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2021年03月08日

近红外光谱技术在小儿心脏外科围手术期的应用-古麻今醉网

赵婉 晏馥霞
100037,阜外医院麻醉科,中国医学科学院,北京协和医学院,国家心血管病中心,心血管疾病国家重点实验室(赵婉、晏馥霞)
国际麻醉学与复苏杂志,2018,39(08):763-767.
DOI:10.3760/cma.j.issn.1673-4378.2018.08.012
REVIEW ARTICLES
【综述】
近红外光谱技术(near-infrared spectrophotome-try, NIRS)监测可以无创、实时、连续监测组织氧合状态,NIRS监测发现的氧饱和度改变可反映局部组织氧供和氧耗平衡的微妙变化,在判断全身多个特定脏器的氧代谢情况中发挥重要作用,最初用于评估心脏大血管手术和神经外科术中脑氧合、脑灌注,目前NIRS监测技术已被广泛应用于临床。本文对NIRS监测在小儿心脏外科中的实用性和有效性提供一个全面综述。

1 NIRS基本原理
NIRS技术能够连续、无创监测活体组织氧合状态。NIRS技术在1977年被提出,基于生物组织对近红外光谱(波长700~1 000 nm)的通透性,以及血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素aa3等发色基团对光谱的不同吸收作用,NIRS技术应用的近红外光波长通常为700~850 nm。根据朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律,测定氧合血红蛋白(oxyhemoglobin, HbO2)和还原血红蛋白(deoxyhemoglobin, HHb)比值,推导出氧合血红蛋白饱和度=HbO2/(HbO2+HHb) 。
NIRS测定的是深度1~2 cm的特异性局部组织氧饱和度(regional oxygen saturation, RSO2)。因为组织微循环由动脉、静脉和毛细血管组成,RSO2代表微循环氧饱和度的加权平均,70%~80%的信号来自小静脉。与脉搏血氧仪去掉非搏动性血流不同,脉搏血氧仪监测提供的动脉氧饱和度只反映组织氧供,而NIRS监测的RSO2反映局部组织氧供和氧需的平衡 。

2 NIRS监测设备
目前临床上的监测设备主要包括INVOS、Fore-Sight、Equanox、NIRO-300和CerOx。RSO2常以RSO2趋势或绝对值表示,但由于各制造商的设备所使用的光源数量和光源波长不同,光源和探测器之间的距离也有差别,而将测量到的光衰减变化转化成生理指标(HbO2、HHb、RSO2)变化的算法也不一致,因此不同制造商的设备获得的RSO2数值范围不同,相互比较是很困难的,很难定义统一的RSO2正常值 。

3 NIRS监测部位
NIRS技术最常见的应用是评估脑组织氧饱和度(cerebral regional oxygen saturation, cRSO2),传感器放置在患者双侧前额,反映前额部灰质区域氧供需平衡状态 。此外还可以测量上下肢的外围组织氧饱和度。在新生儿和婴儿,NIRS可用来测量深部器官的RSO2,如躯体/肾脏(背部后正中线偏左T10~L2)、肝/内脏RSO2,因为这些器官位置表浅,小儿皮下组织和肌肉较少 。

