功能性近红外光谱成像用于全麻儿童疼痛评估的效果

靳晨彦,郭 航,李青华,李亚君,程亚飞, 马亚群,

全身麻醉是一种由全身麻醉药物引起的无意识、无痛、无体动的神经生理状态[1]。客观、准确、及时的疼痛评估对围手术期疼痛管理至关重要,是确保围手术期麻醉质量和安全的关键因素,不仅可以避免术中刺激引起的交感神经兴奋、心肌耗氧量增加等不良反应,还可以减少术后急慢性疼痛。然而,现有的围手术期疼痛评估方法大多依赖于自主神经反应,如心率、血压、瞳孔疼痛指数等,这些评估方法常因无法兼顾特异性、客观性、敏感性而无法准确评估,从疼痛发生机制上寻找到可靠的疼痛评估方法成为亟待解决的临床问题。研究表明痛觉是中枢神经系统接收到疼痛刺激后做出的反应[2]。功能磁共振成像显示机体受到疼痛刺激时,包括丘脑、初级和次级躯体感觉区、脑岛、扣带前皮质和中脑导水管周围灰质在内的大脑皮质区域被激活[3],其中前额叶皮质作为疼痛加工和编码的关键节点,具有疼痛强度的独立效应[4]。成人局部大脑皮质激活会导致流向激活区域的局部血流量增加[5],且增加量远超过脑组织对氧的需求,最终导致局部的血红蛋白含氧量增加,因此,局部皮质血流动力学变化可以反映大脑局部神经活动。功能性近红外光谱成像技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)基于血红蛋白的不同光学特性,非侵入性地量化大脑皮质血流动力学变化,在评价脑功能方面与磁共振等效[6]。与成人相比,儿童神经血管耦合本身就处于发育中[7],虽然有研究观察到清醒状态的早产儿、新生儿在接受疼痛刺激时会有脑组织血氧参数的变化[8-11],但关于全身麻醉状态的儿童在接受疼痛刺激时的脑组织血氧参数变化尚未明确。本研究旨在探讨全麻手术中0～14岁儿童受到切皮刺激后脑组织血氧参数的变化情况,探索fNIRS客观评估儿童全麻手术术中疼痛的可行性,为临床疼痛评估作参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选择2021-11至2022-09于解放军总医院第七医学中心行尿道下裂修补术或隐匿型阴茎矫治术的45例0～14岁患儿,由手术医师根据阴茎背神经阻滞后局麻药液扩散是否影响手术操作分为全身麻醉组(G组)30例,全身麻醉+阴茎背神经阻滞组(N组)15例。纳入标准:达到尿道下裂和隐匿阴茎手术标准,且拟在我院行手术治疗;年龄0～14岁;ASA分级I～II级;患儿为右利手。排除标准:有脑神经损伤等严重中枢神经系统疾病等;术后严重并发症;近半年有镇静催眠药、镇痛药用药史;有精神疾病如自闭症等;既往多次手术史(≥2次)。本研究通过解放军总医院第七医学中心伦理委员会审核(2022-24),所有纳入研究的患儿家属均知晓研究过程并签署知情同意书。临床试验注册:中国临床试验注册中心,ChiCTR2200059583。

1.2 试验装置与原理 fNIRS是一种非侵入性光学成像技术,用于测量大脑皮层外层血流动力学活动。设备发射出700～1000 nm波长的近红外光线可轻易穿透颅骨和大脑皮层,氧合血红蛋白(oxyhemoglobin,Oxy-Hb)对790 nm以上的红外光吸收能力较强,脱氧血红蛋白(deoxygenated hemoglobin,Deoxy-Hb)对790 nm以下的红外光吸收能力较强,根据生物组织中不同类型血红蛋白对近红外光吸收特性的差别,通过接收端测定折射及散射后的近红外光线并计算其被吸收的比例,就可以得到Oxy-Hb浓度、Deoxy-Hb浓度和总血红蛋白(total hemoglobin, Total-Hb)浓度。当大脑皮质血流量发生变化时,脑组织血氧参数也相应地发生变化,fNIRS可以在短时间内持续捕捉Oxy-Hb浓度、Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度的微小波动,实时反映大脑皮层血流动力学的改变。本研究采用近红外组织血氧参数无损监测仪(爱琴医疗,ECO-N17-C25L)进行信号采集,该设备具有高采样率(20 Hz),可以获取2.5 Hz以下的低频振荡信号以探究广泛的生理变化。

