围术期局部脑氧饱和度影响因素的研究进展

刘琳琳 嵇富海

苏州大学附属第一医院麻醉科，江苏省苏州市 215031

不同于颈静脉球血氧饱和度和脑组织氧分压的测量等有创监测，近红外光谱(NIRS)仪无创、便捷、持续、实时监测等优点减少了人们对脑氧供与氧耗监测的顾虑[1]。NIRS能持续进行床旁测量并反馈实时的局部脑氧饱和度(rSO2)信息，及早发现脑组织低灌注，从而预防脑功能障碍和术后神经并发症。但NIRS的监测可能受到多种因素的干扰，rSO2的正常范围仍未明确，在不同的研究中发现rSO2具有很大的个体差异，因此一些研究者建议，应该主要以rSO2的相对变化和趋势而不是rSO2的数值，作为脑组织氧供需平衡的指标[2]。本文将从NIRS使用的基本原理、围术期影响因素及其应用的局限性对rSO2的监测进行论述。

1 近红外光谱仪的工作原理

一般情况下组织对波长700～1 000nm的近红外光吸收较低，近红外光束可以穿透皮肤、骨骼、肌肉以及脑组织，深度可达8cm，这对经颅监测脑血氧提供了可能[3]。脑组织中的氧合血红蛋白(O2Hb)与脱氧血红蛋白(HHb)对近红外光束具有不同的吸收光谱，通过这一物理特性，可以分析局部脑组织中的氧饱和度。NIRS仪器的一对电极片通常被贴在左、右大脑额叶上方的皮肤上，也可以从任何脑叶上方进行测量。每个电极片都包含有一个近红外光发射器和一个远端的光探测器，光束从发射器沿着一条弧线传播，最后由探测器接收，能够测量皮肤下深度2～3cm的大脑皮层的O2Hb与HHb的比例。它不仅能测量脑组织的氧饱和度，也可以测量脑外组织如肌肉组织的氧饱和度。当电极片被置于头皮表面测量rSO2时，其测量的是动静脉与微循环中的混合血液的氧饱和度。rSO2作为一个计算值，取决于动脉、静脉血液及微循环的贡献程度，在不同部位的脑组织测量出来的rSO2可能存在差异。同时测量婴儿额叶与枕叶rSO2时，虽然整体统计上额叶与枕叶的rSO2没有明显规律性关联和差异，但具体到个人时，额叶与枕叶的rSO2之间有-31%～28%的差距[4]。但不同部位测得的rSO2随时间的变化趋势是平行的，因此根据基线水平观察rSO2的相对变化，更能反映出脑组织氧供的实际改变情况。

2 围术期局部脑氧饱和度的影响因素

2.1 患者自身因素 目前对rSO2正常范围仍没有定论，根据已发表的研究数据表明，正常脑组织rSO2的一般水平大多为60%～80%，不同的个体在应对外界因素干扰时rSO2也会展现不同的反应。患者基础生理情况不同，rSO2基础水平也有差异，年龄就是一个不可忽视的因素。随着年龄增大，rSO2呈现降低趋势。无心肺疾病、行择期小手术的婴儿[(7±3)个月]麻醉前基线水平的rSO2为(73±7)%，但关于65岁以上的老年人群中的研究rSO2普遍偏低，在75岁左右髋部骨折的老年人中，这一数值仅有60%左右[5-6]。因年龄差异导致的rSO2水平差异在中老年人群中尤为突出，这是由于随着年龄的增长，人体的生理机能逐渐老化，脑血管逐渐形成斑块和硬化。与年龄相关的认知功能、脑灌注和血管功能下降会增加患痴呆症的风险。在2018年的一项横断面研究中，发现颈总动脉β硬度的增加与中老年人执行功能任务期间左侧前额叶皮质O2Hb浓度的下降和执行能力的降低显著相关[7]。老年人大脑灰质的血流速度随着年龄逐渐减少，与年龄相关的脑灌注下降或许是老年人脑萎缩和认知功能降低的根本原因。老年人rSO2的正常低值警示我们，较低的脑氧合水平可能是大脑脆弱性的一个标志，围术期高龄患者能耐受的rSO2降低的安全阈值可能会更窄，更需要注意避免脑氧供的不足。

