脑氧合监测的新进展 一项在心脏骤停和神经系统急症中的创新型应用

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脑氧合监测的新进展 一项在心脏骤停和神经系统急症中的创新型应用

来源： 徐谦 董士民 急诊医学资讯

An Update on Cerebral Oxygenation Monitoring, an Innovative Application in
Cardiac Arrest and Neurological Emergencies
B. Schneider, T. J. Abramo, and G. Albert
（Annual Update in Intensive Care and Emergency Medicine 2015,Edited by
J.-L.Vincen）

徐谦译 河北医科大学第三医院急诊医学科 董士民审校

简介

本文对大脑近红外光谱学（NIRS）——现称“脑血氧定量法”做一综述。 将介绍有关近期摘要和脑血氧定量法的相关研究，并讨论其在危重症和成人外伤及儿科患者中的潜在作用。 本文还将讨论某些脑血氧测定仪具有评估局部血流的功能， 这类似脉搏血氧仪的外周灌注指数（PPI）。

中枢神经系统是重症医学中监测方法最少的器官。中枢神经系统的监测通常是通过全身生理参数， 如心率、 血压和脉氧等间接数据来反映。 然而这些参数虽能够详细反映外周组织氧合情况， 但中枢神经系统的氧合只能依靠大致推测得出。在现实中， 我们对心血管系统和肺脏的监测有一定的准确度， 但无法精确确定重症及外伤患者大脑的生理状态［1,2］。 虽然脑损伤的病理生理学很复杂， 但有两个关键因素：1.氧输送减少低于阈值； 2.氧利用率受损导致脑组织损伤[1 -4] 。

尽管一些大脑疾病的病生理过程有自身特异性，但最常见的是大脑局部血[2]。该脑缺血的发生是由于大脑局部血供与组织代谢需求比例失衡所导致[1-4]。 使永久性神经损伤最小化甚至阻止其发生有一个关键的时间窗[1-5， ] 但常因大脑局部组织缺氧/缺血监测不准确或不能被监测到而错过有利机会。

在过去25年里， 非侵入性中枢神经系统监测存在技术上的困难。 最近12年，在疾病损伤关键阶段的治疗上取得了巨大成功。 大多数中枢神经监测系统通过侵入性方法监测大脑血流动力学或电活动/生理机制。 没有一种监测系统能够真实的反映大脑半球生理机能与氧灌注、 代谢需求、 氧摄取及氧不足的关系。足够的组织氧合是有氧代谢的先决条件， 抢救治疗的目标旨在维持、 修复或优化组织氧合。 有一项在成人和儿童进行的关于临床监测和评估组织氧合的挑战性研究。 某一区域的缺血是导致危重症和外伤患者死亡率和并发症升高的主要原因，而当前的全身监测系统未能发现该缺血区域。 人们研究多种非侵入性监测方法来发现这些隐蔽的缺血灶， 并进一步指导治疗[1,4-8] 。

脑血氧监测技术

通过近红外光谱检测脑血氧定量是一项评估并动态观察局部脑组织氧饱和度(rcSO2)的局部组织监测技术。这些rcSO2数值提供下列组织生理学参数：组织氧含量，血流量， 氧摄取和大脑的其他潜在变量[1-5] 。 相比之下， 传统的脉氧定量法反映动脉氧合血红蛋白， 而脑血氧定量法反映局部静脉组织氧合血红蛋白。 这种脑血氧定量技术已经广泛在成人及儿科临床实践中得到评估与验证， 包括心血管外科、 神经外科和神经-创伤重症监护室。正常的成人及小儿大脑rcSO2 (%O2HB)范围是60-70% 。不同的脑血氧测量仪的rcSO2范围在0-99%或15-99%[7-9]。 在众多脑血氧定量研究中，rcSO2值在非存活患者中非常低（0或15%） ， 或在某些情况下非常高（＞95%）[7-9] 。进一步研究表明实际上该95%数值代表在局部采样区混入或收集到了动脉血，该部分血中氧气尚未从血红蛋白解离[7-10] 。 一些脑血氧定量仪器在没有新陈代谢及血液灌注的“脑死亡局部组织”，测到的rcSO2值为0%，但这并不代表氧气结合血红蛋白的真实情况。 15% rcSO2(% O2Hb)在INVOS脑血氧定量法解释为该组织无新陈代谢或无灌注， 或组织氧合血红蛋白未解离[9-11]。 15% rcSO2代表该区域不可逆或永久的氧合血红蛋白的百分比。 低水平或呈下降趋势的rcSO2表明采样区低氧，和/或灌注减少或氧摄取增加。 在儿童脑血氧定量研究中，已经确认在手术室或急症等多种临床情况下， rcSO2的变化与异常脑生理学有一一对应关系[1,10-12] 。 在最近一项成人及儿童研究中，经放射学证实左右侧rcSO2数值出现差异或局部较低与异常脑生理学和/或病理损伤（硬膜外、 硬膜下或脑实质出血）血肿相关[10-12] 。

