近紅外光譜在嬰幼兒心臟手術(shù)圍術(shù)期的應(yīng)用及研究進展

章 燕（綜述），周榮華（審校）

先天性心臟病（先心?。┦窍忍煨曰沃凶畛Ｒ姷囊活?，發(fā)病率高，約占出生活嬰的0.4%～1%。我國是世界上先心病發(fā)病率較高的國家之一，發(fā)病率可高達0.9%［1］。先心病患兒心臟手術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥發(fā)生率為2%～25%［2］，近紅外光譜（nearinfrared spectroscopy，NIRS）可以監(jiān)測心臟手術(shù)過程中重要臟器局部組織氧飽和度的變化，如局部腦氧飽和度（regional cerebral oxygen saturation，rScO2），以反映重要臟器的灌注、代謝及氧供需平衡。首先，嬰幼兒機體代謝旺盛，對氧的需求比成人高，同時，心肺轉(zhuǎn)流（cardiopulmonary bypass，CPB）中多種因素，如血液稀釋、非生理灌注、紫紺患兒大量側(cè)枝循環(huán)、低溫及復溫、腦血流自主調(diào)節(jié)功能改變等，直接影響術(shù)中腦灌注及腦氧供需平衡，而導致術(shù)后神經(jīng)認知功能障礙；而不合理的高灌注則會導致栓塞、血液破壞，也會增加術(shù)后譫妄等神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥。并且，對于復雜先心病手術(shù)，尤其是紫紺型心臟病患兒，術(shù)后大多需要較長時間呼吸機輔助，而麻醉過程中鎮(zhèn)靜、肌肉松馳等情況又能掩蓋早期神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的表現(xiàn)，因此圍術(shù)期中的腦組織氧代謝、腦功能監(jiān)測十分重要。再者，NIRS 監(jiān)測rScO2具有較強的抗干擾能力，腦血流及腦氧供需平衡狀態(tài)變化能夠及時被反映，這對于滿足圍術(shù)期腦灌注，優(yōu)化麻醉、CPB 及圍術(shù)期管理方案等具有重要指導意義。本文就NIRS 在嬰幼兒先心病心臟手術(shù)圍術(shù)期的應(yīng)用進行綜述，旨在探討NIRS 在嬰幼兒心臟手術(shù)圍術(shù)期的臨床價值及應(yīng)用前景，為其進一步的臨床研究及應(yīng)用提供指導依據(jù)。

1 NIRS 監(jiān)測基本原理

應(yīng)用NIRS 監(jiān)測大腦和心臟局部氧飽和度在1977 年由Jobsis［3］首次提出。NIRS 技術(shù)作為一種新型測量局部血氧飽和度的工具，采用兩段波長，分別為724 nm 和810 nm 來測量局部血紅蛋白（hemo?globin，Hb）氧含量的變化，以改良朗伯－比爾定律及光散射理論為基礎(chǔ)，利用氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白含（HHb）光吸收系數(shù)差別，直接測得HbO2和總Hb 的比值，從而計算出HbO2飽和度。NIRS 不同于傳統(tǒng)動脈氧飽和度監(jiān)測：NIRS 有1 個發(fā)射電極及2 個可以接收不同組織信號的電極。第1 個接收電極（距離發(fā)射電極3 cm 的位置）可以提供淺表組織的信號，如皮膚、骨骼等腦外組織；第2個接收電極（距離發(fā)射電極4 cm 的位置），能夠分析深部腦組織的信號。

NIRS 廣泛應(yīng)用于圍術(shù)期rScO2的監(jiān)測，一方面，從NIRS 所監(jiān)測的數(shù)據(jù)來看，可以獲得以下信息：①可直接反映腦組織氧合狀況；②可反映總Hb 變化，間接反映腦血流動力學變化；③可反映腦組織細胞對氧的利用過程，由此反映腦組織氧代謝信息。另一方面，由于腦組織微循環(huán)由動脈、靜脈、毛細血管組成（靜脈約占70%～80%），所以，應(yīng)用NIRS 技術(shù)監(jiān)測的rScO2并非是動脈或者靜脈的HbO2濃度，而是混合的rScO2，主要代表靜脈部分。因此，在動脈搏動較弱、血壓較低、CPB 平流灌注、深低溫、停循環(huán)等情況下的使用不受限制。

