Medicine

心力衰竭患者心肺运动测试中脑组织饱和监测的集成

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

该协议将近红外光谱纳入传统的心肺锻炼测试，以确定心力衰竭患者在运动不耐受性中参与脑血液动力学反应的参与度。

Abstract

休息或运动期间的脑缺氧对心力衰竭患者的运动能力产生负面影响，而喷射分数（HF）减少。然而，在临床心肺运动测试（CPET）中，脑血管动力学不评估。NIRS用于测量前额叶的脑组织氧饱和度（SctO2）。该方法可靠有效，已多次用于研究。在HF患者的休息和高峰运动期间，SctO₂低于健康对照组（66.3 ± 13.3% 和 63.4 ± 13.8%，而 73.1 = 2.8%和 72 = 3.2%）。Rest 的 SctO₂与峰值 VO_2（r = 0.602）、吸氧效率斜率（r = 0.501）和脑神经肽肽（r = -0.492）呈显著线性相关，所有这些都是公认的预后和疾病严重性标记，指示其潜在的预后值。SctO₂主要由HF种群的末_潮CO2压力、平均动脉压力和血红蛋白决定。本文演示了一种协议，该协议使用 NIRS 将 SctO₂集成到校准自行车测速仪上的增量 CPET 中。

Introduction

心肺运动测试（CPET）已应用于心力衰竭患者与减少喷射分数（HF）为多个目标，包括定量心肺健身，预后，诊断运动限制的原因，和运动处方1，2，3。在测试过程中，对来自自动气体交换的流体动力学变量和数据进行监测和分析。脑组织氧饱和度（SctO2）监测具有分级预后和疾病严重^{程度4，5。}

近红外光谱（NIRS）使用红外光穿透头骨，并估计脑组织氧合持续和非^{侵入性6。}由于氧血红蛋白和脱氧血红蛋白具有不同的光吸收光谱，是吸收光的主要色母，因此其浓度可以用透光和^吸收6、7进行测量。然而，背景光吸收器也会散射光，并可能影响^测量8。这项研究采用了空间解析的NIRS来测量从休息到高峰^运动9的SctO2。发射四个波长，以补偿波长依赖散射损耗，消除背景干扰，从而提高^精度10。

SctO₂表示脑组织中氧气输送与消耗的比例。脑脱饱和与脑血流紊乱（CBF）、动脉氧浓度降低、脑组织耗氧量增加^有关11。除了心脏输出不足外，高级HF在运动过程中通过减少二氧化碳（PaCO_2）的动脉部分压力，通过过度通气间接诱导脑血管收缩，导致脑下灌注¹².

陈等人揭示了HF脑氧合的临床^意义。首先，与健康对照组相比，HF组中的SctO₂显著减少。SctO₂不仅在休息时减少，而且在锻炼期间进一步下降。在健康组中未观察到它。其次，SctO_2rest和SctO2_峰_与VO2峰、脑酸尿肽（BNP）和氧吸氧效率斜率（OUES）相关，所有这些都是既定的预后标记。因此，SctO_2rest和SctO_2peak很可能预后，并反映HF患者的疾病严重程度。Koike等人的另一项研究表明，与冠状动脉疾病^患者的幸存者相比，非幸存者额头上从休息到高峰运动时测得的脑氧血红蛋白变化明显较低。因此，可以使用脑氧合来分层HF患者的疾病严重程度和预后。

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Protocol

以下协议由台湾林口长贡纪念医院伦理委员会批准。演习试验在大气温度为22-25°C、气压为755至770托、相对湿度为55-65%的空调实验室进行。在每次测试之前，气体分析仪都按照制造商的指示进行校准，使用室内空气和已知浓度的气体混合物（FO₂： 0.12;FCO₂： 0.05;N₂作为平衡）。系统涡轮流量计采用自动泵送系统，采用0.2升/s和2升/s的2点法进行校准。

