Medicine

心不全患者における心肺運動検査における脳組織飽和モニタリングの統合

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

このプロトコルは、心不全患者の運動不耐症における脳血行力学的応答の関与を同定するために、従来の心肺運動試験に近赤外分光法を統合した。

Abstract

休息または運動中の脳低酸素化は、排出率(HF)の低下した心不全患者の運動能力に悪影響を及ぼす。しかし、臨床心肺運動試験(CPET)では、脳血行力学は評価されない。NIRSは、前頭葉における脳組織酸素飽和度(SctO2)を測定するために使用される。この方法は、信頼性が高く、有効であり、いくつかの研究で利用されています.SctO₂は、健康なコントロールよりもHF患者の休息とピーク運動の両方の間に低いです(66.3 ± 13.3% と 63.4 ± 13.8% 対 73.1 ± 2.8% と 72 ± 3.2%) .静止時のSctO 2は、_{ピークVO2(r} = 0.602)、酸素取り込み効率傾斜(r =0.501)、および脳ナトリウム利尿ペプチド(r = -0.492)と有意に直線的に相関しており、それらはすべて予後および認識される。疾患の重症度マーカーは、その潜在的な予後値を示す。SctO₂は、主に終_潮CO2圧力、平均動脈圧、およびHF集団におけるヘモグロビンによって決定される。この記事では、NIRS を使用して SctO₂を校正された自転車エルゴメータの増分 CPET に統合するプロトコルを示します。

Introduction

心肺運動検査(CPET)は、心肺フィットネスの定量化、予後、運動制限の原因の診断など、複数の目的のために排出率(HF)を低下させる心不全患者に適用されています。運動処方箋^1,²^,³.テスト中、ヘモダイナミクス変数と自動ガス交換から得られたデータを監視および分析します。脳組織酸素飽和度(SctO₂₎モニタリングは、予後および疾患重症^度4、5をグレーディングするための値を^有する。

近赤外分光法(NIRS)は、赤外線を使用して頭蓋骨を貫通し、脳組織の酸素化を連続的かつ非侵襲的に推定^する6.オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンは、光吸収スペクトルが異なり、光を吸収する主要な染色体であるため、その濃度は光透過^吸収6、7を用いて測定することができる。しかし、背景光吸収剤も光を散乱させ、^測定8に影響を与える可能性がある。本研究では、SctO₂を休息からピーク^{エクササイズ9}まで測定するために空間的に解決されたNIRSを採用した。波長に依存する散乱損失を補正し、バックグラウンド干渉を排除するために4つの波長を放出し、^精度10を高めた。

SctO₂は、脳組織における酸素送達と消費の割合を表す。脳飽和は、破壊された脳血流(CBF)、動脈酸素濃度の低下、および増加した脳組織酸素^消費量11に関連する。心拍出量不全以外の高度なHFは、過換気を介して二酸化炭素(PaCO2)の動脈部分圧を減少させることによって間接的に脳血管収縮を誘発することにより、運動中に脳過灌流を引き起こす¹².

HFにおける脳酸素化の臨床的意義は、Chen et al.⁴によって明らかにされた。まず、SctO2は、健良な対照と比較してHF群において有意に減少した。SctO₂は、安静時に減少するだけでなく、運動中にさらに減少します。健全な群では観察されない。第二に、SctO_2restおよびSctO_2peakはVO_2peak、脳ナトリウム利尿ペプチド(BNP)、および酸素取り込み効率傾斜(OUES)と相関し、それらはすべて予後マーカーが確立されている。したがって、SctO_2restおよびSctO_2peakは予後が非常に高く、HF患者における疾患重症度を反映する可能性が非常に高い。小池らによる別の研究は、冠状動脈疾患患者の生存者に比べて、安静時からピーク運動までの額で測定された脳オキシヘモグロビンの変化が、非生存者において有意に低かったことを示唆^した5.したがって、脳酸素化は、HF患者の疾患の重症度および予後を階層化するために用いられ得る。

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Protocol

次の議定書は、台湾のチャングン記念病院の倫理委員会によって承認されました。運動試験は、大気温度が22~25°C、圧力が755~770°、相対湿度が55~65%の空調実験室で行われた。各試験の前に、ガス分析装置は部屋の空気および既知の濃度のガス混合物を使用して製造業者の指示に従って校正された(FO₂: 0.12;FCO₂: 0.05;N₂をバランスとして)。システムのタービン流量計は、自動ポンプシステムにより0.2 L/sと2L/sの2点方式で校正した。

