综述|麻醉深度监测用于心脏外科手术中的研究进展

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麻醉深度监测用于心脏外科手术中的研究进展      

李夕 侯丽宏

西安市，空军军医大学第一附属医院麻醉与围术期医学科

通信作者：侯丽宏

基金项目：国家重点研发计划课题(2018YFC0117204)

【摘要】 脑电图能够监测大脑皮层神经元活动，在临床和科研工作中应用广泛，对原始脑电图的解读需要经过专业培训。基于处理后脑电图开发的麻醉深度监测仪的使用，有利于术中维持合适的麻醉深度，加速患者苏醒，减少术后并发症的发生等。本文主要对麻醉深度监测仪的基本原理、监测方法，及其在心脏外科手术中的应用现状、优势和不足进行综述，为麻醉深度监测仪在临床上的应用和相关参数的解读提供参考。

【关键词】脑电图；麻醉深度监测；心脏外科手术

自二十世纪九十年代以来，评估麻醉或镇静催眠深度的麻醉深度监测仪已在临床和科研工作中广泛应用。脑电图（electroencephalography， EEG）能准确地监测大脑功能及皮质活动状态，但是对于EEG的解读需要经过专业培训，术中应用受限［1-2］。目前，国内外已有十余种基于处理后EEG（processed electroencephalography， pEEG）的麻醉深度监测仪，将原始脑电信号转换成易于解读的数字指标，代表不同的麻醉深度，指导临床麻醉管理，在预测中枢神经系统功能损伤、监测脑缺血缺氧等方面也具有指导意义。这些麻醉深度指数主要包括非专有数字指标如边缘频谱频率（spectral edge frequency， SEF）、排列熵（entropy）等，以及专有数字指标如脑电双频指数（bispectral index， BIS）、Narcotrend指数等。

麻醉深度检测仪的概述

基本原理 

临床上常说的EEG，指的是使用电极在前额叶皮肤表面收集实时头皮脑电形成的图谱。头皮脑电信号是大脑皮层各区域的椎体神经元及其顶端树突的突触后电位的净总和，反映大脑皮层神经的活动状态［3］。连续的脑电信号穿过大脑皮层、脑膜、颅骨、头皮和监测电极，最终被麻醉深度监测仪的传感器收集，经过放大、过滤、采样后，转换为离散信号，完成原始信号的数字化处理。处理后的脑电信号被代入特定的数学和统计模型，进行脑电特征的提取和归类，随后将得到的参数与相关行为数据库进行比较、测试，最终得到一个无量纲指数，即代表此刻的麻醉深度［1, 4］。上述分析过程是对原始脑电信号的处理，即麻醉深度监测仪的技术基础。不同指数之间的区别主要在于处理数字化后脑电信号的数学算法模型不同，特殊数字指标如BIS通常有专有的保密算法。

麻醉深度监测仪也可以显示原始EEG波形，随着麻醉深度的增加，EEG逐渐转变为更高振幅、更低频率的电活动波形［2］。目前一些仪器可对EEG波形进行分解计算，并结合密度谱阵列（density spectral array， DSA）和边缘频谱频率等参数，提供更为直观的各波形功率变化。分解出的波形包括γ波（>30 Hz）、β波（13～30 Hz）、α波（7～13 Hz）、θ波（3.5～7 Hz）和δ波（0.5～3.5 Hz）。全身麻醉过程中的意识改变表现为不同波形的出现、组合和消失，例如θ波和δ波在深睡眠和全身麻醉期间出现，β波在清醒时出现，α波在入睡或全身麻醉苏醒期出现［5］。麻醉深度指数和EEG波形均可反映全身麻醉时的大脑意识状态变化，以判断患者的麻醉深度。

