Medicine

Integration av hjärnan vävnad mättnad övervakning i Cardiopulmonary utöva testning hos patienter med hjärtsvikt

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

Detta protokoll integrerade nära-infraröd spektroskopi i konventionella hjärt-övning tester för att identifiera medverkan av den cerebrala hemodynamiska svar i motion intolerans hos patienter med hjärtsvikt.

Abstract

Cerebral hypo-syresättning under vila eller motion inverkar negativt på tränings kapaciteten hos patienter med hjärtsvikt med reducerad ejektionsfraktion (HF). Emellertid, i klinisk hjärt-övning test (CPET), cerebral hemodynamik bedöms inte. NIRS används för att mäta syremättnad i hjärnvävnaden (SctO₂) i frontalloben. Denna metod är tillförlitlig och giltig och har utnyttjats i flera studier. SctO₂ är lägre under både vila och toppträning hos patienter med HF än hos friska kontroller (66,3 ± 13,3% och 63,4 ± 13,8% jämfört med 73,1 ± 2,8% och 72 ± 3,2%). SctO₂ i vila är signifikant linjärt korrelerad med Peak VO₂ (r = 0,602), syreupptagningsförmåga (r = 0,501), och natriuretiskpeptid (r =- 0,492), som alla är erkända prognostiska och sjukdomens svårighetsgrad markörer, vilket indikerar dess potentiella prognostiska värde. SctO₂ bestäms främst av end-Tidal Co₂ -tryck, medelvärde för arteriellt tryck, och hemoglobin i HF-populationen. Denna artikel visar ett protokoll som integrerar SctO₂ med hjälp av NIRS i INKREMENTELL CPET på en kalibrerad cykelergometer.

Introduction

Hjärt-Exercise test (CPET) har tillämpats på patienter med hjärtsvikt med reducerad ejektionsfraktion (HF) för flera syften, inklusive kvantifiering av kardiopulmonary Fitness, prognos, diagnostisera orsakerna till utövandet begränsningar, och övnings recept¹^,²^,³. Under provningen övervakas och analyseras hemodynamiska variabler och data som härrör från automatisk gasutbyte. Syremättnad i hjärnvävnaden (scto₂) har ett värde för bedömning av prognos och sjukdoms svårighetsgrad^4,5^.

Nära-infraröd spektroskopi (NIRS) använder infrarött ljus för att tränga igenom skallen och uppskatta hjärnvävnad syresättning kontinuerligt och icke-invasivt⁶. Eftersom oxyhemoglobin och deoxyhemoglobin har olika ljusabsorption spektra och är de primära förekommer som absorberar ljus, kan deras koncentrationer mätas med hjälp av ljustransmission och absorption⁶^,⁷. Men bakgrundsljus absorbenter sprider också ljus och kan påverka mätningen⁸. Denna studie antog en rumsligt löst NIRS att mäta SctO₂ från vila till Peak övning⁹. Fyra våglängder utsänds för att kompensera för våglängdsberoende spridnings förluster och eliminera bakgrundsstörningar, vilket förbättrar noggrannheten¹⁰.

SctO₂ representerar andelen syre leverans kontra konsumtion i hjärnvävnad. Cerebral desaturation är förknippad med störd cerebralt blodflöde (CBF), minskad arteriell syrekoncentration, och ökad cerebral vävnad syreförbrukning¹¹. Andra än hjärt utflödes brist, avancerad HF orsakar cerebral hypoperfusion under träning genom att indirekt inducera cerebral vasokonstriktion via minskande arteriellt partialtryck av koldioxid (PaCO₂) genom hyperventilation ¹².

Den kliniska betydelsen av cerebral syresättning i HF avslöjades av Chen et al.⁴. För det första minskade SctO₂ signifikant i HF-gruppen jämfört med friska kontroller. SctO₂ är inte bara minskat i vila utan också minskat ytterligare under träning. Det observeras inte i den friska gruppen. Andra, scto_2rest och scto_2peak var korrelerade med VO_2peak, Brain natriuretiska peptid (BNP), och syre upptagningsförmåga effektivitet lutning (oues), som alla är etablerade prognostiska markörer. Därför är SctO_2rest och scto_2peak troligtvis prognostiska och återspeglar SJUKDOMENS svårighetsgrad hos HF-patienter. En annan studie av Koike et al. föreslog att förändringen i cerebral oxyhemoglobin mätt i pannan från vila till topp övning var signifikant lägre hos icke-överlevande jämfört med den hos överlevande från patienter med kranskärlssjukdom⁵. Därför kan cerebral syresättning användas för att stratifiera sjukdomens svårighetsgrad och prognos för patienter med HF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Följande protokoll godkändes av etikkommittén i Chang Gung Memorial Hospital, Linkou, Taiwan. Övningsprovet utfördes i ett luftkonditionerat laboratorium med en atmosfärisk temperatur på 22-25 ° c, tryck på 755 till 770 torr och relativ luftfuktighet på 55-65%. Före varje provning kalibrerades gasanalysatorn enligt tillverkarens anvisningar med hjälp av rumsluft och en gasblandning av känd koncentration (FO₂: 0,12; FCO₂: 0,05; N₂ som balans). Systemets turbin flödesmätare kalibrerades av 2-punkts metoden med 0,2 L/s och 2 L/s av ett automatiskt pumpande system.

