This Question of the Week was written by Drs. Sanabria and Campo from Madrid, Spain. English translation by Destiny F Chau, MD.
La incidencia de complicaciones neurológicas en niños sometidos a reparación quirúrgica de su cardiopatía es elevada. Los mecanismos de lesión son multifactoriales asociados a diversos factores de riesgo y otras condiciones predisponentes. La monitorización cerebral ha demostrado ser una herramienta eficaz para identificar y tratar precozmente los mecanismos fisiopatológicos involucrados en la lesión neurológica. Señale cuál de las siguientes estrategias de monitorización cerebral intraoperatoria ha demostrado mayor eficacia para identificar los mecanismos de lesión involucrados:
Children undergoing surgical repair of congenital heart disease have a high incidence of neurological complications. The mechanisms of injury are multifactorial and are associated with various risk factors and predisposing conditions. Brain monitoring has proven to be an effective tool for the early identification and treatment of pathophysiological mechanisms involved in the neurological injury. What is the MOST EFFECTIVE intraoperative brain monitoring strategy used to identify the mechanism of neurological injury?
Correct!
Wrong!
Question of the Week 331
Explicación:
La incidencia de daño neurológico en pacientes pediátricos sometidos a cirugía cardíaca con bypass cardiopulmonar (BCP) se ha descrito en un 25% de los pacientes intervenidos, principalmente cuando la corrección quirúrgica se realiza en el período neonatal, provocando aumento de morbimortalidad perioperatoria y diversos grados de déficit neurológico, aunque en ocasiones la repercusión neurocognitiva no se manifiestan hasta años después, generando un gran impacto social (1-4).
La incidencia y gravedad de la lesión neurológica se relaciona directamente con la severidad de la cardiopatía, cuando la corrección se realiza en periodo neonatal y cuando está asociada a síndromes y/o malformaciones que afectan al neurodesarrollo (5). El mecanismo de lesión está relacionado con episodios hipóxico-isquémicos que ocurren durante el período perioperatorio, y son de origen multifactorial debidos a hipoxemia, hipocapnia, hipoperfusión, bajo gasto cardíaco, disfunción en canulación arterial y venosa durante el BCP, hemodilución excesiva, hemorragia intracraneal, microembolias, respuesta inflamatoria, producción de radicales libres (6,7), parada circulatoria con hipotermia profunda y exposición a agentes anestésicos durante horas o incluso días (8). Sin embargo datos recientes extraídos de imagenología cerebral neonatal, se ha hecho evidente que existen anomalías cerebrales, incluso antes de la reparación quirúrgica, secundario a alteraciones del neurodesarrollo en periodo fetal relacionadas con la cardiopatía, afectando predominantemente a la sustancia blanca, aunque también se observan en la sustancia gris cortical y subcortical. Esta inmadurez cerebral puede aumentar la susceptibilidad al riesgo neurológico sobreañadido durante la etapa perioperatoria por mecanismos multifactoriales y sinérgicos (9), siendo recomendable la neuromonitorización, exploración clínica neurológica y pruebas de imagen como la resonancia magnética (RM) (4,10).
La monitorización neurológica de rutina durante la cirugía cardíaca puede proporcionar información que podría conducir a mejoras y disminuir el potencial de daño neurológico. La oximetría transcraneal mediante espectroscopia próxima al infrarrojo (NIRS) permite la medición continua, no invasiva y no pulsátil de la saturación de oxígeno cerebral regional (rSO2), lo que permite detectar la hipoxia-isquemia cerebral. Dicha monitorización está influenciada por el equilibrio entre el suministro y el consumo de oxígeno cerebral. Los valores registrados se ven afectados por la oxigenación, el gasto cardíaco y la perfusión, la hipo/hipercapnia, el hematocrito, la temperatura y la profundidad de la anestesia. Valores bajos de NIRS pueden estar asociados con daño neurológico, y ha demostrado utilidad para mantener oxigenación y perfusión cerebral adecuados en pacientes anestesiados, evitando episodios de desaturación cerebral crítica (2,11). Otras estrategias de neuromonitorización como electroencefalograma (EEG), el Doppler transcraneal (DTC) y ultrasonidos transfontanelar han demostrado su utilidad para obtener información sobre mecanismos de lesión neurológica que se producen en el pre, intra y postoperatorio. El EEG estandar, EEG procesados como EEG integrado por amplitud (EEGa) o Bispectral Index (BIS) y potenciales evocados somatosensoriales (SEPs) han demostrado utilidad para la determinación de la profundidad anestésica, prevenir despertar intraoperatorio, evitar sobredosis de anestésicos y detección de episodios de isquemia, hipoglucemia y presencia de convulsiones subclínicas, brindando oportunidades para su detección y manejo precoz (12,13). La ecografía Doppler transcraneal (DTC) sobre la arteria cerebral media también es una herramienta valiosa para identificar flujo cerebral inadecuado durante el BCP. Los ultrasonidos utilizados por ventana transfontanelar son adecuados para uso a pie de cama y detectar complicaciones como la hemorragia intraventricular, sin embargo, no proporciona la resolución necesaria para detectar la mayoría de alteraciones estructurales sutiles, sólo detectables mediante RM, pero esta última presenta limitaciones para desplazar al paciente crítico o utilizarla en el intraoperatorio (14).
