整合神经物理学、多模态监测和机器学习
神经重症监护的未来
近年来，重症监护室（ICU）中的神经重症监护技术取得了显著进步，尤其是在多模态监测（MMM）领域。这些进步以神经物理学原理为基础，扩大了我们实时评估大脑功能和代谢状态的能力。尽管现有技术越来越复杂和先进，但临床医生在选择和解释神经监测模式的最合适组合以改善患者预后方面仍面临相当大的挑战。
传统上，重症监护室的神经监测主要依赖侵入性技术，如颅内压（ICP）监测、颈静脉血氧饱和度（SjvO2）、脑组织氧监测、热扩散血流测量（TDF）、皮层和深度脑电图（dEEG）以及脑微量透析（CMD）。虽然这些方法可以进行精确测量，但也存在相关风险，包括感染和出血。不过，最近神经监测领域已开始向无创模式转变。这些方法包括经颅多普勒（TCD）、鼓膜移位（TMD）、近红外光谱（NIRS）、视神经鞘直径（ONSD）、正电子发射断层扫描（PET）以及通过分析心率变异性（HRV）进行自主神经评估。
即使可用的神经监测工具越来越多，解读所生成数据的复杂性也在增加。在这种情况下，机器学习和其他数据科学工具应运而生，成为传统方法大有可为的辅助工具。这些算法可以过滤 MMM 生成的高维数据，为临床医生提供患者预后的预测模型，从而促进个体化治疗策略的制定。
本综述旨在对 MMM 技术的现状进行批判性概述，重点关注 ICP、脑电活动、新陈代谢/能量代谢和自动调节。研究了这些技术在重症监护病房环境中的神经物理学基础和临床意义。此外，还将通过探讨如何将机器学习整合到神经监测实践中，以协助临床医生及时准确地做出个性化患者治疗决策，从而讨论机器学习的日益广泛应用。
一
脑脊液流体力学
人脑的迷宫结构不仅受细胞相互作用的支配，还受决定流体动力学、压力梯度和新陈代谢交换的物理原理的支配。其中，脑脊液（CSF）的物理原理在维持颅内平衡方面起着核心作用，并与我们在神经重症监护室中要监测和调节的参数密切相关。了解 CSF 的物理特性对解读有创和无创神经监测数据有直接影响，有助于优化患者预后。
CSF 是大脑的浮力垫，有助于废物排出，也是神经活性物质分布的通道。然而，CSF 动力学的变化会带来破坏性后果，表现为 ICP 升高、大脑自调节功能受损和下游神经系统恶化。因此，了解 CSF 的物理原理可以更全面地了解大脑病理生理学，尤其是在与其他神经监测工具相结合时。本节将讨论支配 CSF 流量和压力的物理原理，包括但不限于流体静力学、流体动力学以及 CSF 和脑血流（CBF）之间的耦联。
脉络丛是位于脑室系统内的一个由血管和上皮细胞组成的特殊网络。它的主要功能是产生脑脊液。这些血管丛被一层上皮细胞包裹，在血液和脑脊液之间起着选择性渗透屏障的作用。通过主动分泌、过滤和重吸收过程的组合，脉络丛可以保持 CSF 的成分和容量，这对缓冲大脑、提供营养和清除废物至关重要。脉络丛存在于大脑的所有四个脑室中：两个侧脑室、第三脑室和第四脑室。大脑总容积为 1400 毫升，CSF 约为 150 毫升。CSF 的生成速度约为 0.35 mL/分钟（500 mL/d）。
蒙罗-凯利学说是神经重症监护的一个基本概念，它描述了 ICP、脑组织、血液和 CSF 之间的关系。根据这一原理，颅骨是一个包含这三个部分的刚性、不可扩张的结构。任何一种成分的增加都必须通过一种或两种剩余成分的减少来补偿，以保持恒定的 ICP。如果不能达到这种平衡，就会导致 ICP 升高，从而导致神经功能恶化。腰椎蓄水池是这一框架中的重要缓冲区。这些贮水池位于腰部蛛网膜下腔，是 CSF 储库，可以容纳过多的液体。当脑水肿、血肿或其他病变导致 ICP 增高时，腰椎贮液囊可以扩张以接收额外的 CSF，从而作为一种代偿机制帮助稳定 ICP。它们作为 “安全阀 ”的作用凸显了颅内腔室在调节 ICP 方面的复杂性和适应性，并进一步强调了了解 CSF 动态对治疗神经重症患者的临床重要性。
CSF 的形成率由以下公式确定：CSFprod = 输注（Ci – Co/Co）。在该等式中，输注是一种物质（通常是示踪剂）输进系统的速度，Ci 是流入（通常是动脉血）中该物质的浓度，Co 是流出（通常是静脉血或 CSF）中的浓度。该等式表明，CSF 的生成速度受输注速度以及流入和流出浓度之间梯度的影响，并以流出浓度为标准。这种数学表示法提供了一种量化 CSF 动态的方法，在需要精确测量的实验环境或临床评估中特别有用。这突出了物质浓度与输注速率之间的相互作用在决定 CSF 形成速率方面的重要性，为了解这一关键生理过程提供了一个定量框架。
瑞典的 Ekstedt 等人首次使用恒压输注方法更好地研究了 CSF 的流体力学。他们观察到 CSF 压力-流量呈直线关系。因此，当 ICP 大于矢状窦压力时，通过矢状窦的流量增加。此外，随着年龄的增长，CSF 的生成速度也不会保持不变。在脑积水患者中，年龄的增长与 CSF 的生成成反比。动脉搏动在脑内 CSF 的动态流动中起着至关重要的作用。在每个心动周期中，动脉搏动都会产生压力波，这些压力波在实质中传播并影响 CSF 的运动。这些搏动力是一种驱动机制，有助于 CSF 通过脑室系统循环到大脑和脊髓周围的蛛网膜下腔。动脉有节奏的扩张和收缩有助于 CSF 的往返运动，促进 CSF 的分布，并有助于颅内环境的整体平衡。高血压或动脉僵化等情况下出现的动脉搏动紊乱可能会影响 CSF 的动态变化，并可能与各种神经系统疾病有关。动脉低血压每降低 50 mmHg，脑脊液流出阻力就会降低约 17%。此外，高碳酸血症会增加脑脊液流出的阻力（约 18%；27-48 mmHg）。
脑部的淋巴引流系统是近期才被发现的废物清除途径，也涉及对脑脊液（CSF）吸收的新理解。根据淋巴引流理论，CSF经过包围动脉的血管周围的外血管间隙流动，进入脑实质，并与间质液混合。这种混合有助于去除可溶性蛋白质和代谢物，包括β淀粉样物质等有害物质。然后，液体被导向靠近静脉的间静脉间隙，并最终排入淋巴系统。据信淋巴引流过程在睡眠期间更为活跃，对维持脑健康至关重要。这一理论为传统模型提供了一种替代性或补充性解释，传统模型主要强调CSF主要通过绒毛和蛛网膜颗粒进行排水。淋巴引流系统在脑实质内部吸收CSF的作用为了解和治疗与废物积累和液体平衡有关的神经疾病提供了新途径。尽管近年来对脑膜淋巴血管的发现引起了越来越多的关注，但仍需要进一步的机制研究来验证淋巴引流模型中CSF的流体力学。
二
CBF 和灌注
脑血管树具有错综复杂的多层面结构，能有效地向大脑各区域供血。威利斯环或多边形是位于大脑底部的一个重要的动脉多边形，是脑部血液分布的主要枢纽，它连接着前部和后部的血液供应，并提供侧支循环，这在动脉闭塞的情况下至关重要。从大动脉分支出来的小动脉和小动脉穿透脑实质，形成广泛的毛细血管网，并在此进行营养和气体交换。随后，这些毛细血管汇聚成静脉和静脉，最终形成较大的静脉结构，促进脱氧血液排出大脑。
