计算机化神经认知评估工具预测老年患者早期术后认知功能障碍的价值

汤昕宇,杨立状,张慕春,黄孝慈,邵艳梅,杨梦思,胡宪文

0 引 言

术后认知功能障碍(postoperative cognitive dysfunction, POCD)是手术麻醉后常见的中枢神经系统并发症,其主要症状表现为患者在手术麻醉后出现学习、记忆力、情感、判断力等下降［1-2］。术后认知功能障碍是老年患者术后常见的并发症,发生率为20%～45%［3-4］;并可带来术后并发症增多、住院时间延长、经济负担加重和死亡率增加等不良影响［5］。海马体是学习和记忆的关键结构,容易受到健康老龄化、阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症、神经系统疾病的影响［6-7］。计算机化神经认知评估工具是一种改进的物体识别记忆任务,对海马体模式分离过程提出了很高的要求,从而对海马体功能高度敏感［6］。因此,可以通过计算机软件来评估海马区功能障碍的行为影响,从而预测和筛查POCD的发生。本研究旨在利用计算机化神经认知评估工具进行术后认知功能障碍的预测和筛查,并与传统神经心理学量表进行比较,为早期诊断术后认知功能障碍提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料选择2021年7月至2022年7月安徽医科大学第二附属医院骨科择期行初次单测髋关节置换的患者。纳入标准:①性别不限,年龄65～85岁;②ASA分级Ⅰ～Ⅲ级;③无肝肾功能障碍;④可正确理解简易智力量表(mini-mental state examination, MMSE)的内容,术前 MMSE 评分>24分(初中及以上学历),>20分(小学学历),>17分(文盲)。排除标准:①中枢神经系统疾病;②入院前半年内有服用镇静剂、抗抑郁药物等精神类药物;③严重器官功能障碍;④严重脑血管、脑代谢疾病、痴呆病史等;⑤长期饮酒的酗酒者;⑥严重的视力、听力障碍或因其他原因与访视者无法交流者。按上述条件研究最终纳入70例患者,并根据患者术后是否发生POCD将患者分为POCD组和非POCD组。本研究已经通过安徽医科大学第二附属医院伦理委员会批准［伦理审批号:YX2021-045(F1) ］,完成中国临床试验注册中心注册(注册号:ChiCTR2100052607),并与患者签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1 麻醉方法患者术前常规禁食禁饮,均不使用术前药物。入手术室后,开放外周静脉通路,行桡动脉穿刺置管和髂筋膜阻滞(0.25%罗哌卡因4 0mL)。连接心电监护,连续监测心电图(ECG)、有创动脉血压(IABP)、脉搏血氧饱和度(SpO2)、脑电双频指数(BIS)、呼气末二氧化碳分压(PETCO2)。麻醉诱导采用咪达唑仑 0.03mg/kg,舒芬太尼 0.5 μg/kg,依托咪酯0.2mg/kg,顺式阿曲库铵0.2 mg/kg ,面罩给氧 5 min 后置入喉罩,确认无漏气后连接麻醉机行机械通气,潮气量(VT)8 mL/kg,呼吸频率(RR)10～15次/min,吸呼比(I∶E)1∶2,吸入氧浓度60%～70%,并随时根据呼气末CO2分压(PETCO2)调节麻醉机呼吸参数,维持PETCO2在35～45 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。麻醉维持采用丙泊酚4～8mg/(kg·h),瑞芬太尼0.1～0.3 μg/(kg·min),顺苯磺阿曲库铵0.1～0.2 mg/(kg·min)静脉持续输注,吸入七氟醚0.4～0.6 MAC,维持BIS 45-60,术中维持血压、心率波动范围在基础值±20%,必要时给予血管活性药物或予以输血。手术全程采用保温毯保温维持在38 ℃,同时采取输液加温装置。术毕,待患者有自主呼吸后给予阿托品0.5mg与新斯的明1 mg拮抗残余肌松作用;待患者达到常规拔管指征后拔除气管导管,送至麻醉恢复室,给予鼻导管吸入氧气并监护生命体征。患者均进行静脉自控镇痛(PCIA):舒芬太尼2.5 μg/kg+格拉司琼3 mg稀释至100 mL,负荷剂量2 mL,维持剂量2 mL/h,单次给药剂量0.8 mL,PCIA锁定时间15 min,持续镇痛48 h。以上麻醉过程均由同一位操作熟练的麻醉医师完成。