La etiología multifactorial de la lesión neurológica hace que sea menos probable que una única modalidad de monitorización intraoperatoria sea eficaz para captar todas las posibles amenazas. Sin embargo, la neuromonitorización multimodal combina varios aspectos de vigilancia sobre la oxigenación, hemodinámica y electrofisiología cerebrales asociando NIRS, DTC y EEG, permite una aplicación clínica de rutina, reduce las limitaciones de la monitorización única, ligadas a la variabilidad individual (NIRS, DTC) o a la interacción con las drogas anestésicas (EEG) y se obtiene mayor sensibilidad y especificidad en la detección de los mecanismos de lesión neurológica (15), reduciendo incidencia de complicaciones neurológicas y proporcionando más seguridad al paciente durante la cirugía (16,17,18,19).
Explanation:
The incidence of neurological damage in pediatric patients undergoing cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB) has been described in about 25% of the operated patients, mainly when surgical correction is performed during the neonatal period, leading to increased perioperative morbidity and mortality and varying degrees of neurological deficit. In some patients, the neurocognitive repercussions may not appear until years later generating associated great social consequences (1-4).
The incidence and severity of the neurological injury is directly correlated to the severity of the heart disease, the timing of correction in the neonatal period, its association with syndromes and / or malformations that affect neurodevelopment (5). The mechanism of injury is related to hypoxic-ischemic episodes that occur during the perioperative period which are of multifactorial origin due to hypoxemia, hypocapnia, hypoperfusion, low cardiac output, inadequate arterial and venous cannulation during CPB, excessive hemodilution, intracranial hemorrhage, microembolisms, inflammatory response, production of free radicals (6,7), circulatory arrest with profound hypothermia, and exposure to anesthetic agents for hours or even days (8). However, recent data from neonatal brain imaging have shown evidence that brain abnormalities are present even before surgical repair. The abnormalities are thought to arise from neurodevelopmental alterations in the fetal period related to the heart lesion. They predominantly affect the white matter, although they are also observed in the cortical and subcortical gray matter.
This brain immaturity increases the susceptibility to added neurological risk during the perioperative stage through multifactorial and synergistic mechanisms (9). Thus, it is recommended to perform neuromonitoring, neurological clinical examinations and imaging tests such as magnetic resonance imaging (MRI) (4,10).
Routine neurological monitoring during cardiac surgery can provide information that could lead to improvements and decrease the potential for neurological damage. Transcranial oximetry using near infrared spectroscopy (NIRS) allows continuous, non-invasive and non-pulsatile measurement of regional cerebral oxygen saturation (rSO2), which allows the detection of cerebral hypoxia-ischemia. This monitoring modality is influenced by the balance between brain oxygen supply and consumption. The NIRS values are affected by oxygenation, cardiac output and perfusion, hypo / hypercapnia, hematocrit, temperature, and depth of anesthesia. Low NIRS values may be associated with neurological damage, and it has been shown to be useful for maintaining adequate cerebral oxygenation and perfusion in anesthetized patients, avoiding episodes of critical brain desaturation (2,11). Other neuromonitoring strategies such as electroencephalogram (EEG), transcranial Doppler (TCD) and transfontanellar ultrasound have demonstrated their usefulness to obtain information on mechanisms of neurological injury that occur in the pre, intra, and postoperative period. Standard EEG, processed EEG such as amplitude-integrated EEG (EEGa) or Bispectral Index (BIS), and somatosensory evoked potentials (SEPs) have proven useful for determining anesthetic depth, preventing intraoperative awareness, avoiding anesthetic overdose and detection of events of ischemia, hypoglycemia and subclinical seizures, providing opportunities for their early detection and management (12,13). Transcranial Doppler ultrasound (TCD) over the middle cerebral artery is also a valuable tool to identify inadequate cerebral flow during CPB. Transfontanelle ultrasonography is suitable for bedside use to detect complications such as intraventricular hemorrhage; however, it does not provide the necessary resolution to detect most subtle structural alterations which are only detectable by MRI. MRI requires transporting the critically ill patient to the MRI site thus limiting its intraoperative utility (14).