脉氧测定法与脑血氧定量法的区别在于， 脉氧测定法的红光透光率受限于动脉搏动， 而脑血氧定量法是连续的读数值[13]。 在没有局部血流， 如在无心搏状态下，甚至没有脑血流灌注时， 仍能获得脑氧合信号。 脉氧测定法测量动脉血红蛋白氧饱和度， 而脑血氧定量法测定局部组织血管床的血红蛋白，包括脑组织、 动脉和静脉血。 动静脉血比例为25:75， 主要测量大脑静脉血氧饱和度， 能反映大脑对氧的供求平衡。 脑血氧定量法测量会受血氧、脑血流量、 血红蛋白浓度及脑代谢率的影响[1-5,9-12]。

脉氧定量法可以通过检测氧合血红蛋白经过传感器的变化来检测动脉血容量的相对变化， 这一表示局部灌注趋势的参数称作灌注指数。 除此之外， 某些脑血氧定量仪器除了能通过脉氧定量法PPI系统等专有内部系统评估局部组织氧饱和度之外，还能通过光源通路进入氧合血红蛋白来表示局部灌注指数。

INVOS近红外光谱脑血氧定量仪有类似的功能来监测并观察局部组织血红蛋白流量和体积的变化趋势， 称为脑血容量指数（CBVI）。 在心血管外科通过INVOS 5100测量的脑血容量指数已经证实能够预测血流量和术后缺血相关脑损伤的关系。脑血容量指数表示为-50至+50的数字。 -50在对患者进行测量之前，监测仪启动时由仪器内部校准系统设定[12] 。该信号强度与血红蛋白通过光通路的总百分比成比例。 如果CBVI为负值，说明仅有很少量血流通过。 CBVI为正数表明局部血流量增加[12] 。 如果血红蛋白浓度稳定，则该信号强度应该与通过光通路的氧合血红蛋白成正比，从而获得CVBI数值[12] 。

包括或不包括脑血容量指数的脑血氧定量法已广泛用于新生儿及儿科神经系统疾病中。 许多儿童脑血氧定量研究已经证明，在多种神经系统疾病中rcSO2的变化与异常脑生理学有对应关系。 脑血氧定量法和脑血容量指数监测技术已经作为一种神经系统非创伤性监测技术用于儿童和成人心血管手术中大脑病理学和灌注的监测（用于缺血性事件和结果评估） [12] 。 在成人和儿科神经系统突发事件中， 如精神状态改变、 脑外伤伴硬膜外或硬膜下血肿及更为广泛的创伤性脑损伤， 含有脑血容量指数的脑血氧定量法展示出优势。最近的成人与儿科研究表明， 左侧与右侧rcSO2读数的差异及局部低rcSO2与异常大脑半球生理/病理及放射病理学相关[12] 。

不同的脑血氧定量仪有其特定的检测系统。 脑血氧定量仪需要一条或窄或宽的局部组织采样区。 窄的采样区组织取样更精确， 但可能错过更广泛的缺血区而导致抽样误差更高。这样可能造成局部组织缺血假阴性表现。 相对于可能完全漏掉缺血区域的窄采样区脑血氧定量仪而言，宽采样区的脑血样定量仪给出的采样区域更大，从而提高发现局部异常的几率。

