Tim phổi nhân tạo là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa tim phổi nhân tạo

Tim phổi nhân tạo, còn gọi là máy tim phổi (cardiopulmonary bypass machine), là một thiết bị y học chuyên dụng được sử dụng trong phẫu thuật tim hở để thay thế hoàn toàn chức năng tuần hoàn và hô hấp của cơ thể trong thời gian ngắn. Thiết bị này tạm thời đảm nhiệm vai trò của tim và phổi, giúp duy trì việc lưu thông máu và trao đổi khí trong khi tim bị ngưng hoạt động để thực hiện các can thiệp phẫu thuật.

Thiết bị được cấu tạo với hệ thống ống dẫn máu (cannula), bộ bơm, bộ trao đổi khí (oxygenator), bộ lọc máu, bộ điều nhiệt và các cảm biến theo dõi lưu lượng, áp lực, oxy máu. Mục đích chính là giữ cho máu tiếp tục tuần hoàn, được bơm đi khắp cơ thể và được oxy hóa như bình thường, dù tim đã tạm dừng hoạt động.

Theo định nghĩa từ NIH – National Institutes of Health, tim phổi nhân tạo không chỉ là một thiết bị kỹ thuật mà còn là nền tảng hỗ trợ sống còn giúp bác sĩ thực hiện những thủ thuật phức tạp như thay van tim, vá thông liên thất, hoặc ghép tim, vốn không thể thực hiện nếu tim vẫn hoạt động.

Cơ chế hoạt động

Nguyên lý hoạt động của tim phổi nhân tạo là dẫn máu từ tĩnh mạch chủ (hoặc nhĩ phải), đưa qua một hệ thống oxy hóa ngoài cơ thể để bổ sung oxy và loại bỏ carbon dioxide, sau đó bơm máu trở lại vào động mạch chủ hoặc động mạch đùi để phân phối đến toàn bộ cơ thể. Quá trình này mô phỏng gần chính xác vai trò sinh lý của tim và phổi, nhưng thực hiện bằng cơ học và hóa học.

Hệ thống gồm hai dòng chính: dòng tĩnh mạch từ cơ thể dẫn về máy và dòng động mạch từ máy dẫn trở lại cơ thể. Bộ phận trao đổi khí sử dụng màng bán thấm để khuếch tán O₂ vào và CO₂ ra khỏi máu. Lưu lượng máu được kiểm soát bằng bơm ly tâm hoặc bơm con lăn để đảm bảo huyết động học ổn định trong suốt quá trình phẫu thuật.

Công thức đơn giản để tính lưu lượng máu cần thiết trong hệ thống:

$Q = CI \times BSA$, trong đó $Q$ là lưu lượng (L/phút), $CI$ là chỉ số cung lượng tim (Cardiac Index, đơn vị L/phút/m²) và $BSA$ là diện tích bề mặt cơ thể (Body Surface Area, m²). Chỉ số CI thường từ 2.4 đến 2.6 L/phút/m² để duy trì tưới máu thích hợp.

Các thành phần chính của hệ thống tim phổi nhân tạo

Máy tim phổi bao gồm nhiều thành phần chức năng riêng biệt được kết nối thành một hệ thống khép kín. Mỗi thành phần có vai trò cụ thể và tương tác nhịp nhàng để đảm bảo chức năng tuần hoàn – hô hấp ngoại bào được thực hiện an toàn, chính xác và liên tục.

• Máy bơm máu: Cung cấp lực để lưu chuyển máu; có thể là bơm ly tâm (centrifugal) hoặc bơm con lăn (roller pump).
• Oxygenator: Bộ trao đổi khí với màng lọc; bổ sung O₂, loại bỏ CO₂ khỏi máu.
• Ống dẫn (Cannula): Dẫn máu từ tĩnh mạch về máy và từ máy trở lại động mạch.
• Bộ làm ấm/làm lạnh: Kiểm soát nhiệt độ cơ thể để giảm tiêu thụ oxy và bảo vệ cơ quan.
• Bộ lọc và cảm biến: Theo dõi áp lực, lưu lượng, oxy, nhiệt độ và loại bỏ vi hạt, bong bóng khí.

