Messung des Sauerstoffpartialdrucks im Hirnparenchym während liquordynamischer Tests

Abstract

Hintergrund und Fragestellung Entsprechend den deutschen und internationalen Leitlinien wird der dynamische Infusionstest an der Universitätsklinik Homburg routinemäßig durchgeführt, um bei Verdacht auf eine Liquorzirkulations- bzw. Resorptionsstörung die Indikation für eine Shuntimplantation zu klären. Am häufigsten wird er bei Patienten mit Verdacht auf Normaldruckhydrocephalus durchgeführt, seltener bei anderen Hydrocephalusformen oder bei idiopathischer intrakranieller Hypertension. Er wird ebenfalls bei Patienten angewandt, die bereits einen Shunt haben und bei denen eine Shunt-Dysfunktion vermutet wird. Dabei wird durch die Infusion steriler 0,9-prozentiger NaCl-Lösung in einen Seitenventrikel unter kontrollierten Bedingungen und Narkose ein Anstieg des intrakraniellen Drucks auf bis zu maximal 40 mmHg provoziert. Nach Beenden der Infusion sinkt der intrakranielle Druck wieder auf den Anfangswert. Aus dem Verlauf der Druckkurve (An- und Abstieg) lassen sich die Resistance to outflow (Rout, Maß für den Abflusswiderstand) und der Pressure-Volume-Index (PVI, Maß für die Reserveräume) in ihrer Abhängigkeit vom Druck berechnen. Die im 19.Jahrhundert in der aktuellen Form formulierte Monro-Kellie-Doktrin, auch Monro-Kellie-Hypothese genannt, besagt, dass die Summe der Volumen von Hirngewebe, Blut und Liquor innerhalb der Schädelhöhle gleich bleiben muss, um den intrakraniellen Druck konstant zu halten. Während des dynamischen Infusionstests wird das Liquorvolumen durch die intraventrikuläre Infusion von NaCl-Lösung erhöht. Da Hirngewebe kaum kompressibel ist, muss dies durch eine Reduktion des Volumens von Liquor (z.B. Ausweichen nach spinal) oder Blut kompensiert werden. Letzteres kann zum einen durch den vermehrten Abfluss venösen Blutes geschehen, zum anderen aber auch durch verminderte Zufuhr im arteriellen System. Die vorliegende Arbeit untersucht erstmalig, ob und wie sich gegebenenfalls der durch den dynamischen Infusionstest hervorgerufene Druckanstieg auf den zerebralen Sauerstoffpartialdruck auswirkt. Insbesondere soll erkannt werden, ob es Patienten gibt, bei denen der zerebrale Sauerstoffpartialdruck während des dynamischen Infusionstests abfällt, und wenn ja, welche Charakteristika diese Patienten aufweisen. Auf diese Weise sollen die Patienten in Zukunft besser vor Hirnischämien geschützt werden können, indem etwa die Infusion früher gestoppt wird. Methode Zwischen März 2009 und August 2010 wurden an der Klinik für Neurochirurgie der Universitätsklinik Homburg bei 34 entsprechend aufgeklärten Patienten während eines dynamischen Infusionstests der Sauerstoffpartialdruck sowie der Druck und die Temperatur im Hirnparenchym mithilfe einer „Neurovent PTO“ –Sonde der Firma Raumedic gemessen. Die Daten wurden retrospektiv ausgewertet. Ergebnisse 1. Absolute Werte des intraparenchymatösen Sauerstoffpartialdrucks Die erhobenen Ruhewerte des intraparenchymatösen Sauerstoffpartialdrucks lagen in vielen Fällen deutlich niedriger als bisher in anderen Studien beschrieben; dies gilt insbesondere für Patienten mit Hydrocephalus. Zudem zeigen die vorliegenden Daten, dass der Sauerstoffpartialdruck durch das verwendete Anästhetikum beeinflusst wird. 2. Änderungen des intraparenchymatösen Sauerstoffpartialdrucks (PtiO2) während des Infusionstests Es wurden die folgenden drei Muster identifiziert: Muster A: Es kommt initial zu einem Abfall des PtiO2, gefolgt von einem Anstieg. Dies ist bei 11 Patienten der Fall. Muster B: Der PtiO2 steigt während der gesamten Messdauer. Dies ist bei 13 Patienten der Fall. Muster C: Der PtiO2 sinkt während der gesamten Messdauer. Dies ist bei 3 Patienten der Fall. Insgesamt liegt der PtiO2 bei 24 von 27 Patienten (88,9%) am Ende des Infusionstests höher als am Anfang. Sowohl die Temperatur als auch der intraparenchymatöse Druck korrelieren bei fast allen Patienten signifikant mit dem PtiO2, wobei die Richtung der Korrelation je nach Patient unterschiedlich ist. Patienten mit positiver bzw. negativer Korrelation unterscheiden sich durch die Hauptdiagnose und das Vorhandensein kardiovaskulärer Risikofaktoren. 