安杰洛-莫索（Angelo Mosso，1846-1910 年）是 19 世纪末意大利杰出的生理学家，他为我们了解 CBF 和新陈代谢做出了重大贡献。莫索是探索大脑血液循环动力学的先驱之一，为现代神经生理学研究奠定了基础。他巧妙地设计了神经外科颅骨缺损患者的实验，并开发了早期的仪器来研究不同生理和心理刺激下脑血容量和压力的变化。莫索发明了 “人体循环平衡”，这是一种无创的 CBF 测量方法，证明情绪压力和智力活动与脑动脉搏动增加有关。莫索的细致研究证明了大脑活动与血流变化之间的关系，提出了神经血管耦合的概念。脑血管内的血流受流体动力学原理支配。根据 Poiseuille 定律，通过圆柱管的流量（Q）与半径（r）和压力梯度（ΔP）的四次方成正比，与流体的长度（L）和粘度（η）成反比。数学上可表示为 Q = (πr4 ΔP)/8ηL
这一方程式说明了血管半径的微小变化如何对血流产生深远影响，强调了血管张力调节对维持充足脑灌注的重要性。此外，雷诺数可以量化血管内层流与湍流的可能性，是了解脑血管流动特性的关键。大脑的自动调节机制通过动脉血管的血管扩张和血管收缩来调节血管阻力，从而在全身血压波动的情况下仍能确保恒定的血流量。这些机制的任何破坏都会导致病理状态，如充血或缺血，从而损害脑组织的完整性及其功能。在静息清醒状态下，人脑消耗氧气的速度为 35mL/min/kg。这可以通过以下等式进行数学计算：脑氧代谢率 = CBF × 动静脉氧差。
三
CBF自动调节
丹麦科学家和教授莫根斯-福格（Mogens Fog，1904-1990 年）于 1938 年直接研究了猫的皮层血管及其对各种刺激的反应。他观察到，血压降低会立即导致血管收缩，继而扩张皮质血管；血压升高会立即导致血管扩张，继而收缩血管。1959 年，拉森绘制了著名的大脑自动调节曲线，并构想出了一个较宽的平均动脉压 (MAP) 范围（约 60-150 mmHg），在此范围内 CBF 保持不变。Lassen 的大脑自动调节图解继续在影响力较大的研究文章和教科书中流行（图 1）。
图 1 拉森大脑自动调节曲线。据报道，脑血流量通常在 50-150 mmHg 的较大平均动脉压范围内保持恒定。急性脑损伤患者的这一范围会明显偏移或缩小。缺血临界灌注阈值定义为 30 毫升/100 克/分钟。
然而，拉森的自动调节曲线由于其不准确性和个体间的异质性，最近受到了严格的审查。此外，拉森关于大脑自动调节的原始研究因样本量小、单数据点分析和误差范围报告不足而受到批评。然而，拉森的开创性工作为理解大脑自动调节提供了一个基础框架。Czosnyka 等人通过对脑外伤（TBI）患者的 CBF 进行每日 TCD 分析，证明了这种自动调节曲线。他们证明了自动调节的下限和上限，以及 Lassen 最初证明的高原。然而，与 Lassen 声称的宽范围相反，这里实验显示的曲线只有大约 40 mmHg。自动调节曲线中这一相对较小的平台，据信是由于这些患者遭受了急性脑损伤所致。
大脑自动调节的基本原理是，尽管全身血压出现波动，但 CBF 仍能保持恒定，从而确保微妙而复杂的神经网络获得持续的营养和氧供应。这一错综复杂的机制是由肌源性、化学性、神经元和新陈代谢反应的交响乐编排而成的，这些反应动态地允许脑动脉血管扩张和收缩。Kontos 等人证实了脑血管扩张和收缩对全身血压波动的反应。有趣的是，刺激迷走神经可使压力感受器传出活动增加，随后 MAP 下降，而相应的桡动脉血管直径的增加则会出现约 10 秒钟的相移。在随后的实验中，连续输注 ATP 会导致全身性低血压的振荡发作，同时桡动脉直径也会出现相应的振荡但相移的反应。
MAP 是患者在一个心动周期内动脉中的平均压力。它是心输出量（CO）和全身血管阻力（SVR）的函数：MAP = CO × SVR + 中心静脉压。不过，由于中心静脉压通常比 MAP 低得多（健康人的中心静脉压通常接近于零），因此在计算中通常会省略中心静脉压，将其简化为：MAP = CO × SVR。通常也使用收缩压和舒张压 (DBP) 估算 MAP：MAP ≈ DBP + 1/3（收缩压 – DBP）。
ICP 是颅内液体（如 CSF）和组织施加的压力。ICP 升高会降低 CBF。脑灌注压 (CPP) 是将氧和营养物质输送到脑组织的净压力梯度。它是确保血液流经脑血管的可用压力。由于血液必须从全身循环（以 MAP 表示）流入颅内空间（其压力为 ICP），因此驱动这种流动的有效压力（CPP）就是这两个压力之差：CPP = MAP – ICP。
肌源性/内皮反应
丹麦科学家和教授莫根斯-福格（Mogens Fog，1904-1990 年）于 1938 年直接研究了猫的皮层血管及其对各种刺激的反应。他观察到，血压降低会立即导致血管收缩，继而扩张皮质血管；血压升肌源性反应是自动调节的基本组成部分，动脉血管中的血管平滑肌细胞会对血管内压力的变化做出反应。压力升高会引起血管收缩，减少血流量，而压力降低则会引发血管扩张，增加血流量。这一固有机制对防止大脑过度灌注或灌注不足至关重要，从而保障了神经的完整性。一氧化氮（NO）、内皮源性超极化因子和前列环素是内皮因子和强效血管扩张剂。内皮素 1、血栓素 A2 和血管紧张素 II 是使动脉血管收缩的内皮因子。NO 由内皮 NO 合酶合成。NO 扩散到血管壁的平滑肌细胞，激活鸟苷酸环化酶，导致单磷酸环鸟苷增加和血管扩张，从而调节 CBF。前列环素是由内皮细胞合成的另一种重要的血管扩张剂。它能激活平滑肌细胞中的腺苷酸环化酶，导致环磷酸腺苷水平升高，进而使血管平滑肌松弛。内皮源性超极化因子可使血管平滑肌细胞超极化，从而导致血管松弛和扩张，但其确切身份和作用机制仍在研究之中。内皮素 1 是一种由内皮细胞产生的强效血管收缩剂。它主要通过血管平滑肌细胞上的 ET-A 受体发挥作用，导致细胞内钙增加和平滑肌收缩。内皮细胞合成的血栓素 A2 通过促进血管平滑肌细胞内钙的动员，起到收缩血管的作用。通过肾素-血管紧张素系统产生的血管紧张素 II 可激活血管平滑肌细胞中的血管紧张素 I 受体，从而诱导血管收缩。血管扩张剂和血管收缩剂根据跨壁压力的变化协调作用，确保 CBF 维持在一定的灌注压力范围内，保护大脑免受低灌注和高灌注事件的影响。此外，镁可能在维持脑血管内皮平衡方面发挥重要作用，并与可逆性脑血管收缩综合征和后可逆性脑病综合征等脑动脉疾病有关。高会立即导致血管扩张，继而收缩血管。1959 年，拉森绘制了著名的大脑自动调节曲线，并构想出了一个较宽的平均动脉压 (MAP) 范围（约 60-150 mmHg），在此范围内 CBF 保持不变。Lassen 的大脑自动调节图解继续在影响力较大的研究文章和教科书中流行（图 1）。
化学/代谢反应
