圍術期局部腦氧飽和度影響因素的研究進展

劉琳琳 嵇富海

蘇州大學附屬第一醫院麻醉科，江蘇省蘇州市 215031

不同于頸靜脈球血氧飽和度和腦組織氧分壓的測量等有創監測，近紅外光譜(NIRS)儀無創、便捷、持續、實時監測等優點減少了人們對腦氧供與氧耗監測的顧慮[1]。NIRS能持續進行床旁測量并反饋實時的局部腦氧飽和度(rSO2)信息，及早發現腦組織低灌注，從而預防腦功能障礙和術后神經并發癥。但NIRS的監測可能受到多種因素的干擾，rSO2的正常范圍仍未明確，在不同的研究中發現rSO2具有很大的個體差異，因此一些研究者建議，應該主要以rSO2的相對變化和趨勢而不是rSO2的數值，作為腦組織氧供需平衡的指標[2]。本文將從NIRS使用的基本原理、圍術期影響因素及其應用的局限性對rSO2的監測進行論述。

1 近紅外光譜儀的工作原理

一般情況下組織對波長700～1 000nm的近紅外光吸收較低，近紅外光束可以穿透皮膚、骨骼、肌肉以及腦組織，深度可達8cm，這對經顱監測腦血氧提供了可能[3]。腦組織中的氧合血紅蛋白(O2Hb)與脫氧血紅蛋白(HHb)對近紅外光束具有不同的吸收光譜，通過這一物理特性，可以分析局部腦組織中的氧飽和度。NIRS儀器的一對電極片通常被貼在左、右大腦額葉上方的皮膚上，也可以從任何腦葉上方進行測量。每個電極片都包含有一個近紅外光發射器和一個遠端的光探測器，光束從發射器沿著一條弧線傳播，最后由探測器接收，能夠測量皮膚下深度2～3cm的大腦皮層的O2Hb與HHb的比例。它不僅能測量腦組織的氧飽和度，也可以測量腦外組織如肌肉組織的氧飽和度。當電極片被置于頭皮表面測量rSO2時，其測量的是動靜脈與微循環中的混合血液的氧飽和度。rSO2作為一個計算值，取決于動脈、靜脈血液及微循環的貢獻程度，在不同部位的腦組織測量出來的rSO2可能存在差異。同時測量嬰兒額葉與枕葉rSO2時，雖然整體統計上額葉與枕葉的rSO2沒有明顯規律性關聯和差異，但具體到個人時，額葉與枕葉的rSO2之間有-31%～28%的差距[4]。但不同部位測得的rSO2隨時間的變化趨勢是平行的，因此根據基線水平觀察rSO2的相對變化，更能反映出腦組織氧供的實際改變情況。

2 圍術期局部腦氧飽和度的影響因素

2.1 患者自身因素 目前對rSO2正常范圍仍沒有定論，根據已發表的研究數據表明，正常腦組織rSO2的一般水平大多為60%～80%，不同的個體在應對外界因素干擾時rSO2也會展現不同的反應。患者基礎生理情況不同，rSO2基礎水平也有差異，年齡就是一個不可忽視的因素。隨著年齡增大，rSO2呈現降低趨勢。無心肺疾病、行擇期小手術的嬰兒[(7±3)個月]麻醉前基線水平的rSO2為(73±7)%，但關于65歲以上的老年人群中的研究rSO2普遍偏低，在75歲左右髖部骨折的老年人中，這一數值僅有60%左右[5-6]。因年齡差異導致的rSO2水平差異在中老年人群中尤為突出，這是由于隨著年齡的增長，人體的生理機能逐漸老化，腦血管逐漸形成斑塊和硬化。與年齡相關的認知功能、腦灌注和血管功能下降會增加患癡呆癥的風險。在2018年的一項橫斷面研究中，發現頸總動脈β硬度的增加與中老年人執行功能任務期間左側前額葉皮質O2Hb濃度的下降和執行能力的降低顯著相關[7]。老年人大腦灰質的血流速度隨著年齡逐漸減少，與年齡相關的腦灌注下降或許是老年人腦萎縮和認知功能降低的根本原因。老年人rSO2的正常低值警示我們，較低的腦氧合水平可能是大腦脆弱性的一個標志，圍術期高齡患者能耐受的rSO2降低的安全閾值可能會更窄，更需要注意避免腦氧供的不足。

