婴幼儿体外循环中动静脉血气分析参数对术后急性肾损伤的评估价值分析

Value of arterial and venous blood gas parameters during cardiopulmonary bypass in evaluating postoperative acute kidney injury in infants

摘要

目的 探讨婴幼儿体外循环中动静脉血气分析参数对术后急性肾损伤（PO-AKI）的评估价值。 方法 选取2022年6月—2024年6月于徐州医科大学附属徐州儿童医院的进行心脏手术的108例婴幼儿作为研究对象。所有患儿在体外循环下接受手术，且接受动静脉血气分析，术后依据改良儿童肾脏疾病风险分级诊断标准，将患儿分为PO-AKI组和非PO-AKI组，比较两组患儿临床相关资料，分析动静脉血气分析参数对患儿PO-AKI的评估价值。 结果 两组患儿性别构成、年龄、体重、美国麻醉医师学会分级、术前左室射血分数、术前血红蛋白、术前肺动脉高压占比和体外循环中最低血红蛋白水平比较，差异均无统计学意义（P >0.05）。PO-AKI组患儿体外循环时间、主动脉阻断时间均长于非PO-AKI组（P <0.05），阻断30 min 静脉-动脉二氧化碳分压差（Pv-aCO₂）、阻断30 min Pv-aCO₂/Pv-aCO₂与动静脉氧含量差（Ca-vO₂）、阻断45 min Pv-aCO₂和阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平均高于非PO-AKI组（P <0.05）。多因素一般Logistic回归分析结果显示：阻断30 min Pv-aCO₂水平高［O^R=2.447（95% CI：1.176，5.094）］、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平高［O^R=2.627（95% CI：2.627，5.566）］、阻断45 min Pv-aCO₂水平高［O^R=2.394（95% CI：1.102，5.203）］和阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平高［O^R=2.790（95% CI：1.254，6.207）］均为患儿心脏手术后发生PO-AKI的危险因素（P <0.05）。绘制受试者工作特征曲线分析结果显示，阻断30 min Pv-aCO₂评估的敏感性、特异性分别为85.71%（95% CI：0.791，0.923）、43.68%（95% CI：0.343，0.530）；阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂评估的敏感性、特异性分别为76.19%（95% CI：0.682，0.842）、74.71%（95% CI：0.665，0.829）；阻断45 min Pv-aCO₂评估的敏感性、特异性分别为85.71%（95% CI：0.791，0.923）、58.62%（95% CI：0.493，0.679）；阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂评估敏感性、特异性分别为57.14%（95% CI：0.478，0.665）、94.25%（95% CI：0.899，0.986）；联合评估的敏感性、特异性分别为80.95%（95% CI：0.735，0.884）、87.36%（95% CI：0.811，0.936）。阻断30 min Pv-aCO₂、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂的曲线下面积分别为0.637（95% CI：0.592，0.774）、0.817（95% CI：0.713，0.885），阻断45 min Pv-aCO₂、阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂的曲线下面积分别为0.724（95% CI：0.629，0.805）、0.765（95% CI：0.673，0.841），联合评估的曲线下面积为0.915（95% CI：0.845，0.960），高于其他单一评估。 结论 心脏手术中PO-AKI发婴幼儿体外循环中存在Pv-aCO₂、Pv-aCO₂/Ca-vO₂的升高表现，且上述参数指标为PO-AKI的影响因素，上述指标联合对婴幼儿心脏PO-AKI具有最佳的评估价值。

