经颅多普勒对中-重度颅脑创伤患者脑生理学指标的评估应用进展

陈彐莲,孙洪涛 综述 郭姗姗 审校

颅脑创伤(traumatic brain injury, TBI)是致命性极高的神经外科急症,尽管救治技术和相关研究不断发展,中-重度患者预后仍不尽人意。特别是随着发病率的提升,中-重度TBI患者急性期多模态监测管理和远期预后改善评估成为神经危重症迫切探寻的课题[1,2]。TBI发生后会导致颅内压(intracranial pressure, ICP)升高、脑血管痉挛等病理生理变化,引起脑灌注压(cerebral perfusion pressure, CPP)下降、脑血流量(cerebral blood flow, CBF)减少,造成大脑缺血缺氧,进而影响患者生命及预后[3]。临床上通过脑室穿刺进行ICP有创监测等方式对TBI患者病情进行判断,尽管脑室ICP监测是ICP监测的金标准,但具有增加感染、出血、脱管等风险[4]。经颅多普勒(transcranial Doppler, TCD)的发展,为TBI患者提供了一种快速安全且无创的评估脑生理学指标的方法,在无创测定ICP、监测创伤后血管痉挛、预测患者预后和评估大脑自调节状态中具有一定优势,是神经重症病房床旁ICP监测中仅次于脑室穿刺的常用方法[5]。本文就TCD对中重度TBI患者脑生理学指标的评估应用进展进行综述,旨在对临床诊治提供依据。

1 脑生理学评估基础

1982年发现多普勒超声可经颅摄入颅底血管、通过血液中红细胞对超声波的反射推断脑血流速度(cerebral blood flow velocity, CBFV),成为TCD评估脑生理学应用的基础。当脑血管直径恒定时,通过CBFV便可估算出CBF等其他参数。反之,CBF不变而血管直径减小,CBFV便会增加,此时便提示脑血管痉挛的发生。大脑中动脉(middle cerebral artery, MCA)供应大脑半球80%血流量,且粗直、走行较固定,加之位于较薄的颞骨后,因此经颞窗检测MCA成为TCD监测CBFV的首选。通常情况下MCA直径受动脉血压(arterial blood pressure, ABP)、二氧化碳分压等影响较小,但对MCA远端CBFV影响可能较大。TCD可直接观测脑血流动力学变化,并可借助脑血流动力学参数及超声频谱形态间接评估脑生理学指标。

脑血流动力学参数包括收缩期峰值血流速度(systolic blood flow velocity,FVs)、舒张期末流速(diastolic dlood flow velocity,FVd)、平均血流速度(mean blood flow velocity,FVm)、搏动指数(pulsatility index, PI)、阻力指数(resistance index,RI)等。其中,FVm=1/3FVs+2/3FVd;PI=(FVs-FVd)/FVm,主要反映脑血管远端灌注阻力变化;RI=(FVs-FVd)/FVs,间接反映远端血管血流阻力。CBFV可受到脑血流与超声波之间角度影响,而PI和RI恰可消除这种影响以减少偏差。频谱形态主要是指血流在血管内流动的状态,可呈现出不同的颜色和波峰。通过频谱形态的改变亦可推断患者病情变化。

2 对预后评估的应用

2.1 血流速度 Chan等[6]最早对血流速度(blood flow velocity,FV)与TBI患者病情及预后关系进行研究,发现TBI患者在入院时MCA的FV较健康人显著减慢,且重度TBI减慢更严重。不仅如此,重度TBI患者在出院时FV仍呈病理性减慢。这种低灌注状态在半年后随访时,预后较好的重度TBI患者FV有一定增快,而预后较差的患者仍保持在较低水平,且低于28 cm/s的患者中有80%已病逝,表明FV水平直接影响TBI患者预后[6]。研究者将MCA中FV<35 cm/s定为低FV,发现入院前10 d中63%重度TBI患者表现为持续性低FV,且在入院8 h内尤为明显。严重低灌注引起脑组织缺氧进而导致患者预后较差[7]。此外,异常增快的MCA流速也可能导致不良预后。部分重度TBI患者入院时MCA流速异常增快,认为是病理性充血,这些患者颅内压极高致使CPP极低,院外随访发现预后较差,提示病理性充血也和TBI预后不良有关[8]。尽管FV在TBI监测中有所价值,但受声波角等限制在急性TBI患者管理中单靠FV作用有限。

