近红外光谱技术在心肺复苏中的应用进展

彭 祥，李湘民

中南大学湘雅医院急诊科，长沙 410008

心脏骤停是指各种原因导致的心脏机械活动停止。随着社会的快节奏发展，心脏骤停已成为世界范围内的重大公共卫生问题[1]。尽管近年来心脏骤停的救治水平显著提高，但受大脑严重缺血缺氧和缺血再灌注损伤等的影响，心脏骤停患者的生存和神经系统功能恢复情况不容乐观。在院外心脏骤停(out-of-hospital cardiac arrest，OHCA)住院期间死亡的患者中，近70%死于缺氧后神经损伤[2]。因此，为及时和科学地评估心脏骤停患者的病情及预后，脑代谢监测非常重要。近红外光谱技术(near infrared spectroscopy，NIRS)是一种无创的脑氧监测手段，其能够在低血流量甚至无血流灌注的情况下进行精准监测，因此该项技术在心肺复苏领域中的应用受到广泛关注。NIRS应用简便、指标灵敏，可实时提供额叶区域脑氧饱和度相关信息，且与颈静脉球血氧饱和度存在良好的相关性[3]。通过NIRS实时监测患者额叶皮质脑组织局部脑氧饱和度(regional cerebral oxygen saturation，rScO2)，有助于直观判断患者脑血流变化及脑血氧供需平衡情况。本文就NIRS在心脏骤停救治中的最新应用进展进行概述，以期为临床实践提供参考。

1 NIRS基本原理

NIRS于1977年由Jobsis提出，是一种实时、连续的光学诊断方法。近红外光谱仪通过放置在前额的传感器发射并检测无害的近红外光，测定含氧和脱氧血红蛋白的独特吸收光谱，利用比尔—兰伯特定律计算rScO2，从而估计脑组织的氧合程度[3]。rScO2是由25%～30%的动脉血成分、70%～75%的静脉血成分和部分毛细血管加权后得出的混合静脉血血氧饱和度，更接近于静脉血氧饱和度，可反映脑氧供给与消耗的动态平衡状况。由于该技术不依赖于动脉搏动，因此即使在深低温、低血压、脉搏微弱甚至无脉搏的特殊情况下，也可正常测量脑氧参数，故其在心肺复苏领域具有较好的应用前景[4]。既往研究报道显示，大脑皮层的静脉/动脉分布在个体之间存在差异，且其绝对数值在人群中变化较大，通过检测，健康志愿者和心脏手术患者的rScO2值均为(67±10)%，因此其相对变化值更具临床意义[5]。

2 NIRS在心肺复苏中的应用

2.1 评估心肺复苏质量

高质量的心肺复苏已被证明可改善心脏骤停患者的生存结局[6]。目前复苏指南推荐的心肺复苏质量统一评价标准是监测心肺复苏时的胸部按压速率、深度和按压呼吸比，即对所有患者采用相同的按压率和按压深度，因此无法从病理生理方面为患者提供个体化的复苏方案。在复苏过程中，生理监测指标特别是冠状动脉和脑灌注，对复苏过程中的微小变化更敏感，可更好地提高复苏质量[7]。近年来研究表明，心肺复苏术中较高的rScO2值与自主循环恢复(return of spontaneous circulation，ROSC)或良好神经系统功能预后之间具有相关性，表明rScO2可作为优化心肺复苏质量的生理指标。