Abstract

Objective To analyze the value of arterial and venous blood gas parameters during cardiopulmonary bypass in evaluating postoperative acute kidney injury (PO-AKI) in infants. Methods A total of 108 infants who underwent cardiac surgery under cardiopulmonary bypass in our hospital between June 2022 and June 2024 were selected as the subjects. Arterial and venous blood gas analyses were performed. After surgery, the children were divided into the PO-AKI group and the non-PO-AKI group based on the modified risk classification criteria for pediatric kidney diseases. Relevant clinical characteristics of the two groups were compared, and the value of arterial and venous blood gas parameters in evaluating PO-AKI was analyzed. Results There were no statistically significant differences between the two groups in terms of sex distribution, age, body weight, American Society of Anesthesiologists (ASA) classification, preoperative left ventricular ejection fraction, preoperative hemoglobin level, proportion of pulmonary hypertension, or the lowest hemoglobin level during cardiopulmonary bypass (P > 0.05). The cardiopulmonary bypass time and aortic cross-clamp time were longer in the PO-AKI group than in the non-PO-AKI group (P < 0.05). At 30 minutes after aortic cross-clamping, the venous-arterial carbon dioxide partial pressure difference (Pv-aCO₂) and the ratio of Pv-aCO₂ to the arteriovenous oxygen difference (Ca-vO₂) were significantly higher in the PO-AKI group compared with the non-PO-AKI group (P < 0.05). Similarly, at 45 minutes after aortic cross-clamping, both Pv-aCO₂ and Pv-aCO₂/Ca-vO₂ were higher in the PO-AKI group (P < 0.05). Multivariable logistic regression analysis showed that higher Pv-aCO₂ at 30 minutes after aortic cross-clamping [O^R = 2.447 (95% CI: 1.176, 5.094) ], higher Pv-aCO₂/Ca-vO₂ at 30 minutes after aortic cross-clamping [O^R = 2.627 (95% CI: 1.239, 5.566) ], higher Pv-aCO₂ level at 45 minutes [O^R = 2.394 (95% CI: 1.102, 5.203) ], and higher Pv-aCO₂/Ca-vO₂ ratio at 45 minutes [O^R = 2.790 (95% CI: 1.254, 6.207) ] were all independent risk factors for postoperative acute kidney injury (PO-AKI) in children after cardiac surgery (P < 0.05). Receiver operating characteristic (ROC) curve analysis showed that the sensitivity and specificity of Pv-aCO₂ at 30 minutes after aortic cross-clamping were 85.71% (95% CI: 0.791, 0.923) and 43.68% (95% CI: 0.343, 0.530), respectively; those of Pv-aCO₂/Ca-vO₂ at 30 minutes after aortic cross-clamping were 76.19% (95% CI: 0.682, 0.842) and 74.71% (95% CI: 0.665, 0.829); those of Pv-aCO₂ at 45 minutes after aortic cross-clamping were 85.71% (95% CI: 0.791, 0.923) and 58.62% (95% CI: 0.493, 0.679); and those of Pv-aCO₂/Ca-vO₂ at 45 minutes after aortic cross-clamping were 57.14% (95% CI: 0.478, 0.665) and 94.25% (95% CI: 0.899, 0.986). Combined evaluation yielded a sensitivity of 80.95% (95% CI: 0.735, 0.884) and specificity of 87.36% (95% CI: 0.811, 0.936). The areas under the ROC curves (AUCs) for Pv-aCO₂ and Pv-aCO₂/Ca-vO₂ at 30 minutes after aortic cross-clamping were 0.637 (95% CI: 0.592, 0.774) and 0.817 (95% CI: 0.713, 0.885); those at 45 minutes after aortic cross-clamping were 0.724 (95% CI: 0.629, 0.805) and 0.765 (95% CI: 0.673, 0.841), respectively. The combined evaluation achieved the highest AUC of 0.915 (95% CI: 0.845, 0.960), outperforming each single indicator. Conclusion Pv-aCO₂ and Pv-aCO₂/Ca-vO₂ are increased during cardiopulmonary bypass in infants with PO-AKI. Both parameters are significant risk factors for PO-AKI, and their combined assessment provides the highest predictive value for evaluating PO-AKI in infants undergoing cardiac surgery.