1. förberedelser: placering av sensorer och brännare

Rengör pannan två gånger med en alkoholdyna för att ta bort svett och smuts från huden.
Placera NIRS-sensorer på pannan bilateralt. Använd en stor sensor där avståndet mellan sändare och detektor är 5 cm. Det uppskattade Mät djupet är 2,5 cm. Kontrollera att sensorerna sitter fast ordentligt.
Bifoga fläckar av elektrokardiografi till främre bröstet, bilaterala acromioclavicular lederna, och nedre ryggen.
Patienten sitta på cykelergometern.
Placera armhålan av sphygmomanometern.
Instruera patienten att bära masken för gas analysen. Se till att ingen gas läcker genom brädden av masken.
Placera sensorerna på pulsoximetern på patientens örsnibben och pekfingret.

2. CPET och SctO₂ övervakning

Tala om för patienten att vila i minst 2 min för att erhålla ett stabilt utgångsvärde, inklusive SctO₂ och andnings bytesförhållandet.
Få patienten att slutföra uppvärmningsfasen med en arbetstakt på 10 W under 1 min på cykelergometern.
Öka hastigheten med 10 W/min och be patienten att pedalera runt 60 rpm tills de inte hänga med en kadens > 50 rpm trots stark uppmuntran (symptom-begränsad övning testning).
Medelvärdet av SctO₂ -värdet varje sekund automatiskt från data som skannas med frekvensen 100 Hz.
Mät blodtrycket varje 2 min automatiskt av sphygmomanometern.
Analysera gas komponenten andetag genom andetag, inklusive VO₂ och sluttid vatten koldioxid tryck (P_etCo₂).
Ha patienten slutföra återhämtningsfasen med en arbetstakt på 0 W för 2-6 min.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

34 HF-patienter och 17 friska kontroller inkluderades vid Linkou Chang Gung Memorial Hospital, Taiwan. Varje ämne genomgick hjärt-utöva tester som ingår scto₂ övervakning av NIRS. Kort, SctO₂ (rest; Peak) värden var signifikant lägre i HF-gruppen (66,3 ± 13,3%; 63,4 ± 13,8%,) än i kontrollen (73,1 ± 2,8%, 72 ± 3,2%) koncernen (figur 1). I HF-gruppen var SctO₂ at rest (scto_2rest) och Peak scto₂ (scto_2peak) linjärt KORRELERADE med hjärnans NATRIURETISKA peptid (BNP), vo_2peakoch oues (r av-0,561 till 0,677, p < 0,001) ( Figur 2). Särskilt var SctO_2rest bestäms av partiellt tryck av p_etCo₂ i vila (P_etCo_2rest), hemoglobin, och medelvärdet av arteriella trycket i vila (MAP_rest) (justerat R = 0,681, P < 0,05 på stegvis linjär regression) (tabell 1). De viktigaste resultaten illustreras i diagram 3.

Figur 1: Lådtomter med SctO_2rest och scto_2PEAK i HF och kontrollgrupper. Både SctO₂ värden i vila och Peak motion var signifikant lägre i HF-gruppen än i kontrollgruppen. Anpassad från Chen et al.⁴. * p < 0,05, HF vs. kontroll, upprepad åtgärd ANOVA. # p < 0,05, SctO_2rest HF vs. kontroll, parade t-test. † p < 0,05, SctO_2peak HF vs. kontroll, parat t-test. SctO_2rest: cerebral vävnad syremättnad i vila; SctO_2peak: cerebral vävnad syremättnad vid Peak motion. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2: spridningsdiagram med SctO_2rest och scto_2PEAK kontra VO_2PEAK, BNP och oues. SctO_2rest (vänster panel) och scto_2peak (höger panel) värden var linjärt korrelerade med VO_2PEAK, BNP och oues. Anpassad från Chen et al.⁴ scto₂: cerebral vävnad syremättnad; VO₂: syreförbrukning; BNP: den natriuretiska peptiden i hjärnan; OUES: effektivitets lutning för syreupptagning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3: illustration av det möjliga prognostiska värdet av cerebral desaturation och dess fysiologiska bas hos patienter med HF. SctO₂, särskilt vid Peak Exercise, var korrelerad med VO_2peak, BNP och oues. SctO_2rest bestämdes av P_etCo_2rest, hemoglobin, och Map_rest, medan den viktigaste bestämmande faktorn för scto_2peak var VCO_2peak. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

	ß	T	P (ß)	R	ΔR²	F
Model 1				0,593	0,352	14,679 *
P_etCo_2rest	0,593	3,831	0,001
Model 2				0,639	0,056	19,257 *
P_etCo_2rest	0,552	3,757	0,001
Hb	0,314	2,14	0,042
Model 3				0,681	0,056	25,009 *
P_etCo_2rest	0,517	3,804	0,001
Hb	0,331	2,451	0,022
MAP_rest	0,323	2,398	0,024
P_etCo₂, det partiella trycket av co₂i slutet av tidvatten. HB, hemoglobin; KARTA, medelvärde för arteriellt tryck
* p < 0,05; p-värdet indikerar den totala betydelsen av den linjära regressionsmodellen
P (ß): p-värde för ß. R och ΔR² är justerade värden