2.2 PI PI不受声波角限制,是TBI监测中更理想的指标。其与脑血管阻力呈正比,与CPP成反比,更适合评估患者预后[9]。有学者研究发现,受伤24 h内(PI均值为1)的重度TBI患者6个月后随访中预后较好,而均值为1.56的患者则预后较差,且FV明显更低[9]。FV及PI可间接反映脑灌注状态,而灌注与患者预后直接相关。研究者将FVm<35 cm/s、FVd<20 cm/s和(或)PI>1.4定义为低灌注,结果72例低灌注患者有71例死亡[10]。低灌注TBI患者预后不良是正常者的4倍,死亡率高达10倍[11]。此外,PI还可预测继发性神经功能衰退。Jaffres等[12]发现,17%轻度TBI和28%中度TBI在随访第7天时出现继发性神经功能恶化,这些患者PI明显高于对照组,且病情越重PI越高,而FV没有显著差异。Bouzat等[13]初步将FVd=25 cm/s和PI=1.25(敏感性为90%,特异性为91%)确定为TBI出现继发性神经功能衰退的阈值。综上推断,PI可作为评估TBI患者预后的独立参考因子,且PI值越高TBI患者预后可能越差。

2.3 频谱形态 有研究发现,当ICP升高超过一定程度时,TCD频谱形态会发生特征性改变[14]。当舒张期出现方向倒转的复现血流信号时,这种舒张期逆向血流频谱称为振荡波,而当ICP超过收缩压时TCD会检测到钉子波,甚至最后呈现全脑无血流信号。震荡波、钉子波、全脑无信号可作为脑死亡前期的参考和辅助诊断标准。

3 在脑血管痉挛监测中的应用

3.1 FVm检测CVS 脑血管痉挛(cerebral vasospasm, CVS)是TBI后蛛网膜下腔出血的继发性损伤, CVS最早可发生在受伤后3 d,并持续5～10 d[15]。假定大脑动脉在同等情况下血管内径相对固定,根据脑血流速度的降低或增高就可以推测局部CBF的相应改变。同理,当CBF不变时,如果血管直径缩短,FV便会增加,这就是FV检测CVS的基础。早期通过TCD在动脉瘤性蛛网膜下腔出血中检测到CVS,并将其定义为MCA中FVm>120 cm/s。Martin等[16]对30例TBI患者MCA行TCD的研究进一步证实CVS对CBF的削减。他们同样将FVm>120 cm/s定义为CVS,有8例符合,并将FVm>200 cm/s定为重度CVS,有3例符合且均伴有创伤性蛛网膜下腔出血,表明蛛网膜下腔出血是CVS的独立危险因素[16]。有意思的是这些CVS患者虽然FV增快但CBF却很低[16]。然而,单纯依靠FVm升高不能对脑血管充血和CVS进行区分,这是FVm检测CVS的局限性所在。尽管在TBI患者中这两种情况都会导致预后不良,但充血代表CBF过剩,而CVS代表不足,因而治疗方案有很大不同,有效鉴别非常重要。

3.2 林德高比值( Lindegaard ratios, LR)检测CVS 区分充血和CVS的经典方法由Lindegaard等[17]首次提出,即取MCA中FVm与颈内动脉终末端中FVm的比值,即为LR。在充血情况下,ICA和MCA的 FVm均较高,因此比值较低。而在CVS情况下,MCA的痉挛狭窄引起颈内动脉下游阻力增加,导致颈内动脉FVm降低,因而比值升高。通过确定LR阈值便可进一步有效鉴别充血和CVS。Weber等[18]对35例重度TBI患者进行TCD监测,通过研究他们将LR >3定义为创伤后血管痉挛(post-traumatic vasospasm, PTVS),发现其中14例TBI患者符合PTVS情况。PTVS最早可在损伤后48 h发生,大部分发生在损伤后5～7 d[18]。Zurynski等[19]对50例TBI患者进行TCD监测,通过观察相关参数进而区分PTVS和充血对预后的影响。研究发现,有35例FVm>100 cm/s,其中LR>3的患者有20例,被认为是处于PTVS状态,随访中只有40%的患者预后较好;其余15例则被认为是充血状态,此时患者ICP极高而CPP却极低,只有47%的患者预后良好。值得注意的是,在FVm正常的患者中,87%的患者获得了良好的预后[19]。除此之外,Ziegler等[10]在一项对255例TBI后PTVS患者的预后研究中得到相似结果。他们将FVm>120 cm/s且LR>3定义为PTVS,只有69例符合上述标准,他们中55%最终发生严重残疾或死亡。经过学者的不断摸索,目前通常将PTVS定义为FVm>120 cm/s且LR>3。以上均提示,早期发现并及时干预这种痉挛状态有助于改善患者的缺血性脑损伤以及预后。

