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麻醉手术后认知障碍的fMRI研究

2015-01-10 02:11 毕业

麻醉手术后认知障碍的fMRI研究
傅小云 喻田
遵义医学院
老年病人术后常出现中枢神经系统的并发症,尤其是急诊大手术后,表现为精神紊乱,
焦虑,人格改变及记忆力损害.这种手术后出现的精神活动,人格,社交活动以及认知能力
的变化就被统称为术后认知功能障碍(post-operative cognitive dysfunction, POCD).POCD
分类目前还有争议,有学者将POCD分为术后谵妄和延期POCD(Prolonged POCD)【1】.谵
妄常发生于术后早期,主要表现为短暂的精神和认知方面的变化,比如明显的情绪波动,认
知功能损害和间隙的焦虑抑郁症等.延期POCD是1个通过神经心理测试出现的更为持久
认知功能改变,临床表现为记忆力,注意力,语言理解能力等的损害和社交能力的降低,该
综合征可以在术后数天到数周发生,也可能持续长久.按照北美精神障碍诊断和统计手册
(DSM-Ⅳ-R)对认知障碍的分类,延期POCD属于轻度认知功能障碍(milt cognitive
impairement, MCI),其特征是由1般的医疗处理引起而又不属于谵妄,痴呆,遗忘等临床类
型,最重要是其诊断主要经神经心理学试验的测试【2,3】.
1老年患者麻醉术后认知障碍发病情况
1955年beldford最先报道了在18例大于65岁的老年患者在全麻后,出现严重的精神
精神错乱症状,因此建议"老年人实行全麻必须有明确的适应证".1998年,"术后认知障
碍国际研究"(International Study of Postoperative Cognitive Dysfunction ,ISPOCD)课题组对
1218名经历非心脏手术的老年患者研究表明,老年患者在术后1周的发病率在25.5%,在3
个月后仍有9.9%的患者存在认知障碍【4】.2001年1项研究表明,平均年龄73岁的老年患
者在术后3个月后仍有56%的患者仍存在POCD【5】.同青年患者相比,Rohan D等的研究

表明,丙泊酚与异氟醚麻醉的普外手术患者,24h内POCD的发生率达47%,明显高于1
周后的发生率【6】.
老年病人POCD发生率在经历主动脉瘤手术病人为46%,心内直视手术为7%-77%,肝,
肺移植术为50%,骨科大手术可达13%-41%,上腹部手术为7-17 .围手术期总发病率约为
2.8%-34.1%.虽然老年病人发生POCD已被人们广泛认识,但对其持续时间仍有争议.有
学者认为术后第2-7天其认知功能有进行性损害,高峰期为术后4或5天.Grichnik 等【7】
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报道44.8%病人术后6-12周仍存在有认知功能紊乱,其中24.7%的病人表示出现严重的认知
功能改变.也有报道老年人术后1 周-3个月持续存在认知功能异常,甚至持续1年或几年【8】.
也有研究认为老年病人术后认知功能障碍仅发生在术后第1天.
2 老年患者术后认知障碍的发病机制
老年患者发生术后认知障碍的原因目前还不完全清楚.可能与多种因素的综合影响有关.包
括:
2.1 脑损伤
1些研究显示,体外循环术后,血浆中神经元特异性烯醇化酶(NSE)和S-100 蛋白浓
度升高,且与POCD的发生密切相关; 而非心脏手术中没有发现NSE与POCD有关.NSE
和S-100 蛋白分别与神经元和神经胶质细胞损害有关【9,10】,但没有报道证实存在神经元或
神经胶质细胞形态学方面的改变.POCD与脑损伤的关系还有待动物实验的支持.
2.2 中枢神经递质的变化
中枢神经递质系统乙酰胆碱(Ach)是脑内广泛分布的1种重要神经递质,参与注意力,
记忆和睡眠过程,M-胆碱能突触是记忆的基础,Ach可增强如谷氨酸等其它递质的作用,
增强信号选择能力.其对代谢性和毒性侵害高度敏感,许多药物(如抗胆碱药)和病理变化
可造成中枢神经系统Ach 水平的进1步下降.研究显示,中枢胆碱能系统的损害会导致
POCD的发生术前服用了抗胆碱能药如阿托品可能是任何年龄的病人都有可能发生POCD

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的原因之1【4】.老年病学的1项研究表明老年性痴呆(Alzheimer disease,AD)与皮质胆碱
能觉醒机制的退变有关.5-羟色胺(5-HT)和去甲肾上腺素(NE)在学习,睡眠以及唤
醒调节等方面发挥重要作用,参与POCD的病理过程.1些研究显示,血浆色氨酸和中枢
5-HT水平的下降与认知障碍有关,5-HT摄取抑制剂可导致POCD 的发生【11】.
