Kardioventilatorische Kopplung bei kritisch kranken Patienten

Schwankungen des intrathorakalen Drucks aufgrund positiver Druckbeatmung induzieren zyklische Modifikationen der Aktivität der pulmonalen Gefäßrezeptoren und kardialen Mechanozeptoren. Diese Wirkungen verändern die Modulation des autonomen Nervensystems mit einer Modifikation sowohl der sympathischen als auch der vagalen Aktivität.

Die Wechselwirkung zwischen Herz und Beatmung wurde kürzlich anhand der Herzfrequenzvariabilität bei schwer kranken mechanisch beatmeten Patienten untersucht. Die Analyse der Leistungsspektrumsdichte liefert Informationen über die Leistung (die Varianz des Schlag-zu-Schlag-Intervalls) als Funktion der Frequenzen. Gesunde spontan atmende Probanden zeigen eine zyklische inspiratorische Zunahme und exspiratorische Abnahme der Herzfrequenz und eine "Phasenkopplung" zwischen Herzschlägen und Atmung (wodurch Herzschläge in konstanten Phasen des Atmungszyklus auftreten), allgemein bekannt als kardioventilatorische Kopplung. Diese Phänomene entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Mechanismen, einschließlich zentralem Antrieb, Rückkopplung von arteriellen Barorezeptoren, Rückkopplung von Thorax- und Lungendehnungsrezeptoren und nicht-neuronalen Mechanismen, die dem Herzen innewohnen, die nicht vollständig verstanden werden. Obwohl die physiologische Bedeutung der respiratorischen Sinusarrhythmie und der kardioventilatorischen Kopplung nicht aufgeklärt wurde, schlugen mehrere Autoren vor, dass sie die Ventilations-/Perfusionsanpassung durch eine Umverteilung der Herzschläge (und folglich der Perfusion) innerhalb des Atmungszyklus verbessern könnten, mit positiven Auswirkungen auf den Gasaustausch . Darüber hinaus wurde eine verringerte Amplitude der respiratorischen Sinusarrhythmie als Indikator für eine beeinträchtigte autonome Kontrolle und ein schlechtes klinisches Ergebnis, auch während der mechanischen Beatmung, verwendet. Es hat sich gezeigt, dass während der kontrollierten mechanischen Beatmung die Amplitude der respiratorischen Sinusarrhythmie erheblich reduziert ist und die kardioventilatorische Kopplung im Allgemeinen abgeschafft. Theoretisch könnten mechanische Beatmungsmodi, die die Atempumpe bei Auslösung durch den Patienten unterstützen, wie z. B. Druckunterstützungsbeatmung (PSV), durch zentral verursachte phasische vagale Modulation im Vergleich zur kontrollierten mechanischen Beatmung höhere respiratorische Sinusarrhythmieniveaus aufrechterhalten. Darüber hinaus könnte die mechanische Beatmung mit Atemzug-für-Atemzug variablen Tidalvolumina, die sogenannte „variable Beatmung“, die respiratorische Sinusarrhythmie und die kardioventilatorische Kopplung besser bewahren, und dies könnte eine Rolle bei der verbesserten arteriellen Sauerstoffversorgung spielen, die in verschiedenen Akutmodellen gefunden wird Lungenverletzung, wenn auch mit unterschiedlichen Ergebnissen beim Vergleich variabler und konventioneller mechanischer Beatmung. Bei narkotisierten Versuchstieren blieb die kardioventilatorische Kopplung bei druckassistierter Beatmung besser erhalten als bei druckkontrollierter Beatmung. Ob diese Befunde beim Menschen vorhanden sein könnten, ist noch unbekannt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass einige neue Methoden der assistierten Beatmung, wie z. B. die neural angepasste Beatmungsunterstützung (NAVA), die Variabilität von Atemzug zu Atemzug und die Variabilität des Tidalvolumens erhöhen, aber ihre Auswirkungen auf die kardioventilatorische Kopplung sind nicht bekannt.

Ziel der Studie ist es, die Herzfrequenzvariabilität, die Atemfrequenzvariabilität und die kardioventilatorische Kopplung bei kritisch kranken Patienten während der mechanischen Beatmung sowohl im kontrollierten Modus (druckkontrolliert) als auch im assistierten Modus (Druckunterstützungsbeatmung und NAVA) zu messen.

In Methoden aufgenommene Patienten werden an einen S/5-Intensivmonitor (GE, Helsinki, Finnland) angeschlossen und mit einem Servo-I-Beatmungsgerät (Maquet, Deutschland), das mit einem elektrischen Zwerchfellaktivitätsmodul (EAdi, Maquet, Deutschland) ausgestattet ist, mechanisch beatmet. Bei allen Patienten wird ein nasogastrischer 16-Fr-EAdi-Katheter platziert. Eine Abfolge von drei aufeinanderfolgenden Studienphasen mit unterschiedlichen mechanischen Beatmungsmodi (PCV, PSV und NAVA) wird gestartet. Die Reihenfolge der Beatmungsmodi wird für jeden Patienten randomisiert. Nach einer 10-minütigen Akklimatisierungsphase für jede Studienphase werden elektrokardiographische, arterielle Druck- und Atmungswellen für aufeinanderfolgende 30 Minuten auf einem Laptop-PC über die Software S/5 Collect (GE, Helsinki, Finnland) und NAVA Tracker (Maquet, Deutschland) erfasst Fenster.

