Искусственное кровообращение с гипотермией. Применение у детей раннего возраста

Целью эффективного ИК является обеспечение гемодинамических, респираторных и метаболических процессов в организме. С точки зрения гемодинамики ИК обеспечивает адекватную объемную скорость перфузии, покрывающей потребности организма в кислороде, и поддерживает системное АД, необходимое для перфузии всего регионарного сосудистого русла. Адекватная перфузия предотвращает развитие ацидоза во всем организме, в отдельных органах и тканях. Искусственное кровообращение также должно поддерживать ЦВД на уровне, необходимом для адекватного венозного оттока в АИК без снижения мозгового кровотока.

Обеспечивая респираторные процессы, ИК поддерживает нормальные рО₂ и рСО₂ в артерии. Выключение из кровообращения легких требует обеспечения искусственного транспорта О₂ и СО₂. Факторами, влияющими на доставку кислорода, являются:

• химическое соединение О₂ с гемоглобином;

• диффузия О₂ внутри эритроцитов;

• трансмембранная диффузия О₂;

• диффузия О₂ в плазме.

Наиболее важной из них является диффузия кислорода внутри эритроцита и в плазме. В большинстве оксигенаторов толщина пленки крови, через которую должен диффундировать кислород, определяет доставку его к гемоглобину. Механическая турбулентность, так же как и образование пузырьков, увеличивает перенос О₂. На перенос О₂ в оксигенаторе влияет соотношение потока О₂ и кровотока. Более высокое соотношение обеспечивает более высокий уровень транспорта О₂, но при этом увеличивается микроэмболизация. Применение пониженного потока О₂ может вызвать накопление СО₂, несмотря на то что СО₂ легче переносится из-за высокой растворимости.

Оксигенаторы оценивают по величине кровотока, необходимого для достижения адекватного переноса О₂ и СО₂, при этом сатурация артериальной крови должна превышать 95% при Sv0₂ на входе в оксигенатор, составляющем 60-75%, и гематокрите 40-42%.

Адекватная оксигенация тканей является предпосылкой для нормального кислотно-щелочного баланса во время перфузии. Тканевая гипоксия приводит к переходу на анаэробный метаболизм, увеличению продукции молочной кислоты и ацидемии. Ключевой стратегией, применяемой для уменьшения ишемических повреждений, является гипотермия. В ранних исследованиях Bigelow показано, что защитный эффект гипотермии состоит в снижении уровня метаболизма и уменьшении потребления О₂. Уровень метаболизма определяется активностью многих ферментных систем.

В некоторых ситуациях технические хирургические причины требуют остановки кровообращения в условиях глубокой гипотермии. Клинический опыт применения глубокой гипотермии с полной остановкой кровообращения показывает, что безопасный период остановки кровообращения с применением современной технологии достигает 60 мин при тимпанической температуре 17⁰С.

Значительное снижение кислородного долга позволяет длительно сохранить аэробный метаболизм при значительно сниженном объеме кровотока и обеспечить доставку О₂ тканям. Во время гипотермического ИК допустимая степень снижения объемной скорости кровотока остается неизвестной, так как охлаждение обычно неравномерное и сопровождается температурными градиентами в организме. Это приводит к возникновению анаэробного метаболизма в остающихся неохлажденными тканях при сниженной доставке О₂. Оптимальная перфузия мозга с сохранением аэробного метаболизма является главной целью любого режима ИК. Согласно экспериментальным исследованиям, метаболизм мозга предположительно остается аэробным в условиях ИК с глубокой гипотермией при 20 0С и скорости кровотока около 30 мл/кг/мин. Если скорость кровотока уменьшить до 15 мл/кг/мин, потребление О₂ мозгом падает вследствие снижения доставки и происходит переключение метаболизма на анаэробный тип.

Для достижения равномерного охлаждения органов, которые в норме кровоснабжаются с высокой объемной скоростью, период гипотермии должен быть достаточно длительным. Значимая ацидемия не развивается в течение 30-45 мин остановки кровообращения. В экспериментальных исследованиях, в которых непрерывно измеряли рН мозга, в течение 60 мин остановки кровообращения развивался прогрессирующий ацидоз.

