Summary
Questo protocollo integrava la spettroscopia nel vicino infrarosso nei test di esercizio cardiopolmonare convenzionali per identificare il coinvolgimento della risposta emodinamica cerebrale nell'intolleranza all'esercizio in pazienti con insufficienza cardiaca.
Abstract
L'ipoossigenazione cerebrale durante il riposo o l'esercizio influisce negativamente sulla capacità di esercizio dei pazienti con insufficienza cardiaca con frazione di espulsione ridotta (HF). Tuttavia, nei test clinici di esercizio cardiopolmonare (CPET), l'emodinamica cerebrale non viene valutata. La NIRS viene utilizzata per misurare la saturazione di ossigeno del tessuto cerebrale (SctO2)nel lobo frontale. Questo metodo è affidabile e valido ed è stato utilizzato in diversi studi. La SctO2 è più bassa sia durante il riposo che l'esercizio di picco nei pazienti con HF rispetto ai controlli sani (66,3 x 13,3% e 63,4 x 13,8% contro 73,1 x il 2,8% e 72 x 3,2%). SctO2 a riposo è significativamente linearizzato con il picco VO2 (r - 0,602), la pendenza di efficienza di assorbimento dell'ossigeno (r - 0,501), e il peptide natriuretico cerebrale (r -0,492), tutti prognostici riconosciuti e marcatori di gravità della malattia, indicando il suo potenziale valore prognostico. Lo SctO2 è determinato principalmente dalla pressione finale del CO2, dalla pressione arteriosa media e dall'emoglobina nella popolazione HF. Questo articolo illustra un protocollo che integra SctO2 utilizzando NIRS in CPET incrementale su un ergometro di biciclette calibrato.
Introduction
Il test di esercizio cardiopolmonare (CPET) è stato applicato in pazienti con insufficienza cardiaca con frazione di espulsione ridotta (HF) per molteplici scopi, tra cui la quantificazione della forma fisica cardiopolmonare, la prognosi, la diagnosi delle cause di limitazioni dell'esercizio fisico e prescrizioni di esercizi1,2,3. Durante i test, le variabili emodinamiche e i dati derivati dallo scambio automatico di gas vengono monitorati e analizzati. Il monitoraggio della saturazione di ossigeno del tessuto cerebrale (SctO2)ha un valore per la prognosi della classificazione e la gravità della malattia4,5.
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) utilizza la luce infrarossa per penetrare nel cranio e stimare l'ossigenazione del tessuto cerebrale continuamente e non invasiva6. Poiché l'ossiemoglobina e la deossiemoglobina hanno diversi spettri di assorbimento della luce e sono i cromofori primari che assorbono la luce, le loro concentrazioni possono essere misurate utilizzando la trasmissione della luce e l'assorbimento6,7. Tuttavia, anche gli assorbitori di luce di fondo disperdono la luce e possono influenzare la misurazione8. Questo studio ha adottato un NIRS risolto spazialmente per misurare SctO2 dal riposo al picco dell'esercizio9. Sono state emesse quattro lunghezze d'onda per compensare le perdite di dispersione dipendenti dalla lunghezza d'onda ed eliminare le interferenze di fondo, migliorando così la precisione10.
SctO2 rappresenta la percentuale di erogazione di ossigeno rispetto al consumo nel tessuto cerebrale. La desaturazione cerebrale è associata a un flusso sanguigno cerebrale interrotto (CBF), a una diminuzione della concentrazione di ossigeno arterioso e a un aumento del consumo di ossigeno del tessuto cerebrale11. Oltre all'insufficienza di uscita cardiaca, l'HF avanzato causa l'ipoperfusione cerebrale durante l'esercizio inducendo indirettamente vasoconstriction cerebrale attraverso la diminuzione della pressione arteriosa parziale dell'anidride carbonica (PaCO2) attraverso l'iperventilazione 12.
Il significato clinico dell'ossigenazione cerebrale in HF è stato rivelato da Chen et al.4. In primo luogo, sctO2 è stato significativamente diminuito nel gruppo HF rispetto ai controlli sani. SctO2 non solo è diminuito a riposo, ma anche diminuito ulteriormente durante l'esercizio. Non è osservato nel gruppo sano. In secondo luogo, SctO2rest e SctO2peak sono stati correlati con VO2peak, peptide natriuretico cerebrale (BNP), e pendenza di efficienza di assorbimento di ossigeno (OUES), tutti i quali sono marcatori prognostici stabiliti. Pertanto, SctO2rest e SctO2peak hanno molto probabilità di essere prognostico e riflettono la gravità della malattia nei pazienti HF. Un altro studio di Koike e altri ha suggerito che il cambiamento nell'ossiemoglobina cerebrale misurato sulla fronte dal riposo al picco di esercizio fisico era significativamente più basso nei non-sopravvissuti rispetto a quello dei sopravvissuti di pazienti con malattia coronarica5. Di conseguenza, l'ossigenazione cerebrale può essere impiegata per stratificare la gravità della malattia e la prognosi dei pazienti con HF.
