New indications for peripheral pulse wave

Abstract

Perifeerisen pulssiaallon sisältämää tietoa voidaan käyttää potilaan seurannassa monin tavoin. Pulssiaalto on helppo saada mitattua, mutta mittaaminen on altis useille virhelähteille. Mitattavia suureita ovat olleet muun muassa kipuärsyke, kudoshapetus, sydämen syke, hengitystaajuus, verenpaine sekä useat muut elintoiminnot.

Surgical Pleth Index (SPI) on leikkauksen aikaisen kipuärsykkeen mittaamiseen tarkoitettu lukuarvo. Se yhdistää muutokset pulssiaallon suuruudessa sekä sykkeen vaihtelussa yhdeksi leikkauksen aikaista kipuärsykettä kuvaavaksi lukemaksi. Useissa tutkimuksissa on osoitettu sen vaihtelu suhteessa aiheutettuun kipuärsykkeeseen. Kuitenkin sen näyttö opiaattien annostelua ohjaavana suureena on vielä vähäinen. Mittarin toimivuutta pienillä lapsilla ei ole myöskään määritetty. Tyypillisesti perifeeristä pulssiaaltoa hyödyntävät mittarit, kuten myös SPI, on optimoitu toimimaan sormessa. Mittauspaikkana tämä on kuitenkin hyvin altis liikehäiriöille, suonten supistumiselle ja lämpötilan vaihteluille. Siksi ranteessa toimiva mittari saattaisi tarjota paremman ja soveltuvamman paikan sensorille. Hengitystaajuuden mittaamisessa on olemassa rajallista näyttöä, joka puoltaisi käsivarren käyttöä mittauspaikkana. Plethysmografia ei mittaustapana vielä mahdollista verenpaineen mittausta, mutta herkän paineanturin yhdistäminen laitteeseen saattaisi mahdollistaa myös sen mittaamisen samalla laitteella.

Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia uusia tapoja hyödyntää perifeeristä pulssiaaltoa. Tutkimuksissa käytettiin hyödyksi plethysmografiaa (osatyöt I, II ja IV) sekä herkkää paineanturia (osatyö III).

Osatyö I oli satunnaistettu, kontrolloitu monikeskustutkimus, johon osallistui yhteensä 494 potilasta. Tutkimuksessa unen syvyyden (Entropia) ja kipuärsykkeen (SPI)(testiryhmä) hyötyä verrattuna perinteiseen monitorointiin (kontrolliryhmä) arvioitiin kahden satunnaistetun ryhmän avulla. Tutkimuksessa ryhmien välillä ei todettu merkittävää eroa leikkauksen aikaisissa haittavaikutuksissa. Toissijaisissa muuttujissa testiryhmässä silmien avaaminen tapahtui hieman kontrolliryhmää nopeammin.

Osatyössä II, SPI:n toimivuutta tutkittiin 30:llä, alle kaksivuotiaalla potilaalla. Tutkittavat satunnaistettiin saamaan toimiva puudutus tai lumelääke toimenpiteen ajaksi. Tutkittavat suureet kerättiin sokkoutetusti tietokoneohjelman avulla. SPI arvo ei vaikuttanut anestesian suorittamiseen. Tutkimuksessa SPI:n todettiin reagoivan myös pienillä lapsilla ja muutos oli pienempää ryhmässä, jossa lapsilla oli toimiva puudutus. Muutokset SPI:ssä olivat kuitenkin pieniä ja niiden suuruudessa oli suuria vaihteluita potilaiden välillä.

Tutkimusaineisto osatöihin III ja IV kerättiin samanaikaisesti. Tutkimussuureet mitattiin 30:ltä potilaalta kahden tunnin heräämöseurannan aikana ranteen ympärille asennetulla tutkimusmittarilla. Osatyössä III paineanturilla kajoamattomasti mitattuja verenpainearvoja verrattiin kajoavaan mittaukseen. Tutkimuslaitteen mittaamat lukemat todettiin epätarkoiksi ja eri syistä johtuvien epäonnistuneiden mittausten määrä oli varsin korkea (21.6%). Epäonnistuneen mittauksen todennäköisyyttä nostivat liike mittauksen aikana sekä perifeerinen valtimonkovettumatauti. Osatyössä IV sydämen syke, hengitystaajuus ja saturaatio mitattiin ranteesta plethysmografia-sensoria käyttäen ja sitä verrattiin joko sormesta mitattaviin (syke, saturaatio) tai rintakehältä mitattaviin (hengitystaajuus) arvoihin. Tutkimuslaitteen ja verrattavan monitorin mittaamien sykkeen, hengitystaajuuden ja saturaatioarvojen todettiin eroavan keskimäärin vain vähän. Mittalaitteiden tarkkuus kuvattuna root-mean-square-error (RMSE) lukemalla oli kuitenkin huono hengitystaajuuden ja saturaation osalta. Sykkeen osalta myös tarkkuus oli hyvä. Mittauksen aikainen liike heikensi mittaustarkkuutta.

