脊柱手术中关于运动传导束的术中神经电生理学监测

蔡思逸李书纲邱贵兴

(中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院骨科，北京100730)

20世纪70年代，Nash和Engler先后报道将体感诱发诱发电位监测(SEPs)应用于脊柱侧弯矫形手术中。随着SEPs在脊柱手术中的广泛开展，脊柱手术的安全性大幅提高［1，2］。然而，不到10年，单一SEPs监护的问题很快暴露，Lesser和Ginsburg分别报道了一例病例，患者术中SEPs信号在正常范围，但术后均出现了严重的运动功能障碍，甚至瘫痪［3，4］。此后，类似的报道相继出现［5-7］，SEPs对脊髓运动传导束的监护能力从此受到质疑。从神经解剖学的角度来看，脊柱传导SEPs的主要途径为脊髓的背侧结构，而自主的运动电位的传导途径主要来源于锥体系，在脊髓主要为位于椎体前索和前外侧索的皮质脊髓束。皮质脊髓束损害或脊髓背侧受损可以分别发生。针对脊髓运动传导束传导的运动电位的监测手段呼之欲出。1980年Merton通过单脉冲经颅电刺激在清醒患者身体诱发出一个运动电位，1984年Merton、1985年Baker分别通过经颅磁刺激(TMS)和经颅电刺激(TES)诱发出动作电位(MEP)，并在脊髓硬膜表面、肌肉上记录。脊柱手术中关于运动传导束的神经电生理监测的特异性的监测手段MEP，对MEP的认识帮助我们理解了这些所谓的术中SEPs信号保留缺出现运动功能损害的SEPs“假阴性病例”，也进一步的认识了脊髓的损伤机制，提高了手术的安全性，这一手段目前得到了广泛应用和深入研究。

1 运动诱发电位(motor evoked potentials，MEPs)的电生理原理

当大脑皮层或脊髓受到电刺激后，一旦电流超过神经组织的兴奋阈值，锥体细胞轴突会产生去极化的动作电位，随皮质脊髓束向下行传导到位于脊髓前角的α运动神经元、靶肌肉，可以在传导途径上和相应的靶肌群上收集记录。根据收集部位的不同MEP主要有三类，包括肌肉MEPs，脊髓MEPs和神经元MEPs。目前主要监测的对象为肌肉MEPs和脊髓MEPs。经颅刺激产生的D波(直接波)可在脊髓上直接收集，被认为是脊髓MEPs。在肌肉上收集的MEPs由D波(直接波)和I波(间接波)共同组成。D波起源于快传导锥体束神经元的近端轴索，I波起源在兴奋性中间神经元，是电刺激的间接作用结果。

2 经颅电刺激运动诱发电位(transcranial electrical stimulation MEPs，TES-MEPs)

2.1 历史

Penfield and Boldrey等人早在1937年就发现，直接对暴露的大脑运动皮层进行频率在50～60 Hz间的一串电刺激可以触发面部肌肉及肢体的活动。这一技术在过去被广泛应用于神经外科手术中，因为需要开颅刺激，并且应用这种方法癫痫的发生率高达30%，这一方法没有在脊髓的运动传导束监测中广泛开展［11］。1984年，Levy等［12］描述将一个面积为3 cm×5 cm的电极板置于运动区头皮上作阳极，硬颚为阴极，施加时程为50 μs～10 ms，频率为5～25 Hz，强度为20～40 mA的双相恒流脉冲电流，在麻醉状态下可以诱发出动作电位。

2.2 操作简介

目前常见的刺激电极有三种类型:①表面电极，通过火棉胶将脑电图用地杯状电极黏合在头皮上;②脑电图针样电极;③形似拔塞螺钻的针形电极(CSelectrode， NicoletBiomedical， Madison，WI)，拔塞螺钻针样电极因为电阻抗较低，是TES的理想选择。但是婴儿由于前囟未闭，有可能穿透前囟，所以对于婴儿，推荐使用EEG杯形表面电极。

