编译：医院信茜

审校：医院缪长虹

译者按

近红外光谱技术为临床脑氧饱和度监测提供了一种可行的方法。脑氧饱和度监测可以降低心血管手术期间神经系统并发症的风险。除此之外，脑氧饱和度监测还有多种新应用，这些应用指导临床医生进行术中干预，以改善患者预后。最新一期Anesthesiology杂志（年5月）发表了一篇关于近红外光谱监测在心血管外科手术中临床应用的综述。

近红外光谱监测在心血管外科中的临床应用

一个世纪以来，临床医生一直在寻找可以监测组织氧代谢的方法[1]。20世纪40年代耳式血氧仪和70年代脉搏血氧仪得到了发展。脑氧饱和度监测的提出基于近红外光谱（-nm）可以穿透包括骨骼在内的组织[2,3]。越来越多的人认识到神经系统并发症对心脏手术后患者预后的重要影响，脑氧监测的临床应用得到了有力的推动，然而在美国的使用率仍然很低[4-7]。脑氧饱和度监测的其他应用也在不断发展，包括非心脏手术期间的监测（沙滩椅体位的肩部手术或胸外科手术的单肺通气过程）[8,9]。本综述的重点目的是总结脑氧饱和度监测在成人心血管手术中的应用。

近红外光谱监测原理

在美国，7个脑血氧饱和度监测系统获得美国食品药品监督管理局（SilverSpring，Maryland）的批准，包括InvosC和（Medtronic/Covidien，USA）；ForeSightElite（Casmed/EdwardsLifesciences，USA）；Equanox3波长和4波长版本（NoninMedical，USA）；O3区域血氧饱和度仪（Massimo,USA）和NIRO-NX系统（HamamatsuPhotonics,Japan）。所有经过批准的监测系统都使用类似的技术，这些技术容易受到伪影和局限性的影响（图1）[2]。

图1：脑氧饱和度监测的示意图，描绘了放置在患者前额上的光发射器/传感器。传感器通过电缆连接到监视器，为左右额叶皮层提供局部的脑氧饱和度监测。根据计算机建模设计，从光源到传感器的光路是椭圆形的。

近红外光谱组织氧饱和度监测基于修定的Beer–Lambert定律，其中透射和接收光强度的差异是溶液中吸收光物质浓度的函数。氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在近红外光谱范围内具有不同的吸收波长峰值。nm的等渗波长可以监测总血红蛋白浓度。因此组织氧饱和度是氧合血红蛋白与总血红蛋白浓度的比例。吸收近红外光的其他物质（包括水、黑色素、胆红素和细胞色素C），都有不同但重叠的吸收光谱。脑氧饱和度监测仪大多将光限制在-nm波长范围内，以测定血红蛋白种类[2]。

脑氧饱和度监测是通过将一个包含近红外光源和传感器的粘贴垫粘在额头上进行的。发射的光子必须穿过多种组织，包括皮肤，肌肉，骨骼，硬脑膜和脑脊髓液，到达大脑皮层。虽然光子在每个组织界面上都有一些散射，它的常规路径已被设定为椭圆形，穿透深度是光源和传感器之间距离的三分之一[2]。光源与传感器之间的距离为4cm，因此光穿透组织的深度约为1.3cm。在距光源不同距离处使用两个或多个传感器可以实现反射光子的空间分辨率。例如，放置在距离光源3cm和4cm处的传感器可完成对浅表组织和深层组织吸收光的估计。减法算出深层和浅表光子吸收的差异，用来测定氧饱和度。

估计脑血氧饱和度测量值的85％来自于浅表脑组织，而15％来自脑外组织，包括头皮[2,10,11]。这种头皮吸收光的混杂效应可能解释了全身麻醉时静脉内注射α-肾上腺素能受体激动剂去氧肾上腺素后出现的脑氧饱和度降低，然而在使用间接作用于α-和β-肾上腺素能受体激动剂麻黄碱后这种现象却没有出现[12]。另一种相反的观点认为，当α-肾上腺素能刺激位于微循环中收缩性周细胞上的受体时，大脑氧供应与需求出现失衡，从而脑氧饱和度降低[13]。这一观点的可能性在一项对脑肿瘤患者进行正电子发射断层扫描的研究中得到了验证，该研究中患者随机静脉连续输注去氧肾上腺素或麻黄碱[14]。去氧肾上腺素不会降低脑氧代谢率、脑血流量和脑氧饱和度。然而，与去氧肾上腺素相比，麻黄碱增加脑血流量和脑氧饱和度。因此，去氧肾上腺素使脑血氧饱和度下降不是因为脑组织氧代谢受损；而是它对脑氧饱和度监测的影响不一致。