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Protocol
Il seguente protocollo è stato approvato dal comitato etico del Chang Gung Memorial Hospital, Linkou, Taiwan. Il test di esercizio è stato effettuato in un laboratorio climatizzato con una temperatura atmosferica di 22-25 gradi centigradi, una pressione di 755-770 Torr e un'umidità relativa del 55-65%. Prima di ogni test, l'analizzatore di gas è stato calibrato seguendo le istruzioni del produttore utilizzando l'aria ambiente e una miscela di gas di concentrazione nota (FO2: 0.12; FCO2: 0,05; N2 come saldo). Il misuratore di flusso della turbina del sistema è stato calibrato con il metodo a 2 punti con 0,2 L/s e 2 L/s da un sistema di pompaggio automatico.
1. Preparazione: Posizionamento di sensori e registratori
- Pulire la fronte due volte con un tampinno per rimuovere il sudore e lo sporco dalla pelle.
- Posizionare i sensori NIRS sulla fronte bilateralmente. Utilizzare un sensore di grandi dimensioni in cui la distanza tra emettitore e rivelatore è di 5 cm. La profondità di misura stimata è di 2,5 cm. Assicurarsi che i sensori siano collegati in modo sicuro.
- Fissare macchie di elettrocardiografia al torace anteriore, alle articolazioni acromioclavicolari bilaterali e alla parte bassa della schiena.
- Chiedi al paziente di sedersi sull'ergometro della bicicletta.
- Posizionare il bracciale dello sphygmomanometer.
- Indicare al paziente di indossare la maschera per l'analisi del gas. Assicurarsi che nessun gas fuoriesca attraverso l'orlo della maschera.
- Posizionare i sensori dell'ossimetro dell'impulso sul lobo dell'orecchio e sull'indice del paziente.
2. Monitoraggio CPET e SctO2
- Chiedere al paziente di riposare per almeno 2 min per ottenere un valore di base stabile, tra cui SctO2 e rapporto di scambio respiratorio.
- Chiedere al paziente di completare la fase di riscaldamento ad una velocità di lavoro di 10 W per 1 min sull'ergometro del ciclo.
- Aumentare la velocità di 10 W/min e chiedere al paziente di pedalare a circa 60 rpm fino a non riuscire a tenere il passo con una cadenza >50 rpm nonostante un forte incoraggiamento (test di esercizio sintomo-limitato).
- Calcolare automaticamente la media del valore SctO2 ogni secondo dai dati analizzati alla frequenza di 100 Hz.
- Misurare automaticamente la pressione sanguigna ogni 2 min dallo sphygmomanometer.
- Analizzare il respiro della componente gasale per respiro, inclusa la pressione di biossido di carbonio VO2 e end-tidal (PETCO2).
- Chiedere al paziente di completare la fase di recupero a un tasso di lavoro di 0 W per 2-6 min.
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Representative Results
Trentaquattro pazienti con HF e 17 controlli salutari sono stati arruolati al Linkou Chang Gung Memorial Hospital di Taiwan. Ogni soggetto è stato sottoposto a test di esercizio cardiopolmonare che incorporavano il monitoraggio SctO2 da parte del NIRS. In breve, i valori di SctO2 (riposo; picco) erano significativamente più bassi nel gruppo HF (66,3 x 13,3%; 63,4 x 13,8%), rispetto al controllo (73,1 - 2,8%; 72 x 3,2%) gruppo (Figura 1). Nel gruppo HF, SctO2 a riposo (SctO2rest) e picco SctO2 (SctO2peak) sono stati linearmente correlati con peptide natriuretico cerebrale (BNP), VO2peake OUES (r di -0.561 a 0.677, p < 0.001) ( figura 2). In particolare, la SctO2rest è stata determinata dalla pressione parziale di PETCO2 a riposo (PETCO2rest), emoglobina e pressione arteriosa media a riposo (MAPrest) (regolato R : 0,681, p < 0,05 su regressione lineare graduale) (Tabella 1). I principali risultati sono illustrati nella figura 3.