2.3 下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴和免疫系统
下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴和免疫系统的功能和POCD的发生有1定的关系.应激和
创伤可导致下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴功能亢进和免疫系统的激活,引起循环中糖皮质激素
浓度增高以及神经系统中炎性细胞因子(IL-1,IL-2,IL-6和α-TFC)的释放,造成中枢
Ach,5-HT 和NE等递质系统的紊乱,可导致POCD的发生.Wan Y等【12】发现大鼠在行全
麻脾切除后可出现认知功能下降,术后海马神经胶质细胞IL-1βmRNA表达增强,认为术后
认知功能下降的原因与海马神经胶质细胞的激活,炎性细胞因子分泌增加有关.
2.4 围术期管理
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围术期很多因素均与POCD的发生有关.
2.4.1 麻醉方法及药物
ISPOCD的研究选择了438 例行非心脏手术的老年病人,随机分为全麻组和局麻组,在
术后1周和3个月进行测试, 结果表明术后3个月两组POCD发生率无明显差异,但在术
后1周全麻组的发生率高于局麻组【13】.这个结果说明全麻与延期POCD 无因果关系,但局
麻可降低短期POCD 的发生率.很多全麻药物如氯胺酮,安定类药物,甚至异丙酚均可以
导致老龄患者术后谵妄的发生,但抗胆碱药物阿托品,东莨菪碱使用与老年人发生术后认知
障碍有着重要的联系【14】.曾把POCD发生归咎于长效镇静药物的作用.但事实上并非如此,
经检测证实,长效镇静药的血浆浓度与老年人POCD的发生率并无明显相关性.肌松药是 （转载自http://zw.nseac.coM科教作文网）
否会对老年人POCD的发生产生影响,主要取决于其代谢产物能否透过血-脑屏障从而对中
枢神经系统(CNS)产生作用.如阿曲库铵的代谢物可在全身麻醉期间的CNS中检测到,
且其浓度足以激动N-Ach受体;而维库溴铵却不能透过血-脑屏障,故无此作用【15,16】
2.4.2 手术方式
手术方式不同对POCD的发生有1定影响.在1项循证研究表明,老年人大外科手术手
术术后1周POCD的发生率为25.5%,中年人大外科手术术后1周POCD的发生率为19.2%【17】,
门诊小手术麻醉术后1周POCD的发生率为6.8%【18】,心血管手术老年病人特别是体外循环
(CPB)后更易并发POCD,其发生率为20%~60%,出院后病人的发生率竟达50%~80%.
2.4.3 术中状况
据研究报道,对两组>65岁的病人实施不同的通气管理:1组维持ETCO2于30mmHg(过
度通气),另1组则维持在45mmHg(正常通气),其余用药及处理相同.结果发现正常通气组
POCD的发生率明显高于过度通气组.作者推断过度通气引起脑血流减少,可能使进入脑部
的有害物质也减少,从而使POCD发生减少【19】.术中低血压,缺氧,酸碱平衡失常,电解
质紊乱等均可导致术后认知障碍的发生.
2.5 术前脑功能状态
年龄的增长,脑功能下降是不可避免的趋势.在超过65岁的老年人中,有近5%的老年
人患有不同程度的认知障碍【1】.有研究表明年龄大于75岁的患者POCD的发生率较65-75
岁之间高3倍.术前患者脑功能状态是导致麻醉术后认知障碍的1个影响因素,有学者报道,
1定认知功能下降的患者更容易出现术后认知障碍【20】.因此,术前积极的对脑认知功能的
评估对评价老龄患者的认知预后有积极意义.
3 术后认知障碍的诊断与评估
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3.1 临床表现
主要表现为手术后数天至数周出现记忆力,精神集中能力,语言理解力的受损,社会 （科教范文网http://fw.nseac.com）
适应能力下降.甚至发展为永久性的认知障碍,丧失独立生活的能力.
3.2 诊断
3.2.1 诊断标准
直到目前为止,尚无对于POCD的统1诊断标准.Rasmussen推荐的诊断标准如下【21】:
①记忆障碍,表现为对信息的学习和回忆能力下降;
②决策功能扰乱,如计划,组织,次序,抽象等;
③注意力扰乱或理解时信息处理速度受损;
④语言障碍,如语言理解,组词等.
