Bestimmung der Anästhesietiefe bei der Katze über die Herzfrequenzvariabilität, verarbeitetes
Elektroenzephalogramm und klinische Parameter
INAUGURAL-DISSERTATION Zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae –
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von
Jonathan Friedemann Raue Göttingen
Hannover 2019
Wissenschaftliche Betreuung:
Prof. Dr. med. vet. Sabine B. R. Kästner Klinik für Kleintiere
Dr. med. vet. Julia Tünsmeyer Klinik für Kleintiere
1. Gutachterin(nen)/Gutachter: Prof. Dr. med. vet. Sabine B. R. Kästner
2. Gutachterin(nen)/Gutachter: Prof. Dr. med. vet. Michael Fehr
Tag der mündlichen Prüfung: 07.05.2019
Teile dieser Arbeit wurden im Rahmen eines Vortrages auf der InnLab-Tagung, 22.
Jahrestagung der Fachgruppe „Innere Medizin und klinische Labordiagnostik“ der DVG, 2014 in Gießen, Deutschland, veröffentlicht.
Meiner Familie
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG ... 1
2 LITERATURÜBERSICHT ... 4
2.1 NARKOSETIEFE UND SCORE ... 4
2.2 ELEKTROENZEPHALOGRAPHIE ... 6
2.3 VERARBEITETES ELEKTROENZEPHALOGRAMM ... 6
2.4 HERZFREQUENZVARIABILITÄT ... 8
2.5 MAC ... 12
2.6 ANÄSTHETIKA ... 13
2.6.1 Isofluran ... 13
2.6.2 Remifentanil ... 14
2.6.3 Dexmedetomidin ... 15
3 MATERIAL UND METHODE ... 17
3.1 TIERE ... 17
3.2 VERSUCHSANORDNUNG /STUDIENDESIGN ... 17
3.3 ANÄSTHESIE ... 18
3.4 INSTRUMENTIERUNG ... 18
3.5 MAC ... 22
3.6 ELEKTROENZEPHALOGRAPHIE ... 23
3.7 HERZFREQUENZVARIABILITÄT ... 23
3.8 KLINISCHER SCORE ... 24
3.9 STATISTIK ... 27
4 MANUSKRIPT 1 ... 28
4.1 ABSTRACT ... 29
4.2 KEYWORDS ... 30
Inhaltsverzeichnis
4.3 BACKGROUND ... 30
4.4 METHODS ... 32
4.4.1 Animals ... 32
4.4.2 Experimental design ... 32
4.4.3 Anaesthesia ... 32
4.4.4 Instrumentation ... 33
4.4.5 MAC determination ... 34
4.4.6 EEG measurements ... 35
4.4.7 Clinical Scoring of anaesthetic depth ... 35
4.4.8 Statistical analysis ... 35
4.5 RESULTS ... 36
4.6 DISCUSSION ... 38
4.6.1 Limitations ... 42
4.7 CONCLUSIONS ... 43
4.8 ABBREVIATIONS ... 43
4.9 DECLARATIONS ... 44
4.9.1 Ethics approval and consent to participate ... 44
4.9.2 Consent for publication ... 44
4.9.3 Availability of data and materials ... 44
4.9.4 Competing interests ... 44
4.9.5 Funding ... 44
4.9.6 Authors’ Contributions ... 44
4.9.7 Acknowledgements ... 45
4.10 ENDNOTES ... 45
4.11 REFERENCES ... 45
4.12 TABLES AND FIGURES ... 50
4.12.1 Table 1 - Clinical score of anaesthetic depth in cats ... 50
4.12.2 Table 2 - EEG (Narcotrend®) parameter values before and after
nociceptive stimulation ... 51
4.12.3 Figure 1 – Narcotrend® (NI) correlation with MAC ... 54
4.12.4 Figure 2 – Clinical Score correlation with MAC ... 55
5 MANUSKRIPT 2 ... 56
5.1 ABSTRACT ... 57
5.2 KEYWORDS ... 58
5.3 BACKGROUND ... 58
5.4 METHODS ... 59
5.4.1 Animals ... 59
5.4.2 Experimental design ... 59
5.4.3 Anaesthesia ... 60
5.4.4 Instrumentation ... 60
5.4.5 MAC determination ... 61
5.4.6 HRV analysis ... 62
5.4.7 Statistical analysis ... 63
5.5 RESULTS ... 63
5.6 DISCUSSION ... 64
5.6.1 MAC ... 65
5.6.2 Epoch lengths ... 67
5.6.3 Drug influences and HRV analysis ... 68
5.7 CONCLUSIONS ... 72
5.8 ABBREVIATIONS ... 72
5.9 DECLARATIONS ... 74
5.9.1 Ethics approval and consent to participate ... 74
