心肺バイパス

心肺バイパス
冠動脈バイパス手術における人工心肺装置（右上）。
ICD-10-PCS	12
ICD-9-CM	39.61
メッシュ	D002315
OPS-301 コード	14
その他のコード	22570829
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人工心肺（CPB）または人工心肺装置は、ポンプまたはCPBポンプとも呼ばれ、体全体の血液と酸素の循環を維持することにより、開胸手術中に心臓と肺の機能を一時的に引き継ぐ機械です。 ^[1]そのため、体外装置です。

CPB は灌流専門医によって操作されます。この機械は心臓と肺をバイパスしながら機械的に患者の体全体に血液を循環させて酸素を供給するため、外科医は無血の手術野で作業を行うことができます。

CPB は、心臓に関わる手術や外科処置でよく使用されます。この技術により、外科チームは患者の血液に酸素を供給して循環させることができ、外科医は安全に心臓を手術することができます。冠動脈バイパス移植(CABG) などの多くの手術では、拍動している心臓を手術するのは非常に難しいため、 心臓を停止させます。

僧帽弁の修復や置換など、心臓の心室を開く手術では、CPB を使用する必要があります。これは、全身に空気を巻き込むのを防ぎ、外科医の視界を良くするために無血の領域を提供するためです。この機械は血液を送り出し、酸素化装置を使用して赤血球が酸素を吸収できるようにし、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ます。

CPB は全身低体温の誘導に使用できます。全身低体温とは、最大 45 分間、灌流(血流) なしで身体を維持できる状態です。通常の体温で血流が止まると、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 は低体温の患者の復温にも使用できます。CPB を使用したこの復温方法は、患者の体幹温度が 16 °C を超える場合に有効です。

CPB 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、酸素の需要を減らします。冷却された血液は通常粘度が高くなりますが、バイパス チューブをプライミングするために使用されるさまざまな晶質溶液またはコロイド溶液は、血液を希釈する役割を果たします。臓器に適切な血圧を維持することは困難ですが、処置中は注意深く監視されます。低体温も維持され (必要な場合)、体温は通常 28 ～ 32 °C (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または肺機能不全患者、急性肺不全、重度の肺塞栓症、感染症による肺外傷、その他心機能または肺機能を損なうさまざまな問題の患者に有効です。

ECMO は心臓や肺に修復と回復の時間を与えますが、一時的な解決策にすぎません。末期症状、癌、重度の神経系損傷、制御不能な敗血症、その他の症状のある患者は、ECMO の対象にならない場合があります。

CPB は次のようなシナリオで使用されます。

• 冠動脈バイパス手術^[2]
• 心臓弁の修復および/または置換（大動脈弁、僧帽弁、三尖弁、肺動脈弁）
• 大きな心室中隔欠損の修復（心房中隔欠損、心室中隔欠損、房室中隔欠損）
• 先天性心疾患（ファロー四徴症、大血管転位症）の修復および/または緩和
• 移植（心臓移植、肺移植、心肺移植、肝移植）
• 一部の大きな動脈瘤（大動脈瘤、脳動脈瘤）の修復
• 肺血栓内膜摘出術^[3]
• 肺血栓除去術^[4]
• 四肢灌流^{[5] : 117}

心肺バイパスには絶対的な禁忌はない。^[6]しかし、手術を計画する際にケアチームが考慮する必要がある要素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・血栓症は、ヘパリンの投与に関連する潜在的に生命を脅かす病態である。これらの病態の両方において、ヘパリンに対する抗体が形成され、血小板が活性化し、血栓が形成される。ヘパリンは通常 CPB 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・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、代替の抗凝固剤が必要となる。ビバリルジンは、CPB 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・血栓症の患者に対するヘパリンの代替薬として最も研究されている。^[7]

アンチトロンビンIII欠乏症などの患者の一部はヘパリン耐性を示すことがある。これらの患者では、十分な抗凝固効果を得るために、追加のヘパリン、新鮮凍結血漿、または組換えアンチトロンビンIIIなどの他の血液製剤が必要になることがある。^[8]

左上大静脈遺残は、正常な発達中に左側大静脈が退縮しない胸部静脈系の変異である。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％に発生する。^[9]この異常は術前の画像検査で検出されることが多いが、術中に発見されることもある。左上大静脈遺残があると、適切な静脈ドレナージや逆行性心筋保護剤の投与が困難になることがある。CPB中の左上大静脈遺残の管理は、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する。^[10]