真正的人类脑血氧定量法研究在现实中是不切实际的，对患者而言也是危险的。脑血氧定量法rcSO2值与颈内静脉血氧饱和度（SjvO2）相关， 后者被认为是脑血氧定量法的金指标。固有抽样误差在于SjvO2存在一个不确定变量，颅静脉回流，包括大脑皮层和皮层下组织， 可能是一侧或两侧半球静脉回流及不确定的颅外部分。因此比较左侧或右侧rcSO2值对于SjvO2有重要意义，同时也有固有缺陷。在患者身上验证右侧和左侧rcSO2是不切实际且不符合伦理学。 要真正找到脑rcSO2的绝对值需要在脑血氧监测的特定采样区域放置一个氧气传感探头，并将这两个数值进行关联。 同样， 脉氧测定法无法验证其数值， 但如果从脉氧测定数值能推测动脉血气值， 其假设前提是， 与肺血管换气区域相比， 动脉采样点的氧气从血红蛋白中解离很少[13] 。

脑血氧定量法检测主要集中和使用的医疗机构包括麻醉科、 ICU和心脏ICU等领域。 在这些领域以外的应用受限是因为医疗机构对于技术、 读数解读、 趋势及临床应用的一些误解。 监测装置的价值难以证实是因为其结果可以给出各种各样的解释和临床反应。如果不能理解监测设备与被监测对象之间的相互作用， 那么它可能很容易被误解。 医疗机构需要明白从无创性检测设备获取的数据是来自局部采样组织的一个相对的复合数值，它受局部生理系统和全身生理作用对局部采样区域的影响。医务工作者往往注重一项新的监测系统的绝对值来解释所有的生理参数产生的这些值和趋势。这些无创性检测数值永远不是绝对的， 也不能绝对确认， 因为受采样区域的限制且得到一个真实的样本也是不切实际的。 因此， 我们通过这些非侵入性检查数据推断采样时患者的局部及全身生理状态，来反映他们的临床状态。 脉搏血氧定量法和二氧化碳浓度测定法是采样区域的合成值， 而不是患者的绝对值。 在任何使用脑血氧定量法的临床情况中都要有这个概念。

在众多临床脑血氧定量法研究中， 对脑血氧监测系统有一些误解。 大多数脑血氧定量研究集中于单侧大脑氧合分析，而没有整合左右两侧大脑半球的独特生理机能； 因此， 他们的研究结果阻碍了脑血氧定量法在非侵入性神经病学监测中的发展和接受度。 主要的误解表现在两侧大脑半球没有生理独特性，因此每一侧大脑半球没有其独特的对危重病的生理学应答。 错误观点在于认为脑氧合在所有区域都是一致的， 而非每个半球有其特异性。 因此， 在大脑血氧定量法研究中，将传感器置于前额中间被认为是评估大脑局部氧合的标准。 然而， 在许多疾病状态下， 分别使用左、 右侧前额传感器配置已经证实左、 右侧额叶大脑局部生理学机能具有其独特性。另一个错误观点是枕叶或顶叶局部脑损伤对左侧或右侧额叶区域组织生理功能没有影响。我们的脑血氧定量法研究推翻了这种错误的观点。 我们发现， 大脑半球神经血管系统和代谢系统是动态变化的， 两侧大脑半球之间相互影响， 且非额叶部分病理状态会影响额叶部分脑生理学功能。枕叶部分受损， 不论是对同侧还是对侧大脑半球的额叶组织生理功能都有影响， 表现为局部氧合指标的改变[10-12] 。

在我们的脑血氧定量法研究中， 我们已经证实左右侧半球的脑病理状态具有自身特点。 在脑水肿伴或不伴颅内压升高（ICP）患者，每个患者有其独特的左侧或右侧rcSO2数值。 在大脑血氧定量研究中，左右侧半球rcSO2读数的不同与同侧大脑病理学相关[11] 。 我们还证明脑损伤导致的脑氧合异常会通过降低rcSO2影响对侧大脑生理功能［11］ 。 在成人和儿童脑水肿患者血氧定量法研究显示左右侧rcSO2数值受颅内压升高的影响［11］ 。 ICP下降能有效逆转局部低氧， 表现在rcSO2数值上升[11] 。

