ITEM METADATA RECORD
Title: The effect of physiological and pathophysiological changes on the neonatal cerebral oxygenation, as measured by near-infrared spectroscopy
Other Titles: Het effect van fysiologische en pathofysiologische veranderingen op de neonatale cerebrale oxygenatie, gemeten met nabij-infrarood spectroscopy
Authors: Vanderhaegen, Joke; S0011456
Issue Date: 5-Feb-2010
Abstract: Prematuur geboren kinderen zijn vatbaar voor het ontwikkelen van cerebra le complicaties, zoals cerebrale hypoxie, wat zoveel betekent als een zu urstoftekort in de hersenen. De belangrijkste oorzaak is een verst oring in het evenwicht tussen de zuurstoftoevoer naar de hersenen en de eigenlijke zuurstofnood van de hersenen. Verschillende factoren kunnen&amp;n bsp; hiertoe bijdragen, zoals een verandering in cerebrale perfusie, als ook een verandering in het hemoglobinegehalte (Hb) of zuurstofsaturatie (SaO2) van het bloed dat de hersenen voorziet. Drie belangrijke vormen v an hypoxie die zo kunnen ontstaan zijn, respectievelijk, anemische hypox ie, hypoxische hypoxie en ischemische hypoxie. Het tijdig detecteren van deze complicaties is van groot belang. Echter, ischemische hypoxie is m oeilijk op te sporen met één enkele klinische monitor. De cerebrale perf usie wordt namelijk geregeld door verscheidene systemische en loka le factoren en bovendien is het niet voldoende om een zicht te hebben en kel op de cerebrale perfusie, maar ook de koppeling met het cerebraal me tabolisme is van belang. De cerebrale oxygenatie weerspiegelt de relatie zuurstoftoevoer/zuurstofnood en kan gemeten worden met behulp van nabij -infrarood spectroscopy (NIRS). Met deze techniek kan tevens de cerebral e perfusie worden geschat. NIRS is reeds gevalideerd in verscheidene die rlijke en humane modellen en goede toepassingen zijn beschreven. Nietteg enstaande kent NIRS beperkingen. Absolute kwantificatie is namelijk niet mogelijk, wat gebruik in de klinische setting moeilijk maakt. Met spatially resolved spectroscopy (SRS) daarentegen kan wel een absolu te waarde worden bekomen: de tissue oxygenation index (TOI), welke corre leert met de veneuze zuurstof saturatie. Wanneer TOI is gemeten en men d e arteriële zuurstof saturatie (SaO2) kent, kan de koppeling tussen zuur stoftoevoer en -verbruik worden berekend als de fractional tissue oxygen extraction (FTOE) = (SaO2-TOI)/SaO2. Deze parameter is reeds gevalideer d in een biggen model. Net als TOI is FTOE een absolute parameter welke op een continue manier kan gemeten worden. NIRS in combinatie met SRS laat toe om de cerebrale oxygenatie op een co ntinue en niet-invasieve manier te meten. Dit is reeds aangetoond in ver scheidene studies in dierlijke en menselijke modellen, in verschillende klinische en experimentele opstellingen. Deze studies tonen tevens aan d at het mogelijk is om met behulp van NIRS en SRS betrouwbare metingen va n de cerebrale oxygenatie uit te voeren in premature kinderen, zelfs ged urende lange meetperiodes. Ondanks twijfel omtrent de gevoeligheid en sp ecificiteit van deze techniek, kan gesteld worden dat indien een NIRS-mo nitor wordt gebruikt in een individuele patient en eerder gezien wordt a ls trendmonitor, veranderingen in TOI en FTOE belangrijke klinische info rmatie kunnen verstrekken. Maar vooraleer deze techniek correct gebruikt kan worden is het belangri jk om te begrijpen hoe veranderingen in TOI en FTOE moeten worden geïnte rpreteerd. Als eerste stap dient hiertoe het effect van fysiologische va riabelen (ie SaO2, bloeddruk, PCO2, glucose) op TOI en