靳晨彥,郭 航,李青華,李亞君,程亞飛, 馬亞群,

全身麻醉是一種由全身麻醉藥物引起的無意識、無痛、無體動的神經(jīng)生理狀態(tài)[1]?？陀^、準(zhǔn)確、及時的疼痛評估對圍手術(shù)期疼痛管理至關(guān)重要,是確保圍手術(shù)期麻醉質(zhì)量和安全的關(guān)鍵因素,不僅可以避免術(shù)中刺激引起的交感神經(jīng)興奮、心肌耗氧量增加等不良反應(yīng),還可以減少術(shù)后急慢性疼痛。然而,現(xiàn)有的圍手術(shù)期疼痛評估方法大多依賴于自主神經(jīng)反應(yīng),如心率、血壓、瞳孔疼痛指數(shù)等,這些評估方法常因無法兼顧特異性、客觀性、敏感性而無法準(zhǔn)確評估,從疼痛發(fā)生機(jī)制上尋找到可靠的疼痛評估方法成為亟待解決的臨床問題。研究表明痛覺是中樞神經(jīng)系統(tǒng)接收到疼痛刺激后做出的反應(yīng)[2]。功能磁共振成像顯示機(jī)體受到疼痛刺激時,包括丘腦、初級和次級軀體感覺區(qū)、腦島、扣帶前皮質(zhì)和中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)在內(nèi)的大腦皮質(zhì)區(qū)域被激活[3],其中前額葉皮質(zhì)作為疼痛加工和編碼的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),具有疼痛強(qiáng)度的獨(dú)立效應(yīng)[4]。成人局部大腦皮質(zhì)激活會導(dǎo)致流向激活區(qū)域的局部血流量增加[5],且增加量遠(yuǎn)超過腦組織對氧的需求,最終導(dǎo)致局部的血紅蛋白含氧量增加,因此,局部皮質(zhì)血流動力學(xué)變化可以反映大腦局部神經(jīng)活動。功能性近紅外光譜成像技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)基于血紅蛋白的不同光學(xué)特性,非侵入性地量化大腦皮質(zhì)血流動力學(xué)變化,在評價腦功能方面與磁共振等效[6]。與成人相比,兒童神經(jīng)血管耦合本身就處于發(fā)育中[7],雖然有研究觀察到清醒狀態(tài)的早產(chǎn)兒、新生兒在接受疼痛刺激時會有腦組織血氧參數(shù)的變化[8-11],但關(guān)于全身麻醉狀態(tài)的兒童在接受疼痛刺激時的腦組織血氧參數(shù)變化尚未明確。本研究旨在探討全麻手術(shù)中0～14歲兒童受到切皮刺激后腦組織血氧參數(shù)的變化情況,探索fNIRS客觀評估兒童全麻手術(shù)術(shù)中疼痛的可行性,為臨床疼痛評估作參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選擇2021-11至2022-09于解放軍總醫(yī)院第七醫(yī)學(xué)中心行尿道下裂修補(bǔ)術(shù)或隱匿型陰莖矯治術(shù)的45例0～14歲患兒,由手術(shù)醫(yī)師根據(jù)陰莖背神經(jīng)阻滯后局麻藥液擴(kuò)散是否影響手術(shù)操作分為全身麻醉組(G組)30例,全身麻醉+陰莖背神經(jīng)阻滯組(N組)15例。納入標(biāo)準(zhǔn):達(dá)到尿道下裂和隱匿陰莖手術(shù)標(biāo)準(zhǔn),且擬在我院行手術(shù)治療;年齡0～14歲;ASA分級I～I(xiàn)I級;患兒為右利手。排除標(biāo)準(zhǔn):有腦神經(jīng)損傷等嚴(yán)重中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病等;術(shù)后嚴(yán)重并發(fā)癥;近半年有鎮(zhèn)靜催眠藥、鎮(zhèn)痛藥用藥史;有精神疾病如自閉癥等;既往多次手術(shù)史(≥2次)。本研究通過解放軍總醫(yī)院第七醫(yī)學(xué)中心倫理委員會審核(2022-24),所有納入研究的患兒家屬均知曉研究過程并簽署知情同意書。臨床試驗(yàn)注冊:中國臨床試驗(yàn)注冊中心,ChiCTR2200059583。