1. 准备：传感器和记录器的放置

用酒精垫清洁前额两次，去除皮肤上的汗水和污垢。
将 NIRS 传感器双边放置在额头上。使用发射器和探测器之间的距离为 5 厘米的大型传感器。估计测量深度为 2.5 厘米。确保传感器牢固连接。
将心电图贴片连接到前胸、双关节和下背部。
让病人坐在自行车上。
放置测臂仪的臂章。
指示患者戴上面罩进行气体分析。确保没有气体通过面罩边缘泄漏。
将脉搏血氧仪的传感器放在患者的耳垂和食指上。

2. CPET 和 SctO₂监测

告诉患者至少休息2分钟，以获得稳定的基线值，包括SctO₂和呼吸交换比。
让患者在循环测速仪上以 10 W 的工作速率完成预热阶段 1 分钟。
将速率提高 10 W/min，并要求患者在大约 60 rpm 时踩踏，直到未能跟上节奏 >50 rpm，尽管受到大力鼓励（症状限制锻炼测试）。
从频率为 100 Hz 时自动扫描的数据，每秒自动将 SctO₂值平均值。
每 2 分钟通过血压计自动测量血压。
通过呼吸分析气体成分呼吸，_包括VO2和末端潮汐二氧化碳压力（P_ETCO₂）。
让患者以 0 W 的工作速率完成恢复阶段 2-6 分钟。

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Representative Results

台湾林口长公纪念医院收治了34名HF患者和17名健康对照医生。每个受试者都接受了心肺运动测试，其中纳入了NIRS的SctO₂监测。简单地说，HF组（66.3 ± 13.3%;63.4 ± 13.8%）的SctO_2（休息;峰值）值明显低于对照组（73.1 ± 2.8%;72 = 3.2%）组（图 1）。在HF组中，静止的SctO 2（SctO_2rest）和峰值SctO_{2（SctO 2}_峰值）与脑神经肽（BNP）、VO_2峰值和OUES（r -0.561至0.677，p <0.001）呈线性相关。 图 2.值得注意的是，SctO_2rest由 P_ETCO₂在静止时的部分压力（P_ETCO_2rest）、血红蛋白和静止时的平均动脉压力（MAP_休息）（调整 R = 0.681， p <0.05 分步线性回归）（表 1.主要发现如图3所示。

图1：高频和控制组中的SctO2、SctO2_峰值的框图。 在HF组中，在休息时和峰值运动时的SctO₂值都明显低于对照组。改编自陈^等人4。• p < 0.05，高频与控制，重复测量方差分析。• p < 0.05，SctO_2rest HF vs. 控制，配对 t 测试。• p < 0.05，SctO_2峰值HF 与控制，配对 t 测试。SctO_2rest：脑组织氧饱和度在休息时;SctO_2峰值：在高峰运动时脑组织氧饱和度。请点击此处查看此图的较大版本。

图 2：SctO_2rest和 SctO_{2 峰值}与 VO_{2 峰值、BNP}和 OUES 的散射图。SctO_2rest（左面板）和SctO_2峰值（右面板）值与VO2_峰值、BNP和OUES呈线性相关。改编自陈^等人4 SctO_2：脑组织氧饱和度;_VO2：耗氧量;BNP：脑内尿肽;OUES：吸氧效率斜率。请点击此处查看此图的较大版本。

图3：HF患者脑脱饱和的可能预后值及其生理基础图示。SctO_2，特别是在高峰运动时，_{与VO2峰、BNP}和OUES相关。SctO_2rest由P_ETCO_2rest、血红蛋白和MAP_休息决定，而SctO2_峰值的主要决定因素为VCO2_峰。请点击此处查看此图的较大版本。

