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小赢说：
本次新冠疫情让人们知道了一个英文缩写——ECMO。它技术先进，价值不菲，通常用于对重症患者的治疗，目前主要依赖进口。在我国正致力于高端医疗装备国产化替代的今天，已有用于更早期治疗的可穿戴ECMO开始了专利布局。今天，小赢就带你了解一下！
ECMO是体外膜肺氧合（ExtracorporealMembraneOxygenation）的缩写，又称人工心肺，用于急性、严重的可逆性心或肺功能衰竭[1]，是目前最高级的体外支持设备之一。在说可穿戴ECMO之前，我们先来了解一下ECMO的工作原理、发展历史和核心部件。
ECMO的工作原理
ECMO是将静脉血流泵出来，通过人工肺排出二氧化碳进行氧合，最后通过静脉（静脉-静脉模式）或者动脉（静脉-动脉模式）将含氧血液输回体内[1]。下图是以静脉-静脉模式ECMO为例示出的ECMO工作原理。
ECMO治疗期间，心脏和肺得到充分休息，全身供氧和血流动力学处在相对稳定状态。为肺功能和心功能的恢复赢得宝贵时间[2]。
ECMO的诞生和发展
ECMO的核心部件
一台ECMO的结构比较复杂，包括多组部件：血管内插管、连接管路、反馈调节血泵、气体交换装置（通常称为氧合器）、供氧管、热交换器、各种监测装置[1]。下图就是一台ECMO整机。
其中的核心部件是血泵和氧合器。
血泵，简单来说可以理解为体外的“心脏”，其功能是形成动力，驱使血液向管道的一方流动。目前血泵主要采用离心泵（例如专利技术：JPB2，）。离心泵的电机驱动单元通常非常庞大，是制约ECMO小型化的一个瓶颈。（例如下图：国家儿童医学中心（上海）自主研发的国产离心泵[3]）
氧合器，可以理解为体外的“心脏”体外的“肺”，其功能是将非氧合血氧合成氧合血，排出二氧化碳，完成血液的气体交换。
目前，应用最广泛的是分离膜式氧合器，其使用形式已从最初的卷筒式、平板折叠式发展到如今用的微孔中空纤维膜式[4]。
中空纤维氧合器（EPB1，）的中空纤维集束制成的膜管可分成内、外两腔，外走血，内走气，两腔间可通过膜进行物质交换，模拟微血管的某些功能。下图A为中空纤维组件工作原理示意图，B为中空纤维束产品示意图，C为单根中空纤维的截面图。
氧合器中的中空纤维膜作为一种昂贵的耗材，因此决定了ECMO开机成本较高，通常是在无法单独使用常规机械通气治疗之后，作为一种挽救性的手段引入治疗中的[6]。
然而，根据UpToDate（全球知名的基于循证医学原则的临床决策支持系统）的建议：对于急性呼吸衰竭患者，ECMO应该在病程早期使用，而不是作为补救措施。
也就是说：建议在患者清醒时尽早使用ECMO技术，跳过常规的先无创呼吸机再插管呼吸机的传统流程，直接应用。该建议类似有科学家提出的“清醒ECMO”的概念：对于清醒、非插管、自主呼吸的呼吸衰竭患者，用ECMO替代有创机械通气[7]，在治疗过程中病人可以进食、适当活动，能够提高患者的生活质量、促进身体康复、防止肌肉萎缩。
正是在这样的背景下，“可穿戴ECMO”被提出。
可穿戴ECMO问世
年，美国马里兰大学研究团队首次提出了可穿戴人工心肺（APL）[8]。APL可以为走动的患者提供呼吸支持，其集成设备仅需一个拉杆箱的大小。
APL中使用了该团队于开发的集成式磁悬浮泵-氧合器（IMPO）（USB1，）（上图b），IMPO将泵和氧合器集合成一体，整体尺寸只有ml的汽水罐那么大[9]！
APL通过经皮导管从非卧床患者静脉抽血，或通过外科手术植入的导管从右心房抽血，血液通过IMPO之后，返回含氧血液到达肺动脉或大动脉；控制器-电动机驱动组件（上图c）穿戴在腰带上，而电源和氧气源则放置在拉杆箱中。