关于电极放置的位置存在争议。对于经颅电刺激的电极位置也存在争议。Szelenyi等对TES电极位置对电位诱发的影响进行了研究［13］。根据国际EEG10-20系统，电极通常选择的位置有六个(C1，C2，Cz［或Cz后方1 cm］，C3，C4，和Cz前方6 cm)。合理的位置选择和组合可以提高效率。例如，当电极的组合为Cz(+)和Cz前6 cm点(-)时，通常可以在术中仅仅诱发下肢的活动，避免其他部位肌肉运动影响手术［14］。当然也有学者选择C3(C4)对Cz或者C3对应C4的组合［15，16］。对于TES，正极电极是活动电极，放置的位置决定特定部位肌肉的运动电位。Burke等学者倾向应用C3(+)或C4(+)对应Cz(-)来诱发上肢运动电位，Cz(+)对应C3(-)或C4(-)来进行下肢的刺激。这种选择性的诱发只需要低强度的刺激就够了。当经颅刺激达到一定强度时，负极和正极同时都可以成为刺激电极，他们之间的电流便刺激大脑内的皮质脊髓通路活化了下行纤维［17］。Ubags等还提出应用圆周样结构的阴极可以引起MEPs波幅的明显升高［18］。

刺激参数:①单脉冲技术:20世纪80年代，Merton在清醒的患者颅骨上应用单个电刺激获得了运动电位［9］，后来他对麻醉后的患者采用这种单脉冲电刺激，未能成功获得MEPs，这可能是由于麻醉抑制了整个脊髓包括α运动神经元池的活性，由大脑皮质产生下行复合波的过程因此受到破坏。由于单个脉冲刺激技术仅仅在部分患者处于浅麻醉或全静脉麻醉时可以引出MEPs，这一技术被逐渐弃用［19，20］。②多脉冲刺激技术:在颅外应用5～7个连续脉冲，α运动神经元可以接受到多个下行传导电位，获得足够的能量达到阈值，产生肌肉MEPs［20，21］。更进一步的研究是，对于麻醉后的患者，头皮应用3个或以上的串刺激(连续脉冲刺激)才能诱发出I波［23］。推测多脉冲连续刺激提高MEPs引出的作用机制有:波数量增加，全部激活的神经元数量增加，临时的募集效应，空间募集效应;产生了叠加效应，提高了引出率［18］。串刺激被推荐应用于麻醉患者，可是关于串刺激的具体参数(串刺激个数，单个刺激的时长，单个刺激间的间隔，串刺激间的重复频率)也未达成统一。Bartley［24］、Novak［25］、Deletis［26］等分别对这些参数进行相关研究，目前的研究认为有效的刺激持续时间为0．5ms，因为这种较长持续时间的刺激可以促进这些连续的D波波幅恢复的更快;刺激间隔根据刺激强度而定，强度越强，间隔越短;推荐的刺激间隔为4 ms。串刺激的重复率是一个很重要的变量，目前的发现是重复率越高，MEP波幅越大。大多数MEP相关研究采用的脉冲诱发电压仪器均为恒压刺激仪［15，16，19］。

MEPs信号的接收:通过放置在被监测脊髓节段远端的脊髓硬膜上或硬膜下的针样电极可以取得D波，肌肉MEPs则可以通过将脑电图针样电极埋入相应的肌肉进行采集。拇短展肌和第一跖骨肌可以做为采集上肢信号的靶肌肉［27］，对于下肢有人采用拇展肌［28］，也有人应用胫前肌。但是，增加肌肉监测的数量并不能带来更多的益处。

2.3 MEP信号在脊柱手术中的记录和意义

理论上在脊硬膜外或硬膜下可以收集D波和I波，单一D波反映皮质脊髓束快传导纤维的同步化活动，是皮质锥体细胞轴突的近端部分的直接受到刺激的结果，其波幅反映了每一个纤维传导冲动的幅度、传导纤维的数量以及它们放电的同步化程度［6］，I波部分反映了皮质脊髓束的神经元总体的反应程度，常容易受到抑制，不易测出。D波的正常波动范围通常在10%之内［29］。D波变化超过20%的曾被认为是一个警示［30］。近年的研究认为，在脊柱脊髓手术中，D波降幅超过50%有意义［31］。D波在应用上也有其局限性，由于D波极端的非同步性，可能在手术一开始无法获取;术前瘫痪的患者，无法在瘫痪节段以远处收集到D波;D波不适合用于T10-11尾端，因为这一区域皮质脊髓束(corticalspinal tract，CT)快轴突数量不足，无法产生足够大的D波波幅达到监测目的;收集D波需要暴露硬膜，对于部分脊柱矫形手术，增加了风险。Tamaki等［32］术前在硬膜下放置细针样电极，根据他们的报道，并无感染或是出血等并发症;当然如果遇到脊髓腔内内的粘连，收集电极放置难度则更大。此外，近期的一项研究认为，D波监测应用在脊柱矫形手术中假阳性率和假阴性率均很高。研究中发现93例患者中4例D波下降，21例D波上升，然而，MEPs和SEPs并未出现并行的改变。因此，研究者认为，应用D波双极记录作为评价CT功能完整性的手段值得商榷［33］。