Преимуществами метода глубокой гипотермии с полной остановкой кровообращения в кардиохирургии являются:

• уменьшение времени перфузии;

• уменьшение травмы крови;

• повышение защиты мозга;

• бескровное хирургическоое поле.

Выделяют следующие физиологические эффекты гипотермии:

• кардиальные – поддержание уровня АТФ и рН; минимальное вхождение Са2+ в миоциты; увеличение вероятности развития аритмий; уменьшение сократимости и комплайнса; брадикардия;

• респираторные – увеличение мертвого пространства; уменьшение потребления О₂;

• мозговые – уменьшение уровня метаболизма для О₂; уменьшение мозгового кровотока; исключение no-reflow феномена;

• эндокринные – увеличение уровня сахара крови; увеличение уровня АКТГ и кортизона; увеличение уровня эпинефрина и норэпинефрина.

Метаболические потребности организма во время нормотермического ИК идентичны таковым в период общей анестезии. Уровень метаболизма, необходимый для расчета должной объемной скорости перфузии, предпочтительнее представлять как потребление О₂ в мл/мин/кг. Очевидно, что потребности в кислороде на единицу массы значительно выше в более раннем возрасте, когда наблюдается максимальный рост организма. Однако эти различия становятся менее очевидными при расчете потребления О₂, по отношению к площади поверхности тела. Тем не менее, оба способа выражения потребления кислорода демонстрируют одну закономерность – наибольшее его потребление в условиях основного обмена отмечается в возрасте 9-12 мес.

У взрослых мозговой кровоток, определяемый по клиренсу радиоактивного Хе, составляет около 25 мл/мин/м², что соответствует примерно 6% системного кровотока. При нормотер- мии и умеренной гипотермии у взрослых мозговой кровоток незначительно изменяется при изменении системного среднего АД. В физиологических условиях мозговой кровоток не изменяется при изменении среднего АД от 60 до 150 мм рт.ст. При снижении АД ниже 40 мм рт.ст. мозговой кровоток может значительно ухудшиться с сопутствующим уменьшением потребления мозгом кислорода. В то же время при ИК с глубокой гипотермией у новорожденных и младенцев мозговой кровоток зависит от величины АД, поэтому у маленьких детей среднее АД не должно быть ниже 25 мм рт.ст.

Влияние сниженной объемной скорости перфузии на мозговой кровоток не вполне понятно, так как существует несоответствие величины мозгового кровотока и АД при ИК. Однако при умеренной гипотермии наблюдается прямая корреляция между объемной скоростью перфузии и мозговым кровотоком, несмотря на отсутствие корреляции между АД и мозговым кровотоком. Мозговой кровоток при ИК зависит также от РаСО₂. Гиперкарбия увеличивает мозговой кровоток, тогда как гипокарбия уменьшает. Повышение РаСО₂ на 1 мм рт.ст. в пределах от 33 до 50 мм рт.ст. увеличивает мозговой кровоток на 1,2 мл/мин на 100 г мозговой ткани. У младенцев ответ мозгового кровотока на изменения РаСО₂ менее выраженный. Исследования Kern и соавторов показывают, что при обычном гипотермическом ИК метаболические потребности мозга обеспечиваются при РаСО₂, равном 33 мм рт.ст. Crougwell и соавторы обнаружили, что при снижении температуры с 37 до 28 ⁰С мозговой кровоток снижается в меньшей мере, чем потребление мозгом кислорода. Это отражает понятие избыточного мозгового кровотока, связанного со снижением артериовенозной разницы по кислороду. Избыточный мозговой кровоток может также быть результатом гиперкарбии, что служит аргументом против применения метода «рН stat» для управления РаСО₂ при ИК. Оптимальная регуляция газообмена и таких показателей, как pH и рС0₂, в условиях гипотермии до настоящего времени остается нерешенной. С этой целью используются две стратегии, названные «pH stat» и «альфа stat». При методе «рН stat» РаС02 в течение гипотермии поддерживается на уровне 40 мм рт. ст., рН – на уровне 7,4. Полученные значения корригируют в зависимости от температуры пациента. Например, кровь забрана при температуре 20 ⁰С и помещена в газоанализатор при температуре 37 ⁰С. Актуальное значение рСО₂ составит 65 мм рт. ст., а с поправкой на температуру тела – 40 мм рт. ст. Соответственно, значение рН в стандартных условиях, равное 7,16, для пациента при 20 ⁰С будет равно 7,4. Для достижения вышеуказанных значений в оксигенатор во время охлаждения добавляют углекислый газ. При использовании стратегии «альфа stat» рС0₂ в течение гипотермии уменьшается, и, следовательно, pH увеличивается. Целевые значения показателей кислотно-основного баланса крови в стандартных условиях составляют: рС0₂ до 40 мм рт. ст., pH 7,4. При температуре 20 ⁰С фактическое значение рС0₂ значительно ниже – 17,6 мм рт. ст., а pH возрастает почти до 7,7.

