近紅外光譜技術在急危重癥患者中的研究進展

賈愛慶，劉志

(中國醫科大學附屬第一醫院急診科，沈陽110001)

近紅外光譜(near infrared spectroscopy，NIRS)是指波長在700～900 nm(也有學者提出為650～1 000 nm[1])內的紅外線，其可以穿入體內數毫米，也能穿透人體深層組織[2]，監測人體組織的血氧變化。由于NIRS主要監測直徑<1 mm的血管內氧含量變化(>1 mm的血管容易完全吸收NIRS信號)，常用來評估局部組織的微循環改變[3]。NIRS使用便捷且能夠準確、迅速地獲得檢查結果，因此臨床更適用于休克及心搏驟停等急危重癥患者的指標監測，通過及時的獲得醫學參數，指導臨床合理治療，進而提高急危重癥患者的生存率。NIRS具有無創、無X線輻射、使用及攜帶方便、可床頭使用且可以連續監測的特點，在不能耐受輻射性檢查的孕婦、依從性差的嬰幼兒、不易搬運的危重患者的臨床診療過程中發揮重要作用。目前NIRS在監測危重癥患者的組織器官微循環血氧飽和度方面明顯優于常規血流動力學檢查。隨著科技的進步，NIRS輸出結果更加具體、清晰，也為急危重癥患者的治療提供了新思路。現就NIRS在急診危重癥患者中研究進展予以綜述。

1 NIRS的概述

1.1NIRS的原理 人體內的發色團(血紅蛋白、肌紅蛋白和細胞色素氧化酶)是NIRS的主要接受物質，由于人體肌肉中細胞色素氧化酶的濃度不到血紅蛋白和肌紅蛋白總濃度的5%[4]，NIRS信號主要代表肌紅蛋白及血紅蛋白的含氧量變化。研究發現，氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對NIRS的光譜吸收具有差異性[5]。目前臨床上NIRS的應用主要有連續波NIRS技術、時間或時域分辨NIRS技術、頻域強度調制NIRS技術三種形式[2]。除連續波NIRS外，后兩者通過將光波的吸收及散射特性結合進而構建NIRS的空間圖像。臨床上關于NIRS的應用可歸納為監測肌肉氧飽和度和腦部氧飽和度兩方面。

1.2NIRS監測的注意事項 研究證實，NIRS在評估脊髓損傷、肌萎縮性側索硬化和慢性心力衰竭等患者的肌肉含氧飽和度方面具有重要價值[6]。然而，NIRS的監測結果受多重因素干擾，如皮膚的黑色素含量、皮下脂肪的厚度，被監測肌肉的大小及監測部位是否存在大的血管等[2]。NIRS在精神疾病、帕金森病、休克等患者的腦氧飽和度監測發面也發揮重要作用[7]。但NIRS在監測腦氧飽和度時受患者膚色、性別及受側區域動靜脈血含量的影響，需要結合臨床實際給予動態評價。

2 NIRS在成人急重癥中的應用

2.1NIRS在休克中的應用 休克是一種十分危急的疾病，中心靜脈血氧飽和度作為臨床監測休克的金標準存在有創、缺乏連續性的缺點，在臨床應用受到一定限制。而無創及連續的脈搏血氧飽和度也常用于休克的監測，但由于休克患者常出現手指外周血液灌注不良，其有效性值得商榷。Li等[8]通過用NIRS測量頸內靜脈周圍組織的血氧飽和度發現，NIRS所監測的數值與休克監測的金標準——中心靜脈血氧飽和度有較強的相關性和高度的一致性，表明NIRS在監測微循環血氧飽和度方面較中心靜脈血氧飽和度具有獨特優勢。感染性休克患者常伴隨譫妄狀態，Wood等[9]通過NIRS監測發現，感染性休克后譫妄患者的平均腦組織含氧飽和度顯著降低，這對預防及治療因休克引起的譫妄癥狀評估有重要參考價值。宋根紅[10]通過NIRS測定膿毒癥患者局部腦氧飽和度發現，中心靜脈血氧飽和度水平與膿毒性休克重癥患者不良預后高度相關，并指出膿毒性休克的重癥患者可通過NIRS持續監測局部腦氧飽和度的方式來間接評估中心靜脈血氧飽和度，進而動態評估患者的預后。目前臨床醫師大多通過宏觀血流動力學指標進行重癥休克的診斷，但忽視了對患者微循環的評估，這往往引起休克的誤診、誤治。而早期休克患者雖然宏觀血流動力學相對穩定，但微循環已經出現灌注不足，這使目前的監測方法難以發現，進而延誤了最佳治療時機。Filho等[11]研究發現，NIRS衍生的參數可以動態地評價患者的休克狀態，其效果明顯優于一些常規診斷休克的檢查，如外周毛細血管再灌注時間、外周血管灌注指數、皮膚溫度梯度及動脈乳酸含量等。隨著NIRS的發展，人們能更方便、準確地獲取休克患者微循環的改變，這可能是一種更合適的休克診斷方法。

