近红外研究：住院医生的神经特征与手术期间的抗压能力的关系

    术中应激源可能加重认知负荷，导致医生的表现下降，威胁患者的生命安全。然而，并不是所有的外科医生都能很好地应对压力，为此，英国伦敦帝国理工学院外科和癌症学系的Modi,Singh, Athanasiou, Darzi, Leff等人在JAMA Surgery（IF=10.668)杂志发文，对此进行研究，发现在高认知需求下，导致个体表现稳定还是表现下降可能是由大脑中与注意力和注意力相关区域的激活差异造成的，如前额叶皮层(PFC)。

    目的：

   比较在时间压力下表现稳定的外科医生与压力相关的表现下降的外科医生之间的PFC激活情况。

   研究设计：2015年7月至2016年9月在英国帝国理工学院医疗保健国民健康服务信托进行的队列研究。邀请了102名外科住院医生(研究生1年级及以上)参加，其中33人同意参加。

    实施：参与者在两种情况下进行腹腔镜缝合任务：无时间压力(SP：self-paced)、有时间压力(TP：time pressure，每节限时2分钟)。

    主要测量内容：综合恶化评分是根据任务表现指标(任务进展评分、错误得分、泄漏量和结抗拉强度)的条件差异计算的。在综合评分的基础上，计算了反映表现稳定（quartile 1 [Q1]）和下降（quartile 4 [Q4]）的四分位数。比较了功能近红外光谱法测定的24个不同部位PFC氧合血红蛋白浓度(HbO2)在Q1和Q4间的变化。次要结果包括主观工作量(手术任务负荷指数Surgical Task Load Index)和心率HR。

   结果：

   33名参与者的中位年龄为33岁，范围为29至56岁，其中27人为男性(82%)。在SP组和TP条件下，Q1被试的HbO2在双侧腹外侧PFC(VLPFC,腹外侧前额叶)和右侧背外侧前额叶(DLPFC)中均表现出任务诱发的升高。相比之下，Q4被试在两种情况下HbO2都有所下降。在SP和TP条件下，Q1的PFC的激活(HbO2的变化)都显著大于Q4。在两种情况下，手术负荷指数和心率在组间无显著差异。

    结论：TP（有时间压力）条件下个体的表现稳定与持续的前额叶激活有关，这表明注意力集中，而表现下降则与前额叶失活有关，这可能代表任务脱离。

    1前言

   许多研究发现压力和疲劳是导致医疗事故的原因。手术本身就有压力，当苛刻的操作条件导致医生表现变差时，病人的安全可能会受到威胁。相反，抗压能力，即在面对不断升级的认知需求时保持表现良好的能力，应该是一个好的外科医生的基本属性。

   虚拟手术室中的高保真度危机模拟使技术和沟通技能得到了客观的评估。不幸的是，虚拟手术室危机模拟从根本上无法定义操作人员的压力敏感性或弹性，因为它们缺乏基本的性能评估。定义压力敏感性或其对应物(弹性)需要测量个体的绩效梯度，而不是在队列水平上比较绝对绩效数据。因此，虽然获得了给定压力下对技术性能的影响的评估，但是失去了压力敏感性的个体水平差异。可靠的区别抗压住院医师和抗压能力差的住院医师可能会影响毕业生的资格认证、手术选择和有针对性的压力范围干预。

    性能梯度本身并不能解释为什么某些接受过类似训练的住院医师能够应付，而另一些人却因为心理需求而失败。对这些医师间差异的解释可能在于中枢神经系统的变化。观察到的中枢神经系统处理过程的差异可能导致了对工作量和压力的反应的差异。大脑的前额叶皮层(PFC)对注意力、注意力的集中和目标导向行为的调节很重要，它最初与认知负荷成线性关系，但在过度的负荷下会减弱。尽管有几项研究对外科医生的大脑功能进行了调查，但很少有研究明确指出压力如何导致的认知能力的改变，因此，是否在外科医生的其他领域中也发现了类似的与压力相关的PFC激活变化仍然未知。

