Non-invasive cerebral monitoring in predicting neurological outcome in out-of-hospital cardiac arrest and cardiac surgery patients

Abstract

About 50% of the patients successfully resuscitated form out-of-hospital cardiac arrest (OHCA) will succumb to neurological sequelae of the post-ischemic brain injury. Guidelines strongly recommended to postpone any decisive evaluation concerning prognosis beyond 72 hours following OHCA. However, any earlier indication of neurological outcome would allow clinicians to maximize therapy in patients with a likely favourable outcome. Likewise, this would avoid futile and expensive treatment efforts in those with no reasonable chances of recovery. Unfortunately, most prognostic tools are not continuously available, rather labour-intensive and above all, they require trained personnel for a correct interpretation. Especially within the initial 24 hours following admission, tools providing a glimpse of the post-anoxic status of the brain can be of substantial value when other tools fail to do so. Given their ease of use, bedside availability and continuous and non-invasive character, Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) and Bispectral Index (BIS) monitoring perfectly suit in this context. NIRS non-invasively quantifies the regional cerebral oxygen saturation (SctO2) at the microvascular level in the frontal lobe, and BIS devices convert raw sampled frontal EEG signals into a simple and real-time BIS index ranging from 0 (isoelectric EEG) to 100 (normal electrical activity in awake subjects). In part I of this thesis, the prognostic performance of both monitoring systems was assessed in an OHCA patient population. Although the overall course of SctO2 within the initial 48 hours after the initiation of TTM was different between patients with and without a favourable neurological outcome, we concluded that SctO2 by itself lacked prognostic power (Chapter 1 and 6). In contrast to SctO2 monitoring, our results demonstrated an interesting potential of the BIS monitor to assist with neuroprognostication after OHCA (Chapter 2-3 and 6). Based on our observational data, BIS values ≤ 25 at hour 12 and SR values ≥ 3 at hour 23 predicted poor neurological outcome with a high accuracy. However, the true novelty of our study consisted in the fact that our patients were fully treated according to guidelines. Unlike previous studies, neuromuscular blockers (NMBs) were only administered in case of shivering. Interestingly, the absence of any correlation between electromyographic (EMG) activity and BIS ≤ 25 was indicative for a negligible interference of EMG activity below this cut-off value. Therefore, even without the concomitant use of NMBs, BIS values ≤ 25 are still reliable to assist with poor outcome prognostication. Based on available BIS literature, one was convinced that BIS values equal to zero (BIS 0) were univocally associated with a poor neurological outcome. Nonetheless, six OHCA patients in our study cohort experienced a BIS 0 value and still survived. In contrast, all OHCA patients experiencing BIS 0 values exceeding half an hour within 12hrs after admission attained a poor outcome. In this way, a prolonged duration with BIS 0 values served as a better outcome predictor than a single observation (Chapter 3). Altogether, our results contribute to the concept that BIS monitoring might once serve as early triage tool to target patients with a potentially salvageable brain. Aside from the numeric BIS and SR values, raw EEG traces are being displayed on some BIS devices. Based on a retrospective data analysis, we successfully validated these simplified BIS EEG traces against standard EEG, and even showed that unexperienced investigators are able to indicate the presence of seizures on BIS EEG (Chapter 4). In this way, the use of our simplified BIS EEG system, especially when continuous EEG is unavailable, could serve as a screening tool for the detection of seizures in an early stage. In chapter 5, we also investigated the prognostic potential of these raw BIS EEG traces. Based on BIS EEG, seizure development at any time point as well as a persisting cerebral inactivity were strong indicators for a poor neurological outcome. On the other hand, the presence or the evolution towards a slow diffuse rhythm was strongly associated with a good neurological outcome. Therefore, our results suggest a potential benefit of using simplified BIS EEG for outcome prognostication after OHCA, especially when continuous EEG is unavailable. In part II of this thesis, the clinical value of NIRS monitoring was investigated in an elderly population undergoing cardiac surgery. First, we revealed a beneficial influence of the continuously evolving Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI) technology on cerebral oxygenation (Chapter 7). In this regard, cerebral oximetry might be used to determine whether technological developments within the field of cardiac surgery, or even in other areas of research, preserve cerebral integrity by reducing cerebral ischemic events. Secondly, we investigated whether elderly cardiac surgery patients experiencing cerebral desaturations in the postoperative period were more likely to develop postoperative delirium (POD). Our results demonstrated that a more severe decrease in postoperative absolute SctO2 increases the risk to develop POD, independent of the patients’ age, their surgical risk as assessed by the Euroscore II and their preoperative cognitive status (Chapter 8). In this way, this study adds novel insights into the potential benefit of using cerebral oximetry in the postoperative setting to prevent or reduce the incidence of POD in elderly patients undergoing cardiac surgery.