另外，患者身體的疾病狀態也會影響rSO2的表現。研究表明rSO2、O2Hb與HHb的水平均會隨著年齡的增加而逐漸下降，而吸煙、飲酒、腰臀比、糖尿病、心絞痛、充血性心力衰竭、短暫性腦缺血發作等都與腦氧合指標降低有關[8]。有潛在腦血管疾病危險因素的患者圍術期大腦對環境影響的應變能力也表現的更差。在婦科腹腔鏡手術中，即使術前基線水平rSO2沒有明顯統計學差異，但與無高血壓、糖尿病的患者相比，合并這類基礎疾病的患者術中rSO2最低值、最高值以及最高值與基線值的差值均更低，說明這些患者腦血管自我調節的儲備功能不佳，因此老年人尤其是伴有高血壓、糖尿病的患者圍術期更容易發生腦卒中事件[9]。嚴重全身疾病和器質性功能障礙也會損害rSO2，如患有先天性心臟病、貧血、腎功能衰竭等疾病時，均能導致rSO2低于一般水平。

2.2 麻醉的管理

2.2.1 全身麻醉藥：維持全身麻醉可以采用吸入或靜脈麻醉藥，不同種類的全麻藥對rSO2會產生不同的影響。通常認為，揮發性麻醉藥降低腦代謝率并增加腦血流量(CBF)，而靜脈麻醉藥則是降低腦代謝率并減少CBF。七氟烷具有內在腦血管舒張反應，其作用呈劑量依賴性，低劑量或常規劑量的七氟烷濃度對腦血管的擴張作用并不明顯。一項隨機對照研究表明，2%～3%七氟烷維持麻醉，當發生腦電爆發抑制時，大腦中動脈的平均血流速度和搏動指數(即腦血管對血流的阻力)沒有明顯改變，但丙泊酚作為麻醉維持藥物發生腦電爆發抑制時，CBF有明顯下降，并且出現搏動指數的增加，提示腦血管出現明顯的收縮[10]。雖然常規濃度的七氟烷并可能并不能明顯增加CBF，但相比于具有收縮血管作用的丙泊酚，在避免術中出現腦氧飽和度降低方面，七氟烷顯然更勝一籌。

右美托咪定和丙泊酚都具有類似腦血管收縮的作用，但兩者對rSO2的作用似乎并沒有差別。2020年的一項隨機對照研究發現，椎管內麻醉后CBF和rSO2會有所降低，隨后分別使用右美托咪定或異丙酚對患者進行鎮靜，雖然右美托咪定組的血壓和SpO2更穩定，但是并未觀察到兩組術中的rSO2有明顯統計學差異[11]。這可能是在一定灌注壓范圍內腦血管自我調節后的結果。在動物試驗中，進一步驗證了右美托咪定對rSO2的作用，發現只有當豬仔發生明顯低血壓時，再使用右美托咪定才會使腦灌注和腦氧合進一步顯著下降[12]。因而在臨床工作中使用右美托咪定尤其需要注意預防和治療低血壓。

2.2.2 血流動力學管理：雖然在很多研究中都觀察到rSO2與血壓相關，一定范圍內rSO2會與平均動脈壓同步升高。但實際上，使用血管活性藥物升高血壓卻不一定會使rSO2升高，這取決于不同升壓藥對血流動力學的藥理作用特點。

苯腎上腺素和去甲腎上腺素均有較強的α受體激動作用，通過動脈血管收縮發揮作用的同時會引起周圍血管和心臟上交感神經活動的減少，導致心率下降，從而有引起心排血量降低的可能，而麻黃堿、多巴胺能夠在提高血壓的同時也能夠增加心率和心輸出量。在進行非心臟外科手術時，對于維持rSO2方面，麻黃堿和多巴胺的作用優于苯腎上腺素和去甲腎上腺素。然而一項關于頸動脈內膜切除術期間rSO2的小樣本量前瞻性研究持有相反的意見，認為麻黃堿和苯腎上腺素在維持腦血流和供氧上并無明顯差異[13]。得出不同結論的原因，一方面，可能是不同個體的心輸出量對苯腎上腺素的反應不同，另一方面，在使用苯腎上腺素的同時，維持足夠的有效循環血流量也十分重要。