    我们试图通过构建在不同时间要求下腹腔镜缝合手术住院医师的性能梯度来解决这个主要的研究空白。将在时间限制下表现明显变差的医生与表现稳定的医生进行PFC反应对比。我们假设，在时间压力下腹腔镜稳定的表现能力与持续的显著的前额叶激活有关，这意味着保持了注意力和注意力的集中，而显著的表现下降表现为前额叶的激活衰减，意味着任务的脱离。

   2方法

   2.1被试

   经伦敦研究伦理委员会批准，33名外科住院医生(年龄中位数33岁；范围29-56岁；27名男性（82%））在普通外科住院医师培训项目(研究生[PGY]1年及以上)中，写了书面知情同意书来参加研究。研究人员对参与者进行了利手性和神经精神疾病的筛查，并要求他们在参与之前24小时内戒除酒精和咖啡因的摄入。

    2.2任务范式和实验设计

   参与者要在SP（无时间压力）、TP（有时间限制）条件进行腹腔镜缝合手术。在TP条件下，任务完成时间限制为2分钟，因为它反映了腹腔镜手术熟练时间的基础，即在体内打结(112秒)。对于每种情况，参与者打5个结，中间会休息30秒。每个参与者先执行哪个条件(SP或TP)是随机分配的，使用的是抛硬币的技术（高科技！），以最小化任务时间效应的混淆。

    2.3功能脑成像

   功能性近红外光谱技术是一种无创的功能性神经成像技术，通过测量皮层对近红外光的吸收来估计局部氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白的浓度变化。描述脑激活的血流动力学反应包括任务诱发的HbO2升高和较低幅度的脱氧血红蛋白降低。采用ETG-4000系统，24个前额叶位置(通道)，根据国际10-5系统定义空间位置（见eFigure1）。探头由同一名研究者放置在每个参与者的头上，然后给参与者10分钟的热身时间，让他们熟悉手术箱子训练器，并习惯所戴光极帽子。实验在热身之后立即开始。

eFigure1 近红外光发射器(红色)和探测器(蓝色)的位置与国际10-5光电定位系统(通道用黑色标记)对齐。

2.4主观工作量和生理压力

主观工作量采用手术任务负荷指标(SURG-TLX，Surgical Task Load Index )进行评估。无线监视器连续记录心率(HR)。HR的变化从静息到任务（ΔHR）的计算是：

   2.5技术性能考核及综合恶化评分

   如前所述，使用任务进展评分、错误评分、泄漏量(毫升)和打结抗拉强度对22项技术性能进行了评估。对每个参与者，计算性能指标的条件间差异。这些差异随后被标准化(0到1)，公式为：

    得分1表示从SP到TP条件的性能下降最小，而0表示性能下降最大。为了计算每个参与者的综合性能恶化评分，计算所有性能指标的标准化后的性能恶化的加权平均值，公式为：

    根据24名主治外科医生的调查反馈，为每个指标分配权重(任务进展评分=30%；错误分数=25%；泄漏量=20%；结的抗拉强度=25%)。参与者根据综合表现恶化评分进行排名，并对大脑功能进行分析，以比较Q1和Q4四分位数的反应。

    2.6数据处理和统计分析

   用SPSS23.0统计分析。p值小于0.05认为显著，都是双尾检验。

   2.6.1压力和工作负荷量

   对每个组(Q1和Q4)，配对样本t检验比较SURG-TLX分数在不同条件（SP，TP）间的差异来确定两分钟时间限制能否创造一种紧迫感，威尔尼克符号秩次检验统计了条件间ΔHR变化来建立皮层血液动力学信号是否受到系统性压力反应的变化的影响。对每个条件（SP无时间压力，TP有时间压力），独立样本t检验比较SURG-TLX得分在Q1和Q4之间的差异，而曼惠特尼U检验比较ΔHR。