另外，患者身体的疾病状态也会影响rSO2的表现。研究表明rSO2、O2Hb与HHb的水平均会随着年龄的增加而逐渐下降，而吸烟、饮酒、腰臀比、糖尿病、心绞痛、充血性心力衰竭、短暂性脑缺血发作等都与脑氧合指标降低有关[8]。有潜在脑血管疾病危险因素的患者围术期大脑对环境影响的应变能力也表现的更差。在妇科腹腔镜手术中，即使术前基线水平rSO2没有明显统计学差异，但与无高血压、糖尿病的患者相比，合并这类基础疾病的患者术中rSO2最低值、最高值以及最高值与基线值的差值均更低，说明这些患者脑血管自我调节的储备功能不佳，因此老年人尤其是伴有高血压、糖尿病的患者围术期更容易发生脑卒中事件[9]。严重全身疾病和器质性功能障碍也会损害rSO2，如患有先天性心脏病、贫血、肾功能衰竭等疾病时，均能导致rSO2低于一般水平。

2.2 麻醉的管理

2.2.1 全身麻醉药：维持全身麻醉可以采用吸入或静脉麻醉药，不同种类的全麻药对rSO2会产生不同的影响。通常认为，挥发性麻醉药降低脑代谢率并增加脑血流量(CBF)，而静脉麻醉药则是降低脑代谢率并减少CBF。七氟烷具有内在脑血管舒张反应，其作用呈剂量依赖性，低剂量或常规剂量的七氟烷浓度对脑血管的扩张作用并不明显。一项随机对照研究表明，2%～3%七氟烷维持麻醉，当发生脑电爆发抑制时，大脑中动脉的平均血流速度和搏动指数(即脑血管对血流的阻力)没有明显改变，但丙泊酚作为麻醉维持药物发生脑电爆发抑制时，CBF有明显下降，并且出现搏动指数的增加，提示脑血管出现明显的收缩[10]。虽然常规浓度的七氟烷并可能并不能明显增加CBF，但相比于具有收缩血管作用的丙泊酚，在避免术中出现脑氧饱和度降低方面，七氟烷显然更胜一筹。

右美托咪定和丙泊酚都具有类似脑血管收缩的作用，但两者对rSO2的作用似乎并没有差别。2020年的一项随机对照研究发现，椎管内麻醉后CBF和rSO2会有所降低，随后分别使用右美托咪定或异丙酚对患者进行镇静，虽然右美托咪定组的血压和SpO2更稳定，但是并未观察到两组术中的rSO2有明显统计学差异[11]。这可能是在一定灌注压范围内脑血管自我调节后的结果。在动物试验中，进一步验证了右美托咪定对rSO2的作用，发现只有当猪仔发生明显低血压时，再使用右美托咪定才会使脑灌注和脑氧合进一步显著下降[12]。因而在临床工作中使用右美托咪定尤其需要注意预防和治疗低血压。

2.2.2 血流动力学管理：虽然在很多研究中都观察到rSO2与血压相关，一定范围内rSO2会与平均动脉压同步升高。但实际上，使用血管活性药物升高血压却不一定会使rSO2升高，这取决于不同升压药对血流动力学的药理作用特点。

苯肾上腺素和去甲肾上腺素均有较强的α受体激动作用，通过动脉血管收缩发挥作用的同时会引起周围血管和心脏上交感神经活动的减少，导致心率下降，从而有引起心排血量降低的可能，而麻黄碱、多巴胺能够在提高血压的同时也能够增加心率和心输出量。在进行非心脏外科手术时，对于维持rSO2方面，麻黄碱和多巴胺的作用优于苯肾上腺素和去甲肾上腺素。然而一项关于颈动脉内膜切除术期间rSO2的小样本量前瞻性研究持有相反的意见，认为麻黄碱和苯肾上腺素在维持脑血流和供氧上并无明显差异[13]。得出不同结论的原因，一方面，可能是不同个体的心输出量对苯肾上腺素的反应不同，另一方面，在使用苯肾上腺素的同时，维持足够的有效循环血流量也十分重要。

