近红外光谱技术监测局部脑氧饱和度在外科手术中的应用进展



近红外光谱技术监测局部脑氧饱和度在外科手术中的应用进展

黄昕，刘诗煜 综述，朱俊超*审校

(中国医科大学附属盛京医院 麻醉科，辽宁 沈阳110004)

近红外光谱技术(NIRS)是在70年代作为无创监测生物组织氧合而引进的一项技术[1]。目前应用近红外光谱技术测得的脑氧饱和度(rSO2)在临床应用比较广泛。这一技术起初是用来检测心脏手术患者的局部脑氧饱和度，近年来已经应用于各种手术。脑氧饱和度的测量可以准确评价脑的缺氧、缺血损伤导致脑氧供需失衡。研究表明，术中脑氧饱和度波动在基础值的10%-20%能够减少术后并发症的发生[2]。因此持续实时监测术中脑氧和度的变化可以指导临床麻醉术中用药，为临床治疗以及改善患者预后提供重要信息[3]。本文就近红外光谱技术基本原理以及脑氧饱和度在临床各种手术中的应用作以论述。

1近红外光谱技术基本原理

NIRS监测技术在1977年由Franz Jobsis首先提出[4]。这一技术是基于生物组织对近红外光谱(700-1 000 nm波长)的通透性以及对于发色基团包括血红蛋白，肌红蛋白，细胞色素aa3的不同的吸收光波来实现的持续无创监测活体组织的氧合作用。由于我们需要准确测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的这两个发色基团的含量。所以临床使用的NIRS选择了波长在700 nm和850 nm之间的近红外光波。因为通常波长在700-850 nm范围内时，可最大程度的区分氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量[5]，并且此时水和细胞色素对光的吸收与血红蛋白相比可忽略不计[6]。

在理想的状态下，在发光原和探测光原之间，发色基团的吸收作用是光衰减的唯一原因。在一定的光波范围内光的衰减可以通过Beer-Lamber Law 描述[7]。这一定律陈述光的衰减是直接与以下三个变量成正比：与发色光团的浓度、从光源到探测光源之间运行里程、以及发色光的比消光系数。在这个假设的状态下，发色光团的浓度可以用通过发色光相关的光源测定分离法和相关吸收系数的知识精确的计算出来。然而，光存在散射作用并且生物组织具有更复杂的状况。虽然发色基团的浓度与光的吸收明显相关，但是在大多数生物组织中包括成人的大脑，光的散射是衰减的主要原因。首先，不是所有的光都能到达探测器，因为有一些光从探测器散射开来，导致散射损失。其次，一些光到达探测器之前会散射很多次，因此光将会走行比实际光源探测到的距离更远的距离[8]。因此，由于光存在散射作用，临床用的NIRS使用改良后的比尔一郎伯定律对脑氧饱和度进行测定：A=log(I0/I)=a·c·DPF+G,其中A：光密度，I0：入射光强度，I：反射光强度，d：色基吸收系数，c：色基浓度，d：光穿过物质的路径长度，DPF：为波长系数，G：为测量的组织类型和几何学系统。根据HbO2和Hb相对若干个波长吸收的结果可以计算出他们的相对浓度。HbO2saturation=[HbO2]/([Hb]+[HbO2])该血红蛋白氧饱和度代表探测区脑内HbO2和总血红蛋白之比[9]。由于大脑组织中存在大量动静脉血管，而静脉比率约为75%，动脉约为20%，毛细血管约为5%：因此，我们测到的局部脑氧饱和度主要反应静脉部分。由于NIRS监测脑氧饱和度技术具有简单，灵敏，无创，能够实时监测脑氧的变化等优点，目前术中监测脑氧饱和度越来越受临床工作者的欢迎，并且得以广泛应用。