Figura 1: Box plot di SctO2rest e SctO2peak in HF e gruppi di controllo. Entrambi i valori SctO2 a riposo e di massimo esercizio erano significativamente più bassi nel gruppo HF rispetto al gruppo di controllo. Adattato da Chen etal. -p < 0,05, HF rispetto al controllo, misura ripetuta ANOVA. - p < 0.05, SctO2rest HF rispetto al controllo, abbinato a t-test. - p < 0.05, SctO2peak HF vs controllo, t-test accoppiato. SctO2rest: saturazione dell'ossigeno del tessuto cerebrale a riposo; SctO2peak: saturazione dell'ossigeno del tessuto cerebrale durante l'esercizio di picco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Grafici a dispersione di SctO2rest e SctO2peak contro VO2peak, BNP e OUES. I valori SctO2rest (pannello sinistro) e SctO2peak (pannello destro) sono stati linearmente correlati con VO2peak,BNP e OUES. Adattato da Chen et al.4 SctO2: saturazione di ossigeno del tessuto cerebrale; VO2: consumo di ossigeno; BNP: peptide natriuretico cerebrale; OUES: pendenza di efficienza di assorbimento dell'ossigeno. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Illustrazione del possibile valore prognostico della desaturazione cerebrale e della sua base fisiologica nei pazienti con HF. SctO2, specialmente durante il picco di esercizio, è stato correlato con VO2peak, BNP e OUES. SctO2rest è stato determinato da PETCO2rest, emoglobina e MAPrest, mentre il principale determinante di SctO2peak era VCO2peak. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| ß | T | P(z) | R | R2 | F | ||
| Modello 1 | 0.593 | 0.352 | 14.679* | ||||
| PETCO2rest | 0.593 | 3.831 | 0.001 | ||||
| Modello 2 | 0.639 | 0.056 | 19.257* | ||||
| PETCO2rest | 0.552 | 3.757 | 0.001 | ||||
| Hb | 0.314 | 2.14 | 0.042 | ||||
| Modello 3 | 0.681 | 0.056 | 25.009* | ||||
| PETCO2rest | 0.517 | 3.804 | 0.001 | ||||
| Hb | 0.331 | 2.451 | 0.022 | ||||
| Mappadi riposo | 0.323 | 2.398 | 0.024 | ||||
| PETCO2, le pressioni parziali di CO2di fine marea ; Hb, emoglobina; MAPPA, pressione arteriosa media | |||||||
| p < 0,05; il valore p indica l'importanza complessiva del modello di regressione lineare | |||||||
| P(z): valore p per la z; R eSR 2 sono valori regolati | |||||||
Tabella 1: Regressione graduale di SctO2rest nel gruppo HF. Adattato da Chen etal. SctO2: saturazione di ossigeno del tessuto cerebrale. HF: insufficienza cardiaca.
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Discussion
L'ossigenazione cerebrale monitorata in modo non invasivo e continuo dal NIRS è stata applicata in vari scenari, tra cui la chirurgia cardiovascolare13 e le analisi funzionali del cervello come quelle che stimanol'attivitàneurale 14 . Questo protocollo ha integrato la NIRS nella CPET convenzionale per identificare il coinvolgimento della risposta emodinamica cerebrale nell'intolleranza all'esercizio fisico nei pazienti con HF. Aumenta il valore dei test di esercizio nel determinare la prognosi e la gravità della malattia.
La disfunzione cardiaca è stata considerata la principale causa di intolleranza all'esercizio fisico nei pazienti con HF15. Ciò nonostante, studi clinici hanno dimostrato che gli agenti inotropici o vasodilatori non sono riusciti ad aumentare la capacità di esercizio16, e l'associazione tra la funzione cardiaca a riposo e il consumo di ossigeno di picco è debole17. Di conseguenza, la disfunzione cardiaca non è l'unica causa di intolleranza all'esercizio nei pazienti con HF.
La diminuzione della perfusione cerebrale e dell'ossigenazione durante l'esercizio sono state dimostrate in pazienti la cui uscita cardiaca non riesce ad aumentare normalmente18,19, suggerendo che l'ipoperfusione cerebrale è parzialmente causata dalla aumento dell'uscita cardiaca smussata durante l'esercizio. La riduzione dell'ossigenazione della corteccia frontale ha compromesso la capacità di generazione della forza del muscolo di lavoro periferico, limitando così le prestazioni di esercizio20. Inoltre, l'emodinamica cerebrale soppressa durante l'esercizio è associata ad anomalie ventilatorie, che riduce la capacità funzionale dei pazienti con HF21. Inoltre, SctO2 è correlato con picco VO2 e OUES così come BNP, tutti i quali sono marcatori ben riconosciuti per la gravità HF e prognosi4.
