【醉仁心胸】高龄和性别对局部脑区近红外脑氧饱和度的影响：一项前瞻性研究的再分析

2021-04-08 古麻今醉

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这项研究存在一定的局限性。

谢首昱译邱郁薇吴镜湘校

上海交通大学附属胸科医院麻醉科

折现分割线

随着年龄的增长，大脑经历了重要的结构和生理变化。对健康受试者的研究表明，脑血流量随着年龄的增长而显著下降，这一下降在前额叶和额叶皮质最为突出。由于氧摄取量的增加，高龄导致脑静脉血的氧饱和度持续下降。另一方面，脑氧代谢率也随年龄的增长而显著降低。此外，在一项大规模人群研究中获得的磁共振成像扫描进一步显示，男性和女性在大脑容积、显微结构和病灶标志物方面有区别明显。

这些生理变化和性别差异是否会影响局部脑区的脑氧饱和度尚不明确。2020年12月J Cardiothorac Vasc Anesth的一篇文章对既往已发表的一项前瞻性研究进行了再次分析，在接受心脏手术的成年患者中，除外影响脑血氧测量读数的已知因素，另外分析了年龄和性别是否可以预测基线 rSCO ₂ 值。

摘要：

目的：大脑老化主要表现为额叶皮质静脉氧合降低，这似乎与性别有关。作者假设年龄和性别会影响脑组织血氧饱和度监测仪INVOS 5100测量的局部脑区基线脑氧饱和度( rSCO ₂)。

设计：对已发表论文的数据进行再分析。

单位：三级医院。

研究对象：1616名接受心脏手术的成年患者。

干预措施：无。

测量指标和主要结果：在吸入室内空气的情况下记录基线 rSCO ₂，并计算左右rSCO ₂的平均值。患者分为3组：18~49岁：青年；50~74岁：中年；75岁：老年。中年受试者基线rSCO ₂ (63[56-69])与青年受试者基线 rSCO ₂ (67[59-74])和老年受试者基线rSCO ₂(60[55-66])比较，rSCO ₂有显著性差异(p<0.001)。女性年龄明显大于男性(72[62-79] vs 66[56-74]；p<0.001])，血红蛋白值较低(p<0.001)， rSCO ₂较低(58[52-63]vs65[58-70]；p<0.001])。多元回归分析显示年龄、性别和血红蛋白是 rSCO ₂的重要决定因素：26.665-(0.030*年龄)+(2.581*血红蛋白)+( 2.799 * 0或1，女性患者为0，男性患者为1)。

结论：INVOS 5100测量的基线 rSCO ₂随着年龄的增加而降低，女性更低。关于“脑氧饱和度下降”的新定义对老年人或者女性神经系统预后的影响，还有赖于未来的试验中进行分析。。

脑氧饱和度监测仪是一种使用近红外光谱(NIRS)技术的无创监测设备，根据测量脑区额叶氧合血红蛋白与总血红蛋白的比率，间接估计额叶脑组织的局部脑氧饱和度( rSCO ₂)。脑组织血氧饱和度监测仪测量的脑氧饱和度为静脉血、毛细血管血和动脉血的混合脑氧饱和度平均值。许多心脏和非心脏手术的研究表明，脑氧饱和度监测在患者管理中有一定价值，其反映了氧耗和氧供之间的平衡。然而，基于现有的荟萃分析和系统评价，没有确凿的证据表明使用脑氧饱和度监测可以改善患者的神经系统预后。

对健康受试者的研究表明，脑血流量随着年龄的增长而显著下降，这一下降在前额叶和额叶皮质最为突出。由于氧摄取量的增加，高龄导致脑静脉血的氧饱和度持续下降，且脑氧代谢率也随年龄的增长而显著降低。此外，在一项大规模人群研究中磁共振成像显示，男性和女性在大脑容积、显微结构和病灶标志物方面有显著差异，这些与性别相关的差异是否影响局部脑区的脑氧饱和度目前尚不明确。本研究拟对一项已发表的前瞻性研究进行再次分析，在接受择期心脏手术的成年患者中，除外影响脑血氧测量读数的已知因素，分析了年龄和性别是否可以预测基线 rSCO ₂值。