2脑氧饱和度的监测在心脏外科手术中的应用

研究显示在心肺转流术，瓣膜手术，或者主动脉弓修复术中，监测局部脑氧饱和度可以被用来提示动静脉插管的对位是否准确，有助于于术中及时调整与矫正[10,11]。另外还有研究显示在心脏外科手术中脑氧饱和度的下降还与中风，以及术后Ⅰ型或Ⅱ型神经神经受损有关[12]。Edmonds[13]报道了一个用脑氧饱和度监测322例患者进行冠状动脉旁路移植术的回顾性研究。在这篇文章中，42%的患者发生过脑氧饱和度的下降超过基线值的20%。其结果显示Ⅰ型和Ⅱ型神经损伤的发生率与脑氧饱和度下降有关。发生神经损伤的患者的术中最低脑氧饱和度要比没有发生神经损伤的患者低。Roach等[14]也证明了这一观点。另有很多研究显示，脑氧饱和度的急性下降与术后认知功能障碍有关。Nollert等[15]和Yao等[16]发现低脑氧饱和度与术后认知功能评分具有相关性。虽然多数研究发现低脑氧饱和度与术后认知功能障碍的发生率有相关性，也有学者提出相反的观点，如Negargar等[17]通过研究冠状动脉搭桥手术对进行心肺转流术以及非心肺转流术，发现脑氧饱和度的测定并不能准确的预测术后认知功能障碍的发生率。Hong等[18]也在心脏瓣膜手术中发现脑氧饱和度与POCD的发生并没有相关性。因此在心脏手术中脑氧饱和度的数值与POCD的发生是否具有相关性目前观点还不完全统一。

3脑氧饱和度的监测在非心脏外科手术中的应用

3.1胸外科手术中的应用

胸外科手术过程中经常会采用单肺通气，但是由于单肺通气时会产生肺内分流，所以氧合就会发生变化。Tobias等[19]在开胸手术或者胸腔镜手术中，观察到约有一半的患者呈现出术中至少一次脑氧饱和度在基线值的80%以下，并且Hemmerling、Kazan、Tang等[20-22]发现术中在单肺通气期间75%的患者脑氧饱和度降低至少20%。Tobias等[19]还在开胸手术中发现脑氧饱和度降低的危险因素包括年龄，体重，ASA分级在Ⅲ级以上的患者。并且进一步发现脑氧饱和度值小于65%的暴露时间与术后认知功能障碍的发生相关，这一研究是通过MMSE评分评估的认术前和术后认知功能障碍的发生，并且当评分比基线值减小2分记为POCD[22]。

3.2脑氧饱和度的监测在骨科手术中的应用

3.2.1肩关节手术

进行肩部手术的患者常常采用沙滩椅体位，这一体位由于具有脑缺血的风险，所以很可能会产生不利的神经系统症状。Murphy等[23]研究发现肩关节镜手术中，相比于侧卧位的体位，当患者取沙滩椅体位时脑氧饱和度就会下降，并且在沙滩椅体位中发生脑氧饱和度低于55%的患者例数较多。Fischer等[24-32]也同样发现了这一现象。另外Lee等[26]发现脑氧饱和度的降低与平均动脉压的降低是相伴随的，并且平均动脉压的升高能够升高脑氧饱和度。通过研究肩关节手术患者发现诸多因素能够影响脑氧饱和度，其中a1激动剂，去氧肾上腺素也能够增加平均动脉压进而增加脑氧饱和度[24]。Jeong等[28]通过对肩关节手术研究发现，吸入麻醉药与静脉麻醉药对脑氧饱和度会有不同影响影响。在沙滩椅体位的患者中行七氟醚麻醉比丙泊酚麻醉具有更高的颈内静脉氧饱和度和脑氧饱和度，并且脑氧饱和度和颈静脉氧饱和度具有相关性。作者得出结论是控制相同的BIS深度下，相比于丙泊酚，在沙滩椅体位患者中应用七氟醚是更好的选择。

3.2.2其他关节镜手术

Han等[33]进行了前瞻性的随机研究，来比较大型关节镜手术中在急性等容血液稀释下或者在急性等容稀释以及控制性降压的混合条件下脑氧饱和度的变化。研究发现大型关节镜手术(臀部手术)能够使脑氧饱和度相比于基线值的减少10%，通过应用艾司洛尔产生低血压后，也会使脑氧饱和度会变的更低。在髋骨骨折手术中Papadopoulos等[34]发现38%的患者中会出血脑氧饱和度小于50或者小于基线值的75%，并且Yoshitani[35]发现在髋骨骨折手术中，无论应用丙泊酚或者七氟醚都会使脑氧饱和度下降。

