Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Интеграция мониторинга насыщения тканей мозга в сердечно-легочных упражнений тестирования у пациентов с сердечной недостаточностью

Published: October 1, 2019 doi: 10.3791/60289
Automatic Translation
1,2,3, 1,3, 4, 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

Этот протокол интегрировал ближнеинфракрасную спектроскопию в обычные кардиолегочные упражнения тестирования для выявления участия церебральной гемодинамической реакции в непереносимости упражнений у пациентов с сердечной недостаточностью.

Abstract

Церебральная гипооксиция во время отдыха или физических упражнений негативно влияет на способность пациентов с сердечной недостаточностью с уменьшенной фракцией выброса (HF). Однако при клинических сердечно-легочных упражнениях (КПЕТ) гемодинамика головного мозга не оценивается. NIRS используется для измерения насыщения кислородом мозговой ткани (SctO2) в лобной доле. Этот метод является надежным и действительным и был использован в нескольких исследованиях. SctO2 ниже во время отдыха и пиковых упражнений у пациентов с HF, чем при здоровых средствах управления (66,3 и 13,3% и 63,4 и 13,8% против 73,1 и 2,8% и 72 и 3,2%). SctO2 в состоянии покоя значительно линейно коррелирует с пиковым VO2 (р 0,602), склоном эффективности поглощения кислорода(р 0,501) и натриуретическим пептидом мозга(р -0.492), все из которых признаны прогностизными и тяжести заболевания маркеров, указывая на его потенциальную прогностичку значение. SctO2 определяется главным образом конечным давлением CO2, средним артериальным давлением и гемоглобином в популяции ГФ. В этой статье демонстрируется протокол, который интегрирует SctO2 с помощью NIRS в дополнительный CPET на калиброванный эргометр велосипеда.

Introduction

Сердечно-легочные упражнения тестирования (CPET) была применена у пациентов с сердечной недостаточностью с уменьшенной фракции выброса (HF) для нескольких целей, в том числе количественное смягчение сердечно-легочной пригодности, прогноз, диагностика причин физических ограничений, и осуществлять рецепты1,2,3. В ходе тестирования отслеживаются и анализируются гемодинамические переменные и данные, полученные из автоматического газообмена. Церебральная ткань насыщения кислородом (SctO2) мониторинг имеет значение для классификации прогнозиза и тяжести заболевания4,5.

Ближайская инфракрасная спектроскопия (NIRS) использует инфракрасный свет, чтобы проникнуть в череп и оценить оксигенацию тканей мозга непрерывно и неинвазивно6. Так как оксигемоглобин и дезоксигемоглобин имеют различные спектры поглощения света и являются первичными хромофорами, которые поглощают свет, их концентрации могут быть измерены с помощью передачи света и поглощения6,7. Тем не менее, поглотители фоновых ламп также рассеивают свет и могут влиять на измерение8. Это исследование приняло пространственно решенni решения NIRS для измерения SctO2 от отдыха до пика упражнения9. Четыре длины волн были испущены, чтобы компенсировать потери рассеяния, зависящие от длины волны, и устранить фоновые помехи, тем самым повышая точность10.

SctO2 представляет собой долю доставки кислорода по сравнению с потреблением в мозговой ткани. Церебральный десатурия связана с нарушением мозгового кровотока (CBF), снижениеартерии концентрации кислорода артерий, и увеличение потребления кислорода мозговой ткани11. Помимо сердечной недостаточности выхода, передовые HF вызывает церебральную гипоперфузию во время физических упражнений, косвенно вызывая сосудосуживание головного мозга через уменьшение артериального частичного давления углекислого газа (PaCO2) через гипервентиляцию 12.