FTOE te worden on derzocht. Vervolgens kan de invloed van verscheidene ziektebeelden (path ofysiologieën) en geneesmiddelen op TOI en FTOE worden nagegaan. Deze thesis heeft als doelstelling te werken naar een algemeen schema da t fysiologische en pathofysiologische veranderingen omvat die in acht mo eten worden genomen bij de interpretatie van veranderingen in de met NIR S-gemeten parameters TOI en FTOE. In het eerste luik van ons onderzoek onderzochten we het effect van spon tane veranderingen in fysiologische parameters op TOI en FTOE, in preter me kinderen gedurende de eerste levensdagen. In onze eerste studie onderzochten we of TOI en FTOE kunnen gebruikt wor den voor de detectie van ischemische hypoxie, ie hypoxie veroorzaakt doo r een daling in cerebrale perfusie, welke veroorzaakt kan zijn door een daling in PCO2. We stelden als hypothese dat veranderingen in PCO2 zoude n leiden tot veranderingen in TOI en FTOE. Om dit te onderzoeken hebben we het hartritme (HR), de gemiddelde arteriële bloeddruk (BD), SaO2, tra nscutane PCO2 (tPCO2) en TOI en FTOE (mbv NIRS) continu en niet-invasief gemeten in premature kinderen gedurende de eerste levensdagen. We vonde n een negatieve correlatie tussen tPCO2 en FTOE (r= -0.227) en een posit ieve correlatie tussen tPCO2 en TOI (r= 0.258), wat duidt op een o nevenwicht tussen zuurstoftoevoer en –verbruik. Dit is meest waarschijnl ijk te verklaren door PCO2-geïnduceerde veranderingen in de cerebrale pe rfusie. Onze bevindingen bevestigen de resultaten van eerdere studies in preterme modellen in dier en mens. Afgezien van de invloed van PCO2 op de cerebrale perfusie, moet tevens de invloed van MABP in acht worden ge nomen. Veranderingen in MABP kunnen namelijk leiden tot veranderingen in de cerebrale perfusie wanneer autoregulatie verstoord is, met mogelijke gevolgen voor de cerebrale oxygenatie. In onze studie echter bleek het effect van PCO2 op TOI en FTOE onafhankelijk te zijn van MABP. We kunnen dan ook besluiten dat in mechanisch geventileerde prematuren gedurende de eerste levensdagen, veranderingen in PCO2 ook veranderingen in TOI an d FTOE veroorzaken, onafhankelijk van het eventuele effect van bloeddruk . Het continu monitoren van PCO2 is dus belangrijk om veranderingen in d e cerebrale oxygenatie te kunnen interpreteren. Bovendien kunnen we s tellen dat TOI en FTOE van nut kunnen zijn in de detectie en preventie v an ischemische hypoxie. Een andere vorm van hypoxie is hypoxische hypoxie, ie hypoxie veroorz aakt door een verminderde SaO2. Wanneer dit optreedt zal - ter compensat ie van de verminderde zuurstof beschikbaarheid - de cerebrale perfusie s tijgen met een mogelijk effect ook op de cerebrale oxygenatie. Met NIRS kan de cerebrale oxygenatie continu worden gemeten en hypoxische hypoxie worden gedetecteerd. We onderzochten het effect van spontane veranderin gen in SaO2 in prematuur geboren kinderen gedurende de eerste levensweek . Vergeleken met periodes van saturatie waarden binnen normale fysiologi sche grenzen(SaO2 &gt;85%), vonden we significant lagere waarden voor TOI e n FTOE (64.5% vs 59.4% en 0.288 vs 0.243, respectievelijk) tijdens perioden van desaturatie (SaO2 <85%). De veranderingen in SaO2 waren ge correleerd met veranderingen in TOI en FTOE, doch niet proportioneel:&amp;nb sp; een daling in SaO2 van 10% veroorzaakte een kleinere daling in zowel TOI (5.4%) als FTOE (3.5%). De daling in TOI duidt op een daling in de zuurstoftoevoer, ondanks een stijging in cerebrale perfusie (doch minder gesatureerd) en constante cerebrale activiteit. Deze bevindingen bevest igen wat reeds beschreven is in dierlijke en humane modellen. De daling in FTOE bij desaturatie was eerder onverwacht, doch te verklaren door ee n onevenredige daling in TOI (5.4 %) bij een daling in SaO2 van 10 %.