近红外光谱分析技术在无创监测脑自主调节功能中的应用

作者：任昱洁，彭玲，四川大学华西医院麻醉科

脑自主调节功能(CA)使机体可以维持大脑供氧与耗氧平衡，且当平均动脉压(MAP)为50~150mm Hg(1mm Hg=0.133kPa)时使脑血流量(CBF)仍能保持在相对稳定且适宜的水平。CA主要受血氧分压和二氧化碳分压、血压，以及代谢等因素的影响，涉及肌源性机制、神经源性机制、脑血流动力学等领域，与CBF、颅内压、血压、二氧化碳水平、脑耗氧量等重要的临床生理指标息息相关。

侵入性CA 监测方法在临床实际工作中的应用有限，无创监测方法主要包括近红外光谱(NIRS)、正电子发射断层扫描和经颅多普勒超声(TCD)等。NIRS技术由于其无创、便捷、有效且可定量等诸多优点近年来在临床实际工作中应用范围不断拓宽，用于手术、创伤性脑损伤(TBI)、脑血管疾病、新生儿等人群CA的评估。现将目前主要几种CA 测量方法的优缺点，以及NIRS在临床实际工作中的应用、临床意义、准确性、局限性、发展前景等综述如下，以期为今后以NIRS技术监测CA 的研究提供一定的帮助。

1. CA监测手段

侵入性监测手段可通过颅内压检查及组织氧合程度确定适宜的MAP。目前，主要包括热稀释法、指示剂稀释法、CT血管造影、磁共振血管造影等。这些操作均需对被监测者进行导管置入，操作复杂且有创。此外，在抗凝剂或造影剂的使用，以及对目标温度的管理控制等过程中可能会对人体产生一定的不良反应，增加了患者出血的风险，且可能诱发一系列严重并发症。

正电子发射断层扫描是一种已被广泛使用的临床成像技术，使用水和葡萄糖等生物标志物推算CBF，能在分子水平监测方面发挥很好的效能，测量结果准确且可量化，可用于CA 的动态监测；但其价格昂贵，设备复杂，需要专门的技师操作，难以普遍使用。TCD技术是目前监测CA 的“金标准”。该方法无辐射，设备具有较强的便携性，价格较CT血管造影、磁共振血管造影更低廉且可重复使用，便于对患者脑功能情况进行连续、长期关注，也可较好地用于急诊室中。

然而该技术尚存在许多限制之处：至少有10%的患者没有足够的骨窗实现该监测；颞骨窗口不足可能导致信号不足，而颞骨重塑又与年龄增长相关，因此，TCD监测在相当大比例的老年人中是不可行的；在监测颅内主干动脉血管的血流时具有较好的准确性，但由于颅骨厚度、动脉迂曲、动脉走行等因素会给超声声束的穿透程度以及方向造成一定的影响，难以较好地反应微血管网络的血流状况；该方法假设血管口径恒定，没有考虑血管声波的角度，难以长时间、稳定地记录；被探测的动脉直径未知，无法由测出的血液速度确定绝对血流量，在多数临床情况下仅能反应CBF的相对变化；测量结果的可重复性有限，尚缺乏统一的判定标准；在测量过程中需对传感器进行频繁地重新配置；对操作者的技术要求较高等。

NIRS技术与其他方式比较，具有无创、便捷、有效且可定量等诸多优点，应用范围也更广。

2. NIRS

2.1 NIRS监测组织氧

NIRS光谱波长为780~2 500nm，可穿过颅外组织到达脑，并易于穿过脑组织。短波段(780~1 100nm)能达到皮下组织6cm处。在穿透的过程中近红外光可被氧合血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(HHb)等与脑血氧饱和度相关的生色团进行不同程度的吸收，引起组织吸收光谱的改变。基于朗伯-比尔定律、修正朗伯-比尔定律，以及对光强衰减程度的监测可计算出这些吸光物质的浓度，使NIRS 可用于血氧饱和度的连续测定。