3. Temperatur Die intraparenchymatöse Temperatur nahm während des Infusionstests bei allen Patienten ab. Der Temperaturabfall betrug zwischen 0,11 und 4,45 Grad Celcius, im Durchschnitt 1,01 ± 0,97 Grad Celcius. Diskussion a. Absolute Werte Die Tatsache, dass die hier gemessenen absoluten Werte des Sauerstoffpartialdrucks insbesondere bei Patienten mit Hydrocephalus deutlich niedriger sind als bisher beschrieben, unterstützt die von mehreren Autoren formulierte Hypothese einer chronischen Hirnischämie bei Patienten mit Hydrocephalus. Die Ergebnisse deuten ebenfalls darauf hin, dass die Normwerte für den Sauerstoffpartialdruck im gesunden Hirn bisher überschätzt wurden. Da die meisten Studien an Patienten mit Traumata durchgeführt wurden, ist es denkbar, dass die Werte infolge überschießender Vasodilatation erhöht waren, und dass der Sauerstoffpartialdruck im gesunden Hirn deutlich niedriger ist als bisher angenommen. b. Änderungen des intraparenchymatösen Sauerstoffpartialdrucks während des Infusionstests Bei 88,9% der Patienten ist der zerebrale Sauerstoffpartialdruck am Ende des Infusionstests höher als davor. Eine mögliche Erklärung hierfür ist eine reaktive (überschießende) Vasodilatation oder eine Art Luxusperfusion, also eine paradoxe Steigerung der Durchblutung bei vermindertem Stoffwechsel, wie sie zum Beispiel nach ischämischen Insulten zu beobachten ist. Möglicherweise liegt der Unterschied zwischen den Patienten, die mit einem Abfall des PtiO2 reagieren (Gruppe C) und denen, die mit einem Anstieg des PtiO2 reagieren (Gruppe A und B), in der mehr oder weniger bestehenden Intaktheit der Autoregulationsmechanismen. Dies würde zu dem Ergebnis passen, dass die Patienten mit negativer Korrelation zwischen Pti und PtiO2, d.h. bei denen der PtiO2 bei steigendem Druck abnimmt, überwiegend (67%) keine kardiovaskulären Risikofaktoren aufweisen. Umgekehrt handelt es sich bei den Patienten mit positiver Korrelation zwischen Pti und PtiO2 überwiegend (58%) um solche mit kardiovaskulären Risikofaktoren. c. Temperatur Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass eine Senkung der Temperatur im Hirnparenchym durch Infusion von NaCl-Lösung mit einer Temperatur von 20°C in das Ventrikelsystem erreicht wird: In der vorliegenden Untersuchung nimmt die intraparenchymatöse Temperatur während des Infusionstests bei sämtlichen Patienten ab. Dies stellt neue therapeutische Möglichkeiten in Aussicht, um den neuroprotektiven Effekt einer lokalen Hypothermie zu nutzen, ohne die Komplikationen einer systemischen Hypothermie zu haben. Schlussfolgerung Diese Untersuchung zeigt, dass der zerebrale Sauerstoffpartialdruck bei allen Patienten durch den Infusionstest beeinflusst wird. Es gibt jedoch kein einheitliches Reaktionsmuster. Die Art und Weise, wie sich der zerebrale Sauerstoffpartialdruck eines Patienten während des Infusionstests ändert, hängt von verschiedenen Faktoren ab. In dieser Untersuchung wird gezeigt, dass die Ventrikelgröße, die Temperaturänderung, die Grunderkrankung und das Vorhandensein kardiovaskulärer Risikofaktoren von Bedeutung sind. Das Monitoring des zerebralen Sauerstoffpartialdrucks wird heute bereits bei anderen Pathologien eingesetzt und es wurde gezeigt, dass es z.B. dazu beitragen kann, das Outcome nach Schädel-Hirn-Trauma zu verbessern. Im Rahmen des Infusionstests kann das routinemäßige Monitoring des PtiO2 sicherstellen, dass durch die Druckerhöhung keine Hirnischämie hervorgerufen wird und somit die Prozedur für die Patienten sicherer machen, zum Beispiel indem die Infusion bei Abfall des PtiO2 frühzeitig abgebrochen wird. Dies ist in einer weiteren prospektiven multizentrischen Studie anzudenken. Zudem kann das Monitoring zu einem besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen erhöhtem ICP und Hirnischämie sowie der Autoregulationsmechanismen bei Patienten mit Hydrocephalus oder Idiopathischer Intrakranieller Hypertension beitragen.