1.3 试验步骤 所有患儿入室后建立外周静脉通道,麻醉诱导前输注乳酸钠林格氏液 10 ml/kg,监测心率、心电图、无创血压、血氧饱和度、呼末二氧化碳分压、近红外脑组织血氧参数和脑电双频谱指数(bispectral index,BIS) ,fNIRS、BIS贴片固定位置如图1。标准化麻醉诱导选用咪达唑仑0.03 mg/kg、丙泊酚2～3 mg/kg、芬太尼3～6 μg/kg、罗库溴铵0.4～0.6 mg/kg。面罩吸入纯氧3 L/min,90 s后给予喉罩或气管插管机械通气,设置潮气量8 ml/kg,术中以空气和氧气体积比1∶1,流量2 L/min进行机械通气,根据呼气末二氧化碳分压调整潮气量和呼吸频率,使呼气末二氧化碳分压维持在35～45 mmHg。术中全凭吸入七氟醚维持麻醉深度,使BIS维持在40～65;术中根据需要追加芬太尼1 μg/kg,使血压、心率波动不超过 20%。N组于机械通气后行阴茎背神经阻滞(0.25%罗哌卡因0.2 ml/kg),阻滞10 min后开始手术。数据采集期间避免声音、手术外刺激等因素干扰。麻醉医师不根据近红外脑组织血氧参数调整围手术期用药。

图1 fNIRS、BIS贴片固定位置

1.4 观察指标 术前记录患儿年龄、身高、体重、芬太尼诱导用量;术中连续采集切皮前5 min至切皮后持续手术操作5 min的左侧前额叶脑组织血氧参数、心率和BIS,记录以下数据:(1)基线,切皮前10 s至切皮前30 s(T1)无任何操作干扰情况下的左侧前额叶皮质平均Oxy-Hb浓度、平均Deoxy-Hb浓度、平均Total-Hb浓度、平均心率和平均BIS;(2)峰值,切皮后到达第一个波峰时(T2)的左侧前额叶皮质Oxy-Hb浓度、Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度、心率和BIS;(3)脑组织血氧参数和心率到达峰值的时长。上述观察指标由另一位接受过培训的专职人员采集。

1.5 近红外信号预处理 本研究使用MATLAB(version 2022, Math Works Inc)对原始近红外信号进行预处理。由于近红外信号在采集的过程中会受到运动噪声和生理噪声的影响,因此需要对数据进行降噪处理。首先对原始近红外信号进行离散小波变换,将变换后的小波系数分布选择峰度阈值(本研究中所有近红外信号在运动噪声滤波时都设为相同的阈值3.3)。其次,近红外光谱测量过程中捕获了成像组织血流动力学的多个方面,其时间序列包含了功能变化和潜在的生理过程,而这些生理过程,如心跳、呼吸和血压的波动等并没有直接与神经元活动耦合,因此采用三阶巴特沃斯零相位数字滤波器来提取低频振荡信号并去除生理噪声。

2 结 果

2.1 一般资料 G组和N组患儿年龄、身高、体重、单位体重芬太尼用量无统计学差异(P>0.05,表1)。

表1 两组全身麻醉儿童疼痛评估患者一般资料比较

2.2 血氧参数和心率对切皮刺激的反应 G组和N组患儿左侧前额叶皮质Oxy-Hb浓度、Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度和心率在切皮前均动态波动于基线水平。与T1相比,T2时刻G组上述指标分别平均升高8.6%、61.8%、37.2%、7.7%,差异均具有统计学意义(P<0.05),T1、T2时刻BIS差异不具有统计学意义;而N组T1、T2时刻左侧前额叶皮质Oxy-Hb浓度、Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度、心率、BIS差异均不具有统计学意义(P>0.05,表 2)。

与N组相比,G组T1时刻左侧前额叶皮质Oxy-Hb浓度、Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度、心率差异无统计学意义;两组T2与T1时刻Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度差值差异有统计学意义(P<0.05),Oxy-Hb浓度和心率差值差异无统计学意义(表2),表明与接受神经阻滞的N组相比,未接受神经阻滞的G组切皮后左侧前额叶脑组织血氧参数变化更为明显。

表2 左侧前额叶皮质血氧参数、心率和BIS在切皮前基线(T1)、切皮后峰值时(T2)及切皮前后差值(Δ)比较 [M(Q1,Q3)]

2.3 切皮后G组左侧前额叶脑组织血氧参数和心率到达峰值的时间比较 G组患儿接受切皮刺激后,左侧前额叶脑组织血氧参数与心率到达峰值的先后顺序为:Deoxy-Hb浓度[(1.723±0.783)s]、Total-Hb浓度[(1.763±0.770)s]、Oxy-Hb浓度[(1.813±0.794)s]、心率[(2.100±0.845)s],其中Deoxy-Hb浓度(Z=4.17,P=0.041)和Total-Hb浓度(Z=4.8,P=0.028)到达峰值的时间与心率到达峰值的时间相比差异具有统计学意义。

3 讨 论

疼痛通路是痛觉产生的基础[12,13],感觉末端器官感受到痛阈值以上的伤害性刺激后形成电脉冲或者动作电位在神经纤维内经过脊髓上传到大脑皮层,一方面通过神经血管耦合使局部皮质血流动力学产生变化,从而影响脑组织血氧水平[5];另一方面通过激活中脑导水管周围灰质,兴奋下脑干和脊髓中的运动前或节前自主神经,从而引发自主神经反应[14,15]。目前临床上围手术期疼痛评估的研究多围绕自主神经反应展开,例如,心率、血压、瞳孔直径等,但是这些指标易受药物、年龄、温度、容量、疾病等因素干扰,在评估疼痛方面缺乏特异性和准确性[12,13]。本研究采用了一种基于fNIRS的方法,直接通过量化大脑皮质血流动力学变化从中枢水平反映儿童全麻手术术中疼痛的发生,具有客观、敏感、特征、稳定、无创、连续、便携等优势[16-18]。前额叶由于其疼痛强度的独立效应[4]和信号采集不受毛发干扰的特点,一直以来是疼痛相关研究的重点部位。并且与右侧前额叶相比,左侧前额叶皮质对针刺、环切等疼痛刺激反应更为显著[19]。因此,本研究选择左侧前额叶作为fNIRS监测部位、切皮作为疼痛刺激,比较切皮前后左侧前额叶脑组织血氧参数和心率的相对变化情况。