1977年有学者将NIRS引入对大脑HHb-HbO2稳态、脑血容量(CBV)、细胞色素a，a3的氧化还原状态的监测，并证实这一监测技术具有较高的灵敏度。基于NIRS测量的HbO2、HHb的浓度变化可作为脑血流动力学的替代指标。基于NIRS的局部氧饱和度(rSO2)监测，包括局部组织氧饱和度及局部脑氧饱和度(rScO2)监测受运动伪影的干扰较小，已被广泛用于新生儿CA 评估中，也为许多其他科室提供了重要的临床数据。

2.2 基于NIRS氧监测结合血压的变化评估CA

肌原、代谢和神经元等多种机制在不同时间尺度上影响脑血管张力，产生了CBF、CBV和氧合作用中的慢波(0.050~0.003Hz)。在多模态神经监测中对这种脑血流动力学的缓慢震荡进行分析可提供新的CA替代测量措施。NIRS 慢波活动在总血红蛋白和rSO2中表现明显。

已有研究通过总血红蛋白和颅内压确定CBV慢波，并在假定脑组织摄氧稳定的情况下通过rSO2确定CBF波。因此，将基于NIRS测得的组织血红蛋白指数(THI)，以及rSO2与血压的变化相结合是无创评估CA的重要手段。

2.2.1 基于NIRS衍生的总血红蛋白反应性指数(THx)评估CA

THI是一种对相对HbO2、HHb浓度的标准化测量方法，可对CBV 进行追踪以实现对CA的监测。压力反应性指数(PRx)是一种已受到广泛研究的CA评估参数，被定义为颅内压和动脉血压(ABP)之间的相关系数，但其只能用于可承受有创颅内压监测者。类似地，有学者基于无创NIRS技术测得THI，计算其与ABP 的相关系数以建立THx。

已有大量研究表明，THx可能是颅内压衍生指数(如PRx)的可行替代方案，可用于评估最佳大脑灌注压和ABP，在面向脑血管反应性恢复和连续性治疗中可能具有临床价值，还具有评估脑血管反应性半球差异的额外优势。

总之，基于NIRS 的THI、THx参数对无法承受有创监测手段者具有重要意义，是一种潜在的替代PRx等参数测量的手段，未来可采取更多比较性前瞻性试验以更充分地了解其作用。结合THx和动态脑血管自调节指数分析的CA多模式监测可能具有重要的应用前景。

2.2.2 基于NIRS的脑血氧饱和度指数(COx)评估CA

有研究基于MAP与NIRS技术测得的rScO2的相关系数建立COx用于评估CBF，从而实现对CA的监测。已有大量研究以PRx和基于TCD技术测得的平均速度指数等参数为标准证实了其测量结果的有效性。值得注意的是，2020 年HOILAND等研究表明，由PRx确定的最佳MAP与由COx确定的最佳MAP具有良好的一致性，平均差异较小，仅为1.4mm Hg，但一致性的可变性范围及CA的上、下限变化较大；COx监测PRx评定的CA受损的灵敏度仅为3%。但其样本数量较小，且存在心脏骤停病因不同、在启动颅内压测量时存在明显的延迟等问题，也未评估NIRS监测器之间导出rSO2的算法差异，因此，其外部有效性尚有待于考证。

2.3 基于NIRS评估CA的临床应用

2.3.1 手术患者

约35%的接受心脏手术患者存在CA受损。包括心肺转流(尤其是需进行深低温停循环的全弓手术)、冠状动脉旁路移植手术、瓣膜手术、主动脉弓修复手术等。老年患者、经历复杂手术或采取于各种仰卧位手术(如沙滩椅位手术)患者更易发生CA 损伤。

进行CA 实时监测有助于识别主动脉插管错位、早期发现空气栓塞或主动脉夹层，尽早发现接受心脏手术患者病情恶化征象，有利于指导脑保护措施、脑灌注策略和选择拟交感神经以纠正麻醉引起的低血压，降低患者术中、术后发生谵妄，术后发生死亡、中风、急性肾损伤，以及需行肾脏替代治疗等不良结局的可能性和术后30d主要不良事件的综合评分(包括死亡、中风、肾衰竭、机械通气时间延长、正性肌力药或主动脉内球囊泵支持)。