1. 準備:センサーとレコーダーの配置

おでこをアルコールパッドで2回拭き取り、皮膚の汗や汚れを取り除きます。
NIRSセンサーを額に二国間に配置します。エミッタと検出器の間の距離が 5 cm の大きなセンサーを使用します。推定測定深さは2.5cm、センサーがしっかりと取り付けられていることを確認します。
前胸部、両側のアクロミオラブ血管、腰に心電図のパッチを取り付けます。
患者に自転車のエルゴメーターに座らせなさい。
血圧計のアームバンドを置きます。
ガス分析のためにマスクを着用するように患者に指示する。マスクの縁からガスが漏れないようにしてください。
患者の耳たも葉と人差し指にパルスオキシメータのセンサーを置きます。

2. CPETおよびSctO₂モニタリング

SctO₂および呼吸交換比を含む安定したベースライン値を得るために、患者に少なくとも2分間休息するように伝える。
患者にサイクルエルゴメーターの1分間10 Wの作業速度でウォームアップ段階を完了させる。
10 W/minの速度を上げ、強い励まし(症状制限された運動テスト)にもかかわらずケイデンス>50 rpmに追いつくことができなかったまで、患者に約60 rpmでペダルを踏むように頼みます。
100 Hz の周波数でスキャンされたデータから自動的に SctO₂値を 1 秒ごとに平均します。
血圧を2分毎に血圧を血圧計で自動的に測定します。
VO₂および末端潮汐二酸化炭素圧(P_ET_CO2)を含む、呼吸によるガス成分呼吸を分析する。
患者に2-6分間0 Wの作業率で回復段階を完了させる。

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Representative Results

34人のHF患者と17人の健康なコントロールが台湾のリンコウ・チャングン記念病院に登録されました。各被験者は、NIRSによるSctO₂モニタリングを組み込んだ心肺運動試験を受けた。簡単に言えば、SctO₂₍残り;ピーク)値は、HF群(66.3±13.3%、63.4±13.8%)で、対照(73.1±2.8%、72±3.2%)よりも有意に低かった。グループ (図 1)HF群では、SctO 2(SctO_2rest)とピークSctO 2(SctO_2peak)は、脳ナトリウム利尿ペプチド(BNP)、VO_2peak、およびOUES(r-0.561~0.677、p< 0.001) ( 図 2)特に、SctO_2restは、安静時のP_ETCO_2(P _ETCO_2rest)、ヘモグロビン、および安静時の平均動脈圧(MAP_レスト)(調整済みR=0.681、p< ステップワイズ線形回帰に0.05) (表 1)主な調査結果を図 3 に示します。

図1:HFおよび対照群におけるSctO_2restおよびSctO_2peakのボックスプロット。安静時およびピーク運動におけるSctO2値はいずれも対照群よりもHF群において有意に低かった。Chenらから適応⁴.*p < 0.05、HF対制御、繰り返し測定分散分析。# p < 0.05, SctO_2rest HF 対コントロール, ペア t 検定.† p < 0.05, SctO_2peak HF 対制御, ペア t 検定.SctO_2rest: 安静時の脳組織酸素飽和;SctO_2peak: ピーク運動時の脳組織酸素飽和度.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 2: SctO_2restおよび SctO_2peak対 VO_{2peak、BNP、}および OUES の散布図。SctO_2rest(左パネル)とSctO_2peak(右パネル)値は、VO_{2peak、BNP、}およびOUESと直線的に相関していた。Chen et al.⁴ SctO₂から適応 : 脳組織酸素飽和;VO₂: 酸素消費量;BNP: 脳ナトリウム利尿ペプチド;OUES:酸素取り込み効率の傾斜。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:HF患者における脳飽和の予後の可能性と生理的基礎の図。SctO₂は、特に運動のピーク時に、VO_{2peak、BNP、}およびOUESと相関していた。SctO 2restはP_ETCO_2rest、ヘモグロビン、およびMAP_レストによって決定され、SctO 2peakの主な決定要因はVCO2peakであった。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

	ε	T	P(θ)	R	△2	F
モデル 1				0.593	0.352	14.679*
P_ETCO_2レスト	0.593	3.831	0.001
モデル2				0.639	0.056	19.257*
P_ETCO_2レスト	0.552	3.757	0.001
Hb	0.314	2.14	0.042
モデル3				0.681	0.056	25.009*
P_ETCO_2レスト	0.517	3.804	0.001
Hb	0.331	2.451	0.022
MAP_レスト	0.323	2.398	0.024
P_ETCO₂, CO₂の終わりの部分的な圧力 ;Hb, ヘモグロビン;MAP、平均動脈圧
* p < 0.05;p値は線形回帰モデルの全体的な有意性を示す
P(θ): εの p 値;R および ΔR²は調整値です。

表1:HF群におけるSctO_2restの段階的回帰。Chenらから適応⁴.SctO₂: 脳組織酸素飽和度。HF: 心不全.