&amp;nb sp; Dit duidt op een ‘time lag’ in geval van acute en kortstondige veran deringen in SaO2, welke dan wel onmiddellijk worden getraceerd doo r de klassieke saturatie monitor maar het effect van deze veranderingen op de cerebrale oxygenatie echter wordt pas later gemeten door de NIRS m onitor. Veranderingen in FTOE zijn in deze situatie geen goede reflectie van veranderingen in de cerebrale oxygenatie. Er valt nog op te merken dat de veranderingen in TOI met desaturatie niet beïnvloed werden door M ABP of PCO2. Hieruit kunnen we concluderen dat NIRS-gemeten veranderinge n in TOI niet enkel veranderingen in arteriële zuurstof saturatie weersp iegelen, maar ook veranderingen in veneuze cerebrale saturatie, onafhank elijk van MABP of PCO2. Voor de goede interpretatie van TOI en FTOE moet en bijgevolg veranderingen in SaO2 in acht worden genomen. Tot zover is aangetoond dat MABP, SaO2 en tPCO2 belangrijke effectoren z ijn van de cerebrale perfusie en oxygenatie en deze in acht moeten worde n genomen bij het opsporen van hypoxische hersenschade. Doch mag o ok het effect van glucose niet worden vergeten. Samen met zuurstof is glucose een van de belangrijkste energiebronnen van de hersenen. Wannee r in de hersenen het evenwicht tussen glucose toevoer en glucose metabol isme is verstoord, lopen de hersenen een verhoogde kans op het ontwikkel en van hersenschade. Doch zijn de hersenen van de mens tot op een zeker niveau relatief tolerant voor afwijkende glucose waarden. Zo zal, naarge lang het tekort of teveel aan hersen glucose, de cerebrale perfusie resp ectievelijk verhogen of verlagen, om zo een goed evenwicht te garanderen tussen glucosenood en –verbruik van de hersenen. Gezien het effect van glucose op de cerebrale perfusie, stelden wij de hypothese dat veranderi ngen in glucose ook veranderingen in TOI en FTOE zouden teweegbrengen. O m dit aan te tonen hebben we in preterme kinderen gedurende de eerste le vensdagen glucose continu gemeten, alsook TOI en FTOE. We vonden een zwa kke maar significante correlatie tussen glucose en TOI (r= -0.096) en tu ssen glucose en FTOE (r= 0.091). Dit duidt op een toename in cerebrale p erfusie en zuurtsoftoevoer zonder een verandering in het cerebraal zuurs tofverbruik (CMRO2). De beschreven correlaties waren onafhankelijk van v eranderingen in SaO2, bloeddruk of PCO2. Op basis van deze studieresulta ten is het niet mogelijk conclusies te trekken omtrent het effect van ex treme veranderingen in glucose (buiten de fysiologische range) op TOI en FTOE. Deze studie toont wel aan dat veranderingen in glucose- zelfs bin nen de fysiologisch aanvaardbare glucose range- veranderingen in TOI en FTOE teweegbrengen, ongeacht schommelingen in SaO2, bloeddruk of PCO2. H ieruit volgt dat voor de interpretatie van veranderingen in TOI en FTOE, rekening moet worden gehouden met veranderingen in glucose. We konden reeds aantonen dat bij de interpretatie van met NIRS-gemeten v eranderingen in TOI en FTOE, veranderingen in fysiologische variabelen i n acht moeten worden genomen. In het tweede luik van dit onderzoek onderzochten we of NIRS gebruikt ka n worden voor farmacodynamisch geneesmiddelen onderzoek. Concreet onderz ochten we het effect van het toedienen van sedativa op TOI en FTOE. In preterme kinderen waarbij propofol (3mg kg-1) intraveneus