体外循環と人工心肺装置の理論・実際

🧠 全体像：体外循環 extracorporeal circulation 体外循環（extracorporeal circulation） extracorporeal circulation（体外循環） は、血液を体外へ導き、酸素化・二酸化炭素carbon dioxide, CO₂ 二酸化炭素（carbon dioxide, CO₂）carbon dioxide, CO₂（二酸化炭素） 除去・温度調節などを行って体内へ戻す。ECMOは重症心肺不全 cardiopulmonary failure 心肺不全（cardiopulmonary failure） cardiopulmonary failure（心肺不全） を一定期間支える装置、CPBは心臓手術中に心肺機能を代行して静止した術野 surgical field 術野（surgical field） surgical field（術野） を作る装置である。

歴史の見取り図

心臓は長く「触れてはならない臓器」だった。拍動する心臓の内部を手術するには、心臓と肺の働きを機械が代わる必要があり、人工心肺cardiopulmonary bypass 人工心肺（cardiopulmonary bypass）cardiopulmonary bypass（人工心肺） の実用化が転機になった。

体外循環回路

体外循環extracorporeal circulation 体外循環（extracorporeal circulation）extracorporeal circulation（体外循環） とは、患者の循環から血液を取り出し、処理した後に循環へ戻す手技である。体外で血液を運ぶ装置全体を体外循環回路 extracorporeal circuit 体外循環回路（extracorporeal circuit） extracorporeal circuit（体外循環回路） という。

体外循環extracorporeal circulation 体外循環（extracorporeal circulation）extracorporeal circulation（体外循環） の目的は5つある：①循環の維持、②酸素化、③体温とpHの調節、④血液のない静止した心臓、⑤正確で精密な手術。

ECMO

ECMOは小型化した人工心肺装置 Heart-lung machine / CPB 人工心肺装置（Heart-lung machine / CPB） Heart-lung machine / CPB（人工心肺装置） であり、体外循環システムcardiopulmonary bypass system 体外循環システム（cardiopulmonary bypass system）cardiopulmonary bypass system（体外循環システム） が血液を人工ガス交換膜 artificial gas-exchange membrane 人工ガス交換膜（artificial gas-exchange membrane） artificial gas-exchange membrane（人工ガス交換膜） へ送り、肺のガス交換、方式によっては心臓の循環機能も代行する高度生命維持療法 life-sustaining therapy 生命維持療法（life-sustaining therapy） life-sustaining therapy（生命維持療法） である。

VA-ECMOとVV-ECMO

flowchart TD
    A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='large venous cannula'>大口径静脈カニューレ</span>から<span class='jp-term jp-term-diagram' title='blood drainage (ECMO outflow from patient)'>脱血</span>"] --> B["ポンプ"]
    B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='membrane oxygenator'>膜型酸素化装置</span>"]
    C --> D["CO2除去・酸素化"]
    D --> E["VA：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='femoral artery'>大腿動脈</span>へ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='blood return (ECMO inflow to patient)'>送血</span>"]
    E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='iliac artery'>腸骨動脈</span>から大動脈へ逆行<br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='systemic circulation'>全身循環</span>とガス交換を補助"]
    D --> G["VV：静脈へ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='blood return (reinfusion to the patient)'>返血</span>"]
    G --> H["患者自身の心臓から全身へ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='blood return (ECMO inflow to patient)'>送血</span><br>主にガス交換を補助"]

VA-ECMOは肺のガス交換と全身循環 systemic circulation 全身循環（systemic circulation） systemic circulation（全身循環） を同時に補助でき、選択された難治性心原性ショック cardiogenic shock, CS 心原性ショック（cardiogenic shock, CS） cardiogenic shock, CS（心原性ショック） などで用いる。ただし、早期ルーチン導入が保存的初期戦略より転帰を必ず改善するとはいえず、原因、回復可能性、合併症と橋渡し目標を評価して選択する。¹ 一方、VV-ECMOは患者自身の心拍出で酸素化血 oxygenated blood 酸素化血（oxygenated blood） oxygenated blood（酸素化血） を全身へ送るため、主にガス交換を補助する。