Meex等[8]观察到心肺复苏术中收缩压与rScO2平行升高，说明高质量的心肺复苏可提高收缩压和脑氧合。在胸外按压过程中，rScO2可随按压质量变化而变化，反映了患者的脑氧合变化情况。通过NIRO-200NX和NIRO-CCR1两种设备监测心肺复苏时的脑氧合，可观察到脑血流量波形与胸外按压同步，体外循环(cardiopulmonary bypass，CPB)实施后初始脑氧合指数显著增加[1]。高质量的心肺复苏与胸外按压深度足够、不间断密切相关，无论何种原因，胸外按压质量的下降均可同时引起rScO2值的下降[9]。研究表明，机械按压能够在长时间内提供足够的压力而不产生疲劳或中断，与人工按压相比，机械按压可显著增加OHCA患者的rScO2值[10]，院内心脏骤停患者采用机械胸外按压的rScO2值明显高于采用人工按压(53.1%比24%)[11]。潮末二氧化碳分压(endtidal carbon dioxide，ETCO2)是目前研究最为广泛的心肺复苏质量监测指标和ROSC预测指标，但实际上ETCO2仅可用于气管插管患者，依赖于通气策略，其并不能提供脑氧合充足性相关信息。相对于ETCO2，rScO2在心肺复苏监测中的潜在优势是rScO2信号监测无需先进的气道管理。NIRO-Pulse是一种新型NIRS，能够可视化评估心肺复苏过程中的脑灌注，如显示血红蛋白波动和rScO2，在心肺复苏过程中同时有助于评价心肺复苏质量和患者对心肺复苏的反应性[12]。需指出的是，NIRS技术虽可用于评估心肺复苏质量，但由于心脏骤停患者的特殊性，尚无随机对照试验证明以rScO2指导心肺复苏可改善患者预后。

2.2 早期发现再次心脏骤停

研究表明，接受心肺复苏术的儿童和青少年在心肺复苏开始后10～15 min有再次心脏骤停的倾向[13]。此外，部分患者虽在院前环境中能够成功达到ROSC，但随后可出现循环不稳定和再次心脏骤停，而在到达医院前再次发生心脏停搏是 OHCA患者的潜在生存障碍，因此早期发现患者再次心脏骤停迹象至关重要。若采用心电图或除颤仪电极进行间歇性(每2分钟)心律检查，必须中断胸部按压，这对大脑供血极为不利。部分急诊医疗服务体系常规采用脉搏血氧仪进行监测，然而该方法依赖于周围脉冲的存在，故在心肺复苏中的使用受限。与脉搏血氧仪相比，NIRS可在无搏动血流的情况下测量组织氧合，且无需中断胸部按压，有助于早期发现ROSC患者的再次心脏骤停现象。Nishiyama 等[14]在使用心电图和脉搏血氧仪检测到无脉性心电活动前即检测到了rScO2值的急剧降低。Meex等[8]发现ROSC后患者rScO2值增加，而新的室颤发作后可立即检测到rScO2下降，表明rScO2值可反映危及生命的情况，如无脉性心律失常或严重脑灌注不足，这两种情况均迫切需要立即进行心肺复苏。有研究认为，低近红外光谱值突出了额外救生干预的必要性，如液体复苏和/或使用血管升压药[15-16]。因此，NIRS有助于早期发现再次心脏骤停，特别是无脉性心电活动以及脑循环不良情况[15]。若能提高无脉性心电活动向ROSC的转变率，并降低再次心脏骤停率，则可提高患者的总体生存率。

2.3 预测ROSC及神经功能预后

目前在心脏骤停患者中预测ROSC仍存在较大挑战，尽管心肺复苏技术和复苏后护理均有所改善，但心脏骤停，尤其OHCA的死亡率仍然极高。Genbrugge等[17]的研究表明，rScO2监测可用于院前高级生命支持，作为预测ROSC的额外指标，此期间rScO2增加≥15%与更高的ROSC率相关。Tsukuda[18]等发现，初始脑氧合指数监测可提高ROSC预后判断的准确性，并可能是选择终止心肺复苏和进行体外心肺复苏(extracorporeal cardiopul-monary resuscitation，ECPR)的参照因素。较高的冠状动脉灌注压(coronary perfusion pressure，CPP)可增加心脏骤停患者脑氧分压，为了达到ROSC，CPP须维持在15 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)以上，理想情况应超过20 mm Hg[19]，而NIRS是CPP的替代测量手段，因此脑氧合值越高理论上表明CPP越高，心肺复苏效果越好。最新荟萃分析[20]结果证实，心脏骤停患者进行复苏时，NIRS监测rScO2的初始值和总值越大，心脏骤停患者心肺复苏ROSC的可能性越大。Yazar等[9]的研究表明，rScO2最大值与ROSC成功率相关，而rScO2最小值及平均值可提示心脏骤停后患者的不良神经功能转归，存活者rScO2最小值(r=0.811，P=0.015)和平均值(r=0.771，P=0.025)均与1周全面无反应性量表(full outline of unresponsive-ness，FOUR)评分呈显著正相关。 rScO2(基线)与rScO2值随时间的最大上升量相结合，可作为预测ROSC的新指标指导心肺复苏[21]。Schnaubelt等[22]发现rScO2和ΔrScO2可能有助于终止无效的心肺复苏术。Engel等[23]的研究证明，ETCO2和rScO2均是ROSC是否成功的良好预测因子，在预测ROSC方面，rScO2优于ETCO2。