1.2.2认知功能评定于术前1 d和术后1周进行神经心理学测试和计算机化测试。神经心理学的测试内容包括MMSE、修订韦氏记忆量表和连线测试。其中修订韦氏记忆量表的测试项目包括个人经历、时空定向、数字顺序(顺序、逆序)、视觉再认、图片回忆、数字广度。计算机化神经认知评估工具由中科院合肥研究院医学物理与技术中心提供,主要包括诱饵辨别指数(Lure Discrimination Index, LDI)和识别记忆分数(Recognition Index, REC)。神经心理学测试和计算机化测试分别由2位经过专业的认知功能评定训练的人员实施,且对受试者的病情和对方的测试结果不知情。所有测试均在专门的房间进行,若受试者不方便移动,则在测试时保持病房安静。所有测试项目均存在难度相当的并行版本,每次由受试者随机抽取。

1.2.3POCD诊断标准采用ISPOCD研究协作组推荐的综合评分法,即“Z计分法”［2］。为排除神经心理学测试的假阳性率,本研究收集了20例社区健康老年人,并由相同评定人员测试出健康老年人群间隔相同时间内每项测试的差值μ及标准差δ,将每位患者术前术后每个测试项目的差值x减去健康老年人群的对应测试项目的差值μ,再与健康老年人群的平均标准差δ相除得出每个单项测试的Z值,即公式:Z=(x-μ)/δ。总Z分值≥1.96或两项以上|Z|≥1.96,则定义该患者发生POCD。

2 结 果

本研究初始纳入80例患者,其中6例患者术后拒绝行计算机化测试,4例患者发生术后恶心呕吐等并发症无法配合完成认知功能测试,最终纳入70例患者进行分析。全髋关节置换手术老年患者早期POCD的发生率为23%。

2.1基线资料比较两组患者性别、年龄、体重指数、文化程度、术前MMSE评分和手术时间差异均无统计学意义(P>0.05),见表1。

表 1 入组患者基线资料的比较

2.2认知功能的组内比较在计算机化神经认知评估测试中,与术前相比,两组术后LDI和REC均明显降低(P<0.05);在MMSE测试中,与术前相比,POCD组术后得分明显降低(P<0.05),非POCD组的差异无统计学意义(P>0.05)。在修订韦氏记忆量表中,与术前相比,非POCD组中术后时空定向的得分和数字顺序-逆序的得分明显降低(P<0.05),POCD组中术后数字顺序-顺序、数字顺序-逆序、视觉再认、图片回忆和数字广度的得分均明显降低(P<0.05)。在连线测验中,与术前相比,POCD组术后的用时明显增多(P<0.05),非POCD组的用时未见明显变化(P>0.05)。

2.3认知功能的组间比较在计算机化神经认知评估测试中,POCD组术前术后LDI均明显低于非POCD组(P<0.05),POCD组术后REC明显低于非POCD组(P<0.05)。在MMSE测试中,POCD组术后得分明显低于非POCD组术后得分(P<0.05)。在修订韦氏记忆量表中,POCD组术前术后的数字顺序-逆序、视觉再认、图片回忆和数字广度的得分均明显低于非POCD组(P<0.05),POCD组术后的数字顺序-顺序得分明显低于非POCD组(P<0.05)。

2.4诊断效能POCD组术前计算机化神经认知评估工具诊断的准确率为67.2%,截断值为0.156 7,敏感度为87.5%,特异度为44.4%,约登指数为0.319;POCD组术后计算机化神经认知评估工具诊断的准确率为69.8%,截断值为0.091 7,敏感度为81.3%,特异度为59.3%,约登指数为0.406。见图1。

