Medicine

Integrering av Brain tissue metning overvåking i hjerte trening testing hos pasienter med hjertesvikt

Published: October 1, 2019 doi: 10.3791/60289

Shu-Chun Huang^1,2,3, Carl PC Chen^1,3, Tieh-Cheng Fu⁴, Yu-Jen Chen^1,5,6

¹Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Chang Gung Memorial Hospital, Linkou, ²Healthy Aging Research Center, Chang Gung University, ³School of Medicine, College of Medicine, Chang Gung University, ⁴Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Chang Gung Memorial Hospital, Keelung, ⁵National Quemoy University, ⁶Kinmen Hospital, Ministry of Health and Welfare

Summary

Denne protokollen integrert nær-infrarød spektroskopi i konvensjonelle hjerte øvelsen testing for å identifisere involvering av cerebral hemodynamisk respons i øvelsen intoleranse hos pasienter med hjertesvikt.

Abstract

Cerebral allergi-oksygenering under hvile eller mosjon negativt påvirker utøve kapasitet på pasienter med hjertesvikt med redusert utstøting brøk (HF). Imidlertid, inne klinisk hjerte morsjon tester (CPET), cerebral Hemodynamics er ikke vurdert. NIRS brukes til å måle cerebral vev oksygenmetning (SctO₂) i frontal flik. Denne metoden er pålitelig og gyldig og har blitt benyttet i flere studier. SctO₂ er lavere under både hvile og topp trening hos pasienter med HF enn i sunne kontroller (66,3 ± 13,3% og 63,4 ± 13,8% kontra 73,1 ± 2,8% og 72 ± 3,2%). SctO₂ at rest er betydelig lineært korrelert med peak VO₂ (r = 0,602), oksygenopptak effektivitet skråningen (r = 0,501), og hjernen natriuretisk peptid (r =-0,492), som alle er anerkjent Prognostisk og sykdom alvorlighetsgrad markører, noe som indikerer sin potensielle Prognostisk verdi. SctO₂ bestemmes hovedsakelig av end-tidevanns co₂ press, gjennomsnittlig arterietrykk, og hemoglobin i HF befolkningen. Denne artikkelen demonstrerer en protokoll som integrerer SctO₂ ved hjelp av NIRS Into inkrementell CPET på en kalibrert sykkel ergometer.

Introduction

Hjerte øvelses testing (CPET) er brukt hos pasienter med hjertesvikt med redusert utstøting brøk (HF) for flere mål, inkludert kvantifisering av hjerte egnethet, prognose, diagnostisering årsaker til utøvelse begrensninger, og utøve resepter¹^,²^,³. Under testingen overvåkes og analyseres hemodynamisk variabler og data avledet fra automatisk gassutveksling. Cerebral vev oksygenmetning (SctO₂) overvåking har verdi for gradering prognose og sykdom alvorlighetsgrad⁴^,⁵.

Nær-infrarød spektroskopi (NIRS) bruker infrarødt lys til å trenge inn i skallen og anslå hjernevev oksygenering kontinuerlig og ikke-invasivt⁶. Siden oxyhemoglobin og deoxyhemoglobin har forskjellig lys absorpsjon Spectra og er den primære chromophores som absorberer lys, kan deres konsentrasjoner måles ved hjelp av lystransmisjon og absorpsjon⁶^,⁷. Bakgrunnslys dempere sprer imidlertid også lys og kan påvirke målingen⁸. Denne studien vedtok en romlig løst NIRS å måle SctO₂ fra hvile til peak øvelse⁹. Fire bølgelengder ble avgitt for å kompensere for tap av bølgelengde avhengig spredning og eliminere bakgrunnsforstyrrelser, og dermed øke nøyaktigheten¹⁰.

SctO₂ representerer andelen av oksygen levering kontra forbruk i cerebral vev. Cerebral desaturation er assosiert med forstyrret cerebral blodstrøm (CBF), redusert arteriell oksygen konsentrasjon, og økt cerebral vev oksygenforbruk¹¹. Annet enn CARDIAC output insuffisiens, avanserte HF forårsaker cerebral Hypoperfusion under trening av indirekte inducing cerebral vasokonstriksjon via avtagende arteriell delvis trykk av karbondioksid (PaCO₂) gjennom hyperventilering Det er ¹².