精氨加压素(AVP)通过介导血管平滑肌血管收缩的V1受体发挥作用，越来越多地用于临床，但AVP在降低脑血流和脑供氧上的作用可能更强。在沙滩椅位(BCP)肩关节手术中的研究中，调节BCP体位前2min预防性注射0.07U/kg的AVP，虽然和生理盐水组相比能有效预防BCP体位后的低血压，但升高血压的代价却是大脑额叶血供的减少，AVP组的rSO2甚至低于未预防性使用升压药的生理盐水对照组[14]。但在严重循环衰竭和脑灌注严重受损的人群中，例如心肺复苏的患者，由于机体在血供不足的情况下对大脑、心脏优先供应的机制，AVP通过强烈收缩外周血管能对脑组织提供一定的灌注压，这种极端条件下AVP对脑血供并非完全无益处。而硝酸甘油与AVP存在相反的作用，对于血管收缩剂如AVP引起的rSO2下降，硝酸甘油或许能够作为一种有效的解决办法。

2.2.3 呼吸管理：呼吸的管理是麻醉管理中的最重要环节之一。对于气道压力和呼气末正压(PEEP)是否会影响脑血流和脑灌注，目前的研究存在较多的争议。Chen Han等[15]认为，在正常大脑中，正压通气不会显著改变颅内压(ICP)、脑氧合或脑灌注；对于颅脑损伤的患者，气道压力对ICP的影响是可变的，对ICP的影响由多个因素决定，例如原本ICP的高低、肺的顺应性、脑自动调节等，其净影响程度是不可预测的。PEEP对ICP和脑血流的影响一部分取决于机体血容量的状态。在动物试验中发现，正常血容量时，ICP随着PEEP从5cmH2O(1cmH2O=0.098kPa)逐渐增加至25cmH2O而逐渐升高；而通过放血处理的低血容量动物，ICP随着PEEP的增加呈降低趋势；这是由于与正常血容量的动物相比，低血容量状态下PEEP升高时，颈总动脉血流量会进一步降低[16]。因此，在正压通气和使用PEEP时，需要注意对循环血量的监测，维持充足的有效循环容量。动物实验中PEEP水平较高，这并不适应用人类麻醉时常规麻醉的呼吸机设置。但在腹腔镜手术中，尤其是肥胖患者头端位置降低下的气腹手术，患者的气道压力可较正常平卧位时显著增加，这种被动的气道压力极度升高可能会对脑血流和rSO2产生负面影响。

增加吸入气体中的氧浓度和保持呼气末CO2(ETCO2)适当偏高是有助于改善术中rSO2的策略。这是由于吸入氧浓度的提升大幅度改善了血液中的氧分压，而血液CO2分压的升高则会使脑血管扩张，脑血流增多。但当CO2显著高于正常水平时，也需要警惕脑血管扩张增加颅内压增高和脑水肿风险，这可能引起严重的脑组织氧合障碍。

2.3 非心脏外科手术 体位是术中rSO2的一个重要影响因素，在反向Trendelenburg体位或者BCP这类头端位置显著抬高的体位中，由于“瀑布效应”，在超声多普勒下可以检测到大脑中动脉的最大血流量显著下降。以前的研究通常将rSO2较基线水平降低超过20%或其数值低于50%称为脑氧去饱和事件(CDEs)。在BCP体位手术中，由于坐姿和全麻后机械通气引起过度换气对CBF和氧合有潜在的附加不良影响，发生CDEs的患者比例可高达55.6%，大多数CDEs(68%)是在低血压期间记录到的[17]。在平齐于心脏水平测量的动脉血压可能高估了大脑的实际血压，因此将有创血压的换能器置于外耳道水平更能反映实际脑灌注水平。相反地，手术中患者为Trendelenburg体位时，例如妇科、泌尿外科腹腔镜手术，由于头端降低，脑部充血，通常可观察到rSO2的升高，多数人认为Trendelenburg体位下的手术不会影响rSO2。但由于CO2蓄积、高气道压、血液回流增多、高中心静脉压等因素的共同影响，也会导致Trendelenburg体位时ICP明显增高。颅内血管静水压增高、脑组织水肿也可能会导致rSO2降低[15]。目前在Trendelenburg体位腹腔镜手术中rSO2下降对患者预后的影响及其发生的具体机制还未完全明确。

