Cerebral Flow-metabolisme-kobling under voksenkirurgi

Hjernen er et stærkt metabolisk aktivt organ, som modtager cirka 15 % af hjertets output med en normal cerebral blodgennemstrømning (CBF) på cirka 50 ml/100 g/min. Under normale omstændigheder er CBF tæt koblet til lokal cerebral metabolisme. En stigning i cerebral metabolisk aktivitet i en region af hjernen vil udløse en tilsvarende stigning i blodstrømmen til den pågældende hjerneregion. Omvendt vil en reduktion af cerebral metabolisk aktivitet føre til en reduktion i blodgennemstrømningen. Dette stramt kontrollerede fysiologiske fænomen er kendt som flow-metabolisme-kobling.

Flow-metabolisme-kobling menes at være en feed-forward fysiologisk beskyttelsesmekanisme, hvor neuronal aktivitet direkte øger CBF og derved matcher den øgede energiforsyning. I tilfælde af cerebral hypoperfusion (dvs. reduktion i CBF), ville hjernekar blive udvidet som kompensation, og den lokale oxygenekstraktionsfraktion (OEF) ville blive øget. Hvis cerebral hypoperfusion fortsætter og er under tærsklen, vil aktiviteten af ​​hjernecellerne blive undertrykt, hvilket resulterer i en reduktion af den cerebrale metaboliske hastighed (CMR) og cerebralt metabolisk behov for ilt (CMRO2). Denne flow-metabolisme-koblingsmekanisme er godt undersøgt ved hjælp af en PET-scanning hos både raske frivillige og patienter med patologiske tilstande. Det er vigtigt, at denne fysiologiske egenskab ved flowmetabolisme som reaktion på hjerneiskæmi kan bruges som en tidligere indikator for cerebral iskæmi under operation. Med andre ord kan overvågning, der indikerer et pludseligt fald i CMRO2 eller stigning i OEF, tjene som en tidlig markør for hjerneiskæmi. På grund af tekniske begrænsninger er det imidlertid udfordrende at opdage sådanne subtile fysiologiske ændringer ved sengekanten, især i de intraoperative omgivelser. Derudover kan mange fysiologiske, patologiske og farmakologiske faktorer påvirke dette flow-metabolisme-koblingsforhold og dermed påvirke fortolkningen af ​​CMRO2/OEF-ændringer som en indikator for hjerneiskæmi. Yderligere undersøgelser er nødvendige for at tage fat på, hvordan anæstetika kan forvirre fortolkningen.

Forskellige anæstesimidler kan ændre flow-metabolisme-koblingen på forskellige måder. Cerebral metabolisk hastighed bestemmes af en række faktorer, herunder nervesystemets funktionelle tilstand, bedøvelsesmidler og kropstemperatur. Effekten af ​​individuelle bedøvelsesmidler på CMR er blevet grundigt undersøgt. Kort sagt undertrykker de fleste bedøvelsesmidler CMR på en dosisafhængig måde, med undtagelse af ketamin og dinitrogenoxid (N2O). Den anæstetiske undertrykkelse af CMR er hovedsageligt drevet af reduktionen af ​​elektrofysiologiske aktiviteter. Tidligere undersøgelser har vist, at adskillige anæstetika, herunder barbiturater, isofluran, sevofluran, desfluran, propofol og etomidat, kan øge plasmakoncentrationer og forårsage progressiv undertrykkelse af EEG-aktivitet og en samtidig reduktion i CMR.

For yderligere at komplicere problemet, skal anæstesiologen under operationen opretholde tilstrækkeligt cerebralt perfusionstryk for at sikre, at der er tilstrækkelig CBF til at imødekomme metaboliske krav. Induktion af generel anæstesi er ofte forbundet med en reduktion i det gennemsnitlige arterielle blodtryk (MAP) og cerebralt perfusionstryk, som kan tilskrives et fald i cardiac output (CO) og systemisk vaskulær modstand (SVR). Mange intraoperative tilstande, såsom blodtab og kirurgisk positionering, kan yderligere kompromittere patientens blodtryk og dermed CBF. Fenylefrin og efedrin administreres almindeligvis under neurokirurgiske procedurer for at modvirke kardiovaskulær depression og behandle anæstesi-relateret hypotension. Nær-infrarød spektroskopi (NIRS) undersøgelser i bedøvede patienter tyder på, at phenylephrin reducerer regional cerebral iltmætning (StO2) sammenlignet med efedrin, på trods af en markant stigning i MAP. Resultaterne af disse undersøgelser er modstridende og har forskellige begrænsninger.