L'ipoperfusione cerebrale di tipo esercitano21 è causata dall'insufficienza di uscita cardiaca e dall'iperventilazione esercitale, che riduce il PCO2 alveolare e la successiva PaCO2,una risposta che può indurre ulteriormente vasoconstriction durantel'esercizio 22,23,24. Uno studio precedente ha dimostrato che PaCO2 è positivamente correlato linearmente con un CBF di 15-60 mmHg25. Infatti, è il principale determinante fisiologico di SctO24. SctO2 è anche colpita da emoglobina e MAP4, influenzando la concentrazione di ossigeno arterioso e perfusione cerebrale, rispettivamente26,27. Si può sostenere che l'anemia porta ad un aumento della lunghezza media del percorso ottico e potrebbe influenzare la validità della misurazione SctO2 da parte del NIRS. Uno studio precedente ha già dimostrato che la SctO2 misurata dalla spettroscopia risolta in fase non ha alterato in modo significativo in risposta al cambiamento della concentrazione di emoglobina in un'operazione cardiaca28.
Nonostante l'elevata riproducibilità e validità delle misurazioni NIRS nello stato di riposo, la validità di questo dispositivo nella popolazione HF durante l'esercizio fisico non è stata stabilita. Ciò nonostante, le diverse combinazioni di fine marea O2 e CO2 sono state simulate in uno studio di convalida precedente, che è in parte simile allo stato di esercizio29. L'aumento o la diminuzione del flusso sanguigno della pelle durante l'esercizio di picco in pazienti con HF potrebbe sopravvalutare o sottovalutare il vero valore dell'ossigenazione cerebrale sulla fronte30,31. Non importa cosa, è stato stabilito il fatto che il basso SctO2 misurato da NIRS sulla fronte sia un fattore prognostico potenzialmente negativo basato sul risultato attuale, tranne che il valore SctO2 misurato non rappresenta solo l'ossigenazione cerebrale nel lobo frontale, ma anche il flusso del sangue della pelle sulla fronte in un certo grado. Inoltre, la melanina extracranica può assorbire la luce e quindi attenuare il segnale, anche se SctO2 è stato calcolato dalla concentrazione di ossi- e deossiemoglobina ed è influenzato meno dalla melanina della pelle8. Spettroscopia risolta nel tempo - NIRS può risolvere il problema di cui sopra in una certa misura. Tuttavia, la NIRS standard è piuttosto più facile per l'applicazione clinica. Infine, è necessario uno studio longitudinale per confermare il valore prognostico di SctO2 nei pazienti con HF.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Il paziente che ha partecipato all'esame di esercizio è profondamente apprezzato. Questa ricerca è stata sostenuta dal National Science Council, Taiwan (NMRPG3G6231/2/3), Chang Gung Memorial Hospital (Grant No. CMRPG3G0601/2), e Healthy Aging Research Center, Chang Gung University e il Taiwan Ministry of Education Higher Plowing Program (Grant Numbers EMRPD1H0351 e 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 |
References
- Balady, G. J., et al. Clinician's Guide to cardiopulmonary exercise testing in adults: a scientific statement from the American Heart Association. Circulation. 122 (2), 191-225 (2010).
- Corra, U., et al. Cardiopulmonary exercise testing in systolic heart failure in 2014: the evolving prognostic role: a position paper from the committee on exercise physiology and training of the heart failure association of the ESC. European Journal of Heart Failure. 16 (9), 929-941 (2014).
- Malhotra, R., Bakken, K., D'Elia, E., Lewis, G. D. Cardiopulmonary Exercise Testing in Heart Failure. JACC Heart Fail. 4 (8), 607-616 (2016).
- Chen, Y. J., et al. Cerebral desaturation in heart failure: Potential prognostic value and physiologic basis. PloS One. 13 (4), e0196299 (2018).
- Koike, A., et al. Clinical significance of cerebral oxygenation during exercise in patients with coronary artery disease. Circulation Journal. 72 (11), 1852-1858 (2008).
- Madsen, P. L., Secher, N. H. Near-infrared oximetry of the brain. Progress in Neurobiology. 58 (6), 541-560 (1999).
- Wahr, J. A., Tremper, K. K., Samra, S., Delpy, D. T. Near-infrared spectroscopy: theory and applications. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 10 (3), 406-418 (1996).
- Fischer, G. W. Recent advances in application of cerebral oximetry in adult cardiovascular surgery. Seminars in Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 12 (1), 60-69 (2008).
- Benni, P. B., MacLeod, D., Ikeda, K., Lin, H. M. A validation method for near-infrared spectroscopy based tissue oximeters for cerebral and somatic tissue oxygen saturation measurements. Journal of Clinical Monitoring and Computing. 32 (2), 269-284 (2018).