利点と欠点

⚠️ 強力な循環補助である一方、血液が異物表面に接触するため出血と血栓の両方が問題となり、末梢カニューレ cannula カニューレ（cannula） cannula（カニューレ） 挿入では四肢虚血 limb ischemia 四肢虚血（limb ischemia） limb ischemia（四肢虚血） にも注意する（授業は、四肢虚血limb ischemia 四肢虚血（limb ischemia）limb ischemia（四肢虚血） を防ぐために末梢側へ送血 blood return (ECMO inflow to patient) 送血（blood return (ECMO inflow to patient)） blood return (ECMO inflow to patient)（送血） する遠位灌流カニューレ cannula カニューレ（cannula） cannula（カニューレ） を検討するとしている）。凝固異常には後天性のフォン・ヴィレブランド因子 von Willebrand factor (VWF) フォン・ヴィレブランド因子（von Willebrand factor (VWF)） von Willebrand factor (VWF)（フォン・ヴィレブランド因子） の異常が含まれる（授業は出血の要因として挙げる）。

人工心肺装置

CPBは、拍動する心臓では手術が難しいため、心臓手術中に循環・酸素化を代行して心停止下の術野 surgical field 術野（surgical field） surgical field（術野） を作る。

1. 術者operator (person performing the procedure) 術者（operator (person performing the procedure)）operator (person performing the procedure)（術者） が右心房、大静脈、または大腿静脈 femoral vein 大腿静脈（femoral vein） femoral vein（大腿静脈） へ静脈カニューレ cannula カニューレ（cannula） cannula（カニューレ） を置く。
2. 重力脱血gravity drainage 重力脱血（gravity drainage）gravity drainage（重力脱血） で静脈血を体外へ導く。
3. 血液をろ過し、冷却・加温を行い、膜型酸素化装置membrane oxygenator 膜型酸素化装置（membrane oxygenator）membrane oxygenator（膜型酸素化装置） で酸素化する。
4. 機械ポンプにより、上行大動脈ascending aorta 上行大動脈（ascending aorta）ascending aorta（上行大動脈） の動脈カニューレ cannula カニューレ（cannula） cannula（カニューレ） から酸素化血 oxygenated blood 酸素化血（oxygenated blood） oxygenated blood（酸素化血） を体内へ戻す。
5. 回路内凝固を防ぐためヘパリンを投与し、抗凝固効果を監視して回路・患者条件に調整する。終了後は過量投与 overdose 過量投与（overdose） overdose（過量投与） を避けながらプロタミンprotamineプロタミン（protamine）protamine（プロタミン）硫酸塩で作用を拮抗する。²

模式図の主経路は、静脈カニューレ → 静脈リザーバー → ポンプ → 膜型酸素化装置／熱交換器 → 動脈カニューレ である。ガスブレンダーgas blender ガスブレンダー（gas blender）gas blender（ガスブレンダー） は酸素化装置 oxygenator 酸素化装置（oxygenator） oxygenator（酸素化装置） へ空気／酸素を供給してCO₂除去と酸素化を調整し、加温冷却装置heater-cooler 加温冷却装置（heater-cooler）heater-cooler（加温冷却装置） は熱交換器 heat exchanger 熱交換器（heat exchanger） heat exchanger（熱交換器） を介して血液温を制御する。動脈フィルターarterial filter 動脈フィルター（arterial filter）arterial filter（動脈フィルター） や心内吸引 cardiotomy suction 心内吸引（cardiotomy suction） cardiotomy suction（心内吸引） は一般的なCPB回路に加わり得る構成要素だが、この模式図自体には明示されていない。リザーバーは静脈還流量 venous return 静脈還流量（venous return） venous return（静脈還流量） の変動を受ける一方、回路全体で空気混入、血液損傷、凝固・炎症反応を管理する必要がある。

生成模式図（実際の患者画像ではありません）。青い脱血 blood drainage (ECMO outflow from patient) 脱血（blood drainage (ECMO outflow from patient)） blood drainage (ECMO outflow from patient)（脱血） 路と赤い送血 blood return (ECMO inflow to patient) 送血（blood return (ECMO inflow to patient)） blood return (ECMO inflow to patient)（送血） 路をたどると、心臓手術中に装置がガス交換と送血 blood return (ECMO inflow to patient) 送血（blood return (ECMO inflow to patient)） blood return (ECMO inflow to patient)（送血） を代行する位置関係が分かる。