本研究发现,切皮后G组所有患儿左侧前额叶脑组织血氧参数和心率均出现不同程度的增加或增快,其中Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度增加最为显著,而N组患儿切皮后左侧前额叶脑组织血氧参数和心率无显著变化。两组T2、T1时刻Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度差值差异有统计学意义,T2、T1时刻Oxy-Hb浓度和心率差值差异无统计学意义,但N组上述四项差值均小于G组,这种切皮前后脑组织血氧参数更加稳定的现象与阴茎背神经阻滞提供了更完善的镇痛效果相符[20],表明左侧前额叶脑组织血氧参数可以用于全身麻醉儿童的疼痛评估且Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度在评估疼痛方面更具优势。

基于脑组织血氧参数的疼痛评估方法在灵敏性方面也显著优于基于自主神经反应的疼痛评估方法。有研究显示,神经血管耦合介导的皮质血流动力学变化通常在刺激后0.5 s开始出现,并在刺激后3～5 s到达峰值[21,22]。本研究显示G组从切皮到脑组织血氧参数到达峰值的时间均在0.5～3 s,基本符合神经血管耦合反应发生的时间,其中Deoxy-Hb浓度和Total-Hb浓度到达峰值的时间比心率到达峰值的时间分别平均提前0.38 s和0.34 s,差异具有统计学意义,表明脑组织血氧参数在反映疼痛方面比心率更灵敏,可能的机制是,与心率变化相比,疼痛引起脑组织血氧参数变化省略了从中枢传导至外周的过程。对麻醉医师而言,根据脑组织血氧参数变化可以更及时地调整镇痛程度,减少儿童因围手术期镇痛不足引起的一系列并发症。

脑组织血氧参数评估疼痛不受镇静药物干扰,且在使用镇痛药的情况下也具有适用性。本研究麻醉诱导选用丙泊酚,麻醉维持选用七氟醚,这两种全身麻醉药物均通过减弱大脑皮层间的连通性发挥镇静、催眠作用,其中额叶皮质的总大脑连通性降低最为显著[23-25]。本研究结果显示处于麻醉状态的儿童对切皮刺激表现出与清醒儿童相似的前额叶脑组织血氧参数升高趋势[19],可能是疼痛与意识的大脑连接模式不同导致:丙泊酚和七氟醚对意识相关的脑功能连接抑制作用较强,但对疼痛相关的脑功能连接抑制作用较弱。芬太尼是儿童围手术期广泛使用的镇痛药物,本研究采用3～6 μg/kg常规剂量芬太尼诱导,G组切皮后所有患儿均出现不同程度的脑组织血氧参数升高,可能是阴茎部位分布有密集的神经末梢,对痛觉敏感,常规诱导剂量的芬太尼未能完全阻断儿童阴茎部位切皮引起的痛觉信号传递[26]。与G组相比,N组复合了阴茎背神经阻滞,镇痛效果完善,未观察到切皮后脑组织血氧参数升高,提示全身麻醉儿童可以通过脑组织血氧参数评估术中镇痛水平并及时调整镇痛程度,避免经验性镇痛导致的镇痛不足。

疼痛引发的脑组织血氧参数变化由神经血管耦合机制介导。研究显示儿童发育过程中年龄与神经血管耦合呈正相关[27],因此本研究纳入的0～14岁患儿的基线左侧前额叶脑组织血氧参数差异较大,但患儿在镇痛不全时,接受疼痛刺激后均表现为脑组织血氧参数显著升高,与早产儿、足月新生儿和成人[17]接受不同类型疼痛刺激时脑组织血氧参数的升高趋势相似,表明年龄只影响脑组织血氧参数的基线水平,但不影响脑组织血氧参数对疼痛刺激做出的反应,即脑组织血氧参数变化评估疼痛在年龄方面具有普适性。

综上所述,fNIRS可以评估儿童全麻手术术中疼痛,表现为伴随疼痛发生的Oxy-Hb浓度、Deoxy-Hb浓度、Total-Hb浓度升高,且与常规的生理指标心率相比,Deoxy-Hb浓度和Total-Hb浓度更具灵敏性。本研究不足之处是没有对不同程度疼痛刺激下的脑组织血氧参数进行研究,未来仍需进一步多中心、大样本量试验,明确疼痛程度与前额叶脑组织血氧水平之间的关系。

所有作者声明无利益冲突。