Den kliniske betydningen av cerebral oksygenering i HF ble avslørt av Chen et al.⁴. Først ble SctO₂ betydelig redusert i HF-gruppen sammenlignet med sunne kontroller. SctO₂ er ikke bare redusert i ro, men også falt videre under trening. Det er ikke observert i sunn gruppe. For det andre, SctO_2rest og SctO_2peak var korrelert med VO_2peak, hjernen natriuretisk peptid (BNP), og oksygenopptak effektivitet skråningen (OUES), som alle er etablert Prognostisk markører. Derfor er SctO_2rest og SctO_2peak svært sannsynlig å være Prognostisk og reflektere SYKDOMS alvorlighetsgrad hos HF-pasienter. En annen studie av Koike et al. antydet at endringen i cerebral oxyhemoglobin målt i pannen fra hvile til topp trening var signifikant lavere i ikke-overlevende sammenlignet med det hos overlevende av pasienter med koronar sykdom⁵. Derfor kan cerebral oksygenering anvendes for å Stratify alvorlighetsgraden og prognosen for pasienter med HF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende protokoll ble godkjent av etikk komiteen i Chang gung Memorial Hospital, Linkou, Taiwan. Øvelsen testen ble utført i et luftkondisjonerte laboratorium med en atmosfærisk temperatur på 22-25 ° c, trykk på 755 til 770 torr, og relativ luftfuktighet på 55-65%. Før hver test ble gass analysator kalibrert etter produsentens anvisninger ved hjelp av rom luft og en gassblanding av kjent konsentrasjon (FO₂: 0,12; FCO₂: 0,05; N₂ som balanse). Turbin strømningsmåleren i systemet ble kalibrert av 2-punkts metoden med 0,2 L/s og 2 L/s ved et automatisk pumpesystem.

1. forberedelse: plassering av sensorer og opptakere

Rengjør pannen to ganger med en alkohol pute for å fjerne svette og smuss fra huden.
Plasser NIRS sensorer på pannen bilateralt. Bruk en stor sensor der avstanden mellom emitter og detektor er 5 cm. Estimert måle dybde er 2,5 cm. Kontroller at sensorene er godt festet.
Fest flekker av elektrokardiografi til fremre bryst, bilaterale acromioclavicular ledd, og korsryggen.
Få pasienten til å sitte på sykkelen ergometer.
Plasser armbåndet til sphygmomanometer.
Be pasienten om å bære masken for gass analysen. Pass på at ingen gass lekker gjennom masken.
Plasser sensorene på puls oximeter på pasientens øre flik og pekefinger.

2. CPET og SctO₂ overvåking

Be pasienten hvile i minst 2 minutter for å få en stabil Baseline-verdi, inkludert SctO₂ -og respirasjons Utvekslingsforhold.
Få pasienten til å fullføre oppvarmingsfasen med en arbeidshastighet på 10 W i 1 min på syklus ergometer.
Øke hastigheten med 10 W/min og be pasienten om å pedal på rundt 60 RPM til ikke å holde tritt med en pedalfrekvens > 50 RPM til tross for sterk oppmuntring (symptom-begrenset øvelse testing).
Gjennomsnittlig SctO₂ -verdien hvert sekund automatisk fra data skannet med frekvensen av 100 Hz.
Mål blodtrykket hver 2 min automatisk av sphygmomanometer.
Analysere gassen komponent pusten av pusten, inkludert VO₂ og end-tidevanns karbondioksid Press (P_etco₂).
Få pasienten til å fullføre gjenopprettings fasen med en arbeidshastighet på 0 W i 2-6 min.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