Graphical abstract

关键词

术后急性肾损伤 / 心脏手术 / 婴幼儿体外循环 / 动静脉血气分析参数 / 儿童肾脏疾病风险分级 / 评估

Key words

postoperative acute kidney injury / cardiac surgery / infant cardiopulmonary bypass / arterial and venous blood gas parameters / risk classification for pediatric kidney diseases / evaluation

急性肾损伤（acute kidney injury, AKI）是临床常见的高死亡风险的危重症，其病因较多且机制复杂，具有发病率高、危害大等特点^[1]。研究显示，AKI相较于常规人群具有更高的慢性肾脏病、尿毒症及心血管事件等发生风险，不仅增加了医疗成本，也为患者带来较重的身心负担^[2]。术后急性肾损伤（post-operative acute kidney injury, PO-AKI）是临床心脏外科手术常见的术后并发症，与患者短期手术并发症及不良结局密切相关^[3]。由于婴幼儿机体器官发育不全，因此婴幼儿心脏直视手术往往在体外循环下进行。而体外循环期间由于肾脏灌注及氧供给较低，可导致患儿具有较高的PO-AKI风险^[4]。资料显示，在婴幼儿心脏手术中，PO-AKI发生率> 40%，对婴幼儿预后具有较大影响^[5]。因此针对行心脏手术的婴幼儿进行PO-AKI相关的评估与预测，对患儿预后的改善具有重要意义。动静脉血气分析参数可良好反映机体代谢情况，在检测组织器官缺氧方面发挥良好价值。而其中常规乳酸、血氧饱和度等指标在反映组织缺氧方面具有一定价值，但在敏感性、全面性等方面存在不足。例如，乳酸水平受多种因素影响，包括肝肾功能、组织灌注和细胞代谢状态等，因此其变化可能并不完全反映肾脏的缺氧或损伤情况。而血氧饱和度虽然能反映全身氧合状态，但对于局部组织，特别是肾脏的缺氧情况，其指示作用有限^[6]。近年来，有研究采用二氧化碳CO₂评估相关衍生参数对组织器官缺氧情况，发现静脉-动脉二氧化碳分压差（venous-arterial carbon dioxide partial pressure difference, Pv-aCO₂）、Pv-aCO₂与动静脉氧含量差（arteriovenous oxygen difference, Ca-vO₂）的比值和重症ICU患者心脏术后的不良结局存在关联^[7]。而目前临床关于上述动静脉血气分析参数与婴幼儿心脏手术发生PO-AKI的具体关联的研究少见。鉴于此，本研究选取108例行心脏直视手术患儿，分析其动静脉血气分析参数与PO-AKI的关联，现报道如下。

1 资料与方法

1.1　一般资料

选取2022年6月—2024年6月于徐州医科大学附属徐州儿童医院的进行心脏手术的108例婴幼儿作为研究对象。纳入标准：①在本院进行体外循环下心脏直视手术；②年龄≤ 3岁；③美国麻醉医师学会（New York Heart Association, NYHA）分级Ⅰ～Ⅲ级；④术前患儿肾功能正常；⑤临床相关资料完整；⑥患儿家属知情同意。排除标准：①非首次心脏手术；②合并脓毒症等活动性感染；③术前使用造影剂、肾脏毒性等药物；④慢性肾病。本研究经医院医学伦理委员会审批通过（No：2024-05-16-H16）。

1.2　方法

1.2.1　临床资料收集

收集所有患儿年龄、性别、体重、NYHA分级、心功能指标、术前血红蛋白、术前肺动脉高压、体外循环时间、主动脉阻断时间等。

1.2.2　动静脉血气分析参数

采用ST2000血气分析仪（武汉明德生物科技股份有限公司）采集患儿在体外循环期间主动脉阻断30 min和45 min的动脉、静脉血气，采样时间间隔< 10 min，由于阻断时间>90 min患儿较少因此不纳入分析。测定动静脉二氧化碳分压、动静脉氧分压、动静脉氧饱和度、血红蛋白，并依据参考文献[8]中的公式计算Pv-aCO₂及Ca-vO₂，Pv-aCO₂（mmHg）=静脉二氧化碳分压（mmHg）-动脉二氧化碳分压（mmHg），Ca-vO₂（mL/dL）=动脉氧饱和度（%）×术前血红蛋白（g/dL）×1.36+0.003 1×动脉氧分压（mmHg）-静脉氧饱和度（%）×术前血红蛋白（g/dL）×1.36+0.003 1×静脉氧分压（mmHg）。并计算Pv-aCO₂/Ca-vO₂，结果取平均值。