The multifactorial etiology of neurologic injury makes it less likely that a single intraoperative monitoring modality will be effective in capturing all potential threats. However, multimodal neuromonitoring such as NIRS, TCD and EEG combines several monitoring aspects of brain oxygenation, hemodynamics and electrophysiology. Its routine clinical application reduces the limitations associated to a single monitor, due to its inherent variability (NIRS, TCD) or interactions with anesthetic drugs (EEG). It allows greater sensitivity and specificity in the detection of neurological injury mechanisms (15), reducing the incidence of neurological complications and providing increased safety to the patient during surgery (16,17, 18,19).
References
1. Galli KK, Zimmerman RA, Jarvik GP, et al. Periventricular leukomalacia is common after neonatal cardiac surgery. J Thorac Cardiovasc Surg. 2004; 127: 692-704.
2. Vretzakis G, Georgopoulou S, Stamoulis K, et al. Cerebral oximetry in cardiac anesthesia. J Thorac Dis. 2014; 6(S1): S60-S69. doi: 10.3978/j.issn.2072-1439.2013.10.22
3. Menache CC, du Plessis AJ, Wessel DL, Jonas RA, Newburger JW. Current incidence of acute neurologic complications after open heart operations in children. Ann Thorac Surg. 2002; 73: 1752-1758.
4. Miller S, McQuillen P, Hamrick S, et al. Abnormal Brain Development in Newborns with Congenital Heart Disease. N Engl J Med. 2007; 357: 1928-1938.
5. Wernovsky G. Current insights regarding neurological and developmental abnormalities in children and young adults with complex congenital cardiac disease. Cardiol Young. 2006; 16 (suppl1): 92–104. doi: 10.1017/ S1047951105002398.
6. Dominguez TE, Wernovsky G, Gaynor W. Cause and prevention of central nervous system injury in neonates undergoing cardiac surgery. Semin Thorac Cardiovasc Surg. 2007; 19: 269-277.
7. Albers EL, Bichell DP, McLaughlin B. New approaches to neuroprotection in infant heart surgery. Pediatr Res. 2010; 68: 1-9.
8. Char D, Ramamoorthy C, Wise-Faberowski L. Cognitive dysfunction in children with heart disease: the role of anesthesia and sedation. Congenit Heart Dis. 2016; 11: 221-229.
9. Morton P, Ishibashi N, Jonas R. Neurodevelopmental abnormalities and congenital heart disease insights into altered brain maturation. Circ Res. 2017; 120: 960-977. DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.116.309048.
10. Peyvandi S, Latal B, Miller S, McQuillen P. The neonatal brain in critical congenital heart disease: Insights and future directions. Neuroimage. 2018. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2018.05.045
11. Weber F, Scoones G. A practical approach to cerebral near-infrared spectroscopy (NIRS) directed hemodynamic management in non cardiac pediatric anesthesia. Pediatric Anesthesia. 2019; 29: 993-1001.
12. Sury M. Brain Monitoring in Children. Anesthesiology Clin. 2014; 32: 115–132.
13. Barry A, Chaney M, London M. Anesthetic Management During Cardiopulmonary Bypass: A Systematic Review. Anesth Analg. 2015; 120: 749–769.
14. Morton P, Ishibashi N, Jonas R. Neurodevelopmental abnormalities and congenital heart disease Insights Into altered brain maturation. Circ Res. 2017; 120: 960-977. DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.116.309048
15. Zanatta P, Benvenuti S, Bosco E, Baldanzi F, Palomba D, Valfrè C. Multimodal brain monitoring reduces major neurologic complications in cardiac surgery. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 2011; 25: 1076-1085.
16. Andropoulos DB, Stayer SA, Diaz LK, Ramamoorthy C. Neurological monitoring for congenital heart surgery. Anesth Analg. 2004; 99: 1365‑1375.
17. Thudium M, Heinze I, Ellerkmann R, Hilbert T. Cerebral function and perfusion during cardiopulmonary bypass: A plea for a multimodal monitoring approach. The Heart Surgery Forum. 2018; 21(1): 1894.
18. Mittnacht A, Rodriguez‑Diaz C. Multimodal neuromonitoring in pediatric cardiac anesthesia. Annals of Cardiac Anaesthesia. 2014; 17: 25-32.