4 NIRS在小儿心脏外科围手术期的应用
4.1 RSO2影响因素
一般情况下,没有心脏内缺损分流的非发绀型心脏病患儿,呼吸室内空气的cRSO2基线值大约是70%,发绀型心脏病患儿cRSO2为40%~60%,新生儿大动脉转位的cRSO2基线值可能<50% 。临床上影响RSO2的因素较多,尤其是在小儿先天性心脏病(先心病)手术围手术期,因此在临床使用NIRS时要结合患儿的病理生理进行综合分析。
4.1.1 非手术因素
针对先心病患儿的相关研究发现,术中cRSO2与脑灌注压(central perfusion pressure, CPP)和MAP正相关,与体温和Hct存在弱线性关系 ;术中cRSO2和pH呈负相关 ;低温停循环,cRSO2指数衰减的半衰期与cRSO2储备有相关性 ;术后cRSO2与PaO2、SaO2、中心静脉血氧饱和度(central venous oxygen saturation, ScvO2)相关 。需要指出的是,Kussman等 应用NIRS监测cRSO2发现,cRSO2与SaO2呈正相关,与Hb无关,但脑氧摄取率[(cerebral O2 extraction, COE)=SaO2-cRSO2]与SaO2呈正相关,与Hb含量呈负相关,发绀患儿Hb含量代偿性增加,对维持脑氧供非常重要。以往研究还发现,NIRS监测不仅取决于脑组织本身,也受血管活性药物、颅外因素等多种因素干扰 。
4.1.2 手术和CPB因素
手术种类对围手术期cRSO2和患儿状态有影响。相关研究探究先心病手术后氧饱和不足的原因 ,结果发现先心病手术风险分级评估(the risk adjustment for congenital heart surgery, RACHS-1)高的患者,术后cRSO2降低幅度更明显[66.0% (56.9%,71.3%) vs 63.2% (54.3%,69.4%), median(25th,75th percentile),P<0.001]、术后比术前还原血红蛋白浓度差△[HHb]升高更明显[1.74 (-1.57,+5.84) μmol/L,P<0.001],HbO2在手术前后无明显变化[0.45 (-4.76, +5.30) μmol/L,P=0.42],提示HHb增加对术后氧饱和不足有显著影响。
cRSO2在CPB不同阶段发生明显的改变,研究发现CPB开始前和CPB结束早期是脑组织氧合不足的易感期。Hu等 研究发现CPB开始后cRSO2逐渐降低,阻断升主动脉时降低明显,考虑与CPP降低有关。此后cRSO2逐渐升高,与血液稀释、PaO2升高、氧释放减少和低温脑代谢降低有关。冠状动脉灌注停搏液和复温时cRSO2降低至最低点,考虑原因为升温导致的脑代谢和脑氧耗增加超过脑血流量增加,作者认为CPB前和CPB结束早期血流动力学不稳定且无低温保护,是脑氧供不足的易感期。最佳幸福CPB先心病手术中全身多位点NIRS监测有类似发现 。
通过调节CPB泵流量,可以维持cRSO2正常水平。Haydin等 用NIRS对50例平均年龄14个月的小儿先心病手术CPB期间进行cRSO2监测发现,CBP降温期间,调节合适的泵流量和足够的血容量,在MAP不增加的情况下cRSO2明显升高;CPB整个过程中乳酸逐渐升高,最低温期间乳酸与MAP呈负相关;复温期间,通过调节较高的泵流量,虽然MAP降低,但cRSO2维持正常不变。应用NIRS监测和适当的CPB策略可以提供足够脑灌注,达到有效的脑保护。
4.1.3 监测部位
CPB先心病手术中常应用多位点NIRS监测,RSO2数值受监测时间点和监测部位共同影响,研究发现术中和术后cRSO2和身体其他部位RSO2差异均有统计学意义。Ricci等 对25例先心病患儿术中脑、肾、上肢和下肢RSO2监测发现,除脑组织以外,其他各部位RSO2之间无明显部位差别;CPB开始后各部位RSO2均升高,cRSO2升高幅度较其他部位升高幅度小;综合分析监测时间点和部位,cRSO2(波动在60%~75%)明显低于其他部位RSO2(80%~90%),脑以外组织处于过饱和状态,这种现象在CPB期间尤其明显。
4.1.4 患者因素
低龄是心脏手术中低血压相关脑组织氧合不足的危险因素。Hayashida等 对65例CPB下非紫绀型非复杂先心病手术中联合应用NIRS和BIS监测发现,与低血压相关的cRSO2和BIS值降低在4岁以下患儿中更常见、发作更频繁吴必胜,可能原因是CPB期间血液稀释、Hct较低,而小儿脑自动调节不完善、cRSO2更依赖动脉血压。
