功能性近紅外光譜成像用于全麻兒童疼痛評估的效果

靳晨彥,郭 航,李青華,李亞君,程亞飛, 馬亞群,

全身麻醉是一種由全身麻醉藥物引起的無意識、無痛、無體動的神經生理狀態[1]。客觀、準確、及時的疼痛評估對圍手術期疼痛管理至關重要,是確保圍手術期麻醉質量和安全的關鍵因素,不僅可以避免術中刺激引起的交感神經興奮、心肌耗氧量增加等不良反應,還可以減少術后急慢性疼痛。然而,現有的圍手術期疼痛評估方法大多依賴于自主神經反應,如心率、血壓、瞳孔疼痛指數等,這些評估方法常因無法兼顧特異性、客觀性、敏感性而無法準確評估,從疼痛發生機制上尋找到可靠的疼痛評估方法成為亟待解決的臨床問題。研究表明痛覺是中樞神經系統接收到疼痛刺激后做出的反應[2]。功能磁共振成像顯示機體受到疼痛刺激時,包括丘腦、初級和次級軀體感覺區、腦島、扣帶前皮質和中腦導水管周圍灰質在內的大腦皮質區域被激活[3],其中前額葉皮質作為疼痛加工和編碼的關鍵節點,具有疼痛強度的獨立效應[4]。成人局部大腦皮質激活會導致流向激活區域的局部血流量增加[5],且增加量遠超過腦組織對氧的需求,最終導致局部的血紅蛋白含氧量增加,因此,局部皮質血流動力學變化可以反映大腦局部神經活動。功能性近紅外光譜成像技術(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)基于血紅蛋白的不同光學特性,非侵入性地量化大腦皮質血流動力學變化,在評價腦功能方面與磁共振等效[6]。與成人相比,兒童神經血管耦合本身就處于發育中[7],雖然有研究觀察到清醒狀態的早產兒、新生兒在接受疼痛刺激時會有腦組織血氧參數的變化[8-11],但關于全身麻醉狀態的兒童在接受疼痛刺激時的腦組織血氧參數變化尚未明確。本研究旨在探討全麻手術中0～14歲兒童受到切皮刺激后腦組織血氧參數的變化情況,探索fNIRS客觀評估兒童全麻手術術中疼痛的可行性,為臨床疼痛評估作參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選擇2021-11至2022-09于解放軍總醫院第七醫學中心行尿道下裂修補術或隱匿型陰莖矯治術的45例0～14歲患兒,由手術醫師根據陰莖背神經阻滯后局麻藥液擴散是否影響手術操作分為全身麻醉組(G組)30例,全身麻醉+陰莖背神經阻滯組(N組)15例。納入標準:達到尿道下裂和隱匿陰莖手術標準,且擬在我院行手術治療;年齡0～14歲;ASA分級I～II級;患兒為右利手。排除標準:有腦神經損傷等嚴重中樞神經系統疾病等;術后嚴重并發癥;近半年有鎮靜催眠藥、鎮痛藥用藥史;有精神疾病如自閉癥等;既往多次手術史(≥2次)。本研究通過解放軍總醫院第七醫學中心倫理委員會審核(2022-24),所有納入研究的患兒家屬均知曉研究過程并簽署知情同意書。臨床試驗注冊:中國臨床試驗注冊中心,ChiCTR2200059583。

1.2 試驗裝置與原理 fNIRS是一種非侵入性光學成像技術,用于測量大腦皮層外層血流動力學活動。設備發射出700～1000 nm波長的近紅外光線可輕易穿透顱骨和大腦皮層,氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin,Oxy-Hb)對790 nm以上的紅外光吸收能力較強,脫氧血紅蛋白(deoxygenated hemoglobin,Deoxy-Hb)對790 nm以下的紅外光吸收能力較強,根據生物組織中不同類型血紅蛋白對近紅外光吸收特性的差別,通過接收端測定折射及散射后的近紅外光線并計算其被吸收的比例,就可以得到Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度和總血紅蛋白(total hemoglobin, Total-Hb)濃度。當大腦皮質血流量發生變化時,腦組織血氧參數也相應地發生變化,fNIRS可以在短時間內持續捕捉Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度的微小波動,實時反映大腦皮層血流動力學的改變。本研究采用近紅外組織血氧參數無損監測儀(愛琴醫療,ECO-N17-C25L)進行信號采集,該設備具有高采樣率(20 Hz),可以獲取2.5 Hz以下的低頻振蕩信號以探究廣泛的生理變化。