监测方法 

手术中麻醉深度的监测方法主要包括BIS、Narcotrend指数、患者状态指数及其他监测方法。

（1）BIS：BIS是第一个获得美国FDA认证的评价药物镇静效果的监测方法，目前在临床与科研领域均得到了广泛应用及研究。BIS的高低与患者大脑皮层的兴奋或抑制状态密切相关。BIS范围在0～100，数值越小，表示患者镇静程度越深，100表示完全清醒，0表示患者皮层的脑电活动完全被抑制。临床定义BIS 65～85代表镇静状态，40～65代表全身麻醉状态。当BIS小于40时，原始EEG开始出现爆发抑制［6］。另外不同的全身麻醉药与BIS相关性不同。丙泊酚的血药浓度与BIS变化具有较好的一致性，其次是咪达唑仑，氯胺酮会增加脑血流量及α波的活动，使BIS较正常升高［7］。

（2）Narcotrend指数：Narcotrend指数同样基于脑电信号分析，利用多参数统计分析方法，将麻醉深度由浅至深分为A—F共6个阶段，并形成0（等电位）到100（清醒）的指数，每个阶段对应不同深度数值。其中A（95～100）表示清醒状态，B（80～94）表示浅镇静状态，C（65～79）表示常规镇静状态，D（37～64）表示常规麻醉状态，E阶段（13～36）表示深度麻醉状态，F（0～12）表示麻醉过深存在爆发抑制，最适宜的麻醉深度在D—E阶段［8］。Narcotrend指数是一种可信度较高的麻醉深度监测仪，已应用于静脉麻醉药丙泊酚、依托咪酯和吸入麻醉药七氟醚的监测，与BIS也具有较好的一致性［9］。

（3）患者状态指数：患者状态指数（patient state index， PSI）是新型镇静深度监测方法，通过4个同步EEG通道对双侧大脑进行连续评估。PSI的算法主要依赖于原始脑电波功率谱、频率谱等，可显示双侧密度谱阵列和双侧原始EEG波形，并提供量化的PSI值（范围0～100，最佳麻醉深度为25～50）。与BIS比较，PSI在信号采集和抗干扰能力方面更优［10］。

（4）其他监测方法：目前临床及科研领域除常见的BIS、Narcotrend指数、PSI、听觉诱发电位等，还有诸如脑电信号的复杂度分析法、人工神经网络等脑电分析技术。随着脑氧饱和度监测在心脏手术中的广泛应用， 基于样本熵算法的脑血流动力学麻醉深度监测也为监测仪的开发提供了新途径［11］。

麻醉深度监测在心脏外科手术中的应用

麻醉深度监测在降低心脏外科手术中的术中知晓发生率、减少全身麻醉药用量、加速患者术后早期苏醒、改善患者预后、识别围术期脑缺血缺氧等方面均有一定优势。

预防术中知晓 

凭借心率和动脉血压等常规参数评估麻醉深度的方法并不可靠。在心脏外科手术中，常使用血管活性药物调控患者的血压、心率。心肺转流（cardiopulmonary bypass， CPB）期间心脏停跳时，血压主要由转流泵的流速来控制，肌松药的使用排除了患者体动的可能，以上因素均可能会干扰麻醉科医师对术中患者麻醉深度的评估。Avidan等［12］研究表明，患者发生术中知晓与CPB期间麻醉深度浅、患者意识恢复有关，因此，心脏手术中应用麻醉深度监测仪评估麻醉深度对避免发生术中知晓是十分必要的。

心脏手术是发生术中知晓的独立危险因素。有文献报道，心脏手术患者的术中知晓发生率为0.2%～2%，高于其他手术类型［13-14］。Avidan等［15］将1 941例以吸入麻醉维持的术中知晓高风险患者随机分为BIS监测组和呼气末麻醉气体浓度监测组，其中进行直视下心脏手术的患者525例，结果表明，两组患者术中知晓发生率的差异无统计学意义，提示单纯吸入麻醉时BIS监测与呼气末气体浓度监测在预防术中知晓方面并无明显差异。但此结果可能并不适用于接受全凭静脉麻醉的患者。Gao等［16］Meta分析表明，吸入麻醉患者中，应用BIS监测与呼气末麻醉气体浓度监测的两组患者术中知晓发生率无统计学差异；但在全凭静脉麻醉患者中，应用BIS监测的患者术中知晓发生率明显低于血流动力学监测的患者。