在动脉内注射近红外光吸收染料异氰酸绿，通过正电子发射断层扫描，与颈静脉混合静脉血进行比较，脑氧监测已在人体中得到验证[15-17]。它不同于脉搏血氧监测那样需要脉冲式血流。相反，它平均了静脉、毛细血管和动脉的氧合。脑氧监测需要评估动脉和静脉血管之间的血液分布。制造商在这一算法中使用了固定比率，动脉血容量为25~30％，静脉皮层血容量为70~75％。然而，这些估计并不是恒定的，而会依据个人和临床情况而改变。有研究通过对23名志愿者发生等量低氧血症时进行脑氧监测，调查了固定动静脉血比值的准确性[18]。5种脑氧监测仪均能准确地检测到吸入氧浓度从~70%随机变化所引起的低氧血症。平均偏倚（脑氧饱和度读数与制造商加权颈静脉和动脉血氧饱和度之间的差异）随着氧浓度下降在制造商和动脉氧饱和度之间明显不同。ForeSightElite，NIRO-NX和EQUINOX-3波长动脉血氧饱和度低时具有更大的正平均偏倚。正偏倚表示脑氧监测高估了动脉和颈静脉血氧饱和度的加权平均值。偏倚受到肤色较深和女性性别的负面影响。当在计算中使用测得的动脉和颈静脉血氧饱和度之间的差异而不是固定的加权平均值时，可减少缺氧期间的偏倚量。因此，大脑中动脉血和静脉血的比例不是固定的，而是动态变化的。

脑氧饱和度下降

脑氧饱和度从基线下降到哪种程度能对脑组织氧代谢构成重要威胁，目前尚无共识。尽管如此，一个广泛使用的“去饱和”的定义是氧饱和度从基线下降大于20%或绝对值小于50%[2]。这些定义来源于对颈动脉内膜剥脱术的患者的研究，该研究在脑缺血发作期间评估脑氧饱和度[19-22]。我们预先将这一定义应用于一个8个中心共例患者的观察性研究，以确定体外循环期间脑氧饱和度降低的频率[23]。我们观察到61%的患者出现了脑氧饱和度下降。纠正干预法在92%患者发生持续脑氧饱和度下降时恢复脑氧合有效。在一项随机盲法研究中，8个中心共名接受心脏手术的患者，63%的患者出现了脑氧饱和度下降大于基线10%的情况，40%的患者出现了脑氧饱和度下降大于基线20%的情况[24]。由于监测中存在广泛的个体间稳态变异性和动态误差，脑氧饱和度监测仪不能提供绝对的脑氧饱和度测量值，而应被解释为一种趋势监测仪[18,25]。因此，很难确定定义“去饱和”的绝对阈值。所以，与临床研究相比，在临床实践中使用脑氧饱和度临界值来定义去饱和可能不太恰当。

临床应用

对于接受心脏手术的患者，脑氧饱和度监测有多种应用，包括术前风险分层[26]。病例报告描述了脑氧饱和度监测在检测错位主动脉和静脉插管中的价值，特别是在主动脉弓手术，或者确认选择性顺行性脑灌注。可以理解的是，脑氧监测最主要目的是降低神经系统并发症的风险。其他应用包括躯体组织氧代谢的监测，体外膜肺期间氧合的监测以及脑血流自动调节监测。

避免神经系统并发症

心脏手术后的神经并发症有一系列的表现，包括谵妄、延迟性神经认知恢复（即术后认知功能障碍）和临床或亚临床卒中[4-6]。其中，中风的机制是最明确的，它的大多数发作是由于脑栓塞。然而，脑灌注不足可直接导致缺血性损伤，尤其是在脑动脉狭窄或脑血流中断的情况下。它可通过减少侧支血流和/或减少微栓子洗脱进一步加重栓子引起的缺血性损伤[28]。脑氧监测在颈动脉内膜剥脱术中检测脑灌注不足的价值已经被评估。在一项纳入例患者的研究中，与脑电图和体感诱发电位相比，脑氧监护仪检测颈动脉横断时脑缺血的敏感性为68%，特异性为94%[21]。必须承认，监测不同大脑区域可能具有不同的侧枝血供。