   2.6.2功能影像数据分析

   功能性神经成像数据使用基于matlab的工具箱(HOMER2)处理，样条插值和Savitzky-Golay滤波技术来进行动作伪迹校正。一名参与者由于所有通道的噪声过大而被排除在分析之外。

    2.6.3通道激活的识别

   对于每个四分位和条件，对任务开始前10秒(HbO2-rest)的平均作为基线值和任务开始后60秒(HbO2-task)的平均值进行配对样本t检验来确定通道激活。HbO2升高有统计学意义(P< 0.05)，认为这个通道为激活通道，HbO2显著降低的通道为失活通道。

   2.6.4激活反应的比较

   对于每一个通道，都要计算一个ΔHbO2(定义为HbO2-task- HbO2-rest)。对于每一个四分位数，配对t检验比较每个通道的ΔHbO2。类似地，对于某个实验条件下的某个通道，Q1和Q2的ΔHbO2统计用独立样本t检验。

    2.6.5一般线性模型

   为提取腹腔镜缝合术中诱发脑反应(HbO2浓度变化)，根据刺激时间和刺激条件设计了boxcar函数。诱发响应的线性模型为Y= Xβ，其中X是设计矩阵，β是大脑活动的大小的估计。用连续高斯函数估计GLM，用线性最小二乘法估计各函数的权值。使用一个简单的boxcar来估计预期的响应。利用三维数字定位（很重要）仪获取近红外光发射器和探测器的笛卡尔坐标，并与Colin27的磁共振成像脑atlas配准，基于标准的10-5系统。利用AtlasViewer工具箱进行前额氧合变化的解剖学叠加。

    3结果

   3.1组内比较

   在每组内（Q1，Q4），主观工作量，性能和功能数据在SP和TP之间进行比较（eFigures2 and 3）。在表现恶化和专业知识之间没有显著的联系（p=0.017）。

eFigure 2 组内HbO2浓度峰值时间与HbO2浓度最低点时间的比较。

HbO2浓度先达到峰值再达到最低点的通道用橙色表示(即激活反应)，而HbO2浓度先达到最低点再达到峰值的通道用蓝色表示(即失活反应)。从高峰到低谷有显著差异(p<0.05,Wilcoxon符号秩次检验)的通道用黑色圆圈表示。在Q1组中，在TP条件下，双侧VLPFC和右侧DLPFC到达HbO2峰值的时间短于到达最低点(激活)的时间。在Q4组中，在SP条件下，双侧VLPFC到达HbO2峰值的时间比到达最低点(失活)的时间长，在TP条件下，双侧VLPFC和右侧DLPFC到达HbO2峰值的时间比到达最低点(失活)的时间长。图中描述了每个组HbO2峰值和HbO2最低点之间的时间关系的时间进程。

eFigure 3 组间HbO2浓度峰值时间与HbO2浓度最低点时间的比较。

（a）比较组间到达HbO2峰值的中位数时间。HbO2浓度峰值在Q1比Q4早的通道用橙色表示，HbO2浓度峰值在Q4比Q1早的通道用蓝色表示。两组中到达峰值的时间相同的通道用白色表示。

（b）比较组间到达HbO2最低点的中位数时间。HbO2浓度在Q4比Q1早到达最低点的通道用橙色表示，HbO2浓度在Q1比Q4早到达最低点的通道用蓝色表示。组间在到达峰值或到达最低点的时间上有显著差异的通道用黑色圆圈表示。

Figure1 从SP到TP状态中，参与者水平的表现的变化情况。初级医生(研究生一至二年级；红色)、中级医生(研究生三至四年级；橙色)、高级医生(研究生五年级或以上；蓝色)。在所有的专家组中，表现的下降都很明显，并且在表现的恶化程度和训练水平之间没有统计学上显著的联系（p=0.17）。