2 rScO2基礎(chǔ)值及臨界值

rScO2的基礎(chǔ)值根據(jù)患者人群和NIRS 儀器的不同而有所不同，具有顯著的個體間和個體內(nèi)差異。健康兒童rScO2基礎(chǔ)值大約為69%，嬰兒約為64%［4］。雖然大部分研究發(fā)現(xiàn)兒童和嬰幼兒rScO2基礎(chǔ)值在60%～70%范圍內(nèi)，但有研究報告剛出生2～3 d 的新生兒其rScO2高達77.9%［5］。然而許多患有先心病的兒童中，rScO2顯著低于健康兒童，這可以用解剖和生理因素（紫紺與非紫紺比，存在心室或動脈水平的左向右分流）來解釋。紫紺型心臟病患兒rScO2為40%～60%，大動脈轉(zhuǎn)位新生兒的rScO2的基線值可能低于50%［6］。在臨床應(yīng)用中，如果患者的rScO2低于上述正常范圍，則應(yīng)將其視為具有與腦損傷相關(guān)的異常基線值。

臨界rScO2值，又稱腦缺氧缺血性（H－I）閾值，低于這一閾值，持續(xù)的缺氧和／或缺血將導致神經(jīng)生理損傷、腦代謝功能障礙和不可逆轉(zhuǎn)的腦組織形態(tài)學損傷。對于成人來說，許多研究證明，術(shù)中rScO2下降超過基線值15%～20%或rScO2絕對值低于50%，提示大腦氧供不足［7］。與成人不同，尚沒有充分臨床研究說明兒童腦H－I 閾值具體是多少。在相關(guān)動物研究中，Kurth［8］等人發(fā)現(xiàn)在新生仔豬中，H－I 閾值為33%～44%；在一項后續(xù)研究中，H－I 閾值（rScO2為35%）的時間窗為2 h，超過2 h，異常神經(jīng)行為結(jié)果和神經(jīng)損傷呈線性增加［9］。Hou［10］等人發(fā)現(xiàn)，高乳酸血癥和代謝性酸中毒與30%～40%范圍的rScO2相關(guān)，雖然腦電圖未見明顯改變，但存在組織缺血性改變，包括海馬線粒體損傷。

3 NIRS 監(jiān)測rScO2結(jié)果的影響因素

rScO2是反映腦部氧合狀況的敏感指標，它的大小取決于腦組織的氧供和氧耗之間的平衡，凡是影響腦灌注、腦代謝及腦氧供／氧耗的因素，都能夠影響rScO2。NIRS 在臨床使用過程中的影響因素較多，特別是在嬰幼兒心臟手術(shù)圍手術(shù)期，因此，結(jié)合患兒的病理生理及CPB 過程進行綜合分析是必要的。作者將從以下三方面探討影響rScO2結(jié)果的因素。

3.1 腦血流自動調(diào)節(jié)（cerebral autoregulation，CA）功能 腦血管可隨血壓的變化自動調(diào)節(jié)顱內(nèi)灌注壓，在心臟手術(shù)中，當平均動脈壓（mean arterial pressure，MAP）波動于43～90 mmHg，機體可通過腦血管的自主調(diào)節(jié)功能，維持正常的腦血流量，即CA。而當MAP 變化較大時，腦灌注就會受到影響［11］。CPB 中的血壓應(yīng)該維持在CA 的壓力范圍內(nèi)，而最佳血壓是指具有最佳CA 功能的血壓。然而，Joshi［12］等研究顯示，CPB 中CA 下限壓力范圍很廣，且存在廣泛的個體變異，很難基于術(shù)前人口統(tǒng)計學和血壓數(shù)據(jù)預(yù)測。Ono［13］等報道，CPB 中20%的患者CA 功能受損；且在復溫過程中，受損比例是低溫時的兩倍。并且，Hoshino［14］等回顧分析了CPB下行房間隔缺損或室間隔缺損手術(shù)患兒，發(fā)現(xiàn)CA機制在嬰幼兒是不成熟的。因此，CPB 中嬰幼兒腦灌注更容易受到MAP 波動的影響。另外，一項觀察性前瞻性研究發(fā)現(xiàn)低齡兒童在心臟手術(shù)中更容易發(fā)生由低血壓引起的腦缺血［15］。