	·	t	P（*）	R	+R²	F
型号 1				0.593	0.352	14.679*
P_ETCO_{2 rest}	0.593	3.831	0.001
型号 2				0.639	0.056	19.257*
P_ETCO_{2 rest}	0.552	3.757	0.001
Hb	0.314	2.14	0.042
型号 3				0.681	0.056	25.009*
P_ETCO_{2 rest}	0.517	3.804	0.001
Hb	0.331	2.451	0.022
MAP_休息	0.323	2.398	0.024
P_ETCO_2，CO₂的末端潮汐部分压力;Hb，血红蛋白;MAP，平均动脉压力
• p < 0.05;p 值表示线性回归模型的总体显著性
P（）：的 p 值;R 和 +R²是调整值

表1：HF组中SctO2rest的逐步回归。改编自陈^等人4。SctO_2：脑组织氧饱和度。HF：心力衰竭。

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Discussion

NIRS对无创和连续监测的脑氧合已应用于各种场景，包括心血管^手术13和大脑功能分析，如那些估计神经^活动14。该协议将NIRS集成到传统的CPET中，以确定HF患者在运动不耐受中脑血液动力学反应的参与度。它增加了运动测试在确定预后和疾病严重程度时的价值。

心脏功能障碍^{被认为是HF15}患者运动不耐受的主要原因。尽管如此，临床研究表明，非益药或血管扩张剂未能增加运动^能力16，休息心脏功能与峰值耗氧量之间的关联是^弱17。因此，心脏功能障碍不是HF患者运动不耐受的唯一原因。

运动期间脑灌注和氧合的减少已表明，心脏输出不能正常^{增加18，19}的患者，这表明脑低灌注部分是由运动过程中心脏输出增加。减少前额皮层氧合损害周围工作肌肉的力生成能力，从而限制了运动^性能20。此外，运动过程中被抑制的脑血管动力学与通气异常有关，^{降低了HF21}患者的功能能力。此外，SctO₂与峰值 VO₂和 OUES 以及 BNP 相关，所有这些都是 HF 严重性和预后⁴的公认标记。

劳累脑下灌^注21是由心脏输出不足以及劳累过度通气引起的，这减少了肺泡PCO2和随后的PaCO _2，这种反应可能进一步诱发脑电在练习22、23、24期间，血管收缩。先前的研究表明，PaCO₂与15-60毫米汞^柱25的CBF呈正线性相关。事实上，它是SctO2₄的主要生理决定因素。SctO₂还受血红蛋白和MAP⁴的影响，影响动脉氧浓度和脑灌注，^{分别为26、27。}有人可能会争辩说，贫血会导致平均光路径长度增加，并可能影响NIRS测量SctO₂的有效性。先前的研究已经表明，通过相解光谱测量的SctO₂并没有随着心脏手术中血红蛋白浓度的变化而发生^{显著变化。}

尽管NIRS测量在休息状态下具有很高的可重复性和有效性，但该装置在运动期间在HF人群中的有效性尚未确定。尽管如此，在以前的验证研究中模拟了端_潮O2和CO2的不同组合，这在一定程度上与运动^状态29相似。HF患者在运动高峰期皮肤血流量的增加或减少，可能高估或低估前^额30、31处脑氧合的真正价值。不管怎样，基于目前结果，由NIRS测量的低SctO₂是一个潜在的负预后因素，这一事实已经确立，只不过测量的SctO₂值不仅表示脑氧合在前额叶，也有皮肤血液在额头流动到一定程度。此外，颅外黑色素可以吸收光，从而衰减信号，虽然SctO₂是根据氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度计算的，对皮肤黑色^素8的影响较小。时间解决光谱 - NIRS可能在一定程度上解决上述问题。然而，标准NIRS对于临床应用来说相当容易。最后，需要纵向研究，以确认HF患者SctO2的预后值。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

参加运动测试的病人深受赞赏。这项研究得到了台湾国家科学委员会（NMRPG3G6231/2/3）、长荣纪念医院（授权号）的支持。CMRPG3G0601/2），以及长荣大学健康老龄化研究中心和台湾教育部高等教育深度犁计划（助学金编号EMRPD1H0351和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