19. Finucane E, Jooste E, Machovec K. Neuromonitoring Modalities in Pediatric Cardiac Anesthesia: A Review of the Literature. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 2020; 34: 3420-3428.
La incidencia de daño neurológico en pacientes pediátricos sometidos a cirugía cardíaca con bypass cardiopulmonar (BCP) se ha descrito en un 25% de los pacientes intervenidos, principalmente cuando la corrección quirúrgica se realiza en el período neonatal, provocando aumento de morbimortalidad perioperatoria y diversos grados de déficit neurológico, aunque en ocasiones la repercusión neurocognitiva no se manifiestan hasta años después, generando un gran impacto social (1-4).
La incidencia y gravedad de la lesión neurológica se relaciona directamente con la severidad de la cardiopatía, cuando la corrección se realiza en periodo neonatal y cuando está asociada a síndromes y/o malformaciones que afectan al neurodesarrollo (5). El mecanismo de lesión está relacionado con episodios hipóxico-isquémicos que ocurren durante el período perioperatorio, y son de origen multifactorial debidos a hipoxemia, hipocapnia, hipoperfusión, bajo gasto cardíaco, disfunción en canulación arterial y venosa durante el BCP, hemodilución excesiva, hemorragia intracraneal, microembolias, respuesta inflamatoria, producción de radicales libres (6,7), parada circulatoria con hipotermia profunda y exposición a agentes anestésicos durante horas o incluso días (8). Sin embargo datos recientes extraídos de imagenología cerebral neonatal, se ha hecho evidente que existen anomalías cerebrales, incluso antes de la reparación quirúrgica, secundario a alteraciones del neurodesarrollo en periodo fetal relacionadas con la cardiopatía, afectando predominantemente a la sustancia blanca, aunque también se observan en la sustancia gris cortical y subcortical. Esta inmadurez cerebral puede aumentar la susceptibilidad al riesgo neurológico sobreañadido durante la etapa perioperatoria por mecanismos multifactoriales y sinérgicos (9), siendo recomendable la neuromonitorización, exploración clínica neurológica y pruebas de imagen como la resonancia magnética (RM) (4,10).
La monitorización neurológica de rutina durante la cirugía cardíaca puede proporcionar información que podría conducir a mejoras y disminuir el potencial de daño neurológico. La oximetría transcraneal mediante espectroscopia próxima al infrarrojo (NIRS) permite la medición continua, no invasiva y no pulsátil de la saturación de oxígeno cerebral regional (rSO2), lo que permite detectar la hipoxia-isquemia cerebral. Dicha monitorización está influenciada por el equilibrio entre el suministro y el consumo de oxígeno cerebral. Los valores registrados se ven afectados por la oxigenación, el gasto cardíaco y la perfusión, la hipo/hipercapnia, el hematocrito, la temperatura y la profundidad de la anestesia. Valores bajos de NIRS pueden estar asociados con daño neurológico, y ha demostrado utilidad para mantener oxigenación y perfusión cerebral adecuados en pacientes anestesiados, evitando episodios de desaturación cerebral crítica (2,11). Otras estrategias de neuromonitorización como electroencefalograma (EEG), el Doppler transcraneal (DTC) y ultrasonidos transfontanelar han demostrado su utilidad para obtener información sobre mecanismos de lesión neurológica que se producen en el pre, intra y postoperatorio. El EEG estandar, EEG procesados como EEG integrado por amplitud (EEGa) o Bispectral Index (BIS) y potenciales evocados somatosensoriales (SEPs) han demostrado utilidad para la determinación de la profundidad anestésica, prevenir despertar intraoperatorio, evitar sobredosis de anestésicos y detección de episodios de isquemia, hipoglucemia y presencia de convulsiones subclínicas, brindando oportunidades para su detección y manejo precoz (12,13). La ecografía Doppler transcraneal (DTC) sobre la arteria cerebral media también es una herramienta valiosa para identificar flujo cerebral inadecuado durante el BCP. Los ultrasonidos utilizados por ventana transfontanelar son adecuados para uso a pie de cama y detectar complicaciones como la hemorragia intraventricular, sin embargo, no proporciona la resolución necesaria para detectar la mayoría de alteraciones estructurales sutiles, sólo detectables mediante RM, pero esta última presenta limitaciones para desplazar al paciente crítico o utilizarla en el intraoperatorio (14).