3.2 腦的氧供與氧耗 CPB 期間的全身氧供（oxy?gen delivery，DO2）通過泵流量乘以動脈血氧含量來計算，所以泵流量、動脈氧分壓（PaO2）、動脈氧飽和度（SaO2）、Hb 濃度等變化都直接影響腦的氧供。CPB 中，膜肺氧合性能下降、灌注流量不足、血液稀釋程度過大、大量側(cè)枝循環(huán)等因素都會影響腦的氧供，導致rScO2下降。針對嬰幼兒CPB，在膜肺、體外管路及插管的選擇、輸血指征等方面，既要最大限度地降低預(yù)充量，做到節(jié)約用血、甚至無血預(yù)充，同時也要提供足夠的灌注流量、維持合適的血液稀釋，以保證患兒安全。對于嚴重紫紺的嬰幼兒，術(shù)中大量側(cè)枝循環(huán)會影響重要臟器的灌注，應(yīng)該加強NIRS及其它氧代謝指標，如靜脈氧飽和度、乳酸（lactic acid，Lac）、DO2及氧耗的監(jiān)測，從而指導流量及溫度管理。而灌注含血心臟停搏液及使用超濾等情況下產(chǎn)生的不可避免的部分分流，也會一定程度地影響機體灌注流量，導致rScO2下降，臨床操作上應(yīng)該通過增加泵流量進行補償。同時，一項前瞻性研究發(fā)現(xiàn)CPB 前和CPB 結(jié)束早期血流動力學不穩(wěn)定、且無低溫保護，是腦DO2不足的易感期［16］。因此，在監(jiān)測rScO2時，要充分考慮不同CPB 時期泵流量、PaO2、SaO2、Hb 濃度對腦氧的影響。有關(guān)先心病手術(shù)后低氧血癥原因的研究結(jié)果顯示，先心病手術(shù)風險分級評估（RACHS－1）高的患者，術(shù)后rScO2降低幅度更明顯。而術(shù)前存在紫紺、左向右分流的患兒，術(shù)中也同樣更容易出現(xiàn)低氧合狀態(tài)［17］。

另一方面，麻醉深度、體溫變化、機體酸堿代謝（pH）和Lac 以及二氧化碳分壓（PaCO2）的改變都會影響腦代謝，從而影響腦的氧耗。最顯著的是，CPB復溫過程中，尤其是復溫過快時，rScO2會明顯下降，原因為升溫導致的腦代謝和腦氧耗增加超過腦血流量增加。針對先心病患兒的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)中rScO2與體溫及pH 存在負性關(guān)系，原因在于體溫升高及pH 降低時，機體腦代謝增強，腦氧供需失衡所致［18］。在嬰幼兒全麻過程中，腦血流量受血PaCO2和PaO2水平的影響，如果存在過度通氣，會導致心排血量減少，進而導致腦血流減少；有研究表明在患有呼吸窘迫綜合征的嬰兒中，低rScO2值可能與術(shù)前人工通氣有關(guān)［19］。而CPB 中PaCO2水平也會直接影響腦血流，低溫下CO2溶解度增加而導致PaCO2下降，而術(shù)野沖洗CO2時會導致PaCO2增高，應(yīng)該適當調(diào)整膜肺通氣量以增加CO2排出，維持合適的PaCO2。

