围手术期脑血流自动调节监测研究进展

刘畅 李皓张凯 米卫东

解放军总医院第一医学中心麻醉科，北京 100853

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(10):1087-1091.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20220330-00659

 基金项目 

国家重点研发课题（2018YFC2001901）；

北京市科技新星计划（Z211100002121171）

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【综述】

生理情况下，脑内阻力血管随血压波动反应性地收缩或舒张以保证脑血流量（cerebral blood flow, CBF）相对恒定，从而满足大脑代谢需求的过程称为脑血流自动调节（cerebral autoregulation, CA），是维持CBF稳定的重要保护机制。CA包括动态调节（dynamic cerebral autoregulation, dCA）和静态调节（static cerebral autoregulation, sCA）两个层面，sCA被认为是个稳定的过程，倾向于血压缓慢变化状态下（几分钟或几小时内）CBF相应的改变，提示脑血流调节的稳态结果。而dCA是反映血压改变瞬间（几秒钟内）CBF的变化水平。dCA相较sCA更容易受到损伤，此时脑血流将随血压波动呈线性增减，会使机体面临脑充血水肿或脑缺血损伤，这会增加手术患者特别是脑功能脆弱老年患者以及脑血管病史患者术后发生脑血管意外事件的风险。因此，围手术期CA监测可对患者进行个体化调控和预后指导，对防治术后中枢神经系统并发症具有重要意义，现就其主要监测技术的基本原理及临床应用进展进行综述。

1 经颅多普勒超声（transcranial doppler, TCD）技术      

1.1　基本原理

TCD技术是当前脑血流动力学监测中最为关键的手段，其原理是通过相控阵探头发出低频脉冲多普勒声波，穿过颅骨薄弱处（主要为颞窗），接收与颅脑中红细胞相对运动产生的回波信号，评估回波信号强弱来反映脑血流速度。先前的研究已经证明CBF变化与脑主要供血动脉——大脑中动脉（middle cerebral artery, MCA）血流速度变化具有很好的相关性，因此，TCD主要透过颞窗来检测MCA的血流流速（MCA velocity, MCAv），也可以联合其他指标（如搏动指数、临界关闭压力、管壁张力、脑灌注压等）来反映脑灌注的变化。

1.2　临床应用研究进展

通过TCD技术监测到平均MCAv降低超过60%是围手术期发生脑卒中的独立风险因素之一，而当平均MCAv增加超过100%时，脑组织呈高灌注状态，显著增加了术后认知功能损伤及颅内出血的风险。Fassaert等的前瞻性研究发现，使用TCD技术对患者进行术中及术后MCAv监测评估能准确识别患者发生高灌注综合征的风险程度，有较强的预测价值。因此，MCAv的密切监测可以极大地避免术后并发症尤其是神经功能缺损、脑卒中等重大不良事件的发生。

平均血流速度指数（mean flow index, Mx）和传递函数分析（transfer function analysis, TFA）这两种线性模型是目前评估dCA最为广泛的两种方法。Olsen等的研究首次引入Mx指标，并提出Mx值波动范围在−1至1之间，当值越接近于1时表明dCA受损程度越重。Chi等的研究将脑卒中患者与健康受试者的Mx平均值相对比发现，脑卒中患者有更高的Mx水平，且利用Mx作为脑卒中的预测指标时可以获得较好的预测效果。Goettel等的观察性研究发现，较高的Mx水平与老年患者非心脏手术术后1周内认知功能障碍的发生有关。在对创伤性颅脑损伤患者的研究中，Lewis等发现Mx水平与格拉斯哥评分对于判断患者预后具有一致趋势，格拉斯哥评分越高（4~5分）、预后越好的患者，其Mx越低。TFA作为一种线性模型，可以通过增益、相位差、一致性等参数在频域上反映dCA水平。增益越低表示调节能力越好，因此时脑血流速度受到动脉血压波动的影响较小；相位差是指血压和脑血流速度的差值，为正值时说明dCA仍处于活跃状态，脑血流速度不受血压变化的影响；一致性越趋近于1说明二者的相关性越好，但此时调节机能已经受损。Oeinck等的研究发现，颅内出血患者与正常患者相比，通过TFA得到的增益值要显著增高，表明dCA受损。Petersen等还发现在大面积缺血性卒中患者中，相位差的降低可作为24 h内其他并发症和不良结局的预测指标。除Mx值和TFA外，自动调节指数是首个基于线性模型提出的指标，但该方法被认为较理想化，未考虑到调节的复杂机制，准确性不高，因此应用较少。上述评估手段都是基于线性关系，但实际上血压与脑血流速度并不总是稳定且线性相关的，因此非线性模型——多模式压力血流分析应运而生，利用希尔伯特‑黄变换原理，通过量化瞬时的相位差来评估dCA能力，当相位差越小时，说明CBF受血压影响波动越大，相应的调节能力越弱。