CPBを使用する場合、脳灌流、つまり脳の血液循環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、体自身の脳の自動調節が影響を受けます。この問題の発生と防止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、関連する問題も数多くあります。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て、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、補体タンパク質が膜型酸素化装置に蓄積するにつれて悪化します。^[13]このため、ほとんどの酸素化装置には、最大 6 時間の使用のみを推奨するメーカーの推奨事項が付いていますが、凝固して機能しなくなることがないように注意しながら、最大 10 時間まで使用されることもあります。これよりも長い期間使用する場合は、膜型酸素化装置 が使用され、最大 31 日間作動させることができます。台湾のケースでは、患者は 16 日間作動し、その後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、抗凝固拮抗中の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、それぞれが生命を脅かす低血圧(I 型)、アナフィラキシー(II 型)、または肺高血圧(III 型) を引き起こす可能性があります。^{[15] [13]以前に}精管切除を 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ヘーゲドン(NPH) インスリン製剤に含まれています) など、以前にプロタミンに曝露したことがある患者は、交差感受性による II 型プロタミン反応のリスクが高くなります。^[13]プロタミンは即効性のある薬であるため、通常はゆっくりと投与して、起こりうる反応を監視できるようにします。^[12]プロタミン反応の管理における最初のステップは、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すべてのタイプのプロタミン反応に使用されます。クロルフェナミンは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、ヘパリンが再投与され、患者はバイパス手術を再開する必要があるかもしれません。^[13]

CPB は認知機能の低下を早める可能性があります。心肺血液循環システムと接続手術自体により、血球の破片、チューブ、プラークなど、さまざまな破片が血流に放出されます。たとえば、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妨げ、軽度の脳卒中を引き起こす可能性があります。精神的ダメージに関連するその他の心臓手術の要因としては、低酸素症、高体温または低体温、異常な血圧、不整脈、手術後の発熱などがあります。^[16]

心肺バイパス装置は、ポンプと酸素化装置という2つの主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じて、患者の体から酸素が不足した血液を取り除き、酸素を豊富に含む血液と置き換えます。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。回路内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、シリコンゴムまたはPVCで作られた一連のチューブによって相互接続されています。^[17]

現在、多くのCPB回路では、CPB中の血流の維持と制御のために遠心ポンプが採用されています。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、過剰な圧力、ラインの締め付けやねじれを防ぎ、血液製剤へのダメージ（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、チューブを蠕動運動で「マッサージ」する、回転するモーター駆動ポンプがいくつか含まれています。この動作により、血液はチューブを通って穏やかに推進されます。これは一般にローラーポンプまたは蠕動ポンプと呼ばれます。このポンプは遠心ポンプよりも安価ですが、ラインが締め付けられたりねじれたりした場合に過圧になりやすいです。^[18]また、大規模な空気塞栓症を引き起こす可能性が高く、灌流技師による継続的な厳重な監視が必要です。^[10]

酸素化装置は、注入された血液に酸素を追加し、静脈血から二酸化炭素を除去するように設計されています。

CPBでは低体温療法が頻繁に使用されるため（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ています。加熱と冷却はラインを温水または氷水浴に通すことで行われ、心停止ラインには別の熱交換器が必要です。^[10]

手術の種類に応じて、複数のカニューレが患者の体のさまざまな場所に縫い付けられます。静脈カニューレは酸素の少ない静脈血を患者の体から除去し、動脈カニューレは酸素を豊富に含んだ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、患者のサイズと体重、予測される流量、カニューレを挿入する血管のサイズです。^[10]心停止カニューレは心停止液を注入して心臓の鼓動を停止させます。

一般的に使用されるカニューレ挿入部位:

心停止液は、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開口部 (通常は大動脈基部経由) および/または心臓静脈 (冠状静脈洞経由) に送達されます。^[18]これらの送達方法は、それぞれ順行性または逆行性と呼ばれます。心停止液は、心臓を停止させることで心臓を保護します。これにより、心臓の代謝需要が減少します。心停止液には複数の種類がありますが、そのほとんどは心臓内の高速ナトリウム電流を阻害することで作用し、活動電位の伝導を防ぎます。他の種類の溶液は、カルシウムの心筋細胞への作用を阻害することで作用します。^[19]

CPBは手術前に十分な検討が必要です。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、灌流専門医、看護スタッフの間で調整されなければなりません。^[18]

カニューレ挿入戦略は、いくつかの手術特有の、そして患者特有の詳細によって異なります。それにもかかわらず、外科医は体から血液を引き出すために右心房、大静脈、または大腿静脈にカニューレを配置します。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た後、静脈血はカニューレによって体からリザーバーに排出されます。その後、この血液は濾過され、冷却または加温され、酸素化されてから、機械式ポンプによって体に戻ります。

CPB回路は、患者に接続する前に、液体でプライミングし、動脈ライン/カニューレから空気をすべて排除する必要があります。回路は晶質溶液でプライミングされ、血液製剤も追加されることがあります。カニューレ挿入前（通常は中心カニューレを使用する場合は心膜を開いた後）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を検査して、石灰化やその他の疾患がないか確認します。術前の画像診断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、2本の同心円状のダイヤモンド形の巾着縫合糸を上行大動脈遠位部に置きます。巾着縫合糸の内側にメスで刺し傷を入れ、その切開傷に動脈カニューレを通します。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]巾着縫合糸は、止血帯を使用してカニューレの周りに締め付けられ、カニューレに固定されます。^[18]この時点で、灌流専門医はCPB回路の動脈ラインを進め、外科医は患者からの動脈ラインをCPB装置からの動脈ラインに接続します。2つを接続するときは回路内に空気がないことを確認する必要があります。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、大腿動脈などがあります。