发绀型心脏病患儿术中、术后更易发生组织氧合不足。Kussman等 指出,慢性低氧血症患儿,充分代偿应表现为cRSO2值在正常范围内,出现cRSO2降低不应该被视为正常,应该寻找cRSO2降低的原因,例如出血导致Hb降低的情况下,合并心输出量降低,cRSO2降低可能与脑损伤相关。Ersoy等 比较15例非发绀型先心病(室间隔缺损)和15例发绀型先心病(法洛四联症)患儿乳酸、cRSO2和肾RSO2在术前至术后48 h内几个相同时间点的差异,结果发现所有患儿cRSO2和肾RSO2都在术中阻断升主动脉时降至最低,此后逐渐回升,非发绀患儿术后24 h时cRSO2超过术前基线值,而发绀患儿cRSO2在术后48 h时才恢复至基线值以上,两组患儿肾RSO2均在术后48 h时恢复至术前水平以上,发绀患儿乳酸水平在CPB结束时、术后4 h和24 h明显高于非发绀患儿;研究认为即使手术纠正先心病解剖畸形,但发绀型先心病患儿肾脉管系统恢复至少需要48 h,术后48 h内仍然是这类患儿肾功能障碍易感期。
4.2 RSO2与围手术期及远期预后
NIRS监测与反映机体氧供需平衡的传统监测指标相关性良好,临床上用于预测小儿心脏外科术后早期低心排血量状态(low output stat, LOS)、急性肾功能损伤,与围手术期并发症存在相关性,与神经发育等远期预后有关。
RSO2与反映组织氧合状态的传统有创监测指标显著相关。ScvO2反映上半身(包括脑循环)的氧供需状况,其正常值约为70%,当 ScvO2 还没有与来自冠状窦的静脉血液混合时,其值一般比混合静脉血氧饱和度(mixed venous oxygen saturation, SvO2)稍高,虽然数值有不同,但它们有共同的趋势,可以反映组织灌注状态。大量临床研究发现,小儿先心病手术后cRSO2与ScvO2变化趋势明显相关,cRSO2与ScvO2不能互换,但cRSO2可以反映术后血流动力学变化对脑氧合的影响 ;很难单独通过cRSO2准确预测ScvO2或SvO2数值,但cRSO2可以反映术后ScvO2或SvO2变化趋势 。
研究证实小儿先心病术中、术后RSO2不足与术后LOS相关。Zulueta等 回顾22例小儿先心病手术,将cRSO2不足定义为cRSO2<50%的程度与持续时间的乘积>3 000%,即cRSO2评分=[50%cRSO2 -实际cRSO2(%)]×时间(s)>3 000%,术中cRSO2评分>3 000%与术后低ScvO2、低心指数、低氧利用指数(oxygen availability indexed, DO2I),高氧摄取率(extraction rate of oxygen, ERO2)相关;9例术后LOS患者术中cRSO2评分均>3 000%,这些患儿需要正性肌力药物支持、低温、体外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation, ECMO)支持。
Hickok等 对27例先心病术后患儿进行前瞻性观察研究,符合以下三项条件中一项或一项以上诊断为低心排血量综合征(low cardiac output syndrome, LCOS):代谢性乳酸酸中毒(pH<7.3且lac>4 mmol/L),增加一种血管活性药物,正性肌力药物评分(vasoactive inotropic score, VIS)>15分。术后24 h进行连续肝(腹部左下象限)NIRS监测,11例发生LCOS患儿的肝连续NIRS监测数值低于无LCOS患儿(49% vs 66%),肝连续NIRS监测<58%预测LCOS的敏感性为100%,特异性69%。NIRS在小儿中应用的相关综述指出 ,由于LOS时脑氧储备优于外周组织,为提高NIRS监测全身低灌注的灵敏度、准确度和阳性预测值,建议多位点NIRS监测(如cRSO2联合肾RSO2);对比脑皮质以外部位(如腹部、肾和肌肉)的RSO2与反映全身灌注和氧合状态的有创监测发现,腹部NIRS比肾NIRS更可靠;NIRS监测虽不能代替反映全身氧供和血流的直接监测指标,但可以初步反映组织和脏器的灌注和氧合状态。如果要明确NIRS监测与LOS的关系,还需要大规模随机对照试验研究进一步证实。