3.3脑氧饱和度的监测在泌尿外科手术中的应用

泌尿外科手术中，前列腺切除术常需要建立气腹并取头低脚高位，这就会使颅内压增加以及脑血流增加。Park等[36]研究报道，通过脑氧饱和度来评估在头低脚高位倾斜30度的条件下，建立气腹对氧合的影响。此研究发现在头低脚高位的状态下，建立气腹期间脑氧饱和度会增加。通过脑氧饱和度的增加可以说明脑的氧合也会轻度增加，提示在这种手术期间，此操作并不会增加脑缺血风险。此项研究显示患者头低脚高位进行前列腺切除术时脑氧饱和度会升高。另Kalmar[37]也在前列腺切除术中发现，术中采取40度的头低脚高位状态下，建立气腹，脑氧饱和度会升高的相似的结论。

3.4脑氧饱和度的监测在妇产科手术中的应用

Fassoulaki等[38]在妇产科采取全麻腹腔镜手术中研究了七氟醚和地氟醚在不同的麻醉深度下对于局部脑氧饱和度的影响，发现在控制相同的麻醉深度下BIS取40-50以及20-30时，七氟醚和地氟醚对脑氧饱和度数值差异不大，但当BIS在20-30之间，较深的麻醉状态下，这两种吸入麻醉药都可以增加脑氧饱和度数值。由于在妇产科手术中，腰硬联合阻滞麻醉应用范围很广，并且此种麻醉方式下，术中患者低血压很常见，Berlac等[39]应用了近红外光谱技术来探讨患者氧合状态是否与低血压相关，发现脑氧合减少5%就与低血压的形成相关。Kondo等[40]发现在采用腰硬联合阻滞麻醉的患者中，应用高比重的布比卡因，较等比重的布比卡因更能够减少氧合血红蛋白浓度。Lee[41]在妇产科腹腔镜手术中对24位女性患者研究发现，患者术中采取头低脚高位的脑氧饱和度会下降，并且发现术中脑氧饱和度减少到50%以下，术后会出现头痛。

3.5脑氧饱和度的监测在腹部手术中的应用

Green等[42]对行大型腹部手术的老年患者进行了一个有关脑氧饱和度变化的回顾性研究发现，一共46例患者中有11例患者术中脑氧饱和度降幅超过了20%，这其中六例患者脑氧的下降与术中出血密切相关。在这46例患者中，23例患者术中发生过脑氧饱和度最大降幅超过15%的情况。这一研究表明，脑氧饱和度的下降与失血量明显相关。尽管保证患者的收缩压在正常范围内，脑氧饱和度的下降似乎只能依靠输血来纠正。虽然脑氧饱和度的下降在大型手术中尤其是与失血相关的手术中是很常见的，但脑氧饱和度的下降可以通过输血得以纠正。大多数情况下，如果我们采用常规的监测手段，很难发现这一变化。由于术中监测脑氧饱和度是无创的，并且能够实时监测患者的脑血供状态，便于术中及时调整，因此在大型术中应用是很有必要的。

4脑氧饱和度的影响因素

脑氧饱和度受诸多因素影响其中包括年龄(患者年龄越大，脑氧饱和度越低)，血红蛋白浓度(Hb)，(Hb降低，脑氧饱和度降低)、动脉血氧饱和度、呼吸末二氧化碳浓度(EtCO2增高，高脑氧饱和度降低)[43]，另有学者研究发现与吸氧浓度等、动脉血pH、体温以及脉搏血氧饱和度等都会影响rSO2监测结果44。Kishi K等[45]研究发现脑氧饱和度与探头放置的位置、Andersen JD等[46]发现俯卧位时头颅旋转的角度，以及Moerman,A.T.等[47]研究发现患者手术时的沙滩椅体位等也会影响脑氧饱和度的数值。脑氧饱和度由于通过近红外光谱测得，所以脑氧饱和度还与光学路径长度相关的因素的影响[43]，如血红蛋白浓度，差分路径长度的因素，颅骨厚度(t-skull)，和模具的脑脊液层面积(a-csfl)等[45,48]，都会影响脑氧饱和度的数值。

综上所述，NIRS监测rSO2分析技术在外科手术中已经得以广泛应用，能够实时、准确、无创地反映脑组织的氧合情况及脑血流动力学的变化，为预防围术期脑缺血等不良事件提供有力的监测保障；对于降低术后并发症以及缩短术后住院时间也起着至关重要的作用。因此，NIRS监测rSO2分析技术的临床应用具有广泛前景。

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(收稿日期：2015-03-20)

作者简介：黄昕(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：脑氧饱和度在全麻中监测的应用。

文章编号：1007-4287(2016)02-0346-04

*通讯作者