Начало клинического использования инфракрасной оксиметрии (синоним — инфракрасная спектроскопия) принято связывать с работой F. Jobsis, который в 1977 г. впервые применил ее in vivo. Им было показано, что изменения интенсивности излучения коррелировали с концентрацией естественных хромофоров: оксигемоглобина, дезоксигемоглобина, цитохромоксидазы, меланина и т.д.
Вначале инфракрасная оксиметрия не была количественной и отражала только тенденцию к изменению оксигенации, а регистрируемые сигналы имели значительные колебания и склонность к появлению артефактов.
Дальнейшее развитие этой технологии привело к созданию тканевой оксиметрии и, в частности, церебральной инфракрасной оксиметрии (ЦО), в результате чего стала возможной рутинная оценка изменения кислородного статуса паренхимы головного мозга при различной церебральной патологии. Это позволило использовать ЦО в качестве одного из методов комплекса нейромониторинга.
Техника ЦО основана на эффекте проникновения света длиной волны от 680 до 1000 нм через ткани человеческого тела и поглощения его естественными хромофорами: оксигемоглобином (HbO2), дезоксигемоглобином (HHb) и цитохромоксидазой.
Инфракрасное излучение доставляется от источника через оптоволоконный кабель (так называемый оптод) к кожным датчикам (детекторам), состоящим из эмиттера и трансмиттера. Эти датчики расположены симметрично относительно средней линии и находятся на расстоянии 3,5-6 см друг от друга. Световой пучок с трансмиттера проникает через мягкие ткани покровов головы, кости черепа, паренхиму головного мозга и, рассеиваясь, попадает на эмиттер.
Как установлено, концентрация хромофоров: HbO2, HHb и цитохромоксидазы является переменной величиной и зависит от уровня тканевой оксигенации и метаболизма. Концентрация других светопоглощающих субстанций, таких как меланин, билирубин и прочие водорастворимые фракции, носит следовый характер и может быть выведена за пределы вычислений.
Для расчета концентрации хромофоров используется модифицированная формула Бугера-Бера-Ламберта (Bouguer-Beer-Lambert) I=I0e–kλl
Пучок монохромного света интенсивностью I0, пройдя через слой поглощающего вещества толщиной l, выходит ослабленным до интенсивности I, определяемой данным выражением, где kλ — показатель поглощения — коэффициент, зависимый от длины волны λ поглощаемого света.
Этот метод расчета вполне применим в неонатологии, так как детский череп достаточно тонкий, что позволяет просвечивание светом от одной стороны к другой. Однако у взрослых относительная толщина кожи головы, костей черепа и головного мозга делает невозможной обычную спектроскопию, и поэтому ЦО должна быть использована в режиме отражения, когда эмиттер и трансмиттер расположены на одной стороне головы.
ЦО в режиме отражения зависит от доли того света, который проходит через ткань мозга. Голова человека состоит из нескольких слоев разных тканей, которые обладают различными рассеивающими свойствами и содержат разные концентрации поглощающих свет соединений. В результате для корректного определения хромофоров в ткани мозга потребовалось введение нелинейных коэффициентов для определения поглощения и рассеяния света.
Кроме того, с целью исключения из расчетов крови, находящейся в покровах черепа, в последнее время и было предложено использование двойных приемных датчиков, расположенных на расстоянии 2,5-3 см друг от друга.
В настоящее время используют несколько уникальных показателей ЦО:
- rSO2 (regional saturation O2 — локальная кислородная сатурация) — мониторы INVOS и EQUANOX производства Covidien и Nonin Medical (США) соответственно;
- TOI (Tissue Oxygenation Index — индекс кислородной сатурации) — монитор NIRO производства Hamamatsu Photonics (Япония);
- rSctO2 (regional cerebral tissue saturation O2 — локальная тканевая церебральная кислородная сатурация) — монитор Fore-Sight производства Casmed (США).
Во множестве исследований показана высокая степень достоверности представленных показателей, что делает мониторинг кислородного статуса стандартной процедурой.
Для дополнительной оценки состояния кислородного статуса головного мозга предложены различные коэффициенты и индексы, отражающие функциональное состояние микроциркуляторного русла и церебральной ауторегуляции:
- коэффициент межполушарной асимметрии — отношение разности сатурации обоих полушарий к меньшему их значению, выраженное в процентах:
- индекс гемодинамического соответствия — отношение показателей ЦО в лобных долях к среднему АД;
- индекс цереброваскулярной реактивности церебральной сатурации (ТОх);
- индекс общей реактивности гемоглобина (ТНх) и т.д.
Основное применение ЦО нашла для оценки изменений регионарной оксигенации и кислородного статуса головного мозга при черепно-мозговой травме и цереброваскулярной патологии, а также у пациентов с патологией сонных артерий.
Установлено, что у пациентов с внутричерепными кровоизлияниями изменения церебральной сатурации статистически значимо коррелируют с изменениями оксигенации в луковице яремной вены (SjvO2), а также с показателями напряжения кислорода в мозговой ткани по данным инвазивной тканевой церебральной оксиметрии (PbtO2).
Исследования церебральной ауторегуляции у пациентов с черепно-мозговой травмой и геморрагическими инсультами на основании сопоставления индексов реактивности показали, что индекс общей реактивности гемоглобина (ТНх) имеет высокую достоверную взаимосвязь с индексом реактивности внутричерепного давления (PRx).
Также была выявлена прямая достоверная корреляция между другими показателями церебральной ауторегуляции (индексами реактивности церебральной сатурации (ТОх) и реактивности линейного мозгового кровотока (Sxa), что свидетельствует о высокой точности и надежности получаемых с помощью ЦО данных.