Tutkimuksen johtopäätöksinä voidaan esittää, että SPI:n ja Entropian lisääminen ei parantanut nukutuksen laatua laajan monikeskustutkimuksen perusteella. Silmien avaaminen vaikutti olevan hieman nopeampaa testiryhmässä. Pienillä lapsilla SPI vaikuttaa yhtä lailla reaktiiviselta kuin aikuisilla, mutta yksilöiden välillä todettiin isoja vaihteluita. Aikuisiin verrattuna korkeamman perustason ja kokoluokaltaan pienemmän muutoksen perusteella mittauslaskennan muutos voi olla pienillä lapsilla tarpeen. Verenpaineen, hengitystaajuuden ja saturaation mittaus ranteesta antoi liian epätarkkoja mittatuloksia. Hengitystaajuuden mittaus oli hieman luotettavampaa. Erityisesti verenpaineen mittaus oli hyvin herkkä liikkeen aiheuttamille häiriöille, joten kaikkien mittausten virheen sietoa täytyy saada parannettua ennen niiden soveltamista potilaskäyttöön.

The peripheral pulse wave contains a lot of important information that can be used in patient monitoring. It is easily accessible but contains several sources of potential error in measurement. The solutions using peripheral pulse wave include measurement of nociception, saturation, heart rate, respiratory rate and blood pressure among several other parameters.

Surgical Pleth Index (SPI) is a novel algorithm for measuring intraoperative nociception. It combines the normalized plethysmographic amplitude and heart rate as one number indicating nociception and has been used intraoperatively to guide opioid administration. Although several studies have shown the reactivity of SPI to nociceptive stimulus, the evidence in guiding opioid administration is still scarce. Nor have such studies been accomplished on very small children. A typical site to measure SPI and other peripheral pulse wave parameters is the fingers. However, the measurement at the fingers is susceptible to artifacts caused by movement, vasoconstriction or hypothermia. A watch-like device at the distal forearm would offer a better and more convenient fixation for the measurements. Furthermore, there is some evidence that the forearm might be a better place for respiratory rate measurement using the same technology. There is at present no reliable method to measure blood pressure using plethysmography, but a wrist device with a tonometry sensor added would be one option to add that information, too.

The aim of this thesis was to study new ways to utilize the peripheral pulse wave. The technologies used were plethysmography (Studies I, II and IV) and applanation tonometry (Study III)

Study I was a randomized multi-center controlled trial with 494 patients. Patients were anesthetized using either standard monitoring (control group) or standard monitoring with additional monitoring of the depth of anesthesia (EntropyTM) and nociception (SPI) (test group). In this study we found no difference in the rate of signs of inadequate anesthesia. At the secondary endpoints, the time to eye-opening showed a trend in favor of the test group. In Study II the reactivity of the SPI was studied in thirty children aged less than two years. Children were randomized and double-blinded into two groups with either functional peripheral block or a placebo injection during surgery. SPI and its components were recorded blinded using a software and the time points of interest were analyzed post hoc. SPI was found to be reactive in small children and the reactivity was blunted by the use of peripheral local anesthetic block. However, the reactivity of SPI was rather small and there was marked inter-individual variability in reactions.

The data for Studies III-IV was collected simultaneously. Thirty patients were monitored during postoperative care for two hours as an observation study. The data were collected using a study device attached around the distal forearm. Study III reported the measurement of non-invasive blood pressure using tonometry compared to invasive blood pressure monitoring. The blood pressure readings were found to be unacceptably inaccurate. Furthermore, the rate of failed measurements was rather high (22%). Factors affecting rate of failure consisted of movement and peripheral arterial disease. In Study IV the reliability of heart rate, respiratory rate, and saturation measurement at the distal forearm using a plethysmography sensor was compared to standard monitoring from finger plethysmography (saturation and heart rate) or impedance pneumography (respiratory rate). There was a small bias in heart rate, respiratory rate, and saturation measurements when compared to standard monitoring. However, the accuracy described by root-mean-square-error (RMSE) was unacceptably high for respiratory rate and saturation while heart rate was detected with good accuracy. Movement was associated with higher RMSE.

In conclusion, the monitoring of SPI and Entropy was not associated with better management of anesthesia in a large multicenter study. Time to eyeopening was slightly shorter in the test group when compared to control group.

In small children SPI seems to be similarly reactive as in adults in spite of wide inter-individual variability in reactions. A higher baseline and smaller amplitude of change when compared to adults suggest that a modification of the algorithm might be needed before introducing the index for use with small children. The measurement of blood pressure, heart rate, and saturation at the distal forearm was unacceptably inaccurate, while respiratory rate yielded slightly better results. Blood pressure measurement especially seems to be highly sensitive to movement, also at the distal forearm. Accuracy therefore needs to be improved before adopting the technologies for patient monitoring.