麻醉深度监测方法及仪器研究的现状与展望

洪文学 张仲鹏 宋佳霖 张 涛 刘旭龙 陈 宁 谭建强

1(燕山大学生物医学工程系，秦皇岛 066004)

2(中国人民武装警察部队医学院附属医院，天津 300162)

3(天津市汉沽区医院，天津 300480)

引言

麻醉是现代医学临床手术中必不可少的关键环节，但实施麻醉具有较高的风险性。随着社会的不断进步、人民生活水平的不断提高，人们在注重治疗效果的同时，对医疗过程是否能够无痛化也有着更高的要求。仅以上海市为例，2005年全年有53万例患者接受麻醉治疗，而2009年这一数字跃升为88 万[1]。

麻醉过程的风险是多方面的，严重时将危及患者生命，其中较为多发的是各种麻醉并发症(呼吸系统、心血管系统及神经系统的并发症等)[2]。如人们熟知的麻醉术中知晓(简称“术中知晓”)一项，按照相关研究数据推算，在美国每年接受全麻手术的2000万人中，有约26000例病例发生[3]。而相对国外数据而言，我国的术中知晓率更高，为0.72%～2%[4-6]。越来越多的实验及临床证据表明，准确的麻醉深度监测有效地降低了意外的麻醉并发症的发生率，同时也提高了麻醉的质量[7]。2005年10月，全球麻醉学界权威的学术机构——美国麻醉医师协会，通过了《关于术中知晓和脑功能监测的指导意见》[8]，不仅体现了对术中知晓的高度重视，同时也进一步肯定了麻醉深度监测特别是脑功能监测在临床麻醉中的有效性和必要性。因此，如何为患者提供安全可靠的麻醉，是目前麻醉学研究相关领域的重点课题，而如何监测和评估临床麻醉深度无疑是其核心问题之一，是一个值得关注的生物医学工程研究方向。

文中主要阐述麻醉定义的研究历程、麻醉深度监测的技术手段，介绍当前技术较为成熟、应用较为广泛的麻醉深度监测仪器，对比国内外相关研究的现状，并对未来的麻醉深度监测仪器发展加以展望。

1 麻醉深度监测研究的基础

在麻醉学的发展过程中，麻醉及麻醉深度的定义一直是临床麻醉师所关注的重要问题。麻醉的定义是对麻醉状态的理解与解释，是麻醉深度监测研究的基础;麻醉深度的定义是对不同麻醉状态或麻醉程度的解释。麻醉深度的定义由麻醉的定义所决定，且两者是相辅相成的，不应割裂地理解。因此，对实际临床手术中麻醉及麻醉深度的监测，离不开麻醉及麻醉深度的定义这一理论基础。

麻醉及麻醉深度定义的发展变化，从1846年Oliver Wendell Holmes创用“麻醉”一词以来，始终贯穿于麻醉学的整个发展进程。1987年，Prys-Roberts提出其麻醉理论，指出麻醉是对伤害性刺激反应和意识知觉水平的抑制，并对伤害性刺激反应影响进行了细分，但其认为不存在麻醉深度的定义[9]。1988年，Glass提出应将“有无意识”进一步理解为脑皮质层的兴奋与抑制的平衡状态[10]。1990年，Stanski认为麻醉应是对伤害性刺激的无反应和无回忆，而不包括麻痹和意识存在下的无痛状态[11]。近期，我国于布为教授等根据麻醉定义随着所用药物而不断演化且很难找到统一定义的现状，提出了“麻醉状态”概念[11]。麻醉状态理论认为：“麻醉后的意识消失仅仅是哲学意义上的麻醉概念，而不是临床实际意义上的麻醉;临床实际意义上的麻醉，应当是在意识消失的基础上，还能有效地抑制手术操作引起的伤害性应激反应，而在没有手术刺激时，又不致引起循环、呼吸的衰竭。”[1]

