共同開発したドドリール-GMRという機械を使用して行ったものである。この機械は後に右心室機能の補助にも使用された。[ 29 ]
人工心肺装置を用いたヒトに対する最初の開胸手術は、1953年5月6日にフィラデルフィアのトーマス・ジェファーソン大学病院でジョン・ギボンとフランク・F・オールブリッテン・ジュニアによって行われた。[ 30 ]ギボンの装置は、1950年代半ばにミネソタ州ロチェスターのメイヨー・クリニックのジョン・W・カークリン 率いる外科チームによって、さらに改良され、信頼性の高い装置となった。[ 31 ]
酸素供給器は、17 世紀にロバート・フックによって初めて概念化され、19 世紀にフランスとドイツの実験生理学者によって実用的な体外式酸素供給器へと発展しました。気泡式酸素供給器は、血液と酸素の間に介在する障壁がなく、「直接接触式」酸素供給器と呼ばれます。膜式酸素供給器は、血液と酸素の間にガス透過性膜を導入することで、直接接触式酸素供給器の血液への損傷を軽減します。1960 年代以降、膜障壁によるガス交換の障害を克服することに多くの研究が集中し、最終的に心臓手術室で直接接触式酸素供給器に取って代わる高性能の微多孔性中空糸酸素供給器の開発につながりました。[ 32 ]
1983年、ケン・リッツィーは回路と部品の複雑さを軽減した閉鎖型緊急心臓バイパスシステムの特許を取得した。[ 33 ]この装置は非外科的環境で迅速に展開できるため、心停止後の患者の生存率を向上させた。[ 34 ]