近红外光谱技术在急危重症患者中的研究进展

贾爱庆，刘志

(中国医科大学附属第一医院急诊科，沈阳110001)

近红外光谱(near infrared spectroscopy，NIRS)是指波长在700～900 nm(也有学者提出为650～1 000 nm[1])内的红外线，其可以穿入体内数毫米，也能穿透人体深层组织[2]，监测人体组织的血氧变化。由于NIRS主要监测直径<1 mm的血管内氧含量变化(>1 mm的血管容易完全吸收NIRS信号)，常用来评估局部组织的微循环改变[3]。NIRS使用便捷且能够准确、迅速地获得检查结果，因此临床更适用于休克及心搏骤停等急危重症患者的指标监测，通过及时的获得医学参数，指导临床合理治疗，进而提高急危重症患者的生存率。NIRS具有无创、无X线辐射、使用及携带方便、可床头使用且可以连续监测的特点，在不能耐受辐射性检查的孕妇、依从性差的婴幼儿、不易搬运的危重患者的临床诊疗过程中发挥重要作用。目前NIRS在监测危重症患者的组织器官微循环血氧饱和度方面明显优于常规血流动力学检查。随着科技的进步，NIRS输出结果更加具体、清晰，也为急危重症患者的治疗提供了新思路。现就NIRS在急诊危重症患者中研究进展予以综述。

1 NIRS的概述

1.1NIRS的原理 人体内的发色团(血红蛋白、肌红蛋白和细胞色素氧化酶)是NIRS的主要接受物质，由于人体肌肉中细胞色素氧化酶的浓度不到血红蛋白和肌红蛋白总浓度的5%[4]，NIRS信号主要代表肌红蛋白及血红蛋白的含氧量变化。研究发现，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对NIRS的光谱吸收具有差异性[5]。目前临床上NIRS的应用主要有连续波NIRS技术、时间或时域分辨NIRS技术、频域强度调制NIRS技术三种形式[2]。除连续波NIRS外，后两者通过将光波的吸收及散射特性结合进而构建NIRS的空间图像。临床上关于NIRS的应用可归纳为监测肌肉氧饱和度和脑部氧饱和度两方面。

1.2NIRS监测的注意事项 研究证实，NIRS在评估脊髓损伤、肌萎缩性侧索硬化和慢性心力衰竭等患者的肌肉含氧饱和度方面具有重要价值[6]。然而，NIRS的监测结果受多重因素干扰，如皮肤的黑色素含量、皮下脂肪的厚度，被监测肌肉的大小及监测部位是否存在大的血管等[2]。NIRS在精神疾病、帕金森病、休克等患者的脑氧饱和度监测发面也发挥重要作用[7]。但NIRS在监测脑氧饱和度时受患者肤色、性别及受侧区域动静脉血含量的影响，需要结合临床实际给予动态评价。

2 NIRS在成人急重症中的应用

2.1NIRS在休克中的应用 休克是一种十分危急的疾病，中心静脉血氧饱和度作为临床监测休克的金标准存在有创、缺乏连续性的缺点，在临床应用受到一定限制。而无创及连续的脉搏血氧饱和度也常用于休克的监测，但由于休克患者常出现手指外周血液灌注不良，其有效性值得商榷。Li等[8]通过用NIRS测量颈内静脉周围组织的血氧饱和度发现，NIRS所监测的数值与休克监测的金标准——中心静脉血氧饱和度有较强的相关性和高度的一致性，表明NIRS在监测微循环血氧饱和度方面较中心静脉血氧饱和度具有独特优势。感染性休克患者常伴随谵妄状态，Wood等[9]通过NIRS监测发现，感染性休克后谵妄患者的平均脑组织含氧饱和度显著降低，这对预防及治疗因休克引起的谵妄症状评估有重要参考价值。宋根红[10]通过NIRS测定脓毒症患者局部脑氧饱和度发现，中心静脉血氧饱和度水平与脓毒性休克重症患者不良预后高度相关，并指出脓毒性休克的重症患者可通过NIRS持续监测局部脑氧饱和度的方式来间接评估中心静脉血氧饱和度，进而动态评估患者的预后。目前临床医师大多通过宏观血流动力学指标进行重症休克的诊断，但忽视了对患者微循环的评估，这往往引起休克的误诊、误治。而早期休克患者虽然宏观血流动力学相对稳定，但微循环已经出现灌注不足，这使目前的监测方法难以发现，进而延误了最佳治疗时机。Filho等[11]研究发现，NIRS衍生的参数可以动态地评价患者的休克状态，其效果明显优于一些常规诊断休克的检查，如外周毛细血管再灌注时间、外周血管灌注指数、皮肤温度梯度及动脉乳酸含量等。随着NIRS的发展，人们能更方便、准确地获取休克患者微循环的改变，这可能是一种更合适的休克诊断方法。