実際の回路には主経路に加えて、動脈・静脈・心筋保護cardioprotection 心筋保護（cardioprotection）cardioprotection（心筋保護） 用のカニューレ cannulaカニューレ（cannula） cannula（カニューレ）、心腔cardiac chamber 心腔（cardiac chamber）cardiac chamber（心腔） を減圧するベント、術野surgical field 術野（surgical field）surgical field（術野） の血液を回収するサクション、大腿カニューレ cannula カニューレ（cannula） cannula（カニューレ） （末梢送脱血 blood drainage (ECMO outflow from patient) 脱血（blood drainage (ECMO outflow from patient)） blood drainage (ECMO outflow from patient)（脱血） 用）、血液温度を調節する加温冷却装置 heater-cooler加温冷却装置（heater-cooler） heater-cooler（加温冷却装置）、回収血を洗って戻す自己血回収 cell salvage 自己血回収（cell salvage） cell salvage（自己血回収） 装置、ヘパリンの効果を測る抗凝固管理装置、心筋保護液cardioplegia 心筋保護液（cardioplegia）cardioplegia（心筋保護液） の送液装置が接続される。血液が触れる表面には生体適合性のコーティングを施す。

人工心肺は非生理的な循環

人工心肺cardiopulmonary bypass 人工心肺（cardiopulmonary bypass）cardiopulmonary bypass（人工心肺） は「正常でない循環状態」であり、回路表面が血球を傷害し、長時間ではサイトカインの活性化と炎症反応が起こる。結果として次の合併症が生じうる。

この全身性炎症 Systemic Inflammation 全身性炎症（Systemic Inflammation） Systemic Inflammation（全身性炎症） は、人工心肺cardiopulmonary bypass 人工心肺（cardiopulmonary bypass）cardiopulmonary bypass（人工心肺） を使わない手術（オフポンプ）が理論上の利点として掲げられる理由でもある（冠動脈バイパス術coronary artery bypass grafting (CABG)冠動脈バイパス術（coronary artery bypass grafting (CABG)）coronary artery bypass grafting (CABG)（冠動脈バイパス術））。

心筋保護

人工心肺cardiopulmonary bypass 人工心肺（cardiopulmonary bypass）cardiopulmonary bypass（人工心肺） 中は大動脈を遮断して心臓への血流を止めるため、心筋を虚血から守りつつ、動かず血のない術野 surgical field 術野（surgical field） surgical field（術野） を作り、遮断解除後に心筋を再び活かすための心筋保護液cardioplegia心筋保護液（cardioplegia）cardioplegia（心筋保護液）を注入する。目的は次の3つである。

1. 虚血傷害から心筋を守る
2. 動かず血のない術野 surgical field 術野（surgical field） surgical field（術野） を作る
3. 虚血後の心筋を効果的に蘇生する

低体温とカリウムによる機械的な停止（心停止）は、どちらも心筋の酸素消費を減らす。方法は次の5つの軸で分けられる。

従来の多回投与型では、心停止を保つために15〜30分ごとに再投与する。単回投与型の心筋保護液 cardioplegia 心筋保護液（cardioplegia） cardioplegia（心筋保護液） （del Nido液など）も使われ、多回投与と比べて虚血時間を短縮し、再灌流時の細動と心筋酵素の上昇を減らしたとするメタ解析 Meta-analysis メタ解析（Meta-analysis） Meta-analysis（メタ解析） がある。ただし死亡と心筋梗塞には差がなく、同じ単回投与型でもヒスチジン histidineヒスチジン（histidine） histidine（ヒスチジン）・トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）・ケトグルタル酸alpha-ketoglutarate (α-KG) ケトグルタル酸（alpha-ketoglutarate (α-KG)）alpha-ketoglutarate (α-KG)（ケトグルタル酸） 液ではこれらの利点は再現されなかった³。ただし世界の実践は一様でなく、血液心筋保護液 cardioplegia 心筋保護液（cardioplegia） cardioplegia（心筋保護液） が最も一般的（南米を除く）で、St. Thomas液・Bretschneider液・UW液などが使われ、心筋保護cardioprotection 心筋保護（cardioprotection）cardioprotection（心筋保護） の明確な合意はない⁴。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aortic cross-clamp'>大動脈遮断</span>"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cardioplegia'>心筋保護液</span>を冠動脈へ注入：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='antegrade'>順行性</span>または逆行性"]
  B --> C["低温＋高カリウムで心停止：酸素消費が下がる"]
  C --> D["手術操作：吻合・弁手術"]
  D --> E["多回投与型は15〜30分ごとに再投与"]
  E --> D
  D --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aortic cross-clamp'>大動脈遮断</span>解除：再灌流して心拍再開"]