5.9.2 Consent for publication ... 74
5.9.3 Availability of data and materials ... 74
Inhaltsverzeichnis
5.9.4 Competing interests ... 74
5.9.5 Funding ... 74
5.9.6 Authors’ Contributions ... 75
5.9.7 Acknowledgements ... 75
5.10 ENDNOTES ... 75
5.11 REFERENCES ... 76
5.12 TABLES AND FIGURES ... 82
5.12.1 Table 1 - HRV parameter values before and after stimulation... 82
5.12.2 Figure 1 – STD HR correlation with MAC ... 84
6 ÜBERGREIFENDE DISKUSSION ... 85
6.1 MATERIAL UND METHODE ... 85
6.1.1 Studiendesign ... 85
6.1.2 MAC-Bestimmung ... 87
6.1.3 Elektroenzephalographie ... 88
6.1.4 Herzfrequenzvariabilität ... 89
6.1.5 Score ... 91
6.2 ERGEBNISSE ... 92
6.2.1 MAC ... 92
6.2.2 Einfluss der Anästhesieprotokolle auf HRV und EEG insgesamt ... 94
6.3 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK ... 97
7 ZUSAMMENFASSUNG ... 99
8 SUMMARY ... 102
9 LITERATURVERZEICHNIS ... 104
10 DANKSAGUNGEN ... 124
Abkürzungsverzeichnis
ANS Autonomes Nervensystem AR Autoregression
AV atrioventrikulär bit binary digit
BAR block adrenergic response BS burst suppression
bzw. beziehungsweise
cm Zentimeter
CO2 Kohlenstoffdioxid
C3H2ClF5O Isofluran (chemische Formel) DTI Dauertropfinfusion
EEG Elektroenzephalographie; Elektroenzephalogramm;
elektroenzephalographisch
EI endotracheale Intubation / engl. endotracheal intubation
EKG Elektrokardiographie, Elektrokardiogramm, elektrokardiographisch EMG Elektromyographie; elektromyographisch
ETCO2 endexspiratorischer CO2-Wert ETISO endexspiratorischer Isofluran-Wert fc cutoff-Frequenz
FFT Fast Fourier Transformation h Stunde (engl.: hour)
HF Hochfrequenz
HR Herzfrequenz (engl.: heart rate)
HRV Herzfrequenzvariabilität (engl.: heart rate variability)
Hz Hertz
I Gruppe I (nur Isofluran)
ID Gruppe ID (Isofluran und Dexmedetomidin) i.m. intramuskulär
IR Gruppe IR (Isofluran und Remfentanil) i.v. intravenös
kg Kilogram
kPa Kilopascal
Inhaltsverzeichnis
kΩ kiloOhm
L Liter
LAVES Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit LF Niedrigfrequenz (engl.: low frequency)
MAC Minimale Alveoläre Konzentration (engl.: minimum alveolar concentration)
MF mediane Frequenz (engl.: median frequency)
min Minute
ml Milliliter ms Millisekunde NI Narcotrend® Index
n.u. normalisierte Einheit/en (engl. : normalised unit/s) N2 Stickstoff
N2O Stickoxid
p Signifikanzlevel
pH Einheit zur Darstellung des Säuregrades einer Lösung RR Intervall zwischen den R-Zacken einer EKG-Aufnahme r2 Spearmans Rangkorrelations-Koeffizient
s Sekunde
s.c. subkutan
SEF95 95 % spectral edge frequency
STD HR standard deviation of all RR intervals SpO2 Periphere Sauerstoffsättigung
u.a. unter anderem
V Volt
vs. versus
Vol% Volumenprozent
μg Mikrogramm
°C Grad Celsius
% Prozent
z.B. zum Beispiel
ZNS Zentrales Nervensystem
1
1 Einleitung
Die Bestimmung der Narkosetiefe stellt sich seit Beginn der Anästhesieforschung schwierig und in vielen Situationen immer noch als unzureichend dar. Intraoperative Wachheit ist ein wiederkehrendes Problem sowohl in der Humanmedizin (DAUNDERER u. SCHWENDER 2001) als auch in der Veterinärmedizin. Eine ausreichende quantitative und am besten alleingültige Messmethode der Anästhesietiefe ist nach wie vor nicht verfügbar (BURGHARDT u. THEILEN 2008).