化学调节是另一个重要方面，主要由脑血管平滑肌内二氧化碳、氢离子和氧气浓度的变化驱动。二氧化碳对脑血管有深远的扩张作用。血液中二氧化碳浓度升高或高碳酸血症会导致血液 pH 值降低（呼吸性酸中毒），促使脑动脉血管扩张，进而增加 CBF 以满足增加的代谢需求。这种机制在大脑活动增加或呼吸状态改变时尤为重要，因为二氧化碳生成或潴留的增加需要增加大脑的血液供应。相反，二氧化碳水平降低或低碳酸血症会引起脑血管收缩，降低 CBF，从而导致脑组织供氧量减少。
一般的经验法则是，动脉二氧化碳分压（PaCO2）每变化 1 mmHg，CBF 大约变化 1-2 mL/100g/min。在 PaCO2 的生理范围内（约 20-80 mmHg），这种关系通常是线性的。这种关系的数学表达式通常为 ΔCBF = k × ΔPaCO2。其中：ΔCBF 是 CBF 的变化（单位为 mL/100g/min），ΔPaCO2 是 PaCO2 的变化（单位为 mmHg），k 是一个常数，表示 CBF 对 PaCO2 变化的敏感度，通常介于每 mmHg 1-2 mL/100g/min 之间。值得注意的是，这种关系在某些病理情况下会发生改变，慢性高碳酸血症或严重脑血管疾病患者的 CBF 对 PaCO2 的反应可能会减弱。
另一方面，氧气对脑血管的影响与二氧化碳相反。缺氧或低氧会导致脑血管扩张，从而改善对脑组织的供氧。这是一种重要的适应性反应，可确保神经细胞在氧气供应减少的状态下仍能存活。相反，高氧或高氧水平会引起脑血管收缩，导致 CBF 降低。这种机制可防止脑组织过度灌注，有助于维持大脑的最佳供氧量。氧气和二氧化碳在大脑自动调节中的相互作用是一种微妙的动态平衡，可确保最佳的血液供应、营养输送和大脑废物清除。
动脉血氧分压（PaO2）和 CBF 之间的关系不如 PaCO2 和 CBF 之间的关系那么简单明了。不过，人们对 PaO2 的变化如何影响 CBF 已经有了一个普遍的认识，尽管具体的定量关系可能因人而异，也可能在不同的生理和病理条件下发生变化。一般来说，在正常 PaO2 水平的较大范围内，CBF 保持相对稳定。然而，当 PaO2 下降到临界阈值以下时（通常约为 50-60 mmHg），CBF 开始显著增加，作为一种代偿机制，以维持向大脑输送足够的氧。这种关系通常是非线性的，可表示如下：CBF ∝ [1/（PaO2 × n）]。这里，n 是一个常数，决定了 CBF 对 PaO2 变化的敏感度。该等式表明，随着 PaO2 的降低，CBF 会增加，但当 PaO2 降至临界阈值以下时，CBF 的变化速度会加快。n 的确切值可能会有所不同，通常根据经验确定。一般来说，在正常 PaO2 水平的较大范围内，CBF 保持相对稳定。然而，当 PaO2 降到临界阈值以下时（通常约为 50-60 mmHg），CBF 开始显著增加，作为一种代偿机制，以维持向大脑输送足够的氧。
动脉血气改变导致的平衡失调会影响大脑的新陈代谢和功能。了解氧气和二氧化碳在调节脑血管过程中的相互作用对于控制改变 CBF 和压力动态的病症（如创伤性脑损伤、卒中以及各种呼吸和代谢紊乱）至关重要。在大脑自动调节功能受损的情况下，仔细监测和控制动脉二氧化碳和氧水平可作为治疗策略。
神经元反应
这种调节通常被称为神经-血管耦联，涉及神经元、星形胶质细胞和血管之间复杂的相互作用。神经源性调节涉及血管周围神经的复杂网络和神经递质（主要是去甲肾上腺素和乙酰胆碱）的局部释放，从而控制血管直径。这调节了脑血管张力，有助于维持最佳 CBF，并对不同脑区的动态突触活动做出反应。血管舒张肽包括 NO 和乙酰胆碱。血管收缩肽包括神经肽 Y 和血清素。
前循环主要由颈动脉提供，通常更善于自动调节 CBF。相反，包括供应脑干、小脑和枕叶的椎基底动脉在内的后循环显示出相对较弱的自动调节反应。这种差异使得后部区域在低血压条件下更容易发生缺血事件。造成这些区域差异的一个因素是交感神经密度的变化，交感神经在调节血管张力方面起着至关重要的作用。与后部区域相比，大脑前部区域的交感神经支配密度更高。交感神经分布的这种差异可以部分解释在前循环中观察到的更有效的自动调节反应。了解大脑自动调节的这些区域差异至关重要，尤其是在疾病过程中，如可逆性脑血管收缩综合征和后可逆性脑病综合征谱系障碍。
压力反应指数
压力反应性指数（PRx）是一种先进的神经监测参数，对于了解脑部自动调节至关重要，尤其是在创伤性脑损伤和其他神经重症护理情况下。PRx 通过将 ICP 与动脉血压 (ABP) 相关联，定量评估脑血管自动调节状态。其计算方法是在指定的时间窗口（通常为 30 秒至几分钟）内，ICP 慢波与 ABP 之间的移动皮尔逊相关系数。PRx 为正值表示自动调节功能受损，即 ICP 被动跟随 ABP 的变化；而负值或零值则表示自律调节功能完好，脑血管会随着 ABP 的变化而适当收缩或扩张。PRx 的效用在于它能连续实时地评估脑血管对生理和病理刺激的反应。它在指导创伤性脑损伤患者的治疗策略（如优化 CPP）方面尤为重要。研究表明 PRx 与创伤性脑损伤的预后之间存在相关性，PRx 值越高，预后越差。这种相关性表明 PRx 可作为预后工具和患者个体化管理指南。
此外，PRx 还被用于研究大脑自动调节的病理生理学及其在各种临床情况下的改变。例如，有研究探讨了二氧化碳水平、体温和新陈代谢变化等因素对 PRx 和大脑自动调节的影响。从这些研究中获得的见解有助于加深对 CBF 调节的复杂动态的理解，并对神经重症监护中靶向疗法的开发具有重要意义。
脑能量学
在概念化 CBF、自动调节及其压力流关系以更好地理解神经物理学之后，当务之急是从动脉通过毛细血管床进入细胞。脑能量学包括对大脑能量代谢的研究，这是大脑功能和对损伤反应的一个重要方面。如前所述，大脑虽然只占体重的 2%，但其能量消耗却约占人体总能量消耗的 20%。这种高需求主要是由于突触传递和维持神经元膜上离子梯度的能量密集过程。大脑的主要能量基质是葡萄糖，通过有氧糖酵解代谢产生 ATP，这是细胞的主要能量货币。大脑对葡萄糖的依赖性非常大，葡萄糖代谢的改变会对神经功能产生深远影响，并与各种神经病理学有关，包括神经退行性疾病和脑损伤。
氧气对大脑中葡萄糖的有氧代谢至关重要。CBF 与代谢需求之间的紧密耦联确保了氧气的持续供应，并能适应神经元活动的时空变化。这种关系是大脑自动调节的基础，在代谢需求或血流量发生变化的病理情况下会受到影响。最近的神经能量学研究已开始阐明能量代谢、大脑功能和神经系统疾病之间的联系。例如，在缺血性卒中或创伤性脑损伤等情况下，能量代谢紊乱会导致神经元功能障碍和死亡。线粒体功能障碍是许多神经退行性疾病的主要特征，会导致能量不足和神经元退化。以改善线粒体功能或保护线粒体免受损伤为重点的研究为各种神经疾病的治疗干预带来了希望。