- Strangman, G., Boas, D. A., Sutton, J. P. Non-invasive neuroimaging using near-infrared light. Biological Psychiatry. 52 (7), 679-693 (2002).
- Ide, K., Secher, N. H. Cerebral blood flow and metabolism during exercise. Progress in Neurobiology. 61 (4), 397-414 (2000).
- Immink, R. V., Secher, N. H., van Lieshout, J. J. Cerebral autoregulation and CO2 responsiveness of the brain. American Journal of Physiology: Heart and Circulatory Physiology. 291 (4), H2018 (2006).
- Chan, M. J., Chung, T., Glassford, N. J., Bellomo, R. Near-Infrared Spectroscopy in Adult Cardiac Surgery Patients: A Systematic Review and Meta-Analysis. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 31 (4), 1155-1165 (2017).
- Sakudo, A. Near-infrared spectroscopy for medical applications: Current status and future perspectives. Clinica Chimica Acta. 455, 181-188 (2016).
- Crimi, E., Ignarro, L. J., Cacciatore, F., Napoli, C. Mechanisms by which exercise training benefits patients with heart failure. Nature Reviews: Cardiology. 6 (4), 292-300 (2009).
- Pina, I. L., et al. Exercise and heart failure: A statement from the American Heart Association Committee on exercise, rehabilitation, and prevention. Circulation. 107 (8), 1210-1225 (2003).
- Franciosa, J. A., Park, M., Levine, T. B. Lack of correlation between exercise capacity and indexes of resting left ventricular performance in heart failure. American Journal of Cardiology. 47 (1), 33-39 (1981).
- Koike, A., et al. Cerebral oxygenation during exercise and exercise recovery in patients with idiopathic dilated cardiomyopathy. American Journal of Cardiology. 94 (6), 821-824 (2004).
- Koike, A., et al. Cerebral oxygenation during exercise in cardiac patients. Chest. 125 (1), 182-190 (2004).
- Amann, M., et al. Arterial oxygenation influences central motor output and exercise performance via effects on peripheral locomotor muscle fatigue in humans. Journal of Physiology. 575 (Pt 3), 937-952 (2006).
- Fu, T. C., et al. Suppression of cerebral hemodynamics is associated with reduced functional capacity in patients with heart failure. American Journal of Physiology: Heart and Circulatory Physiology. 300 (4), H1545-H1555 (2011).
- Myers, J., et al. The lowest VE/VCO2 ratio during exercise as a predictor of outcomes in patients with heart failure. Journal of Cardiac Failure. 15 (9), 756-762 (2009).
- Wasserman, A. J., Patterson, J. L. The cerebral vascular response to reduction in arterial carbon dioxide tension. Journal of Clinical Investigation. 40, 1297-1303 (1961).
- Ross, A., Marco, G., Jonathan, M. Ventilatory Abnormalities During Exercise in Heart Failure: A Mini Review. Current Respiratory Medicine Reviews. 3 (3), 179-187 (2007).
- Herholz, K., et al. Regional cerebral blood flow in man at rest and during exercise. Journal of Neurology. 234 (1), 9-13 (1987).
- Karlman Wasserman, J. E. H., Sue, D. Y., Stringer, W. W., Whipp, B. J. Principles of Exercise Testing and Interpretation: Including Pathophysiology and Clinical Applications. , 5th ed, Lippincott Williams & Wilkins. 285-299 (2011).
- Pott, F., et al. Middle cerebral artery blood velocity during rowing. Acta Physiologica Scandinavica. 160 (3), 251-255 (1997).
- Yoshitani, K., et al. Measurements of optical pathlength using phase-resolved spectroscopy in patients undergoing cardiopulmonary bypass. Anesthesia and Analgesia. 104 (2), 341-346 (2007).
- MacLeod, D. I., Ikeda, K., Cheng, C., Shaw, A. Validation of the Next Generation FORE-SIGHT Elite Tissue Oximeter for Adult Cerebral Tissue Oxygen Saturation. Anesthesia and Analgesia. 116 (SCA Suppl), (2013).
- Davie, S. N., Grocott, H. P. Impact of extracranial contamination on regional cerebral oxygen saturation: a comparison of three cerebral oximetry technologies. Anesthesiology. 116 (4), 834-840 (2012).
- Ogoh, S., et al. A decrease in spatially resolved near-infrared spectroscopy-determined frontal lobe tissue oxygenation by phenylephrine reflects reduced skin blood flow. Anesthesia and Analgesia. 118 (4), 823-829 (2014).