werd toegediend als sedativum voor het verwijderen van de thoracale drain mat en we continu de vitale parameters alsmede TOI, vanaf 5 minuten vóór tot 60 minuten na toedieniing. FTOE werd achteraf berekend. We zagen een uitgesproken daling in bloeddruk tot één uur na propofol toediening, welke het gevolg is van perifere vasodilatatie. TOI daalde initieel, do ch niet zo uitgesproken, wat duidt op een onevenwicht tussen zuurstoftoe voer en zuurstofnood. Vervolgens steeg TOI naar controle waarden vóór pr opofol toediening. Dit impliceert een beter evenwicht tussen zuurstoftoe voer en zuurstofverbruik, ook aangetoond door een onveranderd FTOE. H ieruit besluiten we dat NIRS effectief is voor het onderzoek naar het ef fect van geneesmiddelentoediening op de neonatale, cerebrale oxygenatie< /&gt;. Bijkomend trachtten we na te gaan welke covariaten de interindividue le variabiliteit in propofol farmacodynamiek kunnen verklaren. We stelde n vast dat, na de algemene, initiële daling in cerebrale oxygenatie, een sneller herstel naar baseline waarden optrad in kinderen jonger dan 10 dagen, in kinderen welke geen comedicatie kregen toegediend voor pijnbes trijding en in kinderen zonder diagnose van hartcomplicatie. Hieruit blijkt dat NIRS ook kan gebruikt worden voor onderzoek naar de interindi viduele variabiliteit in geneesmiddelen farmacodynamiek. In het laatste luik van dit onderzoek onderzochtten we zowel de invloed van pathofysiologische complicaties alsmede het effect van een ope ratieve ingreep op de neonatale, cerebrale oxygenatie, gemeten met behul p van NIRS. Een frequent voorkomende complicatie in prematuur geboren kinderen is ee n open ductus arteriosus welke kan leiden tot verstoringen in de p ulmonale en cerebrale circulatie. Indien medicatie therapie niet aanslaa t gaat men over tot het operatief sluiten van de ductus (ligatie of clip ping). Het effect hiervan op de neonatale, cerebrale circulatie is nog n iet uitvoerig bestudeerd en de beschreven resultaten zijn tegenstrijdig, wat een gebrek aan onderzoek naar het effect van de ductusligatie zélf op de cerebrale perfusie en oxygenatie van premature baby’s, weerspiegel t. In prematuur geboren kinderen bekeken we TOI en FTOE zowel voor, tijd ens als een uur na het operatief sluiten van een open ductus arteriosus. Op het moment van clippen zagen we een kleine, kortdurende stijging in TOI (2.9%) en een daling in FTOE (0.02%). Dit weerspiegelt een sti jging in de zuurstoftoevoer, zoals ook geïllustreerd door een stijgende trend in cerebraal bloed volume. Een uur na clipping waren de fysi ologische en cerebrale parameters niet langer verschillend van baseline waarden vóór clippen, wat impliceert dat de cerebrale circulatie en oxyg enatie niet werden aangetast door de open ductus en dat tijdens het clip pen de cerebrale perfusie voldoende was om een stabiele cerebrale oxygen atie te verzekeren. Uit onze resultaten blijkt ook dat het clippen van d e ductus op zich slechts een kleine en kortdurende daling in cerebrale o xygenatie teweegbrengt, zonder een verhoogde incidentie op cerebrale com plicaties of sterfte in onze studiegroep. We kunnen dan ook concluder en dat NIRS kan gebruikt worden tijdens het operatief sluiten van een du ctus arteriosus voor het monitoren van de neonatale, cerebrale oxygenati e. Een eerder zeldzame complicatie in prematuur geboren kinderen is ‘congen ital heart block’ (CHB), welke is geassocieerd met een verlaagd hartritm e. Het plaatsen van een externe, tijdelijke pacemaker is dan ook vaak no odzakelijk om een adequaat