低体温法

低体温を用いる場合はCPB回路で血液を冷却し、基礎代謝率basal metabolic rate (BMR) 基礎代謝率（basal metabolic rate (BMR)）basal metabolic rate (BMR)（基礎代謝率） と全身の酸素需要 oxygen demand 酸素需要（oxygen demand） oxygen demand（酸素需要） を減らす。原資料の28–32°Cは中等度低体温 moderate hypothermia 中等度低体温（moderate hypothermia） moderate hypothermia（中等度低体温） の一例であり、通常の成人心臓手術の全例をこの温度にするわけではない。ほぼ正常体温、軽度／中等度／高度低体温を手術内容、循環停止circulatory arrest 循環停止（circulatory arrest）circulatory arrest（循環停止） の要否、臓器保護と合併症リスク risk of complications 合併症リスク（risk of complications） risk of complications（合併症リスク） から選択し、再加温rewarming 再加温（rewarming）rewarming（再加温） も慎重に行う。

💡 CPBの構成要素は「脱血blood drainage (ECMO outflow from patient)脱血（blood drainage (ECMO outflow from patient)）blood drainage (ECMO outflow from patient)（脱血） → ろ過・温度調節 → 膜型酸素化 → ポンプ送血 blood return (ECMO inflow to patient)送血（blood return (ECMO inflow to patient)） blood return (ECMO inflow to patient)（送血）」。低体温は臓器の酸素消費を下げ得る（生理学的な理屈）が、成人心臓手術で臓器を保護するという臨床的な根拠は質が低く一貫しない。無作為化試験の統合では、死亡と脳障害の差は不確実なままで、バイアスbias バイアス（bias）bias（バイアス） のリスクが低い試験に限るとむしろ低体温で死亡が多かった。冠動脈バイパス術coronary artery bypass grafting (CABG) 冠動脈バイパス術（coronary artery bypass grafting (CABG)）coronary artery bypass grafting (CABG)（冠動脈バイパス術） 以外の手術では評価に足る根拠がなく、温度は術式・循環停止circulatory arrest 循環停止（circulatory arrest）circulatory arrest（循環停止） の要否・合併症の危険から個別に決める。⁵

適応

• CABG。
• 心臓弁修復／置換術。
• 大きな中隔欠損修復術 repair修復術（repair） repair（修復術）。
• 心臓移植heart transplantation 心臓移植（heart transplantation）heart transplantation（心臓移植） （心臓移植heart transplantation心臓移植（heart transplantation）heart transplantation（心臓移植））。

今後は、内視鏡下の冠動脈バイパス術 coronary artery bypass grafting (CABG)冠動脈バイパス術（coronary artery bypass grafting (CABG)） coronary artery bypass grafting (CABG)（冠動脈バイパス術）・弁形成術valvuloplasty弁形成術（valvuloplasty）valvuloplasty（弁形成術）、ロボット支援手術robot-assisted surgeryロボット支援手術（robot-assisted surgery）robot-assisted surgery（ロボット支援手術）、遠心centrifugation 遠心（centrifugation）centrifugation（遠心） ポンプなどの低侵襲化が進み、カテーテルなど手術を伴わない治療へ向かう流れが続く。

まとめ

• ECMOとCPBはいずれも体外循環回路 extracorporeal circuit 体外循環回路（extracorporeal circuit） extracorporeal circuit（体外循環回路） で血液を処理して返血 blood return (reinfusion to the patient) 返血（blood return (reinfusion to the patient)） blood return (reinfusion to the patient)（返血） する。
• VA-ECMOは循環と酸素化、VV-ECMOは主に酸素化を支える。
• CPBは開心術 open-heart surgery 開心術（open-heart surgery） open-heart surgery（開心術） 中の静止術野 surgical field 術野（surgical field） surgical field（術野） を作り、脱血blood drainage (ECMO outflow from patient)脱血（blood drainage (ECMO outflow from patient)）blood drainage (ECMO outflow from patient)（脱血）・酸素化・温度調節・ポンプ送血 blood return (ECMO inflow to patient) 送血（blood return (ECMO inflow to patient)） blood return (ECMO inflow to patient)（送血） を代行する。
• ヘパリンによる抗凝固、プロタミンprotamine プロタミン（protamine）protamine（プロタミン） による拮抗、低体温による酸素需要 oxygen demand 酸素需要（oxygen demand） oxygen demand（酸素需要） 低下が実施上の要点である。