与中风相比，神经认知功能障碍的病因尚不清楚，可能是患者相关因素与脑微栓塞、低灌注、中枢神经系统炎症或其他因素共同作用的结果[4-6]。最近一项随机试验显示，与常规治疗相比，在体外循环期间设定血压高于大脑自动调节下限的患者术后谵妄的风险相对降低了28%[29]。这表明优化脑灌注可以降低术后谵妄的风险。

过去关于脑氧饱和度降低的干预是否能降低神经系统并发症风险的证据仅限于病例报告和观察性研究[27]。目前，有一些针对心脏手术患者脑氧饱和度降低的随机对照介入性试验。这些试验的两项荟萃分析近期已经发表，并在表1中进行了汇总[30,31]。荟萃分析之间的差异可能是由于不同的研究纳入标准和数据分析方法。这些荟萃分析表明，由于现有研究的诸多局限性，特别是研究患者数量较少，目前还没有足够的证据支持或反驳术中脑氧饱和度降低干预是否能改善神经系统预后。一项由8个中心开展的试点研究表明，需要纳入例患者以评估死亡率的差异，例患者评估中风的差异和例患者评估谵妄的差异。重要的是，大部分心脏手术的中风在术后发生，因此不太可能仅受术中干预的影响[32]。此外，延迟性认知功能恢复的机制尚不清楚，可能仅仅通过避免术中脑氧合损害并不能阻止。我们已经发现手术后低血压在重症监护病房很常见，并与脑损伤生物标志物释放有关[33]。因此，保证手术室和重症监护病房脑灌注的策略可能是必要的。最后，任何生理参数的监测只能为临床医生提供信息。基于监测仪提供信息的纠正干预可能会影响患者的预后[34]。

表1：手术患者行近红外光谱监测随机对照研究的两项meta分析数据总结

非脑组织氧合监测

在失血性休克和复苏的实验模型中，近红外光谱监测体组织氧合与心输出量密切相关[1,35]。这种类型的监测已被提议用于记录肢体筋膜室综合征患者、接受血管重建的周围血管疾病患者的躯体组织氧合情况，以及监测游离皮瓣的氧合情况[1]。病例报告和观察性研究报道了在接受心脏手术的患者中使用鱼际隆起、前臂和小腿的躯体组织氧饱和度监测。一项纳入名患者的单中心观察研究发现，躯体组织氧饱和度（从侧腹测量）低于65%或下降大于基线的20%预示着术后出现急性肾损伤[36]。成人肾脏监测的局限性在于皮肤和皮下组织深度的可变性，因此不清楚肾脏或较大的侧腹肌是否确实被穿透能力仅约为1.3cm的近红外光穿透。

机械辅助循环

体外膜肺在治疗心脏和/或肺衰竭中的应用不断扩大。虽然在许多情况下可以挽救生命，但它的应用仍会引起并发症，包括中风和癫痫等神经系统并发症[37,38]。差异性缺氧综合征(“Harlequin综合征”)，即上半身PaO2低于下半身，可发生于外周静脉-动脉体外膜肺。当主动脉内低PaO2的左心室射血与来自高PaO2的体外膜肺回路的血液混合时，这种并发症就会发生。差异性缺氧综合征与急性脑功能障碍有关，可诱发中风或癫痫。当病情危重或镇静导致患者不能配合神经系统检查时，诊断具有挑战性。体外膜肺的动脉搏动减弱或缺失可能会干扰上肢和下肢脉搏血氧饱和度，从而会影响其用于检测这种综合症。因此，一些中心监测脑氧饱和度，而不依赖于动脉搏动。56例静脉-动脉体外膜肺患者中，32%发生急性脑功能障碍[37]，74%的患者出现脑氧饱和度下降。脑氧饱和度降低和高乳酸血症与死亡率独立相关。早期发现差异性缺氧综合征可调整体外膜肺引流/流量，以减少低PaO2的左心室射血量。

外周静脉-动脉体外膜肺的一个缺点是股动脉插管后存在下肢缺血的风险[39]。诊断肢体缺血的传统方法是间歇性临床检查和多普勒脉冲检查，这些检查可能会延迟检测。近红外光谱法监测躯体组织氧合可确保血液灌注到血管通路的远端[40]。将传感器置于双侧脚或小腿浅表肌肉上，可以比较肢体之间的组织氧合。这种方法可以用于血管通路的大插管，如经皮左心室辅助装置。早期发现血管损伤可以对血管插管进行修改和/或插入一个动脉分流器，以避免远端肢体缺血。

