局部腦氧飽和度監測的臨床應用進展

張鳳 高逸龍 高金貴

大腦中樞是維持生命和意識的重要器官，也是人體代謝最為活躍、需氧和耗氧量最大而氧儲備量最小的器官。正常情況下，成人腦組織重量約1 400 g，僅占體重的2%，但安靜狀態下的血流量卻占心輸出量的15%，相當于每100克腦組織50～70 ml/min，耗氧量約占全身的20%，因此腦組織對缺氧缺血的耐受性極差。根據相關文獻報道，在腦損傷致死的患者中，>90%的患者出現了腦組織的缺氧缺血[1]。臨床工作中維持腦組織的氧供需平衡是其中重要的目標之一。近年來近紅外光譜(near-infrared spectroscopy，NIRS)技術監測局部腦氧飽和度(regional cerebral oxygen saturation，rScO2)是一種新型的腦氧飽和度監測方法。此技術可持續監測rScO2且靈敏度高、不受脈搏搏動和溫度等因素影響[2]，在心臟外科、神經外科、胸外科、新生兒、心肺復蘇等領域都有廣泛應用[3-5]。本文主要就NIRS技術監測rScO2的基本原理和在臨床應用進行綜述。

1 NIRS技術的基本原理

在公元1800年英國科學家弗里德里希·威廉·赫歇爾(Friedrich Wilhelm Herschel，1738～1822年)第一次提出了紅外線的觀點。根據波長可將其分為近紅外線、中紅外線和遠紅外線。其中，近紅外線的波長約為700～1 000 nm[6]。在此波長范圍內，光線能夠穿透人體組織，例如皮膚、皮下組織、骨骼、血管等。而當光的波長>1 000 nm時，水對光的吸收顯著，光線不能有效穿透人體組織；當光的波長<600 nm時，吸收及散射問題導致光線無法穿透生物組織[7]，這一特點在無創rScO2監測中起到了關鍵性作用。

近紅外光線在顱內的衰減主要與氧合血紅蛋白(HbO2)、還原血紅蛋白(Hb)和細胞色素aa3等發色基團有關，而每種發色基團對近紅外線的吸收都有特殊性[4]。我們可以根據光學方法將HbO2和Hb區分開來。當近紅外光線穿透人體組織后，HbO2和Hb對近紅外光線有不同程度的吸收作用，我們測量從組織中射出紅外線的發光強度，然后再根據修正比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律，就可得出rScO2的數值，即rScO2=HbO2/(Hb+HbO2)[8]。rScO2是由25%～30%的動脈血成分、70%～75%的靜脈血成分和一部分毛細血管加權后得出的混合靜脈血的血氧飽和度。NIRS技術監測rScO2與反映大腦氧代謝的金標準——頸靜脈球血氧飽和度有很好的相關性[9]，可以連續反映腦組織的氧供需平衡狀況。

2 NIRS在外科手術中的應用

2.1 在心臟外科手術中應用 NIRS技術監測rScO2已經在心臟外科手術中應用甚廣。有研究顯示，術中rScO2降低的嚴重程度與術后神經系統并發癥的發生率、住院天數和術后認知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction，POCD)之間存在明顯的相關性[10-15]。Orihashi等[16]對59例行選擇性腦灌注(SCP)主動脈手術患者進行了腦氧飽和度監測，發現有27.1%的患者出現了神經系統并發癥，其中有6例為新發腦梗死患者，并發癥患者rScO2下降的時間和手術的時間明顯大于無并發癥者，研究結果還表明主動脈手術中rScO2的持續下降與術后神經系統并發癥密切相關。朱凱等[17]研究也驗證了這一見解。Adams等[18]選取了200例行冠狀動脈旁路移植術(GABG)患者進行了隨機對照研究，發現術中rScO2的基礎數值和平均數值越低，術后患者滯留在ICU的時間和術后總住院時間均明顯延長。隨之Fisher等[13,19]研究也同樣證實在心臟手術中rScO2降低的幅度與停留在ICU的時間和住院時間呈正相關。Schoen等[14]對rScO2在心臟手術中是否預測POCD發生進行了研究，結果顯示體外循環心臟手術中POCD的發生和低rScO2有關。但也有研究發現在心臟瓣膜手術中rScO2與POCD的發生并沒有相關性[20]。所以，在心臟手術中rScO2的變化是否與POCD相關目前仍存在爭議。