Die erste beschriebene bei einem Menschen durchgeführt Vollnarkose mit Äther führte dazu, dass der betreffende Tag, der 16. Oktober 1846, „Ether Day“ genannt wurde. Die später von GUEDEL (GUEDEL 1937) für humane Patienten vorgeschlagene Erfassung der Narkosetiefe anhand klinischer Parameter unter Ätheranästhesie wurde für Tiere modifiziert und hat auch heute noch große Bedeutung (BURGHARDT u. THEILEN 2008). Aufgrund wachsender Möglichkeiten in der Durchführung human- und veterinärmedizinischer Anästhesien inklusive der Verwendung verschiedener Narkosemittel und Adjuvantien ist eine alleinige Klassifizierung des Narkosestadiums mit dem modifizierten Guedel-Schema allerdings in vielen Fällen nicht mehr möglich. Vielmehr gilt es, den multiplen Wirksamkeitsorten einer Anästhesie in verschiedenen Körpersystemen Rechnung zu tragen, und ihren Einfluss auf verschiedene Körpersysteme adäquat zu erfassen, um hieraus auf ein Anästhesielevel rückschließen zu können (BURGHARDT u. THEILEN 2008).
Sowohl das Zentrale Nervensystem als auch das Autonome Nervensystem können als Zielorte einer Anästhesie eine tragende Rolle auch bei der Erfassung ihrer Tiefe spielen.
Das Elektroenzephalogramm wurde folgerichtig als potentielles Hilfsmittel bei der Bestimmung der Anästhesietiefe erkannt und in zahlreichen Studien erprobt (LEVY 1984; MOORE et al. 1991; THOMSEN u. PRIOR 1996; RAMPIL 1998;
DAUNDERER u. SCHWENDER 2001; KREUER et al. 2001; SCHMIDT et al. 2008).
Einleitung
2
Spezifische Frequenzbänder und deren Verschiebungen konnten definiert werden.
Der Komplexität der EEG-Messung und –Interpretation wurde durch die Entwicklung neuerer Monitore Rechnung getragen, welche das EEG in Echtzeit analysieren und zu leichter interpretierbaren Indexen verarbeiten (HAGA u. DOLVIK 2002; MARCH u.
MUIR III 2003b; MARTÍN-CANCHO et al. 2003; LAMONT et al. 2005; ZHONG et al.
2005; AVIDAN et al. 2008; BLEIJENBERG et al. 2011). Die Einsetzbarkeit dieser Monitore variiert jedoch sowohl zwischen unterschiedlichen Anästhesieprotokollen als auch zwischen verschiedenen Spezies. Der in dieser Arbeit verwendete Narcotrend® Monitor wurde für die Humananästhesie entwickelt (KREUER et al.
