Summary
Este protocolo integró la espectroscopia infrarroja cercana en las pruebas de ejercicio cardiopulmonar convencionales para identificar la implicación de la respuesta hemodinámica cerebral en la intolerancia al ejercicio en pacientes con insuficiencia cardíaca.
Abstract
La hipooxigenación cerebral durante el descanso o el ejercicio afecta negativamente la capacidad de ejercicio de pacientes con insuficiencia cardíaca con fracción de eyección reducida (HF). Sin embargo, en las pruebas de ejercicio cardiopulmonar clínico (CPET), no se evalúa la hemodinámica cerebral. NIRS se utiliza para medir la saturación de oxígeno del tejido cerebral (SctO2) en el lóbulo frontal. Este método es fiable y válido y se ha utilizado en varios estudios. SctO2 es más bajo durante el descanso y el ejercicio máximo en pacientes con IC que en controles saludables (66,3 a 13,3% y 63,4 a 13,8% frente a 73,1 a 2,8% y 72 a 3,2%). SctO2 en reposo está significativamente correlacionado linealmente con el pico VO2 (r - 0,602), la pendiente de eficiencia de la admisión de oxígeno (r a 0,501), y el péptido natriurético cerebral (r -0,492), todos los cuales son reconocidos pronóstico y marcadores de gravedad de la enfermedad, lo que indica su potencial valor pronóstico. SctO2 se determina principalmente por la presión de CO2 de marea final, la presión arterial media y la hemoglobina en la población de HF. Este artículo muestra un protocolo que integra SctO2 utilizando NIRS en CPET incremental en un ergómetro de bicicleta calibrado.
Introduction
Las pruebas de ejercicio cardiopulmonar (CPET) se han aplicado en pacientes con insuficiencia cardíaca con fracción de eyección reducida (HF) para múltiples objetivos, incluyendo la cuantificación de la aptitud cardiopulmonar, pronóstico, diagnóstico de las causas del ejercicio, y las prescripciones de ejercicio1,2,3. Durante las pruebas, se supervisan y analizan las variables hemodinámicas y los datos derivados del intercambio automático de gas. La monitorización de la saturación de oxígeno del tejido cerebral (SctO2)tiene valor para el pronóstico de clasificación y la gravedad de la enfermedad4,5.
La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) utiliza luz infrarroja para penetrar en el cráneo y estimar la oxigenación del tejido cerebral de forma continua y no invasiva6. Dado que la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina tienen diferentes espectros de absorción de luz y son los cromóforos primarios que absorben la luz, sus concentraciones se pueden medir mediante la transmisión y absorción de luz6,7. Sin embargo, los absorbedores de luz de fondo también dispersan la luz y pueden influir en la medida8. Este estudio adoptó un NIRS resuelto espacialmente para medir SctO2 desde el descanso hasta el ejercicio máximo9. Se emitieron cuatro longitudes de onda para compensar las pérdidas de dispersión dependientes de la longitud de onda y eliminar la interferencia de fondo, mejorando así la precisión10.
SctO2 representa la proporción de suministro de oxígeno frente al consumo en el tejido cerebral. La desaturación cerebral se asocia con la interrupción del flujo sanguíneo cerebral (CBF), disminución de la concentración de oxígeno arterial y aumento del consumo de oxígeno del tejido cerebral11. Aparte de la insuficiencia de salida cardíaca, la IC avanzada causa hipoperfusión cerebral durante el ejercicio al inducir indirectamente vasoconstricción cerebral a través de la disminución de la presión parcial arterial de dióxido de carbono (PaCO2) a través de la hiperventilación 12.