4 在无创评估中的应用

4.1 ICP 早期研究通过TCD的单参数间接地对ICP变化进行定性研究,而后逐渐借助多参数建模进行ICP定量评估。最常见的方法包括“黑盒子”模型评估法、舒张期脑血流法、临界闭合压法及PI法等[20]。在TBI中影响CBF的主要抗力就是ICP,而与CBF最直接相关的是FV,只要血管直径恒定,通过检测FV就可以推测ICP。但实际上这并不完全准确。类似于电路理论,在大脑中ABP相当于电压,CBF相当于电流,脑血管阻力相当于电阻。此外,研究发现PI与ICP关系密切,并且在儿童TBI患者中,当PI≥1.3时可确定ICP>20 mmHg[21]。然而单一的参数只能预测ICP变化趋势,通常ICP可以在一定范围内变化。Kashif等[22]通过TCD对37例TBI患者入院39 h的ICP变化进行评估,综合两侧的MCA结果,平均误差和标准误差可下降到1.5和5.9 mmHg。另一项研究中,Schmidt等[23]基于TCD参数和ABP构建一种脉冲响应函数以进行无创估测ICP,通过该方法对137例重度TBI患者进行估测并与有创ICP进行比较,绝对差为4.9 mmHg,标准偏差为3.3 mmHg。Cardim等[24]参考Schmidt的研究,发现基于PI的ICP估测方法在预测ICP变化时更为准确。此外,Weyland等[25]发现,重度TBI患者ICP与临界闭合压密切相关。脑循环中临界闭合压为小血管存在塌陷时的压力,可通过FV和ABP相关线性回归计算得出。这些患者ICP都很高,且随着ICP增加,临界闭合压预测性能也随之升高[25]。

目前临床建模方法中多基于PI进行ICP评估,经典模型为ICP=4.47×PI+12.68,误差范围为±4.2 mmHg[26]。此外还有ICP=11.50×PI-2.23、ICP=平均动脉压(mean arterial pressure, MAP)×(1-FVd/FVm)-14、ICP=10.93×PI-1.28等,其中研究发现后者相关系数可达0.94,表明ICP与PI高度正相关[26-28]。国内一项最近研究发现,TBI患者TCD各监测参数中PI与ICP间呈高度相关,且模型ICP=4.47×PI+12.68在相关性、一致性及评估ICP能力上都具有较好的实用性[29]。此外,去骨瓣减压患者术后应用TCD无创评估ICP依然适用,并且当ICP处于16～21 mmHg区间时有较好的相关性[29]。在TBI患者救治中,虽不如有创ICP监测精确,但TCD无创监测ICP能帮助医师在没有有创监测技术或一些紧急情况下迅速、实时动态地监测ICP变化。

4.2 CPP 当ICP处于临界值时TCD估测的ICP误差可能会超出临床接受范围,于是其应用焦点转移到CPP的无创监测。现实情况下ICP变化5 mmHg就可能有临床意义,而相同的CPP变化几乎意义不大。Chan等[6]研究中发现,当CPP<70 mmHg时PI和CPP间存在明显相关,而>70 mmHg时则不然。通过PI来估测CPP在Zweifel等[30]的研究中得到进一步验证。由此证明,当CPP较低时PI可成为一种较好估测CPP的途径,但其准确性不高,所以只能作为必要时无创监测的替代方法。

随着对单参数估测CPP能力有限的认识,Czosnyka等[31]构建了一种结合MAP来估测CPP的多参数模型,即CPP=MAP×FVd/FVm。对96例中重度TBI患者同时进行有创CPP监测,评估TCD无创估测CPP的准确性,结果发现两种方法相关性极高,71%患者误差不超过10 mmHg[31]。该模型即便在CPP≤60 mmHg的情况下也能得到高准确性的预测值。特别是监测CPP变化时甚至表现更佳[31]。随着进一步研究分析,更适合的估测模型修正为CPP=MAP×FVd/FVm+14 mmHg[31]。随后为检验其准确性,Schmidt等[32]对25例TBI患者进行研究,发现81%患者通过该模型得到的CPP值与有创CPP值相差少于10 mmHg,表明这种方法在无有创监测的条件下具有临床实用性。为提高精确度,Varsos等[33]在ABP和FV计算临界闭合压基础上增加阻力因素以进行CPP估测。通过对48例重度TBI患者进行研究,发现这种方法估测CPP相关性良好,包括在低CPP时(≤70 mmHg)准确性依然较高。