在开胸或胸腔镜检查期间，也能发现相当比例的患者rSO2显著减低，这是由于单肺通气可能存在例如通气量不足、通气血流比值的失调以及纵膈摆动引起心输出量减少等问题。在颈动脉内膜剥脱术、关节与脊柱等手术中，由于局部微栓子的脱落可能会引起脑内小血管的堵塞和脑组织缺血，监测术中rSO2有助于及时识别可能存在的脑灌注降低[18-19]。老年人平均rSO2比年轻人低，也意味着术中允许rSO2降低的安全范围较小，他们对于术中出血、低血压等的耐受能力更低，更需要麻醉医生去注意设法预防术中rSO2降低的发生。

3 NIRS监测的局限性

头皮至大脑皮质之间的软组织及颅骨内都包含有血流，被测量者的皮肤、皮下组织的厚度、颅骨的厚度等颅外因素也可能对rSO2测量产生干扰。颅外血液对大脑NIRS读数的贡献范围为14%～18%，目前很难完全将大脑与脑外组织中的氧饱和度分开进行测量，只能通过同时测量头皮下组织的rSO2做减法尽可能减少颅外血流的混杂[20]。胆红素、亚甲蓝、吲哚菁绿与HHb具有相似的吸收光谱，因此也可能影响NIRS监测的实际读数，使rSO2读数偏低[3]。另外，由于近红外光谱仪器的物理特性，它能监测的范围仅为光源穿过区域、深度为2～3cm的大脑皮层，这大概仅包括指甲盖大小的脑组织，这也是其局限所在。rSO2代表的是局部脑组织的氧合平衡状态，对于存在脑血管疾病问题的患者，当监测部位以外的脑组织出现缺血、缺氧时，或许并不能得到及时和正确的反馈。因此rSO2更能反映的本身无脑血管疾病患者的大脑整体氧供与血供，例如心脏骤停期间的较低的rSO2能够预测术后缺血缺氧性脑病后遗症和生存状态[2]。这也解释了为什么在有些神经外科手术的研究中，术中监测对侧rSO2并不能很好地预测术后神经系统并发症的发生。神经外科患者的常见后遗症，更多的与原发灶的损伤程度相关，而术中监测对侧脑组织，同侧及深部脑组织的缺血也有可能不被探及。颈静脉球血氧饱和度测量反映的是整个大脑的氧供氧耗平衡，脑组织氧分压测量可以对深部脑组织的氧分压进行更精准的测量，几种脑氧合状态测量技术的作用有时候并不能完全相互替代，因此临床上也可以将rSO2监测与其他脑氧测定方式相互结合，可以更全面地了解大脑氧代谢的变化。

4 小结

围术期rSO2的监测需要注意潜在的多种影响因素。虽然CDEs(rSO2降低超过基线20%或rSO2数值低于50%)是人们在临床中评价rSO2的常用标准，但在65岁以上老年人脊柱手术中，rSO2<60%就是术后认知功能障碍的独立危险因素[19]。由此可见CDEs并非NIRS评估患者预后的唯一标准，可以在任何阈值任意定义rSO2的不饱和，但这个阈值必须与有意义的临床结果相关。通过NIRS获取的rSO2数值固然重要，明白它变化的背后原因及时做出对应的处理对脑灌注异常的高危人群来说更加重要。针对不同人群、不同手术的rSO2改变需关注的阈值应该逐渐被开发和利用起来，识别高危患者的个体化管理能够在不浪费有限医疗资源的前提下将患者的术后早期恢复最优化。