因此，麻醉依赖于两个起相反作用的因素：一是麻醉剂，诱发不同程度的麻醉在一定程度上取决于所使用的药物及剂量;二是手术刺激，手术刺激使交感神经系统活跃，从而增加了患者的躯体和自主意识的反应水平。事实上，由于临床麻醉采用的麻醉方法和药物的差异，造成了麻醉及麻醉深度缺乏统一的准确评估尺度。伴随新型麻醉技术和麻醉剂的发展，如静脉麻醉、区域性神经阻滞技术，以及强效阿片类镇静剂和新型挥发性药剂的临床应用，麻醉深度的监测评估急需与之互相适应，以保证临床麻醉能够安全可靠地实施。

2 麻醉深度监测的技术手段

麻醉深度监测旨在保证患者获得适宜的临床麻醉效果，既要避免因为麻醉效果不足导致术中知晓，又要防止因为麻醉药剂过量使患者生命安全受到威胁[2，8]。

在实际临床手术麻醉过程中，麻醉深度监测的技术手段多样且划分方法不一。一般将麻醉深度监测方法分为两大类：一是主观方法，麻醉师依靠患者对刺激产生的自主和不自主运动，根据其个人经验做出主观判断[12];二是客观方法，借助灵敏的监测仪器，对患者某项生命体征(如心率、脑电图EEG等)或与麻醉药剂相关的指数(吸入式药剂最小肺泡浓度MAC、半数有效血浆浓度Cp50等)进行监测，得出对麻醉深度的客观评估。麻醉监测手段可根据其原理分为三大类：一是特殊麻醉药剂的临床麻醉深度状态参量，如 MAC、Cp50等;二是麻醉深度测定的电生理方法;三是其他麻醉深度测量方法[13]。其中，特殊药剂的临床麻醉深度状态参量在临床麻醉深度研究中开展较早，但由于其特异性较高，所以应用局限性较大。

目前能够广泛应用的麻醉深度监测方法见表1。

主观方法要求麻醉师具有丰富的临床经验，才能准确地把握实际麻醉深度状态，但经验手段往往容易出错。因此，临床麻醉深度监测正在更多地依赖于客观监测手段(仪器)的帮助。在目前麻醉深度客观监测手段中，脑电图及其衍生指数与诱发电位研究较为深入，实际临床应用也较为广泛[14-22]。

表1 麻醉深度监测方法Tab.1 Summary about depth of anesthesia monitoring method

脑电图及其衍生指数是研究最为广泛的麻醉深度客观监测手段，包括原始EEG、频谱分析法(常见频谱包括压缩谱阵(compressed spectral array)、边缘频率(spectral edge frequency)及中频(median frequency))、脑电双频指数(bispectral index，BIS)、熵指数(entropy，常见状态熵 SE和反应熵 RE)、Narcotrend指数(narcotrend index或麻醉趋势指数)、患者状态指数(patient state index)、Snap指数(snap index)和脑状态指数(cerebral state index)[12-13]。

诱发电位，是指对神经系统某一特定部分施加适宜刺激，在中枢神经系统相应部位检出与刺激有对应关系的电位变化，即中枢神经在感受刺激后产生的生物电活动。诱发电位可分为躯体感觉诱发电位(SEP)、听觉诱发电位(AEP)和视觉诱发电位(VEP)[12-13]，其中研究集中于听觉诱发电位[20-22]。

3 麻醉深度监测仪研究与应用的现状及趋势

麻醉深度监测仪器是实现麻醉深度客观监测方法的可靠途径，目前能够商业化销售的麻醉深度监测仪器主要是应用脑电图及其衍生指数和诱发电位(特别是听觉诱发电位)作为麻醉深度监测手段，常见的麻醉深度(状态)监测仪器[13，23]如表 2所示。

表2 麻醉深度监测仪器Tab.2 Summary about depth of anesthesia monitoring instruments

其中，CSI监测仪、AAI 1.6、PSI分析仪等前瞻性监测仪器仍需要进一步临床试验验证[23，26]，而基于近似熵、香农熵及EEG复杂度的麻醉深度监测仪器还未能进入商业市场[18，27-28]。不难看出，目前麻醉监测仪器着眼于脑功能的监测，这也是未来新型麻醉监测仪器的主要研究方向。基于麻醉深度监测仪器的市场现状，文中主要介绍BIS监测仪、熵监测仪及AAI监测仪的现阶段发展情况。