麻醉深度监测能够帮助麻醉科医师判断患者的麻醉深度，尤其对于接受心脏手术、术中血流动力学不稳定、接受全凭静脉麻醉等术中知晓高风险患者，有助于降低术中知晓发生率。

减少术中全身麻醉药用量 

心脏手术患者体液储备少，CPB会引起麻醉药的药代动力学改变，这些因素均影响术中的麻醉药物用量，但麻醉深度监测是否可以减少心脏手术中的麻醉用药量仍存在争议。目前，基于深度指数的麻醉药闭环靶控输注系统已多有研究报道，以BIS作为靶控指标的丙泊酚、瑞芬太尼双回路自动输注设备已应用于心脏手术患者术中麻醉及其术后镇静［17］。Agarwal等［18］将44例接受择期CPB下心脏手术的患者随机分为基于BIS的闭环丙泊酚输注组与手动控制组，对两组患者麻醉药用量进行比较，结果表明，与手动控制组比较，麻醉诱导期闭环组的丙泊酚用量更少，患者血流动力学更稳定，且CPB开始前肾上腺素的累计用量明显少于手动控制组。闭环输注系统对于心脏手术患者可能有明显的优势。

促进患者早期苏醒

患者全身麻醉术后早期苏醒是加速康复外科的重要目标之一。Lewis等［19］研究表明，术中监测麻醉深度可以缩短全身麻醉患者苏醒时间，预防苏醒延迟。Oliveira等［20］回顾了17项随机对照试验，共纳入患者10 761例，其中包括2项心血管手术研究的151例患者，分别对包括睁眼时间、拔管时间和达到出PACU标准所用时间等指标进行分析，结果表明，采用麻醉深度监测指导用药的患者睁眼时间、拔管所需时间等均短于未进行麻醉深度监测的患者。因此，麻醉深度监测有利于心脏手术在内的手术患者的快速苏醒。

改善患者预后 

有关麻醉深度监测对心脏手术患者预后的研究多集中在术后死亡率和围术期神经认知功能障碍两方面。

（1）降低术后死亡率：Chan等［21］研究表明，麻醉深度与术后全因死亡率存在一定联系，但是尚缺乏大样本随机对照试验的直接证据，关于麻醉过深是否会提高患者术后死亡率仍存在争议。目前多数研究的结论更倾向于低BIS累计持续时间、低血压累计持续时间等因素与术后死亡率相关。Maheshwari等［22］将8 239例接受心脏手术的患者，分为术中出现“双低”（低血压和低BIS）的试验组和未出现“双低”的对照组，结果表明，试验组发生主要结局事件（术后30 d死亡、院内死亡和出现并发症的复合结局）的风险高于对照组。但是心脏手术CPB期间体温过低以及脑灌注不足等都可使BIS降低，BIS与术后死亡率之间的相关性能否等同于麻醉深度与患者预后的相关性，还需要进一步的研究。

（2）改善围术期神经认知功能障碍：围术期神经认知障碍（perioperative neurocognitive disorders， PND）是全身麻醉后的常见不良事件，包括术后谵妄（postoperative delirium， POD）和术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction， POCD）等，其发生率及严重程度在不同年龄患者和手术类型中有差别。与其他类型手术比较，心脏手术后患者PND的发生率明显升高，CPB也被认为是心脏手术后神经认知障碍的危险因素［23-24］。

麻醉深度监测在预防PND方面有潜在的价值。Pedemonte等［25］的回顾性队列研究表明，患者年龄、术中α波平均功率、CPB期间爆发抑制率都与POD有关，爆发抑制率和年龄可用于预测POD。谵妄发生时脑电图可表现为广泛性θ波和δ波功率增加，以及额叶间歇性、节律性δ波活动出现［26］。Numan等［27］研究表明，相对δ波功率诊断谵妄的ROC曲线下面积为0.75，提示脑电监测可以作为谵妄的潜在诊断工具。PND在心脏手术后发生率较高，因此对脑电监测的研究不应只停留在麻醉深度数值上，对原始脑电信号以及反映大脑两侧功率、提高EEG可见性的参数的分析也应该得到重视。