3.3 其他因素 CPB 中，上腔靜脈引流不暢、氣栓、血栓也會影響rScO2監(jiān)測結(jié)果。嬰幼兒CPB 心臟手術(shù)常應(yīng)用多位點NIRS 監(jiān)測，監(jiān)測部位及監(jiān)測時間點會共同影響局部組織氧飽和度，有關(guān)研究表明術(shù)中及術(shù)后rScO2持續(xù)低于身體其他部位局部組織氧飽和度［20］。研究還發(fā)現(xiàn)，除了腦組織本身對rScO2的影響，顱外、血管活性藥物等因素也能干擾rScO2［15］。

4 NIRS 在嬰幼兒心臟手術(shù)圍術(shù)期應(yīng)用的臨床研究

4.1 與術(shù)后中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的相關(guān)研究 盡管嬰幼兒心臟外科及CPB 技術(shù)日趨完善，然而腦卒中、腦損傷、神經(jīng)認知功能障礙等術(shù)后中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥仍然是其面臨的重要挑戰(zhàn)。NIRS 在心臟手術(shù)圍術(shù)期的應(yīng)用最早可追溯到1995 年，Kurth［21］等人發(fā)現(xiàn)短暫的深低溫停循環(huán)與不良的神經(jīng)功能預(yù)后相關(guān)，并且腦氧飽和度的降低程度和年齡相關(guān)。同時Austin［22］等人首次將NIRS 應(yīng)用于兒童CPB 下心臟手術(shù)的多模式神經(jīng)功能監(jiān)測，結(jié)果顯示能顯著改善患兒短期及長期的神經(jīng)功能預(yù)后。隨后多項研究證實心臟手術(shù)圍術(shù)期NIRS 監(jiān)測rScO2確實能夠降低患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥［23－24］。然而，一項關(guān)于先心病患兒心臟手術(shù)治療的系統(tǒng)評價得出結(jié)論［25］，沒有證據(jù)表明rScO2監(jiān)測和管理可以改善此類患者人群短期臨床神經(jīng)認知功能方面的結(jié)局。關(guān)于NIRS 應(yīng)用于嬰幼兒心臟手術(shù)是否能改善神經(jīng)認知功能預(yù)后，目前還需要大樣本隨機對照臨床研究進一步證實。但圍術(shù)期應(yīng)用NIRS 監(jiān)測rScO2，可及早發(fā)現(xiàn)腦灌注不足并進行及時的干預(yù)，進而減少嬰幼兒心臟術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的發(fā)生。

4.2 與術(shù)后低心排血量綜合征（1ow cardiac output syndrome，LCOS）及近期預(yù)后的相關(guān)研究 LCOS 是嬰幼兒復雜型先心病術(shù)后常見的嚴重并發(fā)癥，發(fā)病率約25%，也是術(shù)后患兒死亡的主要原因［26－27］。隨著NIRS 監(jiān)測技術(shù)的成熟，臨床上越來越多用于預(yù)測心臟術(shù)后早期LCOS 狀態(tài)以及近期預(yù)后情況。Zulueta［26］等回顧22 例先心病，手術(shù)發(fā)現(xiàn)9 例發(fā)生術(shù)后LCOS 的患兒，其術(shù)中rScO2持續(xù)＜50%，并且這些患兒術(shù)后需要更多正性肌力藥物、低溫治療以及體外生命支持。隨后一項納入27 例先心病患兒的研究顯示，11 例術(shù)后發(fā)生LCOS 患兒術(shù)中的肝臟NIRS 平均監(jiān)測數(shù)值要低于另外16 例術(shù)后沒有發(fā)生LCOS 患兒的監(jiān)測數(shù)值（49% vs.66%）［28］。近期的一項關(guān)于NIRS 在危重癥嬰幼兒中應(yīng)用的系統(tǒng)評價也報道，NIRS 監(jiān)測有助于發(fā)現(xiàn)LCOS 并及時進行干預(yù)［27］。但是如果要明確NIRS 監(jiān)測與LCOS 的關(guān)系，還需要大樣本隨機對照臨床研究來進一步證實。