1.2.3　AKI诊断标准

术后5 d，采用改良儿童肾脏疾病风险分级诊断标准^[9]评估肾脏损伤程度，将患儿分为PO-AKI组和非PO-AKI组。

1.3　统计学方法

数据分析采用SPSS 25.0软件分析数据。计数资料以构成比或率（%）表示，比较用χ²检验；计量资料以均数±标准差（$\bar{x} \pm s$）表示，比较用t检验；影响因素的分析用多因素一般Logistic回归模型；绘制受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲线。P <0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1　患儿一般资料

男性56例、女性52例；年龄1个月～3岁，平均（14.16±4.13）个月；体重7.2～16 kg，平均（11.45±3.14）kg；NYHA分级Ⅰ、Ⅱ级85例、Ⅲ级23例。发生术后AKI的患儿21例（19.44%）作为PO-AKI组，其中危险期14例（12.96%），损伤期7例（6.48%），未发生AKI的患儿87例（80.56%）作为非PO-AKI组。

2.2　两组患儿临床资料比较

两组患儿性别构成、年龄、体重、NYHA分级、术前左室射血分数、术前血红蛋白、术前肺动脉高压占比和体外循环中最低血红蛋白水平比较，经χ² / t 检验，差异均无统计学意义（P >0.05）。两组患儿体外循环时间、主动脉阻断时间、阻断30 min Pv-aCO₂水平、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平、阻断45 min Pv-aCO₂水平和阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平比较，经t 检验，差异均有统计学意义（P <0.05）；PO-AKI组患儿体外循环时间、主动脉阻断时间均长于非PO-AKI组，阻断30 min Pv-aCO₂、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂、阻断45 min Pv-aCO₂和阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平均高于非PO-AKI组。见表1。

2.3　影响患儿心脏手术后发生PO-AKI的多因素一般Logistic回归分析

以患儿心脏手术PO-AKI发生情况（未发生=0，发生=1）为因变量，以体外循环时间（实测值）、主动脉阻断时间（实测值）、阻断30 min Pv-aCO₂（实测值）、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂（实测值）、阻断45 min Pv-aCO₂（实测值）、阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂（实测值）为自变量，进行多因素一般Logistic回归分析，结果显示：阻断30 min Pv-aCO₂水平高[O^R=2.447（95% CI：1.176，5.094）]、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平高[O^R=2.627（95% CI：2.627，5.566）]、阻断45 min Pv-aCO₂水平高[O^R=2.394（95% CI：1.102，5.203）]和阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂水平高[O^R=2.790（95% CI：1.254，6.207）]均为患儿心脏手术后发生PO-AKI的危险因素（P <0.05）。见表2。

2.4　动静脉血气分析参数对患儿心脏手术PO-AKI的评估效能

经ROC曲线分析显示，阻断30 min Pv-aCO₂评估的敏感性、特异性分别为85.71%（95% CI：0.791，0.923）、43.68%（95% CI：0.343，0.530）；阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂评估的敏感性、特异性分别为76.19%（95% CI：0.682，0.842）、74.71%（95% CI：0.665，0.829）；阻断45 min Pv-aCO₂评估的敏感性、特异性分别为85.71%（95% CI：0.791，0.923）、58.62%（95% CI：0.493，0.679）；阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂评估敏感性、特异性分别为57.14%（95% CI：0.4781，0.665）、94.25%（95% CI：0.899，0.986）；联合评估的敏感性、特异性为80.95%（95% CI：0.735，0.884）、87.36%（95% CI：0.811，0.936）。阻断30 min Pv-aCO₂、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂的曲线下面积分别为0.637（95% CI：0.592，0.774）、0.817（95% CI：0.713，0.885），阻断45 min Pv-aCO₂、阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂的曲线下面积分别为0.724（95% CI：0.629，0.805）、0.765（95% CI：0.673，0.841），联合评估的曲线下面积为0.915（95% CI：0.845，0.960），高于其他单一评估。见表3和图1。

3 讨论

AKI代表一组临床综合征，患者表现为短时间内肾功能急剧下降，体内存在代谢废物残留，伴有水、电解质紊乱等现象^[10]。体外循环为婴幼儿大型手术的重要措施，而术中由于患儿肾脏发育尚不完全，且心脏病变结构较为复杂，因此患儿在体外循环下的手术中极易出现PO-AKI，增加临床治疗难度，导致患儿出现预后不佳^[11]。因此早期诊断评估PO-AKI对降低其发生率以及病死率具有重要意义。