肌肉MEP信号又称复合MEPs(compound MEP，CMEPs)，在靶肌肉上收集。CMEPs较D波成分复杂，D波尽管反映了皮质脊髓束的功能，但不能监测脊髓前角灰质的信号传播，因此有学者认为，肌源性记录可以较好的预测脊髓损伤［15］。CMEPs作为一种复合波，波形的改变一度被认为是术中脊髓情况变化的一项指标，2005年Quinones-Hinojosa等［34］的研究报道，参与研究的8名患者，术中波形由多重波变为双重波，但是术后肌力均为正常。这一研究支持了很多之前的推测［35，36］。目前CMEPs的监测指标是其波幅的变化、潜伏期或仅仅是有或无。CMEPs因为操作较为简单，广泛开展。但是单纯的CMEPs也不能完全反应脊髓的运动情况。在 Deletis［37］和 Sala［40］的研究中，在近 100例的髓内手术患者，术毕D波降至50%，CMEPs完全丧失时，也仅仅出现一过性的瘫痪。有学者认为手术过程中，CMEPs的下降可能缘于诱发电阈值的提高。尤其在进行髓内手术时，精细操作，如果不损伤皮质脊髓束(CT)的快速轴突则不会导致D波的明显丧失。术后D波保留，至少是原波幅的50%是CT快运动神经元未损害的保证，关系到患者自主运动是否保留［38］。患者在脊柱手术中D波丧失，可能预示永久性瘫痪［39］。

在临床应用中常常需要将两种记录方式联合起来。没有或无法D波监测，需要极为小心的进行MEP监测，50%以上的降幅就需要报警。

2.4 术中运动诱发电位变化的因素和纠正措施

手术中对脊髓的物理或化学损伤是影响术中运动诱发电位变化的根本原因，这些损伤可以具体表现为对脊髓的牵拉、触碰、扭转或是对脊髓血供的影响，这种损伤可以是一过性的，也可能是毁灭性的。

手术终止不是运动诱发电位在术中发生变化后唯一的选择，除了怀疑脊髓已经发生不可逆的损伤，还可以做很多调整的措施。很多研究报道，暂时停止手术一段时间MEP信号可能恢复，局部组织短暂缺氧后耐受可能是原因之一［40］。用温水冲洗手术区域也可以促进信号的恢复，低体温和由于局部细胞膜创伤引起K+离子堆积都可能是对这一现象的原因［41，42］。Seyal、Sloan 等均报道低血压和MEP信号降低有相关性，使用少量的血管升压药可以促进MEP信号的恢复，这一现象也许和脊髓局部的灌注相关［43，44］。

2.5 TES运动诱发电位的安全性

关于TES运动诱发电位的安全性，报道过的副反应主要有唇舌咬伤、下颌骨骨折、癫痫、心律失常、头皮烧伤。所以术前通常需要在舌、唇间放上垫片保护。

是否可以对曾经出现过癫痫的患者应用TES技术目前还在争论。需要根据利弊权衡，因人而异［45］。目前相关的研究提示，至少对于神经外科的幕上手术，术前有无癫痫的患者采用TES后癫痫发生率无差异。

TES相对禁忌包括癫痫、颅骨缺损、颅内压升高、心脏病、体内有起搏器或者其他生物内植入物［46］。之前认为，当患者有严重运动神经系统病变时，不适合采用肌肉MEPs，因为这类肌肉MEPS可能无法诱发。DiCindio等［47］报道，甚至当出现脑瘫时，肌肉MEPs可以引出。

