实验猪心脏手术中体外循环机的应用综述

在心血管疾病机制研究、心脏外科术式创新及新型医疗器械/药物研发领域，实验猪因心脏大小、血管分布、心率、血压及凝血机制等解剖生理特征与人类高度契合，成为核心动物模型。体外循环机（Extracorporeal Circulation，ECC）作为实验猪心脏手术的“生命支持中枢”，通过暂时替代心肺功能维持机体灌注，是保障手术安全、构建稳定实验环境的关键设备。本文从ECC核心作用、与实验猪的连接方案、配套器械选择及药物应用规范四方面展开，为相关实验研究提供技术参考。

一、体外循环机的核心作用

实验猪心脏手术中，ECC的核心功能是替代心脏泵血与肺气体交换，同时满足实验特异性需求，具体可分为五类：

1. 替代心肺功能，维持基础生命支持

当实验猪心脏停跳（如瓣膜置换、冠脉搭桥手术）时，肺无法进行气体交换，ECC通过氧合器将静脉血中CO₂排出，充入80%-100%浓度氧气，使血液氧饱和度（SaO₂）维持在95%以上、动脉血氧分压（PaO₂）>100mmHg，保障脑、肝、肾等重要器官氧供。同时，ECC通过泵系统将氧合后的动脉血回输体内，维持平均动脉压（MAP）在50-80mmHg（成年实验猪正常范围）。根据实验猪体重（通常15-50kg），ECC流量需精准调控：常温下为50-100ml/（kg·min），低温时降至30-50ml/（kg·min），避免器官缺血缺氧。

2. 调控体温，保护器官功能

实验猪心脏手术常采用低温体外循环（Hypothermic ECC）降低机体代谢率，减少缺血再灌注损伤。降温阶段，热交换器将血液温度降至28-32℃（中度低温）或18-25℃（深度低温，适用于复杂手术），使脑代谢率降低50%-70%，脑缺血耐受时间从常温4-6分钟延长至30分钟以上。手术结束后进入复温阶段，热交换器以<0.5℃/min的速度将血液温度回升至36-37℃，防止温差过大引发血管痉挛、脑水肿或凝血功能紊乱。

3. 处理血液，维持内环境稳定

ECC通过动脉滤器（孔径20-40μm）过滤血液中的微血栓、组织碎片，静脉储血器的消泡装置清除回路气泡——实验猪对气栓极敏感，0.5ml空气即可引发严重并发症。同时，根据血气分析结果，补充碳酸氢钠纠正代谢性酸中毒（维持pH 7.35-7.45），补充葡萄糖酸钙拮抗枸橼酸抗凝导致的低钙血症（维持血钙2.0-2.5mmol/L）；必要时输注红细胞悬液或血浆，确保血红蛋白>80g/L，避免血液稀释过度。

4. 创造无血手术视野

通过静脉引流将实验猪静脉血引入ECC回路，排空心脏内血液（尤其右心系统），同时配合左心引流（如左心房插管）防止左心室膨胀，为术者提供清晰操作空间，保障冠脉搭桥血管吻合、瓣膜置换瓣环处理等精细操作的准确性。

5. 支持实验特异性需求

ECC可精准调控血压、心率、体温、血气等指标，减少生理波动对实验结果的干扰——如评估新型心脏瓣膜血流动力学时，需维持MAP稳定。在心肌缺血再灌注模型中，ECC通过控制主动脉阻断时间和再灌注流量，模拟临床心肌梗死病理过程；在体外膜肺氧合（ECMO）研究中，ECC可长期（数小时至数天）支持实验猪循环，观察器官功能变化。

二、体外循环机与实验猪的连接方案

实验猪主动脉较细、腔静脉分支多，需结合手术类型（心脏停跳术/不停跳术）设计“静脉引流-氧合-动脉灌注”闭环回路，标准化连接流程如下：

1. 术前准备

动物麻醉与固定：选用20-30kg约克夏猪或长白猪，肌肉注射舒泰-赛拉嗪混合液，静脉注射丙泊酚（5-10mg/kg）诱导麻醉，气管插管后机械通气（潮气量10-15ml/kg，呼吸频率12-16次/分），维持1%-2%异氟烷吸入麻醉。将猪仰卧固定于手术台，胸部备皮消毒并铺无菌巾。

血管暴露：经胸骨正中切口（胸骨上窝至剑突下）打开胸腔，用撑开器暴露心脏，分离升主动脉（距主动脉瓣1-2cm）、上腔静脉（右心房上方1-2cm）、下腔静脉（右心房下方1-2cm），血管周围套止血带便于后续插管固定。

肝素化：静脉注射肝素钠（100-150U/kg），10分钟后检测活化凝血时间（ACT），需达到350-600秒（基础ACT为80-120秒）；未达标则追加肝素（50-100U/kg），防止ECC期间血栓形成。