几项对婴儿心脏手术期间和术后肾NIRS监测的小规模临床研究发现,长时间肾RSO2降低与急性肾损伤(acute kidney injury, AKI)发展相关。Ruf等 进行前瞻性研究,纳入59例单心室或双心室矫治术婴儿,术中至术后48 h连续肾NIRS监测发现,28例(48%)发生符合pRIFLE(the paediatric risk, injury, failure, loss, and end-stage)标准的AKI,其中3例(11%)需要肾替代治疗,2例(7%)死亡,非AKI组无死亡,AKI组与肾功能正常组的肾RSO2差异有统计学意义,肾RSO2降低与术后24 h乳酸升高相关,胱抑素C是AKI的晚期生物标志物参数。提示肾NIRS监测可以发现早期血流动力学损伤并预测AKI的发生,并且可能优于常规的生物标志物,但研究中使用一系列复杂的方程式或曲线下面积进行肾RSO2评分,在临床上预测早期AKI时参考意义有限。Owens等 进行前瞻性观察研究,对40例双心室矫治术婴儿进行术中至术后48 h连续肾NIRS监测发现,持续2 h以上的肾RSO2低于50%与术后48 h内Cr峰值升高、术后AKI(pRIFLE标准诊断)发生率增加、机械通气时间延长、血管活性药物用量增加、乳酸升高有关,研究结果是目前临床研究中最有效的肾NIRS参数。
NIRS监测对围手术期和远期预后是否存在相关性,在一些研究中进行了观察。Suemori等 对399例先心病患儿手术前和手术后NIRS监测发现,术后与术前脑组织△[HHb]大、术后cRSO2低的患儿ICU停留时间长、拔管时间延迟;术后cRSO2低与心搏骤停、ECMO、神经并发症(癫痫、脑梗死)、败血症等主要并发症相关。 Hansen等 研究发现上腔静脉肺动脉吻合术后早期(2~4 h)cRSO2降低明显,此后至术后48 h逐渐升高,早期cRSO2低与术后肺动脉栓塞、气胸、心肺复苏和低心排血量等并发症相关。有研究显示,其他部位RSO2也可作为拔管能否成功的预测因素。
Foster等 观察79例先心病术后带管超过12 h且通过拔管脱机试验后拔管的患儿,试验过程中其他部位RSO2最低值降低12%,是拔管失败的预测因素,准确性54%,特异性82%。 Kim 等 分析73例先心病手术CPB结束后即刻多位点(脑组织、肾和内脏)RSO2与术后早期结局(术后36 h VIS评分、机械通气时间和术后住院时间)的关系,单因素分析发现cRSO2、肾和内脏RSO2与结局相关,多因素分析中内脏RSO2是术后早期结局的唯一预测因素,作者分析内脏RSO2优于cRSO2和肾RSO2的原因:转机过程中脑血管阻力增加,停机后cRSO2低于基础值;脑氧耗量比其他组织高,婴幼儿更明显,复温和停机后数小时脑氧耗增加;停机后PaCO2波动大,PaCO2影响脑血流,导致cRSO2不能反映全身灌注;当心排量降低时,神经内分泌系统激活,非致命性器官(如肠系膜和皮肤)血管阻力增加,RSO2降低。
术中、术后cRSO2与远期神经发育结局相关。Sood等 评估31例平均年龄0.43个月接受心脏手术的婴儿术后24个月神经发育情况,与术前cRSO2基线值相比,术中cRSO2降低52%,与交流延迟相关;术后cRSO2降低56%,与认知延迟相关。 Hoffman等 对21例左心室发育不良姑息手术患儿术后4~5岁神经发育情况的评估发现,术后早期cRSO2低于45%的持续时间与术后视觉运动整合(visual-motor integration, VMI)缺陷及神经发育整体水平减低有关,术后VMI缺陷与手术患儿低年龄、低体重,围手术期低cRSO2、SaO2,长时间CPB和深低温停循环,以及存在新发卒中等因素有关,维持cRSO2不低于45%并且避免上述其他危险因素的情况下,VMI及神经发育整体水平正常,通过NIRS发现缺氧/缺血状态,避免脑缺氧可能改善高危患儿神经发育结局。

5 结 论
NIRS监测技术在小儿心脏外科围手术期应用广泛,与传统的有创性监测组织灌注的指标相关性良好,可早期识别全身多个特定组织氧供需不平衡、器官功能障碍,可预测小儿心脏外科手术近期及远期预后。但目前缺少大规模临床试验明确不同监测设备、全身不同监测部位、不同先心病患儿手术过程中RSO2的安全范围和变化规律,需要进一步探究RSO2的相关影响因素,通过NIRS监测技术指导临床治疗,改善患者预后。
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