Bảng mô tả chức năng chính của từng thành phần:

Thành phần	Chức năng
Máy bơm máu	Tạo dòng chảy thay cho tim
Oxygenator	Thay thế chức năng phổi, trao đổi khí
Ống dẫn máu	Kết nối hệ thống với cơ thể
Bộ điều nhiệt	Hạ thân nhiệt để bảo vệ não và tim
Cảm biến & bộ lọc	Giám sát và kiểm soát an toàn tuần hoàn

Ứng dụng lâm sàng

Máy tim phổi nhân tạo là thiết bị không thể thiếu trong các phẫu thuật tim hở, khi cần ngừng hoàn toàn hoạt động tim để phẫu thuật bên trong buồng tim hoặc các mạch lớn. Phổ biến nhất là trong các ca thay van tim, bắc cầu động mạch vành (CABG), sửa chữa tim bẩm sinh, cắt u nhĩ hoặc ghép tim.

Bên cạnh ứng dụng trong phẫu thuật tim, tim phổi nhân tạo còn đóng vai trò trong hỗ trợ tuần hoàn khẩn cấp (ECLS – extracorporeal life support), đặc biệt trong trường hợp ngừng tuần hoàn đột ngột, phù phổi cấp hoặc viêm cơ tim nặng. Ở các trung tâm hồi sức lớn, tim phổi nhân tạo có thể dùng làm bước trung gian trước khi chuyển sang ECMO hoặc hỗ trợ thất trái (LVAD).

• Phẫu thuật sửa thông liên thất, liên nhĩ
• Thay hoặc sửa van hai lá, van động mạch chủ
• Phẫu thuật động mạch chủ, ghép tim
• Hồi sức sau ngừng tim (cardiac arrest)

Theo thống kê của STS – Society of Thoracic Surgeons, hơn 300.000 ca phẫu thuật tim hở sử dụng tim phổi nhân tạo được thực hiện mỗi năm tại Mỹ, trong đó tỷ lệ thành công khi máy vận hành đúng quy chuẩn đạt trên 97%.

So sánh với ECMO

ECMO (Extracorporeal Membrane Oxygenation) và máy tim phổi nhân tạo đều là các phương tiện hỗ trợ tuần hoàn – hô hấp ngoài cơ thể, nhưng có mục đích, thời gian sử dụng và chỉ định khác nhau. Trong khi tim phổi nhân tạo chủ yếu sử dụng trong phẫu thuật tim hở với thời gian ngắn (thường dưới 6 giờ), ECMO được thiết kế để hỗ trợ dài hạn cho bệnh nhân suy hô hấp hoặc suy tuần hoàn nặng không đáp ứng điều trị thông thường.

Về mặt kỹ thuật, ECMO sử dụng hệ thống màng trao đổi khí tương tự như oxygenator của máy tim phổi, nhưng tốc độ dòng máu chậm hơn, phù hợp cho hỗ trợ dài hạn tại đơn vị hồi sức. ECMO có hai dạng chính: veno-venous (VV) ECMO dùng cho suy hô hấp đơn thuần và veno-arterial (VA) ECMO dùng cho suy tuần hoàn.

Bảng so sánh dưới đây làm rõ sự khác biệt giữa hai hệ thống:

Tiêu chí	Tim phổi nhân tạo	ECMO
Thời gian sử dụng	Vài giờ (trong mổ)	Vài ngày đến vài tuần
Địa điểm	Phòng mổ	ICU/Hồi sức cấp cứu
Mục đích chính	Phẫu thuật tim	Hồi sức tim/phổi
Loại bơm	Con lăn hoặc ly tâm	Chủ yếu ly tâm
Tính di động	Không	Có thể

Rủi ro và biến chứng

Mặc dù là công cụ cứu sinh, tim phổi nhân tạo cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro nếu không được kiểm soát tốt. Một trong các biến chứng phổ biến nhất là tổn thương tế bào máu do tiếp xúc với bề mặt nhân tạo, gây tan máu, rối loạn đông máu và nguy cơ xuất huyết.

Phản ứng viêm toàn thân (SIRS – Systemic Inflammatory Response Syndrome) cũng có thể xảy ra do máu tiếp xúc với bề mặt nhân tạo trong máy. Ngoài ra, nguy cơ hình thành khí thũng (embolism), tổn thương thận cấp (AKI), tổn thương thần kinh trung ương (CNS injury) hoặc đột quỵ do thiếu máu lên não có thể tăng nếu lưu lượng, áp lực và nhiệt độ không được kiểm soát chính xác.

Các biện pháp giảm thiểu nguy cơ bao gồm:

• Giữ nhiệt độ máu ổn định để tránh biến đổi sinh lý
• Dùng màng oxygenator có lớp phủ sinh học để hạn chế phản ứng miễn dịch
• Giám sát sát sao khí máu, áp lực động mạch, độ bão hòa oxy và lactate máu
• Điều chỉnh liều heparin phù hợp để duy trì ACT (Activated Clotting Time) ổn định

Quy trình thiết lập và vận hành

Thiết lập và vận hành hệ thống tim phổi nhân tạo đòi hỏi sự phối hợp cao giữa bác sĩ phẫu thuật tim, perfusionist và ê-kíp gây mê. Quy trình bắt đầu bằng việc kiểm tra toàn bộ hệ thống, mồi dịch bằng dung dịch đẳng trương (thường là NaCl 0.9% hoặc Plasmalyte), gắn ống dẫn máu (cannula) vào mạch máu lớn như tĩnh mạch chủ và động mạch chủ.

Sau khi mồi máy, hệ thống được vận hành đồng bộ với nhịp tim để chuẩn bị cho thời điểm chuyển sang tuần hoàn ngoài cơ thể. Khi bắt đầu sử dụng, máy sẽ hoàn toàn thay thế hoạt động của tim và phổi trong suốt thời gian mổ. Toàn bộ thông số huyết động, nhiệt độ, pH máu, oxy, CO₂, lactate và hematocrit được theo dõi liên tục.

1. Chuẩn bị thiết bị và kiểm tra rò rỉ
2. Đặt cannula và mồi hệ thống
3. Chuyển sang tuần hoàn ngoài cơ thể
4. Giám sát liên tục: lưu lượng máu, nhiệt độ, oxy máu, áp lực
5. Weaning: Ngắt dần máy để tim phục hồi chức năng

Tiến bộ công nghệ và xu hướng

Các thế hệ máy tim phổi hiện nay ngày càng tích hợp công nghệ cao như điều khiển bằng vi xử lý, cảm biến thông minh và giao diện đồ họa trực quan. Một số hệ thống còn tích hợp khả năng lưu trữ và truyền dữ liệu thời gian thực, cho phép phân tích hiệu suất lâm sàng và đưa ra cảnh báo tự động khi có thông số bất thường.

Các xu hướng nổi bật hiện nay bao gồm:

• Áp dụng màng oxygenator phủ heparin để giảm nguy cơ đông máu
• Tích hợp công nghệ cảm biến lưu lượng Doppler và siêu âm
• Hệ thống tự động điều chỉnh áp lực và nhiệt độ
• Kết nối phần mềm quản lý bệnh án và phân tích dữ liệu phẫu thuật

Các hãng như Medtronic và Getinge đang dẫn đầu thị trường với các giải pháp tích hợp toàn diện, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành và tăng độ an toàn cho bệnh nhân.

Đào tạo và nhân sự vận hành

Vận hành máy tim phổi đòi hỏi nhân sự được đào tạo chuyên sâu – thường gọi là perfusionist. Đây là một trong những nghề có tính chuyên môn kỹ thuật cao, liên quan trực tiếp đến tính mạng bệnh nhân trong phòng mổ. Perfusionist cần nắm vững sinh lý học tim phổi, huyết động học, nguyên lý trao đổi khí, đông máu và kiểm soát nhiệt độ cơ thể.

Các chương trình đào tạo perfusion hiện có tại Mỹ, Canada, châu Âu và một số nước châu Á kéo dài 2 đến 4 năm. Tại Mỹ, perfusionist phải được chứng nhận bởi Hội đồng Quốc gia (American Board of Cardiovascular Perfusion – ABCP). Ở Việt Nam, chuyên ngành này được đào tạo hạn chế và thường do các bệnh viện lớn như Bệnh viện Chợ Rẫy hoặc Viện Tim Hà Nội đào tạo nội bộ.

• Yêu cầu kiến thức: Giải phẫu, sinh lý học, dược lý, vật lý y sinh
• Kỹ năng thực hành: Vận hành thiết bị, phản ứng nhanh trong tình huống khẩn cấp
• Đạo đức: Chính xác, phối hợp nhóm và khả năng giữ bình tĩnh cao

Tài liệu tham khảo

1. National Institutes of Health. (2023). Cardiopulmonary Bypass. Link
2. American Society of ExtraCorporeal Technology. Cardiopulmonary Bypass: Principles and Practice.
3. Getinge Heart-Lung Machines. Link
4. Medtronic Cardiopulmonary Solutions. Link
5. Extracorporeal Life Support Organization (ELSO). Guidelines for ECMO. Link
6. Society of Thoracic Surgeons. STS Adult Cardiac Surgery Database. Link
7. American Board of Cardiovascular Perfusion. Link