2. 核心连接路径（主动脉-腔静脉回路）

ECC连接分为静脉引流回路与动脉灌注回路两类。

在静脉引流回路中，插管部位可选择上腔静脉与下腔静脉组合，或单根双腔右心房插管：若选择上腔静脉插管，需在右心房上方做2-0丝线荷包缝合，切开0.5-1cm血管壁后，插入16-20F带侧孔的聚氯乙烯或硅胶引流管，收紧荷包固定；下腔静脉插管操作与上腔静脉一致，仅需选用18-22F规格的引流管；若手术时间较短，可将单根双腔管直接插入右心房，实现上、下腔静脉血的同时引流。该回路的连接目标是将引流管与ECC静脉储血器对接，且控制引流负压<50mmHg，避免血管塌陷影响引流效率。

在动脉灌注回路中，插管部位固定为升主动脉：先在升主动脉前壁做3-0丝线荷包缝合，切开0.3-0.5cm血管壁后，插入12-16F锥形头硅胶动脉插管，插管深度控制在2-3cm（避免进入主动脉弓分支导致脑部灌注不足），最后收紧荷包固定。该回路需将灌注管与ECC氧合器的动脉出口连接，形成“氧合血→升主动脉→全身”的灌注通路。

3. 辅助连接（按需选择）

左心引流：适用于心脏停跳手术（如瓣膜置换），操作时在左心房顶部（靠近肺静脉入口处）做荷包缝合，插入10-12F柔软材质的引流管，将其连接至ECC储血器，通过重力或负压引流左心腔内的血液（如肺静脉回流血），防止左心室因心肌缺血出现被动膨胀。

冠状动脉灌注：为实现心肌保护，需在主动脉根部做荷包缝合，插入6-8F停跳液灌注管并连接停跳液灌注装置，手术中通过该管路注入心肌停跳液，使心脏停跳于舒张期，减少心肌耗氧。

监测连接：在升主动脉灌注管和静脉引流管上分别连接压力传感器，实时监测动脉灌注压（MAP）和静脉引流压；同时在右心房插入温度探头，动态监测核心体温，为后续参数调整提供依据。

4. 回路排气与启动

先用预充液（乳酸林格氏液与胶体混合液）充满ECC整个回路，填充顺序为储血器→泵→热交换器→氧合器→动脉滤器→动脉灌注管，填充过程中关闭动脉灌注管开关，通过挤压储血器排出回路内气泡，尤其需重点排查氧合器、动脉滤器的死角区域，避免气泡残留引发栓塞。随后打开静脉引流管开关，待储血器内收集的血液量达到预充量的1/3时，启动ECC泵并从低流量开始，逐步将流量提升至目标流量的50%、75%，最终达到100%；同时缓慢打开动脉灌注管开关，防止血压骤降。此外，需同步启动氧合器（控制气体流量与血流量比例为1:1）和热交换器，开始进行体温调控。

三、配套器械及选择依据

ECC器械选择需兼顾实验猪体型适配性、实验安全性与操作便捷性，核心器械分为五类：

1. ECC核心组件（回路主体）

氧合器：主要功能是实现血液氧合与CO₂清除，选择时需满足三个条件：一是优先选用膜式氧合器，其对血液的破坏程度远低于鼓泡式，更适合长时间实验；二是血流量范围需覆盖实验猪需求，例如20kg实验猪需1-2L/min血流量，因此需选择500-3000ml/min型号的氧合器；三是预充量需<100ml，避免因预充液过多导致血液稀释过度，常用型号为儿童型膜式氧合器（如Medtronic Affinity Pediatric）。

血液泵：负责驱动血液在回路中循环，优先选择离心泵，其对红细胞损伤小、流量控制精准，且适合长时间实验；流量范围需覆盖15-50kg实验猪的需求，通常选择0-5L/min规格；同时需具备压力保护功能，防止灌注压过高导致血管破裂，常用配置为离心泵头（如Terumo Centrifugal Pump）搭配专用控制台。

热交换器：用于调控血液温度，选择时需优先考虑与氧合器集成的型号，可减少回路整体体积；温度调控范围需覆盖4-42℃，且控温精度达到±0.5℃，确保体温调控准确；此外，需保证血流阻力低，避免增加血液泵的负荷，常用型号为与氧合器配套的集成式热交换器。

储血器：承担储存静脉血、排出回路气泡、调节血容量的功能，选择时需注意三点：一是容量需为500-1000ml，以满足实验猪约70ml/kg的血容量需求；二是需自带100μm滤网和消泡装置，分别用于过滤杂质和清除气泡，防止气泡进入泵体；三是采用透明材质，便于实验中观察血液状态，常用硬壳储血器（如Sorin Dideco储血器）。