2.2NIRS在心肺复苏中的应用 NIRS监测具有无创以及动态检测的特点，这使其成为心搏骤停期间的理想监测工具[12]。Al-Subu等[13]在猪的心室颤动停搏模型中，通过NIRS监测模型前额部及肾区的血流量，指出NIRS监测对于促进心脏复苏的成功具有重要作用。Storm等[14]通过NIRS监测心肺复苏患者的脑部氧饱和度，得到了与动物实验相同的结果，在心搏骤停发生前NIRS即能提示脑部氧饱和度明显降低的趋势。Lanks等[15]通过NIRS记录了1例年轻患者无脉电活动的全过程发现，在发生无脉电活动前15 min，患者大脑的氧饱和度已出现了降低。提示应用NIRS动态监测可以预防猝死的发生，为医师的早期干预并及时救治提供了支持。上述研究可能为预防心搏骤停的发生提供客观依据。Yagi等[16]研究发现，NIRS监测对于指导心肺复苏及评估心肺复苏的质量方面具有一定作用。Eichhorn等[17]通过设计呼吸暂停情况下潜水员模型模拟心肺复苏、喉痉挛、气道阻塞或不能通气、不能插管等急性致命情况下NIRS监测患者脑组织氧合评估的敏感性发现，与脉搏血氧饱和度监测相比，NIRS监测能更可靠地测量脑组织氧饱和度的动态变化，更真实地反映患者的组织灌注状态。提示通过NIRS监测心肺复苏患者的脑氧饱和度可能是一种新的手段。

迟海波和刘志[18]研究发现，组织氧饱和度的监测对有创机械通气患者撤机成功与否具有一定的指导意义。NIRS监测能够更好地反映严重创伤后器官功能障碍过程，为严重创伤后治疗手段的调整提供依据[19]。此外，NIRS对研究评价新的重症脑外伤治疗方案也具有重要临床价值[20]。NIRS可用于监测脑脓毒症患者脑内循环的改变，并且在预防脑梗死方面也发挥重要作用[21]。有学者利用NIRS监测在接受体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)治疗的重症脑外伤患者，发现94%～100%的脑神经损伤患者出现脑氧饱和度降低，且通过NIRS监测也发现即使患者的心脏电活动恢复，心脏开始收缩，但动脉血中并不一定含有足够的氧气，提示此时仍需要调整ECMO的泵速，尽可能维持足够的动脉血氧含量，表明NIRS对于指导合理的ECMO治疗起重要作用[22]。

3 NIRS在婴幼儿危重症疾病中的应用

目前，NIRS技术在婴儿及儿童危重疾病护理及监测方面发挥重要作用。新生儿缺氧缺血性脑病(neonatal hypoxic ischaemic encephalopathy,HIE)可引起神经系统发育障碍甚至死亡。在缺氧的最初几小时，由于人体自身调节作用，脑功能处于代偿期，临床上很难发现脑功能异常，但随着病情进展，脑功能失代偿期时，神经系统已出现了不可逆损伤，而临床常在此时才开始启动治疗，而作为诊断HIE的金标准，质子磁共振波谱测定常在出生1周后进行，可能延误早期的诊断及药物干预[23]。研究发现，NIRS可以测量血中含氧和脱氧血红蛋白以及细胞色素C氧化酶的变化[24]，在HIE的猪模型发病1 h后即可检测到脑血氧饱和度变化，这为HIE患儿的超早期治疗提供了可能[23]。

对于传统疗法无效的呼吸及循环衰竭新生儿，ECMO成为主要选择。随着医疗及手术技术的不断进步，经过ECMO治疗后患者的治愈率呈逐年上升趋势。但在ECMO治疗过程中患儿的近期及远期神经系统并发症发生率仍较高。在治疗过程中因脑血流动力学不稳定而引起的脑出血及脑栓塞的发病率仍居高不下。治愈后儿童脑室周围白质软化症、脑瘫、感音神经性听力损失及智力残疾[25]等并发症也是一直困扰临床医师的难题。此外，在ECMO治疗的早期阶段，临床医师只能通过体格检查判断患儿的神经系统缺损情况，但此时有些患儿因治疗需要不得不应用镇静剂，这常会误导临床医师的体格检查结论。在ECMO治疗早期阶段影像学检查很难发现病灶，加之需要搬动患儿，检查过程中患儿活动的伪影干扰、辐射大等使其准确诊断受到影响[26]。NIRS可在床边执行，便携式、连续性和无创性特点为早期的神经系统检测提供了可能。