在健康的大脑中，神经元活动与 CBF 之间存在紧密的耦联关系，以确保为活跃的神经元提供充足的葡萄糖和氧。这对于维持离子梯度和神经递质循环至关重要，而离子梯度和神经递质循环是能量密集型过程。在急性脑损伤（如创伤性脑损伤或卒中）期间，正常的神经代谢耦联会被破坏。这种破坏会导致神经代谢断裂，即神经元能量需求与必需底物（氧和葡萄糖）供应不匹配的状态。
脑损伤中的神经代谢耦联可由多种因素导致：(1) CBF 降低导致缺血和氧气/葡萄糖供应不足；(2) 线粒体功能障碍影响 ATP 的产生；(3) 细胞修复过程导致能量需求增加或兴奋性毒性加剧；以及 (4) 血脑屏障破坏导致底物输送发生改变。神经代谢失耦联的后果包括能量不足、乳酸堆积（由于无氧代谢）、细胞水肿、氧化应激，最终导致神经元死亡。在创伤性脑损伤等情况下，损伤周围区域（半暗带）特别容易受到神经代谢失耦联的影响。新陈代谢失调会加剧该区域的二次损伤过程。例如，创伤性脑损伤后会出现大脑高糖酵解现象，即使在氧供应充足的情况下，脑细胞消耗葡萄糖的速度仍高于正常水平。这被认为是受伤大脑在膜修复、离子平衡和炎症等过程中能量需求增加的一种反应。治疗策略通常旨在恢复能量供需平衡，如确保充足的脑灌注、使用神经保护剂减轻兴奋毒性和支持线粒体功能。CMD 和 PET 成像可进一步深入了解脑能量，本手稿将对此进行更详细的探讨。
四
侵入性神经监测工具
将概述治疗神经重症患者和急性脑损伤的各种有创和无创神经监测工具、适应症、方法和生理基础（图 2）。
图 2 神经重症患者和急性脑损伤治疗中各种有创和无创神经监测工具、适应症、方法和生理基础的概览。EEG：脑电图；ICPwf：颅内压波形
ICP监测和波形分析
脑室外引流管（EVD）是神经重症监护中管理 ICP 和脑积水的重要工具。EVD 是测量 ICP 的直接方法，可引流 CSF 以缓解颅穹内升高的压力。这种方法对急性脑损伤患者尤为重要，因为在这种情况下，ICP 的快速变化会对患者的预后产生重大影响。放置 EVD 需要将导管插入侧脑室，通常需要在神经影像的引导下进行，以确保定位准确。导管与外部传感器相连，后者可提供连续的 ICP 读数，从而促进实时监测和管理。通过 EVD 监测 ICP 对创伤性脑损伤、卒中或其他导致 ICP 增高的患者至关重要。EVD 可及时发现和干预升高的 ICP，在预防继发性脑损伤和改善患者预后方面发挥着重要作用。
虽然 EVD 是一种宝贵的工具，但也并非没有风险。并发症包括感染、出血和导管错位。严格的插入和维护规程对最大限度地降低这些风险至关重要。就 MMM 而言，EVD 提供的重要数据可与 CPP 和脑组织氧合测量等其他监测方法整合。这种整合可提高对患者神经状态的了解，并指导治疗干预。此外，EVD 还可通过 ICP 波形 (ICPwf) 分析提供有关 CSF 流体力学的重要信息。
ICPwf 对于神经重症患者的详细评估和管理至关重要。这些波形通常被称为伦德伯格波，主要分为三种类型：A、B 和 C 波。A 波也称为高原波，其特征是 ICP 突然急剧升高至 50-100 mmHg 的水平，持续 5-20 分钟。它们通常表明脑的自动调节功能严重受损，并与严重的颅内病变有关。B 波是较小的 ICP 节律性振荡，每 1-2 分钟出现一次，通常与 CBF 不稳定有关，尤其是在创伤性脑损伤或脑积水患者中。C 波是更小更频繁的波动，通常出现在正常的 ICP 监测中，反映了颅内动态的正常生理变化。
对这些 ICPwf 的持续监测和分析可提供有关大脑顺应性、血流动态和患者整体神经状况的重要信息，为神经重症监护环境中的治疗决策提供指导。SYNAPSE-ICU 研究表明，对急性脑损伤患者进行连续 ICP 监测可提高治疗警惕性、降低死亡率并改善神经功能预后。此外，ICP 增高的阈值多年来一直在波动。2000 年，脑外伤基金会指南建议正常 ICP 为 20-25 mmHg。2007 年改为≤ 20 mmHg。最近在 2016 年，该指南被改进为 ICP ≤ 22 mmHg，这表明死亡率和良好的治疗效果得到了提高。
Güiza 等人评估了 ICP 增高对成人和儿童创伤性脑损伤患者神经系统预后的影响。研究人员分析了 261 名成人和 99 名儿童每分钟的 ICP 和血压数据。成人 ICP 超过 20 mmHg 持续时间超过 37 分钟，儿童超过 8 分钟，则预后较差。该研究还证实，随着时间的推移，ICP 的累积负担与已知的严重创伤性脑损伤基线风险因素相结合，是预测死亡率的一个独立因素。此外，该研究还强调，受损的脑血管自动调节能力极大地限制了患者耐受 ICP 升高的能力。当脑灌注压降至 50 mmHg 以下时，ICP 升高持续时间越长，预后越差。这项研究强调，小儿创伤性脑损伤的继发性损伤发生在较低的ICP阈值，并强调了将脑灌注压维持在50 mmHg以上的重要性，尤其是在严重创伤性脑损伤的病例中。因此，不应将 ICP 视为二分法的数值，而应将其视为针对每位患者的动态数值，并考虑到大脑自动调节的完整性。
脑组织氧合监测
脑组织氧饱和度（PbtO2）连续监测是神经重症监护领域的一项重要进展，可提供局部、实时的脑氧饱和度状态信息。这项技术是将探针插入脑组织（通常是额叶白质），直接测量脑组织中的氧分压。PbtO2 监测对于治疗创伤性脑损伤和中风等脑氧合有风险的患者尤为重要。该技术的主要用途在于检测脑缺氧，脑缺氧是指脑组织供氧不足的一种状态，如不及时处理会导致细胞功能障碍和死亡。正常的 PbtO2 值通常在 20-40 mmHg 之间，低于 10 mmHg 表示严重缺氧。一些研究人员将脑组织缺氧定义为 PbtO2 < 15 mmHg，另一些研究人员则将其定义为 PbtO2 < 20 mmHg。
通过持续监测 PbtO2，神经重症监护医师可以调整治疗干预措施，包括优化 CPP 和调整通气策略。它通常与其他神经监测方法（如 ICP 监测和 CMD）一起使用，以提供大脑状态的综合视图。尽管 PbtO2 监测有很多优点，但它只能测量有限脑区的氧合情况，而且由于是侵入性的，因此存在感染和出血等风险。不过，传感器技术的进步正在提高其准确性和应用范围，为神经重症监护中更个性化的治疗方法铺平了道路。
严重创伤性脑损伤阶段的脑氧优化（BOOST）-1 和 BOOST-2 研究极大地推动了我们对治疗严重创伤性脑损伤过程中脑组织氧合情况的了解。BOOST-1是一项观察性研究，它确定了监测严重创伤性脑损伤患者PbtO2的可行性，强调了较低水平的PbtO2与较差预后之间的相关性。这项研究强调了在治疗创伤性脑损伤过程中保持脑组织充分供氧的潜在重要性。