3.1.1主观工作量和心率

在Q1和Q4中，TP（有时间压力）组的主观工作量明显大于SP（无时间压力）组（表1）。ΔHR无任何显著差异（表1）。

表1 SURG-TLX 得分，HR和ΔHbO2。

3.1.2前额叶激活情况

在Q1中，在SP条件下，HbO2在位于双侧VLPFC和右侧DLPFC的通道中显著升高，在TP条件下，位于双侧VLPFC的通道中显著升高（eTables2和3）。在Q4中，任务诱发的HbO2在两种情况下均有所下降，尤其是在TP条件下位于双侧VLPFC和左侧背内侧PFC的通道中（eTables4和5）。在Q1中，ΔHbO2在TP中显著大于SP的有24通道中的9个（通道2- 5、8、13- 15和17），而SP大于TP的有24通道中的15个（1、6、7、9- 12，16和18- 24）。在Q4中，ΔHbO2在TP中显著大于SP的有24通道中11个(通道1- 3、5、6、8、17-19，21，22），ΔHbO2在SP中显著大于TP的有24通道中的13个(通道4、7、9-16，20，23，和24)（eTables6和7）。

eTABLE 2  Q1组的SP条件下各通道皮层血流动力学的变化

eTABLE 3  Q1组的TP条件下各通道皮层血流动力学的变化

eTABLE 4  Q4组的SP条件下各通道皮层血流动力学的变化

eTABLE 5  Q4组的TP条件下各通道皮层血流动力学的变化

eTABLE 6  Q1组的每个通道下的条件间的ΔHbO2情况

eTABLE 7 Q4组的每个通道下的条件间的ΔHbO2情况

3.2组间比较

3.2.1主观工作量和心率

在每个实验条件下（SP，TP），比较Q1组和Q4组的主观工作量、性能和近红外数据。无论何种实验条件，Q1和Q4的平均SURG-TLX得分无显著差异（表1）。在ΔHR上，Q1和Q4在每个条件上都无差异。此外，从SP到TP条件的ΔHR也无组间差异。

3.2.2前额叶激活情况

SP的条件下，在双侧VLPFC，Q1的ΔHbO2反应显著大于Q4（Figure2A）。同样，在TP条件下，在双侧VLPFC和左侧腹内侧PFC，Q1的ΔHbO2反应显著大于Q4（Figure2B）。

Figure 2 Q1和Q4的通道激活情况。

（A）是在条件SP下的前额叶ΔHbO2的组间差异，

（B）是TP条件。在SP条件下，Q1在双侧腹外侧前额叶皮层8个通道的激活明显大于Q4，在TP条件下，Q1在双侧腹外侧前额叶皮层和左侧背内侧前额叶皮层10个通道的激活明显大于Q4。误差棒表示95%置信区间。

   3.2.3一般线性模型

   在两种实验条件下，任务诱发的Q1的HbO2的变化情况均为HbO2浓度先升高后稳定下降（eFigures4 and 5）。相反，在Q4中，HbO2浓度在开始时下降，然后逐渐上升到基线（eFigures4 and 5）。一般线性模型反映了这些结果，尤其是在TP条件下，Q1的双侧DLPFC和VLPFC普遍显著激活，Q4失活（Figure3）。

 

eFigure 4 在SP条件下Q1和Q4个别通道氧合血红蛋白的变化时间进程。

(a)左侧腹外侧PFC，

(b)右侧腹外侧PFC，

(c)右侧背外侧PFC。误差条表示标准差。

eFigure 5。在TP条件下Q1和Q4个别通道氧合血红蛋白的变化的时间进程。

(a)左侧腹外侧PFC，

(b)右侧腹外侧PFC，

(c)右侧背外侧PFC。误差条表示标准误。

Figure 3 Q1和Q4的激活和失活情况。TP（有时间压力）条件下Q1、Q4组平均氧合血红蛋白浓度(HbO2)的变化。图上显示的浓度变化是在刺激开始后10~ 50秒内取平均值。颜色条表示浓度变化的大小(以微摩尔计)。使用标准的EEG10-5系统在Colin27头部模型上来固定探头的解剖学配准。

