第十章体外循环和脑

第十章体外循环和脑要点：接受体外循环下冠状动脉旁路移植手术的患者中，脑神经不良后果的发生率大约是6%。I型脑损伤（局灶中风、木僵或昏迷）发生率约3%，2型脑损伤（智力下降，记忆缺失，癫痫发作）的发生率也约3.0％。体外循环过程通过各种诱发因素干扰脑神经生理的正常调节，例如与正常状态不同的灌注血流量和形式、血液稀释、温度改变、pH稳态的管理等。脑损伤的主要原因是脑栓塞，可能是大体积的栓子（动脉粥样硬化斑块碎片或脂肪颗粒）或者是微栓子（气体或微粒）。可以分辨出与脑神经不良后果有关的风险因素，相关理论将直接应用于脑保护策略和临床决策。尽管体外循环中进行脑神经监测是有价值的，但是由于技术困难以及对其结果的预测能力的解读仍然存在疑问而没有被广泛应用。许多不同种类的药物被认为具备药物性神经保护作用，但是由于很难对其有效性进行临床研究，因此对其效果还没有令人信服的证据。一、前言在上世纪中叶，体外循环的应用使心脏手术成为现实（Dennisetal,1951;Gibbon,1954）。从那时开始，不仅在心脏生理和外科技巧上都有了长足的进步，而且对于体外循环技术也有了深入认识，从而导致总体死亡率和病死率得到改善，心脏外科手术后的生活质量提高。在过去的10年里，患者的人口比例数据发生了改变，老龄患者实施冠状动脉旁路移植手术（CABG）数量不成比例的增加。这反应了老龄人口百分比的增长，同时也说明老年人可能从心脏外科手术中获益最多。但是也正是这些老年人群经常是以合并许多严重疾病和器官功能不全的状态出现在心脏外科，对围手术期的医护人员提出严峻的挑战。因此，体外循环后神经学和认知功能的影响很明显，仍然是心脏外科术后最严重的并发症，尤其是在老年患者中（Tumanetal,1992;Roachetal,1996;Wolmanetal1999）。这些心脏外科术后脑并发症延长了住院时间，会增加死亡率和病死率，同时增加了总体费用（Roachetal,1996）。中枢神经系统损伤的发生率差异非常大，相关因素之一是如何定义这种损伤。CABG术后脑神经不良反应界定为：I型（局灶中风、木僵或昏迷）和II型（智力下降，记忆缺失，癫痫发作），其发生率分别为3.1%和3.0％。在最近的一项对CABG合并心内直视手术的回顾性研究中，约有16％出现脑神经不良反应，其中I型（脑死亡、非致命性中风、短暂性脑缺血发作（TIA））8.4%而II型（新发生的智力障碍或癫痫）7.3％。更多术后发生的细微的脑损伤，例如神经认知异常，短期发生率大约25～80％，中期（6月）发生率升至40％，远期（3～5年）发生率为15～42％。诸如各种脑血管疾病、动脉粥样硬化及其它合并症，这些已知的与体外循环术后脑病发症有关的高危因素在老年患者中有较高的发病率，并将会对病人的远期预后及其生活质量有很大影响。全球每年要做800000例CABG手术（Roachetal.,1996）和200000例其它的心脏直视手术(Wolmanetal.,1999)，这使体外循环对神经和认识上的病发症（neurologicalandneurocognitiveoutcome）及生活质量的影响变得更为重要。脑并发症延长了住院时间和重症监护时间，导致每个病人要多花6000－10000美元的住院费用。由Roach等人（1996）提供的全球每年800000例CABG手术量的数据计算，因体外循环术后脑损伤多花的治疗费每年近4亿美元。本章节将介绍体外循环术中的脑生理学，详细阐述心脏外科学上的中枢神经系统损伤的发生和先兆，及这些损伤的可能的病因学。其次，介绍最新的风险分级和体外循环手术中的神经系统的监测方法。最后，本章节将概述近年来的改善心脏手术后神经和认识预后（neurologicalandneurocognitiveoutcome）的策略，包括药物脑保护方法的综述。二、体外循环术中的脑生理学理解体外循环对脑生理学的影响对明确其可能的病因和机制至关重要，这将可以解释体外循环有关的脑损伤的机制。