年该团队将可穿戴人工心肺（APL）植入绵羊体内，进行了长时间生物相容性评估。实验结果显示，APL提供了足够的呼吸支持和心脏支持，动物存活30天无并发症或任何健康相关问题，且没有溶血，装置的流路和膜表面无毛刺血栓[10]。
APL凭什么交出这么好的成绩单？奥妙就在APL的核心部件IMPO。
IMPO的关键技术是：使用了相对于壳体以非接触方式磁性支承的旋转体，并优化血液通过充氧器膜的流动路径。
上图中的实线箭头是血液的流动方向，血液从入口进入，旋转的磁悬浮泵叶轮给予血液压力，然后血液顺着扩散片流向泵腔的外周继而流向氧合器的外壳。扩散片将血液流速转化为提高的流体动力并引导血液流向氧合器的气体交换膜。氧合器包括中空圆柱形的纤维束，血液°沿着纤维束自下而上均匀分布。磁悬浮泵叶和扩散片产生的压力推动血液流过气体可渗透中空纤维膜，在这里血液进行气体交换，氧合后的血液从出口流出。
可见，该技术能够使ECMO小型化的核心技术在于：将磁悬浮泵和中空纤维膜组合成一体，形成无需组装、超紧凑的系统。通过对该团队的专利和学术论文的追踪，我们破解了这个核心技术的密码：
1.血泵采用的是该团队于年研发的磁悬浮泵CentriMagBloodPump[11]，相比现有离心式血泵的大体积磁悬浮和电机驱动单元，该泵的体积大幅度缩小。2.氧合器中用的纤维膜面积更小，与现有氧合器需要2-4㎡纤维膜相比，IMPO仅需要0.8㎡。
那么问题来了：
更小的纤维膜如何满足气体交换的需要？
答案是：IMPO独特的周向-径向通过纤维膜的均匀流动路径实现了最有效利用纤维、最大气体交换效率、消除流动停滞。下图是模拟实验中的氧饱和度分布图。
换气效率的问题解决了，
那问题又来了：
产品小型化后如何减少溶血和血栓形成？
对流体动力学的优化设计，消除了在流动通道中的过度剪切应力，降低了溶血和血栓形成。从下图可以看出，只有很小的部分流动区域的剪切应力较高，这些区域主要集中在叶轮尖端和叶轮与扩散片的间隙。
IMPO内唯一的移动的组件是叶轮，它是磁悬浮和无接触旋转方式。驱动、轴承和泵转子合并成一个单元，消除了所有阀门，密封件，机械轴承或其他运动部件，减少了运动的组件与血液的接触摩擦，降低了溶血和血栓形成。
由于使用了小面积的纤维膜，减少血液与纤维膜表面的接触，减少了血栓形成。
除了集成式磁悬浮泵-氧合器（IMPO），马里兰大学在紧凑型氧合器的研发上并没有停下脚步。跟踪该团队的专利信息，该团队在此后又研发了两种新型氧合器。其中之一的螺旋形涡环氧合器的相关专利申请已经在中国获得授权（CNB，），其核心改进点在于：纤维束和壳体之间设计了螺旋形的流路。另一双室氧合器目前处于国际申请阶段，（WOA1，），其核心改进点在于，泵内设置了两个气室，可以分别使用不同的吹扫气体。
除了马里兰大学研究团队外，其他科研团队在可穿戴ECMO的研发上也在努力。这可以从对相关专利文献的梳理中找到线索。
美国匹兹堡大学研究团队于年发表了其研发的外置可移动式辅助肺（Paracorporeal?Ambulatory?Assist?Lung，PAAL）[12]。PAAL将血泵和氧合器结合在一个装置中（CNA，）。
PAAL具有圆形截面的纤维束，血液和气体流向垂直[13]。纤维束的面积仅为0.65m^2。
该团队于年进行了动物实验，研究和评价了PAAL设备在绵羊身上使用5天的结果[14]。
年1月，法国玛丽·拉纳隆格外科中心也启动开发一种可穿戴式人工肺的计划，并将于年底对肺动脉高压晚期患者进行临床实验[15]。
当然，对ECMO的小型化改进是一项系统性工程，除了对核心部件的改进被重点