术中TCD即时监测CA功能是否完好，在保护患者脑功能的同时，还能指导术中血压管理。临床上通常认为将血压维持在正常范围内即可保证脑灌注。但有研究发现急性蛛网膜下腔出血或行心脏手术、移植手术、特殊体位手术患者未必具有健全的调节功能，sCA范围变窄，在80~120 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），此时若经验性地将术中MAP维持在正常患者的调控范围内，患者可能面临脑缺血的风险。对于上述患者和特殊手术，术中通过TCD对CBF以及实时动脉压同步监测，可评估dCA，当dCA处于活跃状态时，与脑灌注压之间存在U型关系，由此可以获得CA处于最优水平（即dCA最低时）的脑灌注压水平，并以此为依据来个体化指导血压，精细调控以达到最优脑灌注压，改善患者预后。Petkus等研究根据最优脑灌注压水平来对创伤性颅脑损伤患者进行术中导向治疗以达到最佳CA能力，年轻患者与老年患者在此种目标调控下都获得了更好的预后。

1.3　优势与局限

作为非侵入性的成像技术，其实时动态监测、高时间分辨率、可重复性以及低成本的优势使得在临床上受到广泛应用，被誉为“脑听诊器”，在评估脑血流速度、脑血管疾病的诊断中起到不可或缺的作用，但也具有一定的局限性，如部分患者颞窗难以辨认，技术高度依赖于操作者水平等。

2 近红外光谱（near‑infrared spectroscopy, NIRS）技术      

2.1　基本原理

NIRS技术是近年来不断发展与成熟的非侵入性脑血氧饱和度监测技术，其原理是基于氧合血红蛋白和去氧血红蛋白对红色和红外电磁辐射的不同吸收特性，通过传感器发出两段波长（724 nm和810 nm）的近红外光进入颅脑，接收并比较脑组织吸收近红外光的相对量，进而估计组织中氧合和总血红蛋白的比值，称为脑组织氧饱和度（regional cerebral oxygen saturation, rScO2）。NIRS技术不仅能实时监测rScO2值反映氧平衡状态，还能与血压联合间接反映脑调节能力。将血压和同步的rScO2做连续相关性分析得到的皮尔逊相关系数作为脑血氧指数（cerebral oximetry index, COx）用于评估dCA状态。当COx接近于0，表明CA功能完好；接近1说明此时CBF与血压相关性较强，dCA已经受损。Brady等发现COx为0.3时，判断CA界限值的敏感度和特异性较高。

2.2　临床应用研究进展

Ono等利用ICM+软件，采用以10 s为时间窗的动态移动的滤波器，通过300 s的滑动窗口收集连续成对的MAP和rScO2来计算实时的COx。研究发现在CPB期间，20%的患者发生CA受损，且与围手术期发生脑卒中事件关系密切。临床实践中， Nakano等研究将COx>0.3的患者定义为CA受损，发现此类患者术后谵妄的发生率明显高于正常dCA患者。Zhang等采用相同阈值，观察到在Trendelenburg体位时，老年人dCA受损的累积时间要长于中年组，且有着更高的术后谵妄发生率。

COx的变化还能反映脑自动调节的下限（lower limit of autoregulation, LLA）和自动调节的上限（upper limit of autoregulation, ULA），当COx从≥0.3降低到<0.3时对应的MAP可作为LLA，同理升高到≥0.3时的MAP为ULA。Hori等在491例心脏手术患者中的研究中观察到术中MAP超过ULA与未超过ULA的患者术后谵妄的发生率差异有统计学意义，风险可增加4倍，且超过ULA的幅度和持续时间与术后谵妄发生也具有显著的相关性。Montgomery等又提出可以通过MAP和rScO2的趋势变化来确定CA状态。当MAP处在LLA以上时，MAP与rScO2之间没有共趋势关系，即动脉血压与CBF之间无相关性，提示CA处于正常范围。低于LLA时，MAP会与rScO2呈共同变化趋势，此时脑自动调节机制不能维持CBF恒定，处于失衡状态。因此通过共同变化趋势，可以判断CA状态，从而判断目标血压是否大于LLA或小于LLA。这些新指标以及新方法对实时脑自动调节状态有提示作用，基于COx等指标来确定患者个体化的最佳MAP可为临床目标血压管理带来益处。