在正常情况下，脑生理主要受大脑代谢的影响，同样也受到颅内压、脑灌注压和脑血流的平均动脉压联合作用的影响。全身麻醉本身就对脑生理有很多影响，包括氧代谢率，脑血流和电生理功能。然而，体外循环这种非生理状态，使脑生理更加复杂化。这包括很多重要的因素，如体外循环血流速度，pH调节，红细胞比容和温度。1、脑血流和脑代谢体外循环术中出现的脑灌注不足理论上是引起心脏术后神经认知上的并发症的原因，至少是部分原因。在一些关于体外循环术中脑血流的灌注压（主要测定平均动脉压）研究中显示，只要保持pH和PaCO2恒定，脑自动调节功能就是完整的，可以在平均动脉压较大正常范围内（50-100mmHg）波动时保持脑血流相对恒定(Rogersetal.,1988;Nermanetal.,1996b)。然而，Croughwell等人的研究却发现，糖尿病人的这种脑自动调节功能可以被体外循环破坏，而且可以通过足够的氧供以提高摄氧得到代偿。另外，在广泛外周血管病变和长期高血压史的患者中，自动调节曲线可能会向右移，而使这些病人在体外循环中潜在的低血压期更容易出现脑灌注不足。因为年龄可以反应心脏术后的认识功能，所以Nweman等人（1994）对年龄相关的认识功能下降是否与体外循环中脑血流自动调节功能受损有关进行了研究。他们用133Xe清除率的方法证实，老年患者认识能力的下降和年龄相关的自动调节功能的改变无关。另外，他们证明了平均动脉压在脑血流中很小但很重要的作用，后来他们在常温体外循环中也证实了这种作用（Newmanetal.,1994,1996b）。然而，因为发现了在增加摄氧和某些认识功能下降指标之间的关系，他们认为脑组织中氧供的失平衡与年龄无关，而对心脏术后急性认识能力下降有影响。根据Rogers（1988）和Prough（1991）等人的研究，尽管保持体外循环血流恒定并严密控制的动脉血CO2，体外循环中脑血流仍然呈时间依赖性下降。然而，近来Croughwell等人（1998）在中低温（35）无膊动体外循环和alpha-stat血气管理这种相似条件下的研究对这个结果产生了争议。在他们的研究中，52例行选择性CABG手术中的体外循环开始和结束时分别监测脑血流和大脑氧代谢率。结果显示，在中低温体外循环中脑血流并不随时间延长而减少；并且脑血流和大脑氧代谢率之间的调节功能是完整的。这个结论跟Hindman等人（1992）对兔子的研究和Johnston等人（1991）对狗的研究是相同的。他们证实了在低温体外循环30分钟，90分钟和150分钟后脑血流并没有随时间延长而减少。理论上讲，Rogers（1988）和Prough（1991）等人研究与Croughwell等人（1998）的研究结果会不同，可能是因为前两者对脑血流的监测是在体外循环降温过程中大脑温度还没有稳定时进行的。Grocott等人（1997）通过比较转流中脑血流的鼻咽温和颈静脉球温证实了这一点。这两点间的温度在降温和复温时相差很大，而在稳定的转流中相关性很好。在复温过程中颈静脉球的温度要比鼻咽温高达4℃。早期的研究可能是在温度相对较高脑血流量较大而不是温度较低脑血流量小时进行第一次监测的。2、血液稀释在体外循环发展早期，泵最初被调整到提供正常的红细胞比容，而避免血液稀释。只是在全身低温（GeneralizedHypothermia）引入后，行体外循环时相应的血液稀释才成为治疗标准。因为低温会很明显地增加血液粘稠度，所以血液稀释对改善微循环以提高外周供氧是很有必要的。过去的20年里许多供血检测有HIV及各种肝炎病毒的感染，出于对供血的很多缺点和安全性的考虑，血液稀释（HCT18－20%）已被广泛接受，以避免过多输血。尽管近年来一些学者（Fangetal.,1997）对此提出争议，但对体外循环中应用血液稀释的局限性还没有很好的确定。与没有进行血液稀释状态的基线相比，血液稀释本身就可以增加脑血流量。这可以代偿动脉血氧含量，因而可以保持足够的氧供。