此外，CA 受损也常发生于许多非心脏手术，如血管(颈动脉内膜剥离术需转流、外周动脉搭桥和腹主动脉瘤修复)、胸部(肺叶切除术和全肺切除术)和腹腔内(结直肠、胃、食道、胰腺、泌尿外科、肝脏移植术、肝脏和妇科肿瘤手术)等，且同样与不良结局的发生密切相关。

2.3.2 TBI患者

CA受损是TBI患者在发生急性脑损伤后脑血流动力学不稳的关键机制。连续评估与监测CA可能为治疗提供新的靶点，有助于确定急性脑损伤后的治疗窗，将ABP、大脑灌注压控制至最佳水平，从而最大限度地减少继发性脑损伤，降低死亡率与残疾率。目前，NIRS已与TCD并列为最重要的无创监测TBI患者CA的技术。

2.3.3 脑血管疾病患者

脑血管疾病(特别是急性期时)也可能损坏CA。小血管性缺血性卒中患者表现为双侧CA受损，而大血管性则表现为局灶性或半球损伤。CA 早期受损的卒中患者发生出血性转化、脑水肿，以及需半颅切除术风险显著升高。未经治疗的慢性高血压患者CA 甚至可能在急性卒中前就被损坏。

CA 受损也与在颈动脉狭窄患者发生同侧半球卒中风险、脑实质内出血患者的临床以及影像学方面的严重程度、血管狭窄再通治疗后再灌注损伤和蛛网膜下腔出血患者发生血管痉挛，以及迟发性脑出血且6 个月功能结果不良等且密切相关。对脑血管病患者进行CA的早期监测有助于指导个体化急性管理、预后预测和预防继发性损伤，改善临床结局。

2.3.4 新生儿

已有多项研究表明，早产儿存在CA障碍，而这又可能提高其发生死亡、严重脑室内出血(3或4级)和脑室周围白质软化等不良事件的风险。rScO2是评估新生儿CA 的重要依据，而NIRS作为最常用的测量新生儿rScO2的技术，对确定其最佳ABP，以及在早期监测到脑氧合降低和CA的变化具有重要意义，从而有助于尽早识别有死亡或神经放射损伤风险的极早产儿。

此外，CA损伤也常在帕金森病(尤其是合并2型糖尿病的帕金森病)等合并自主神经障碍的疾病，以及神经重症监护、感染性休克和医院外心脏骤停等领域中发生，且已被证实与不良结局相关。目前，对帕金森病患者的CA研究较少见，且主要采用直立倾斜试验结合TCD方法进行评估。NIRS技术有望用于其中，为此类疾病的临床诊治提供新的思路。

2.4 基于NIRS 评估CA 的临床意义

2003 年KELLER等以NIRS记录光强，根据光强变化计算吲哚菁绿(ICG)浓度变化，实现数字化记录ICG在光场中的出现和染料稀释曲线的目的，同时，也将结果与MRI测得的结果进行比较，结果证实了以NIRS测量CBF的有效性。2006年SORENSEN 等将NIRS用于早产儿脑组织氧合指数的测量，认为这种测量方法的可重复性与精确度尚有待于提高，但若以此方法对同一研究对象连续测量5次并取平均值则获得的平均组织氧饱和度的准确度可与脉搏血氧仪相比，为科研人员在研究中减小样本量提供了便利。

有许多研究以经历了心脏手术、TBI、蛛网膜下腔出血、昏迷状态等多种临床条件的患者为样本，验证了其测量结果的有效性。但现存的验证NIRS测量结果可靠性的研究采用的研究方法不一，不同设备和传感器的算法存在差异，给测量结果之间的比较带来了不便，可重复性与精确度尚有待于提高。总的来说，验证这种方法在临床老年人群中的有效性的实验依据较为有限。