Клиническое значение оксигенации головного мозга в HF было выявлено Чэнь и др.4. Во-первых, SctO2 значительно снизился в группе HF по сравнению со здоровыми элементами управления. SctO2 не только уменьшается в состоянии покоя, но и снижается далее во время физических упражнений. Не наблюдается в здоровой группе. Во-вторых, SctO2rest и SctO2peak были коррелированы с VO2peak,натриуретическим пептидом мозга (BNP) и склоном эффективности поглощения кислорода (OUES), все из которых установлены прогностическому маркеру. Таким образом, SctO2rest и SctO2peak, скорее всего, будет прогностичным и отражают тяжесть заболевания у пациентов СФ. Другое исследование Koike et al. показало, что изменение оксигемоглобина головного мозга, измеряемого на лбу от отдыха до пиковых упражнений, было значительно ниже у невыживших, чем у выживших пациентов с ишемической болезнью сердца5. Следовательно, оксигенация головного мозга может быть использована для расслоения тяжести заболевания и прогноза пациентов с HF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Следующий протокол был одобрен комитетом по этике в Мемориальном госпитале Чан Гун, Линку, Тайвань. Упражнение проводилось в лаборатории с кондиционером с температурой атмосферы 22-25 градусов по Цельсию, давлением от 755 до 770 Торр, относительной влажностью 55-65%. Перед каждым испытанием анализатор газа калибрулся по инструкции производителя с использованием комнатного воздуха и газовой смеси известной концентрации (FO2: 0.12; FCO2: 0,05; N2 как баланс). Измеритель потока турбины системы был откалиброван 2-точечным методом с 0,2 л/с и 2 л/с системой автоматической накачки.

1. Подготовка: Размещение датчиков и самописцев

  1. Очистите лоб дважды с алкоголем площадку для удаления пота и грязи с кожи.
  2. Поместите датчики NIRS на лоб на двусторонней основе. Используйте большой датчик, в котором расстояние между излучателем и детектором составляет 5 см. Предполагаемая измерительная глубина составляет 2,5 см. Убедитесь, что датчики надежно прикреплены.
  3. Прикрепите участки электрокардиографии к передней груди, двусторонним акромиклавикулярным суставам и нижней части спины.
  4. Попроси пациента сесть на велосипедный эргометр.
  5. Поместите повязку сфигмоманометра.
  6. Поручите пациенту надеть маску для анализа газа. Убедитесь, что газ не протекает через край маски.
  7. Поместите датчики оксиметра пульса на меку уха и указательный палец пациента.

2. Мониторинг КПЕТ и SctO2

  1. Скажите пациенту отдохнуть, по крайней мере 2 мин, чтобы получить стабильное базовое значение, в том числе SctO2 и респираторный обменный коэффициент.
  2. Попросите пациента завершить этап разминки с рабочей скоростью 10 Вт в течение 1 мин на эргометре цикла.
  3. Увеличьте скорость на 10 Вт / мин и попросите пациента крутить педали около 60 об / мин до тех пор, пока не в ногу с каденцией йgt;50 об / мин, несмотря на сильное поощрение (симптом-ограниченное тестирование упражнений).
  4. Среднее значение SctO2 каждую секунду автоматически от данных, отсканированных с частотой 100 Гц.
  5. Измерьте кровяное давление каждые 2 минуты автоматически сфигмоманометром.
  6. Проанализируйте дыхание газового компонента дыханием, включая VO2 и давление двуокиси углерода (PETCO2).
  7. Попросите пациента завершить этап восстановления с рабочей скоростью 0 Вт в течение 2-6 мин.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Тридцать четыре пациента HF и 17 здоровых элементов управления были зачислены в Линку Чан Гюн Мемориал больницы, Тайвань. Каждый предмет прошел сердечно-легочные испытания упражнения, которые включали SctO2 мониторинга NIRS. Короче говоря, значения SctO2 (отдых; пик) были значительно ниже в группе HF (66,3 и 13,3%; 63,4 и 13,8%), чем в контрольном (73,1 и 2,8%; 72 и 3,2%) группа(Рисунок 1). В группе HF, SctO2 в покое (SctO2rest) и пик SctO2 (SctO2peak) были линейно коррелируют с натриуретическим пептидом мозга (BNP), VO2peak, и OUES(р от -0,561 до 0,677, стр. 001) ( Рисунок 2). Примечательно, что SctO2rest определялся частичным давлением PETCO2 в состоянии покоя (PETCO2rest),гемоглобином, и средним артериальным давлением в состоянии покоя (MAPrest)(скорректированный R 0.681, р-эт;; 0.05 на пошаговой линейной регрессии)(Таблица 1). Основные выводы иллюстрируются на рисунке 3.