在此基础上，随机临床试验 BOOST-2 研究进一步评估了 PbtO2 引导疗法。研究结果表明，将 PbtO2 维持在阈值以上的管理方案是可行且安全的，这表明神经系统的预后可能会有所改善，但该研究并未最终确定这种益处，这表明需要进行更多的试验。为此，正在进行的 BOOST-3 试验旨在提供更确切的证据。这项大规模研究探讨了在进行 ICP 监测的同时使用 PbtO2 监测对严重 TBI 患者进行管理是否会比单纯依靠 ICP 监测获得更好的疗效。我们热切期待 BOOST-3 的结果，因为它们有可能极大地影响严重 TBI 患者的治疗标准。
SjvO2
SjvO2是神经重症监护中的一种集成监测工具，通过测量从大脑排出的静脉血中的氧饱和度，为了解全大脑氧合状态提供了至关重要的见解。该技术包括将导管插入颈内静脉以连续监测SjvO2。SjvO2作为大脑氧气供应和需求之间平衡的间接指标。通常，SjvO2值在55%-75%之间，低于55%的值表明潜在的脑缺血或缺氧，表明大脑的代谢需求没有得到充分满足。
这种监测在TBI、蛛网膜下腔出血（SAH）或严重缺血患者中尤其重要，因为它有助于检测脑氧合的关键变化，并指导治疗决策，如呼吸机调整和灌注管理。导管通常放置在主要颈静脉中，通过成像或临床评估确定，以确保准确测量脑静脉流出量。
尽管SjvO2提供了关于脑氧合的连续、全局信息，但它确实有局限性，包括无法提供区域数据，以及由于患者定位或颅外污染而容易出现不准确的情况。尽管存在这些局限性，但它在动态评估脑氧合方面的作用使其成为神经重症监护中的一个有价值的工具。目前的研究工作旨在提高其准确性，并将其与其他神经监测方法相结合，丰富整体患者治疗策略。
TDF与局部脑血流
TDF在神经危重症救治中提供了一种独特的方法来评估局部脑血流量（rCBF），尤其是对TBI或脑血管疾病患者至关重要。这项技术包括在脑组织中放置一个专门的探针，根据热扩散原理测量血液流量。探头由一个加热器和一个温度传感器组成；加热器的散热受到相邻脑组织中的血流的影响从而提供rCBF的测量。TDF因其能够提供对局部CBF的连续、实时监测而备受重视，使临床医生能够立即检测大脑灌注的变化并对其做出反应。正常rCBF值范围为20至30mL/100g/min，偏离该范围可指示病理状况。例如，rCBF降低可能是缺血的信号，而过高的值可能表示充血，这两种情况都需要立即就医。TDF持续监测rCBF的能力有助于指导治疗干预措施，如优化脑灌注压力和管理ICP。尽管TDF有好处，但它确实有局限性，包括其侵入性和由于探针放置或探针周围组织变化而产生测量误差的可能性。然而，TDF仍然是神经危重患者CBF动力学精细管理的宝贵工具。
CMD
CMD是一种复杂的神经监测技术，越来越多地用于神经重症监护，以在细胞水平上评估脑组织的代谢状态。这项技术包括将一根小导管插入大脑实质，通常位于大脑皮层。该导管灌注有生理溶液，可以收集细胞外液体，这反映了脑组织内发生的代谢过程。CMD的主要适应症是TBI、SAH或大半球卒中患者，它有助于检测可能导致继发性脑损伤的代谢紊乱。微透析导管的放置通常由神经成像或手术指导，目的是将其定位在感兴趣的区域内或附近，如卒中期间的半影区或TBI的风险区域。分析收集的样本中的各种生物化学标志物，这些标志物提供细胞代谢信息，如葡萄糖、乳酸、丙酮酸和谷氨酸水平。
CMD的一个关键结果指标是乳酸盐/丙酮酸盐比率（LPR）。正常的LPR通常低于25。LPR升高表明厌氧代谢发生变化，通常是由于缺血或缺氧，并与脑损伤患者的不良预后有关。LPR升高可以指导旨在改善脑灌注和氧合的干预措施。相反，低LPR值，特别是当伴有低血糖水平时，可能表明高血糖溶解，这是损伤后早期出现的一种情况。CMD提供有关大脑生化环境的实时信息，为急性脑损伤患者提供量身定制的治疗。这项技术的数据有助于指导治疗决策，如优化脑灌注压力、调整葡萄糖和氧输送以及减轻兴奋性毒性。尽管CMD具有侵入性，需要专门的设备和专业知识，但它是神经重症监护库中的一个强大工具，为大脑代谢提供了独特的见解，并指导患者的特定治疗策略（表1）。
逆向透析是CMD的一种独特应用，通过微透析导管将物质给予脑实质，从而进行局部治疗干预或代谢研究。逆向透析的一个具体应用是琥珀酸的局灶性灌注，琥珀酸是三羧酸循环中的关键中间体。通过逆向透析给予琥珀酸可以作为评估脑内线粒体功能和细胞代谢的工具。这种方法的前提是局部给予琥珀酸可以改善线粒体呼吸，特别是在代谢受损或线粒体功能障碍的区域。Stovell等人旨在研究琥珀酸盐对急性脑外伤患者大脑能量代谢的影响。对8名脑外伤患者进行的研究表明，通过微透析灌注琥珀酸盐可提高细胞外丙酮酸水平并降低LPR，表明细胞化学性质得到改善。有趣的是，在个体患者中发现LPR的降低与磷酸肌酸/ATP比率的增加之间存在显著相关性，这表明琥珀酸盐可能会增强线粒体功能障碍的TBI患者的大脑能量代谢。本研究支持LPR与脑能量状态之间的联系以及琥珀酸盐治疗TBI患者的潜力。
Khellaf等人的这项研究集中在表现出能量代谢受损的TBI患者身上，如LPR升高所示，在33名MMM下TBI患者中，73%的患者被发现。研究人员通过逆向透析给药2,3-13C2琥珀酸二钠，观察到LPR降低了12%，脑葡萄糖增加了17%。微渗析物的核磁共振波谱证实，给药的琥珀酸通过三羧酸循环在细胞内代谢。这项研究使用了一种以LPR为重点的分级管理方案，并整合了各种神经重症监护监测方法，证明琥珀酸酯给药可以改善伴有CMD的TBI患者的能量代谢。
皮层电图和dEEG
在重症监护室的神经重症监护中，皮层电图（ECoG）和dEEG在全面监测和治疗严重脑损伤患者和有神经并发症风险的患者（如癫痫发作或癫痫）方面发挥着关键作用。ICU环境中的ECoG主要用于对皮层电活动进行精确监测至关重要的情况，如TBI患者或神经外科手术后。这项技术包括将电极直接放置在大脑表面，提供皮层电活动的高分辨率数据。在急性护理环境中，ECoG可以用于检测头皮脑电图上不明显的细微癫痫发作，从而指导抗癫痫治疗。此外，它可以实时监测皮层功能，为脑水肿或脑缺血的决策提供有价值的信息。
dEEG涉及将电极插入脑组织，对于监测脑深部损伤患者或接受过皮质下结构手术的患者至关重要。在重症监护室，dEEG通常用于有癫痫发作风险的患者，这些癫痫发作源于大脑深部区域，而表面EEG不容易捕捉到这些区域。这项技术在区分癫痫活动和其他形式的异常大脑活动（如创伤后或术后变化）方面特别有价值。dEEG提供的癫痫发作的精确位置对于指导靶向抗癫痫药物的给药以及在难治性癫痫病例中决定潜在的手术干预至关重要。
Connolly等同时获得了2名接受临床爆发抑制的患者的脑电图和ICP数据。他们确定了一种血管舒张指数来评估急性脑损伤患者的神经血管耦联。他们发现，脑电图捕捉到的电活动与ICP的瞬时增加有关，ICP的上升和下降与脑电图上看到的爆发和抑制有关。他们估计了一种抛物线关系，其中ICP在EEG爆发后8秒达到峰值，然后在大约15秒后归一化。此外，相关血管舒张指数的存在表明，ICP的增加主要是由脑血管血流动力学的变化驱动的。
