从生理视角看VV-ECMO撤机

作者：吕行

单位：西京医院呼吸与危重症医学科

1. 核心生理目标

VV-ECMO的核心功能是替代肺的氧合与二氧化碳清除功能，其撤离的本质是患者自体肺功能恢复至可独立维持机体代谢需求的过程，需满足两大生理目标：

（1）维持充足氧供（DO₂）：DO₂与氧耗（VO₂）的平衡是机体有氧代谢的核心保障。正常人体的氧供约为600 ml/min，氧耗约为120 ml/min，DO₂/VO₂比值稳定在5:1，可确保组织获得充足的氧储备。当该比值降至2:1以下时，组织将进入无氧代谢状态，进一步诱发休克。在低氧性呼吸衰竭患者中，呼吸机常难以维持足够的氧合，加之感染、应激等状态会进一步升高氧耗。此时, VV-ECMO的核心作用就是通过体外氧合补充, 将DO₂/VO₂比值恢复至安全范围(至少＞2:1), 避免组织缺氧与器官功能损伤, 这也是低氧性呼吸衰竭患者上机的最常见指征。

（2）有效清除二氧化碳：二氧化碳的清除效率与气体流量和血液流量的比值直接相关。当VV-ECMO以二氧化碳清除为目标时，可通过提高气血比（如8:1），在远低于氧合目标所需的血流量的情况下实现高效二氧化碳清除。ARDS患者需严格实施肺保护性通气（小潮气量、低平台压），但过度限制通气可能导致允许性高碳酸血症，当pH<7.25且伴随血压波动、人机对抗时，ECMO可快速降低二氧化碳负荷。

当患者自体肺功能已能独立满足这两项生理需求时，方可启动撤离流程。而撤离ECMO与拔除气管插管的顺序，是临床实践中需重点权衡的关键问题。一项覆盖253家中心的国际调研（67%为ELSO成员中心）显示，在参与调研的中心中，75%的中心采用ECMO撤管后再拔除气管插管的策略，74%的中心报告ECMO期间拔管患者比例＜10%。2024年发表的一项针对47例ARDS患者的单中心回顾性研究将ECMO撤机前24小时的机械通气状态分为辅助/自主组和控制通气组，结果显示：辅助/自主呼吸组ECMO持续时间更长(17天 vs 6天，P<0.001)、ICU停留时间更久(48天 vs 31天，P=0.01)，且有更高的机械并发症趋势(57% vs 32%，P=0.08)，而机械通气持续时间、ICU生存率等无显著差异，提示控制机械通气期间早期撤机可能缩短ECMO暴露时间，降低并发症风险，且不影响机械通气脱机成功率。

VV-ECMO撤机可采用两步法。第一步为ECMO脱氧挑战测试（EDCT）：将呼吸机FiO₂调至60%，按100%→60%→30%→21%逐步递减ECMO扫气氧浓度（FdO₂），每步维持5 min，若SpO₂≥88%且P0.1≤10 cmH2O、FdO₂可稳定在21%，则进入第二步。第二步是二氧化碳挑战测试（ECCT）：每5～10 min将扫气流量（SGF）减少30%直至SGF=0。停止标准为SpO₂<88%；RR>35次/分；P0.1>10 cmH2O；自体肺VCO₂/分钟通气量较基线下降20%；食道压负向波动<15 cmH2O或出现明显呼吸窘迫。若且SGF=0时各项指标仍在标准内，即可考虑撤机。

2. 关键参数的生理影响

VV-ECMO撤离过程中，体外血流量(ECBF)、扫气流量(SGF)和扫气氧浓度(FdO₂)三个参数的调整直接影响气体交换效果。

2.1  ECBF

与氧输送呈线性正相关，但受再循环流量干扰。

（1）与氧输送（V′O₂ML）的关系：①当再循环流量（QR）极小时，ECBF与V′O₂ML呈线性正相关；②若QR较高，会削弱氧输送效率，此时需结合有效ECBF（总ECBF-QR）评估。