3.1 脑电双频指数监测仪

脑电双频指数(简称“BIS指数”)基于统计学理论，是由时域、频域和高阶频谱参数相结合而得到的复杂经验参数[12，23]，其理论依据是脑电功率谱、相位谱及不同频谱相位角的定量耦合原理。BIS指数的独特之处在于它利用大量的临床数据，证明镇静、深睡眠状态之间具有相关性，将脑电信号的不同双频谱描述整合，将多个不同的脑电图变量综合成为一个单一变量[27]。BIS指数源于双频谱分析的Synch-Fast-Slow亚变量，是位于0.5 Hz～47 Hz之间的双频谱峰值的总和与位于40 Hz～47 Hz之间的双频谱总和的比值的对数值。因此，BIS指数是由Synch-Fast-Slow与频域的亚参数(β比率)和时域的亚参数(暴发抑制比)联合得到的[29]。

BIS指数是一个范围从100(清醒)～0(脑电处于零电位)的数值指数，当其介于40～60，说明患者时获得了适当的全身麻醉催眠效果，并能够保证迅速地恢复知觉。BIS指数与响应水平(即警觉或镇静水平的评估指数)有着良好的联系，从而在异丙酚、咪达唑仑和七氟烷诱发麻醉的情况下可极好地监测意识程度[20，22，26，30]。多项研究表明，BIS指数作为一项有用的监测手段，可以有效降低术中知晓的实际发生率[6-7，31]。同时研究证明，BIS指数监测的使用，减少了麻醉剂的使用和患者在麻醉后监护室停留的时间，从而节省了开支[14，23，30]，并且为用于心脏手术、老幼病患的麻醉剂滴定法提供了有意义的指导[17，22，32-33]。

虽然BIS指数有着出色的有效性，但仍然存在一些缺点，如对于某些特殊的麻醉剂或镇静剂(氧化亚氮、氯胺酮或大剂量阿片类药剂)，BIS指数并不灵敏[34-36]。BIS指数是大脑皮质功能的指示，并不直接反映皮质下层的活跃度，而控制对伤害性刺激做出动反应的控制中枢是脊髓，所以BIS指数在监测对伤害性刺激的反应时就不那么可靠[12，23，37]。

3.2 熵监测(Entropy)

熵监测是基于熵算法来获得和处理原始脑电图和额肌肌电图信号的理论。“熵”是定量评价非线性动力学的数学名词，依据脑电图可以应用非线性动力学技术进行描述，提出了M-熵模型。频谱熵的概念源于香农(Shannon)熵所测量的信息，当其应用于脑电图的能量谱时，用以评价频谱频率的规律性。反应熵(RE)计算的频率范围是0 Hz～47 Hz，同时监测脑电及肌电活性。状态熵(SE)计算的频率范围是0 Hz～32 Hz，主要监测脑电活性[38-40]。Datex-Ohmeda熵计算仪实现了对熵指数的连续时间监测，并显示两个单独的范围为0～100的参数。反应熵(RE)的最大值为100，状态熵(SE)的最大值为91。可进行临床手术的麻醉深度在数值40～60间达到[12]。

熵指数在知觉水平表达上和脑电双频指数一样可靠[41]。在使用芬太尼、戊硫代巴比妥、七氟醚和地氟烷的麻醉中，熵指数监测的有效性已经被证明。熵指数监测在手术中受电极等因素影响要比BIS指数小。然而，和其他基于脑电图的知觉测量监测手段一样，熵指数在大剂量阿片类麻醉中也不可靠。此外，也应该考虑，就算使用熵指数，手术中的一个突然疼痛刺激也有可能意外地变到不合适的麻醉状态，反应熵和状态熵并不一定能预测这样的情况。在使用氯胺酮麻醉时，熵指数是否可靠也未得到确认，因此这些情况下熵指数是否可靠存在不确定性[12，37]。