2.3　优势与局限

近年来由于NIRS具有实时、无创、操作简单的独特优势，已被广泛应用于新生儿医学、心脏外科、危重症护理以及麻醉学领域。但此技术在临床上还有一定的局限性：易受到皮肤颜色、传感器放置位置以及颅外组织血液等干扰，测量的基线值在个体之间有很大差距，哪个rScO2衍生的变量最有价值仍存在争议。

3 超声标记的近红外光谱（ultrasound tagged‑near infrared spectroscopy, UT‑NIRS）技术     

3.1　基本原理

为了改进传统NIRS和TCD技术的局限性，UT‑NIRS应运而生，其通过单一探针可以发射780~830 nm波长的相干光照射脑组织，利用声光效应将相干光与超声换能器提供的低功率超声波进行调制，在脑组织内产生多普勒效应来探测血细胞的运动进而反映CBF。此项技术已被证明和TCD的测量结果具有相同的准确性，以及与氙133标记的单光子发射计算机断层扫描术测量的CBF具有一致性。

3.2　临床应用研究进展

通过UT‑NIRS可计算脑血流指数（cerebral flow index, CFI），进而估计CBF的变化，但CFI在临床上还未获得公认的正常范围，因此主要通过其他联合指标指导临床实践。利用与COx相同的方法通过ICM+软件计算CFI与MAP之间连续皮尔逊相关系数，得出相关流速指数（correlation flow index, CFx），处于最低CFx水平时的MAP被认为是脑血流调节能力达到最佳水平时对应的MAP，判断实时MAP与最优MAP差值可以反映CA状态，且基于CFx获得的最佳MAP可能比基于经验性定义的血压目标更好地确保脑灌注，进而指导个体化血压管理。

Hori等在心脏手术体外循环期间以及术后入ICU 3 h内计算实时CFx，发现术中MAP低于最佳MAP的发生是心脏术后急性肾损伤的独立危险因素。之后又深入对术中MAP与最佳MAP偏离程度及术后谵妄发生的关系进行了研究，结果显示术中MAP在基于CFx获得的最佳MAP水平以上波动时，与术后第2天谵妄的发生及严重程度相关。

3.3　优势与局限

该项联合技术与NIRS相比更具有优势，它不受颅外血管及组织干扰，因此对脑内血流变化监测的准确性更高。与TCD相比，具有不需要定位探针、操作简单等优点。但也有研究对此项技术的准确性进行质疑，提出UT‑NIRS测量结果显示过度通气导致CBF增加，这与常规的CO2对CBF的影响相反。Lipnick等观察到在健康受试者中，UT‑NIRS仅能监测高碳酸环境时的脑血流速度变化，且敏感性远远低于TCD，还需要进一步广泛验证才可以应用于临床。

4 其他技术

通过测量CBF变化进而间接反映CA的放射学方法（如CT、MRI以及衍生的磁共振扩散加权成像、单光子发射计算机断层扫描术）具有高精度、获取高质量图像的优势，被广泛应用于术前诊断和术后治疗评估。但同时放射学技术易使患者暴露于辐射中，且不适合动态连续测量，价格昂贵，对操作者的技术有很大的依赖，这限制了其在临床实践中的应用。最新研究还应用漫射相关光谱，在微血管水平上测量dCA能力，还可以同时估计脑内和脑外（如头皮）微循环的血流变化，但在临床中应用较少，其准确性还有待进一步研究。

5 展 望

综上所述，围手术期CA监测为围手术期脑功能状态实时准确判断提供依据，此外可优化麻醉用药、血压管理、液体输注等围手术期管理策略。随着CA监测技术的不断发展和广泛应用，未来有望对老年患者和脑功能脆弱患者等高风险人群的围手术期脑状态评估预警、实时监测、干预治疗提供更好的临床指导。目前，围手术期CA监测的研究还不够充分，有待进一步的大样本临床研究提供更多的临床数据和更好的理论依据。