Сравнение влияния стратегий «альфа stat» и «рН stat» на потребление кислорода во время ИК у взрослых дало противоречивые результаты. У младенцев, которым коррекцию ВПС проводили в условиях полной остановки кровообращения, отмечалась обратная корреляция между уровнем креатинфосфокиназы и рН. Другие исследования показали, что щелочной pH в течение охлаждения до полной остановки ИК при глубокой гипотермии сопровождался худшим неврологическим восстановлением. Вопрос о том, какая стратегия лучшая, остается открытым.

В состоянии нормотермии мозговой кровоток поддерживается постоянным в широком диапазоне перфузионного давления. Это достигается комбинацией церебральной вазодилатации и периферической вазоконстрикции. В работе Greely методом клиренса ксенона при ИК у детей обнаружена линейная зависимость мозгового кровотока от температуры. Была выдвинута гипотеза, что во время и после ИК с умеренной гипотермией ауторегуляция сохранена, но при глубокой гипотермии она нарушена. Недавно эти авторы подсчитали уровень метаболизма мозга по экстракции кислорода, исследуя содержание О₂ в крови из внутренней яремной вены и в артериальной крови с параллельным измерением мозгового кровотока. Исследования свидетельствуют, что при объемной скорости перфузии 100 мл/мин/кг мозговой кровоток был избыточным по сравнению с необходимым для обеспечения метаболических потребностей при всех значениях температуры, несмотря на утрату ауторегуляции.

Исследования, проведенные в детском госпитале Бостона на модели глубокой гипотермии с остановкой кровообращения, показали, что мозговой кровоток и мозговой метаболизм, определяемые по потреблению кислорода и потреблению глюкозы, были угнетены в течение 45 мин реперфузии при нормотермии. После 3 ч реперфузии мозговой кровоток и уровень метаболизма пришли в норму. Подобные результаты получены у животных, подвергнутых продолжительному ИК со сниженной объемной скоростью перфузии. Возможно, временное угнетение мозгового кровотока и уровня метаболизма отражают неполное и неравномерное согревание мозга.

При исследовании уровня макроэргических фосфатов и рН мозга с применением магнитно резонансной спектроскопии у животных, подвергшихся глубокой гипотермии с остановкой кровообращения, обнаружено, что у одномесячных морских свинок фосфокреатинин и АТФ разрушаются через 32 мин после остановки кровообращения. После 45 мин реперфузии с согреванием уровень фосфокреатинина восстанавливается, составляя до 92% исходного, АТФ – до 61 %. После 3 ч реперфузии фосфокреатинин достигает 99% и АТФ – 90% исходного уровня.

Несмотря на кажущуюся очевидность того, что сохранение минимального мозгового кровотока лучше, чем его полное отсутствие, это утверждение не является бесспорным. Некоторые исследователи предполагают, что при частичной ишемии с непрерывной доставкой субстрата развивается выраженный ацидоз, угрожающий повреждением клеток. Это объясняется особенностями метаболизма мозга, выражающимися в том, что лактат с трудом проникает через гематоэнцефалический барьер, а метаболизм нейронов очень зависим от глюкозы. Доказано, что повреждение мозга от частичной ишемии усиливается при предшествующей инсульту гипергликемии. Steward и соавторы обнаружили, что только у 1 из 6 больных с уровнем глюкозы менее 216 мг/дл выявлены неврологические расстройства после глубокой гипотермии с остановкой кровообращения, тогда как таковые наблюдались у 6 из 25 больных с уровнем глюкозы 216-432 мг/дл и у 2 из 3 – с уровнем выше 432 мг/дл. Ratcliff и соавторы высказываются против применения глюкозы в первичном объеме заполнения ИК у детей с массой тела менее 15 кг.