近红外光谱研究的另一方面是在各种成人和儿童临床实践中机体局部组织采样测定。这些机体局部组织近红外光谱采样得出的压倒性结论在新生儿和体重10kg以下患者中是最稳定的。 在体重高于10kg的患者， 皮下脂肪组织深部多样化严重妨碍了机体局部组织氧合数值的准确性。由于不同深度的皮下脂肪组织影响了rcSO2数值，使其不能反映机体局部组织氧合的真实情况， 而是更多的反映脂肪组织的灌注。 有很多新生儿大脑和机体局部氧合监测研究证实其在不同的临床情况中的重要性。在新生儿重症监护、 新生儿转运及最近在应用亚低温疗法的新生儿缺血缺氧性脑病中，脑和机体局部血氧测定法已成为一项标准的非侵入性神经系统及机体局部组织氧合监测系统。

总之， 脑血氧监测在危重症和外伤成人及儿科患者中， rcSO2和脑血容量指数（CBVI）是局部组织氧供求的合成值， 后者不同程度的受全身生理学参数的影响。在进行一项神经学临床干预之前，必须考虑到这些rcSO2和CBVI数值不仅代表独立的左侧或右侧大脑半球生理学状态， 还代表该侧大脑半球病理学对同侧和对侧半球组织灌注的影响[10-12] 。 使用单传感器探头分析脑血氧定量法空气进样较多， 因此它不能如实反映左右侧大脑半球的生理学独特性。 使用单传感器采样大大影响了医务工作者对危重和外伤的成人及儿科患者进行脑血氧定量法的临床接受性。左右侧大脑rcSO2和CBVI读数的差异已经表明在监测和定位大脑半球病理学的临床效果[11,12] 。许多调查发现，rcSO2值较基线下降15-20%似乎是指示脑缺血发生的最佳阈值。左侧或右侧rcSO2值低于50%强烈预示重度脑缺血， 表明某种程度的脑病理学改变[10-12] 。 左侧或右侧rcSO2读数高于85%可能表示动脉血淤积或含氧血液停滞， 如蛛网膜下腔出血或硬膜外血肿[10-12] 。不论左侧还是右侧大脑半球rcSO2值为0或15%（取决于不同的脑血氧定量仪）， 均表明没有氧灌注及大脑新陈代谢[10-12] 。
通过对多种临床表现的脑血氧定量法研究的广泛回顾， 以及临床脑血氧定量法儿科研究和脑血氧定量法在儿科急诊和学术机构（阿肯色州儿童医院儿科急诊）的临床经验，我们得出了一项批判性的对儿科创伤和心脏骤停患者rcSO2值、 呼气末二氧化碳和其他心血管监测参数临床思维分析方法（表1）

脑血氧定量法和心脏骤停

心脏骤停时大脑处于低灌注状态， 缺乏氧供。 在这一时期， 缺血启动代谢紊乱的瀑布效应， 最终造成神经元细胞死亡和不可逆的脑损伤[14] 。 神经系统后遗症成为心跳骤停后患者的沉重负担，即使是在自主循环恢复（ROSC）并幸存至出院的患者[15]。 大脑也许是最重要的终末器官， 在心肺复苏术（CPR）中不能常规来评估，而且我们对心肺复苏过程中脑血管生理学发生了什么知之甚少。 从动物模型得到的数据推断表明， 在心脏骤停后12小时脑血流量和代谢需求发生显著变化[16] 。 在其他监测方式（如脉氧定量法、 二氧化碳波形等）几乎不能提供脑生理学有效信息的情况下， 近红外光谱脑血氧定量作为一种很有前景且有效的心肺复苏辅助手段法应运而生[14] 。 脉氧测定法能依靠动脉血流很好的提供外周组织氧合信息， 但在心跳骤停患者脉搏完全消失， 心跳骤停时此法不能提供脑氧合的有效信息。二氧化碳波形图仅能反映心肺复苏术的质量， 不能提供心跳骤停时脑生理学的深层次信息[17] 。
通过脑血氧定量法对心脏骤停患者进行连续脑灌注监测能实时提供关于心脏骤停持续治疗的重要信息。 Abramo等通过一系列病例阐述了非侵入性脑血氧定量法在指导心脏骤停中干预措施的实用性和效果[12] 。 14名脑室-腹腔分流异常导致心脏骤停和/或严重心动过缓的患者通过神经外科分流梳椎或分流外化减轻阻塞后自主循环恢复。 在这些情况下， rcSO2水平达到的最低值（15%） ， 随着心血管系统改善， 颅内压升高减轻，该数值才逐渐恢复正常[12] 。      