方法

该研究得到比利时布鲁塞尔，Saint-Luc-UCL医院伦理批准（2013年11月25日，B403201318880)。于2013年12月4日在患者入组前由主要研究者J.-M. Maloteaux进行临床注册。所有参与者均已获得书面知情同意。这是一项前瞻性试验的再次分析研究。通过术中脑电图监测和脑氧饱和度测定，预测心脏手术患者术后谵妄和术后认知功能下降均纳入本研究。从2014年3月至2017年2月连续入组患者。最初研究的排除标准是：术前镇静/插管、谵妄、术前不能进行法文版Mini mental State检查的患者，以及那些不能按照最初方案要求进行6个月随访的患者。术中神经监测包括Neuro SENSE麻醉深度监测仪，提供双侧额部脑电图和双侧脑氧饱和度(INVOS 5100；Somantics Corporation，Troy，MI)。脑电图电极放置在距眉弓约4 cm处的上方，避开额窦。麻醉诱导前在吸入室内空气的情况下记录基线 rSCO ₂。当无法放置双侧脑氧饱和度电极时，使用单个电极。脑氧饱和度下降定义为每侧大脑半球血氧饱和度与基线相比曲线下面积下降25%（曲线下面积<25%）。

麻醉诱导前置入动脉测压导管，麻醉诱导后在吸入室内空气的情况下进行血气分析。对于在麻醉诱导前没有必要进行有创血压监测的患者，可在气管插管后置入动脉测压导管。

统计分析

按年龄将患者分为3组(18~49岁：青年；50~74岁：中年；75岁：老年)。使用Kruskal-Wallis检验比较各组之间的连续变量（检查非正态分布的数据），然后进行Bonferroni事后分析。在Kruskal-Wallis检验具有显著差异的情况下，使用Mann-Whitney U检验来比较两样本连续变量（注释：两独立样本秩和检验）当p值<0.017时，两组间差异有显著性意义。采用皮尔逊卡方检验比较三组间的分类变量。用调整后的标准化残差计算两组间个体卡方检验的p值。采用Bonferroni后处理分析，当p值<0.017时，两组间差异有显著性意义(P<0.05)。采用ENTER方法进行多元线性回归分析，探讨年龄、性别和基线rSCO ₂之间的关系，调整可能影响这种关联的协变量。通过计算大脑左侧和右侧 rSCO ₂值的平均值，作为结果变量基线 rSCO ₂的数值。在仅使用单一脑氧测定电极的少数患者中，该单一 rSCO ₂值可认为是结局变量。术前动脉血氧分压和动脉二氧化碳分压被包括在最初的多元线性回归分析中，但后来被删除，因为结果变量和这些预测因素之间的线性假设无法得到证实。最终多元线性回归分析的自变量包括年龄、性别和基线血红蛋白浓度。因为这是一项大型前瞻性试验的子研究，所以没有进行检验效能的样本量计算。使用Hodges-Lehmann估计来计算中位数差异的置信区间。使用IBM SPSS Statistics version25和SAS version9.4执行统计分析。

结果

最初的试验纳入了1,616名成年患者。表1显示了整个队列的特征。252例患者在麻醉诱导前未进行血气分析。表2说明了参与者的年龄特征。青年组 rSCO ₂中位数显著高于中年组(67[59-74]比63[56-69]；p<0.001)，中年组rSCO ₂中位数显著高于老年组(63[56-69]比60[55-66]；p<0.001)。正如预期的那样，年轻患者的中位基线血红蛋白水平(14.5%[13.4-15.6])显著高于中年患者(14.0[12.9-15.0]；p<0.001)和老年患者(13.0[11.9-14.1]；p<0.001)。当中年和老年患者进行比较时，这一差异在统计学上并不显著(差异[95%CI]：0.90[0.70-1.10])。

整个队列的性别分析显示出显著差异。女性患者的年龄明显高于男性(72[62-79]比66[56-74]；p<0.001])。女性的基线血红蛋白中位数显著低于男性(12.9 [11.8-13.8]vs 14.3 [13.0-15.2];p < 0.001)。基线 rSCO ₂中位数也观察到了这种差异，女性基线rSCO ₂中位数显著低于男性(58[52-63]v65[58-70]；p<0.001)，如表3所示。