另一方面，NIRS 監(jiān)測是否與圍手術(shù)期轉(zhuǎn)歸和近期預(yù)后存在相關(guān)性，已經(jīng)在一些研究中得到了證實。Suemori［29］等對399 例先心病患兒在手術(shù)前和手術(shù)后采用NIRS 監(jiān)測，研究發(fā)現(xiàn)術(shù)中rScO2低的患兒術(shù)后氣管拔管時間延遲、ICU 停留時間延長。隨后也有研究顯示，氣管拔管前的rScO2值可作為能否成功氣管拔管的預(yù)測因子［30］。另外，術(shù)中持續(xù)低rScO2可能增加術(shù)后死亡率以及復合并發(fā)癥發(fā)生率。由此可見，NIRS 監(jiān)測能夠提供血流動力學或氧代謝損害的早期預(yù)警信號，進行早期和快速干預(yù)能夠預(yù)防或減少可能危及生命的并發(fā)癥。

4.3 與CPB 目標導向灌注（goal－directed perfusion，GDP）的相關(guān)研究 GDP 是近年提出的一種整合各種監(jiān)測手段的精細化、個體化CPB 灌注策略［31］，具體是通過監(jiān)測CPB 期間氧供指數(shù)（indexed oxygen dilivery，DO2i）等氧代謝指標、指導灌注流量及血壓管理，而NIRS 則可以通過直接監(jiān)測rScO2來指導灌注方案。Haydin［32］等首次將NIRS 應(yīng)用于指導灌注流量調(diào)節(jié)，與血壓相比、根據(jù)NIRS 值調(diào)節(jié)灌注流量可能更準確，更能反映機體氧供狀態(tài)。隨后，關(guān)于應(yīng)用NIRS 監(jiān)測腦血流自動調(diào)節(jié)能力的研究表明，CPB期間CA 的MAP 低限有較大的變化范圍（43～97 mmHg），單靠CA 曲線不能準確預(yù)測維持腦血流的最低MAP，用rScO2作為CPB 時血壓控制的靶向指標，可使血壓管理更加準確［11，33］。最新研究顯示，與單純監(jiān)測rScO2相比，NIRS 衍生的腦血流自動調(diào)節(jié)指數(shù)可能是一種更可靠的腦生理和神經(jīng)認知預(yù)后的指標，腦血流自動調(diào)節(jié)功能監(jiān)測引導的灌注壓力管理，即所謂的最佳血壓是可行的，這種個體化CPB 血壓管理策略可能會改善患者臨床預(yù)后［11］。并且，近年來，隨著NIRS 技術(shù)在直接測量組織氧合方面的技術(shù)進步，能有效減少各種干擾因素的影響，NIRS 監(jiān)測通過準確反映術(shù)中不同階段的rScO2，可敏感地檢測到組織缺血缺氧及低灌注階段。Amigo?ni 等通過評估16 位嬰幼兒CPB 缺血缺氧最可能發(fā)生的階段，發(fā)現(xiàn)CPB 前及胸骨切開后rScO2波動最大［34］。將NIRS 應(yīng)用于最可能發(fā)生缺血缺氧的階段、來指導灌注流量，可以早期發(fā)現(xiàn)CPB 中組織器官的低灌注狀態(tài)，并及時進行干預(yù)，提高CPB 質(zhì)量，改善患者愈后。