La importancia clínica de la oxigenación cerebral en la IC fue revelada por Chen et al.4. En primer lugar, SctO2 se redujo significativamente en el grupo de ONDAS decay/a en comparación con los controles saludables. SctO2 no sólo se reduce en reposo, sino que también disminuye aún más durante el ejercicio. No se observa en el grupo sano. En segundo lugar, SctO2rest y SctO2peak se correlacionaron con VO2peak,péptido natriurético cerebral (BNP) y pendiente de eficiencia de admisión de oxígeno (OUES), todos los cuales son marcadores de pronóstico establecidos. Por lo tanto, SctO2rest y SctO2peak son muy propensos a ser pronóstico y reflejan la gravedad de la enfermedad en pacientes con IC. Otro estudio de Koike y otros sugirieron que el cambio en la oxihemoglobina cerebral medido en la frente desde el descanso hasta el ejercicio máximo fue significativamente menor en los no sobrevivientes en comparación con el de los sobrevivientes de pacientes con enfermedad de las arterias coronarias5. Por lo tanto, la oxigenación cerebral puede emplearse para estratificar la gravedad de la enfermedad y el pronóstico de los pacientes con IC.
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Protocol
El siguiente protocolo fue aprobado por el comité de ética en Chang Gung Memorial Hospital, Linkou, Taiwán. La prueba de ejercicio se llevó a cabo en un laboratorio climatizado con una temperatura atmosférica de 22-25 oC, presión de 755 a 770 Torr, y humedad relativa de 55-65%. Antes de cada ensayo, el analizador de gas se calibraba siguiendo las instrucciones del fabricante utilizando aire de la sala y una mezcla de gas de concentración conocida (FO2: 0.12; FCO2: 0.05; N2 como saldo). El caudalímetro de la turbina del sistema fue calibrado por el método de 2 puntos con 0,2 L/s y 2 L/s mediante un sistema de bombeo automático.
1. Preparación: Colocación de sensores y grabadoras
- Limpie la frente dos veces con una almohadilla de alcohol para eliminar el sudor y la suciedad de la piel.
- Coloque los sensores NIRS en la frente bilateralmente. Utilice un sensor grande en el que la distancia entre el emisor y el detector sea de 5 cm. La profundidad de medición estimada es de 2,5 cm. Asegúrese de que los sensores estén bien conectados.
- Coloque parches de electrocardiografía en el tórax anterior, las articulaciones acromioclaviculares bilaterales y la parte inferior de la espalda.
- Pida al paciente que se sente en el ergómetro de la bicicleta.
- Coloque el brazalete del esfigmomanómetro.
- Indique al paciente que use la máscara para el análisis de gas. Asegúrese de que no haya fugas de gas a través del borde de la máscara.
- Coloque los sensores del oxímetro de pulso en el lóbulo del oído del paciente y en el dedo índice.
2. Monitoreo de CPET y SctO2
- Dígale al paciente que descanse durante al menos 2 minutos para obtener un valor basal estable, incluyendo SctO2 y la relación de intercambio respiratorio.
- Pida al paciente que complete la etapa de calentamiento a una velocidad de trabajo de 10 W durante 1 min en el ergometro de ciclo.
- Aumente la velocidad en 10 W/min y pida al paciente que pedalee alrededor de 60 rpm hasta que no se mantenga al día con una cadencia >50 rpm a pesar de un fuerte estímulo (pruebas de ejercicio limitadas por síntomas).
- Promedio del valor SctO2 automáticamente a partir de los datos escaneados a la frecuencia de 100 Hz.
- Mida la presión arterial cada 2 minutos automáticamente por el esfigmomanómetro.
- Analice el componente de gas respiración por respiración, incluyendo VO2 y la presión de dióxido de carbono de marea final (PETCO2).
- Pida al paciente que complete la etapa de recuperación a una velocidad de trabajo de 0 W durante 2-6 min.