1.2 試驗(yàn)裝置與原理 fNIRS是一種非侵入性光學(xué)成像技術(shù),用于測量大腦皮層外層血流動力學(xué)活動。設(shè)備發(fā)射出700～1000 nm波長的近紅外光線可輕易穿透顱骨和大腦皮層,氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin,Oxy-Hb)對790 nm以上的紅外光吸收能力較強(qiáng),脫氧血紅蛋白(deoxygenated hemoglobin,Deoxy-Hb)對790 nm以下的紅外光吸收能力較強(qiáng),根據(jù)生物組織中不同類型血紅蛋白對近紅外光吸收特性的差別,通過接收端測定折射及散射后的近紅外光線并計算其被吸收的比例,就可以得到Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度和總血紅蛋白(total hemoglobin, Total-Hb)濃度。當(dāng)大腦皮質(zhì)血流量發(fā)生變化時,腦組織血氧參數(shù)也相應(yīng)地發(fā)生變化,fNIRS可以在短時間內(nèi)持續(xù)捕捉Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度的微小波動,實(shí)時反映大腦皮層血流動力學(xué)的改變。本研究采用近紅外組織血氧參數(shù)無損監(jiān)測儀(愛琴醫(yī)療,ECO-N17-C25L)進(jìn)行信號采集,該設(shè)備具有高采樣率(20 Hz),可以獲取2.5 Hz以下的低頻振蕩信號以探究廣泛的生理變化。

1.3 試驗(yàn)步驟 所有患兒入室后建立外周靜脈通道,麻醉誘導(dǎo)前輸注乳酸鈉林格氏液 10 ml/kg,監(jiān)測心率、心電圖、無創(chuàng)血壓、血氧飽和度、呼末二氧化碳分壓、近紅外腦組織血氧參數(shù)和腦電雙頻譜指數(shù)(bispectral index,BIS) ,fNIRS、BIS貼片固定位置如圖1。標(biāo)準(zhǔn)化麻醉誘導(dǎo)選用咪達(dá)唑侖0.03 mg/kg、丙泊酚2～3 mg/kg、芬太尼3～6 μg/kg、羅庫溴銨0.4～0.6 mg/kg。面罩吸入純氧3 L/min,90 s后給予喉罩或氣管插管機(jī)械通氣,設(shè)置潮氣量8 ml/kg,術(shù)中以空氣和氧氣體積比1∶1,流量2 L/min進(jìn)行機(jī)械通氣,根據(jù)呼氣末二氧化碳分壓調(diào)整潮氣量和呼吸頻率,使呼氣末二氧化碳分壓維持在35～45 mmHg。術(shù)中全憑吸入七氟醚維持麻醉深度,使BIS維持在40～65;術(shù)中根據(jù)需要追加芬太尼1 μg/kg,使血壓、心率波動不超過 20%。N組于機(jī)械通氣后行陰莖背神經(jīng)阻滯(0.25%羅哌卡因0.2 ml/kg),阻滯10 min后開始手術(shù)。數(shù)據(jù)采集期間避免聲音、手術(shù)外刺激等因素干擾。麻醉醫(yī)師不根據(jù)近紅外腦組織血氧參數(shù)調(diào)整圍手術(shù)期用藥。

圖1 fNIRS、BIS貼片固定位置

1.4 觀察指標(biāo) 術(shù)前記錄患兒年齡、身高、體重、芬太尼誘導(dǎo)用量;術(shù)中連續(xù)采集切皮前5 min至切皮后持續(xù)手術(shù)操作5 min的左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)、心率和BIS,記錄以下數(shù)據(jù):(1)基線,切皮前10 s至切皮前30 s(T1)無任何操作干擾情況下的左側(cè)前額葉皮質(zhì)平均Oxy-Hb濃度、平均Deoxy-Hb濃度、平均Total-Hb濃度、平均心率和平均BIS;(2)峰值,切皮后到達(dá)第一個波峰時(T2)的左側(cè)前額葉皮質(zhì)Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度、心率和BIS;(3)腦組織血氧參數(shù)和心率到達(dá)峰值的時長。上述觀察指標(biāo)由另一位接受過培訓(xùn)的專職人員采集。

1.5 近紅外信號預(yù)處理 本研究使用MATLAB(version 2022, Math Works Inc)對原始近紅外信號進(jìn)行預(yù)處理。由于近紅外信號在采集的過程中會受到運(yùn)動噪聲和生理噪聲的影響,因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。首先對原始近紅外信號進(jìn)行離散小波變換,將變換后的小波系數(shù)分布選擇峰度閾值(本研究中所有近紅外信號在運(yùn)動噪聲濾波時都設(shè)為相同的閾值3.3)。其次,近紅外光譜測量過程中捕獲了成像組織血流動力學(xué)的多個方面,其時間序列包含了功能變化和潛在的生理過程,而這些生理過程,如心跳、呼吸和血壓的波動等并沒有直接與神經(jīng)元活動耦合,因此采用三階巴特沃斯零相位數(shù)字濾波器來提取低頻振蕩信號并去除生理噪聲。

2 結(jié) 果

2.1 一般資料 G組和N組患兒年齡、身高、體重、單位體重芬太尼用量無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05,表1)。