4.4 NIRS 監(jiān)測其它組織氧合 雖然NIRS 技術(shù)多用于監(jiān)測rScO2，但越來越多研究證明NIRS 可應(yīng)用于其他組織（如下肢、腎臟、小腸）。近期幾項對嬰幼兒心臟手術(shù)圍術(shù)期采用NIRS 監(jiān)測腎臟氧飽和度（renal oxygen saturation，RSO2）的小規(guī)模臨床研究發(fā)現(xiàn)，長時間的低RSO2與心臟術(shù)后急性腎損傷（cardiac surgery associated acute kidney injury，CSAKI）的發(fā)生相關(guān)。Ruf［35］等發(fā)現(xiàn)RSO2降低與術(shù)后24 h 乳酸升高相關(guān)，提示NIRS 監(jiān)測RSO2可以早期發(fā)現(xiàn)患兒血流動力學變化并預(yù)測CS－AKI 的發(fā)生。Owens［36］等對40 例接受雙心室矯治術(shù)的嬰兒進行連續(xù)NIRS 監(jiān)測局部RSO2，RSO2值＜50%持續(xù)超過2 h 可預(yù)測術(shù)后48 h 內(nèi)CS－AKI 的發(fā)生。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，心臟手術(shù)術(shù)后發(fā)生壞死性腸炎的嬰兒，其腸道氧飽和度更低［37］。盡管許多研究證實NIRS 在腎、腸等臟器應(yīng)用的優(yōu)越性，但腦組織的應(yīng)用目前還是最為廣泛的，與CPB 中組織低灌注最為相關(guān)，而其他組織的應(yīng)用，例如腎、小腸，由于局部肌肉及組織的干擾，可能并不能顯示真正器官的氧合狀態(tài)［20］。然而，一項關(guān)于NIRS 在先心病中應(yīng)用的綜述指出［27］，多位點NIRS 監(jiān)測（如rScO2聯(lián)合RSO2）可以提高NIRS 監(jiān)測全身低灌注的靈敏度、準確度和陽性預(yù)測值。由此可見，NIRS 監(jiān)測不僅可應(yīng)用于腦，還可以監(jiān)測其他部位（比如腎、腸）的氧飽和度，并且能夠預(yù)測術(shù)后的某些并發(fā)癥。

5 局限

NIRS 監(jiān)測的臨床應(yīng)用仍有一些局限［38］：①rScO2受到許多影響因素的干擾，例如顱外組織的信號干擾及顱外血液循環(huán)，在分析NIRS 設(shè)備的數(shù)據(jù)時，考慮干擾因素這一點尤為重要；②由于NIRS 缺乏普遍接受的正常／異常值、閾值事件的定義和標準化的算法，NIRS 監(jiān)測結(jié)果的解釋仍存在很大爭議，這意味著NIRS 目前最好被用作趨勢參數(shù)監(jiān)測腦氧飽和度；③NIRS 只能反映局部組織的氧飽和度，而對于該器官全部的氧飽和度情況，需要結(jié)合其他血流動力學相關(guān)指標；④NIRS 在嬰幼兒大腦以外的臟器組織監(jiān)測中的應(yīng)用受限于患兒的身高和體重，以及容易受到局部組織和肌肉的影響。

6 展望及結(jié)論

NIRS 應(yīng)用技術(shù)作為一種新型的監(jiān)測手段，能夠準確反映腦部血流動力學的變化。與成人相比，嬰幼兒有更高的機體代謝率及氧需求量，更不易耐受缺血缺氧，尤其是大腦。因此，在嬰幼兒心臟手術(shù)圍術(shù)期管理中利用NIRS 監(jiān)測rScO2、反映腦氧合狀態(tài)具有重要價值。隨著人們對NIRS 的進一步了解，相信這項技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，未來NIRS 技術(shù)在嬰幼兒心臟手術(shù)圍術(shù)期的發(fā)展應(yīng)用包括以下幾個方面：①術(shù)前風險分層［39］，應(yīng)用NIRS 監(jiān)測進行手術(shù)風險評估；②進一步研究rScO2與傳統(tǒng)的有創(chuàng)監(jiān)測組織灌注指標（頸靜脈血氧飽和度、腦組織氧分壓）等參數(shù)的相關(guān)性，并與這些腦氧監(jiān)測技術(shù)進行多模式聯(lián)合監(jiān)測，實時、準確反映嬰幼兒心臟手術(shù)圍術(shù)期的腦氧供需平衡變化；③應(yīng)用NIRS 衍生的腦血流自動調(diào)節(jié)指數(shù)，指導CPB 中及圍術(shù)期的個體化血壓管理。