Analyse der Herzfrequenzvariabilität Lineare Analyse Sequenzen von 300 aufeinanderfolgenden Herzschlägen werden in jeder experimentellen Phase ausgewählt. Der Mittelwert und die Varianz der Herzperiode werden in ms bzw. ms^2 ausgedrückt. Die autoregressive Spektraldichte wird in Komponenten zerlegt, die jeweils durch eine Mittenfrequenz gekennzeichnet sind. Eine Spektralkomponente wird als LF bezeichnet, wenn ihre Mittenfrequenz zwischen 0,04 und 0,15 Hz liegt, während sie als HF klassifiziert wird, wenn ihre Mittenfrequenz zwischen 0,15 und 0,5 Hz liegt. Es wird davon ausgegangen, dass die HF-Leistung die atemgetriebene vagale Modulation der Herzfrequenz darstellt. Um die Auswirkung von Änderungen der Gesamtleistungsspektrumsdichten auf NF- und HF-Komponenten auszuschließen, werden Spektralwerte auch in normalisierten Einheiten (NU) ausgedrückt. Die Normalisierung bestand darin, die Leistung einer bestimmten Spektralkomponente durch die Gesamtleistung abzüglich der Leistung unter 0,04 Hz (Spektralkomponente sehr niedriger Frequenz [VLF]) zu dividieren und das Verhältnis mit 100 zu multiplizieren. Das Verhältnis der LF-Leistung zur HF (LF/HF) gilt als Indikator für das Gleichgewicht zwischen sympathischer und vagaler, auf das Herz gerichteter Modulation.

Nichtlineare Analyse Die nichtlineare Analyse wurde mittels symbolischer Analyse durchgeführt. Die symbolische Analyse wird an denselben Sequenzen von 300 aufeinanderfolgenden Herzschlägen durchgeführt, die für die autoregressive Analyse verwendet werden. Der gesamte Bereich des R-zu-R-Intervalls in jeder Serie wird gleichmäßig in 6 Schnitte (Symbole) unterteilt, und Muster von 3 aufeinanderfolgenden Herzschlagintervallen wurden betrachtet. Somit hatte jede Folge von 300 Herzschlägen ihren eigenen R-zu-R-Bereich und 298 aufeinanderfolgende Tripletts von Symbolen. Die Shannon-Entropie der Verteilung der Muster wird berechnet, um eine Quantifizierung der Komplexität der Musterverteilung bereitzustellen. Alle Symboltripel sind in 3 mögliche Variationsmuster gruppiert: (i) keine Variation (0 V, alle 3 Symbole waren gleich), (ii) 1 Variation (1 V, 2 Folgesymbole waren gleich und das verbleibende Symbol war unterschiedlich), ( iii) Muster mit 2 Variationen (2V, alle Symbole waren anders als das vorherige). Zuvor wurde festgestellt, dass der Prozentsatz von 0-V-Mustern als Reaktion auf sympathische Stimuli zunimmt (und um 2 V abnimmt), während 2-V-Muster als Reaktion auf vagale Stimuli zunahmen (und 0 V abnahmen). Der Prozentsatz der Muster 0 V und 2 V wurde berechnet, und das 0 V/2 V-Verhältnis wurde berechnet, um das Gleichgewicht zwischen sympathischer und vagaler Modulation abzuschätzen.

Kardioventilatorische Kopplungsanalyse Phasensynchronisationsverfahren zur Quantifizierung der Kopplung zwischen schwach gekoppelten selbsterhaltenden Oszillatoren (hier Herz und Beatmungsgerät) werden implementiert. Die Idee dahinter ist, dass ein guter Beatmungsmodus eine kardiorespiratorische Koordination erzeugen sollte, die nicht von der zu unterscheiden ist, die bei gesunden Probanden während der Spontanatmung mit der gleichen Frequenz und Amplitude beobachtet wird. Die Phasensynchronisationstechnik wird durch gemeinsame symbolische Analyse und bedingte Entropiebewertung der kardiorespiratorischen Kopplung im Hinblick auf den Grad der Wiederholbarkeit von Koordinationsschemata zwischen Herzfrequenzsignal und Ventilation ergänzt. Diese Ansätze haben die Hauptvorteile, dass sie weniger empfindlich gegenüber Nichtstationaritäten sind und in der Lage sind, nichtlineare Kopplungen über kürzere Datensequenzen zu erfassen.

Stichprobengröße bei einer Gesamtvarianz der Herzfrequenzvariabilität von 1000 ms^2, um eine Differenz von 300 ms^2 (mit einer Standardabweichung von 200 ms^2) zwischen den Studienphasen mit einem Alpha-Fehler = 0,05 zu erkennen, Leistung = 80 %, Effektgröße = 0,4, 22 Patienten werden rekrutiert.

Die Normalverteilung wird mit dem Kolmogorov-Smirnov-Test überprüft. Zweischwänziger Student-t-Test für abhängige oder unabhängige Stichproben nach Bedarf oder Wilcoxon-U-Test im Falle einer Nicht-Normalverteilung werden verwendet. Wiederholte Messungen werden mit einer Einweg-Varianzanalyse (ANOVA) analysiert, gefolgt von einem Post-hoc-Bonferroni-Test.