对1,597个数据进行了多元线性回归分析，将基线平均 rSCO ₂作为结果变量，年龄、性别和基线血红蛋白作为预测指标。年龄与基线 rSCO ₂ r=-0.185；p<0.001)、基线血红蛋白与基线rSCO ₂(r=0.537；p<0.001)、性别与基线 rSCO ₂(r=0.285；p<0.001)呈显著正相关。该模型具有统计学意义，F(3,1593)=234.162，p<0.001。调整后的R平方为0.305，表明30.5%的基线 rSCO ₂变化可由预测因子解释。性别的方差膨胀系数为1.112，年龄的方差膨胀系数为1.073，基线血红蛋白的方差膨胀系数为1.165，表明自变量之间没有共线性关系。最大的Cook距离是0.021，排除了异常值的存在。图2说明线性假设和同方差假设是有效的。残差直方图显示平均值为0，标准差为0.999(图2，A)。正态概率-概率图显示这些值接近预测线(图2，B)。标准化残差和标准化预测值的散点图没有显示特定的模式(图2，C)。多元线性回归分析显示年龄、性别和基线血红蛋白是基线 rSCO ₂的显著预测因子(表4)。预测基线 rSCO ₂的公式为：26.665-(0.030 * 年龄)+(2.581 * 血红蛋白)+( 2.799 * 0或1，女性患者为0，男性患者为1)。

表1 全组(N=1616)

注：所有连续变量均以中位数(四分位数间距)表示，分类资料以数字(百分比)表示。缩写：EuroSCORE II，欧洲心脏手术风险评估系统II；max，最大；min，最小值； rSCO ₂，局部大脑氧饱和度。

表2 不同年龄组患者特征分析

注：所有连续变量均以中位数(第25-75个百分点)或数字(百分比)表示。

简称：AUC，曲线下面积；EuroSCORE II，欧洲心脏手术风险评估系统II；MAX，最大值；MIN：最小值； rSCO ₂:局部脑氧饱和度。*差异(95%置信区间)。

图1 代表3个不同年龄段的基线右脑局部血氧饱和度( rSCO ₂2)的框图

表3 年龄、基线血红蛋白和 rSCO ₂和性别的关系

注：所有连续变量均以中位数(第25-75个百分位数)表示。

缩写： rSCO ₂，局部脑氧饱和度。*Mann-Whitney U检验。

讨论

这项前瞻性研究的结果表明，高龄对基线 rSCO ₂有负向影响。此外，基线 rSCO ₂受性别影响显著，女性明显低于男性。对术前血红蛋白基础值校正后发现; 高龄与性别与基线 rSCO ₂显著相关。这种脑氧饱和度的显著下降与评估正常脑老化生理变化的研究的脑成像结果是一致的。事实上，既往对健康受试者的研究表明，大脑血流量随着年龄的增长而下降，这种下降在前额叶皮层和运动皮层前部的额叶区域表现得尤为明显。除此之外，随着年龄的增加，氧摄取不断增加，大脑的静脉氧合减少。Lu等人发现，从青年期开始，大脑静脉氧合每10年下降1.4%。最近，通过特定的磁共振成像技术来定量脑静脉血氧饱和度发现，脑静脉氧合随年龄的增长而显著下降。这些生理变化可能导致脑氧饱和度读数降低，因为这些监测仪主要提供额叶脑静脉血氧饱和度。除了这些发现，Framingham心脏研究和Rotterdam研究还显示，老年人脑容量会下降。然而，这种下降在额叶更为明显且最先出现。因此，额叶容积的下降可能直接影响 rSCO ₂。事实上，在磁共振图像上测量头皮到额叶大脑皮层的距离，即头皮表面到大脑额叶皮层的距离，与 rSCO ₂呈负相关。这个距离会随着额叶萎缩而增加。当头皮到皮层的距离大于近红外发射-探测器距离所检测到的光的穿透深度时，可能导致 rSCO ₂值较低。

正如本研究中所观察到的，先前在心脏病人群和非心脏病人群中的研究已经观察到老年患者的 rSCO ₂值有类似的降低。这种脑氧饱和度值随年龄在功能上的差异甚至在大脑激活的过程中也表现得很明显。Hock等人的研究表明，执行计算任务的年轻志愿者(平均年龄28±4岁)与老年志愿者(平均年龄52±10岁)相比，NIRS测量的局部脑氧合血红蛋白浓度显著升高。一个大型心脏手术患者的回顾性研究评估肤色对 rSCO ₂的影响，发现年龄与基线rScO2呈负相关。该研究的线性回归分析结果与本研究非常相似。本研究观察结果与其他研究的不同之处在于，在这项研究中我们具体分析了年龄是否是 rSCO ₂下降的预测因素。