3.3 AAI监测仪

诱发电位用于麻醉深度，较多地采用听觉诱发电位中的中潜伏期听觉诱发电位(MLAEP)。Jensen等开发了一种从脑电信号中提取中潜伏期听觉诱发电位的新方法：通过一个有外源输入的自回归模型，从110 ms的持续区间提取听觉诱发电位信号约15个～25个[42]。AAI监测仪通过快波中潜伏期听觉诱发电位波形，分析计算 AAI指数，范围从100(清醒)～0(深度催眠效果)。Struys等对患者实施靶控注射异丙酚麻醉，在对比使用了 AAI指数和BIS指数技术后，发现两种方法都能准确地指示镇静水平和失去知觉的状态[43]。在最近的研究中，Schmidt等发现：从清醒到无知觉变化时，在区别清醒与无意识状态的应用中，BIS指数和 AAI指数优于血液动力学变量和经典单参数脑电图变量(如MLAEP)[44]。相关研究还指出，AAI指数同样能够降低异丙酚使用量，缩短恢复时间[45]。与BIS指数相比，AAI指数的主要优点在于噪声范围较小，且对刺激的响应性较好[46]，但同样不能预测患者对伤害性刺激的运动反应。

3.4 可能的麻醉深度监测仪器

鉴于目前麻醉深度监测仪器的缺陷，国外研究机构正在尝试新的麻醉深度监测技术的开发。新一代脑神经功能性研究手段(如正电子发射断层扫描(PET)和功能性磁共振成像(fMRI)技术)能够准确反映大脑神经的功能性活动，在神经生理学和行为认知研究领域都取得了一定的进展，因而有可能应用于麻醉深度的监测评估研究。例如，正电子发射断层扫描(PET)显示异丙酚麻醉对脑新陈代谢的广泛抑制效果，采用放射性同位素标记化合物示踪的方法，但这一侵入式的方法操作复杂且不利于日常临床手术使用;fMRI缺乏麻醉深度监测的相关实验依据，且在临床手术中使用这种大型仪器也很不方便。超高灵敏度超导量子干涉仪(SQUIDS)如作为麻醉深度的评估手段，不仅能做到分辨麻醉深度，而且能分辨意识、缺氧、局部缺血和不寻常的病理等特殊状态。但需要更为广泛深入地研究完善其理论，其昂贵的价格会极大地制约其临床应用性。

4 存在问题及发展趋势

通过对麻醉深度监测相关研究领域的分析可知：由于影响麻醉深度的因素较多，不同病患对手术和麻醉剂的反应不同，因而难以找到特异性高且足够准确的方法来评估麻醉深度，既确保病患意识处于完全消失状态以避免术中知晓，又防止麻醉剂过量使用等多方面问题。麻醉深度监测仪器的研究面临着仪器有效性、可靠性及药剂相关性评估等技术困难。目前，没有任何一种监测系统能提供适用于任意病人和麻醉剂的可靠的麻醉深度监测方法。所有的可用监测仪只对麻醉状态进行时间连续测量，都没有预测功能来确定对下一个痛觉手术刺激、现在的麻醉深度是否合适。

综上所述，麻醉深度监测仪器的未来发展趋势应包含3个方面：一是在临床手术采用复合式麻醉技术的情况下，未来麻醉深度监测仪器能够保证其测量参量和相关药剂浓度具有可靠相关性，从而帮助麻醉师合理地控制麻醉剂的施用剂量;二是未来麻醉深度监测仪器不仅要完成麻醉深度状态的实时测量，还应具备预测下一时间段将出现的麻醉深度变化的功能;三是未来麻醉深度监测仪器应当尽可能地保证其经济性，从而确保其能够在日常临床手术中广泛使用。除此之外，我国在麻醉深度监测仪器的研究上滞后于国外，仅限于对商业化的国外麻醉深度监测仪器的应用性研究，缺乏具有自主知识产权的、可靠有效的麻醉深度监测仪器。因此，研究和开发一种高效、可靠、能够适应各种临床麻醉手段的麻醉深度监测仪器，在生物医学工程研究领域有着重要实际临床价值。

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