34 HF-pasienter og 17 sunne kontroller ble registrert ved Linkou Chang gung Memorial Hospital i Taiwan. Hvert emne gjennomgikk hjerte øvelse testing som innlemmet SctO₂ overvåking av NIRS. Kort, SctO₂ (rest; peak) verdier var betydelig lavere i HF-gruppen (66,3 ± 13,3%; 63,4 ± 13,8%,) enn i kontroll (73,1 ± 2,8%; 72 ± 3,2%) gruppe (figur 1). I HF gruppen, SctO₂ at rest (SctO_2rest) og Peak SctO₂ (SctO_2peak) var lineært korrelert med Brain natriuretisk peptid (BNP), VO_2peak, og OUES (r av-0,561 til 0,677, p < 0,001) ( Figur 2). Spesielt ble SctO_2rest bestemt av det delvise trykket av P_etco₂ på rest (P_etco_2rest), hemoglobin, og gjennomsnittlig arterietrykk ved hvile (kart_hvile) (justert R = 0,681, P < 0,05 på trinnvis lineær regresjon) (tabell 1). De viktigste funnene er illustrert i Figur 3.

Figur 1: Box tomter av SctO_2rest og SctO_2peak i HF og kontroll grupper. Både SctO₂ -verdier ved hvile og topp trening var betydelig lavere i HF-gruppen enn i kontrollgruppen. Tilpasset fra Chen et al.⁴. * p < 0,05, HF kontra kontroll, gjentatte tiltak ANOVA. # p < 0,05, SctO_2rest HF vs kontroll, sammenkoblet t-test. † p < 0,05, SctO_2peak HF kontra kontroll, sammenkoblet t-test. SctO_2rest: cerebral vev oksygenmetning i ro; SctO_2peak: cerebral vev oksygenmetning på topp trening. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: scatter plott av SctO_2rest og SctO_2peak versus VO_2peak, BNP og OUES. SctO_2rest (venstre panel) og SctO_2peak (høyre panel) verdier var lineært korrelert med VO_2peak, BNP og OUES. Tilpasset fra Chen et al.⁴ SctO₂: cerebral vev oksygenmetning; VO₂: oksygenforbruk; BNP: hjernen natriuretisk peptid; OUES: oksygenopptak effektivitet skråningen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3: illustrasjon av den mulige Prognostisk verdien av cerebral desaturation og dens fysiologiske basis hos pasienter med HF. SctO₂, spesielt på topp trening, var KORRELERT med VO_2peak, BNP og OUES. SctO_2rest ble bestemt av P_etco_2REST, hemoglobin, og kart_resten, mens den viktigste avgjørende for SctO_2peak var VCO_2peak. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

	ß	T	P (ß)	R	ΔR²	F
Modell 1				0,593	0,352	14,679 *
P_etco_2rest	0,593	3,831	0,001
Modell 2				0,639	0,056	19,257 *
P_etco_2rest	0,552	3,757	0,001
Hb	0,314	2,14	0,042
Modell 3				0,681	0,056	25,009 *
P_etco_2rest	0,517	3,804	0,001
Hb	0,331	2,451	0,022
MAP_resten	0,323	2,398	0,024
P_etco₂, slutten-TIDEVANNS delvis press på co₂; HB, hemoglobin; MAP, mener arterietrykk
* p < 0,05; p-verdien angir den totale betydningen av den lineære regresjon modellen
P (ß): p-verdi for ß; R og ΔR² er justerte verdier

Tabell 1: trinnvis regresjon av SctO_2rest i HF-gruppen. Tilpasset fra Chen et al.⁴. SctO₂: cerebral vev oksygenmetning. HF: hjertesvikt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Cerebral oksygenering overvåket invasivt og kontinuerlig av NIRS har vært brukt i ulike scenarier, inkludert kardiovaskulær kirurgi¹³ og hjernen funksjonelle analyser som de som anslår neural aktivitet¹⁴. Denne protokollen integrert NIRS i konvensjonelle CPET å identifisere involvering av cerebral hemodynamisk respons i øvelsen intoleranse hos pasienter med HF. Det øker verdien av øvelsen testing i å bestemme prognose og sykdom alvorlighetsgrad.

CARDIAC dysfunksjon ble ansett som den viktigste årsaken til øvelsen intoleranse hos pasienter med HF¹⁵. Likevel, kliniske studier viste at inotrop eller vasodilaterende agenter ikke klarte å øke utøve kapasitet¹⁶, og foreningen mellom hvile hjertefunksjon og Peak oksygenforbruk er svak¹⁷. Følgelig er hjerte dysfunksjon ikke den eneste årsaken til trening intoleranse hos pasienter med HF.