1.3 試驗步驟 所有患兒入室后建立外周靜脈通道,麻醉誘導前輸注乳酸鈉林格氏液 10 ml/kg,監測心率、心電圖、無創血壓、血氧飽和度、呼末二氧化碳分壓、近紅外腦組織血氧參數和腦電雙頻譜指數(bispectral index,BIS) ,fNIRS、BIS貼片固定位置如圖1。標準化麻醉誘導選用咪達唑侖0.03 mg/kg、丙泊酚2～3 mg/kg、芬太尼3～6 μg/kg、羅庫溴銨0.4～0.6 mg/kg。面罩吸入純氧3 L/min,90 s后給予喉罩或氣管插管機械通氣,設置潮氣量8 ml/kg,術中以空氣和氧氣體積比1∶1,流量2 L/min進行機械通氣,根據呼氣末二氧化碳分壓調整潮氣量和呼吸頻率,使呼氣末二氧化碳分壓維持在35～45 mmHg。術中全憑吸入七氟醚維持麻醉深度,使BIS維持在40～65;術中根據需要追加芬太尼1 μg/kg,使血壓、心率波動不超過 20%。N組于機械通氣后行陰莖背神經阻滯(0.25%羅哌卡因0.2 ml/kg),阻滯10 min后開始手術。數據采集期間避免聲音、手術外刺激等因素干擾。麻醉醫師不根據近紅外腦組織血氧參數調整圍手術期用藥。

圖1 fNIRS、BIS貼片固定位置

1.4 觀察指標 術前記錄患兒年齡、身高、體重、芬太尼誘導用量;術中連續采集切皮前5 min至切皮后持續手術操作5 min的左側前額葉腦組織血氧參數、心率和BIS,記錄以下數據:(1)基線,切皮前10 s至切皮前30 s(T1)無任何操作干擾情況下的左側前額葉皮質平均Oxy-Hb濃度、平均Deoxy-Hb濃度、平均Total-Hb濃度、平均心率和平均BIS;(2)峰值,切皮后到達第一個波峰時(T2)的左側前額葉皮質Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度、心率和BIS;(3)腦組織血氧參數和心率到達峰值的時長。上述觀察指標由另一位接受過培訓的專職人員采集。

1.5 近紅外信號預處理 本研究使用MATLAB(version 2022, Math Works Inc)對原始近紅外信號進行預處理。由于近紅外信號在采集的過程中會受到運動噪聲和生理噪聲的影響,因此需要對數據進行降噪處理。首先對原始近紅外信號進行離散小波變換,將變換后的小波系數分布選擇峰度閾值(本研究中所有近紅外信號在運動噪聲濾波時都設為相同的閾值3.3)。其次,近紅外光譜測量過程中捕獲了成像組織血流動力學的多個方面,其時間序列包含了功能變化和潛在的生理過程,而這些生理過程,如心跳、呼吸和血壓的波動等并沒有直接與神經元活動耦合,因此采用三階巴特沃斯零相位數字濾波器來提取低頻振蕩信號并去除生理噪聲。

2 結 果

2.1 一般資料 G組和N組患兒年齡、身高、體重、單位體重芬太尼用量無統計學差異(P>0.05,表1)。

表1 兩組全身麻醉兒童疼痛評估患者一般資料比較

2.2 血氧參數和心率對切皮刺激的反應 G組和N組患兒左側前額葉皮質Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度和心率在切皮前均動態波動于基線水平。與T1相比,T2時刻G組上述指標分別平均升高8.6%、61.8%、37.2%、7.7%,差異均具有統計學意義(P<0.05),T1、T2時刻BIS差異不具有統計學意義;而N組T1、T2時刻左側前額葉皮質Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度、心率、BIS差異均不具有統計學意義(P>0.05,表 2)。

與N組相比,G組T1時刻左側前額葉皮質Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度、心率差異無統計學意義;兩組T2與T1時刻Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度差值差異有統計學意義(P<0.05),Oxy-Hb濃度和心率差值差異無統計學意義(表2),表明與接受神經阻滯的N組相比,未接受神經阻滯的G組切皮后左側前額葉腦組織血氧參數變化更為明顯。

表2 左側前額葉皮質血氧參數、心率和BIS在切皮前基線(T1)、切皮后峰值時(T2)及切皮前后差值(Δ)比較 [M(Q1,Q3)]

2.3 切皮后G組左側前額葉腦組織血氧參數和心率到達峰值的時間比較 G組患兒接受切皮刺激后,左側前額葉腦組織血氧參數與心率到達峰值的先后順序為:Deoxy-Hb濃度[(1.723±0.783)s]、Total-Hb濃度[(1.763±0.770)s]、Oxy-Hb濃度[(1.813±0.794)s]、心率[(2.100±0.845)s],其中Deoxy-Hb濃度(Z=4.17,P=0.041)和Total-Hb濃度(Z=4.8,P=0.028)到達峰值的時間與心率到達峰值的時間相比差異具有統計學意義。

3 討 論

疼痛通路是痛覺產生的基礎[12,13],感覺末端器官感受到痛閾值以上的傷害性刺激后形成電脈沖或者動作電位在神經纖維內經過脊髓上傳到大腦皮層,一方面通過神經血管耦合使局部皮質血流動力學產生變化,從而影響腦組織血氧水平[5];另一方面通過激活中腦導水管周圍灰質,興奮下腦干和脊髓中的運動前或節前自主神經,從而引發自主神經反應[14,15]。目前臨床上圍手術期疼痛評估的研究多圍繞自主神經反應展開,例如,心率、血壓、瞳孔直徑等,但是這些指標易受藥物、年齡、溫度、容量、疾病等因素干擾,在評估疼痛方面缺乏特異性和準確性[12,13]。本研究采用了一種基于fNIRS的方法,直接通過量化大腦皮質血流動力學變化從中樞水平反映兒童全麻手術術中疼痛的發生,具有客觀、敏感、特征、穩定、無創、連續、便攜等優勢[16-18]。前額葉由于其疼痛強度的獨立效應[4]和信號采集不受毛發干擾的特點,一直以來是疼痛相關研究的重點部位。并且與右側前額葉相比,左側前額葉皮質對針刺、環切等疼痛刺激反應更為顯著[19]。因此,本研究選擇左側前額葉作為fNIRS監測部位、切皮作為疼痛刺激,比較切皮前后左側前額葉腦組織血氧參數和心率的相對變化情況。