决定心脏骤停后神经功能预后的关键因素之一是基础生命支持能够维持脑细胞具备充足的氧合，并防止脑细胞发生继发性损伤。因此，通过采用床边NIRS监测额叶rScO2，可获得神经预后预测的可靠附加信息。在 OHCA期间的初始 rScO2水平通常在紧急医疗服务团队开始心肺复苏时检测不到。通过心肺复苏，rScO2水平升高，且在后来实现ROSC的患者中更高。心肺复苏术中持续低水平的rScO2可能预示不良的神经系统功能预后[24]。我国学者孙海伟等[25]的研究发现，联合rScO2与神经元特异性烯醇化酶可提高心脏骤停患者心肺复苏后神经系统功能预后的预测准确性，其预测价值远大于单一指标。

2.4 监测目标温度管理的治疗效果

心脏骤停ROSC后，患者易出现脑缺血再灌注损伤。为减轻此类损伤，指南建议在ROSC后24 h内采取目标温度控制(targeted temperature management，TTM)策略，即体温控制在32 ℃～36 ℃之间[26]。TTM是唯一能够提高心脏骤停患者生存率以及改善神经系统预后的治疗方法[27]，但考虑到低温诱导可影响脑氧代谢及氧供需平衡，近年来NIRS监测在TTM期间的作用备受关注。2018年日本的一项研究发现，32 ℃～34 ℃的TTM策略可降低OHCA后昏迷患者的全因死亡率，并可改善90 d内神经系统功能预后，特别是在三级医院住院时rScO2为41%～60%的患者[28]。Saritas等[29]采用rScO2值预测ROSC昏迷患者及TTM后存活患者的神经系统功能，发现单纯rScO2值不足以预测神经系统功能预后，但其随时间的变化值以及前6 h内的变化率可预测神经系统功能预后。Kwon等[30]的研究中，36 ℃组与33 ℃组患者的rScO2水平无显著差异，且无论目标温度如何，TTM期间较低的rScO2水平与6个月后神经系统不良预后相关。该研究结果表明，rScO2可作为一种潜在的实时监测工具，用于评估接受TTM的OHCA幸存者的脑损伤以及长期神经系统功能预后。Jakkula等[31]发现，正常高值动脉血二氧化碳分压(arterial partial pressure of carbon dioxide，PaCO2)和中度高氧均可增加NIRS值，PaCO2的作用可能因TTM期间的目标温度而异，低碳酸血症在目标温度为33 ℃的患者中尤为常见[32]。在治疗性低体温期间，低碳酸血症可能导致此类患者脑血流减少。在采用rScO2监测TTM治疗的心脏骤停患者时，建议对血氧饱和度、血红蛋白、平均动脉压(mean arterial pressure，MAP)和PaCO2各参数进行全面评估，以优化脑氧代谢平衡[33]。

2.5 监测ECPR救治效果

近年来，体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)越来越多地被用于常规心肺复苏的辅助治疗，在患者无自发性心脏循环的情况下提供氧合和血流动力学支持[34-35]。若在建立体外循环的时间窗内，怀疑心脏骤停的病因可逆，通常考虑采用ECPR[1]。Wiest等[36]的队列研究是首个采用rScO2作为ECPR插管预后指标的研究，结果表明rScO2≤15%可能是ECPR插管无效的标志。OHCA患者采用紧急CPB可改善神经功能预后，然而在急诊和院前环境中，ECMO插管往往需在超声或透视引导下进行，否则很难安全插管，在CPB建立后，通过NIRS确认初始脑氧合指数显著增加，可认为插管成功[37]。在6例ECPR患者的病例系列研究中，ECMO插管2.5 min内rScO2平均增加(20.8±12.1)%[38]。在OHCA个案研究中，rScO2在 ECPR作用下从30%增加至75%[39]。这些初步结果表明，ECMO在提高脑氧输送方面具有实质性价值，尤其对于传统心肺复苏无效的患者。NIRS已被提出作为一种无创监测手段，用于提示采用ECMO治疗患者的大脑循环状态。一些研究拟通过NIRS测量下肢氧合血红蛋白、去氧血红蛋白水平及组织饱和指数，以指导准确调整ECMO血流量，使患者快速脱离机器。初步结果显示，在接受ECMO的患者中，近红外光谱值与患者整体循环状态之间存在较强的相关性，即随着ECMO血流的调整，氧合血红蛋白水平发生了明显变化，而去氧血红蛋白水平和组织饱和指数变化不明显，且这种现象在非插管侧更为显著[40]。