2021年MOL等以老年、高血压(血压在可控范围内)和存在认知障碍人群为样本对NIRS测量结果的有效性进行了研究，结果显示，NIRS监测CA标准的有效性可能足以用于各类人群之间的比较，但尚不足以用于临床个体间的比较。此外，NIRS监测的准确性受到许多因素的影响：其准确性建立于血红蛋白水平稳定，以及动、静脉体积之比固定等假设之上；如心脏舒张、收缩引发的搏动性程度不足，NIRS-ICG稀释法也难以得出可靠的结果；对大脑中动脉明显狭窄个体的额叶进行NIRS监测时可能更易引入误差；血肿时浓缩血液的过度吸收可能影响光的传播，从而影响结果的准确性。

3.基于NIRS评估CA的不足与展望

除NIRS测量结果准确性尚有待于进一步验证与提高、在一些因素的影响下临床意义有限外，目前NIRS技术尚存在一些限制：(1)NIRS监测过程要求患者不能有较大的身体活动，因此，难以用于有焦虑情绪的患者；(2)近红外光穿透深度与探头距离密切相关，一般限制在几厘米以内，因此，仅可观察到大脑皮质的活动，无法反映深层脑区的变化，也无法明确获得精确的采样体积和位置；(3)近红外光需漫射透过头发、颅骨，因此，更适合用于头发稀、颅骨薄的人群，如老年人和儿童，而用于青年人可能需花费较多时间调试头发浓密处的探头信号。

在脑功能评估方面，NIRS可监测血液中血红蛋白的浓度，且设备更便携，可用于部分代替功能性磁共振成像(fMRI)，方便临床使用。但由于NIRS只能用于扫描靠近头皮的皮质组织，难以测量额叶皮层的腹面、基底神经节和大部分小脑，而fMRI可用于监测整个脑的活跃度，因此，尚无法完全替代fMRI。

在脑氧合程度的评估方面，NIRS监测指数rSO2可更好地反应颈静脉气体分析所遗漏的局部变化，但由于该指数是区域测量，而颈静脉气体分析是全局测量，因此，二者也各有优劣之处。此外，NIRS技术在区分不同组织层的氧合程度时作用有限，且无法区分动脉与静脉的氧饱和度。

与其他监测技术(如fMRI对软组织的对比度分辨率)的分辨率比较，功能性NIRS(fNIRS)的空间分辨率较低。NIRS技术的空间分辨率主要受探测器光极数量及光从发射器散射至探测器光极的路径的限制。有研究表明，多通道NIRS仪的光极帽将光极放置在受试者的头皮周围可增加光极密度，提高其空间分辨率。有研究正尝试采用多通道高频fNIRS设备开发大脑连续脑血管反应性图谱。此外，还有研究表明，与单一距离比较，多距离探头配置具有更好的空间分辨率，能获取更准确的大脑活动信息。将fNIRS与其他技术相融合也有望提高其时空分辨率。

4.小结

CA是一种重要的大脑保护机制，与多种重要临床指标密切相关。侵入性监测手段在临床的应用存在诸多限制，且可能对患者造成不必要的伤害，目前，非侵入性监测手段在临床实际工作中应用较广，且以TCD为“金标准”。NIRS监测技术便捷、有效且可定量，是一种很有前景的无创CA 监测手段，基于该技术建立的THx、COx对CBV 及CBF等指标的测量具有重要的临床应用价值，有助于手术、脑创伤、脑血管疾病患者，以及新生儿等诸多人群CA 的评估，可降低患者发生不良结局的可能性。目前，该技术监测结果的准确性尚有待于进一步的验证与提高，尚存在许多不足之处，但可在技术方面进行改良以弥补。总之，目前NIRS技术优势诸多、研究前景广阔，进一步发展后有望在CA监测中提供大量更准确、更详细的信息，为临床诊治提供指导。

来源：任昱洁,彭玲.近红外光谱分析技术在无创监测脑自主调节功能中的应用[J].现代医药卫生,2023,39(07):1211-1217.

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