NIRS技術監測rScO2除用于評估心臟手術預后外，還可指導手術操作及治療。有研究提示，使用NIRS技術監測rScO2作為心臟瓣膜手術患者特定管理算法的一部分可以減少不必要的輸血并降低醫療成本[21]。另有研究顯示，心臟手術中，監測rScO2可以提示動靜脈插管對位是否正確，幫助術中及時調整和矯正動靜脈插管的位置[22,23]。Orihashi等[24]選取了35例行主動脈弓手術患者進行rScO2監測，其中4例患者單側或雙側rScO2值出現了明顯的下降，及時準確的提示了選擇性腦灌注導管的位置放置錯誤，制止了因為腦血流降低產生的嚴重并發癥。

2.2 在神經外科手術中的應用 神經外科手術中人體可能產生劇烈的應激，從而引起交感神經興奮，致使腦組織水腫的發生和顱內壓的增加，最終降低腦組織灌注，輕者可增加手術難度和造成POCD的發生，重者可引起腦疝甚至危及生命[25,26]。因此圍術期監測腦功能狀態非常重要。NIRS技術不僅能監測腦氧代謝情況，還能降低圍術期腦血管意外的發生率[27]。

顱腦損傷患者由于腦組織水腫的發生和顱內壓的升高，繼而導致腦血流下降、腦組織缺血缺氧，從而產生不可逆性腦損傷，影響患者預后[28]。腦氧飽和度監測對腦組織缺氧十分敏感。Dunham等[29]在一項研究中對4例重型顱腦創傷的患者進行持續6 d的腦灌注壓(CPP)和腦氧飽和度的監測，發現rScO2和CPP密切相關，當rScO2≥75%時，96.4%的時間CPP≥70 mm Hg(95%CL，94.3%～98.5%)，提示腦灌注良好，而當rScO2<55%時，68.2%的時間CPP<70 mm Hg(95%CL，57%～79.4%)，提示腦灌注不足。此項試驗顯示NIRS技術可以作為一種測量顱腦損傷患者腦灌注的監測工具。唐劍等[30]也同樣發現，腦氧飽和度與腦灌注壓呈正相關。rScO2值降低幅度越大提示患者病情狀況越嚴重，能敏感地反映腦氧代謝情況并及時判斷預后。

目前容易引起缺血性腦卒中的常見疾病為頸內動脈狹窄或閉塞，治療這類患者常用的外科方法是頸動脈內膜剝脫術(CEA)[31]。研究表明術中連續應用NIRS監測rScO2技術能夠有效預防CEA相關的圍術期死亡與卒中的發生[32]。Samra等[33]研究發現，利用rScO2下降的界值(較基礎值下降20%)來識別CEA圍術期腦缺血的發生情況時，其預測腦缺血事件的特異性是82%，敏感性是80%，陰性預測值為97.4%。表明利用rScO2下降界值可排除CEA術中沒有發生腦缺血事件的人群。另有報道指出，NIRS技術可指導CEA術中是否需要放置分流管。若將rScO2較基礎值降低16%作為閾值評判CEA術中的腦缺血事件，其陽性預測值較低，而陰性預測值高達99%，結果顯示NIRS技術可除外不需要放置分流管的患者[34]。雖然各研究數據結果不同，但一般認為腦氧飽和度下降相對值>12%，是具有一定敏感性和特異性的腦缺血指標，并且對CEA術中是否需放置分流管具有指導意義[35]。也有相關文獻顯示CEA術中rScO2監測可作為術后腦高灌注(CHS)指標[36]。Ogasawar等[37]研究發現，以rScO2較基礎值升高5%作為閾值檢測CEA術后CHS事件的發生，其敏感性和特異性均>86%。因此，術中rScO2監測可辨別CEA術后容易發生CHS的人群。但也有研究發現，rScO2較基礎值升高>10%可作為CHS的獨立危險因素之一[38]。因此，CEA術中rScO2預測CHS的閾值目前結論不一。

2.3 在胸外科手術中的應用 胸外科手術中常需要進行單肺通氣(OLV)，患側胸腔被打開后，由于大氣壓的作用空氣進入該側胸腔，該側胸腔負壓消失，肺的彈性回縮使該側肺部分萎縮導致肺的通氣和氣體交換面積急劇減少，盡管肺萎陷和缺氧可產生缺氧性肺血管收縮(HPV)，但這種代償機制有限，且HPV常受到麻醉藥物、擴血管藥物等的抑制，患者仍然存在肺通氣/血流比值失衡風險，并且手術中需要側臥位疊加OLV的病理生理改變最終導致肺泡和動脈氧張力的降低，可能導致低氧血癥的發生。有研究表明，胸科手術OLV期間發生腦組織低灌注發生的概率為80%[39]。Brinkman等[40]對23例胸科手術行OLV患者進行了前瞻性觀察性研究，發現在OLV期間rScO2會顯著降低，同時行血氣分析發現，動脈血氧分壓顯著低于基礎值，然而在rScO2降低期間，測得的心率、血壓、脈搏血氧飽和度、呼末二氧化碳等常規監測指標均在正常范圍內。Tang等[41]，發現患者氧分壓在手術開始時為411 mm Hg，而在OLV時竟下降到188 mm Hg，rScO2值也從79%降至63%，進一步證明胸科手術OLV期間會有明顯的rScO2降低，同時發現患者POCD的發生與術中rScO2下降有顯著相關性。

