Integration af hjernevæv mætnings overvågning i kardiopulmonær motion test hos patienter med hjertesvigt

Summary

Denne protokol integreret nær-infrarød spektroskopi i konventionel kardiopulmonær øvelse test for at identificere inddragelsen af den cerebral hæmodynamiske respons i motion intolerance hos patienter med hjertesvigt.

Abstract

Cerebral hypo-oxygenering under hvile eller motion har en negativ indvirkning på udnyttelses evnen hos patienter med hjerteinsufficiens med nedsat uddrivningsfraktion (HF). Men, i klinisk kardiopulmonær motion test (CPET), cerebral hæodynamik er ikke vurderet. NIRS bruges til at måle hjernevæv iltmætning (SctO₂) i frontal lap. Denne metode er pålidelig og gyldig og er blevet udnyttet i flere undersøgelser. SctO₂ er lavere under både hvile og Peak motion hos patienter med HF end i raske kontroller (66,3 ± 13,3% og 63,4 ± 13,8% vs. 73,1 ± 2,8% og 72 ± 3,2%). SctO₂ i hvile er signifikant lineært korreleret med peak VO₂ (r = 0,602), oxygen optagelses effektivitet hældning (r = 0,501), og hjernen natriuretisk peptid (r =-0,492), som alle er anerkendt prognostisk og sygdoms alvorligheds markører, hvilket indikerer dens potentielle prognostiske værdi. SctO₂ bestemmes hovedsageligt af end-Tidal Co₂ tryk, gennemsnitligt arterielt tryk, og hæmoglobin i HF-populationen. Denne artikel viser en protokol, der integrerer SctO₂ ved hjælp af NIRS i trinvis CPET på et kalibreret cykel ergometer.

Introduction

Kardiopulmonær motion test (CPET) er blevet anvendt hos patienter med hjertesvigt med reduceret uddrivningsfraktion (HF) for flere formål, herunder kvantificering af kardiopulmonær egnethed, prognose, diagnosticere årsager til motion begrænsninger, og motion recepter^1,2,3. Under testen overvåges og analyseres hænodynamiske variabler og data afledt af automatisk gasudveksling. Cerebral væv oxygenmætning (scto₂) overvågning har værdi for klassificering prognose og sygdoms sværhedsgrad^4,5.

Nær-infrarød spektroskopi (NIRS) bruger infrarødt lys til at trænge ind i kraniet og estimere hjernevæv iltning kontinuerligt og ikke-invasivt⁶. Da oxyhæmoglobin og deoxyhæmoglobin har forskellige lys absorption spektre og er de primære kromophorer, der absorberer lys, kan deres koncentrationer måles ved hjælp af lystransmission og absorption^6,7. Men baggrundslys absorbere også sprede lys og kan påvirke målingen⁸. Denne undersøgelse vedtog en rumligt løst NIRS at måle SctO₂ fra hvile til peak øvelse⁹. Fire bølgelængder blev udsendt for at kompensere for bølgelængde-afhængige spredning tab og eliminere baggrundsinterferens, dermed øge nøjagtighed¹⁰.

SctO₂ repræsenterer andelen af ilttilførsel vs. forbrug i cerebralt væv. Cerebral desaturation er forbundet med forstyrret cerebral blodgennemstrømning (CBF), nedsat arteriel iltkoncentration, og øget cerebral væv ilt forbrug¹¹. Bortset fra kardiel output insufficiens, fremskreden HF forårsager cerebral hypoperfusion under motion ved indirekte inducerende cerebral vasokonstriktion via aftagende arterielt partielt tryk af kuldioxid (PaCO₂) gennem hyperventilation ¹².

Den kliniske betydning af cerebral iltning i HF blev afsløret af Chen et al.⁴. For det første var SctO₂ signifikant reduceret i HF-gruppen sammenlignet med raske kontroller. SctO₂ er ikke kun formindsket i hvile, men også faldt yderligere under motion. Det er ikke observeret i den raske gruppe. Anden, SctO_2rest og scto_2peak var KORRELERET med VO_2peak, hjernen NATRIURETISK peptid (BNP), og oxygenoptagelse effektivitet hældning (Oues), som alle er etableret prognostiske markører. Derfor, SctO_2rest og scto_2peak er meget tilbøjelige til at være prognostisk og AFSPEJLE sygdommens sværhedsgrad hos HF-patienter. En anden undersøgelse af Koike et al. foreslog, at ændringen i cerebral oxyhæmoglobin målt ved panden fra hvile til peak motion var signifikant lavere i ikke-overlevende sammenlignet med, at hos overlevende af patienter med koronararteriesygdom⁵. Derfor kan cerebral iltning være ansat til stratificere sygdommens sværhedsgrad og prognose af patienter med HF.