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Representative Results
Treinta y cuatro pacientes con IC y 17 controles saludables fueron inscritos en linkou Chang Gung Memorial Hospital, Taiwán. Cada sujeto se sometió a pruebas de ejercicio cardiopulmonar que incorporaron la monitorización de SctO2 por NIRS. En resumen, los valores de SctO2 (descanso; pico) fueron significativamente más bajos en el grupo de ONDAS de ci.F. (66,3 a 13,3%; 63,4 a 13,8%, que en el control (73,1 a 2,8%; 72 a 3,2%) grupo(Figura 1). En el grupo HF, SctO2 en reposo (SctO2rest) y el pico SctO2 (SctO2peak) se correlacionaron linealmente con el péptido natriurético cerebral (BNP), VO2peaky OUES (r de -0.561 a 0.677, p < 0.001) ( Figura 2). En particular, SctO2rest se determinó por la presión parcial de PETCO2 en reposo (PETCO2rest), hemoglobina y presión arterial media en reposo (MAPrest) (ajustado R a 0,681, p < 0.05 en la regresión lineal escalonada) (Tabla 1). Los principales hallazgos se ilustran en la Figura 3.
Figura 1: Cajas de parcelas de SctO2rest y SctO2peak en HF y grupos de control. Tanto los valores de SctO2 en reposo como el ejercicio máximo fueron significativamente más bajos en el grupo HF que en el grupo de control. Adaptado de Chen et al.4. * p < 0.05, HF vs control, medida repetida ANOVA. • p < 0.05, SctO2rest HF vs control, prueba t emparejada. • p < 0.05, SctO2peak HF vs control, prueba t emparejada. SctO2rest: saturación de oxígeno del tejido cerebral en reposo; SctO2peak: saturación de oxígeno del tejido cerebral en el ejercicio máximo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Trazados de dispersión de SctO2rest y SctO2peak frente a VO2peak,BNP y OUES. Los valores sctO2rest (panel izquierdo) y SctO2peak (panel derecho) se correlacionaron linealmente con VO2peak,BNP y OUES. Adaptado de Chen et al.4 SctO2: saturación de oxígeno del tejido cerebral; VO2: consumo de oxígeno; BNP: péptido natriurético cerebral; OUES: pendiente de eficiencia de admisión de oxígeno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Ilustración del posible valor pronóstico de la desaturación cerebral y su base fisiológica en pacientes con IC. SctO2,especialmente en el ejercicio máximo, se correlacionó con VO2peak,BNP y OUES. SctO2rest fue determinado por PETCO2rest,hemoglobina y MAPrest,mientras que el principal determinante de SctO2peak fue VCO2peak. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| ß | T | P(a) | R | R2 | F | ||
| Modelo 1 | 0.593 | 0.352 | 14.679* | ||||
| PETCO2rest | 0.593 | 3.831 | 0.001 | ||||
| Modelo 2 | 0.639 | 0.056 | 19.257* | ||||
| PETCO2rest | 0.552 | 3.757 | 0.001 | ||||
| Hb | 0.314 | 2.14 | 0.042 | ||||
| Modelo 3 | 0.681 | 0.056 | 25.009* | ||||
| PETCO2rest | 0.517 | 3.804 | 0.001 | ||||
| Hb | 0.331 | 2.451 | 0.022 | ||||
| Descansodel MAPA | 0.323 | 2.398 | 0.024 | ||||
| PETCO2, las presiones parciales de la marea final del CO2; Hb, hemoglobina; MAPA, presión arterial media | |||||||
| * p < 0.05; el valor p indica la importancia general del modelo de regresión lineal | |||||||
| P(a): valor p para el valor de p; R y R2 son valores ajustados | |||||||
Tabla 1: Regresión escalonada de SctO2rest en el grupo HF. Adaptado de Chen et al.4. SctO2: saturación de oxígeno del tejido cerebral. HF: insuficiencia cardíaca.
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Discussion
La oxigenación cerebral monitoreada no invasiva y continuamente por NIRS se ha aplicado en varios escenarios, incluyendo la cirugía cardiovascular13 y análisis funcionales cerebrales como los que estiman la actividad neuronal14. Este protocolo integró NIRS en el CPET convencional para identificar la implicación de la respuesta hemodinámica cerebral en la intolerancia al ejercicio en pacientes con IC. Aumenta el valor de las pruebas de ejercicio para determinar el pronóstico y la gravedad de la enfermedad.
