近紅外光譜在嬰幼兒心臟手術圍術期的應用及研究進展

章 燕（綜述），周榮華（審校）

先天性心臟?。ㄏ刃牟。┦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后神經系統(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、紫紺患兒大量側枝循環(huán)、低溫及復溫、腦血流自主調節(jié)功能改變等，直接影響術中腦灌注及腦氧供需平衡，而導致術后神經認知功能障礙；而不合理的高灌注則會導致栓塞、血液破壞，也會增加術后譫妄等神經系統(tǒng)并發(fā)癥。并且，對于復雜先心病手術，尤其是紫紺型心臟病患兒，術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系統(tǒng)并發(fā)癥的表現，因此圍術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，這對于滿足圍術期腦灌注，優(yōu)化麻醉、CPB 及圍術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圍術期的應用進行綜述，旨在探討NIRS 在嬰幼兒心臟手術圍術期的臨床價值及應用前景，為其進一步的臨床研究及應用提供指導依據。

1 NIRS 監(jiān)測基本原理

應用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，利用氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白含（HHb）光吸收系數差別，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 廣泛應用于圍術期rScO2的監(jiān)測，一方面，從NIRS 所監(jiān)測的數據來看，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，應用NIRS 技術監(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基礎值及臨界值

rScO2的基礎值根據患者人群和NIRS 儀器的不同而有所不同，具有顯著的個體間和個體內差異。健康兒童rScO2基礎值大約為69%，嬰兒約為64%［4］。雖然大部分研究發(fā)現兒童和嬰幼兒rScO2基礎值在60%～70%范圍內，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%，大動脈轉位新生兒的rScO2的基線值可能低于50%［6］。在臨床應用中，如果患者的rScO2低于上述正常范圍，則應將其視為具有與腦損傷相關的異?；€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／或缺血將導致神經生理損傷、腦代謝功能障礙和不可逆轉的腦組織形態(tài)學損傷。對于成人來說，許多研究證明，術中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。在相關動物研究中，Kurth［8］等人發(fā)現在新生仔豬中，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，異常神經行為結果和神經損傷呈線性增加［9］。Hou［10］等人發(fā)現，高乳酸血癥和代謝性酸中毒與30%～40%范圍的rScO2相關，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圍手術期，因此，結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結果的因素。

3.1 腦血流自動調節(jié)（cerebral autoregulation，CA）功能 腦血管可隨血壓的變化自動調節(jié)顱內灌注壓，在心臟手術中，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 中的血壓應該維持在CA 的壓力范圍內，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，很難基于術前人口統(tǒng)計學和血壓數據預測。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患兒，發(fā)現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)現低齡兒童在心臟手術中更容易發(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充量，做到節(jié)約用血、甚至無血預充，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，術中大量側枝循環(huán)會影響重要臟器的灌注，應該加強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，臨床操作上應該通過增加泵流量進行補償。同時，一項前瞻性研究發(fā)現CPB 前和CPB 結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。有關先心病手術后低氧血癥原因的研究結果顯示，先心病手術風險分級評估（RACHS－1）高的患者，術后rScO2降低幅度更明顯。而術前存在紫紺、左向右分流的患兒，術中也同樣更容易出現低氧合狀態(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研究發(fā)現，術中rScO2與體溫及pH 存在負性關系，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值可能與術前人工通氣有關［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，而術野沖洗CO2時會導致PaCO2增高，應該適當調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)測結果。嬰幼兒CPB 心臟手術常應用多位點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，有關研究表明術中及術后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，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 在嬰幼兒心臟手術圍術期應用的臨床研究