NIRS har længe været anerkendt som en lovende neuromonitor på grund af den relative gennemsigtighed af væv til lys i det nær-infrarøde område og lysabsorptionens afhængighed af iltningen af ​​hæmoglobin, hvilket giver en ikke-invasiv metode til at måle StO2. Derudover er NIRS ekstremt sikkert, billigt og giver overvågning i realtid. Kommercielle systemer er tilgængelige og er blevet brugt til neuromonitorering under en række kirurgiske procedurer med en forbundet risiko for hjerneskade, herunder koronararterie-bypass og carotis-endarterektomi.1,2 På trods af fordelene ved NIRS er dens diagnostiske nøjagtighed til påvisning af intraoperativ iskæmi kontroversiel.3 En nylig systematisk gennemgang konkluderede, at:

"NIRS har lav sensitivitet og høj specificitet til at identificere intraoperativ iskæmi ... Ekstrakranielt signalbidrag var meget varierende." 4

Denne konklusion afspejler de to vigtigste begrænsninger med kommercielle NIRS-systemer. For det første er forholdet mellem StO2 og iskæmi ikke direkte, da StO2 ikke kun afhænger af CBF, men også af vævets metaboliske efterspørgsel. For det andet er lysabsorption i hovedbunden og kraniet en væsentlig kilde til signalforurening. Faktisk stammer mere end 80 % af NIRS-signalet fra det ekstra-cerebrale væv, da afstanden fra hudoverfladen til hjernen varierer mellem 1,0 og 1,5 cm. Som følge heraf kan hæmodynamiske ændringer i det overfladiske væv overskygge hjernerelaterede signaler. På grund af disse to begrænsninger er der ikke etableret en specifik StO2-tærskel til at identificere intraoperativ iskæmi.

Vores team har udviklet teknologier til at tackle de to vigtigste begrænsninger med kommercielle NIRS-systemer. Med hensyn til at øge dybdefølsomheden har vi udviklet et tidsopløst (tr)NIRS-system, der måler den tid, fotoner tager at rejse gennem væv.5 Baseret på princippet om, at tid er lig med afstand, optages lys, der afhører hovedbund og kranium, tidligere end lys, der når hjernen.

For at give kontinuerlig blodgennemstrømningsovervågning har vi kombineret trNIRS med en komplementær optisk teknologi kendt som diffus korrelationsspektroskopi (DCS). I stedet for at måle lysabsorption måler DCS tidsmæssige signaludsving forårsaget af bevægelsen af ​​lysspredere, som i væv er domineret af mikrovaskulatur blodgennemstrømning (dvs. vævsperfusion).8 Ligesom NIRS kan DCS blive påvirket af signalændringer i overfladisk væv, selvom det har den iboende fordel, at blodgennemstrømningen er betydeligt højere i hjernen sammenlignet med hovedbunden (~ 5:1).9 For at adskille de to signalbidrag indhenter vores system data ved to kildedetektorafstande: en kort afstand til at overvåge hovedbundens blodgennemstrømning og en længere afstand med større følsomhed over for CBF.10 Vi har tidligere brugt DCS til at overvåge CBF-stabilitet hos præmature spædbørn under de første levedage og under hjertekirurgi.11,12 Et nyligt papir, der undersøgte brugen af ​​DCS til at overvåge CBF under carotis-endarterektomi, rapporterede en gennemsnitlig reduktion i perfusion på 57 % med klemning13.

Vores hybrid trNIRS/DCS, som er vist, har evnen til at måle CBF og StO2 samtidigt. Med denne kombination kan iltstofskiftet i hjernen, som omtales som den cerebrale metaboliske hastighed for iltforbrug (CMRO2), beregnes ved at kombinere de to målinger.

Baseret på denne nyudviklede bed-side-teknik planlægger vi at vurdere, hvordan CBF og CMRO2 ændrer sig under generel anæstesi og deres reaktioner mod phenylephrin og efedrin under hypotension.