近红外(NIRS)技术测定脑血氧受多种因素的影响。已知的生理和非生理混杂因素包括动脉氧饱和度、动脉二氧化碳分压、动脉血红蛋白浓度、平均动脉压、脑血容量、脑动静脉比、皮肤到皮层的距离，甚至颅外感染。该研究是一项大型前瞻性试验的再次分析，无法考虑到所有可能影响基线 rSCO ₂的重要生理变量。然而，既往认为基线血红蛋白、动脉血氧分压和动脉血二氧化碳分压是基线 rSCO ₂的3个主要独立预测因子，当将动脉血氧分压和动脉血二氧化碳分压纳入线性回归分析时，模型并未发生明显变化。因此，除了年龄和性别外，基线血红蛋白是 rSCO ₂的独立预测因子，并显示与rSCO ₂值显著相关。在其他研究中，动脉血红蛋白浓度与 rSCO ₂呈正相关。低动脉血红蛋白浓度可导致较低的组织氧饱和度数值。

有趣的是，在这项研究中，性别差异对脑氧饱和度的影响比较显著，当调整年龄和基线血红蛋白浓度后，性别差异仍与rSCO ₂显著相关。女性患者的 rSCO ₂值显著低于男性，这种差异与健康老龄化人口的观察结果不一致。Lu等人发现女性的脑静脉血氧饱和度明显高于男性(p=0.0205)，而Liu等人未发现任何性别差异。然而，一项对111名接受择期神经外科手术的患者的研究发现，剔除血红蛋白的混杂效应后，女性患者的基线 rSCO ₂明显较低。在一项大型心脏手术患者回顾性研究中也观察到性别对基线 rSCO ₂的影响。男性的非标准化回归系数为2.57，非常接近本研究中观察到的2.799。在另一项评估5种不同脑组织血氧饱和度监测仪在健康志愿者身上的研究中，除FORE-SIGHT以外的所有血氧仪上，女性在不同的动脉饱和度时 rSCO ₂值均较男性低。这些发现无法用磁共振成像研究来解释，在磁共振成像研究中，男性的额叶体积比女性小。这些差异是由于激素的影响还是任何其他因素，需要在未来的试验中进行评估。这项研究结果在未来评估脑氧饱和度监测仪在预防神经并发症方面的有效性时可能会有重要的临床意义。事实上，根据脑氧饱和度监测仪的估计，较低的脑氧储备可能会使术中脑氧饱和度低的老年患者出现神经并发症的风险更高。目前，人们普遍认为 rSCO ₂比基准值下降20%或低于绝对值的50%时都需要处理。脑氧饱和度下降的新定义需要在未来的试验中进一步评估明确，从而能够准确预测老龄化人口或妇女的神经系统预后。

这项研究存在一定的局限性。基线rSCO ₂是在接受择期心脏手术的患者中测量的。其中一些患者的血流动力学参数，特别是中心静脉压，可能会影响基线脑氧饱和度数值。静脉淤血引起的中心静脉压升高可能导致rSCO ₂值降低。此外，这些老年患者很多患有心血管疾病。Heringlake等人研究表明，术前最低的rSCO ₂与短期和长期发病率和死亡率相关，并反映心肺功能障碍的严重程度。但是没有任何心血管危险因素的老龄化人口中不太可能出现较低的 rSCO ₂值。因此研究结果可能不适用于健康老龄化人群，而是代表了那些需要接受大手术、神经并发症风险最高的患者。作者预先设定了3个年龄段，有些人可能会认为50到74岁作为中年的定义过于宽泛，然而，作者不希望增加年龄的分类，以免使分析复杂化。

这项研究是在INVOS 5100血氧仪上进行的。众所周知，不同的脑组织血氧饱和度监测仪算法不同、探头发射的波长不同和穿透深度也不同。不同脑组织血氧饱和度监测仪之间的基线数值和性能可能存在差别。因此，本结果仅应用于INVOS监护仪。在 rSCO ₂读数中，头皮到皮质的距离是一个重要的变量，在没有成像技术的情况下很难测量，本研究中无法获得这一距离，因此多元线性回归分析中未纳入并校正这一因素。头皮到皮质的距离在不同的个体中可能有很大的差异。最后，纳入的患者大多数是白人，但极少有患者有一些皮肤色素沉着，这可能对作者的观察结果有轻微影响。总之，这项针对心脏手术患者的单中心大型前瞻性试验结果表明，基线 rSCO ₂随着年龄的增加而显著降低，女性患者的 rSCO ₂水平低于男性患者。未来，需要进一步评估采取脑氧饱和度监测仪测定 rSCO ₂时，在不同人群和年龄段，采取何种干预阈值可减少心脏手术后神经系统并发症方面。