   4讨论

   据我们所知，这是第一个揭示外科医生大脑对时间压力的不同反应的研究。研究结果强调了前额叶反应模式在时间和空间上的巨大差异随着压力应对能力的不同而不同。有趣的是，压力敏感性和性能下降与研究生几年的培训和/或操作员的等级无关。此外，传统的生理压力的测量(ΔHR)和主观工作负载指数(SURG-TLX)在表现好和不好的医生之间无显著差异。相反，在时间压力下表现稳定的特征是前额叶的反应在空间上更广泛，振幅更大，其时间特征与典型的血流动力学反应函数(HRF)更接近。相反，典型的应激敏感性和预示性能下降的神经影像学特征包括低振幅反应、皮层氧合变化显著减少，以及响应的时间特征遵循倒置的HRF。

    4.1表现稳定和大脑激活

   适应性强的个体表现出典型的激活反应，包括HbO2浓度的初始增加和随后的下降。SP组双侧VLPFC(腹外侧前额叶)和右侧DLPFC(背外侧前额叶)最明显，TP组双侧VLPFC最明显。此外，与适应性差的医生相比，在SP条件下的双侧VLPFC和右侧DLPFC，在TP条件下双侧VLPFC和左侧腹内侧DLPFC的医生有平均更高的0.6μm的ΔHbO2值（表1）。在TP（有时间压力）条件下持续的VLPFC激活意味着在任务执行过程中保持注意力控制和警戒的能力，其结果是在压力下提高了任务的参与度和技术性能的稳定性。

    4.2表现下降和大脑失活

   对压力高度敏感的医生表现出一种倒置的HRF，包括一开始的任务导致的HbO2浓度下降，随后较低的振幅增加。虽然在SP中观察到倒置的HRF响应，但是在TP下，它们更容易被检测到，并且跨越更广泛的分布的VLPFC和DLPFC网络。倒置HRF反应称为失活；在其他涉及TP和负反馈的实验中，以及在压力工作记忆任务、金钱奖励延迟任务、电子游戏任务的DLPFC中，都观察到了VLPFC的失活。 4.3认知过程和心理模型

   心理、认知和生理机制可以解释为什么有弹性和压力敏感的医生位于激活-失活连续体的两端。自上而下的运动行为控制依赖于最佳的执行功能，如PFC。但是，可以根据PFC的解剖结构进一步的细化其功能。例如，DLPFC对运动规划，决策，注意力都很重要，而VLPFC对警觉性，对环境干扰的抵抗，对注意力控制很重要。当住院医生面临时间压力(如术中出血)时，VLPFC(腹外侧PFC)和DLPFC(背外侧前额叶）的联合作用将促进运动任务的成功(如止血)。相反，在适应性最差的医生中观察到的失活可能代表认知超载，在这种情况下，执行控制被打乱，从而损害了技术性能。与任务无关的想法和对失败的担忧可能会分散注意力，导致认知投入的减少、前额叶失活和表现下降。的确，注意力分散-冲突模型表明，注意力资源被转移到与任务无关的线索上，会导致个体因受到压力而表现下降。表现不佳的医生可能被时间压力最大程度地分散了注意力，导致注意力不集中、PFC失活。

    4.4全身压力和激素反应

   在紧张的情况下，从脑干神经元投射到前额突触的活动由于抑制去甲肾上腺素优先绑定α-1和β受体。这是由于激活了下丘脑-垂体-肾上腺轴，导致更大的糖皮质激素释放而加剧的。压力、激素释放和PFC激活之间复杂的相互作用得到了其他研究的支持，在这些研究中，唾液皮质醇对压力的反应与PFC激活减少有关。虽然没有测量唾液皮质醇，但目前的失活可能是由于激素介导的PFC功能抑制，导致在压力下执行任务时注意力控制较差。