Tabell 1: stegvis regression av SctO_2rest i HF-gruppen. Anpassad från Chen et al.⁴. SctO₂: cerebral vävnad syremättnad. HF: hjärtsvikt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Cerebral syresättning övervakas noninvasivt och kontinuerligt av NIRS har tillämpats i olika scenarier, inklusive kardiovaskulär kirurgi¹³ och hjärnans funktionella analyser som de som uppskattar Neural aktivitet¹⁴. Detta protokoll integrerade NIRS i konventionella CPET för att identifiera medverkan av den cerebrala hemodynamiska reaktionen i motion intolerans hos patienter med HF. Det ökar värdet av motion testning vid bestämning av prognos och sjukdomens svårighetsgrad.

Hjärtdysfunktion ansågs vara den främsta orsaken till motion intolerans hos patienter med HF¹⁵. Icke desto mindre, kliniska studier visat att inotropa eller vasodilaterande agenter misslyckats med att öka motion kapacitet¹⁶, och sambandet mellan vilande hjärtfunktion och maximal syreförbrukning är svag¹⁷. Följaktligen, hjärtdysfunktion är inte den enda orsaken till motion intolerans hos patienter med HF.

Den minskade cerebrala perfusionen och syresättning under träning har visats hos patienter vars hjärt minut effekt inte ökar normalt¹⁸^,¹⁹, vilket tyder på att cerebral hypoperfusion delvis orsakas av den avtrummade hjärt produktionen ökar under träningen. Minskad frontal cortex syresättning försämrad kraftproduktionskapacitet av den perifera arbetande muskeln, vilket begränsar utövandet prestanda²⁰. Dessutom, den undertryckta cerebral hemodynamik under träning är associerad med andningshjälp avvikelse, vilket minskar den funktionella kapaciteten hos patienter med HF²¹. Dessutom är SctO₂ korrelerad med Peak VO₂ och oues samt BNP, som alla är väl erkända markörer för HF-svårighetsgrad och prognos⁴.

Ansträngningsdyspné cerebral hypoperfusion²¹ orsakas av hjärt produktion insufficiens samt ansträngning hyperventilation, vilket minskar alveolära PCO₂ och efterföljande Paco₂, ett svar som ytterligare kan framkalla cerebral vasokonstriktion under träning²²^,²³^,²⁴. En tidigare studie visade att PaCO₂ är positivt linjärt korrelerad med en CBF på 15-60 mmHg²⁵. I själva verket, det är den viktigaste fysiologisk avgörande av scto₂⁴. Scto₂ påverkas också av hemoglobin och karta⁴, påverka arteriell syrekoncentration och cerebral perfusion, respektive²⁶^,²⁷. Man kan hävda att anemi leder till ökad genomsnittlig optisk Stig längd och kan påverka giltigheten av SctO₂ mätning av NIRS. En tidigare studie har redan visat att SctO₂ mätt med fas-löst spektroskopi inte förändrade signifikant som svar på förändringen av hemoglobin koncentrationen i en hjärtkirurgi²⁸.

Trots den höga reproducerbarheten och giltigheten av NIRS mätningar i viloläge, har giltigheten av denna enhet i HF-populationen under träning inte fastställts. Icke desto mindre simulerades de olika kombinationerna av sluttid vatten O₂ och co₂ i en tidigare valideringsstudie, som delvis liknar träningsstatus²⁹. Ökningen eller minskningen av hudens blodflöde vid Peak motion hos patienter med HF kan överskatta eller underskatta det sanna värdet av cerebral syresättning i pannan³⁰^,³¹. Oavsett vad, det faktum att låga SctO₂ mätt med NIRS på pannan är en potentiellt negativ prognostisk faktor som bygger på det nuvarande resultatet, har fastställts, förutom att det uppmätta scto₂ värdet inte bara representerar cerebral syresättning vid frontalloben, men också hudens blodflöde i pannan till en viss grad. Förutom, extrakraniell melanin kan absorbera ljus och därmed dämpa signalen, även om SctO₂ beräknades från koncentrationen av Oxy-och deoxyhemoglobin och påverkas mindre av hud melanin⁸. Tidsmatchat spektroskopi-NIRS kan lösa ovanstående problem i viss utsträckning. Standard NIRS är dock ganska lättare för klinisk tillämpning. Slutligen krävs en longitudinell studie för att bekräfta det prognostiska värdet av SctO₂ hos patienter med HF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Den patient som deltog i motion testing är djupt uppskattad. Denna forskning stöddes av National Science Council, Taiwan (NMRPG3G6231/2/3), Chang Gung Memorial Hospital (Grant No. CMRPG3G0601/2), och friska Aging Research Center, Chang Gung University och Taiwan Undervisningsministeriets högre utbildning Deep plowing program (Grant nummer EMRPD1H0351 och 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