Protocol

Følgende protokol blev godkendt af den etiske komité i Chang gung Memorial Hospital, Linkou, Taiwan. Øvelses testen blev udført i et luftkonditioneret laboratorium med en atmosfærisk temperatur på 22-25 °C, tryk på 755 til 770 torr og relativ luftfugtighed på 55-65%. Før hver prøvning blev gasanalysatoren kalibreret efter fabrikantens anvisninger ved hjælp af rum luft og en gasblanding af kendt koncentration (FO₂: 0,12; FCO₂: 0,05; N₂ som saldo). Systemets turbine flowmåler blev kalibreret ved 2-punkts metoden med 0,2 L/s og 2 L/s af et automatisk pumpesystem.

1. klargøring: placering af sensorer og optagere

1. Rengør panden to gange med en sprit pude for at fjerne sved og snavs fra huden.
2. Placer NIRS sensorer på panden bilateralt. Brug en stor sensor, hvor afstanden mellem emitter og detektor er 5 cm. Den anslåede måle dybde er 2,5 cm. Sørg for, at sensorerne er forsvarligt fastgjort.
3. Fastgør plastre af elektro kardiografi til den forreste brystkasse, bilaterale akromioclaviculære led og lænderyggen.
4. Patienten sidder på cykel ergometer.
5. Placer armbåndet af sphygmomanometer.
6. Instruer patienten i at bære masken til gasanalysen. Sørg for, at ingen gas lækker gennem randen af masken.
7. Placer sensorerne på pulsoximeteret på patientens ørelap og pegefingeren.

2. overvågning af CPET og SctO₂

1. Fortæl patienten at hvile i mindst 2 min for at opnå en stabil baselineværdi, herunder SctO₂ og respiratorisk udvekslingsforhold.
2. Har patienten fuldføre opvarmningen fase på en arbejdshastighed på 10 W for 1 min på cyklus ergometer.
3. Forøg hastigheden med 10 W/min og bede patienten om at pedalere på omkring 60 rpm indtil undlader at holde op med en kadence > 50 rpm trods stærk opmuntring (symptom-begrænset motion test).
4. Gennemsnitlig SctO₂ værdi hvert sekund automatisk fra data scannet med frekvensen af 100 Hz.
5. Mål blodtrykket hver 2 min automatisk ved sphygmomanometer.
6. Analysér gaskomponentens åndedrag ved indånding, herunder VO₂ og tidevands kuldioxid tryk (P_etCo₂).
7. Har patienten fuldføre gendannelses stadiet med en arbejdshastighed på 0 W for 2-6 min.

Representative Results

34 HF-patienter og 17 raske Kontroller blev indskrevet på Linkou Chang gung Memorial Hospital, Taiwan. Hvert emne gennemgik kardiopulmonære motion test, der inkorporerede SctO₂ overvågning af NIRS. Kort, SctO₂ (rest; peak) værdier var signifikant lavere i HF-gruppen (66,3 ± 13,3%; 63,4 ± 13,8%,) end i kontrol (73,1 ± 2,8%; 72 ± 3,2%) gruppe (figur 1). I HF-gruppen var SctO₂ i hvile (scto_2rest) og Peak scto₂ (scto_2peak) lineært korreleret med hjernen NATRIURETISK peptid (BNP), vo_2peakog Oues (r af-0,561 til 0,677, p < 0,001) ( Figur 2). Især blev SctO_2rest bestemt af partialtrykket af p_etCo₂ i rest (p_etCo_2rest), hæmoglobin og gennemsnitligt arterielt tryk i hvile (kort_hvile) (justeret R = 0,681, p < 0,05 på trinvis lineær regression) (tabel 1). De vigtigste resultater er illustreret i figur 3.

Figur 1: boks parceller af SctO_2rest og scto_2PEAK i HF og kontrolgrupper. Både SctO₂ -værdier i hvile og Peak motion var signifikant lavere i HF-gruppen end i kontrolgruppen. Tilpasset fra Chen et al.⁴. * p < 0,05, HF vs. kontrol, gentagen foranstaltning ANOVA. # p < 0,05, SctO_2rest HF vs. kontrol, parret t-test. † p < 0,05, SctO_2peak HF vs. Control, parret t-test. SctO_2rest: cerebral væv ilt mætning i hvile; SctO_2peak: cerebral væv ilt mætning ved peak motion. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: scatter plots af SctO_2rest og scto_2PEAK versus VO_2PEAK, BNP og Oues. SctO_2rest (venstre panel) og scto_2peak (højre panel) værdier var lineært KORRELERET med VO_2peak, BNP, og Oues. Tilpasset fra Chen et al.⁴ scto₂: cerebral væv oxygenmætning; VO₂: iltforbrug; BNP: hjernen natriuretisk peptid; OUES: oxygenoptagelse effektivitet hældning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: illustration af den mulige prognostiske værdi af cerebral desaturation og dets fysiologiske grundlag hos patienter med HF. SctO₂, især ved peak motion, var KORRELERET med VO_2peak, BNP, og Oues. Scto_2rest blev bestemt af P_etCo_2rest, hæmoglobin og kort_hvile, mens den vigtigste afgørende for scto_2peak var VCO_2peak. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