    4.5主观的工作量

   无论压力应对能力或绩效不稳定的程度如何，主观工作量在时间需求下显著增加，表明2分钟的时间限制带来了真正的时间紧迫感。有趣的是，研究发现，认知负荷的增加会导致PFC血流动力学变化的逐步增加，直到一个关键的工作负荷阈值，超过这个阈值，皮质氧合就会下降，表现就会下降。我们之前的研究表明，无论年资高低，所有住院医师在急性时间需求下都存在一定程度的绩效下降和PFC衰减，说明突然增加的工作量很难与PFC血流动力学变化相匹配。关键的是，我们在这里通过证明PFC衰减的大小反映了压力敏感性来扩展这些发现。

    4.6专业知识对压力敏感性的影响

   虽然所有住院医师在TP条件下表现出绝对绩效的下降，但我们并未观察到住院医师年资与绩效下降的程度之间的关系，这表明应对术中时间压力的能力并不仅仅是经验或工作时间的函数。然而，认知训练是否能改善这些个体差异的影响仍是未知的。外科社区已经引入了团队合作和态势感知的培训和评估，以帮助住院医生应对术中紧张的事件。此外，高保真模拟操作环境使危机管理方案得以成功试用，为构建术中压力管理方案铺平了道路。

    4.7临床转化和未来的工作

   本研究表明，系统生理学和主观工作量指标不能很好地识别应激弹性。然而，功能神经成像确定了时间和空间前额叶皮层血流动力学的可量化差异，反映了应激弹性和应激敏感性。这些前额叶功能的差异可能表明在时间压力下注意力和集中力的差异，突出了制定压力应对训练策略的必要性。已经报道了一些培养抗压能力的技术。例如，在一项对住院医师的前瞻性研究中，正念弹性训练被证明可以减少一些参与者的焦虑和压力。此外，正念已被证明是一种可行的和可接受的外科实习生管理压力的方法。元认知是运动员在比赛中克服心理压力所培养出来的一种意识和认知过程，它可以应用于外科领域，提高医生在压力下的表现。类似地，心理练习，即对一项任务的认知预演，没有明显的身体动作，是一种被广泛认可的策略，用于提高运动和音乐中的心理活动表现。将这些训练干预与大脑行为评估相结合，将有助于确定它们是否具有预期的认知效果。此外，该结果强调了最小化手术室中不必要的时间压力的重要性。

    4.8局限

   样本量估计是不可行的，因为来自类似的以前的神经影像学研究的数据不足以进行预先的效果量的计算。事实上，研究压力与认知功能之间关系的研究还没有纳入样本量的计算。尽管如此，我们的研究的样本量与以前文献相比是有优势的。参与者的招募可能容易受到选择偏见的影响。所有的普通外科住院医师在一个单一的研究生训练区域被邀请参加。参与者的亚专业兴趣未被记录，可能有相当数量的住院医生对腹腔镜缝合作为训练的基础部分的一般外科学科(如上消化道手术)有专业兴趣。因此，这个自我选择的群体的表现和大脑行为可能不能代表更广泛的外科群体。

    我们的研究只调查了单一压力源(TP)的影响。虽然外科医生可能同时经历多种竞争性需求，但在某些情况下，主要的应激源是暂时的(如大出血)。在这方面，本研究旨在阐明神经生理学的变化与性能下降期间的时间压力。尽管如此，未来的工作将探索相互竞争的认知需求对前额叶功能和技术表现的影响。系统生理学的变化可能使皮层血流动力学与压力诱发的HR的增加相混淆，误记为假的HbO2反应。

    结论：

   手术技能表现易受时间压力影响（压力敏感）的医生表现出前额叶失活，而手术技能表现稳定的医生表现出持续的激活，尤其是在对注意力控制和运动规划重要的大脑区域。需要进一步的研究来确定神经成像在预测外科医生在手术中的压力弹性的价值。

原文： 

Association of Residents' Neural Signatures With Stress Resilience During Surgery

HN Modi, H Singh, F Fiorentino… - JAMA …, 2019 - jamanetwork.com

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