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Discussion

NIRSによって非侵襲的かつ連続的に監視される脳酸素化は、心血管^外科13および神経^活動14を推定するもののような脳機能解析を含む様々なシナリオに適用されている。このプロトコルは、従来のCPETにNIRSを統合し、HF患者における運動不耐性における脳血行力学的応答の関与を同定した。これは、予後および疾患の重症度を決定する際の運動検査の価値を増加させます.

心臓機能障害は、HF¹⁵患者における運動不耐症の主な原因と考えられていた。それにもかかわらず、臨床研究は、無気力または血管拡張剤が運動^能力16を増加させることができなかったことを実証し、安静時心臓機能とピーク酸素消費量との関連は^弱い17である。したがって、心臓機能障害は、HF患者における運動不耐性の唯一の原因ではない。

運動中の脳灌流と酸素化の減少は、心臓の出力が正常に増加しない患者で実証されている¹⁸^,^19,脳の低灌流が部分的に引き起こしていることを示唆している。運動中に鈍い心拍出量の増加。前頭皮質酸素化の低下は、末梢作業筋の力発生能力を損ない、したがって運動^性能20を制限する。さらに、運動中に抑制された脳血行力学は、換気異常に関連^{しており、HF21}を有する患者の機能能力を低下させる。さらに、SctO₂は、_ピークVO2およびOUESおよびBNPと相関しており、これらはすべてHF重症度および予^後4に対してよく認識されたマーカーである。

運動性脳低灌^流21は、心拍出量不全と運動過換気によって引き起こされ、肺胞PCO2およびその後_のPaCO2、さらに脳を誘導する可能性のある応答である。運動^{中血管収縮 22}^,²³^,²⁴.以前の研究では、PaCO₂が15-60 mmHg²⁵のCBFと正に直線的に相関していることを示した。実際には、それはSctO₂⁴の主な生理学的決定要因です。SctO₂はヘモグロビン^{およびMAP4}の影響も受け、動脈酸素濃度および脳灌流に影響を与え、^{それぞれ26、27}である。貧血は平均光路長の増加につながり、NIRSによるSctO₂測定の有効性に影響を与える可能性があると主張する人もいるかもしれません。以前の研究は、位相分解分光法によって測定されたSctO 2が心臓_手術28におけるヘモグロビン濃度の変化に応じて有意に変化しなかったことを既に実証している。

安静状態でのNIRS測定の高い再現性および妥当性にもかかわらず、運動中のHF集団におけるこの装置の有効性は確立されていない。それにもかかわらず、エンド潮汐O2_とCO2の異なる組み合わせは、運動_{ステータス29}に似ている前の検証研究でシミュレートされました。HF患者におけるピーク運動における皮膚血流の増加または減少は、^額30,31における脳酸素化の真の値を過大評価または過小評価する可能性がある。何があっても、額のNIRSによって測定された低SctO2が本来の結果に基づく潜在的に負の予後因子であるという事実は、測定されたSctO₂値が脳酸素化を表すだけでなく、確立されている。前頭葉だけでなく、額の皮膚血流もある程度まで流れます。また、頭蓋外メラニンは光を吸収し、信号を減衰させる可能性がありますが、SctO₂はオキシおよびデオキシヘモグロビンの濃度から計算され、皮膚メラ^ニン8の影響を受けません。時間分解分光 - NIRSは、上記の問題をある程度解決する可能性があります。しかし、標準的なNIRSは臨床適用のためにかなり容易である。最後に、HF患者におけるSctO2の予後値を確認するために縦方向の研究が必要である。

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Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

運動試験に参加した患者さんは深く感謝しています。この研究は、台湾国立科学評議会(NMRPG3G6231/2/3)、チャングン記念病院(グラントNo.)によって支援されました。CMRPG3G0601/2)、および健康老化研究センター、チャングン大学と台湾教育省の高等教育深い耕作プログラム(助成金番号EMRPD1H0351および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