2001; WILHELM et al. 2002; B. SCHULTZ et al. 2003; KREUER et al. 2004a;
KREUER et al. 2004b; KREUER u. WILHELM 2006). Er berechnet mit seinem Algorithmus, der auf der Erkennung von humanen Schlaf-EEG-Mustern basiert, aus den gemessenen Rohdaten in Echtzeit einen Index, der das Hypnosestadium anzeigen soll. Hier zeigen sich Einschränkungen hinsichtlich der verwendeten Anästhesieprotokolle. Bei Hunden sind auch in Abhängigkeit der verwendeten Medikamente die Ergebnisse zum Teil vielversprechend (TÜNSMEYER u. KRAMER 2008; KULKA et al. 2012). Bei Pferden ist die Korrelation des NI mit der Narkosetiefe basierend auf Anästhesiegaskonzentrationen mäßig (TÜNSMEYER et al. 2016). Mit Katzen liegen bisher keine Studien zum Narcotrend® Monitor vor.
Die Aktivität des Autonomen Nervensystems wird dosisabhängig durch Anästhesie als auch Schmerzstimulation beeinflusst. Eine Möglichkeit zur Feststellung von Ausmaß und Balance der Aktivität von Sympathikus und Parasympathikus stellt die Analyse der Herzfrequenzvariabilität, oder kurz HRV (engl. heart rate variability), dar (AKSELROD 1988; BOOTSMA et al. 1994; BOOTSMA et al. 2003; ACHARYA et al.
2006; BURGHARDT u. THEILEN 2008; BILLMAN 2013). Im Umkehrschluss ergibt sich die Theorie, dass HRV-Aktivität und deren Frequenzverteilungsmuster Hinweise auf die Anästhesietiefe geben könnten, wie unter anderem bereits an Hunden untersucht wurde (VOIGT et al. 2013). Es gibt Studien zur HRV bei wachen (ABBOTT 2005) und dezerebrierten (MONTANO et al. 1992) Katzen -
3
Untersuchungen zur HRV bei Katzen als mögliches Instrument der Bestimmung der Narkosetiefe wurden bisher nicht durchgeführt.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die Veränderungen von HRV und der vom Narcotrend® Monitor ausgegebenen EEG-Parameter bei Katzen in verschiedenen MAC-definierten Narkosestadien und unter dem Einfluss dreier verschiedener Anästhesieprotokolle vor und nach nozizeptiver Stimulation zu evaluieren.
Literaturübersicht
4
2 Literaturübersicht
2.1 Narkosetiefe und Score
Nach der Durchführung der ersten Äthernarkosen wurde im weiteren Verlauf der Anästhesieforschung im Jahr 1847 erstmals versucht, verschiedene Narkosestadien zu definieren (PLOMLEY 1847). Im Jahr 1937 stellte GUEDEL dann erstmals seine als “Guedel-Schema” bekannte Darstellung verschiedener Anästhesiestadien unter Ätheranästhesie, welche über klinische Parameter erfasst wurden, dar (GUEDEL 1937).
Folgende Stadien wurden unterschieden:
1. Analgesiestadium 2. Exzitationsstadium
3. Chirurgisches Toleranzstadium 4. Asphyxiestadium
Auftreten oder Verlust von Reflexen sowie bestimmter Veränderungen klinischer Parameter wurden den Stadien zugeordnet, unter anderem Kiefertonus, Augenreflexe, Pupillengröße und Körperbewegungen (GUEDEL 1937; KATO et al.
1992). Dieses Schema wurde für die Veterinärmedizin modifiziert und bildet auch heute noch, in Kombination mit der Interpretation verschiedener Kreislaufparameter, eine weitreichende Gültigkeit (HUANG et al. 2008)
Eine weitere Interpretation der Anästhesietiefe wurde zwanzig Jahre nach der Präsentation des Guedel-Schemas vorgestellt (WOODBRIDGE 1957), mit der Unterscheidung folgender Komponenten: 1) Mentaler Block, 2) Sensorischer Block, 3) Motorischer Block und 4) Reflektorischer Block.