表1 兩組全身麻醉兒童疼痛評估患者一般資料比較

2.2 血氧參數(shù)和心率對切皮刺激的反應(yīng) G組和N組患兒左側(cè)前額葉皮質(zhì)Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度和心率在切皮前均動態(tài)波動于基線水平。與T1相比,T2時刻G組上述指標(biāo)分別平均升高8.6%、61.8%、37.2%、7.7%,差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),T1、T2時刻BIS差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義;而N組T1、T2時刻左側(cè)前額葉皮質(zhì)Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度、心率、BIS差異均不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,表 2)。

與N組相比,G組T1時刻左側(cè)前額葉皮質(zhì)Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度、心率差異無統(tǒng)計學(xué)意義;兩組T2與T1時刻Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度差值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),Oxy-Hb濃度和心率差值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(表2),表明與接受神經(jīng)阻滯的N組相比,未接受神經(jīng)阻滯的G組切皮后左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)變化更為明顯。

表2 左側(cè)前額葉皮質(zhì)血氧參數(shù)、心率和BIS在切皮前基線(T1)、切皮后峰值時(T2)及切皮前后差值(Δ)比較 [M(Q1,Q3)]

2.3 切皮后G組左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)和心率到達(dá)峰值的時間比較 G組患兒接受切皮刺激后,左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)與心率到達(dá)峰值的先后順序?yàn)?Deoxy-Hb濃度[(1.723±0.783)s]、Total-Hb濃度[(1.763±0.770)s]、Oxy-Hb濃度[(1.813±0.794)s]、心率[(2.100±0.845)s],其中Deoxy-Hb濃度(Z=4.17,P=0.041)和Total-Hb濃度(Z=4.8,P=0.028)到達(dá)峰值的時間與心率到達(dá)峰值的時間相比差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 討 論

疼痛通路是痛覺產(chǎn)生的基礎(chǔ)[12,13],感覺末端器官感受到痛閾值以上的傷害性刺激后形成電脈沖或者動作電位在神經(jīng)纖維內(nèi)經(jīng)過脊髓上傳到大腦皮層,一方面通過神經(jīng)血管耦合使局部皮質(zhì)血流動力學(xué)產(chǎn)生變化,從而影響腦組織血氧水平[5];另一方面通過激活中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì),興奮下腦干和脊髓中的運(yùn)動前或節(jié)前自主神經(jīng),從而引發(fā)自主神經(jīng)反應(yīng)[14,15]。目前臨床上圍手術(shù)期疼痛評估的研究多圍繞自主神經(jīng)反應(yīng)展開,例如,心率、血壓、瞳孔直徑等,但是這些指標(biāo)易受藥物、年齡、溫度、容量、疾病等因素干擾,在評估疼痛方面缺乏特異性和準(zhǔn)確性[12,13]。本研究采用了一種基于fNIRS的方法,直接通過量化大腦皮質(zhì)血流動力學(xué)變化從中樞水平反映兒童全麻手術(shù)術(shù)中疼痛的發(fā)生,具有客觀、敏感、特征、穩(wěn)定、無創(chuàng)、連續(xù)、便攜等優(yōu)勢[16-18]。前額葉由于其疼痛強(qiáng)度的獨(dú)立效應(yīng)[4]和信號采集不受毛發(fā)干擾的特點(diǎn),一直以來是疼痛相關(guān)研究的重點(diǎn)部位。并且與右側(cè)前額葉相比,左側(cè)前額葉皮質(zhì)對針刺、環(huán)切等疼痛刺激反應(yīng)更為顯著[19]。因此,本研究選擇左側(cè)前額葉作為fNIRS監(jiān)測部位、切皮作為疼痛刺激,比較切皮前后左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)和心率的相對變化情況。

本研究發(fā)現(xiàn),切皮后G組所有患兒左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)和心率均出現(xiàn)不同程度的增加或增快,其中Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度增加最為顯著,而N組患兒切皮后左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)和心率無顯著變化。兩組T2、T1時刻Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度差值差異有統(tǒng)計學(xué)意義,T2、T1時刻Oxy-Hb濃度和心率差值差異無統(tǒng)計學(xué)意義,但N組上述四項(xiàng)差值均小于G組,這種切皮前后腦組織血氧參數(shù)更加穩(wěn)定的現(xiàn)象與陰莖背神經(jīng)阻滯提供了更完善的鎮(zhèn)痛效果相符[20],表明左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)可以用于全身麻醉兒童的疼痛評估且Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度在評估疼痛方面更具優(yōu)勢。