2.2NIRS在心肺復蘇中的應用 NIRS監測具有無創以及動態檢測的特點，這使其成為心搏驟停期間的理想監測工具[12]。Al-Subu等[13]在豬的心室顫動停搏模型中，通過NIRS監測模型前額部及腎區的血流量，指出NIRS監測對于促進心臟復蘇的成功具有重要作用。Storm等[14]通過NIRS監測心肺復蘇患者的腦部氧飽和度，得到了與動物實驗相同的結果，在心搏驟停發生前NIRS即能提示腦部氧飽和度明顯降低的趨勢。Lanks等[15]通過NIRS記錄了1例年輕患者無脈電活動的全過程發現，在發生無脈電活動前15 min，患者大腦的氧飽和度已出現了降低。提示應用NIRS動態監測可以預防猝死的發生，為醫師的早期干預并及時救治提供了支持。上述研究可能為預防心搏驟停的發生提供客觀依據。Yagi等[16]研究發現，NIRS監測對于指導心肺復蘇及評估心肺復蘇的質量方面具有一定作用。Eichhorn等[17]通過設計呼吸暫停情況下潛水員模型模擬心肺復蘇、喉痙攣、氣道阻塞或不能通氣、不能插管等急性致命情況下NIRS監測患者腦組織氧合評估的敏感性發現，與脈搏血氧飽和度監測相比，NIRS監測能更可靠地測量腦組織氧飽和度的動態變化，更真實地反映患者的組織灌注狀態。提示通過NIRS監測心肺復蘇患者的腦氧飽和度可能是一種新的手段。

遲海波和劉志[18]研究發現，組織氧飽和度的監測對有創機械通氣患者撤機成功與否具有一定的指導意義。NIRS監測能夠更好地反映嚴重創傷后器官功能障礙過程，為嚴重創傷后治療手段的調整提供依據[19]。此外，NIRS對研究評價新的重癥腦外傷治療方案也具有重要臨床價值[20]。NIRS可用于監測腦膿毒癥患者腦內循環的改變，并且在預防腦梗死方面也發揮重要作用[21]。有學者利用NIRS監測在接受體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)治療的重癥腦外傷患者，發現94%～100%的腦神經損傷患者出現腦氧飽和度降低，且通過NIRS監測也發現即使患者的心臟電活動恢復，心臟開始收縮，但動脈血中并不一定含有足夠的氧氣，提示此時仍需要調整ECMO的泵速，盡可能維持足夠的動脈血氧含量，表明NIRS對于指導合理的ECMO治療起重要作用[22]。

3 NIRS在嬰幼兒危重癥疾病中的應用

目前，NIRS技術在嬰兒及兒童危重疾病護理及監測方面發揮重要作用。新生兒缺氧缺血性腦病(neonatal hypoxic ischaemic encephalopathy,HIE)可引起神經系統發育障礙甚至死亡。在缺氧的最初幾小時，由于人體自身調節作用，腦功能處于代償期，臨床上很難發現腦功能異常，但隨著病情進展，腦功能失代償期時，神經系統已出現了不可逆損傷，而臨床常在此時才開始啟動治療，而作為診斷HIE的金標準，質子磁共振波譜測定常在出生1周后進行，可能延誤早期的診斷及藥物干預[23]。研究發現，NIRS可以測量血中含氧和脫氧血紅蛋白以及細胞色素C氧化酶的變化[24]，在HIE的豬模型發病1 h后即可檢測到腦血氧飽和度變化，這為HIE患兒的超早期治療提供了可能[23]。

對于傳統療法無效的呼吸及循環衰竭新生兒，ECMO成為主要選擇。隨著醫療及手術技術的不斷進步，經過ECMO治療后患者的治愈率呈逐年上升趨勢。但在ECMO治療過程中患兒的近期及遠期神經系統并發癥發生率仍較高。在治療過程中因腦血流動力學不穩定而引起的腦出血及腦栓塞的發病率仍居高不下。治愈后兒童腦室周圍白質軟化癥、腦癱、感音神經性聽力損失及智力殘疾[25]等并發癥也是一直困擾臨床醫師的難題。此外，在ECMO治療的早期階段，臨床醫師只能通過體格檢查判斷患兒的神經系統缺損情況，但此時有些患兒因治療需要不得不應用鎮靜劑，這常會誤導臨床醫師的體格檢查結論。在ECMO治療早期階段影像學檢查很難發現病灶，加之需要搬動患兒，檢查過程中患兒活動的偽影干擾、輻射大等使其準確診斷受到影響[26]。NIRS可在床邊執行，便攜式、連續性和無創性特點為早期的神經系統檢測提供了可能。