3.2.2 神经精神检测
众多方法曾被用于老年人POCD的检测,但因缺乏规范,且非常耗时,灵敏度较低,
难以对术后老年病人的精神症状作出令人信服的分类诊断.在大部分文献中,所采用的检测
方法都存在灵敏度低,缺少控制组和平行测试,对认知功能障碍的概念较模糊等不足之处.
有作者推荐使用MMS(Mini-Mental State)检测法.此法是通过询问病人11个不同的问题,
对认知障碍的评估予以量化的1种筛查方法.最大评分为30分,等于或低于23分则提示存
在认知功能障碍.以前也曾将在测试中得分下降2分或以上定为认知功能下降.与其他方法
相比,MMS检测法注重精神功能的认知方面,而将病人的情绪和异常的精神经历对于得分
的影响排除,使检测的得分对于如实反映病人的认知功能有较高的可信性,且易于实施.目
前应用最多的测试是韦氏成人智力量表(WAIS)和韦氏成人记忆量表(WMS),前者能较
全面地反映人的认知,记忆和语言功能,图形辨别,计算能力和高级神经活动功能,缺点是
操作复杂,费时.后者可测试各种近,远期记忆和各种感官记忆,侧重于记忆能力的评估.
也有作者应用简易智能量表(MMSE),瑞文测验,老年画线示踪测验,卡片分类测验,字
母数字符号测验,明尼苏达多项人格(MMPI)及老年抑郁量表(GDS)等.
4 脑功能成像技术在认知障碍领域中的应用
认知是指人们获得知识或应用知识的过程,或信息加工的过程.这是人最基本的心理
过程.它包括感觉,知觉,记忆,想象,思维和语言等.人脑接受外界输入的信息,经过头
脑的加工处理,转换成内在的心理活动,再进而支配人的行为,这个过程就是信息加工的过
程,也就是认知过程.认知科学研究的是人认识和适应周围世界的过程以及与认知过程有关
的神经系统及大脑的机理.近年来认知科学得到了迅猛的发展,探索人类自身奥秘1直是无
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数学者的梦想.对大脑结构与功能关系问题的研究是现代认知神经科学的主要方向.近20
年来, 以功能磁共振成像( functional magnetic resonance imaging ,fMRI) 为代表的脑功能成
像技术得到了巨大的发展并被迅速应用到认知神经科学的各个领域.目前在认知障碍研究中
应用得较多的脑功能成像技术包括:
5.1磁共振血流灌注加权成像(MR perfusion-weighted imaging,MRPWI)
MRPWI是1种根据组织微循环的血流灌注来判断组织活力和功能的1种MRI技术.根
据成像原理分为顺磁性对比剂(如GD-DTPA)增强MRI和动脉自旋标记(如动脉水)技术.
目前,广泛采用的是Gd-DTPA成像.顺磁性对比剂可使局部T2*驰预时间缩短,致使T2*WI
信号减低,信号减低的程度和局部对比剂浓度成正比,并可以将驰预时间的变化转化为组织
对比剂浓度的变化,最后得到组织的血流动力学参数如局部脑血流量(regional cerebral blood
volume,rCBV),局部脑血流量(regional cerebral blood flow,rCBF)及局部平均通过时间
(regional mean trainst time,rMTT)等来观察脑微循环灌注量.Johnson等采用动脉自旋标记
MRPWI,发现MCI患者的右侧顶叶下部血流灌注减低【22】.
5.2 血氧水平依赖功能磁共振成像法(blood oxygenation level —dependent fMRI ,BOLD - （科教作文网http://zw.NSEaC.com编辑发布）
fMRI) .原理是人脑在内外刺激作用下,处于功能活动状态,神经活动兴奋性水平增强,局部脑
组织血流,血容积及血氧消耗增加.这导致脑激活区静脉中血氧浓度增高,脱氧血红蛋白相
对减少.脱氧血红蛋白是顺磁物质,氧合血红蛋白是逆磁物质.将磁性物质的相对增减记录
下来,就反映了相关脑区的激活状态.Machulda等【23】对11例正常老年人,9例MCI和9例
老年性痴呆(Alzheimer's disease,AD)患者的记忆编码进行研究发现,与正常对照组相比,
组和AD组颞叶内侧皮质的活性减低,而在执行任务时,却没有类似的表现.他们认为,尽
管fMRI不能区分MCI和AD,但是MCI和AD在记忆编码时fMRI反应很相似BOLD-fMRI
能够检测到AD的前驱期MCI的1些改变.Dickerson BC等的研究发现,在脸谱-人名相关
编码任务(face-name associative encoding task)中,MCI患者BOLD-fMRI成像海马结构区
域明显激活.因此推测AD早期存在颞叶中层区域的激活,随着症状的加重,该区域激活程
度降低【24】.目前,BOLD-fMRI脑功能成像作为1种无创的神经影像学检查手段已广泛用于
认知损害领域的研究【25】,通过设计不同的任务刺激,从而研究大脑不同的认知功能,并通
过影像学分析,将不同脑区域的激活和/或抑制的情况加以进行联系性分析,从而揭示人脑
认知功能活动的影像学特点.