Figure 1
Рисунок 1: Box участков SctO2rest и SctO2peak в HF и контрольных группах. Оба значения SctO2 в состоянии покоя и пик упражнений были значительно ниже в группе HF, чем в контрольной группе. Адаптировано из Чэнь и др.4. - р-л; 0,05, HF против контроля, повторяющиеся меры ANOVA. - стр. 0;; 0,05, SctO2rest HF против управления, парный t-тест. - стр. 0,05, SctO2peak HF против управления, парный t-тест. SctO2rest: насыщение кислородом мозговой ткани в состоянии покоя; SctO2peak: насыщение кислородом мозговой ткани при пиковых упражнениях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Рассеяние участков SctO2rest и SctO2peak против VO2peak,BNP и OUES. Значения SctO2rest (левая панель) и SctO2peak (правая панель) были линейно коррелированы с VO2peak,BNP и OUES. Адаптировано из Chen et al.4 SctO2:насыщение кислородом мозговой ткани; VO2: потребление кислорода; BNP: натриуретический пептид мозга; OUES: склон эффективности поглощения кислорода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Иллюстрация возможного прогнозного значения дезнасыщенности головного мозга и его физиологической основы у пациентов с HF. SctO2, особенно на пике упражнений, коррелировал с VO2peak, BNP и OUES. SctO2rest был определен PETCO2rest,гемоглобин, и MAPотдыха, в то время как основным определяющим фактором SctO2peak был VCO2peak. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

ß T P (я) R R2 F
Модель 1 0.593 0.352 14.679*
PETCO2rest 0.593 3.831 0.001
Модель 2 0.639 0.056 19.257*
PETCO2rest 0.552 3.757 0.001
Hb 0.314 2.14 0.042
Модель 3 0.681 0.056 25.009*
PETCO2rest 0.517 3.804 0.001
Hb 0.331 2.451 0.022
Отдых MAP 0.323 2.398 0.024
PETCO2, конечно-приливное частичное давление CO2; Hb, гемоглобин; MAP, среднее артериальное давление
- стр. 0,05; р-значение указывает на общее значение модели линейной регрессии
P(я): р-значение для R и R2 являются скорректированными значениями

Таблица 1: Шаговая регрессия SctO2rest в группе HF. Адаптировано из Чэнь и др.4. SctO2: насыщение кислородом мозговой ткани. HF: сердечная недостаточность.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Церебральная оксигенация контролируется неинвазивно и непрерывно NIRS была применена в различных сценариях, в том числе сердечно-сосудистой хирургии13 и мозга функциональных анализов, таких как те, которые оценивают нейронной активности14. Этот протокол интегрировал NIRS в обычный CPET для того чтобы определить запутанность церебрального гемодинамического ответа в непереносимости тренировки в пациентах с HF. Это увеличивает значение тестирования упражнений в определении прогноза и тяжести заболевания.

Сердечная дисфункция считалась основной причиной непереносимости упражнений у пациентов с HF15. Тем не менее, клинические исследования показали, что инотропные или сосудорасширяющие агенты не смогли увеличить способность физических упражнений16, и связь между отдыха сердечной функции и пик потребления кислорода является слабым17. Соответственно, сердечная дисфункция не является единственной причиной непереносимости упражнений у пациентов с HF.