本研究结果显示，两组患儿在体外循环时间、主动脉阻断时间上存在明显差异；这一结果可能由于在长时间的体外循环中，婴幼儿肾脏发育不成熟，因此机体抵抗缺血缺氧损伤，抵抗体外循环带来的炎症反应能力不足有关^[12]。此外还本研究还显示，PO-AKI组阻断30 min和阻断45 min的Pv-aCO₂和Pv-aCO₂/Ca-vO₂均高于非PO-AKI组；提示患儿发生PO-AKI后，其动静脉血气可发生变化，在体外循环供氧的前提下，机体仍然可出现无氧代谢情况；分析上述原因，在体外循环中虽然有人工进行气体交换，但在复温期间仍然易出现无氧代谢、低灌注低氧现象^[13]；当机体出现无氧代谢时，酸性代谢产物可通过碳酸氢根离子缓冲产生CO₂，进而肺血流灌注减少，同期血流失调，肺部对CO₂清除能力降低，出现静脉血CO₂堆积，导致Pv-aCO₂增加，因此导致Pv-aCO₂/Ca-vO₂数值增加^[14-16]。本研究多因素一般Logistc回归分析结果显示，阻断30 min和阻断45 min的Pv-aCO₂和Pv-aCO₂/Ca-vO₂均为患儿心脏手术后PO-AKI发生的影响因素；这一结果也进一步证实了上述结论。由于动静脉血气指标与患儿PO-AKI的良好相关性，进一步分析其对PO-AKI的评估效能发现，ROC曲线分析显示联合评估与阻断30 min Pv-aCO₂、阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂和阻断45 min Pv-aCO₂敏感性（95% CI）存在重叠，同时联合评估与阻断30 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂和阻断45 min Pv-aCO₂/Ca-vO₂的特异性（95% CI）也存在重叠，但阻断30 min Pv-aCO₂和Pv-aCO₂/Ca-vO₂评估的曲线下面积分别为0.637、0.817，阻断45 min Pv-aCO₂和Pv-aCO₂/Ca-vO₂评估的曲线下面积分别为0.724、0.765；联合评估的曲线下面积为0.915，提示虽然联合评估的曲线下面积显著大于单个指标，但在敏感性和特异性的具体数值上，联合评估并不总是显著高于所有单个指标。然而，联合评估在整体评估性能上仍然表现出色，其曲线下面积最大，表明其在预测PO-AKI方面具有较高的准确性；分析上述原因，在不同的肾脏单位供血不均衡，因此在有氧或者无氧的条件下，能量底物对通路的利用不同，具有不同的缺血缺氧损伤敏感性^[17-19]；一般的宏观血流动力学指标无法排除局部肾组织的灌注不足现象，而氧分压相关指标也无法准确排除其他因素所致氧利用率低的现象^[20-21]。Pv-aCO₂反映了机体无氧代谢的增加，当组织缺氧时，无氧酵解产生大量乳酸，并通过缓冲系统产生CO₂，导致静脉血中二氧化碳分压升高^[22-23]。Pv-aCO₂/Ca-vO₂则进一步考虑了氧消耗与CO₂产生之间的平衡关系，能够更全面地反映组织的代谢状态^[24-25]。相比常规的血氧饱和度、乳酸等指标，Pv-aCO₂与Pv-aCO₂/Ca-vO₂能够更直接地反映肾脏的无氧代谢和灌注状态，且受其他因素影响较小，因此具有良好的评估价值。

综上所述，婴幼儿进行心脏手术后具有较高的PO-AKI发生率，并存在Pv-aCO₂、及Pv-aCO₂/Ca-vO₂表达升高，且上述动静脉分析参数与患儿PO-AKI的发生存在关联，上述指标单独与联合均可用于临床对婴幼儿术后AKI进行良好预测与评估，为临床治疗提供参考。

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基金资助

江苏省卫生健康委医学科研项目(M2023223)

徐州市儿童医院2023年度科研立项项目(23040402)