La etiología multifactorial de la lesión neurológica hace que sea menos probable que una única modalidad de monitorización intraoperatoria sea eficaz para captar todas las posibles amenazas. Sin embargo, la neuromonitorización multimodal combina varios aspectos de vigilancia sobre la oxigenación, hemodinámica y electrofisiología cerebrales asociando NIRS, DTC y EEG, permite una aplicación clínica de rutina, reduce las limitaciones de la monitorización única, ligadas a la variabilidad individual (NIRS, DTC) o a la interacción con las drogas anestésicas (EEG) y se obtiene mayor sensibilidad y especificidad en la detección de los mecanismos de lesión neurológica (15), reduciendo incidencia de complicaciones neurológicas y proporcionando más seguridad al paciente durante la cirugía (16,17,18,19).
Explanation:
The incidence of neurological damage in pediatric patients undergoing cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB) has been described in about 25% of the operated patients, mainly when surgical correction is performed during the neonatal period, leading to increased perioperative morbidity and mortality and varying degrees of neurological deficit. In some patients, the neurocognitive repercussions may not appear until years later generating associated great social consequences (1-4).
The incidence and severity of the neurological injury is directly correlated to the severity of the heart disease, the timing of correction in the neonatal period, its association with syndromes and / or malformations that affect neurodevelopment (5). The mechanism of injury is related to hypoxic-ischemic episodes that occur during the perioperative period which are of multifactorial origin due to hypoxemia, hypocapnia, hypoperfusion, low cardiac output, inadequate arterial and venous cannulation during CPB, excessive hemodilution, intracranial hemorrhage, microembolisms, inflammatory response, production of free radicals (6,7), circulatory arrest with profound hypothermia, and exposure to anesthetic agents for hours or even days (8). However, recent data from neonatal brain imaging have shown evidence that brain abnormalities are present even before surgical repair. The abnormalities are thought to arise from neurodevelopmental alterations in the fetal period related to the heart lesion. They predominantly affect the white matter, although they are also observed in the cortical and subcortical gray matter.
This brain immaturity increases the susceptibility to added neurological risk during the perioperative stage through multifactorial and synergistic mechanisms (9). Thus, it is recommended to perform neuromonitoring, neurological clinical examinations and imaging tests such as magnetic resonance imaging (MRI) (4,10).
Routine neurological monitoring during cardiac surgery can provide information that could lead to improvements and decrease the potential for neurological damage. Transcranial oximetry using near infrared spectroscopy (NIRS) allows continuous, non-invasive and non-pulsatile measurement of regional cerebral oxygen saturation (rSO2), which allows the detection of cerebral hypoxia-ischemia. This monitoring modality is influenced by the balance between brain oxygen supply and consumption. The NIRS values are affected by oxygenation, cardiac output and perfusion, hypo / hypercapnia, hematocrit, temperature, and depth of anesthesia. Low NIRS values may be associated with neurological damage, and it has been shown to be useful for maintaining adequate cerebral oxygenation and perfusion in anesthetized patients, avoiding episodes of critical brain desaturation (2,11). Other neuromonitoring strategies such as electroencephalogram (EEG), transcranial Doppler (TCD) and transfontanellar ultrasound have demonstrated their usefulness to obtain information on mechanisms of neurological injury that occur in the pre, intra, and postoperative period. Standard EEG, processed EEG such as amplitude-integrated EEG (EEGa) or Bispectral Index (BIS), and somatosensory evoked potentials (SEPs) have proven useful for determining anesthetic depth, preventing intraoperative awareness, avoiding anesthetic overdose and detection of events of ischemia, hypoglycemia and subclinical seizures, providing opportunities for their early detection and management (12,13). Transcranial Doppler ultrasound (TCD) over the middle cerebral artery is also a valuable tool to identify inadequate cerebral flow during CPB. Transfontanelle ultrasonography is suitable for bedside use to detect complications such as intraventricular hemorrhage; however, it does not provide the necessary resolution to detect most subtle structural alterations which are only detectable by MRI. MRI requires transporting the critically ill patient to the MRI site thus limiting its intraoperative utility (14).
The multifactorial etiology of neurologic injury makes it less likely that a single intraoperative monitoring modality will be effective in capturing all potential threats. However, multimodal neuromonitoring such as NIRS, TCD and EEG combines several monitoring aspects of brain oxygenation, hemodynamics and electrophysiology. Its routine clinical application reduces the limitations associated to a single monitor, due to its inherent variability (NIRS, TCD) or interactions with anesthetic drugs (EEG). It allows greater sensitivity and specificity in the detection of neurological injury mechanisms (15), reducing the incidence of neurological complications and providing increased safety to the patient during surgery (16,17, 18,19).
References
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19. Finucane E, Jooste E, Machovec K. Neuromonitoring Modalities in Pediatric Cardiac Anesthesia: A Review of the Literature. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 2020; 34: 3420-3428.
