Integrazione del monitoraggio della saturazione dei tessuti cerebrali nei test di esercizio cardiopolmonare in pazienti con insufficienza cardiaca

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.

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 CO_2, 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.

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 esercizi^1,2,3. 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 malattia^4,5.

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'assorbimento^6,7. 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, SctO_2rest e SctO_2peak sono stati correlati con VO_2peak, peptide natriuretico cerebrale (BNP), e pendenza di efficienza di assorbimento di ossigeno (OUES), tutti i quali sono marcatori prognostici stabiliti. Pertanto, SctO_2rest e SctO_2peak 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.

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

1. Pulire la fronte due volte con un tampinno per rimuovere il sudore e lo sporco dalla pelle.
2. 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.
3. Fissare macchie di elettrocardiografia al torace anteriore, alle articolazioni acromioclavicolari bilaterali e alla parte bassa della schiena.
4. Chiedi al paziente di sedersi sull'ergometro della bicicletta.
5. Posizionare il bracciale dello sphygmomanometer.
6. Indicare al paziente di indossare la maschera per l'analisi del gas. Assicurarsi che nessun gas fuoriesca attraverso l'orlo della maschera.
7. Posizionare i sensori dell'ossimetro dell'impulso sul lobo dell'orecchio e sull'indice del paziente.

2. Monitoraggio CPET e SctO₂

1. Chiedere al paziente di riposare per almeno 2 min per ottenere un valore di base stabile, tra cui SctO₂ e rapporto di scambio respiratorio.
2. Chiedere al paziente di completare la fase di riscaldamento ad una velocità di lavoro di 10 W per 1 min sull'ergometro del ciclo.
3. 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).
4. Calcolare automaticamente la media del valore SctO₂ ogni secondo dai dati analizzati alla frequenza di 100 Hz.
5. Misurare automaticamente la pressione sanguigna ogni 2 min dallo sphygmomanometer.
6. Analizzare il respiro della componente gasale per respiro, inclusa la pressione di biossido di carbonio VO₂ e end-tidal (P_ETCO₂).
7. Chiedere al paziente di completare la fase di recupero a un tasso di lavoro di 0 W per 2-6 min.

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 (SctO_2rest) e picco SctO₂ (SctO_2peak) sono stati linearmente correlati con peptide natriuretico cerebrale (BNP), VO_2peake OUES (r di -0.561 a 0.677, p < 0.001) ( figura 2). In particolare, la SctO_2rest è stata determinata dalla pressione parziale di P_ETCO₂ a riposo (P_ETCO_2rest), emoglobina e pressione arteriosa media a riposo (MAP_rest) (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 SctO_2rest e SctO_2peak 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 et^al. -p < 0,05, HF rispetto al controllo, misura ripetuta ANOVA. - p < 0.05, SctO_2rest HF rispetto al controllo, abbinato a t-test. - p < 0.05, SctO_2peak HF vs controllo, t-test accoppiato. SctO_2rest: saturazione dell'ossigeno del tessuto cerebrale a riposo; SctO_2peak: 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 SctO_2rest e SctO_2peak contro VO_2peak, BNP e OUES. I valori SctO_2rest (pannello sinistro) e SctO_2peak (pannello destro) sono stati linearmente correlati con VO_2peak,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 VO_2peak, BNP e OUES. SctO_2rest è stato determinato da P_ETCO_2rest, emoglobina e MAP_rest, mentre il principale determinante di SctO_2peak era VCO_2peak. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1: Regressione graduale di SctO_2rest nel gruppo HF. Adattato da Chen et^al. SctO₂: saturazione di ossigeno del tessuto cerebrale. HF: insufficienza cardiaca.

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 stimano^l'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 normalmente^18,19, 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 PaCO_2,una risposta che può indurre ulteriormente vasoconstriction durante^{l'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, rispettivamente^26,27. 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 fronte^30,31. 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.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

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).