Ongeveer de helft van alle patiënten die succesvol gereanimeerd worden na een hartstilstand buiten het ziekenhuis (OHCA) zal uiteindelijk sterven aan de gevolgen van neurologische (post-ischemische) hersenschade. Momenteel raden huidige richtlijnen aan om elke vorm van prognose uit te stellen tot ten vroegste 72 uur na het optreden van een hartstilstand. Desondanks zou elke vroegere indicatie met betrekking tot de prognose van de patiënt clinici in staat stellen om de therapie te maximaliseren bij patiënten met een hoge overlevingskans. Tegelijkertijd zou men nutteloze en dure behandelingsinspanningen kunnen vermijden wanneer de kans op functioneel herstel onbestaande is. Helaas zijn de meeste prognostische parameters niet continue beschikbaar, tamelijk arbeidsintensief en bovendien hebben ze ervaren personeel nodig voor een correcte interpretatie. Parameters die in staat zijn om de post-ischemische toestand van het brein in te schatten binnen de eerste 24u na opname kunnen van toegevoegde waarde zijn, voornamelijk wanneer andere prognostische parameters hierin falen. Gezien de gebruikersvriendelijkheid, het niet-invasieve karakter en de continue inzetbaarheid, komen zowel “Near-Infrared Spectroscopie (NIRS)” als “Bispectrale index (BIS)” monitoring hiervoor in aanmerking. NIRS technologie maakt gebruik van bijna-infrarode golflengtes om de regionale cerebrale zuurstofsaturatie (SctO2) te meten in de microcirculatie van de frontale cortex. BIS toestellen converteren ruwe, frontale EEG signalen naar een simpel BIS getal, gaande van 0 (iso-elektrisch EEG) tot 100 (normale EEG activiteit bij een wakkere persoon). In het eerste deel van dit proefschrift werd de prognostische waarde van beide monitoringsystemen onderzocht in OHCA patiënten. Overheen de eerste 48u na de start van therapeutische hypothermie bleek de evolutie van SctO2 te verschillen tussen patiënten met een goede en slechte neurologische uitkomst. Desondanks bleek SctO2 op zichzelf van geen meerwaarde te zijn voor prognostische doeleinden (Hoofdstuk 1 en 6). In tegenstelling tot SctO2 monitoring bleek BIS monitoring wel van toegevoegde waarde te zijn voor de voorspelling van neurologische uitkomst na OHCA (Hoofdstuk 2, 3 en 6). Onze observationele data toonden namelijk aan dat BIS waardes ≤ 25 op uur 12 en SR waardes ≥ 3 op uur 23 adequate voorspellers zijn voor een slechte prognose na OHCA. Het innovatieve aspect van onze studie was echter dat alle studiepatiënten behandeld werden volgens de huidige richtlijnen, dit in tegenstelling tot voorgaande BIS-studies. Onze studiepatiënten kregen namelijk enkel neuromusculaire blokkers toegediend in geval van rillingen waardoor de mogelijke interferentie van electromyografische (EMG) activiteit op het BIS getal niet steevast onderdrukt werd. Desondanks bleek er geen correlatie bestaande te zijn tussen EMG en BIS waarden ≤ 25, hetgeen impliceerde dat de interferentie van EMG quasi verwaarloosbaar is bij BIS waarden onder deze cutoff waarde. Continue suppressie van EMG met behulp van NMB’s is dus niet essentieel voor een slechte neurologische uitkomst te voorspellen met behulp van BIS monitoring. BIS waarden ≤ 25 blijken namelijk betrouwbaar te zijn en kunnen dus helpen met het voorspellen van een slechte prognose na een hartstilstand. Uitgaande van voorgaande literatuur was men er ook van overtuigd dat de aanwezigheid van een BIS waarde