点评

在心脏外科麻醉中，常通过连续监测rSCO ₂ 的动态变化，来评估患者脑氧供及氧耗的相关情况。对于神经系统不良结局高风险患者，包括确诊脑血管疾病的患者，有人提倡术中采用近红外光谱(NIRS)监测脑氧合情况，并将局部脑血氧饱和度(rSCO₂)维持在基线值的80%以上。术前基线rSCO₂差异很大，一篇meta分析纳入了953例心脏手术患者，汇总分析的总体平均值和标准差为66.4%±7.8%。我们在日常工作中获得的结果与此相符。动脉血氧饱和度、动脉血二氧化碳分压、动脉血红蛋白浓度、平均动脉压、脑血容量、脑动静脉比、皮肤皮层距离，甚至颅外感染均对rSCO₂测量值有影响。所以术前获得患者的基线rSCO₂尤为重要，rSCO₂在术中的动态变化更有临床意义。。

运用NIRS时，我们会尽量减轻。使用血管加压药来增加MAP。然而，一项2019年的随机试验并不支持这一策略，该试验在近200例患者中比较了维持较高MAP目标(70-80mmHg)与维持较低MAP目标(40-50mmHg)的结果。维持较高目标的方法是在一定时间内保持CPB泵流速不变并给予血管加压药。结果显示，较高目标组的 rSCO ₂更低，脑血氧饱和度降低更频繁且更显著。

对于接受大型胸主动脉手术且需要CPB和深低温停循环(deep hypothermic circulatory arrest , DHCA)的患者，NIRS脑血氧测定可用于持续监测额叶皮质的脑局部血氧饱和度( rSCO ₂)。NIRS不受麻醉药影响，也不需要搏动性灌注。

在进行DHCA、深低温停循环+逆行脑灌注（DHCA+ RCP）或DHCA+ SACP（深低温停循环+顺行脑灌注）期间，可使用脑血氧测定来监测脑灌注是否足够。在DHCA或DHCA+RCP期间，控制性低温后rSO2值通常会增加，随后在开始停循环后逐渐降低。在后续的再灌注期间， rSCO ₂值会逐渐恢复。在DHCA+SACP期间， rSCO ₂值会增加或保持基线水平不变。

单侧 rSCO ₂值突然下降表明局部脑灌注减少。其突然变化时应立即告知外科医生和灌注师，因为这可能影响进一步术中管理的决策。例如，暂时钳闭颈总动脉或无名动脉时可能出现如下图所示的情况。如果开始单侧SACP时对侧 rSCO ₂值显著下降，外科医生可能需要在对侧颈动脉另行插管，以进行双侧SACP。通向主动脉弓的对侧颈动脉发生血管窃血有时也会引起单侧 rSCO ₂值下降。对于这种情况，在SACP期间钳闭颈动脉可能改善对侧脑半球灌注。单侧脑缺血的其他原因包括主动脉夹层急性延伸、Willis环功能不全、动脉插管错位或动脉移植物血栓形成，这些事件均可能导致双侧 rSCO ₂值下降。

双侧 rSCO ₂下降可能提示存在低氧血症、低碳酸血症、贫血、静脉高压或麻醉深度不足引起的全脑灌注不足，在开始CPB或实施主动脉阻断时也可能出现这种情况。同时进行脑电图监测可能有助于确定 rSCO ₂下降是否与脑缺血有关。

rSCO₂在个体中差异较大，未来若能获得大数据分析，在人群中获得大样本数据，让rSCO₂像血氧饱和度监测一样在临床上广泛使用，指导临床工作。

谢首昱编译

邱郁薇吴镜湘审校

原始文献：

Advanced Age and Sex Influence Baseline Regional Cerebral Oxygen Saturation as Measured by Near-Infrared Spectroscopy: Subanalysis of a Prospective Study. J Cardiothorac Vasc Anesth. 2020 Dec;34(12):3282-3289.