Casati等[42]也發現在胸科手術OLV期間，大部分患者的rScO2有不同幅度的降低，并與POCD有明顯的相關性。有報道指出以術中rScO2低于基線值的10%作為閾值，預測POCD發生的敏感度為90%，特異度為86.5%，并且指出rScO2可作為POCD發生的重要預測因子[43]。有數據表明，若以基礎值的65%作為臨界值，OLV期間rScO2低于臨界值的患者術后發生非呼吸器官衰竭的可能性是未低于臨界值患者的2.37倍，發生并發癥的概率是3.19倍[44]。因此rScO2監測在胸外科手術OLV期間很有必要。

2.4 在其他手術中的應用 在肩部手術中常常采用沙灘椅體位，該體位有更好的手術視野，減少了出血的風險，但這一體位由于重力作用使心排血量減少、平均動脈壓和腦灌注壓降低，致使腦缺血的風險明顯提高，可能產生嚴重的神經系統并發癥。研究發現，當患者從仰臥位換成坐位時，rScO2明顯下降并且持續處于較低的水平[45]。Murphy等[46]發現肩關節鏡手術中，與側臥位的手術對比，當患者取沙灘椅體位時rScO2會出現明顯的下降，并且在沙灘椅體位中有多數患者的rScO2會低于55%。曾有文獻報道在行沙灘椅體位的手術患者中出現了嚴重神經系統的并發癥，甚至出現了死亡的病例[47]。術中連續應用NIRS監測rScO2依然是可以預防腦灌注不足、防治腦缺血的方法。

Casati等[42]對100多例行腹部手術患者進行了干預性研究，入組患者均應用NIRS技術監測rScO2，其中試驗干預組rScO2值維持在>75%的基礎值，而對照組只進行rScO2的監測。術后隨訪對照組的住院時間和POCD發生率明顯高于干預組。另有一項研究發現，46例行腹部大手術的老年患者中有11例患者術中rScO2下降幅度>20%，其中6例患者rScO2的下降與術中出血密切相關[48]。由此可見，行腹部手術患者術中應用NIRS監測rScO2，可實時、連續監測患者的腦氧狀態，便于術中及時調整，減少圍術期神經系統并發癥。

Kim等[49]對行脊柱手術的老年患者展開了rScO2的相關研究，發現術中rScO2的下降程度及持續時間與術后第7天POCD發生率明顯相關。Papadopoulos等[50]發現行髖關節置換手術患者術前rScO2及術中rScO2的變化與術后認知功能下降及住院時間顯著相關。對圍術期患者應用NIRS監測rScO2，可減少POCD的發生。

3 NIRS技術在新生兒的應用

新生兒期是非常獨特的，因為嬰兒在從子宮內到子宮外的生命過渡期間發生了劇烈的生理變化，這一過程涉及血流動力學的改變，影響氧合，且新生兒腦部發育不完善，對缺氧和高氧非常敏感[6]，容易發生缺血缺氧性腦病(HIE)，此時期監測rScO2極其重要。車偉坤等[51]等對86例新生兒患者進行了隨機對照研究，其中觀察組為明確診斷為HIE的患兒，對照組為相同時間段出生的無合并HIE的患兒，研究結果提示觀察組HIE患兒出生后3 h、12 h、48 h的rScO2值均低于對照組，而2組患兒出生后3 h、12 h、48 h的脈搏血氧飽和度比較無統計學差異。說明了單純檢測脈搏血氧氧飽和度是無法準確判斷機體局部組織的氧合情況，即使檢測出的脈搏血氧飽和度處于正常范圍[52]。

Sokoloff等[53]研究中對20例新生兒患者進行了腦氧飽和度的監測，并且將患兒在驚厥發作時和口服抗驚厥藥物后的rScO2值進行了對比，發現患兒在驚厥發作時，腦氧飽和度較基線下降明顯，而在使用苯巴比妥后，腦氧飽和度較基線明顯回升，表明驚厥可能增加患兒腦組織的耗氧量，研究結果表明NIRS技術可以用于監測新生兒驚厥的異常生理信息，但在藥物評估臨床效果方面尚待進一步的研究。在對380例早產患兒rScO2監測的一項研究中，發現患有嚴重動脈導管未閉的患兒其動脈導管直徑的變化與rScO2的變化密切相關，隨著動脈導管的閉合，rScO2會逐步升高，而未能閉合的患兒rScO2一直保持較低的數值[54]。

