Heart-lung machine

Japanese: 人工心肺 - じんこうしんぱい

In order to open the heart and perform intracardiac surgery, it is necessary to temporarily bypass the heart and guide the blood returning from the entire body outside the body, give it oxygen, and return it to the body via the arteries. This is called extracorporeal circulation, and a heart-lung machine is used for this purpose. The heart-lung machine consists of an artificial heart pump that acts as the heart to pump blood, and an artificial lung that acts as the lung to add oxygen to the blood and remove carbon dioxide.

[Kazuhiko Atsumi]

Artificial Heart Pump

Currently, the most commonly used pump is the steady flow pump. This is a non-pulsatile flow pump that uses rollers to squeeze a rubber or polyvinyl chloride tube to send blood in one direction. From around the 1970s, more physiological pulsatile flow pumps were also used, but recently most pumps are steady flow pumps.

[Kazuhiko Atsumi]

Artificial lung

There are three types of oxygenators: bubble type, disc type, and membrane type.

(1) Bubble type: In this method, blood is passed through a tube called a mixing tube, and oxygen is blown directly into the blood as bubbles, adding oxygen and expelling carbon dioxide. This bubble type has excellent gas exchange capacity and is convenient because it is disposable, but it has the disadvantage that blood components are mechanically destroyed and plasma proteins are denatured because the blood comes into direct contact with oxygen gas.

(2) Disc type: In this method, 10 to 20 discs are attached to a common axis and rotated half-immersed in a blood tank filled with blood. Oxygen gas is sprayed onto the film of blood that forms on the rotating discs to oxygenate the blood. The disc type causes less blood destruction than the bubble type, and it is also easier to control the blood gas properties. However, since they are not generally disposable and take time to disassemble, assemble, and disinfect, they are not used much these days.

(3) Membrane type: In living lungs, blood gases are exchanged via the pulmonary bubble membrane, and the membrane type mimics this. It causes very little blood destruction and can be used for long periods of time. Since around 1975, polymer membranes with excellent gas exchange efficiency have been developed and put to practical use, and have begun to be used in clinical settings. The membrane type includes those that utilize the dissolution and diffusion of gas through a homogeneous membrane made of silicone, as well as those that allow gas to pass through the pores of a porous membrane made of polypropylene.

[Kazuhiko Atsumi]

accessories

The accessories of the heart-lung machine include a polyvinyl chloride tube that connects the machine to the living body, a heat exchanger that regulates the temperature of the blood during extracorporeal circulation, and devices for measurement and automatic control during extracorporeal circulation.

[Kazuhiko Atsumi]

Extracorporeal circulation using cardiopulmonary bypass

To prevent blood clotting, heparin or other drugs are added to the blood, and then the arterial circuit of the heart-lung machine is inserted into the ascending aorta or femoral artery. Next, the venous circuit is inserted from the right atrium into the upper and lower vena cava. Blood is then sent from the arterial side using the artificial heart pump, while blood is removed by the drop. Once the balance between blood supply and removal is maintained with an appropriate perfusion rate, intracardiac surgery can begin. During extracorporeal circulation using the heart-lung machine, the blood perfusion rate, oxygen flow rate, blood temperature, and blood dilution rate must be adjusted.

[Kazuhiko Atsumi]

Application of cardiopulmonary bypass

Extracorporeal circulation using a cardiopulmonary bypass is used in approximately 10,000 cardiac surgeries per year in Japan, but other applications include supporting circulation after surgery or during heart failure (PCPS = percutaneous cardiopulmonary support), supporting long-term lung function over several days to several weeks in the case of pulmonary failure (ECMO = extracorporeal membrane oxygenation), and hyperthermia (heating therapy) in the treatment of cancer. Furthermore, research has been ongoing since around 1987 on an implantable type of oxygenator that can be placed inside the body (in the vena cava).