几项研究表明，最初低rcSO2值与预后不良和自主循环恢复率降低相关[18-20] 。 Ito等证实，到达医院时的低rcSO2也预示神经学结局[21] 。 这并不是说单一测量结果用于指导复苏效果。 Parnia等发现，尽管许多患者初始rcSO2值均降低（15-21%）， 但实现自主循环恢复的患者复苏末5分钟的rcSO2值有很大差异[22] 。作者强调， 贯穿整个复苏过程的持续监测比单次测量能更好的评估预后， 持续测量能作为一项持续心肺复苏干预措施提高局部脑组织氧饱和度和脑灌注。 例如Abramo等发表的一篇病例分析指出， 尽管长期心衰和肺出血， 呼气末二氧化碳已经失去其预后价值， rcSO2值仍保持在正常值范围50-70% 。这些案例凸显出急诊心肺复苏和持续复苏干预措施在心脑复苏中的有效性，以及脑血氧定量法对常规监测方法失败的心脏骤停患者指导复苏的能力。

脑血氧定量法监测应在自主循环恢复的心脏骤停患者中应持续进行。这是一个至关重要的时期， 低氧损伤神经元末梢引起脑代谢严重紊乱， 最终导致细胞凋亡和脑水肿[14] 。 Ahn等研究发现， 心脏骤停后第一个24小时内rcSO2中位数在63%附近的患者生存率较低， 而中位数在70%的患者后期生存率提高。 值得注意的是， 与一项广泛接受的监测脑氧合的指标SjvO2相比，rcSO2水平与心跳骤停后生存率的研究得出相似的结论[24] 。 未能达到自主循环恢复的患者初始rcSO2水平低，且整个复苏过程中平均rcSO2值均低[8-22,24-26] 。

复苏的未来在于掌握错综复杂的脑灌注，并最终实现脑复苏。 因此， 我们将更多的关注能达到这种理解水平的监测方法。 通过近红外光谱进行的脑血氧定量法是一种能观察心脏骤停患者大脑生理学机能以及自主循环恢复与未恢复患者脑生理机能真正区别的有效工具。脑血氧定量法未来的研究领域在于利用rcSO2值在心肺复苏中进行干预， 脑血氧定量预测心跳骤停后的神经病学预后，及指导心肺复苏终点决策。

脑血氧定量法和神经系统突发事件

脑和机体血氧定量法已经用于重症监护医学很多年，同时也监测脑和肾脏灌注。这种策略的缺点是随着患者体型的增大， 数据可靠性逐渐下降， 10岁以上的患者该结果或多或少有随机性。 另一方面， 因其连续性、 放置探针后需要很少的资源及无创性， 应用脑血容量指数的脑血氧定量法是神经系统突发事件患者理想的脑监测方法。急诊室有多种神经系统突发事件， 包括创伤性脑损伤（TBI） 、 癫痫、 颅内压增高和卒中， 脑血氧定量法在此有很大的潜力。甚至有人证实它在异常脑室-腹腔引流术患者中也是有效的[12] 。虽然这些神经系统疾病状态通过不同的途径引起病生理改变， 但它们最终有一项共同的中心原则， 即它们有独特的大脑生理学功能改变（代谢和血流量）[11,27,28] 。 需要理解的是， 每个半球的大脑（代谢和灌注）生理学具有特异性， 尤其是在脑水肿患者， 独特的患者有独特的大脑半球特性[11,27,28] 。 因此，如果需要对这些患者进行两侧大脑皮质监测， 脑血氧定量法是唯一有效的。 观察这项指标可以帮助临床医生建立脑损伤侧的重点监测，尤其是对大脑病理学（硬膜外、硬膜下和蛛网膜下腔出血）、 癫痫发作和中风[11,27,28] 。