图 1 POCD组术前术后计算机化测试中LDI的ROC曲线

3 讨 论

目前,我国60岁及以上老年人口超过2.3亿,占总人口的16.7%,已经进入老龄化社会,成为社会经济发展的新挑战。髋关节置换术是老年患者常见的骨科手术,POCD的发生率总体为20%～45%［3］。鉴于POCD对老年患者术后健康及生活质量的不良影响,我们应重视预防其发生和进行早期识别,进而采取临床干预治疗。

然而,目前临床上缺乏特异性的术后认知功能障碍的诊断方法,其主要依靠神经心理学量表进行诊断［8］。不同的神经心理学量表有不同的适用范围和侧重方向,但大多都涉及文字的辨认和书写,一定程度上和受试者的文化程度有关,评估繁杂,费时费力。利用计算机软件进行认知功能评价是近年来新出现的方法,它能减少测试者的主观判断对测试结果的影响,而且对于受试者来说更加简洁直观,测量内容多图形而少文字,所以对文化程度较低者同样适用。同时,计算机软件测试操作简单易行,临床适用性强。

现有的计算机化认知测试工具,其原理多为将传统神经心理学量表测试的认知领域通过编码设计转化为计算机测试程序。CogState量表是一套CogState公司研发的计算机化认知测试工具,覆盖 7 个认知领域,包括注意力、加工速度、记忆、工作记忆、执行功能、错误监管、社会认知［9］。CogState量表具有学习效应小、文化兼容性强、覆盖认知功能领域广泛的特点,在包括精神分裂症、成瘾、注意力缺陷多动障碍等多个精神障碍中运用,具有良好的临床适用性［10-11］。CAB(Cognitive Assessment Battery)是一种严肃的以游戏为形式的评估组合,它由针对以下认知领域的测试组成:速度和注意力、学习和情景记忆、视觉空间功能、语言和执行功能［12］。CAB可以作为MMSE的辅助工具,也可以作为轻度认知障碍的筛查工具,具有良好的特异性和敏感性。此外,CAB的优势之一是它提供了一个分数分布,表明哪些认知区域受损。 Doniger等［13］对NeuroTrax计算机化测试进行了验证。该测试被证实可通过评估记忆、执行功能、空间视觉感知、语言功能、信息处理和运动技能来检测轻度认知障碍。

中科院合肥研究院医学物理与技术中心提供的计算机化神经认知评估工具则通过基于海马体使用模式分离进行快速联想学习和记忆的计算机理论评估海马体功能。海马体等内侧颞叶的结构不仅关键性地参与了日常事务的记忆,而且是与年龄相关的记忆衰退、阿尔茨海默病(AD)的关键部位,甚至在早期阶段就有可能区分典型的衰老和AD［14-15］。测试过程由2个阶段组成,分别为编码阶段和测试阶段。在第一阶段,受试者需要对图片上的日常物品经常出现在“室内”或“室外”进行判断。在完成这项编码任务之后,受试者将立即开始识别记忆测试。在该测试中,他们必须将每张图片识别为“旧的”、“相似的”或“新的”。测试阶段中1/3的图片是编码阶段中呈现的图像的精确重复,1/3的图片是之前未见过的新图像,1/3的图片在感知上与编码阶段看到的图像相似,但不完全相同,即为“诱饵”。测试者特别关注受试者对这些诱饵试验的反应,以及受试者正确地将它们识别为“相似”的比率,避免将它们识别为“旧”的倾向［6］。通常,评估诱饵辨别性能的方法是通过计算对诱饵项目做出“相似”反应的概率减去对新图像给予“相似”反应的概率,两者之差即为LDI。LDI反映的是记忆编码事件丰富细节的能力,LDI的表现严重依赖于受试者大脑海马体功能的完整性［16］。正确识别“旧的”图片的概率减去将“新的”图片错误识别为旧的概率,两者之差即为识别记忆分数REC。REC主要用于评估重复项目的识别记忆。