La disfunción cardíaca se consideró la principal causa de intolerancia al ejercicio en pacientes con IC15. No obstante, los estudios clínicos demostraron que los agentes inotrópicos o vasodilatadores no aumentaron la capacidad de ejercicio16,y la asociación entre la función cardíaca en reposo y el consumo máximo de oxígeno es débil17. En consecuencia, la disfunción cardíaca no es la única causa de intolerancia al ejercicio en pacientes con IC.
La disminución de la perfusión cerebral y la oxigenación durante el ejercicio se han demostrado en pacientes cuya producción cardíaca no aumenta normalmente18,19, lo que sugiere que la hipoperfusión cerebral es causada parcialmente por el aumento de la producción cardíaca durante el ejercicio. La reducción de la oxigenación de la corteza frontal deterioró la capacidad de generación de fuerza del músculo de trabajo periférico, limitando así el rendimiento del ejercicio20. Además, la hemodinámica cerebral suprimida durante el ejercicio se asocia con anormalidad ventilatoria, lo que reduce la capacidad funcional de los pacientes con IC21. Además, SctO2 está correlacionado con el pico VO2 y OUES, así como con BNP, todos los cuales son marcadores bien reconocidos para la gravedad de la IC y el pronóstico4.
La hipoperfusión cerebral exercional21 es causada por insuficiencia de salida cardiaca, así como por hiperventilación ejercida, que reduce la PCO alveolar2 y la posterior PaCO2,una respuesta que puede inducir aún más vasoconstricción durante el ejercicio22,23,24. Un estudio anterior mostró que PaCO2 está correlacionada positivamente linealmente con un CBF de 15-60 mmHg25. De hecho, es el principal determinante fisiológico de SctO24. SctO2 también se ve afectado por la hemoglobina y MAP4,que influyen en la concentración de oxígeno arterial y la perfusión cerebral, respectivamente26,27. Se puede argumentar que la anemia conduce a un aumento de la longitud media de la trayectoria óptica y podría influir en la validez de la medición de SctO2 por NIRS. Un estudio anterior ya ha demostrado que SctO2 medido por espectroscopia resuelta por fase no alteró significativamente en respuesta al cambio de la concentración de hemoglobina en una cirugía cardíaca28.
A pesar de la alta reproducibilidad y validez de las mediciones de NIRS en el estado de reposo, no se ha establecido la validez de este dispositivo en la población de ONDAS deciserción durante el ejercicio. No obstante, las diferentes combinaciones de O2 y CO2 de marea final se simularon en un estudio de validación anterior, que es en parte similar al estado de ejercicio29. El aumento o disminución del flujo sanguíneo de la piel en el ejercicio máximo en pacientes con IC podría sobreestimar o subestimar el verdadero valor de la oxigenación cerebral en la frente30,31. No importa qué, se ha establecido el hecho de que el bajo SctO2 medido por NIRS en la frente es un factor de pronóstico potencialmente negativo basado en el resultado actual, excepto que el valor medido de SctO2 no sólo representa la oxigenación cerebral en el lóbulo frontal, pero también el flujo sanguíneo de la piel en la frente hasta cierto punto. Además, la melanina extracraneal puede absorber la luz y así atenuar la señal, aunque SctO2 se calculó a partir de la concentración de oxixihemoglobina y se ve menos afectada por la melanina de la piel8. Espectroscopia resuelta en el tiempo - NIRS puede resolver el problema anterior hasta cierto punto. Sin embargo, el NIRS estándar es bastante más fácil para la aplicación clínica. Por último, se requiere un estudio longitudinal para confirmar el valor pronóstico de SctO2 en pacientes con IC.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
El paciente que participó en las pruebas de ejercicio es profundamente apreciado. Esta investigación fue apoyada por el Consejo Nacional de Ciencia, Taiwán (NMRPG3G6231/2/3), Chang Gung Memorial Hospital (Grant No. CMRPG3G0601/2), y el Centro de Investigación para el Envejecimiento Saludable, la Universidad Chang Gung y el Programa de Arado Profundo de Educación Superior del Ministerio de Educación de Taiwán (Números de subvención EMRPD1H0351 y 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 |
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