精氨加壓素(AVP)通過介導血管平滑肌血管收縮的V1受體發揮作用，越來越多地用于臨床，但AVP在降低腦血流和腦供氧上的作用可能更強。在沙灘椅位(BCP)肩關節手術中的研究中，調節BCP體位前2min預防性注射0.07U/kg的AVP，雖然和生理鹽水組相比能有效預防BCP體位后的低血壓，但升高血壓的代價卻是大腦額葉血供的減少，AVP組的rSO2甚至低于未預防性使用升壓藥的生理鹽水對照組[14]。但在嚴重循環衰竭和腦灌注嚴重受損的人群中，例如心肺復蘇的患者，由于機體在血供不足的情況下對大腦、心臟優先供應的機制，AVP通過強烈收縮外周血管能對腦組織提供一定的灌注壓，這種極端條件下AVP對腦血供并非完全無益處。而硝酸甘油與AVP存在相反的作用，對于血管收縮劑如AVP引起的rSO2下降，硝酸甘油或許能夠作為一種有效的解決辦法。

2.2.3 呼吸管理：呼吸的管理是麻醉管理中的最重要環節之一。對于氣道壓力和呼氣末正壓(PEEP)是否會影響腦血流和腦灌注，目前的研究存在較多的爭議。Chen Han等[15]認為，在正常大腦中，正壓通氣不會顯著改變顱內壓(ICP)、腦氧合或腦灌注；對于顱腦損傷的患者，氣道壓力對ICP的影響是可變的，對ICP的影響由多個因素決定，例如原本ICP的高低、肺的順應性、腦自動調節等，其凈影響程度是不可預測的。PEEP對ICP和腦血流的影響一部分取決于機體血容量的狀態。在動物試驗中發現，正常血容量時，ICP隨著PEEP從5cmH2O(1cmH2O=0.098kPa)逐漸增加至25cmH2O而逐漸升高；而通過放血處理的低血容量動物，ICP隨著PEEP的增加呈降低趨勢；這是由于與正常血容量的動物相比，低血容量狀態下PEEP升高時，頸總動脈血流量會進一步降低[16]。因此，在正壓通氣和使用PEEP時，需要注意對循環血量的監測，維持充足的有效循環容量。動物實驗中PEEP水平較高，這并不適應用人類麻醉時常規麻醉的呼吸機設置。但在腹腔鏡手術中，尤其是肥胖患者頭端位置降低下的氣腹手術，患者的氣道壓力可較正常平臥位時顯著增加，這種被動的氣道壓力極度升高可能會對腦血流和rSO2產生負面影響。

增加吸入氣體中的氧濃度和保持呼氣末CO2(ETCO2)適當偏高是有助于改善術中rSO2的策略。這是由于吸入氧濃度的提升大幅度改善了血液中的氧分壓，而血液CO2分壓的升高則會使腦血管擴張，腦血流增多。但當CO2顯著高于正常水平時，也需要警惕腦血管擴張增加顱內壓增高和腦水腫風險，這可能引起嚴重的腦組織氧合障礙。

2.3 非心臟外科手術 體位是術中rSO2的一個重要影響因素，在反向Trendelenburg體位或者BCP這類頭端位置顯著抬高的體位中，由于“瀑布效應”，在超聲多普勒下可以檢測到大腦中動脈的最大血流量顯著下降。以前的研究通常將rSO2較基線水平降低超過20%或其數值低于50%稱為腦氧去飽和事件(CDEs)。在BCP體位手術中，由于坐姿和全麻后機械通氣引起過度換氣對CBF和氧合有潛在的附加不良影響，發生CDEs的患者比例可高達55.6%，大多數CDEs(68%)是在低血壓期間記錄到的[17]。在平齊于心臟水平測量的動脈血壓可能高估了大腦的實際血壓，因此將有創血壓的換能器置于外耳道水平更能反映實際腦灌注水平。相反地，手術中患者為Trendelenburg體位時，例如婦科、泌尿外科腹腔鏡手術，由于頭端降低，腦部充血，通常可觀察到rSO2的升高，多數人認為Trendelenburg體位下的手術不會影響rSO2。但由于CO2蓄積、高氣道壓、血液回流增多、高中心靜脈壓等因素的共同影響，也會導致Trendelenburg體位時ICP明顯增高。顱內血管靜水壓增高、腦組織水腫也可能會導致rSO2降低[15]。目前在Trendelenburg體位腹腔鏡手術中rSO2下降對患者預后的影響及其發生的具體機制還未完全明確。