本研究显示,计算机化测试中术后LDI和REC相比于术前均有显著性下降, POCD组术前术后LDI均明显低于非POCD组,POCD组术后REC明显低于非POCD组。这表明患者在术后短期内对物体细节的记忆能力和识别能力下降,且POCD患者记忆能力和识别能力的下降更显著。研究表明,海马体在记忆、导航和认知方面起着至关重要的作用,是情景记忆所必须的［17-18］。丘脑和海马体积的减少可能与POCD有关［19］。蔡仁贤等［20］在静息态功能磁共振下运用分数低频振幅( fraction amplitude of low frequency fluctuation,fALFF) 方法观察老年POCD患者大脑自发功能活动的变化,结果发现与对照组比较,POCD 组患者左侧海马fALFF值显著降低,大脑自发功能活动降低。DU等［21］研究发现POCD患者大脑右侧颞上叶、右侧和左侧扣带回中部、右侧海马和海马旁回的脑血流也均显著降低。由此可见,POCD患者的海马体形态和功能都会发生改变,可表现为记忆和认知方面出现异常,因此可以根据计算机化神经认知评估工具中LDI的变化预测和筛查POCD的发生。

本研究采用的神经心理学测试方法包括MMSE、修订韦氏记忆量表和连线测试,可以较客观地反映人脑认知功能。MMSE测试内容包括定向、记忆、语言、计算和注意力等方面认知功能,是目前应用最广泛的简短认知测试［22］,也是临床试验中最常用的痴呆筛查、认知分级和终点结局的评估工具［23］。一项荟萃分析纳入102项关于MMSE的研究,受试者来自30个不同国家,其结果表明MMSE对痴呆具有较好的诊断性能,敏感度为0.81(95%CI:0.78～0.84),特异度为0.89(95%CI:0.87～0.91),ROC显示诊断优势比为35.4,曲线下面积(AUC)为92%(95%CI:0.90～0.94)［24］。修订韦氏记忆量表可反映记忆力、注意力、计算力等方面,测试内容包括长时记忆测验、短时记忆测验和瞬时记忆测验三大类。连线测试(TMT)包括A、B 2个子表,TMT-A主要测试“视空间能力”和“书写运动速度”,TMT-B主要测试“处理速度”和“认知灵活度”。连线测试对大脑损伤敏感,有助于检测皮质下或额叶损伤［25-26］。

计算机化神经认知评估工具已被用于识别与健康老龄化、痴呆症、精神分裂症、抑郁症和其他临床疾病相关的海马区功能障碍［27］。计算机化神经认知评估工具的敏感性和可靠性使其成为跟踪疾病进展或下降的极其宝贵的工具［6］。然而,计算机化神经认知评估工具在POCD的预测和筛查方面却鲜有应用。本研究发现,POCD组术前术后LDI均明显低于非POCD组;以术前计算机化神经认知评估工具中LDI的值预测发生POCD的准确率为67.2%,敏感度为87.5%,特异度为44.4%;以术后计算机化神经认知评估工具中LDI的值诊断POCD的准确率为69.8%,敏感度为81.3%,特异度为59.3%。计算机化神经认知评估工具测试的特异度相对较差,同时我们的实验具体实施中有一定的局限性:一是计算机化神经认知评估工具中采用的图片多选自国外的测试资料,部分图片中的物品中国老年患者从未见过,没有针对中国老年人群进行修定;二是实验设计的样本量有限,缺少多中心大样本量的测试结果和重测信度的分析。因此,计算机化神经认知评估工具可作为POCD的预测和筛查工具,但是计算机化神经认知评估工具能否成为POCD可靠的诊断工具尚需进一步大样本量的临床研究证实。

综上所述,计算机化神经认知评估工具用于髋关节置换术后认知功能障碍的预测和筛查,可提供较为及时准确的信息,为围术期精准干预和预防术后认知功能障碍提供参考。