В эксперименте на животных показано, что с уменьшением кровотока уровень АТФ мозга прогрессивно снижается и истощается при показателе 0,25 л/мин/м².

В связи с компромиссным характером выбора оптимальной скорости перфузии важным вопросом является оценка критериев адекватности перфузии.

Признаки неадекватной перфузии:

• метаболический ацидоз;

• увеличение или уменьшение среднего АД;

• олигурия или анурия;

• низкое р0₂ смешанной венозной крови.

Причины неадекватной перфузии:

• неадекватное АД или перфузионный индекс;

• гиповолемия;

• снижение венозного возврата;

• повышенное сопротивление крови артериальной линии;

• неадекватный размер или положение артериальной канюли;

• очень глубокая анестезия.

При снижении системного кровотока ниже оптимального уровня потребление кислорода становится ниже нормы в первую очередь в результате перфузии не всего сосудистого ложа. Существование гипоперфузируемых областей приводит к метаболическому ацидозу и лактацидемии. Приняв за основу, что р0₂ и SO₂ смешанной венозной крови соответствуют внутриклеточным, эти показатели используют в качестве критериев адекватности перфузии при условии высокой объемной скорости кровообращения и равномерного распределения кровотока в микроциркуляторном русле. Во время ИК SO₂ смешанной венозной крови не полностью отражает потребление кислорода. Это может быть продемонстрировано уравнением Fick: VO₂ = Q.

Если VO₂ и CaO₂ остаются постоянными, то CvO₂ растет с увеличением Q. Если же постоянными остаются Q и CaO₂, то CvO₂ растет со снижением VO₂. Но VO₂ может снизиться, несмотря на адекватную скорость перфузии, если капиллярное русло перфузируется неравномерно. В этом случае растет различие в доставке кислорода между клетками перфузируемой зоны и клетками неперфузируемых тканей. В результате артериальная кровь шунтируется в венозную систему. Такой шунт иногда может достигать половины объемной скорости перфузии. Следовательно, несмотря на высокий кровоток, высокие значения Pv0₂ и SvO₂ не означают, что клеточная оксигенация является удовлетворительной. Во время ИК вычислить потребление кислорода несложно, проблема заключается в определении кислородных потребностей организма в каждом конкретном случае. Более того, если при расчетной объемной скорости перфузии потребление кислорода ниже ожидаемого, увеличение производительности насоса, вероятно, не приведет к его повышению. Причина внутриклеточной гипоксии не в низкой объемной скорости перфузии, а в состоянии сосудистого ложа или клеточного метаболизма.

Большое практическое значение имеет определение допустимой нижней границы объемной скорости кровотока при заданном уровне гипотермии. Изучение регионарного и общемозгового кровотока у обезьян показало, что несмотря на снижение мозгового кровотока потребление кислорода мозгом остается неизменным при снижении объема перфузии до 0,5 л/мин/м². Потребление кислорода мозгом поддерживается увеличением экстракции кислорода и перераспределением циркулирующей крови из системного кровотока к мозгу. В исследованиях Soma показано, что у взрослых пациентов в условиях ИК при температуре 27 ⁰С, несмотря на гипотензию, мозговой кровоток долго поддерживается неизменным при объемной скорости 40 мл/мин/кг. Myamoto и соавторы исследовали величину мозгового кровотока прямым измерением в саггитальном синусе у собак в условиях ИК при температуре 20 ⁰С. Они пришли к выводу, что оптимальная скорость перфузии для мозга при при этих условиях составляет 30 мл/кг/мин. Если кровоток поддерживается на уровне 15 мл/кг/мин или ниже, возможно формирование кислородного долга и возникновение анаэробного метаболизма. Клеточная кислородная задолженность при температуре 18 ⁰С наблюдается, если скорость кровотока составляет 5-30 мл/кг/мин, а при температуре 27-28 ⁰С – соответственно 30-35 мл/кг/мин. Исследования Swain показали, что запасы макроэргических фосфатов поддерживаются неизменными при минимальной скорости перфузии 10 мл/кг/мин, тогда как ее снижение до 5 мл/кг/мин приводит к прогрессирующему истощению уровня фосфокреатинина и АТФ и развитию внутриклеточного ацидоза.