研究发现在已经死亡及经过后期影像学检查发现严重脑缺血的婴儿中，NIRS能够较早地观测到脑内氧饱和度的降低，提示NIRS监测可以早期发现患儿神经系统病变[27]。NIRS能够检测超早产婴儿的脑氧饱和度，这对早期发现神经系统疾病具有重要意义[28-29]。脑氧饱和度<70%的重症患儿在入院后24 h内进行救生干预可以明显提高患儿生存率[30]。通过监测患儿脑氧饱和度，根据结果对重症患儿的ECMO泵速进行调节，保证脑组织合理的氧气供给，可以减少ECMO治疗的患儿神经系统并发症发生[26]。此外，高碳酸血症引起的脑内高灌注是脑室周围-脑室内出血的主要原因，而早期的NIRS监测对于该病的预防至关重要。NIRS监测可以降低患儿因低灌注导致的脑白质变性疾病发生率，有学者提出对于胎龄<30周的早产婴儿，在入院72 h内接受NIRS监测是必要的；对于呼吸不稳的婴儿，在产后72 h仍需要应用NIRS监测脑氧合；对于一些特殊类型的疾病，如进展性的出血性脑室扩张患儿，NIRS监测可以根据实际情况进行长期的评估[31]。

4 NIRS在孕妇重度子痫中的应用

孕妇作为一类特殊的人群，其检查主要以无辐射、无创伤为主。而NIRS因无创伤、无辐射、便捷的特点，被人们用于产科重症患者的诊断和治疗。通过NIRS监测孕妇大脑发现，重度先兆子痫产妇脑氧饱和度减少，可引起产妇神经系统功能障碍，给予重度子痫前期孕妇输注硫酸镁可以恢复脑氧饱和度[32]。近红外时间分辨光谱-20是一种近年来研发的新型近红外时间分辨光谱系统，Yamazaki等[33]将其用于重度子痫前期孕妇发现，即使患者外周血氧饱和度未见明显异常，但脑氧饱和度已发生改变，提示近红外时间分辨光谱-20在监测产妇疾病方面具有独特优势。也有研究提示，通过NIRS监测脑氧饱和度可以评估重度子痫前期大脑灌注情况，分析不同治疗方法的疗效，也可及时发现子痫孕妇相关的神经疾病并发症[28]。

5 新型NIRS技术在重症疾病中的应用

科学家们将NIRS与传感器组合，得到了改良型NIRS技术设备，如扩散光学层析成像技术(diffuse optical tomography,DOT)及弥散相关光谱技术(diffuse correlation spectroscopy,DCS)，这些设备可以对脑及其他重要器官的血液灌注进行定量监测[28-29]。DOT是一种监测器官或局部组织中氧合分布的三维成像，其根据光在体内传播的漫反射原理，结合被测试对象的不同光学特性，进而构建被测试对象的光学图像[28]。在诊断婴儿脑缺血方面，DOT的诊断价值与功能磁共振成像技术具有高度的一致性[34]。此外，DOT还可以动态观察患儿癫痫发作的脑内变化过程[35]，具有早期识别早产儿颅内出血的能力。DOT也可以通过后期数据处理去除检测者运动伪影，提示DOT较功能磁共振成像技术优势显著[28]。然而，目前DOT技术的一个典型缺陷为监测时患儿头部只能安装少量的信号源及探测器，不能对测试对象的头部进行密集采样(信号源-检测器间隔达到15 mm才可完成头部密集采样)，极大影响了诊断的准确性[34]。2016年，Chitnis等[36]发明了可以进行无线连接的新型DOT系统，这使监测不再受限于头部探测器安装的空间限制，使其在临床普及成为可能。

DCS是NIRS基础上的另一种新兴技术，可穿透到深层组织，通过记录微循环中红细胞的光强度，计算血流指数，进而测量深部组织微血管的血流变化[37]。DCS可以在临床上动态监测迷走性晕厥、阻塞性睡眠呼吸暂停低通气及缺血性脑卒中等患者的脑血流量变化[38]；也可以评价纤维肌痛和外周动脉疾病的骨骼肌血液灌注的影响情况[39]；另外对某些肿瘤(如乳腺癌)的诊断也具有重要价值。DCS因无创、便捷、准确等特点，已在猪的出血性休克模型中表现出重要的监测价值[40]。虽然DSC目前已经得到了临床医师的认可，但测量过程中出现的信噪比及监测深度也是影响DCS准确性的主要问题，有学者对此提出了DSC监测的“百叶窗”模式，这使得DSC监测结果更加可信。相信随着相关技术的发展，DCS在临床上会得到更广泛的认可。

6 结 语

NIRS具有便捷、准确、可以床旁操作并且能够连续监测患者疾病相关指标变化的优势，适合于一些急危重症患者的诊断和监测。NIRS对于一些潜在重症患者可以较普通检查更早地观察到异常，为临床早期干预提供依据。然而，NIRS仍存在许多不足：①全身各组织器官血氧饱和度数值尚无统一、明确的界定范围；②多数临床试验的样本数量较少且为单中心研究。因此，未来尚需进行大样本、多中心的随机对照试验研究，明确全身各组织器官氧饱和度发生功能性和器质性改变的临界值，明确组织氧饱和度变化幅度与各类缺血缺氧相关并发症的关系，使NIRS技术更准确地服务于临床工作。