5.3弥散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)y与弥散张量成像(diffusion tensor
imaging,DTl)
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该技术是迄今唯11种无创显示活体组织深部结构扩散特性的影像学方法,通过检测水
分子扩散速率的快慢来提供组织结构信息的功能性影像技术.目前常规采用的成像技术是在
SE序列中180°脉冲两侧对称地各施加1个长度,幅度和位置均相同的对弥散敏感的梯度
脉冲,当质子沿梯度场进行弥散运动时,其自旋频率将发生改变,结果在回波时间内相位分 （转载自中国科教评价网http://www.nseac.com）
散不能完全重聚,进而导致信号下降.用相同的成像参数两次成像,分别使用和不用对弥散
敏感的梯度脉冲,两次相减就剩下做弥散运动的质子在梯度脉冲方向上引起的信号下降的成
分,即由于组织间的弥散系数不同而形成的图像,故称DWI.DWI中的弥散状况用表观弥
散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)描述活体.DWI中的信号降低与ADC值的关系
表示如下:ADC=Ln(S2/S1)/(b1-b2).S1,S2是不同弥散敏感系数(b1, b2)条件
下DWI的信号强度.ADC值增大,代表水分子弥散增加,而DWI信号降低,反之亦然.
Kimberly M等【26】发现MCI患者海马,颞叶,胼胝体的ADC值较正常组明显增高,ADC
值与记忆评分相关.
测量水分子运动的各向异性特征的参数主要有AI(各向异性指数,anistropy index) ,
RA(相对各向异性,relative anisotropy) 和FA (部分各向异性,fractional anisotropy),其中最常用
的是FA.FA 即各向异性分数,是指水分子各向异性成分占整个扩散张量的比例,各向异性系
数越大,组织的各向异性越强,组织结构排列越规律紧密.FA 值在脑中主要受神经纤维的直
径,密度和髓鞘化程度的影响.在扫描设备,扫描参数,受试者1般情况1定的情况下,神
经纤维受损时FA 值下降,反映了脑组织中神经纤维的完整情况,是显示白质纤维束是否损伤
的敏感指标.
研究弥散的定向性或"各向异性"是弥散成像的1个重要的研究领域.即弥散张量成像
(diffusion tensor imaging,DTl).DTI是利用组织中水分子弥散的各向异性来探测组织微观结
构的成像方法,是通过观察随弥散梯度脉冲方向改变而发生波动的弥散值大小来标记和描绘
水分子的各向异性.脑白质的各向异性是由于平行走行的髓鞘轴索纤维所致,脑白质的弥散
在平行神经纤维方向要比垂直纤维走向的更快1些,这1特性用彩色标记可反映出脑白质的
空间方向性,即弥散最快的方向指示纤维走行的方向.目前,利用DTI对脑白质纤维的研

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究日益增多.
DTI更能准确的反应组织的微观结构【27,28】.不同年龄脑白质的FA成像均体现明显差异
(如图1),通过白质纤维示踪技术,可以清晰再现白质神经纤维走形异常,为结构上研究
认知障碍机制提供了很好的方法【29】.
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以往对POCD的研究都停留在对病例的分析总结或从神经递质的变化来探讨POCD的发
生机制.fMRI的出现,受试者或动物可以在同1成像系统里完成各种实验条件下的不同任
务,通过"可视化"技术,用图象的形式清晰地展现麻醉下及术后脑活动的区域,活动程度,
相互间的功能联系, 其最大优点是空间分辨率高,可以达到0.55mm,不需要注入任何外源
性的放射性示踪剂,为研究全麻和/或手术对脑认知的影响提供了1条有效,直观的途径.
从而弥补了当前研究全麻下脑认知功能变化,麻醉手术后认知功能障碍不足.
生活水平提高,医疗条件,社会保障日益完善,以及加上人口生育的控制,我国面临日益严
重的人口老龄化问题.越来越多的老年人将面临麻醉和手术.老年人POCD1旦发生,除
病人的独立生活能力下降外,还对社会造成沉重的负担.预防发生比治疗具有更重要的意义.
认知是个复杂的脑功能活动,本课题

[1]