五
无创神经监测工具
TCD
TCD的一个关键应用是计算Lindegaard比率，这是一个用于区分脑血管痉挛和充血的指标。通过将大脑中动脉的平均血流速度除以颅外颈内动脉的平均速度（MV）来计算Lindegaard比率。比值大于3表示血管痉挛。这种区别至关重要，尤其是在SAH后的患者中，因为它指导治疗决策和干预措施，以控制血管痉挛和预防缺血性并发症。
TCD 还可以间接估计 CBF。虽然 TCD 不能直接测量 CBF 容量，但血流速度可作为替代指标。通过评估血流速度在各种生理和药物挑战下的变化，TCD 可以提供有关脑血管反应性和自动调节的信息。例如，屏气或二氧化碳挑战测试等技术可用于评估脑血管反应性，二氧化碳水平的增加会导致血管扩张和血流速度增加。这种反应可以量化，并用于评估大脑自动调节机制的完整性。
从 TCD 超声波中获得的搏动指数（PI）是反映脑血管血流阻力的重要参数。搏动指数的计算公式为 PI = [收缩峰值速度 – 舒张末期速度 (EDV)]/MV。贝林格 PI 公式是表示脑血管阻力的另一种方法，计算公式如下：贝林格 PI = [2 × (MV – EDV)]/（收缩速度峰值 + EDV）。这两个公式都用于评估脑血流动力学，PI 值越高通常表示脑血管阻力越大，这在脑血管痉挛或 ICP 增高等情况下可以看到。
在 SAH 患者中，PI 值升高通常表明脑血管阻力增加，这可能是由于脑血管痉挛或 ICP 升高等因素造成的。监测 SAH 患者的 PI 特别有助于早期发现血管痉挛，这是一种常见的严重并发症，可导致延迟性脑缺血。PI 升高可能早于血管痉挛的临床症状，为早期干预提供了窗口。此外，PI 还有助于评估旨在缓解血管痉挛和控制脑血流动力学的治疗干预措施的疗效。PI 升高约 1.5 与 SAH 中的血管痉挛有关，正常 PI 范围为 0.5-0.6。
脑灌注压也可根据 TCD 测量值按以下公式估算：CPP = 平均流速/（平均流速 – EDV）×（MAP – 舒张压）。
Kim等人从数千个单独的波形中创建了平均ICPwf。在ICU的非急性脑损伤中也观察到类似的脑血流动力学损伤。例如，脓毒症患者在早期脓毒症中的中位血流速度和PI升高，而在早期脓毒血症中大脑自动调节没有受损。然而，在晚期脓毒症中，已经观察到大脑自动调节受损。
NIRS与脑氧饱和度测量
NIRS利用电磁波谱的近红外区域（约 500-800 纳米）来确定大脑的特性。红外线光束穿过物质，然后由感测探头根据比尔-朗伯定律进行解读。A = [(log)_10 I_0]/I_i = alc. 其中 A = 吸光度，a = 摩尔吸收率，I = 样品的路径长度，c = 溶液中化合物的浓度。
NIRS的主要优点是无创、易于使用，而且无需患者镇静或转运即可进行实时监测。然而，其局限性包括对颅外污染（如头皮和颅骨血流）的敏感性、有限的穿透深度（限制了对皮质表面的评估）以及基于个体解剖和探针位置的读数变化。近红外成像技术的一个重要应用是评估大脑的自动调节能力，以及大脑在全身血压变化的情况下保持稳定 CBF 的能力。近红外光谱可生成各种测量值，包括区域脑氧饱和度（rSO2）、区域脑血流指数、组织氧摄取分数、组织氧合指数和相对总组织血红蛋白浓度。还可以通过测量细胞色素 c 氧化酶的氧化状态来估计神经元内的氧代谢。
时域和频域分析对于评估大脑自调节和血流动态至关重要。根据 rSO2 与 ABP 的相关性得出的脑氧饱和度指数（COx）利用时域分析观察 rSO2 如何随血压波动而变化，并利用频域分析检查这些信号的频谱成分。COx 阳性表明自调节功能受损，即脑氧被动跟随系统压力的变化。组织氧反应指数（TOx）与 ABP 相关，其功能类似，可提供有关脑氧合稳定性的信息。血红蛋白容积指数（HVx）使用近红外光谱的相对总组织血红蛋白浓度，并将其与 ABP 相关联，以评估脑血容量的变化。HVx 呈阳性表明自调节功能受损，表现为脑血容量与血压之间的被动关系。
最后，脑血流自动调节指数将区域脑血流指数与 ABP 联系起来，有助于了解NIRS估测的 CBF 如何对全身压力变化做出反应。脑血流自动调节指数的高相关性意味着血压对 CBF 有直接影响，表明丧失了自动调节能力。正常的 rSO2 值为 55%-80%，低于 50%则表示脑缺血。TOx和COx是评估大脑自动调节能力最广泛使用的指标。TOx/COx 值升高与谵妄和死亡风险增加有关。这些分析有助于创伤性脑损伤、脑卒中和 SAH 等疾病的神经重症监护，为特定患者的治疗提供重要信息（表 2）。
Damian等人探讨了NIRS在监测完全性大脑中动脉卒中和相关脑肿胀患者颅内氧合方面的有效性。这项研究涉及24名患者，他们在两个额叶上放置近红外光电二极管，以频繁间隔测量rSO2。研究结果表明，尽管rSO2的绝对值在患者之间存在显著差异，并且与临床数据没有直接相关性，但梗死半球和对侧半球之间的rSO2差异提供了有价值的信息。在大多数情况下，梗死侧的这种差异通常更高。特别是，rSO2的差异随着脑肿胀而降低，在脑疝患者中消失，但在成功的半颅骨减压切除术后显著增加。Kurth等人的研究重点是使用NIRS确定新生儿（仔猪）脑氧饱和度（SCO2）的缺氧缺血性阈值。在60头麻醉仔猪中，该研究将SCO2水平与脑电图、脑ATP和乳酸浓度的变化相关联，并将其与CBF和矢状窦氧饱和度进行比较。关键发现包括确定乳酸增加、轻微和主要脑电图变化以及ATP减少的SCO2阈值，分别为44%、42%、37%和33%。这些阈值明显低于68%的基线SCO2，表明在正常功能和功能障碍之间有一个相当大的缓冲区。
利用NIRS的一个主要限制因素是散射和反射。光束会穿过多层皮肤、组织和骨骼。典型的光源到检测距离为 4 厘米，可测量约 0.3 厘米的大脑皮层。此外，在神经外科患者或患有创伤性脑损伤的患者中，CSF、硬膜下积液 和血液制品（包括铁）可能会进一步影响NIRS的临床应用。患者之间的生物学差异，包括动-静脉充盈的变化，也妨碍了 “正常 ”基线值的使用。相反，将NIRS指数作为变化的 “趋势监测器 ”可能会有更大的临床用途。
ONSD
测量 ONSD 已成为神经重症监护中估算 ICP 的一种无创技术。ONSD 评估所依据的原理是，视神经鞘与蛛网膜下腔相邻，能反映 CSF 压力的变化。ICP 的增加会导致视神经鞘直径的相应增加。视神经鞘直径通常采用经眶超声技术进行测量，这是一种床旁超声技术。将超声探头放在闭合的眼睑上，在视神经垂直于探头的眼球后 3 毫米处进行测量。
在无法进行有创 ICP 监测或有创方法禁忌症的患者中，ONSD 测量尤其有用。它已被有效用于治疗创伤性脑损伤、中风和特发性颅内高压等疾病。多项研究验证了 ONSD 测量值与有创 ICP 读数之间的相关性。据报道，ONSD 检测 ICP 升高的灵敏度和特异性都很高，是一种可靠的替代标记物。然而，患者个体差异和技术依赖性是需要仔细解读 ONSD 测量结果的因素。