На основании полученных результатов с помощью индекса ТНх и ТОх примерно у половины пациентов стало возможным определить «оптимальное» церебральное перфузионное давление (CPPopt), что позволило ЦО стать незаменимой для оптимизации целевой терапии у пациентов с внутричерепными кровоизлияниями, особенно в случае невозможности по каким-либо причинам проведения мониторинга внутричерепного давления. С помощью ЦО также стало возможным неинвазивно оценивать изменения мозговой перфузии.
Р. Taussky с соавт. исследовали взаимосвязь между параметрами компьютерно-томографической перфузии мозга и уровнем церебральной оксигенации у пациентов с нетравматическими внутричерепными кровоизлияниями и нашли высокодостоверную взаимосвязь между SctО2 и объемной скоростью кровотока (CBF). Подобные результаты были получены и при сопоставлении данных ЦО и позитронно-эмиссионной томографии.
Необходимо заметить, что до настоящего времени не найдено идеального метода, чтобы измерить регионарный объем циркулирующей в мозге крови (CBV) или объемный мозговой кровоток (CBF) эффективно, быстро, многократно и неинвазивно у кровати больного. Существующие методы измерения CBF технически сложны, трудоемки, используют радиоактивные вещества или требуют транспортировки больных к месту проведения нейровизуализации.
В то же время, поскольку ЦО может измерить ННb и HbO2, то создается возможность измерить полный гемоглобин (THgb). Предполагая, что концентрация гемоглобинов складывается из большого числа меньших уровней гематокрита и это соотношение остается постоянным во время исследования, изменения в THgb подразумевают изменение регионарного объема циркулирующей в мозге крови (CBV) согласно следующему уравнению: ΔCBV=Δ[THgb]·(0,89/Hgb).
Таким образом, становится возможным неинвазивно оценивать изменения мозговой перфузии, что было использовано для лечения пациентов с нетравматическим субарахноидальным кровоизлиянием и показало высокую надежность.
В то же время данные исследований компьютерно-томографической перфузии головного мозга и ЦО у пациентов с черепно-мозговыми травмами, напротив, выявили достоверную взаимосвязь между уровнем церебральной оксигенации и значениями регионарного объема циркулирующей крови (CBV).
Авторы отметили, что объяснением особенностей мозговой перфузии и церебральной оксигенации при травматическом и сосудистом повреждении головного мозга является тот факт, что регионарный объемный мозговой кровоток в отличие от регионарного объема крови также может зависеть от состояния артериального русла, а значит, существенно варьировать при развитии церебрального ангиоспазма.
Вместе с тем внедрение в клиническую практику ЦО позволило выявить ряд ограничений ее использования. Было показано, что кровоизлияния в мягкие ткани и переломы костей черепа ведут к локальному изменению концентрации естественных хромофоров, что не дает возможности корректно определить регионарную сатурацию в паренхиме мозга. Подобные же погрешности описаны при расположении датчиков в областях высокой концентрации волосяных луковиц, в области расположения синусов и лобных пазух.
Поскольку ЦО измеряет сатурацию смешанной крови головного мозга, находящейся в артериях, венах и капиллярах, невозможным остается определение раздельной сатурации серого и белого вещества, а также выполнение одновременного с ЦО магнитно-резонансного исследования. Кроме того, существующие церебральные оксиметры несовместимы с магнитно-резонансной томографией (МРТ), что пока ограничивает использование в одновременных исследованиях.
Некоторые авторы предполагают, что критическое повышение внутричерепного давления может снизить точность измерений сатурации мозга, что связано с нарушением венозного оттока из полости и развитием вазогенного отека головного мозга.
Наконец, ограничением ЦО считаются индивидуальные изменения уровня хромофоров, которые уменьшают точность абсолютных значений церебральной сатурации, поэтому до последнего времени практическую значимость имела только динамика изменения показателей.
Вместе с тем разработанная в последние годы инфракрасная церебральная спектроскопия с применением источников когерентного света (лазеров) существенно улучшила результаты мониторинга, что позволило некоторым исследователям позиционировать подобные приборы как «абсолютный церебральный оксиметр».
Следует сказать, что церебральная оксиметрия — быстроразвивающаяся технология, которая обладает существенным потенциалом для технического совершенствования. Улучшение методологии, повышение точности и специфичности расширят возможности ее применения в клинике. ЦО обещает стать не только дешевым неинвазивным методом прикроватного измерения объемного мозгового кровотока у пациентов, но и основой для картирования структуры и функции мозга.
Становятся реальными перспективы создания и внедрения в практику так называемых гибридных аппаратов, объединяющих электроэнцефалографию и ЦО. В англоязычной литературе подобные устройства получили название «Brain-Computer Interface» — интерфейс «мозг-компьютер». Они позволяют значительно повысить разрешающую способность картирования функционального состояния головного мозга.
С этой же целью ведется работа по интеграции ЦО в системы контроля и визуализации, такие как компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и дуплексные ультразвуковые приборы. Тестируются портативные инструменты ЦО, объединенные с беспроводной телеметрией.
Большие надежды возлагаются на такие технологии, как инфракрасная церебральная спектроскопия с временном, фазовым и пространственным разрешением.
Церебральная инфракрасная спектроскопия имеет ряд преимуществ перед другими способами мониторинга. Она обеспечивает непрерывный неинвазивный контроль состояния кислородного статуса головного мозга, относительно легкий в использовании и в то же время достаточно чувствительный, чтобы зарегистрировать изменения оксигенации мозга.
Отслеживание в реальном масштабе времени изменений сатурации мозговой ткани с помощью инфракрасной спектроскопии дает возможность распознать критические ишемические состояния на ранней стадии — прежде, чем они проявятся клинически. Это позволяет методу занять достойное место в современном комплексе нейромониторинга.
А.О. Трофимов, Г.В. Калентьев, О.В. Военнов
2014 г.