hartritme te bekomen. Een verstoring in de ce rebrale oxygenatie wordt verondersteld met ventriculair pacen. In de neo natale populatie is de cerebrale perfusie grotendeels afhankelijk van he t hartritme, waardoor veranderingen in HR veranderingen in cerebrale oxy genatie kunnen teweegbregen. Om dit na te gaan hebben we met behulp van NIRS in 3 kinderen met CHB de TOI en FTOE gemeten tot 20 minuten n a pacemaker activatie. Bij alle kinderen zagen we een stijging in HR en een daling in de bloeddruk, waarschijnlijk ten gevolge van perifere vaso dilatatie. In één kind steeg het cerebraal bloed volume terwijl TOI en F TOE niet veranderden, wat erop wijst dat de cerebrale circulatie en oxyg enatie vóór het plaatsen van de pacemaker nog voldoende waren. In de twe e andere kinderen echter zagen we een daling in het cerebraal bloed volu me en TOI en een stijging in FTOE, wat wijst op onvoldoende cerebrale zu urstoftoevoer gezien de cerebrale metabole nood. Doch, de veranderingen in TOI en FTOE waren niet uitgesproken en vermoedelijk klinisch niet rel evant. Het gebrek aan uniformiteit in onze resultaten kan te wijten zijn aan de algemene klinische toestand van het kind. Het samengaan van ande re pathologieën met CHD kan een extra negatief effect hebben op de cereb rale oxygenatie. Deze case study toont aan dat het plaatsen van een vent riculaire pacemaker dan wel effectief is om het HR en cardiale output va n het kind te verhogen, maar dat, wanneer ook andere pathologieën aanwez ig zijn, dit niet noodzakelijk de cerebrale oxygenatie van het kind verb etert. We besluiten dat NIRS gebruikt kan worden voor het continu scr eenen van de neonatale, cerebrale oxygenatie tijdens operatieve ingrepen . Op basis van deze studies kunnen we concluderen dat veranderingen in fys iologische parameters veranderingen veroorzaken in de met NIRS-gemeten c erebrale oxygenatie parameters TOI en FTOE. Door het continu meten van v itale parameters samen met TOI en FTOE kan dan ook belangrijke informati e worden bekomen welke klinische interventie suggereert. Doch, voor het accuraat gebruik van NIRS is een goede interpretatie van TOI en FTOE noo dzakelijk, waarvoor volgend schema van nut is: - een daling in TOI met constant FTOE kan te verklaren zijn door een dal ing in SaO2 (matige hypoxische hypoxie) - een daling in TOI samen met een stijging in FTOE kan te verklaren zijn door een uitgesproken daling in SaO2 (ernstige hypoxische hypoxie), een uitgesproken daling in Hb (ernstige anemische hypoxie), een daling in M ABP, PCO2 of een stijging in glucose (ischemische hypoxie) - een daling in zowel TOI en FTOE kan ter verklaren zijn door een a brupte en snelle daling in SaO2, doch is het gebruik van FTOE in deze se tting niet aangewezen. TOI en FTOE zijn beloftevolle parameters voor detectie en mogelijks ook preventie van hypoxische hersen schade en kunnen bovendien gebruikt word en voor onderzoek naar het effect van sedativa (farmacodynamica) op de n eonatale, cerebrale oxygenatie en naar de farmacodynamische variab iliteit van geneesmiddelen. Zelfs tijdens chirurgische ingrepen kan NIRS aangewend worden voor het continu en niet-invasief monitoren van de neo natale, cerebrale oxygenatie.
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Section Newborn (-)
ESAT - STADIUS, Stadius Centre for Dynamical Systems, Signal Processing and Data Analytics
Leuven Statistics Research Centre (LStat)

Files in This Item:

There are no files associated with this item.

Request a copy

 




All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.