[Kazuhiko Atsumi]

"Practical Cardiopulmonary Bypass by Akihiro Minamibuchi (2002, Igaku-Shoin)" ▽ "Cardiopulmonary Bypass Handbook by Hideo Adachi and Naoki Momose (2004, Chugai Igaku-sha)" ▽ "Latest Cardiopulmonary Bypass - Theory and Practice by Toshio Abe and Yuichi Ueda (2007, Nagoya University Press)"

[Reference] | Artificial organs

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

心臓を切り開き、心臓内の手術を行うためには、一時的に全身から帰ってくる血液を心臓をバイパス（分路）して体外に導き、酸素を与え、動脈を介して体内に戻す必要がある。これを体外循環といい、そのときに使用されるのが人工心肺である。人工心肺には、血液を送り出す心臓の役目をする人工心ポンプと、血液に酸素を付加し、炭酸ガス（二酸化炭素）を排除する肺の役目をする人工肺とがある。

［渥美和彦］

人工心ポンプ

現在、もっとも多く使用されるのが、定常流ポンプである。これはゴム管、あるいは塩化ビニル管をローラーでしごき、血液を一方的に送る非拍動流ポンプである。1970年ごろから、より生理的な拍動流ポンプも利用されたことがあるが、最近は、ほとんど定常流ポンプである。

［渥美和彦］

人工肺

人工肺には、気泡型、円板型、膜型の3種がある。

(1)気泡型　混合筒とよばれる筒の中に血液を流し、この血液に酸素を気泡として直接に吹き込み、酸素付加と炭酸ガス排出を行う方式である。この気泡型は、ガスの交換能が優れ、使い捨てで便利であるが、血液が直接に酸素ガスと接触するために、血液の成分が機械的に破壊されたり、血漿(けっしょう)のタンパク質が変性したりする欠点がある。

(2)円板型　10～20個の円板を同軸に取り付け、血液を満たした貯血槽の中に半分くらい浸して、回転させる方法である。回転する円板にできた血液の膜に酸素ガスを吹き付けて、血液の酸素化を行うものである。円板型は気泡型に比して血液破壊が少なく、かつ血液ガス性状の制御も容易である。しかし、一般には使い捨てでなく、分解および組立て、消毒などに時間がかかるため、現在はあまり利用されなくなっている。

(3)膜型　生体の肺は肺泡膜を介して血液ガスの交換が行われているが、それを模倣したものが膜型である。血液破壊はきわめて少なく、長期の使用も可能である。1975年ごろからは、ガス交換の効率の優れた高分子膜が開発されて、実用化され、臨床にも応用されるようになった。膜型には、シリコーン膜を使用した均質膜による気体の溶解拡散を利用するもののほか、ポリプロピレン膜を使用した多孔質膜の細孔の中を気体が通過するものなどがある。

［渥美和彦］

付属品

人工心肺の付属品としては、装置と生体とをつなぐ塩化ビニル管と、体外循環中の血液の温度を調節する熱交換器とがある。さらに、体外循環中の測定や自動制御のための装置がある。

［渥美和彦］

人工心肺による体外循環

血液の凝固を防ぐために、血液内にヘパリンなどが与えられてから、人工心肺の動脈側の回路が上行大動脈あるいは大腿(だいたい)動脈へ挿入される。ついで、静脈側の回路が右心房より上・下の大静脈へ挿入される。さらに人工心ポンプで動脈側より送血を行いながら落差により脱血を行う。適正な灌流(かんりゅう)量で送血および脱血のバランスが維持されるようになると、心臓内の手術操作が始められる。人工心肺による体外循環中には、血液の灌流量、酸素流量、血液温、あるいは血液の希釈度などを調節することになる。

［渥美和彦］

人工心肺の応用

人工心肺の体外循環は、日本において年間約1万例の心臓手術に利用されているが、さらに他の応用としては、術後あるいは心不全の際の循環の補助（PCPS＝経皮的心肺補助装置）、肺不全に対して数日から数週間に及ぶ長期の肺機能の補助（ECMO(エクモ)＝体外式膜型人工肺）、あるいは癌(がん)の治療の際のハイパーサーミア（加温療法）などにも応用される。さらに、1987年ごろから体内（大静脈内）に内蔵しうる植え込み型人工肺の研究が進められている。

［渥美和彦］

『南淵明宏著『実践　人工心肺』（2002・医学書院）』▽『安達秀雄・百瀬直樹編著『人工心肺ハンドブック』（2004・中外医学社）』▽『阿部稔雄・上田裕一編『最新　人工心肺――理論と実際』第3版（2007・名古屋大学出版会）』

[参照項目] | 人工臓器

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

<<: Progressive muscular dystrophy

>>: Artificial heart