Снижение перфузии головного мозга и оксигенации во время физических упражнений были продемонстрированы у пациентов, чей сердечный выход не в состоянии увеличить обычно18,19, предполагая, что гипоперфузия головного мозга частично вызвана притупленный сердечный выход увеличивается во время физических упражнений. Снижение оксигенации лобной коры нарушает силовую генерирующую способность периферической рабочей мышцы, тем самым ограничивая производительность упражнений20. Кроме того, подавленная церебральная гемодинамика во время физических упражнений связана с аномалией вивательстве, что снижает функциональную способность пациентов с HF21. Кроме того, SctO2 коррелирует с пиковым VO2 и OUES, а также BNP, все из которых являются хорошо признанными маркерами для hF тяжести и прогноз агенноза4.

Напряжение церебральной гипоперфузии мозга21 вызвано сердечной недостаточности выхода, а также гипервентиляции напряжения, которая уменьшает альвеолярный PCO2 и последующие PaCO2, ответ, который может дополнительно вызвать мозговой сосудосуживание во время упражнений22,23,24. Предыдущее исследование показало, что PaCO2 положительно линейно коррелирует с CBF 15-60 mmHg25. На самом деле, это основной физиологиический детерминант SctO24. SctO2 также зависит от гемоглобина и MAP4,влияющих артериальной концентрации кислорода и перфузии головного мозга, соответственно26,27. Можно утверждать, что анемия приводит к увеличению средней оптической длины пути и может повлиять на достоверность измерения SctO2 NIRS. Предыдущее исследование уже показало, что SctO2 измеряется фазовой спектроскопии не изменилось значительно в ответ на изменение концентрации гемоглобина в кардиохирургии28.

Несмотря на высокую воспроизводимость и достоверность измерений NIRS в состоянии покоя, действительность этого устройства в популяции HF во время упражнений не установлена. Тем не менее, различные комбинации конечных приливов O2 и CO2 были смоделированы в предыдущем исследовании проверки, которое отчасти похоже на состояние упражнений29. Увеличение или уменьшение кровотока кожи на пике упражнений у пациентов с HF может переоценить или недооценивать истинное значение мозговой оксигенации на лбу30,31. Независимо от того, что тот факт, что низкий SctO2 измеряется NIRS на лбу является потенциально негативным прогностичным фактором, основанным на настоящем результате, была установлена, за исключением того, что измеренное значение SctO2 не только представляет собой оксигенацию головного мозга на лобной доле, но и поток крови кожи на лбу в определенной степени. Кроме того, внекраниальный меланин может поглощать свет и тем самым смягчать сигнал, хотя SctO2 был рассчитан из концентрации окси- и дезоксигемоглобина и меньше влияет на меланин кожи8. Решенная по времени спектроскопия - NIRS может решить вышеупомянутую проблему в некоторой степени. Тем не менее, стандартные NIRS довольно проще для клинического применения. Наконец, продольное исследование требуется для подтверждения прогноститической ценности SctO2 у пациентов с HF.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Пациент, участвовавший в тестировании упражнений, высоко ценится. Это исследование было поддержано Национальным советом по науке, Тайвань (NMRPG3G6231/2/3), Чан Гюн Мемориальный госпиталь (Грант No. CMRPG3G0601/2), и здорового старения научно-исследовательский центр, Чан Гун университета и Министерства образования Тайваня Высшее образование Глубокой вспашки программы (Грант номера EMRPD1H0351 и 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , 5th ed, Lippincott Williams & Wilkins. 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).

Tags

Медицина Выпуск 152 Церебральная оксигенация Ближнее инфракрасное спектроскопия Упражнение Церебральная перфузия Гипервентиляция Анемия
Интеграция мониторинга насыщения тканей мозга в сердечно-легочных упражнений тестирования у пациентов с сердечной недостаточностью
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Huang, S. C., Chen, C. P., Fu, T.… More

Huang, S. C., Chen, C. P., Fu, T. C., Chen, Y. J. 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter