Effects of Pulsatile and Nonpulsatile Perfusion Mode During Extracorporeal Circulation - a Comparative Clinical Study

Summary

In a prospective randomized study with 80 male patients scheduled for aorto-coronary bypass grafting we investigated the influence of pulsatile and nonpulsatile perfusion mode on cell count (leukocytes, platelets, hematocrit), concentrations of thromboxane (TXB₂), 6-keto-prostaglandin F_1α (6-keto-PGF_1α), plasma hemoglobin, PMN-elastase, complement C3a, clotting factor XII, lactate, plasmatic inhibitors (C 1-INH, AT-III, α₂-antiplasmin), arterio-venous oxygen difference (AVDO₂) and hemodynamic parameters. Changes in hematocrit were similar in both groups, whereas plasma hemoglobin concentration was significantly higher with pulsatile perfusion. Platelet count paralleled changes in hematocrit and was not influenced by the perfusion mode. Leukocyte count as well as concentrations of PMN-elastase and C3a showed a strong increase during cardiopulmonary bypass, but there were no significant differences between the two groups. Similar changes of the concentrations of TXB₂ and 6-keto-PGF_1α were noted irrespective of the perfusion mode applied. The observed alterations in the concentrations of clotting factor XII, α₂-antiplasmin, AT-III and Cl-INH largely paralleled hematocrit changes in either flow mode. Significant differences between the two groups were found with lactate: with nonpulsatile perfusion there was a slight but continuous increase, while with pulsatile flow lactate levels remained unchanged. There was no evidence for a better oxygen uptake (AVD_O2) with pulsatile perfusion.

Pulsatile perfusion seems to be advantageous to tissue perfusion, however, at the cost of a higher rate of hemolysis. We cannot confirm further salutary effects of the pulsatile perfusion mode with the 1-pump-system on cellular and humoral blood constituents. Therefore, we do not consider the use of the technically more sophisticated pulsatile flow mode superior to nonpulsatile perfusion in routine cardiac surgery.

Zusammenfassung

Die Anwendung der extrakorporalen Zirkulation (EKZ) zur Durchführung von Eingriffen am Herzen verursacht im Zusammenwirken mit dem Operationstrauma eine direkte mechanische Schädigung der korpuskulären Blutelemente und führt über eine Freisetzung von Mediatoren zur Aktivierung der klassischen Kaskadensysteme. Da der Nutzen der als physiologischer angesehenen pulsatilen Perfusion noch immer kontrovers beurteilt wird, untersuchten wir in einer prospektiven, randomisierten Studie an 80 männlichen Patienten, die sich einer aortokoronaren Bypass-Operation unterzogen, den Einfluß des pulsatilen und nicht-pulsatilen Perfusionsverfahrens auf die unter EKZ auftretenden Veränderungen von zellulären und humoralen Blutbestandteilen. Neben hämodynamischen Parametern wurden Hämatokrit (Hk), Leukozyten, Thrombozyten, Plasma-Hämoglobin (Plasma-Hb), Thromboxan B₂ (TXB₂), 6-keto-Prostaglandin F_1α, Komplement C3a, PMN-Elastase, Gerinnungsfaktor XII, die Inhibitoren α₂-Antiplasmin, Antithrombin III (AT III) und Cl-Inaktivator (Cl-INH) sowie Laktat und die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz (AVD_O2) bestimmt.

Während sich die Veränderungen des Hämatokrits in beiden Gruppen gleichartig verhielten, kam es unter pulsatiler Perfusion zu einer signifikant stärkeren Zunahme des Plasma-Hämoglobins. Das Verhalten der Thrombozytenzahlen entsprach den Veränderungen des Hämatokritwertes und wurde durch den Perfusionsmodus nicht beeinflußt. Die Leukozytenzahlen sowie die Konzentrationen von PMN-Elastase und C3a stiegen während EKZ drastisch an, perfusionsabhängige Unterschiede wurden jedoch nicht festgestellt. Auch die Konzentrationen der Arachidonsäuremetaboliten TXB₂ und 6-keto-PGF_1α nahmen unter extrakorporaler Zirkulation deutlich zu, ohne daß der jeweilige Perfusionsmodus einen unterschiedlichen Einfluß auf das Ausmaß der Aktivierung erkennen ließ. Die Konzentrationen von Faktor XII, α₂-Antiplasmin, AT III und Cl-INH verhielten sich bis auf die Anfangsphase der EKZ weitgehend identisch zum Verlauf des Hämatokrits. Die Perfusionsart blieb ohne signifikanten Effekt auf den Verbrauch der Plasmaproteine. Allein die Laktatkonzentration, die unter nicht-pulsatiler Perfusion kontinuierlich anstieg, unter pulsatiler Perfusion dagegen konstant blieb, wurde signifikant beeinflußt, ohne daß sich jedoch Hinweise für eine signifikant bessere periphere Sauerstoffausschöpfung (AVD_O2) unter pulsatiler Perfusion ergeben hätten. Die pulsatile Perfusion scheint für die Aufrechterhaltung der Mikrozirkulation gegenüber der nicht-pulsatilen Perfusion von Vorteil zu sein. Darüber hinaus konnten wir jedoch aufgrund unserer Untersuchungsergebnisse keine weiteren positiven Auswirkungen der pulsatilen Perfusion mit dem 1-Pumpen-System auf die zellulären und humoralen Blutschädigungen während der extrakorporalen Zirkulation feststellen. Hinsichtlich der Hämolyserate erwies sich die pulsatile Perfusion als nachteilig. Der Einsatz des technisch anspruchsvolleren pulsatilen Perfusionssystems ist daher unseres Erachtens in der routinemäßigen Herzchirurgie nicht erforderlich.

Key words

Cardiopulmonary bypass - Perfusion mode - Blood cell damage - Activation of humoral systems - Hemodynamics