		ß	T	P (ß)	R	ΔR2	F
Model 1					0,593	0,352	14,679 *
Petco2rest		0,593	3,831	0,001
Model 2					0,639	0,056	19,257 *
Petco2rest		0,552	3,757	0,001
Hb		0,314	2,14	0,042
Model 3					0,681	0,056	25,009 *
Petco2rest		0,517	3,804	0,001
Hb		0,331	2,451	0,022
KORThvile		0,323	2,398	0,024
Petco2, det delvise tryk i slutningen af tidevands trykket af co2; HB, hæmoglobin; KORT, gennemsnitligt arterielt tryk
* p < 0,05; p-værdien indikerer den overordnede betydning af den lineære regressionsmodel
P (ß): p-værdi for ß; R og ΔR2 er justerede værdier

Tabel 1: trinvis regression af SctO_2rest i HF-gruppen. Tilpasset fra Chen et al.⁴. SctO₂: cerebral væv ilt mætning. HF: hjertesvigt.

Discussion

Cerebral iltning overvåges noninvasivt og kontinuerligt af NIRS er blevet anvendt i forskellige scenarier, herunder hjerte-kar-kirurgi¹³ og hjernens funktionelle analyser som dem, der estimerer neurale aktivitet¹⁴. Denne protokol integreret NIRS i konventionelle CPET at identificere inddragelsen af cerebral hæmodynamiske respons i motion intolerance hos patienter med HF. Det øger værdien af motion test til bestemmelse af prognose og sygdoms sværhedsgrad.

Kardiel dysfunktion blev betragtet som den vigtigste årsag til motion intolerance hos patienter med HF¹⁵. Ikke desto mindre, kliniske undersøgelser viste, at inotrop eller vasodilatoriske agenter undladt at øge motion kapacitet¹⁶, og sammenslutningen mellem hvile hjertefunktion og Peak ilt forbrug er svag¹⁷. Derfor er kardiel dysfunktion ikke den eneste årsag til motion intolerance hos patienter med HF.

Den nedsatte cerebral perfusion og iltning under motion er blevet påvist hos patienter, hvis kardiale effekt ikke normalt stiger^18,19, hvilket tyder på, at den cerebral hypoperfusion delvis er forårsaget af den bluntede kardiale udgang øges under træningen. Reduceret frontal cortex iltning svækket den kraft skabende kapacitet af den perifere arbejds muskel, og dermed begrænse motion ydeevne²⁰. Desuden er den undertrykte cerebral Hæmodynamik under motion forbundet med ventilatorisk abnormitet, hvilket reducerer den funktionelle kapacitet hos patienter med HF²¹. Desuden er SctO₂ korreleret med peak VO₂ og Oues samt BNP, som alle er ANERkendte markører for HF-sværhedsgrad og prognose⁴.

Anstrengelse cerebral hypoperfusion²¹ er forårsaget af kardiel output insufficiens samt udøver hyperventilation, som reducerer alveolær PCO₂ og den efterfølgende PaCO₂, et respons, der kan yderligere fremkalde cerebral vasokonstriktion under træning^22,23,24. En tidligere undersøgelse viste, at PaCO₂ er positivt lineært korreleret med en CBF på 15-60 mmHg²⁵. Faktisk er det den vigtigste fysiologisk afgørende af scto₂⁴. Scto₂ påvirkes også af hæmoglobin og kort⁴, der påvirker arteriel iltkoncentration og cerebral perfusion, henholdsvis^26,27. Man kan hævde, at anæmi fører til øget gennemsnitlige optiske sti længde og kan påvirke gyldigheden af SctO₂ måling af NIRS. En tidligere undersøgelse har allerede vist, at SctO₂ målt ved fase løst spektroskopi ikke ændrede signifikant som reaktion på ændringen af hæmoglobinkoncentrationen i en hjertekirurgi²⁸.

På trods af de høje reproducerbarhed og validitet af NIRS målinger i hviletilstand er gyldigheden af denne anordning i HF-populationen under træningen ikke fastlagt. Ikke desto mindre blev de forskellige kombinationer af end-Tidal O₂ og co₂ simuleret i en tidligere valideringsundersøgelse, som delvis svarer til motion status²⁹. Stigningen eller reduktionen af hudens blodgennemstrømning ved peak motion hos patienter med HF kan overvurdere eller undervurdere den sande værdi af cerebral iltning i panden^30,31. Ligegyldigt hvad, det faktum, at lav SctO₂ MÅLT af NIRS på panden er en potentielt negativ prognose faktor baseret på det aktuelle resultat, er blevet etableret, bortset fra, at den målte scto₂ værdi ikke kun repræsenterer cerebral iltning på frontal lap, men også hud blodgennemstrømning på panden til en vis grad. Udover, ekstrakranial melanin kan absorbere lys og dermed dæmpe signalet, selv om scto₂ blev beregnet ud fra koncentrationen af oxy-og deoxyhæmoglobin og påvirkes mindre af huden melanin⁸. Tid-løst spektroskopi-NIRS kan løse ovennævnte problem til en vis grad. Men, standard NIRS er temmelig lettere for klinisk anvendelse. Endelig er der behov for en longitudinel undersøgelse for at bekræfte den prognostiske værdi af SctO₂ hos patienter med HF.

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