3 经颅磁刺激动作诱发电位的应用

经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，TMS)，是通过时变磁场作用于大脑皮质产生感应电流改变皮质神经细胞的动作电位，从而影响脑代谢和神经电活动。TMS刺激皮质运动区或传出通路，在刺激点远端的传出途径或靶肌肉可以记录到动作诱发电位［48］。TMS刺激脉冲电流有单相、双相及减弱的正弦波脉冲3种。磁刺激通过感应电流作用于大脑皮层运动区，通过突触间的连接间接兴奋白质内的皮质脊髓神经元轴索，引起I波下传［49，50］。

因为定位线圈所产生的电流方向与锥体细胞起源部分不相垂直，TMS硬脊膜外记录的MEP以I波主导，TMS不太适合记录D波。同时I波的差异及I波对挥发性麻醉药物的高度敏感使TMS不适合用于术中监测。

但是由于TMS无痛、无创方面的优势，仍然有学者致力于将TMS应用于脊柱手术的术中监测中。2010年谢红雯等使用依托咪酯+芬太尼技术麻醉的26例患者，MEP均记录良好，成功记录MEP的患者中有6例(23%)因为术中MEP波幅下降超过50%而向术者发出报警［51］。

TES与TMS相比较，仪器体积小、价格便宜，由于刺激通过固定在头皮上的电极来施行，可以产生稳定的刺激。TCE-MEPs对麻醉药不敏感，在术中监测时反应波波幅大、潜伏期短、引出率高、重复性好、参量变异小，更适合应用在手术中对运动通路系统进行监测。

4 体感诱发电位SEPs对脊柱手术中对运动传导束功能监测的意义

通过头皮或脊髓获取SEP是用来监测脊髓背侧柱功能的经典方法。在MEP前，SEPs是术中脊髓监护的常规手段。对于弥漫的脊髓损伤，SEPs监护可以间接提示脊髓外侧束的损害。以脊柱矫形为例，由于矫形中对神经和血管的牵拉，可能同时影响运动和感觉通路。Nuwer等的大宗报告发现仅有0．063%患者在保留术后SEPs情况下出现了永久的脊髓损害(假阴性)，假阳性率为0．983%。这提示，SEPs对监测患者脊髓的运动传导通路也是有价值的。但是不足以监测所有脊髓长传导通路［52］。

5 通过监测H反射波来预测脊髓节段运动功能

H反射是路经单一突触的脊椎反射，涉及一个传入感觉神经和一个传出α运动神经元。通过记录H反射弧波幅可以间接了解运动传导通路。在动物试验中已经发现脊髓的急性横断或冷却，会导致α运动神经元超极化［53］。当运动通路损伤后，超极化的运动神经元会导致反射振幅明显下降。

在一项31例患者的研究中发现，当麻醉条件为70%的NO，和1．37%的异氟烷，通过在膝后胫神经上进行刺激可以在比目鱼肌上获得H反射波。研究中发现4例患者在术中出现波幅中度或一过性下降，没有出现术后神经系统损害，2例患者在整个手术过程中H反射波幅下降超过90%，术后患者出现瘫痪［53］。相反，在另一项更大样本量的研究中(n=129)，3．9%的患者术后出现运动功能损伤，术中H反射波却无改变。因为H波反映的是节段脊髓反射弧上的结构完整性，通过监测H反射波来预测运动传导束损害的可靠性值得怀疑［54］。

6 运动传导束监测的前沿研究

利用MEP进行术中脊髓功能区识别、绘图在近年已经被报道、应用。神经外科手术应用较多，通过在脊髓中对脊髓皮质脊髓束的识别、定位可以避开皮质脊髓束进行脊髓内肿瘤的切除［55］。也有研究者应用自由肌电图在脊髓内肿瘤手术中监测皮质脊髓束的传导功能，但是由于病例数太少，这一应用还有待进一步研究［56］。

总之，术中运动传导束的电生理监测应用已有20余年，可以提示患者目前的脊髓运动功能情况，影响手术的进程，预测术后效果，在脊柱脊髓手术中已经成为外科医生的重要辅助工具。

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