Introduction In accordance with German and International Guidelines, Dynamic Infusion Tests are performed routinely at the University Hospital of Homburg in order to determine if there is an indication for shunt surgery. Infusion tests are performed on patients suspected of having impaired reabsorption or circulation of cerebrospinal fluid (CSF), i.e. mostly patients suspected of having Normal Pressure Hydrocephalus (NPH), but also other forms of hydrocephalus or Idiopathic Intracranial Hypertension (IIH). It is also used on patients who already have a shunt, when a malfunction of a shunt is suspected. During the test, sterile 0.9% NaCl-solution is administered at a constant rate of 3 ml/min into a side ventricle of an anesthetized patient. This leads to an increase of the Intracranial Pressure (ICP) up to a maximum of 40 mmHg. After the infusion is stopped, the ICP drops back to the initial pressure level. The rise and descent of the pressure curve allow the calculation of the Resistance to outflow (Rout) and the Pressure-Volume-Index (PVI) at different pressure levels. The Monro-Kellie-Hypothesis, which was expressed in its current form in the 19th century, indicates that the sum of the volumes of the brain tissue, blood and CSF inside the skull must stay constant in order to keep the ICP stable. During the infusion test, the infusion of isotonic solution leads to an increase in CSF volume. Since brain tissue can hardly be compressed, the increase in CSF volume has to be compensated by a decrease in the volume of either CSF (into the spinal canal) or blood. The latter can either be achieved through an increased outflow of venous blood or through a reduced inflow of arterial blood. This work examines for the first time if and how the pressure rise induced by the dynamic infusion test influences the oxygen partial pressure in the brain tissue (PtiO2). In particular we wanted to determine if it leads to a decrease in brain tissue oxygen in some patients and if so, identify the characteristics of those patients in order to protect them better in future. Summary 10 Method Between March 2009 and August 2010, 34 patients who were meant to undergo an infusion test gave their informed consent to a simultaneous measurement of brain tissue oxygen through a second probe inserted into the brain tissue. The data were analysed retrospectively. Results 1. Absolute values of the brain tissue oxygen In the present study, the absolute PtiO2 values were considerably lower than in studies published so far, especially in patients with hydrocephalus. The data also show that the oxygen concentration is influenced by the anesthetic agent used. 2. Changes of brain tissue oxygen during the infusion test Three patterns were identified : Pattern A : initially, there is an increase in PtiO2, followed by a decrease. This is the case in 11 patients. Pattern B : the PtiO2 increases during the entire duration of the infusion test. This is the case in 13 patients Pattern C : the PtiO2 decreases during the entire duration of the infusion test. This is the case in 3 patients. Altogether, in 24 of 27 patients (88.9%), the PtiO2 level is higher at the end of the infusion test compared to the level at the start. Both brain temperature and brain pressure correlate significantly with the PtiO2 in almost all patients, although there are differences in the direction of the correlation. Patients with positive and negative correlation differ through their main diagnosis and the occurrence of cardiovascular risk factors. 3. Temperature The brain temperature decreased during the infusion test in 100% of the patients. The temperature decrease was between 0.11 and 4.45 °C, on average 1.01 ± 0.97 °C. Summary 11 Discussion a. Absolute values The fact that the measured values of PtiO2, in particular those of patients with hydrocephalus, lie notably under the values published so far by other authors supports the hypothesis of chronic brain ischemia in patients with hydrocephalus. The results also suggest that current standard values have been overestimated. Since most studies on brain tissue oxygen levels have been conducted on patients suffering from head trauma, it is possible that oxygen levels were increased due to reactive vasodilation, and hence that normal values are significantly lower in healthy persons. b. Evolution of PtiO2 during the infusion test In 88.9% of the patients, the level of PtiO2 is higher at the end of the test than at its beginning. A possible explanation for this is a reactive and excessive vasodilation similar to the luxury perfusion seen in acute stroke, i.e. a paradox increase of blood circulation despite decreased metabolism. The difference between the patients who react with an increase of PtiO2 and those who react with a decrease possibly lies in the more or less functioning autoregulation mechanisms. This would match the fact that a majority (67%) of patients where the correlation between Pti and PtiO2 was negative, i.e. where the PtiO2 decreased while the Pti increased, didn’t show any cardiovascular risk factors. Reciprocally, most people (58%) of the patients with a positive correlation between Pti and PtiO2 were presenting cardiovascular risk factors. c. Temperature This study shows that a decrease in brain temperature can be achieved through infusion of NaCl solution with a temperature of 20 °C in the brain ventricles. In the present study the temperature decreased in 100% of the patients. This might lead to new therapeutic possibilities, taking advantage of the neuroprotective effect of local hypothermia without the complications of generalized hypothermia. Conclusion This study shows that the infusion test influences PtiO2 in every patient. However, there is no consistent pattern as the way in which a patient’s PtiO2 reacts to the infusion test depends on Summary 12 many different factors. This study shows that the ventricle size, the temperature change, the main diagnosis and the presence or absence of cardiovascular risk factors play a role. The monitoring of PtiO2 is already routinely used in other pathologies and it has been shown that it can, for example, improve the outcome after severe head injury. If done during the infusion test, it could help make the procedure safer for the patient by preventing brain ischemia, i.e. through earlier stopping of the infusion. This should be investigated in a prospective multicentre study. Furthermore, monitoring PtiO2 can help to better understand the interactions between raised ICP and brain ischemia as well as autoregulation mechanisms in patients with hydrocephalus or IIH.