减轻脑缺血缺氧 

围术期存在可能导致患者脑缺血性损伤的多种诱因，如心输出量下降、血栓栓塞、血管痉挛等，在心脏手术中更易发生。麻醉深度监测仪是发现脑缺血损伤的重要工具，EEG的突然变化如活动增加、持续抑制、爆发抑制以及深度指数的异常降低等都提示可能发生了脑缺血损伤。Eertmans等［28］研究表明，与单侧BIS监测比较，双侧BIS监测在显示额叶缺血以及预测院外心脏骤停患者神经系统功能预后等方面更具有优势。

术中脑血流的改变与脑电频谱图的变化也具有相关性。Sastre等［29］研究表明，心脏手术中体外循环下颈动脉阻断期间发生脑血流减少时，患者的脑电密度谱阵列图形会发生变化。目前，大部分麻醉深度监测仪均已开发出脑电频谱图形功能，用于心脏外科及其他类型手术中监测患者整体性脑缺血情况，比单纯解读麻醉深度指数更有意义［30］。

麻醉深度监测仪在心脏外科手术中的影响因素

手术过程中可能发生与麻醉深度或脑灌注变化无关的情况，如电刀等其他电信号的干扰，会使BIS等监测仪的数值及频谱图发生变化，导致其不能真实反映麻醉深度。心脏手术中影响麻醉深度监测仪准确性的主要因素包括：患者的神经系统疾病、术中肌肉活动及肌松剂的使用、CPB期间低体温、脑血流量减少等。

神经系统疾病 

患者既往的神经系统疾病可能对麻醉深度监测仪数值的准确性产生影响。Hernaiz等［31］研究表明，术前认知功能良好且脑部疾病少的成年患者，术中麻醉深度更容易维持稳定。需要注意的是，BIS等算法是基于具有正常EEG的健康志愿者开发的，在患有神经系统疾病或具有脑血管病史的患者中使用时数据可能存在偏差。因此，对于此类患者，术中监测到异常的EEG波形以及麻醉深度数值要谨慎判读。

肌肉活动及肌松药的使用 

患者肌肉活动对EEG有一定的影响，因为肌电图（electromyography，EMG）信号与EEG信号不易辨别。患者使用肌松药后肌肉活动消失，监测仪就会错误地指示为镇静深度增加。独立成分分析（independent component analysis， ICA）是一种能从EEG中分离、去除肌源信号的算法，Fitzgibbon等［32］研究表明，ICA算法能将约50 Hz的EMG干扰去除，同时保留并增强所需的EEG信号。

CPB期间低体温 

患者体温过低会引起脑电图的总体抑制。心脏手术CPB的深低温期间，患者BIS与体温存在相关性。在没有增加麻醉药物的条件下，BIS会随着机体核心温度的降低而减小，但在体温正常后又可以回归至基线水平［33］。

脑血流量减少 

心脏手术患者多存在术前心功能不全，且由于麻醉药物引起的血管舒张、心肌抑制等效应，全身麻醉后低血压较为常见，可导致脑血流量减少，脑部灌注不足。当术中脑血流量减少时，监测仪的EEG和脑电频谱图都有变化，通常表现为较低频率波的功率增加、振幅降低，EEG出现爆发性抑制，甚至等电位，同时可以伴随深度指数的下降等［34］。

小结

脑电信号可直接反映中枢神经系统的活动，基于处理后脑电信号的多种麻醉深度监测仪已成为心脏手术患者的常规监测手段。心脏手术中的麻醉深度监测在减少麻醉药物用量，监测术中脑缺血缺氧，促进患者术后早期苏醒，减少术中知晓与术后神经认知障碍发生率等方面具有重要临床意义。在心脏手术中，麻醉深度监测的准确性因受到患者神经系统基础疾病、术中肌肉活动、CPB期间低体温及术中脑血流量减少等因素的影响，仍是当前需要解决的问题。随着新型麻醉深度监测设备的研发与投入临床应用，结合多种脑电频谱图形对麻醉深度指数进行综合分析，将实现麻醉深度监测仪在心脏外科手术中的应用价值最大化，心脏手术麻醉围术期管理将更加科学、精准、安全。

参考文献略。

DOI:10.12089/jca.2022.12.015

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编辑：Michel.米萱

校对：Mijohn.米江