對于新生兒，基于NIRS技術的監測深度和新生兒肝臟及腎臟等組織到體表距離小的特點，其可直接監測嬰幼兒肝腎等組織氧飽和度，為評估重要臟器氧供提供了一種新的監測方法[55]。有研究報道，先天性心臟病患兒手術后發生壞死性腸炎的嬰兒腸道氧飽和度更低，且在25%量喂養時腸道氧飽和度值<30%的次數更多[56]。另有報道指出，NIRS技術可監測早產兒出生后腦血流自主調節功能狀態及腦氧飽和度的情況，為及早預防腦損傷和評估神經系統預后提供參考[57]。同時，NIRS監測技術還可評估新生兒大腦的反應性[58,59]。總而言之，NIRS監測rScO2技術為新生兒提供了一種安全無創的腦組織血氧監測的方法。

4 NIRS技術在心肺復蘇中的應用

在心臟驟停(cardiac arrest，CA)后最容易發生缺血、缺氧性損傷的器官是腦組織，超過黃金5 min可能造成大腦嚴重損傷或死亡，即使復跳成功也可能遺留不同程度的后遺癥。因此，從20世紀60年代開始，就把“心肺復蘇”發展成“心肺腦復蘇”，將心臟驟停后患者腦功能的恢復作為心肺復蘇成敗的關鍵。Cournoyer等[60]對20項非隨機觀察性研究進行了meta分析，發現自主循環恢復(return of spontaneous circulation，ROSC)與rScO2平均值之間存在明顯的相關性(SMD=1.33，95%CI=0.92～1.74)，并且將長時間rScO2值<30%作為停止復蘇的指征，說明rScO2可作為臨床指標用于評價心肺復蘇。

Turk等[61]對20例CA患者進行了觀察性研究，心肺復蘇期間連續記錄rScO2值，應用四評分法評估幸存者的神經系統狀態、疾病嚴重程度和器官功能障礙程度。結果發現20例患者中有8例發生了ROSC。存活者rScO2的最大值高于非存活者(P<0.05)。rScO2的最小值和平均值與幸存者1周四評分呈正相關(r=0.811，r=0.771，P=0.015，P=0.025)。提示rScO2的最大值影響ROSC，而rScO2最小值和值影響CA患者后的神經預后。對心臟無脈電活動、心搏停止和心室顫動/心動過速患者實施CPR，rScO2與ROSC亦呈正相關性[62-64]。但也有報道不支持該結論[65]。因此，心肺腦復蘇期間rScO2和患者預后的相關性有待進一步研究。

5 NIRS監測rScO2的影響因素

由于電極片放置位置不當或不正確的操作而得到的NIRS信號會嚴重影響我們術中對rScO2監測的準確性，并且不能保證監測到的數據只是rScO2而不受頭皮或頭骨內血流的影響。另外，近紅外光不能穿透探頭和組織之間的氣體和出血層，所以在硬膜外、硬膜下以及腦組織中有出血或顱內積氣時會影響監測結果[6]。以往研究表明年齡、血紅蛋白濃度、氧合血紅蛋白濃度、呼氣末二氧化碳濃度、心排量及血容量對大腦氧飽和度都有影響[66]。Sun等[67]提出皮膚的色素沉著對NIRS監測也有影響，黑人的腦氧飽和度普遍低于白種人。同時造影劑也對NIRS監測有干擾，吲哚青綠會使腦氧飽和度讀數升高，而亞甲藍會導致腦氧飽和度讀數降低[68]。腦氧飽和度是通過近紅外光線測得，因而rScO2監測還受光學途徑長度相關因素影響，如顱骨厚度、差分路徑長度及模具腦脊液層的面積等，均會影響腦氧飽和度的數值[69]。

綜上所述，NIRS技術監測rScO2在心臟手術、神經外科手術、胸外科手術、新生兒、心肺復蘇等領域應用甚廣，能夠及時監測腦組織的氧供需平衡情況及腦血流的動態變化，及早對腦組織缺血、缺氧做出評價，指導術中麻醉管理，可以減少術后并發癥的發生率，尤其是神經系統并發癥和POCD的發生，縮短住院時長，改善患者預后。隨著對NIRS技術的理解提高，未來可通過NIRS監測rScO2計算腦血流的調節能力和腦氧代謝情況，更直觀、詳細的指導腦保護，因此NIRS監測rScO2這項技術應用于圍術期麻醉監測具有廣泛的臨床應用前景。