2.6 评估脑血流自主调节水平

循环骤停所致的神经系统损伤是决定心脏骤停后患者预后和生存率的主要因素，但循环系统的恢复并不一定意味着脑灌注的恢复。心脏骤停后24 h内脑血管自主调节紊乱与预后不良相关，神经系统损伤仍然是幸存者的主要风险，脑损伤被认为不仅是由心脏骤停时缺血所引起，再灌注损伤亦是重要因素。其特征是ROSC后数小时至数天内自我调节功能衰竭、脑灌注不足和脑水肿。有趣的是，在预后较差的患者中动脉血压与脑血流之间存在相关性，提示复苏后脑血流自动调节功能受损与预后不良相关。研究表明，35%的心脏骤停患者存在脑自我调节障碍，其中以心脏骤停前高血压为主，这些患者预后较差，因为当复苏到统一的血流动力学目标时，存在脑灌注不足的风险，心脏骤停后伴有脑自动调节障碍的ROSC患者可能从较高的MAP中获益[41]。最近的一项研究发现，rScO2与脑灌注压之间存在中度相关性[42]。启动心肺复苏通常仅可使基线脑血流恢复10%～15%，这在很大程度上无法满足大脑的代谢需求，而心脏骤停复苏过程中实时NIRS监测脑氧合可反映脑复苏和脑供氧质量。但Doepp等[43]的研究表明，心脏骤停后患者的预后几乎不受脑血流的影响，且全脑低灌注和高灌注均与预后无关，因此，尚无法确定脑血流的临界值以预测不良预后。但在大脑自我调节严重受损的患者中，MAP与rScO2具有同向性变化，表明rScO2可作为一种指导性工具，以确定患有严重脑损伤的心脏骤停幸存者的最佳MAP。

3 NIRS的局限性

随着国内外学者对NIRS各领域应用的深入研究，其在临床诊断和治疗中的地位逐渐提高。然而，作为一项新型监测技术，NIRS依然存在着一些不足之处，有待进一步改进。首先，NIRS信号与电极片放置位置密切相关，位置及操作不当会严重影响rScO2监测的准确性；此外，近红外光不能穿透探头和组织之间的气体和出血层，因此在硬膜外、硬膜下以及脑组织中有出血或颅内积气时会影响监测结果。研究表明，rScO2值可受多种因素影响，如颅外污染、皮肤色素沉着和生理状况等[44]。影响上述参数的已知因素包括年龄、心输出量、酸碱状态、大出血、动脉流入/静脉流出阻塞、血红蛋白浓度/饱和度、肺功能、吸入性氧浓度和药物 (如苯肾上腺素)[16]。因此，仍需进一步研究以提高NIRS在复苏中的应用价值。

4 小结与展望

NIRS技术是实现连续无创脑氧监测的一项新兴技术，目前已受到临床医师的广泛重视。通过NIRS技术实时监测rScO2，可直观判断脑血流变化及脑血氧供需平衡情况，用于指导心肺复苏患者大脑氧合优化与治疗。NIRS还可用于评估心肺复苏质量、早期发现再次心脏骤停及判断患者预后、评估脑血流自主调节水平、监测TTM和ECMO治疗患者的救治效果。未来可以rScO2为基础计算脑血流调节能力、脑氧代谢等大脑监测数据，为心脏骤停患者提供更加个体化、精细化的治疗方案。

作者贡献：彭祥负责文献检索与论文撰写；李湘民负责研究设计与论文修订。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突