研究發現在已經死亡及經過后期影像學檢查發現嚴重腦缺血的嬰兒中，NIRS能夠較早地觀測到腦內氧飽和度的降低，提示NIRS監測可以早期發現患兒神經系統病變[27]。NIRS能夠檢測超早產嬰兒的腦氧飽和度，這對早期發現神經系統疾病具有重要意義[28-29]。腦氧飽和度<70%的重癥患兒在入院后24 h內進行救生干預可以明顯提高患兒生存率[30]。通過監測患兒腦氧飽和度，根據結果對重癥患兒的ECMO泵速進行調節，保證腦組織合理的氧氣供給，可以減少ECMO治療的患兒神經系統并發癥發生[26]。此外，高碳酸血癥引起的腦內高灌注是腦室周圍-腦室內出血的主要原因，而早期的NIRS監測對于該病的預防至關重要。NIRS監測可以降低患兒因低灌注導致的腦白質變性疾病發生率，有學者提出對于胎齡<30周的早產嬰兒，在入院72 h內接受NIRS監測是必要的；對于呼吸不穩的嬰兒，在產后72 h仍需要應用NIRS監測腦氧合；對于一些特殊類型的疾病，如進展性的出血性腦室擴張患兒，NIRS監測可以根據實際情況進行長期的評估[31]。

4 NIRS在孕婦重度子癇中的應用

孕婦作為一類特殊的人群，其檢查主要以無輻射、無創傷為主。而NIRS因無創傷、無輻射、便捷的特點，被人們用于產科重癥患者的診斷和治療。通過NIRS監測孕婦大腦發現，重度先兆子癇產婦腦氧飽和度減少，可引起產婦神經系統功能障礙，給予重度子癇前期孕婦輸注硫酸鎂可以恢復腦氧飽和度[32]。近紅外時間分辨光譜-20是一種近年來研發的新型近紅外時間分辨光譜系統，Yamazaki等[33]將其用于重度子癇前期孕婦發現，即使患者外周血氧飽和度未見明顯異常，但腦氧飽和度已發生改變，提示近紅外時間分辨光譜-20在監測產婦疾病方面具有獨特優勢。也有研究提示，通過NIRS監測腦氧飽和度可以評估重度子癇前期大腦灌注情況，分析不同治療方法的療效，也可及時發現子癇孕婦相關的神經疾病并發癥[28]。

5 新型NIRS技術在重癥疾病中的應用

科學家們將NIRS與傳感器組合，得到了改良型NIRS技術設備，如擴散光學層析成像技術(diffuse optical tomography,DOT)及彌散相關光譜技術(diffuse correlation spectroscopy,DCS)，這些設備可以對腦及其他重要器官的血液灌注進行定量監測[28-29]。DOT是一種監測器官或局部組織中氧合分布的三維成像，其根據光在體內傳播的漫反射原理，結合被測試對象的不同光學特性，進而構建被測試對象的光學圖像[28]。在診斷嬰兒腦缺血方面，DOT的診斷價值與功能磁共振成像技術具有高度的一致性[34]。此外，DOT還可以動態觀察患兒癲癇發作的腦內變化過程[35]，具有早期識別早產兒顱內出血的能力。DOT也可以通過后期數據處理去除檢測者運動偽影，提示DOT較功能磁共振成像技術優勢顯著[28]。然而，目前DOT技術的一個典型缺陷為監測時患兒頭部只能安裝少量的信號源及探測器，不能對測試對象的頭部進行密集采樣(信號源-檢測器間隔達到15 mm才可完成頭部密集采樣)，極大影響了診斷的準確性[34]。2016年，Chitnis等[36]發明了可以進行無線連接的新型DOT系統，這使監測不再受限于頭部探測器安裝的空間限制，使其在臨床普及成為可能。

DCS是NIRS基礎上的另一種新興技術，可穿透到深層組織，通過記錄微循環中紅細胞的光強度，計算血流指數，進而測量深部組織微血管的血流變化[37]。DCS可以在臨床上動態監測迷走性暈厥、阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣及缺血性腦卒中等患者的腦血流量變化[38]；也可以評價纖維肌痛和外周動脈疾病的骨骼肌血液灌注的影響情況[39]；另外對某些腫瘤(如乳腺癌)的診斷也具有重要價值。DCS因無創、便捷、準確等特點，已在豬的出血性休克模型中表現出重要的監測價值[40]。雖然DSC目前已經得到了臨床醫師的認可，但測量過程中出現的信噪比及監測深度也是影響DCS準確性的主要問題，有學者對此提出了DSC監測的“百葉窗”模式，這使得DSC監測結果更加可信。相信隨著相關技術的發展，DCS在臨床上會得到更廣泛的認可。

6 結 語

NIRS具有便捷、準確、可以床旁操作并且能夠連續監測患者疾病相關指標變化的優勢，適合于一些急危重癥患者的診斷和監測。NIRS對于一些潛在重癥患者可以較普通檢查更早地觀察到異常，為臨床早期干預提供依據。然而，NIRS仍存在許多不足：①全身各組織器官血氧飽和度數值尚無統一、明確的界定范圍；②多數臨床試驗的樣本數量較少且為單中心研究。因此，未來尚需進行大樣本、多中心的隨機對照試驗研究，明確全身各組織器官氧飽和度發生功能性和器質性改變的臨界值，明確組織氧飽和度變化幅度與各類缺血缺氧相關并發癥的關系，使NIRS技術更準確地服務于臨床工作。