Summary

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

Published: October 01, 2019
doi:

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 svårighetsgrad4,5.

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, scto2rest och scto2peak var korrelerade med VO2peak, Brain natriuretiska peptid (BNP), och syre upptagningsförmåga effektivitet lutning (oues), som alla är etablerade prognostiska markörer. Därför är SctO2rest och scto2peak 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.

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 k…

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 (scto2rest) och Peak scto2…

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 svårigh…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Malhotra, R., Bakken, K., D’Elia, E., Lewis, G. D. Cardiopulmonary Exercise Testing in Heart Failure. JACC Heart Fail. 4 (8), 607-616 (2016).
  4. Chen, Y. J., et al. Cerebral desaturation in heart failure: Potential prognostic value and physiologic basis. PloS One. 13 (4), e0196299 (2018).
  5. Koike, A., et al. Clinical significance of cerebral oxygenation during exercise in patients with coronary artery disease. Circulation Journal. 72 (11), 1852-1858 (2008).
  6. Madsen, P. L., Secher, N. H. Near-infrared oximetry of the brain. Progress in Neurobiology. 58 (6), 541-560 (1999).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Strangman, G., Boas, D. A., Sutton, J. P. Non-invasive neuroimaging using near-infrared light. Biological Psychiatry. 52 (7), 679-693 (2002).
  11. Ide, K., Secher, N. H. Cerebral blood flow and metabolism during exercise. Progress in Neurobiology. 61 (4), 397-414 (2000).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Sakudo, A. Near-infrared spectroscopy for medical applications: Current status and future perspectives. Clinica Chimica Acta. 455, 181-188 (2016).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Koike, A., et al. Cerebral oxygenation during exercise in cardiac patients. Chest. 125 (1), 182-190 (2004).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Herholz, K., et al. Regional cerebral blood flow in man at rest and during exercise. Journal of Neurology. 234 (1), 9-13 (1987).
  26. 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. , 285-299 (2011).
  27. Pott, F., et al. Middle cerebral artery blood velocity during rowing. Acta Physiologica Scandinavica. 160 (3), 251-255 (1997).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).

Play Video

Cite This Article
Huang, S., Chen, C. P., Fu, T., Chen, Y. Integration of Brain Tissue Saturation Monitoring in Cardiopulmonary Exercise Testing in Patients with Heart Failure. J. Vis. Exp. (152), e60289, doi:10.3791/60289 (2019).

View Video