脑自动调整的监测

大脑有几个自我平衡过程来维持含氧血液的持续供应，以满足其高代谢需求。脑血流量-压力自动调节使脑血流量在血压波动的一定范围内保持恒定，以确保稳定的血氧供应。当血压低于或高于自动调节的范围时，脑血流是压力相关的，容易发生脑缺血或脑充血。通过对脑血流或脑血容量与脑灌注压（或无颅内压升高时的动脉压）的反应建立数学模型，可以在床边监测脑自动调节。脑血流作为输出信号，可以通过测量大脑中动脉经颅多普勒血流速度来监测。平均速度指数是通过脑血流速度的低频变化（小于0.05Hz）与灌注压力之间的皮尔逊相关系数来计算的。当脑血流量自动调节时，这一指数接近于零，因为尽管灌注压力发生变化，血流保持恒定。然而当灌注压力低于或高于自动调节的限值时，平均速度指数接近1，因为压力的变化会改变脑血流。颅内压（临床监测时）可作为脑血容量的替代指标，并针对脑灌注压建模以进行连续的自动调节监测[41]。与平均速度指数相似，压力反应性指数是通过颅内压的低频变化（小于0.05Hz）与灌注压之间的皮尔逊相关系数来计算的。灌注压变化引起的小动脉扩张或收缩共同影响脑血容量，引起颅内压的改变。功能性自动调节与接近于零的压力反应指数相关，但当自动调节受损时，它接近于1。

脑氧饱和度代表脑氧供应（即脑血流、血红蛋白浓度、氧饱和度）与氧代谢需求的平衡。如前所述，在与自动调节有关的低频范围内，脑氧饱和度已被实验证明是可接受的替代脑血流量的方法，为自动调节监测提供了一种临床上可行的方法[42]。计算脑氧饱和度的低频变化（小于0.05Hz）与灌注压力之间的皮尔逊相关系数可得出脑氧饱和度指数。与平均速度指数相似，接近零的脑氧饱和度指数表明脑血流不受灌注压力的影响，而当压力低于或高于自动调节的限值时，脑氧饱和度指数接近1[42]。我们课题组已经通过实验和成人体外循环验证了脑氧饱和度指数[43]。

压力反应指数已被用于创伤性脑损伤患者的自动调节监测，它可以预测不良预后[41,44]。患者行心脏外科手术通常不监测颅内压，但是可以通过等渗波长下的近红外光谱法测得的总血红蛋白浓度以无创的方式得出类似的指标[45]。由于脑血管容量的集中变化，血管舒张和血管收缩分别相应地增加或减少了总血红蛋白浓度。可变的血红蛋白体积指数代表总血红蛋白浓度与灌注压力之间的低频相关性（图1）。

作者课题组采用脑氧饱和度指数对接受心脏手术的成年患者进行了临床研究。在回顾性分析中，作者发现在体外循环期间平均动脉压低于自动调节下限的大小和持续时间的乘积与急性肾损伤的风险以及心脏手术后的重大并发症发病率和死亡率独立相关[46,47]。重要的是，在体外循环过程中单纯提高平均动脉压目标值可能会导致动脉压超过自动调节的上限，并可能增加脑灌注过度的风险。我们发现，平均动脉压高于自动调节上限的大小与谵妄发生的风险有关[48]。因此，我们课题组主张术中使用大脑自动调节监测以进行个性化血压管理[49]。

结论

近红外光谱技术为临床监测脑氧饱和度提供了一种可行的方法。必须认识到技术的局限性以及这些监测的个体差异，因此脑氧饱和度监测应被解释为趋势监测器。目前我们从随机对照试验中获得的证据不足，因此不能证明或否定心脏手术中优化脑氧饱和度可以改善患者预后。脑氧饱和度监测的新应用，包括应用于接受体外膜肺治疗的病人，以及作为床边监护仪监测脑自动调节功能，可能会扩大其临床应用。

评论：脑氧饱和度监测基于近红外光谱技术，利用组织透射和接收光强度的差异测得。脑氧饱和度监测在心血管外科中有多种应用，包括神经系统并发症监测、躯体组织氧合监测、体外膜肺氧合监测及脑自动调节监测。然而，目前由于随机对照试验证据不足，心血管手术中优化脑氧饱和度是否可以改善患者预后还需要进一步研究。

美国麻醉学会授权富博思开发Anesthesiology中文版，内容摘自Anesthesiology原刊。版权?Copyright美国麻醉学会，版权所有。“美国麻醉学会”、“ASAMonitor”以及ASA的标志皆为美国麻醉学会的注册商标。

排版

王玉

您想学的医学知识，尽在博医学

点击下方名片

转载请注明:http://www.tojkg.com//mjcczl/887027.html