我们已知癫痫发作时， 神经元活动的快速增长导致神经元代谢显著增加，并伴随同侧脑血流量改变[28] 。 通过使用两半球近红外光谱监测， 可以测量两侧半球血流量的相对差异。 Suh等[29]发现脑血流量变化与神经元激活面积呈线性关系。

“时间就是大脑”是卒中治疗和预防中流行且经常被反复强调的格言，总结了脑缺血导致不可逆的、 毁灭性的后果这一非常现实的概念。 通过脑血容量指数监测脑血氧定量能够快速诊断大脑半球代谢和灌注的改变， 因此是诊断和治疗卒中患者的一项很好的方式。研究发现， 脑血氧定量法对检测血管痉挛和蛛网膜下腔出血患者迟发性脑缺血敏感且特异[30] 。 Abramo等[31]对68名疑似儿童卒中患者进行研究，发现通过CBVI监测脑血氧定量法对于识别大脑半球生理和病理变化提示包括硬膜下、 硬膜外血肿，尤其是卒中的脑病理学改变。 他们还注意到，通过CVBI监测脑血氧定量法提供的出血性和缺血性脑血管病患者的数据存在显著的统计学差异[32]。 因此通过CVBI监测脑血氧定量法在脑血管疾病病理学，尤其是卒中的治疗和预防中有很好的发展前景。

创伤性脑损伤是一个广义的诊断，包括跨越不同年龄段的外伤所致死亡和残疾。局部缺血在创伤性脑损伤中是大脑灌注压改变的结果， 后者由低血压、 颅内压升高和缺氧相互作用发展而来。创伤性脑损伤还会改变脑血管阻力[4] 。 脑血氧定量法能通过测量rcSO2改变监测脑灌注压变化，且研究表明， 脑血氧定量法可能有助于监测脑灌注压[4] 。

脑血氧定量法，尤其是通过脑血容量指数监测， 是一项非常宝贵的工具， 能可靠且无创的监测大脑半球生理学功能。 它在许多不同的急救和紧急处置中有着广泛的应用范围。 该方法安全、相对廉价， 且跨年龄段、 跨学科得到验证。 脑血氧定量法在非侵入性神经系统监测领域具有非常好的发展前景。

结论
在重症监护和急诊医学通常会遇到几种临床情况， 有破坏大脑血氧供需平衡的潜在可能， 暴露出脑缺血和永久性神经损伤的风险。 经典的临床监测工具如氧饱和度、心率、 呼吸频率、 血压和呼气末二氧化碳不能检测到大脑局部组织和整个大脑的生理学功能变化。当这些改变表现在目前的监测系统中， 重要的神经系统损伤可能已经发生而未被发现。这种由氧供需失衡导致的短暂的大脑生理学/新陈代谢改变所造成的影响程度不等， 从严重的神经系统并发症到伴随严重永久性功能障碍的急性脑缺血到术后轻度心理改变或认知能力下降。如果我们不关注这些指标， 大脑血氧平衡就仍不能确诊。 应用一个简单无创的装置如脑血氧定量法监测脑组织氧供需平衡， 有可能根据靶器官和神经血管系统的实际需要优化治疗方案。越来越多的文献支持脑血氧定量法在重症监护和急诊室的临床应用。 因此， 未来的脑血氧定量法研究必须包括脑血氧定量的几个组成部分： 左右侧大脑半球数值的比较， rcSO2值的变化趋势， rcSO2的变异性， 左右侧大脑半球对治疗的反应。（完）

编辑：杰瑞