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

4.2 與術后低心排血量綜合征（1ow cardiac output syndrome，LCOS）及近期預后的相關研究 LCOS 是嬰幼兒復雜型先心病術后常見的嚴重并發(fā)癥，發(fā)病率約25%，也是術后患兒死亡的主要原因［26－27］。隨著NIRS 監(jiān)測技術的成熟，臨床上越來越多用于預測心臟術后早期LCOS 狀態(tài)以及近期預后情況。Zulueta［26］等回顧22 例先心病，手術發(fā)現9 例發(fā)生術后LCOS 的患兒，其術中rScO2持續(xù)＜50%，并且這些患兒術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 例術后發(fā)生LCOS 患兒術中的肝臟NIRS 平均監(jiān)測數值要低于另外16 例術后沒有發(fā)生LCOS 患兒的監(jiān)測數值（49% vs.66%）［28］。近期的一項關于NIRS 在危重癥嬰幼兒中應用的系統(tǒng)評價也報道，NIRS 監(jiān)測有助于發(fā)現LCOS 并及時進行干預［27］。但是如果要明確NIRS 監(jiān)測與LCOS 的關系，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)測是否與圍手術期轉歸和近期預后存在相關性，已經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前和手術后采用NIRS 監(jiān)測，研究發(fā)現術中rScO2低的患兒術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測因子［30］。另外，術中持續(xù)低rScO2可能增加術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警信號，進行早期和快速干預能夠預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（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 應用于指導灌注流量調節(jié)，與血壓相比、根據NIRS 值調節(jié)灌注流量可能更準確，更能反映機體氧供狀態(tài)。隨后，關于應用NIRS 監(jiān)測腦血流自動調節(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節(jié)指數可能是一種更可靠的腦生理和神經認知預后的指標，腦血流自動調節(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后［11］。并且，近年來，隨著NIRS 技術在直接測量組織氧合方面的技術進步，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CPB 前及胸骨切開后rScO2波動最大［34］。將NIRS 應用于最可能發(fā)生缺血缺氧的階段、來指導灌注流量，可以早期發(fā)現CPB 中組織器官的低灌注狀態(tài)，并及時進行干預，提高CPB 質量，改善患者愈后。

4.4 NIRS 監(jiān)測其它組織氧合 雖然NIRS 技術多用于監(jiān)測rScO2，但越來越多研究證明NIRS 可應用于其他組織（如下肢、腎臟、小腸）。近期幾項對嬰幼兒心臟手術圍術期采用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，長時間的低RSO2與心臟術后急性腎損傷（cardiac surgery associated acute kidney injury，CSAKI）的發(fā)生相關。Ruf［35］等發(fā)現RSO2降低與術后24 h 乳酸升高相關，提示NIRS 監(jiān)測RSO2可以早期發(fā)現患兒血流動力學變化并預測CS－AKI 的發(fā)生。Owens［36］等對40 例接受雙心室矯治術的嬰兒進行連續(xù)NIRS 監(jiān)測局部RSO2，RSO2值＜50%持續(xù)超過2 h 可預測術后48 h 內CS－AKI 的發(fā)生。另外，也有研究發(fā)現，心臟手術術后發(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、腸等臟器應用的優(yōu)越性，但腦組織的應用目前還是最為廣泛的，與CPB 中組織低灌注最為相關，而其他組織的應用，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，一項關于NIRS 在先心病中應用的綜述指出［27］，多位點NIRS 監(jiān)測（如rScO2聯合RSO2）可以提高NIRS 監(jiān)測全身低灌注的靈敏度、準確度和陽性預測值。由此可見，NIRS 監(jiān)測不僅可應用于腦，還可以監(jiān)測其他部位（比如腎、腸）的氧飽和度，并且能夠預測術后的某些并發(fā)癥。

5 局限

NIRS 監(jiān)測的臨床應用仍有一些局限［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 設備的數據時，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，需要結合其他血流動力學相關指標；④NIRS 在嬰幼兒大腦以外的臟器組織監(jiān)測中的應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 展望及結論

NIRS 應用技術作為一種新型的監(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，在嬰幼兒心臟手術圍術期管理中利用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，相信這項技術具有廣泛的應用前景，未來NIRS 技術在嬰幼兒心臟手術圍術期的發(fā)展應用包括以下幾個方面：①術前風險分層［39］，應用NIRS 監(jiān)測進行手術風險評估；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）等參數的相關性，并與這些腦氧監(jiān)測技術進行多模式聯合監(jiān)測，實時、準確反映嬰幼兒心臟手術圍術期的腦氧供需平衡變化；③應用NIRS 衍生的腦血流自動調節(jié)指數，指導CPB 中及圍術期的個體化血壓管理。