Chang 等人探讨了 TBI 患者术后 PI、ONSD 和 ICP 之间的相关性。该研究涉及 68 名 TBI 患者，使用 TCD 超声波分析了这些参数之间的关系。主要发现包括 ONSD 和 ICP 之间存在明显的相关性，尤其是当 ONSD ≥ 5 mm 时。此外，还观察到 PI 与 ICP 之间存在很强的相关性，尤其是在术后第 6 天和第 7 天。研究还评估了 PI 和 ONSD 在预测颅内高压方面的有效性，发现 PI ≥ 1.2 mm 和 ONSD < 5 mm 的组合提供了最准确的预测，曲线下面积 (AUC) 为 0.943。这些结果凸显了 PI 和 ONSD 作为无创方法评估和预测 TBI 术后患者 ICP 升高的实用性。
在系统回顾和荟萃分析中，Aletreby 等人评估了 ONSD 超声波作为升高的 ICP 非侵入性估算指标的诊断准确性，并将其与标准侵入性 ICP 测量进行了比较。回顾性研究包括 18 项前瞻性研究，主要分析了 16 项研究中的 619 名患者。分析特别显示，ICP 和 ONSD 之间的相关系数为 0.7，表明两者关系密切。然而，元回归并未发现任何重要的协变量，对严重创伤性脑损伤和实质ICP进行的亚组分析表明没有异质性。研究得出的结论是，虽然 ONSD 超声是评估 ICP 的重要工具，但在可行和适当的情况下，它不应取代侵入性方法。ONSD 的诊断精确度很高，这表明它可作为评估 ICP 的辅助工具，尤其是在无法立即或无法进行有创监测的情况下。
TMD
TMD 测量是一种新兴的估算 ICP 的无创技术。其基本原理基于颅内腔与内耳淋巴周围液之间的解剖和生理联系。ICP 的变化会传递到耳周液，并影响鼓膜的位置和活动度。TMD 使用专门设备进行测量，该设备可检测鼓膜在声音刺激下的运动并进行量化。通常，将探针插入外耳道，形成密封。引入低频声波，记录鼓膜的移动。然后对位移模式进行分析，以推断 ICP 水平，特定的位移特征与 ICP 的增加相关。
Evensen 等人进行了一项研究，以确定鼓膜压力 (TMP) 波形是否可以无创估计 ICP 波形。该研究涉及 28 名因临床原因（如 SAH 后的监测或 CSF 循环障碍的诊断）而接受有创 ICP 测量的患者。研究人员为每位参与者建立了有创 ICP 和无创 TMP 信号之间的传递函数估计值，目的是评估该方法的潜力。该方法的验证包括比较根据估计的 ICPwf 和有创测量的 ICPwf 计算出的平均波幅 (MWA)。研究发现，在 28 名患者中，有 4 名患者（14%）的特定无创 ICP 信号可以令人满意地预测 MWA。在这 4 名患者中，超过 50% 的观察结果显示，原始 MWA 与估计 MWA 之间的差异小于 1.0 mmHg，超过 20% 的观察结果显示，原始 MWA 与估计 MWA 之间的差异小于 0.5 mmHg。此外，研究还发现耳蜗导水管具有物理低通滤波器的功能，会影响压力信号的传输。这一发现意义重大，因为它表明使用 TMP 波形对某些患者的 ICPwf 进行无创估计是可行的，尽管这种方法的有效性因人而异。研究表明 TMP 波形分析在无创 ICP 监测中的潜力，但也强调了进一步研究的必要性，以提高其准确性和适用性。
PET
正电子发射计算机断层显像（PET）是一种高度复杂的成像模式，通过提供大脑病理学的功能和代谢信息，在神经重症监护中发挥着关键作用。正电子发射计算机断层显像（PET）是通过检测正电子发射放射性核素（示踪剂）间接发射的伽马射线来实现的，这种放射性核素是通过生物活性分子进入人体的。这种技术对于评估大脑新陈代谢、血流量和受体结合尤为重要，是了解大脑生化过程的一个独特窗口。通常情况下，示踪剂（如 18F-氟脱氧葡萄糖）会被活跃的脑组织吸收。PET 扫描到的示踪剂分布与区域性脑葡萄糖代谢相关，可帮助了解神经元的活力和功能。正电子发射计算机断层显像的主要优点是能够提供有关大脑功能状态的详细信息，这是其他成像模式无法获得的。然而，其局限性包括成本高、可用性有限以及需要放射性示踪剂。此外，PET 数据的解读需要复杂的分析技术和对大脑病理生理学的透彻理解。
Veenith 等 利用氧 15 标记 PET 和氟 18 标记的氟咪唑（18F-FMISO）PET 联合成像研究了创伤性脑损伤患者的组织缺氧和缺血情况。这项研究涉及 10 名创伤性脑损伤患者和两个对照组，每个对照组有 10 名健康志愿者，他们都接受了 18F-FMISO 和氧 15 标记的 PET 扫描。研究评估了创伤性脑损伤早期大血管和微血管缺血的负担和分布情况。主要发现是，与对照组相比，创伤性脑损伤患者缺血脑容量和缺氧脑容量的中位数明显更高。这些病理生理学组织类别在损伤脑区和正常外观脑区的空间分布不匹配。缺氧脑容量区的 CBF、脑血容量和脑氧代谢率与缺血脑容量区相似，但氧摄取分数较低，表明损伤更为严重。对脑组织血氧饱和度的监测表明，在氧分压为 15 mmHg 或更低时，18F-FMISO 捕获可能会增加。研究得出结论，创伤性脑损伤的组织缺氧并不局限于结构异常的区域，也可能在没有传统大血管缺血的情况下发生。这一发现与微血管缺血一致，强调了针对这些生理变化采取新型神经保护策略的必要性。
HRV分析
心率变异是神经重症监护中的一种新兴工具，可为了解自主神经系统的功能提供宝贵的信息。心率变异是指心跳时间间隔变化的生理现象，通过心跳间期的变化来测量。它反映了心脏对各种生理和环境刺激做出反应的能力。对于患有创伤性脑损伤、脑卒中和其他神经系统疾病的患者，心率变异分析有助于评估自主神经功能障碍，这通常是继发性并发症。心率变异指标与脑损伤的严重程度有关，可以预测预后。例如，心率变异降低与创伤性脑损伤患者的预后不良有关，表明自主神经失调程度较高。
Megjhani 等人开展了一项研究，评估使用心率变异测量检测动脉瘤性 SAH 患者的神经性心源性损伤（NCI）。该研究纳入了 326 名连续入院的患者，其中 56 人（17.2%）出现了 NCI，NCI 的定义是室壁运动异常伴心室功能障碍或心肌肌钙蛋白 I 水平升高，但无冠状动脉功能不全的迹象。研究采用多层次纵向线性回归方法，检验了心率变异测量与 NCI 之间的关系，并评估了基线和随时间变化的组间差异。结果显示，NCI 受试者的迷走神经活动减少，表现为低/高频率比值升高，这表明交感-迷走神经平衡发生了变化，趋向于交感神经活动。所有时域心率变异测量值在患有SAH和NCI的患者中均较低。