但是如果HCT降到临界水平，这种代偿机制就会达到极限，供氧就会不足。最近，Cook等人（1998）对狗进行的研究中确定了在临床应用的体外循环温度的范围内能保持大脑供氧平衡的最低HCT。在38℃体外循环中，尽管14%的HCT可以保证大脑供氧，但在HCT降至18%时供氧已经发生了重要的生理改变。在该研究中，随着体外循环温度的降低，脑氧代谢曲线是左移的。该作者确定了在低温体外循环中（28℃）HCT的临界值为11%，但是这时HCT的降低与脑耗氧量的减少不成比例。Sungurtekin等人（1999）对大脑在低温体外循环中对血液稀释的反应进行了一个小样本量病例的研究。由于血液稀释相关的脑血流量的增加可以代偿因低温而引起的血流量的减少，他们并没有发现血红蛋白浓度分别在6.2g／dL和8.5g／dL时脑氧代谢率和氧供的不同。在2862例的回顾性研究中发现，术中过低的HCT与主要的神经系统病发症无关，如中风或增加住院病人的死记亡率（Hilletal.,2000;vanWermeskerkenetal.,2000）。血液稀释对脑缺血的预后的影响已经在人和实验模型中进行了研究。在对脑中风患者的前瞩性研究中发现血液稀释并没有改善他们的预后（SSSG,1987;GroupTISS,1988;GroupThiSS,1989）。由于血液稀释不能改善预后而且还有潜在的风险（加重脑水肿，SSSG,1988），所以对急性脑缺血性发作的病人禁用血液稀释（Asplund,1989）。实验性研究目前还没有定论。在大脑中动脉闭塞的大鼠模型中Cole等人（1994）多次证明了通过用琥珀酰水杨酸交联血红蛋白（DCLHb）进行血液稀释的方法可以改善预后，并可以减少梗塞体积（Colaetal.,1997）。Belayev等人（1997）对大脑中动脉闭塞的大鼠模型的研究也支持上述结论，虽然他们在血液稀释前用20%的白蛋白进行了再灌注。另外，Reasoner等人（1996）对大脑中动脉闭塞兔的研究中发现当Hb达到6g/dL时大脑硬塞面积会增加。总之，由人脑卒中或实验性研究中的发现来推理体外循环是有问题的。对于血液过度稀释对行体外循环心脏手术后神经和神经认知预后的影响，只要没有随机的前瞻性研究，就不会找到引起体外循环术后神经和认知功能下降风险最小的最佳HCT。3、高血糖已知体外循环可以诱发胰岛素分泌和抵抗，因此发生高血糖的潜在可能性升高（Lanier,1991）。这些可能是体外循环的高血糖反应引起的，但混合了使用含糖心脏停跳液的因素在内。在局部和整体脑缺血试验中，高血糖都一致表现为神经系统预后不良（Siesjo,1988;Warneret,1992;Dietrichetal,1993）。这最可能的原因是缺氧状态下葡萄糖向乳酸转换的副作用，最终导致细胞内酸中毒以及对细胞内稳态和代谢的损伤（Feericketal,1995）。此外，有文献报道高血糖和脑缺血可以导致兴奋性毒素氨基酸释放（Siesjo,1988）。但是现有的人类体外循环文献数据并不明确。尽管Hindman(1995)提出慎用含糖的体外循环预充液，Metz和Keats(1991)并未发现在含糖预充（CPB期间血糖600～800mg/dl）和无糖预充液（CPB期间血糖200～300mg/dl）的患者术后在神经系统预后上有明显差别。最近Nussmeier的报告支持这一发现，无论在糖尿病还是非糖尿病患者实施CABG手术中使用含糖预充液都不是脑损伤或感染的危险因素。Chaney等（1999）尝试在体外循环过程中应用胰岛素保持血糖在正常范围，得出结论是即便使用大剂量胰岛素，高血糖仍持续存在，并且这种处理可能更易造成术后低血糖。在最大的回顾性综述中显示2862例CABG患者术中最高血糖水平与术后脑并发症或院内死亡率无关（Hilletal,2000;vanWermeskerkenetal,2000）。体外循环术中最佳血糖管理以及其对术后神经系统预后的影响还不明了。4、温度控制温度是心脏外科术中的