本研究發現,切皮后G組所有患兒左側前額葉腦組織血氧參數和心率均出現不同程度的增加或增快,其中Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度增加最為顯著,而N組患兒切皮后左側前額葉腦組織血氧參數和心率無顯著變化。兩組T2、T1時刻Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度差值差異有統計學意義,T2、T1時刻Oxy-Hb濃度和心率差值差異無統計學意義,但N組上述四項差值均小于G組,這種切皮前后腦組織血氧參數更加穩定的現象與陰莖背神經阻滯提供了更完善的鎮痛效果相符[20],表明左側前額葉腦組織血氧參數可以用于全身麻醉兒童的疼痛評估且Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度在評估疼痛方面更具優勢。

基于腦組織血氧參數的疼痛評估方法在靈敏性方面也顯著優于基于自主神經反應的疼痛評估方法。有研究顯示,神經血管耦合介導的皮質血流動力學變化通常在刺激后0.5 s開始出現,并在刺激后3～5 s到達峰值[21,22]。本研究顯示G組從切皮到腦組織血氧參數到達峰值的時間均在0.5～3 s,基本符合神經血管耦合反應發生的時間,其中Deoxy-Hb濃度和Total-Hb濃度到達峰值的時間比心率到達峰值的時間分別平均提前0.38 s和0.34 s,差異具有統計學意義,表明腦組織血氧參數在反映疼痛方面比心率更靈敏,可能的機制是,與心率變化相比,疼痛引起腦組織血氧參數變化省略了從中樞傳導至外周的過程。對麻醉醫師而言,根據腦組織血氧參數變化可以更及時地調整鎮痛程度,減少兒童因圍手術期鎮痛不足引起的一系列并發癥。

腦組織血氧參數評估疼痛不受鎮靜藥物干擾,且在使用鎮痛藥的情況下也具有適用性。本研究麻醉誘導選用丙泊酚,麻醉維持選用七氟醚,這兩種全身麻醉藥物均通過減弱大腦皮層間的連通性發揮鎮靜、催眠作用,其中額葉皮質的總大腦連通性降低最為顯著[23-25]。本研究結果顯示處于麻醉狀態的兒童對切皮刺激表現出與清醒兒童相似的前額葉腦組織血氧參數升高趨勢[19],可能是疼痛與意識的大腦連接模式不同導致:丙泊酚和七氟醚對意識相關的腦功能連接抑制作用較強,但對疼痛相關的腦功能連接抑制作用較弱。芬太尼是兒童圍手術期廣泛使用的鎮痛藥物,本研究采用3～6 μg/kg常規劑量芬太尼誘導,G組切皮后所有患兒均出現不同程度的腦組織血氧參數升高,可能是陰莖部位分布有密集的神經末梢,對痛覺敏感,常規誘導劑量的芬太尼未能完全阻斷兒童陰莖部位切皮引起的痛覺信號傳遞[26]。與G組相比,N組復合了陰莖背神經阻滯,鎮痛效果完善,未觀察到切皮后腦組織血氧參數升高,提示全身麻醉兒童可以通過腦組織血氧參數評估術中鎮痛水平并及時調整鎮痛程度,避免經驗性鎮痛導致的鎮痛不足。

疼痛引發的腦組織血氧參數變化由神經血管耦合機制介導。研究顯示兒童發育過程中年齡與神經血管耦合呈正相關[27],因此本研究納入的0～14歲患兒的基線左側前額葉腦組織血氧參數差異較大,但患兒在鎮痛不全時,接受疼痛刺激后均表現為腦組織血氧參數顯著升高,與早產兒、足月新生兒和成人[17]接受不同類型疼痛刺激時腦組織血氧參數的升高趨勢相似,表明年齡只影響腦組織血氧參數的基線水平,但不影響腦組織血氧參數對疼痛刺激做出的反應,即腦組織血氧參數變化評估疼痛在年齡方面具有普適性。

綜上所述,fNIRS可以評估兒童全麻手術術中疼痛,表現為伴隨疼痛發生的Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度升高,且與常規的生理指標心率相比,Deoxy-Hb濃度和Total-Hb濃度更具靈敏性。本研究不足之處是沒有對不同程度疼痛刺激下的腦組織血氧參數進行研究,未來仍需進一步多中心、大樣本量試驗,明確疼痛程度與前額葉腦組織血氧水平之間的關系。

所有作者聲明無利益沖突。