基于腦組織血氧參數(shù)的疼痛評估方法在靈敏性方面也顯著優(yōu)于基于自主神經(jīng)反應(yīng)的疼痛評估方法。有研究顯示,神經(jīng)血管耦合介導(dǎo)的皮質(zhì)血流動力學(xué)變化通常在刺激后0.5 s開始出現(xiàn),并在刺激后3～5 s到達(dá)峰值[21,22]。本研究顯示G組從切皮到腦組織血氧參數(shù)到達(dá)峰值的時間均在0.5～3 s,基本符合神經(jīng)血管耦合反應(yīng)發(fā)生的時間,其中Deoxy-Hb濃度和Total-Hb濃度到達(dá)峰值的時間比心率到達(dá)峰值的時間分別平均提前0.38 s和0.34 s,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義,表明腦組織血氧參數(shù)在反映疼痛方面比心率更靈敏,可能的機(jī)制是,與心率變化相比,疼痛引起腦組織血氧參數(shù)變化省略了從中樞傳導(dǎo)至外周的過程。對麻醉醫(yī)師而言,根據(jù)腦組織血氧參數(shù)變化可以更及時地調(diào)整鎮(zhèn)痛程度,減少兒童因圍手術(shù)期鎮(zhèn)痛不足引起的一系列并發(fā)癥。

腦組織血氧參數(shù)評估疼痛不受鎮(zhèn)靜藥物干擾,且在使用鎮(zhèn)痛藥的情況下也具有適用性。本研究麻醉誘導(dǎo)選用丙泊酚,麻醉維持選用七氟醚,這兩種全身麻醉藥物均通過減弱大腦皮層間的連通性發(fā)揮鎮(zhèn)靜、催眠作用,其中額葉皮質(zhì)的總大腦連通性降低最為顯著[23-25]。本研究結(jié)果顯示處于麻醉狀態(tài)的兒童對切皮刺激表現(xiàn)出與清醒兒童相似的前額葉腦組織血氧參數(shù)升高趨勢[19],可能是疼痛與意識的大腦連接模式不同導(dǎo)致:丙泊酚和七氟醚對意識相關(guān)的腦功能連接抑制作用較強(qiáng),但對疼痛相關(guān)的腦功能連接抑制作用較弱。芬太尼是兒童圍手術(shù)期廣泛使用的鎮(zhèn)痛藥物,本研究采用3～6 μg/kg常規(guī)劑量芬太尼誘導(dǎo),G組切皮后所有患兒均出現(xiàn)不同程度的腦組織血氧參數(shù)升高,可能是陰莖部位分布有密集的神經(jīng)末梢,對痛覺敏感,常規(guī)誘導(dǎo)劑量的芬太尼未能完全阻斷兒童陰莖部位切皮引起的痛覺信號傳遞[26]。與G組相比,N組復(fù)合了陰莖背神經(jīng)阻滯,鎮(zhèn)痛效果完善,未觀察到切皮后腦組織血氧參數(shù)升高,提示全身麻醉兒童可以通過腦組織血氧參數(shù)評估術(shù)中鎮(zhèn)痛水平并及時調(diào)整鎮(zhèn)痛程度,避免經(jīng)驗(yàn)性鎮(zhèn)痛導(dǎo)致的鎮(zhèn)痛不足。

疼痛引發(fā)的腦組織血氧參數(shù)變化由神經(jīng)血管耦合機(jī)制介導(dǎo)。研究顯示兒童發(fā)育過程中年齡與神經(jīng)血管耦合呈正相關(guān)[27],因此本研究納入的0～14歲患兒的基線左側(cè)前額葉腦組織血氧參數(shù)差異較大,但患兒在鎮(zhèn)痛不全時,接受疼痛刺激后均表現(xiàn)為腦組織血氧參數(shù)顯著升高,與早產(chǎn)兒、足月新生兒和成人[17]接受不同類型疼痛刺激時腦組織血氧參數(shù)的升高趨勢相似,表明年齡只影響腦組織血氧參數(shù)的基線水平,但不影響腦組織血氧參數(shù)對疼痛刺激做出的反應(yīng),即腦組織血氧參數(shù)變化評估疼痛在年齡方面具有普適性。

綜上所述,fNIRS可以評估兒童全麻手術(shù)術(shù)中疼痛,表現(xiàn)為伴隨疼痛發(fā)生的Oxy-Hb濃度、Deoxy-Hb濃度、Total-Hb濃度升高,且與常規(guī)的生理指標(biāo)心率相比,Deoxy-Hb濃度和Total-Hb濃度更具靈敏性。本研究不足之處是沒有對不同程度疼痛刺激下的腦組織血氧參數(shù)進(jìn)行研究,未來仍需進(jìn)一步多中心、大樣本量試驗(yàn),明確疼痛程度與前額葉腦組織血氧水平之間的關(guān)系。

所有作者聲明無利益沖突。