（2）与二氧化碳清除（V′CO₂ML）的关系：①0~0.5 L/min—线性正相关，ECBF增加可提升二氧化碳扩散量。②0.5~1 L/min—对数关系，清除效率随流量增加而增速放缓。③>1 L/min—清除量基本不变，因膜肺表面积和SGF成为限制因素。

（3）对撤机的影响：①血栓风险—ECBF过低（如<1 L/min）时血流缓慢，易在回路中形成血栓。②再循环干扰—改变ECBF会影响QR，导致实际氧输送与理论值偏差。

2.2  SGF

主要调控CO₂清除，与CO₂清除量呈线性负相关。SGF归零可能导致氧合骤降，需逐步递减便于给肺血管缺氧收缩反应留出时间。

（1）与氧输送（V′O₂ML）的关系：仅在SGF接近零时才显著影响V′O₂ML。因膜肺氧合效率主要依赖氧浓度（FdO₂），而非SGF流量，除非SGF过低导致膜肺内气体更新不足。

（2）与二氧化碳清除（V′CO₂ML）的关系：呈线性负相关—SGF通过形成二氧化碳扩散梯度（膜肺两侧二氧化碳分压差）促进清除。SGF越低，V′CO₂ML越少，自体肺需代偿更多二氧化碳负荷。

（3）对撤机的影响：氧合骤降风险—SGF归零会使体外氧输送突然停止，而肺血管对缺氧的收缩反应需数分钟才启动，可能导致短暂性低氧血症。

2.3  FdO₂

仅影响氧输送，与二氧化碳清除无关。逐步降低FdO₂可诱导肺血管缺氧收缩，优化通气/血流比，为撤离做准备。

（1）与氧输送（V′O₂ML）的关系：呈线性负相关—降低FdO₂直接减少膜肺供氧，导致V′O₂ML下降。此过程可逐步诱导肺血管缺氧收缩，优化自体肺通气/血流比。

（2）与二氧化碳清除（V′CO₂ML）的关系：无影响—二氧化碳清除依赖SGF形成的扩散梯度，与FdO₂无关。

（3）对撤机的影响：肺泡氧分压降低—FdO₂降低会改变呼吸商（RQ），根据肺泡气体方程，RQ下降可导致肺泡氧分压（PAO₂）降低，尤其在自体肺代偿不足时。

2023年Intensive Care Medicine Experimental杂志发表的一篇综述显示，纳入的17家ECMO中心中，虽有16家会将SGF降至零，但在ECBF、扫FdO₂的调整策略上存在明显分歧，且各中心撤机试验的监测标准、持续时间差异极大，仅少数中心会对呼吸驱动与呼吸努力进行客观评估。为了降低撤机过程中肺损伤风险，需结合机械通气状态制定针对性监测策略。①控制通气时，需维持驱动压<15 cmH2O、PEEP≤10 cmH2O；②自主呼吸时，使用压力支持优化同步性并监测跨肺压（ΔP_L）。

合理的撤机步骤（第一步：FdO₂从0.6逐步降至0.21，恢复肺血管缺氧收缩；第二步：SGF从1 L/min逐步降至0，观察PaCO₂和呼吸努力），再配合氧饱和度、心率、呼吸频率、PaCO₂、潮气量、驱动压、食道压波动、ΔP_L、P0.1等监测和预警指标，可以更精准地指导撤机过程，减少不良事件的发生。

一项针对VV-ECMO支持的成人ARDS患者的多中心研究，通过前瞻性生理队列（26例）与回顾性临床队列（638例），验证了二氧化碳清除能力对撤机结局的预测价值：生理队列监测食道压波动、生理死腔、PetCO₂/PaCO₂；临床队列监测临床指标和PetCO₂/PaCO₂。结果显示，研究中生理队列42%的失败案例中，70%因吸气努力过大（食道压波动≥15 cmH2O）。失败组患者的生理死腔占比显著高于成功组，导致其清除单位二氧化碳所需的吸气努力是成功组的2倍。该研究得出结论：撤机失败的主要原因是二氧化碳清除相关的呼吸努力过高；PetCO₂/PaCO₂比值越高，VV-ECMO脱机成功率越大。