場所の違いを除けば、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る。静脈系の石灰化はそれほど一般的ではないため、カニューレ挿入部位の石灰化を検査したり超音波を使用したりする必要もない。また、静脈系は動脈系よりも圧力がはるかに低いため、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本だけである。^[12]カニューレを1本だけ使用する場合は（2段階カニューレ挿入）、右心耳、三尖弁、下大静脈に通します。^[19]カニューレが2本必要な場合は（1段階カニューレ挿入）、通常、1本目を上大静脈に通し、2本目を下大静脈に通します。^[19]特定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させる必要がある場合は、心停止カニューレも必要となる。手術と外科医の好みに応じて、順行性心停止法（心臓の動脈を通って順方向に流れる）、逆行性心停止法（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使用される場合がある。順行性心停止法では、動脈カニューレ挿入部位に近い大動脈（心臓と動脈カニューレ挿入部位の間）に小さな切開を加え、そこからカニューレを配置して心停止剤を冠動脈に送り込む。逆行性心停止法では、右心室を通って心臓の後面（背面）を切開する。この切開部にカニューレを配置し、三尖弁を通過して冠状静脈洞に挿入する。^{[18] [19]}心停止ラインはCPB装置に接続される。

この時点で、患者はバイパス手術を受ける準備ができています。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てから、動脈カニューレを通って体内に戻ります。ここで心停止剤を投与して心臓を停止させ、動脈カニューレと心停止剤カニューレの間の大動脈にクロスクランプを設置して、動脈血が心臓に逆流するのを防ぎます。脳や腎臓などの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]

患者がバイパス補助から外れる準備ができたら、クロスクランプとカニューレが取り外され、ヘパリンの抗凝固作用を逆転させるために 硫酸プロタミンが投与されます。

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年に人工心肺の初期のプロトタイプを製作しました。これはライプツィヒ大学のカール・ルートヴィヒ生理学研究所で行われました。^[22]しかし、そのような機械は、 1916年に血液凝固を防ぐヘパリンが発見されるまでは実現可能ではありませんでした。

ソ連の科学者セルゲイ・ブルホネンコは、 1926年にオートジェクターという名の全身灌流用の人工心肺装置を開発し、犬の実験に使用されました。その一部は1940年の映画『生物の復活の実験』で紹介されました。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す。

4年間にわたって機械の改良が行われ、1951年4月5日、クラレンス・デニス博士が率いるミネソタ大学医療センターのチームが、心臓と肺の機能を一時的に機械的に代行する開胸手術を含​​む初の人間手術を実施した。患者は予期せぬ複雑な先天性心疾患のため助からなかったが、機械は機能することが証明された。^{[23] [24]}チームのメンバーの1人はラッセル・M・ネルソン博士（後に末日聖徒イエス・キリスト教会の会長となる）で、彼は1951年11月にユタ州で初の開胸手術を行い、 成功した。^[25]

左心室機能の機械的補助に初めて成功したのは、1952年7月3日、フォレスト・デューイ・ドドリルがゼネラルモーターズと共同開発した機械、ドドリルGMRを使用して行われた。この機械は後に右心室機能の補助にも使用された。^[26]

人工心肺装置を用いた人間に対する最初の成功した開胸手術は、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。^{[27]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開発され、信頼性の高い器具となった。^[28]

酸素供給装置は、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酸素供給装置へと発展しました。気泡酸素供給装置には、血液と酸素の間に介在する障壁がなく、これらは「直接接触型」酸素供給装置と呼ばれます。膜酸素供給装置は、血液と酸素の間にガス透過性の膜を導入し、直接接触型酸素供給装置の血液損傷を軽減します。1960 年代以降、膜障壁のガス交換のハンディキャップを克服することに重点が置かれ、高性能の微多孔性中空繊維酸素供給装置が開発され、最終的には心臓手術室の直接接触型酸素供給装置に取って代わりました。^[29]

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ました。^[30]この装置は非外科的設定で迅速に展開できるため、心停止後の患者の生存率が向上しました。^[31]

ウィキメディア・コモンズには、心肺バイパスに関連するメディアがあります。

• 国際エビデンスに基づく灌流コンソーシアム
• CircuitSurfers: 心肺バイパスに関する灌流ブログ
• 心臓胸部外科のマルチメディアマニュアル。心肺バイパスコレクション。
• 「クラレンス・デニス文書」。科学のプロファイル。米国国立医学図書館。心肺バイパス手術を初めて試みた人物として知られています。