利用集合机器学习方法，这些心率变异测量值被转化为一种分类工具，该工具具有良好的分辨能力，接收者操作特征曲线下面积（AUC-ROC）为 0.82，精确召回曲线下面积为 0.75，正确分类率为 0.81。研究得出结论：心率变异测量与 NCI 显著相关，使用心率变异衍生特征的机器学习模型可以有效地对发生 NCI 的 SAH 患者进行分类。这表明，通过机器学习技术增强心率变异分析，可以成为早期检测 SAH 患者 NCI 的重要工具。
恶性紧张症和弥散性脑白质病毒性白质疾病的医疗管理也与心率变异性参数的降低有关，包括正常-正常间隔的标准差、连续正常-正常R-R间隔差异超过50毫秒的百分比、连续RR间隔的均方根，以及心脏熵。
Srichawla 等人对心率变异生物反馈治疗创伤性脑损伤后自主神经系统失调的效果进行了系统性评估。研究发现，参与者平均接受了 11 次心率变异生物反馈治疗（1 至 40 次不等）。结果表明，心率变异生物反馈与创伤性脑损伤患者心率变异的改善有关。此外，生物反馈后心率变异的增加与创伤性脑损伤的恢复之间存在正相关。认知和情绪功能以及头痛、头晕和睡眠问题等身体症状均有所改善。
MMM和机器学习
在重症监护病房将 MMM 与机器学习相结合，是神经重症监护领域的一大进步。这种融合利用从各种监测模式（如ICP、脑血氧饱和度、脑电图和脑组织氧合）获得的综合数据，通过预测分析和决策支持系统改善患者治疗。机器学习算法可以分析来自 MMM 的庞大而复杂的数据集，识别人类分析可能无法察觉的模式和关联。通过这种方法，可以在临床症状明显之前预测关键事件，如继发性脑损伤、脑缺血或即将发生的癫痫发作。例如，充分使用 MMM 与先进的机器学习技术相结合，可以在脑疝综合症发生前数小时识别出脑疝综合症。神经网络、支持向量机和决策树等算法已被应用于神经监测数据，以预测结果并指导治疗干预。
Tas 等人研究了 MMM 在各种急性脑损伤成年患者中的应用，包括创伤性脑损伤、SAH、脑内出血、急性缺血性卒中和心脏骤停后缺氧缺血性脑损伤。该综述涵盖了2015年至2022年的研究，确定了112项MMM研究，强调了大多数研究中ICP监测与脑组织氧合PbtO2的主要结合。他们的分析表明，MMM 主要应用于 TBI 和 SAH 病例，研究的样本量中位数为 36 例患者，其中许多研究花费了 5 年多的时间才招募到参与者。研究分为观察性研究（68 项）和干预性研究（44 项），干预性研究又分为全身性干预、脑部干预和 MMM 引导下的干预。绝大多数（82%）以 MMM 为指导的干预研究将临床结果作为终点，其中 78% 的研究表明，以 MMM 为指导的干预能显著改善结果。本综述的主要局限性包括：仅由一位作者进行记录筛选，且未按照公认的 PRISMA 指南进行系统综述。
Schweingruber 等人使用递归机器学习模型进行了一项研究，以预测接受有创 ICP 监测的患者 ICP 的显著增加。该研究使用由 1346 名患者组成的机构队列（ICP-ICU）对模型进行了训练，并在两个公开数据集上对模型进行了外部验证：重症监护医疗信息集市（MIMIC，998 名患者）和急诊重症监护室合作研究数据库（eICU，1634 名患者）。这些模型旨在预测未来数小时内超过 2 小时的 ICP 升高 22 mmHg。研究评估了危急阶段前 24 小时内不同时间间隔的预测性能，发现时间间隔越长，性能越低。不过，即使在 24 小时内，模型也能表现出稳健的 AUC-ROC（ICP-ICU：0.826；MIMIC：0.836；eICU：0.779），而在较短的时间间隔内（1 小时 AUC-ROC：ICP-ICU：0.982；MIMIC：0.965；eICU：0.941），模型的 AUC-ROC 则更高。基于长短期记忆（LSTM）的机器学习模型可在稀疏的每小时数据上运行，并能处理输入长度可变和数据缺失的问题。研究还应用了基于梯度的特征重要性分析来揭示模型的决策过程，从而提高了模型的临床可解释性。研究结果表明，递归机器学习模型，尤其是基于 LSTM 的模型，可以成为预测 ICP 升高的有效工具，在神经重症监护领域具有很高的转化潜力。该研究涉及预测 ICP 随时间的变化，这本身就是一种顺序数据。LSTM 等递归模型旨在通过保持对先前输入的记忆来处理时间序列数据。这对于根据过去的趋势准确预测未来事件至关重要。它们可以处理数据收集中的不一致性，这在临床环境中很常见。鉴于其复杂性，存在对训练数据过度拟合的风险，这会降低模型在新的未见数据上的性能。
MASTER-TBI 项目是一项多中心纵向队列研究，采用新型混合云平台和数据科学技术，收集和分析在澳大利亚三家创伤重症监护室接受 ICP 监测和 ICM+® (Cambridge Enterprise) 神经监测的中重度 TBI (m-sTBI) 患者的数据。合作采用混合云平台进行数据存储和管理。混合云平台将企业内部基础设施（或私有云）与公共云相结合，可灵活、可扩展且更安全地处理数据。这在医疗保健环境中尤其有用，因为在这些环境中会产生大量敏感数据，需要在遵守数据保护法规的同时高效处理这些数据。采集用于分析的数据包括病理生理事件、手术干预、住院时间和重症监护室住院时间、患者出院状态以及格拉斯哥结果评分扩展（如果有）6 个月。该研究强调了在MASTER-TBI合作项目中开发以数据科学为基础的系统和技术，目的是最大限度地利用高分辨率m-sTBI患者神经监测数据。据介绍，所开发的系统具有创新性和世界一流水平，有可能显著改善 m-sTBI 患者的护理和治疗效果。
结论
将神经物理原理（包括脑血流动力学和能量学）、MMM 和使用机器学习算法的高级数据科学分析整合在一起，为神经重症监护领域提供了一个前景广阔的交叉点。未来还将取得更多进展，包括评估 ICP、脑氧饱和度和体温的三腔颅内监护仪，以及同步 PbtO2-EEG、NIRS-EEG 和逆行透析。将这些工具与先进的机器学习模型结合使用，可以改善重症监护室内的预测建模。例如，在 SAH 发生前数小时或数天对颅内高压、相关脑疝综合征和延迟性脑缺血进行估计。此外，更好地了解急性脑损伤的潜在脑生理学将为治疗提供更多的途径。因此，神经内科医生的角色正在从神经预后者转变为神经保护者。然而，继续推进我们的技术和方法以进一步提高我们对神经重症监护病房的脑生理学和患者治疗的理解是至关重要的。
来源：Srichawla BS. Future of neurocritical care: Integrating neurophysics, multimodal monitoring, and machine learning. World J Crit Care Med 2024; 13(2): 91397 [DOI: 10.5492/wjccm.v13.i2.91397]
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