在多伦多综合医院开展两项观察性研究纳入因重度ARDS接受VV-ECMO治疗后进行撤离的成人患者（回顾性队列55例、前瞻性队列28例），分析了扫气流速关闭试验（SGOT）期间的撤机预测因素，结果显示：潮气量/预测体重(V_Tpbw）、心率、通气比（VR）及食道压（P_es）波动是关键指标：V_Tpbw＞7.8 ml/kg、心率>110次/分、VR＞2.3或P_es＞16 cmH2O时，撤机后48小时内出现不安全事件（如再插管、呼吸机支持升级）的风险显著增加，且前瞻性队列中不安全撤机组的机械通气时间、ICU住院时长及死亡率均更高。其中P_es波动＞16 cmH2O的特异性高达100%，是独立预测因子。基于上述指标，临床实践中可按以下步骤实施撤机：①启动SGOT后监测氧饱和度，若<90%立即重启扫气；②每小时评估V_Tpbw、心率、VR及P_es波动，若V_Tpbw＞7.8 ml/kg、心率>110次/分、VR>2.3或P_es波动＞16 cmH2O，暂停撤机；③优化患者状态（如纠正容量负荷、控制感染）后，每24～48小时重试；④若参数持续异常，考虑延长ECMO支持，避免过早撤机导致肺损伤或血流动力学不稳定。

2024年Crit Care Med 杂志发表的一项针对227例急性呼吸衰竭VV-ECMO患者的单中心回顾分析显示，79%的患者实现了成功撤机，而撤机失败的危险因素包括：①撤机前，呼吸频率更高（19次/分 vs 16次/分，P=0.002）、PaCO₂更高（44 mmHg vs 40 mmHg，P=0.003）；②撤机过程中，SaO₂和氧合指数下降更显著。这些结果提示，撤机前的呼吸频率、PaCO₂以及撤机中的氧合指标波动，可作为VV-ECMO撤机结局的预警信号。

2024年J Clin Med 杂志发表的一项纳入84例ARDS患者的多中心回顾性研究验证了通气比（VR）对VV-ECMO安全撤机的预测价值（安全撤机定义为撤机后48小时无需重新插管）。研究显示：单因素分析中VR和氧合指数均能预测撤机结局，但逻辑回归证实VR是唯一独立预测指标，VR每增加1个单位，成功撤机的概率降低62%；且VR>1.64的患者，ICU住院时间延长的可能性是VR<1.64者的2.2倍；而氧合指数与住ICU时间或医院住院时间之间均无显著关联。

1. VV-ECMO撤机指征

当患者满足以下条件时可考虑启动撤离试验：①临床症状好转；②影像学改善；③PaO₂升高，PaCO₂下降（在不升高呼吸机支持参数的前提下）；④肺顺应性升高、气道阻力下降。

为了初步评估氧合能力，ECMO流量可以降至1～1.5 L/min，以确保患者保持足够的氧合；或者可以维持ECMO流量，但降低输送氧气浓度。为了评估通气能力，患者应耐受低吹扫气流（<2 L/min）和可接受的PaCO₂和呼吸做功。可以将患者置于100% FiO₂下15 min，然后检查动脉血气以评估PaO₂的缓冲能力。

2. ELSO指南推荐的撤机步骤及流程（表1）

表1  ELSO指南推荐的撤机步骤及流程

作者介绍

吕行

西京医院呼吸与危重症医学科，副教授，副主任医师，硕士研究生导师，空军军医大学临床医学博士；中国医师协会呼吸医师分会危重症工作委员会青年委员，陕西省预防医学会呼吸病防治专业委员会常委，陕西省医师协会呼吸医师委员会委员，西北呼吸危重症联盟秘书长，陕西重症肺炎诊治协作网秘书长；空军军医大学教学标兵，主持军队课题1项、省级课题3项、院级课题多项，作为骨干成员参与国家重点研发计划1项、国自然和军队课题多项，第一/通讯作者发表SCI论文8篇，参与发表20余篇。