ECMO（Extracorporeal membrane oxygenation，体外膜肺氧合）是一种生命支持类设备，也是一种改良形式的体外循环，可为常规治疗无效的呼吸衰竭患者提供临时的气体交换支持，足够的组织氧气输送，其主要适应症之一即为急性呼吸窘迫综合征（Acute respiratory distress syndrome，ARDS）的患者，也可作为肺移植的桥梁。ECMO可分两种类型，静脉动脉VA和静脉静脉VV，两者都能提供呼吸支持，但只有VA ECMO能提供血流动力学支持。

ECMO设备由许多部件组成，一个标准的回路包括磁悬浮离心泵、气体交换装置和热交换装置、主机，以及连接这些部件与患者间的管路。ECMO回路由简单到复杂不等，可包括各种血流和压力监测设备、连续氧合血红蛋白饱和度监测器以及各类定制的桥接管路，让患者在相对较长一段时间内（数天至数周）得到支持，其主要治疗目的是桥梁而非终点。

图1. ECMO机器的各个部件（静脉血从患者体内排出，通过静脉饱和度传感器和储存袋，被泵入氧合器/热交换装置，随后含氧温热的血液再通过ECMO回路桥，输送回患者的动脉或静脉系统，沿途有多个压力及流量监测器）

ECMO回路必须涂覆具有生物相容性的内衬（譬如硅酮，胆碱酯酶，等等），以减少全身炎症反应，血栓形成和出血的风险。但截至目前，暂无任何涂层可完全消除这类并发症。回路中可包含多个监测器，包括测量总回路血流量和独立的静脉、动脉超声测量器，其中三个重要位置需测量压力，包括离心血泵前，防止过度抽吸；及气体交换装置前和后，氧合器前后（跨膜）的压力差增加，提示氧合器内部的阻力增加。

图2. 成年患者ECMO回路的示意图

图3. ARDS患者VV ECMO支持后，相关并发症和死亡率的情况

不过说到ECMO，到底不能不提的还是膜肺（Membrane Oxygenator）。在膜肺出现之前，气泡式氧合器（将血液直接暴露在大气中，容易导致血液损伤和血液丢失）是主要使用的器械。1944年，Williem J. Kolff教授和H. TH. J. Berk（一家陶瓷公司的董事）发现微孔玻璃纸具有半渗透性，能够传输氧气，他们开创了肾透析治疗，并同时开启了对膜肺的初步研究。第一个成功的膜肺由Clowes等人于1955-1957年间开发，使用25微米的聚乙烯薄膜，对氧气和二氧化碳的渗透率低但稳定，并具有很大的表面积，后期改进为堆叠的乙基纤维素膜，但乙基纤维素允许水渗入，脆性材料机械支撑力差，且气压过大常导致回路内栓塞。随着生物相容性较好的有机硅的发现，其表现出稳定的结合、低表面张力和无毒性，被证明是医疗器械应用的极佳材料。1969年，Galletti及其同事使用10微米的硅胶薄膜覆盖微孔基材。随后，为了克服涤纶和玻璃纤维网支撑的76微米厚硅胶膜中的材料缺陷，及由此产生的气体栓塞，Kolobow等在螺旋缠绕式平行板膜肺中使用了低压氧气，以降低跨膜氧分压梯度为代价，显著提升了膜肺的安全性。膜肺的路径特点直接影响了转移到血液中的气体量，因此这一阶段每个制造商都通过各种创新来力求达到这一目标。

图4. Kolff博士于1944年制作的，首次获得临床成功的人工肾（都是膜~）

图5. 1965年发明的Rashkind膜肺

图6. Kolobow圆柱形膜肺（A）硅胶涂层涤纶筛网，带有用于气体交换膜的玻璃纤维支撑筛网；（B）组装后的膜肺

图7. 1960年代市售的膜肺，（A）Lande-Edwards和（B）Travenol儿科膜肺，利用有机硅共聚物膜片形成一叠平行板，使用带槽塑料支撑控制血道高度，大大提升了气体交换率，简化了临床操作，多个膜肺还能并行使用

透气膜是膜肺的重要组成部分，半个多世纪以来，膜的制造和包装技术取得了显著进步，呼吸生命支持器械的使用因此而更安全和持久。1971年，第一台中空纤维膜肺诞生，血液分散通过各根10-18厘米长的微孔（直径小于1微米）聚丙烯中空纤维管，气体则在这些纤维管外流动，从而达到了既往无法企及的高气体交换，也减少了与硅酮相关的凝结问题。然而，这也带来了新的挑战，血浆可逐渐渗入微孔并抑制气体转移（血浆渗漏，使用后8小时即可发生），血液中的磷脂可非特异性地结合到纤维，在微孔开口处形成亲水表面，随后血浆即可通过毛细管作用渗入空隙，并使得磷脂进一步结合。这一过程后，由于与空气相比氧气在水中的扩散率低得多，气体传输随之大大降低，此时的膜肺寿命有限并需经常更换。为解决这一问题，Kawahito等探索了使用硅橡胶材料的纤维，疏水性的硅橡胶可防止水进入微孔，但它的气体交换率较低。

图8. 现代膜肺示意图

图9. 单根中空纤维管表面的扫描电镜照片，可见直径小于1微米的微孔在膜的气体和血液侧之间形成直接通道

图10. Quadrox-iD（Maquet）是第一款所谓的等离子膜肺，其纤维束采用独特的交织排列，并具有相互垂直的血液、气体和水通道，因此气体和温度的传输速率更高

终于到了世纪之交，我们迎来了一种新型的膜材料聚甲基戊烯（Polymethylpentene，PMP），它不但具有对氧气和二氧化碳扩散的最小阻力，还提供了一种不透水表层微孔结构，解决了等离子体渗透微孔的问题，更具生物相容性且可使用更长时间。临床上最常使用时间已达到59天，目前，美国超过90%的中心倾向使用PMP膜肺。

图11. 现代的PMP膜肺（离不开3M公司啊）

今天的最后，世卫组织临时指南建议，向符合条件的COVID-19相关ARDS患者提供ECMO支持，下图即为体外生命支持组织（ELSO，Extracorporeal Life Support Organization）提供的全球ECMO储存量，在可预见的将来，ECMO的储备和使用也将越来越多、越来越广。

图12. ELSO提供的全球ECMO储存量

引用文献：

1.     Kollengode Ramanathan, David Antognini, Alain Combes, et al. Planning and provision of ECMO services for severe ARDS during the COVID-19 pandemic and other outbreaks of emerging infectious diseases. Lancet Respir Med 2020; 8: 518-26.

2.     Richard W. Melchior, Steven W. Sutton, William Harris, et al. Evolution of membrane oxygenator technology for utilization during pediatric cardiopulmonary bypass. Pediatric Health, Medicine and Therapeutics 2016: 7, 45-56.

3.     Laurance Lequier, Stephen B. Horton, D. Michael McMullan, et al. Extracorporeal membrane oxygenation circuitry. Pediatr Crit Care Med. 2013 Jun; 14(501): S7-12.

4.     George Makdisi, I-wen Wang. Extra corporeal membrane oxygenation (ECMO) review of a lifesaving technology. J Thorac Dis. 2015 Jul; 7(7): E166-E176.