gelijk aan 0 (BIS 0) volstond om met zekerheid een slechte prognose te voorspellen na een hartstilstand. In ons studiecohort waren er echter zes patiënten waarbij een BIS 0 waarde opgemerkt werd, waarna deze alsnog overleefden. Alle patiënten daarentegen waarbij de duur van een BIS 0 waarde meer dan een half uur bedroeg binnen de eerste 12u na opname stierven. Een langere duur met een BIS 0 waarde blijkt dus een betere voorspellende waarde te hebben dan enkel en alleen de aanwezigheid ervan (Hoofdstuk 3). De resultaten hierboven beschreven suggereren dat in de nabije toekomst de BIS dienst zou kunnen doen als triage parameter om zo patiënten met een hoge overlevingskans te onderscheiden van patiënten met een hoogst waarschijnlijke slechte prognose. Naast de numerieke BIS en SR waarden zelf zijn de ruwe EEG tracings - die nota bene gebruikt worden om voorgenoemde waarden te berekenen - ook zichtbaar op bepaalde BIS toestellen (i.e. BIS EEG). Gebruikmakende van een retrospectieve data analyse slaagden we erin om dit BIS EEG met succes te valideren ten opzichte van standaard EEG. Daarnaast konden we zelfs aantonen dat onervaren onderzoekers ook in staat zijn om epileptische activiteit herkennen op het BIS EEG (Hoofdstuk 4). Zeker wanneer (continue) EEG niet toegankelijk is, zou gesimplificeerd BIS EEG dus kunnen fungeren als screeningsinstrument voor epileptische activiteit te detecteren in een vroeg stadium. In hoofdstuk 5 werd er onderzocht of deze BIS EEG tracings de neurologische prognose na een hartstilstand kon inschatten. Zowel de aanwezigheid van epileptische activiteit op eender welk tijdstip na hartstilstand alsook een aanhoudende cerebrale inactiviteit bleken sterke voorspellers te zijn voor een slechte neurologische uitkomst. De aanwezigheid van of de evolutie naar een traag diffuus EEG ritme was een goede indicatie voor een goede neurologische prognose (Hoofdstuk 5). Dergelijke resultaten geven duidelijk het potentieel aan van een gesimplificeerd BIS EEG instrument ter ondersteuning van het voorspellen van de neurologische prognose na een hartstilstand. In het tweede deel van deze thesis werd de klinische relevantie van het gebruik van NIRS monitoring onderzocht in oudere patiënten die een hartoperatie ondergaan. In een eerste (retrospectieve) studie konden we aantonen dat de technologische ontwikkelingen voor de niet-invasieve implantatie van een aortaklep (TAVI) de cerebrale oxygenatie gunstig beïnvloedden. In dit opzicht zou men met behulp van cerebrale oximetrie kunnen nagaan of toekomstige ontwikkelingen binnen de cardiochirurgie, of zelfs andere onderzoeksgebieden, de cerebrale integriteit vrijwaren door ischemische events te beperken. Ten slotte gingen we in deze thesis na of oudere patiënten die een hartoperatie ondergingen, en na opname op Intensieve Zorgen frequenter cerebrale desaturaties ervoeren, een hoger risico hadden op het ontwikkelen van postoperatieve verwardheid (POD). In deze observationele studie konden we aantonen dat lagere postoperatieve SctO2 waarden het risico verhogen op POD, onafhankelijk van de leeftijd, het cardiologisch risicoprofiel én de preoperatieve cognitieve toestand van de patiënt (Hoofdstuk 8). Aldus, het uitbreiden van het gebruik van cerebrale oximetrie naar Intensieve Zorgen blijkt mogelijks in staat om de incidentie van POD te reduceren bij oudere patiënten die een hartoperatie ondergaan.