2. 血管通路器械（连接动物与ECC）

动脉灌注：功能是将氧合血注入升主动脉，选择时需根据实验猪体重确定直径，15-20kg猪选用12F规格，20-30kg猪选用14F规格，整体范围为12-16F；材质需为医用硅胶，保证柔软性以减少血管损伤，且头端需光滑避免戳破血管壁；同时需带侧孔设计，防止插管堵塞时仍能维持灌注，常用带刻度的硅胶动脉插管。

静脉引流管：用于收集静脉血并输送至储血器，直径选择需区分血管部位，上腔静脉用16-18F规格，下腔静脉用18-22F规格；长度需足够到达血管靶点，上腔静脉管长15-20cm，下腔静脉管长20-25cm；此外需采用多侧孔设计，提升引流效率并避免血管壁堵塞插管，常用聚氯乙烯材质的静脉引流管。

左心引流管：用于引流左心腔血液，直径需适配左心房大小，通常为10-12F；头端需采用柔软材质，避免损伤左心房壁或二尖瓣，常用硅胶材质的左心引流管。

停跳液灌注管：用于注入心肌停跳液，直径需适配主动脉根部荷包大小，通常为6-8F；且需带压力监测接口，便于控制灌注压力<100mmHg，防止压力过高损伤冠状动脉，常用专用停跳液灌注管。

3. 监测器械（保障安全）

血气分析：可监测pH、PaO₂、PaCO₂、电解质（Na⁺、K⁺、Ca²⁺）及乳酸水平，实验中通过这些指标评估氧合效果、酸碱平衡状态及器官灌注情况（如乳酸>4mmol/L提示器官缺血），常用便携式血气仪（如ABL90）。

凝血监测仪：主要监测活化凝血时间（ACT）、凝血酶原时间（PT）、活化部分凝血活酶时间（APTT）及纤维蛋白原水平，用于指导肝素用量（如ACT<400秒时需追加肝素）及术后抗凝拮抗，常用床旁凝血仪（如Hemochron）。

压力传感器：用于实时监测动脉灌注压（MAP）、静脉引流压及左心房压，避免血压过高（>100mmHg）或过低（<50mmHg），常用多通道压力监测仪（如Philips IntelliVue）。

温度监测仪：通过右心房或食管探头监测核心体温，同时监测体表温度，用于控制降温与复温速度，避免温差过大引发并发症，常用无线温度探头（精度±0.1℃）。

4. 辅助器械（优化功能）

动脉滤器：孔径为20-40μm，可过滤血液中的微血栓、杂质，防止脑、肾等器官栓塞，是实验必需器械。

静脉滤器：孔径为100μm，可过滤静脉血中的气泡、组织碎片，保护氧合器和泵头免受损伤，同样为实验必需器械。

消泡剂：常用成分如聚二甲基硅氧烷，用于紧急情况下消除回路中残留的气泡，属于可选器械。

预充液袋：用于储存预充液（乳酸林格氏液+胶体），为回路排气和维持血容量提供保障，是实验必需器械。

四、配套药物及应用规范

ECC期间药物使用围绕抗凝、器官保护、内环境稳定，结合实验猪对血管活性药物敏感的特点规范剂量：

1. 抗凝与拮抗药物

肝素钠：通过激活抗凝血酶Ⅲ，抑制凝血因子Ⅱa、Ⅹa发挥抗凝作用。应用时需遵循三步规范：一是诱导剂量，按100-150U/kg静脉注射；二是维持剂量，ECC期间每30-60分钟追加50-100U/kg；三是术后拮抗，用1.0-1.5U鱼精蛋白拮抗1U肝素，且鱼精蛋白需缓慢静脉注射（时间>10分钟）。监测指标为活化凝血时间（ACT），ECC期间需维持在350-600秒，术后需恢复至基础值±20秒。注意事项包括：鱼精蛋白过量可能导致凝血功能障碍，需分次注射；虽过敏反应罕见，但需备好肾上腺素用于急救。

低分子肝素：通过选择性抑制凝血因子Ⅹa发挥抗血栓作用，抗血栓效果强且出血风险低，仅用于ECC术后短期抗凝（如2-4小时），剂量为100U/kg皮下注射。监测指标为抗Ⅹa活性，需维持在0.5-1.0U/ml。注意事项为无特异性拮抗药，若出现出血需输注新鲜血浆缓解。

2. 心肌保护药物

St. Thomas心肌停跳液：通过高钾（20-30mmol/L）抑制心肌电活动，使心脏停跳于舒张期，同时含镁、钙调节离子平衡。应用时需从主动脉根部顺行灌注（主动脉阻断后），首次剂量为20-30ml/kg，后续每20-30分钟追加10-15ml/kg，且停跳液温度需控制为4℃以增强保护效果。关键参数为心脏停跳时间<90分钟，若超过需缩短灌注间隔。