在開胸或胸腔鏡檢查期間，也能發現相當比例的患者rSO2顯著減低，這是由于單肺通氣可能存在例如通氣量不足、通氣血流比值的失調以及縱膈擺動引起心輸出量減少等問題。在頸動脈內膜剝脫術、關節與脊柱等手術中，由于局部微栓子的脫落可能會引起腦內小血管的堵塞和腦組織缺血，監測術中rSO2有助于及時識別可能存在的腦灌注降低[18-19]。老年人平均rSO2比年輕人低，也意味著術中允許rSO2降低的安全范圍較小，他們對于術中出血、低血壓等的耐受能力更低，更需要麻醉醫生去注意設法預防術中rSO2降低的發生。

3 NIRS監測的局限性

頭皮至大腦皮質之間的軟組織及顱骨內都包含有血流，被測量者的皮膚、皮下組織的厚度、顱骨的厚度等顱外因素也可能對rSO2測量產生干擾。顱外血液對大腦NIRS讀數的貢獻范圍為14%～18%，目前很難完全將大腦與腦外組織中的氧飽和度分開進行測量，只能通過同時測量頭皮下組織的rSO2做減法盡可能減少顱外血流的混雜[20]。膽紅素、亞甲藍、吲哚菁綠與HHb具有相似的吸收光譜，因此也可能影響NIRS監測的實際讀數，使rSO2讀數偏低[3]。另外，由于近紅外光譜儀器的物理特性，它能監測的范圍僅為光源穿過區域、深度為2～3cm的大腦皮層，這大概僅包括指甲蓋大小的腦組織，這也是其局限所在。rSO2代表的是局部腦組織的氧合平衡狀態，對于存在腦血管疾病問題的患者，當監測部位以外的腦組織出現缺血、缺氧時，或許并不能得到及時和正確的反饋。因此rSO2更能反映的本身無腦血管疾病患者的大腦整體氧供與血供，例如心臟驟停期間的較低的rSO2能夠預測術后缺血缺氧性腦病后遺癥和生存狀態[2]。這也解釋了為什么在有些神經外科手術的研究中，術中監測對側rSO2并不能很好地預測術后神經系統并發癥的發生。神經外科患者的常見后遺癥，更多的與原發灶的損傷程度相關，而術中監測對側腦組織，同側及深部腦組織的缺血也有可能不被探及。頸靜脈球血氧飽和度測量反映的是整個大腦的氧供氧耗平衡，腦組織氧分壓測量可以對深部腦組織的氧分壓進行更精準的測量，幾種腦氧合狀態測量技術的作用有時候并不能完全相互替代，因此臨床上也可以將rSO2監測與其他腦氧測定方式相互結合，可以更全面地了解大腦氧代謝的變化。

4 小結

圍術期rSO2的監測需要注意潛在的多種影響因素。雖然CDEs(rSO2降低超過基線20%或rSO2數值低于50%)是人們在臨床中評價rSO2的常用標準，但在65歲以上老年人脊柱手術中，rSO2<60%就是術后認知功能障礙的獨立危險因素[19]。由此可見CDEs并非NIRS評估患者預后的唯一標準，可以在任何閾值任意定義rSO2的不飽和，但這個閾值必須與有意義的臨床結果相關。通過NIRS獲取的rSO2數值固然重要，明白它變化的背后原因及時做出對應的處理對腦灌注異常的高危人群來說更加重要。針對不同人群、不同手術的rSO2改變需關注的閾值應該逐漸被開發和利用起來，識別高危患者的個體化管理能夠在不浪費有限醫療資源的前提下將患者的術后早期恢復最優化。