Redusert cerebral og oksygenering under trening har blitt demonstrert hos pasienter der CARDIAC output ikke øke normalt¹⁸^,¹⁹, noe som tyder på at cerebral Hypoperfusion er delvis forårsaket av avstumpet CARDIAC output øker under trening. Redusert frontal cortex oksygenering svekket kraft-generering kapasitet av perifere arbeids muskler, og dermed begrense øvelsen ytelse²⁰. Videre er den undertrykte cerebral Hemodynamics under trening forbundet med ventilatory unormalt, noe som reduserer den funksjonelle kapasiteten til pasienter med HF²¹. Videre SctO₂ er korrelert med peak VO₂ og OUES samt BNP, som alle er godt anerkjente markører for HF alvorlighetsgrad og prognose⁴.

Exertional cerebral Hypoperfusion²¹ skyldes CARDIAC output insuffisiens samt Exertional hyperventilering, noe som reduserer alveolære PCO₂ og den påfølgende PaCO₂, et svar som kan ytterligere indusere cerebral vasokonstriksjon under trening²²^,²³^,²⁴. En tidligere studie viste at PaCO₂ er positivt lineært korrelert med en CBF av 15-60 mmHg²⁵. Faktisk er det den viktigste fysiologiske avgjørende for SctO₂⁴. SctO₂ er også påvirket av hemoglobin og kart⁴, som påvirker arteriell oksygen konsentrasjon og cerebral blod, henholdsvis²⁶^,²⁷. Man kan hevde at anemi fører til økt bety optisk banelengde og kan påvirke gyldigheten av SctO₂ måling av NIRS. En tidligere studie har allerede vist at SctO₂ målt ved fase-løst spektroskopi ikke endre signifikant i respons til endring av hemoglobinkonsentrasjon i en hjertekirurgi²⁸.

Til tross for den høye reproduserbarheten og gyldigheten av NIRS-målinger i hvile staten, er ikke gyldigheten til denne enheten i HF-populasjonen under trening fastslått. Likevel, de ulike kombinasjonene av end-tidevanns O₂ og co₂ ble simulert i en tidligere validering studie, som delvis ligner på trening status²⁹. Økningen eller reduksjon av hudens blodstrøm ved topp trening hos pasienter med HF kan overvurdere eller undervurdere den sanne verdien av cerebral oksygenering i pannen³⁰^,³¹. Uansett hva, det faktum at lave SctO₂ målt ved NIRS på pannen er en potensielt negativ Prognostisk faktor basert på dagens resultat, er etablert, bortsett fra at den målte SctO₂ verdi ikke bare representerer cerebral oksygenering på frontal flik, men også huden blodstrøm i pannen til en viss grad. Foruten, extracranial melanin kan absorbere lys og dermed dempe signalet, selv om SctO₂ ble beregnet fra konsentrasjonen av Oxy-og deoxyhemoglobin og påvirkes mindre av huden melanin⁸. Time-løst spektroskopi-NIRS kan løse problemet ovenfor til en viss grad. Imidlertid, målestokk NIRS er temmelig lettere for klinisk søknad. Til slutt, en langsgående studie er nødvendig for å bekrefte den Prognostisk verdien av SctO₂ hos pasienter med HF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Pasienten som deltok i øvelsen testing er dypt verdsatt. Denne forskningen ble støttet av National Science Council, Taiwan (NMRPG3G6231/2/3), Chang gung Memorial Hospital (Grant no. CMRPG3G0601/2), og sunn aldring Research Center, Chang gung University og Taiwan utdanningsdepartementet er høyere utdanning Deep pløye program (Grant Numbers EMRPD1H0351 og EMRPD1H0551).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bicycle ergometer	Ergoline, Germany	Ergoselect 150P
Cardiopulmonary exercise testing gas analysis	Cardinal-health Germany	MasterScreen CPX
Finger pulse oximetry	Nonin Onyx, Plymouth, Minnesota	Model 9500
Sphygmomanometer	SunTech Medical, UK	Tango
Near-infrared spectroscopy	CAS Medical Systems, Inc., Branford, CT	FORE-SIGHT system