HTK液（组氨酸-色氨酸-酮戊二酸液）：通过维持细胞内pH稳定，减少缺血再灌注损伤，适合长时间心脏停跳（>120分钟）。应用时单次灌注剂量为40-60ml/kg，温度控制为4℃，且无需重复灌注，可减少血液稀释。

硝酸甘油：通过扩张冠状动脉增加心肌供血，主要用于再灌注阶段，剂量为0.5-2μg/（kg·min）静脉泵入，需维持冠脉灌注压>40mmHg，同时监测心率，避免反射性心动过速。

3. 血管活性药物

去甲肾上腺素：作为α受体激动剂可收缩血管，同时轻度激动β受体增强心肌收缩力，主要用于ECC期间血压偏低（MAP<50mmHg）的情况，剂量为0.05-0.5μg/（kg·min）静脉泵入。监测指标为平均动脉压（维持50-80mmHg）和尿量（维持>0.5ml/（kg·h）），确保器官灌注充足。

多巴胺：剂量不同作用机制不同，小剂量（2-5μg/（kg·min））激动多巴胺受体，可扩张肾血管起到肾保护作用；大剂量（5-10μg/（kg·min））激动β受体，能增强心肌收缩力。应用时需根据需求调整剂量，如肾保护需2-3μg/（kg·min），增强心肌收缩力需5-8μg/（kg·min）。监测指标为尿量和左心房压，避免左心房压过高引发心衰。

硝酸甘油：可扩张静脉和冠状动脉，降低心脏前负荷，主要用于ECC复温后出现血管痉挛的情况，剂量为0.2-1μg/（kg·min）静脉泵入。监测指标为中心静脉压（CVP），需维持在5-10cmH₂O，确保循环稳定。

4. 内环境调节药物

碳酸氢钠：用于纠正ECC期间组织缺氧导致的代谢性酸中毒（乳酸堆积），剂量需根据血气分析中的碱剩余（BE）值计算，公式为“BE负值×实验猪体重kg×0.3”，且需分次静脉注射，每次剂量不超过50ml。监测指标为pH（维持7.35-7.45）和BE（维持-3至+3mmol/L），避免过度纠正导致碱中毒。

葡萄糖酸钙：用于拮抗枸橼酸抗凝导致的低钙血症（低钙会降低心肌收缩力），常用10%葡萄糖酸钙，剂量为1-2ml/kg缓慢静脉注射，若血钙仍低可每30分钟重复注射。监测指标为血钙（维持2.0-2.5mmol/L）和心率，避免注射过快导致心率异常。

氯化钾：用于纠正ECC期间血液稀释、利尿引发的低钾血症，静脉泵入时浓度需<40mmol/L，仅在血钾<3.5mmol/L时补充，剂量根据血钾实际水平调整。监测指标为血钾（维持3.5-5.0mmol/L）和心电图，防止高钾导致心律失常。

5. 血液保护药物

氨甲环酸：通过抑制纤溶酶原激活，减少纤维蛋白降解，从而减少出血。应用时需在ECC前30分钟静脉注射10mg/kg，ECC期间以1mg/（kg·h）的剂量持续维持，全程无需调整剂量。

抑肽酶：可抑制纤溶酶、胰蛋白酶等蛋白酶活性，减少血小板破坏，仅用于出血风险高的复杂手术（如多瓣膜置换），剂量为20万KIU/kg静脉注射，单次使用即可。

五、总结与展望

ECC是实验猪心脏手术的核心支撑，其功能覆盖心肺替代、体温调控、内环境稳定及实验特异性支持，连接方案需适配猪血管解剖特征，器械与药物选择需兼顾安全与适配性。当前，ECC技术正朝着微创化（经外周血管插管）、智能化（AI实时调控流量与温度）、低损伤（高生物相容性氧合膜）方向发展。未来需进一步探索实验猪与人类ECC在凝血机制、药物代谢上的差异，为心血管研究成果向临床转化提供更可靠的动物模型依据。

参考文献：

1. 《小型猪心内直视手术的体外循环管理》：丁晓晨、郭辉、吴清凤等著，发表于《中国体外循环杂志》https://med.wanfangdata.com.cn/Paper/Detail/PeriodicalPaper_zgtwxhzz201203014

2. 《A novel perfused porcine simulator for teaching aortic anastomosis increases resident interest in vascular surgery》https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0741521417303506

3. 《小型猪不停跳心内直视手术麻醉及体外循环管理》https://m.zhangqiaokeyan.com/academic-degree-domestic_mphd_thesis/020311561547.html

4. 《猪离体不停跳心脏模型建立和应用》https://www.xueshu.com/lcyxgc/201201/6778117.html

5.Schneider, A.G., André, P., Scheier, J. et al. Pharmacokinetics of anti-infective agents during CytoSorb hemoadsorption. Sci Rep 11, 10493 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-89965-z