Alle undersøgelsesdeltagere vil blive rekrutteret og givet samtykke til at overholde de lokale etiske retningslinjer. De tilstedeværende anæstesiologer og kirurger vil ikke blive blindet på grund af indgrebets karakter. Patienter og resultatbedømmere vil dog være blinde med hensyn til behandlingsinterventionen. Alle patienter vil modtage standard anæstesibehandling, og den kirurgiske og anæstetiske behandling af patienterne vil blive udført på en standard måde og vil ikke blive ændret i denne undersøgelse. Anæstesi vil blive induceret med fentanyl på 1-2 mcg/kg, propofol på 1,5-3 mg/kg, rocuronium på 0,6-0,9 mg/kg. Automatisk blodtryk, elektrokardiografi, pulsoximetri, kapnografi, esophageal temperatur og indåndet og udåndet ilt- og CO2-koncentration vil blive overvåget. Kontrolleret ventilation med 50 % ilt i luften vil blive anvendt, og endetidal CO2-niveauet vil blive holdt på 35-40 mmHg. Iltmætningen holdes over 96%. FiO2 kan øges, hvis der opstår arteriel desaturation. Kropstemperaturen vil blive holdt over 36 ℃. Efter operationen vil patienterne blive ekstuberet og overført til PACU. Dybden af ​​anæstesi vil løbende blive overvåget enten ved hjælp af bispektralt indeks (BSI) eller patienttilstandsindeks (PSI).

Alle patienter vil blive overvåget af trNIRS/DCS-enheden fra anæstesiinduktion til afslutning af operationen. NIRS-sensoren placeres på patientens pande.

Før anæstesi-induktion vil præoperativ baseline cerebrale hæmodynamiske og metaboliske parametre som ScO2, CBF, CMRO2, OEF blive målt i 1 minut. Monitorering vil blive fortsat under anæstesi-induktion og trakeal intubation. Efter anæstesi-induktion vil post-induktion cerebrale hæmodynamiske og metaboliske parametre blive opnået.

Efter tracheal intubation med sikret luftvej, vil vedligeholdelses- og vasopressormidler blive administreret i henhold til den tildelte gruppe. De fire mulige tildelte grupper er som følger:

Gruppe 1: Propofol-baseret anæstesivedligeholdelse med phenylefrin brugt som vasopressor Gruppe 2: Propofol-baseret anæstesivedligeholdelse med efedrin brugt som vasopressor Gruppe 3: Sevofluran-baseret anæstesivedligeholdelse med phenylephrin brugt som vasopressorbaseret anæstetikum Gruppe 4: Sevofluran-vedligeholdelse med efedrin brugt som vasopressor

Vedligeholdelsesagenter

• For propofol-gruppen vil patienten modtage propofol som deres vedligeholdelsesmiddel under operationen. Den typiske dosis er 150-200 mg/kg/min.
• For sevoflurangruppen vil patienten blive vedligeholdt med 1 MAC sevofluran under operationen.
• Både propofol og sevofluran er almindeligt anvendte vedligeholdelsesmidler, og dybden af ​​anæstesi vil blive holdt på PSI på 30-40 (normalt område 25-50) uanset valg af midler. Anæstesilæger anvender begge midler hyppigt, og i vores daglige praksis er valget af anæstesimidler hovedsageligt baseret på personlige præferencer, med undtagelse af patienter med specifikke kontraindikationer såsom malign hypertermi eller lægemiddelallergi.

Vasopressormidler

• For phenylephrin-gruppen vil patienten modtage phenylephrin-infusion som den primære vasopressor.
• For efedringruppen vil patienten modtage efedrininfusion som den primære vasopressor.
• Vasopressor vil kun blive administreret for at opretholde MAP inden for 0-20 % over baseline. Ved generel anæstesi kan efedrin og phenylephrin administreres som en bolusinjektion eller infusion. I denne undersøgelse anvendes et infusionsregime på grund af nødvendigheden af ​​at opretholde et stabilt blodtryk under gentagne målinger af cerebral hæmodynamik i en steady state i hver gruppe. Hos patienter med refraktær hypotension på trods af enten phenylephrin- eller efedrininfusion vil andre vasopressorer eller inotrope blive brugt. For patienter, der ikke fik nogen vasopressor (f. ingen hypotension under hele operationen) eller som modtager flere typer vasopressorer, analyserer vi deres data ved at bruge både en intention-to-treat og en pr-protokol tilgang.

De neurologiske resultater fra patienter i post-anæstesi-afdelingen (PACU) vil også blive indsamlet via rutinemæssig fysisk undersøgelse.