尽管如此,TCD估测的准确性尚不足以来替代TBI后的有创CPP监测。文献中一致认为,在TBI后低CPP情况下可以通过TCD来估测。但是有创监测CPP指导TBI患者的治疗效果是否优于TCD无创估测CPP尚无相关研究证实。患者院前诊治时TCD的初步无创评估CPP可能受益。一项18例重度TBI患者前瞻性研究中,通过TCD来初步判断是否存在CPP异常进而采取有创的ICP监测[34]。发生CPP异常(PI>1.4及FVd降低)时给予甘露醇及去甲肾上腺素来改善脑灌注。结果18例中有9例发生CPP异常,值得注意的是两组患者格拉斯哥昏迷评分或MAP无明显差异。在9例CPP异常患者中有4例双侧瞳孔散大固定并在48 h内死亡,因此没能得到TCD相关参数进行校正[35]。说明,TCD常规用于TBI患者早期CPP监测还需进一步验证。

5 在评估大脑自我调节状态中的应用

大脑自我调节(cerebral autoregulation, CA)是CBF保持一定范围状态的能力。CPP低于CA下限时,自调节不能维持充足的脑血流导致局部缺血;CPP超过CA上限时,自调节被抑制导致局部充血,脑灌注量的实际维持水平与预后有密切关系[35]。CA受损常发生在TBI早期,在病理状态下患者CA完整性受到破坏,导致脑缺血或充血,早期判别有利于指导临床诊疗。TCD的出现使CA实现床旁评估,且FV直观替代了CBF,通过监测CBFV在动脉血压波动前后的变化,从而动态评估脑血管CA情况。当患者丧失CA能力时,脑血流与动脉血压会呈直线正相关,此时患者病死率及长期植物生存状态风险会明显提升[35]。

TCD评估CA的方法分为间歇法和半间歇法。前者包括调节率(rate of regulation, RoR)、自动调节指数(autoregulatory index, ARI)、瞬时充血反应试验(transient hyperemic response testing, THRT)、直立性低血压测试(orthostatic hypotension test, OHT)等。文献[35]将RoR定义为△(ABP/CBF)/(△t×△MAP),正常值为0.2/s;有学者通过MAP观察FV变化进而衍生出ARI,0表示CA完全丧失,9表示CA过度反应,正常范围为4～7;THRT是改变颈动脉压力监测同侧MCA血流情况,正常值为FV加快>10%;OHT通过突然改变头部位置监测CBFV情况,正常值为减少10%～15%。近年来,半间歇法更多用于评估CA状态,通过调节CPP或MAP监测FVm、FVs、FVd参数得到相关指标,如CPP驱动下收缩期血流指数(systolic flow index with CPP, Sx)、MAP驱动下收缩期血流指数(systolic flow index with MAP, Sxa)。Zeiler等[36]对347例TBI患者进行TCD监测,结果发现,随着ICP变化Sx、Sxa也改变,且Sx=-0.15或Sxa=-0.1为预后不良的阈值,Sx=-0.2或Sxa=0.05则提示高死亡风险。说明无论哪种评估方法都各具优缺点。

6 展 望

TCD虽可实时、无创于床旁监测TBI患者脑生理学变化,作为有创监测手段的筛选或补充,在神经重症多模态监测中有其一定的实用价值,但对操作者水平依赖很强,受超声波角度、CO2分压等多种因素影响,是今后亟需克服的难题。此外TCD评估CA的应用上存在诸多限制,通过适当CPP驱动下监测脑血管反应性的指标压力反应指数(pressure reactivity index, PRx)来评估CA的方法正进行二期临床试验[37]。同样,适当CPP范围也可通过Sx得到并用于指导临床治疗[38]。未来随着TCD监测技术的进步,自动化TCD追踪装置有望实现对脑血管情况进行实时追踪,从而实现多模态化、连续动态地对TBI患者脑生理学进行精准监测,提高患者诊治效果、赢得最佳预后。