Der Mentale Block beschreibt den Verlust des Bewusstseins, Amnesie, die Wahrnehmungsblockade und den Zustand der Hypnose. Der Sensorische Block beinhaltet Analgesie bzw. die Blockade der Schmerzempfindung. Der Motorische
5
Block beschreibt die Blockade der muskulären Anspannung und reizvermittelter Bewegungsantworten. Der Reflektorische Block beschreibt die Unterdrückung und den Verlust der neurovegetativen Reaktivität inklusive Kreislaufantworten (SCHNEIDER 2003).
Die genaue Zusammenwirkung der verschiedenen Komponenten ist allerdings noch nicht abschließend geklärt und ein genauer Narkosezustand ist mangels Definition demnach trotz der Erfassung der Einzelkomponenten nicht sicher bestimmbar.
Zudem können nur Teile der Blocks objektiv gemessen werden (Motorischer Block über Bewegungsmonitoring und/oder Messung der neuromuskulären Aktivität, sensorischer Block über hämodynamische Parameter) (SCHNEIDER 2003).
Weiterhin bezieht sich das Guedel-Schema nur auf inhalative Mono-Narkosen, und die heutzutage weithin verbreitete balancierte Anästhesie, d.h. die Nutzung mehrerer hypnotischer, analgetischer und teils relaxierender medikamentöser Komponenten, führt letztlich zu einer stark erschwerten Interpretation der für das Guedel-Schema ausschlaggebenden klinischen Parameter (KATO et al. 1992; PETERSEN-FELIX 1998). Eine ausreichende Einschätzung von Narkosetiefe und Einfluss der Analgesie ist somit nicht erreichbar (SHORT et al. 1992).
Ein einheitlicher, validierter numerischer Score zur klinischen Einschätzung der Narkosetiefe existiert nicht. Der in der vorliegenden Arbeit verwendete Score wurde eigens erstellt und beruht sowohl auf einem für die Veterinärmedizin modifizierten Guedel-Schema als auch publizierten Varianten aus Human- und Veterinärmedizin (HUBBELL u. MUIR 2009; TÜNSMEYER et al. 2016). Klinische Scores sind naturgemäß auch anfällig für Einflüsse durch verschiedene Anästhetika, da deren hypnotische, sedative und muskelrelaxierende Wirkungen unterschiedlich sind (DAUNDERER u. SCHWENDER 2001; LEHMANN et al. 2001; BURGHARDT u.
THEILEN 2008; SCHMIDT et al. 2008).
Literaturübersicht
6
2.2 Elektroenzephalographie
Die bereits Ende des 19. Jahrhunderts bei Affen entdeckte elektrische Hirnaktivität wurde in den folgenden Jahrzehnten zur Elektroenzephalographie weiterentwickelt.
Hierbei werden zahlreiche Elektroden über das Hirnfeld des Schädels verteilt (VAN LEEUWEN u. KAMP 1969). Das Elektroenzephalogramm wurde, im Hinblick auf die o.g. begrenzten Möglichkeiten zur Erfassung der Narkosetiefe und dem ZNS als Zielorgan der Anästhesie, folgerichtig als potentielles Hilfsmittel erkannt und in zahlreichen entsprechenden Studien beschrieben (LEVY 1984; MOORE et al. 1991;
THOMSEN u. PRIOR 1996; RAMPIL 1998; DAUNDERER u. SCHWENDER 2001;
KREUER et al. 2001; SCHMIDT et al. 2008).
Spezifische für die Anästhesie interessante Frequenzbänder und deren Verschiebungen konnten definiert werden. Hochfrequenzbereiche wie β- und α- Wellen herrschen in wacheren Stadien vor, niedrigere Frequenzbereiche zeigen tiefere Stadien an (G. N. SCHMIDT et al. 2008). Die in der vorliegenden Studie verwendeten Frequenzbänder gleichen denen früherer Studien mit Hunden (KULKA et al. 2012) und Katzen (FARBER et al. 1997; WRZOSEK et al. 2009; LEWIS et al.
2011).
2.3 Verarbeitetes Elektroenzephalogramm
Die EEG-Rohdaten eignen sich im klinischen Alltag nicht zur Einschätzung der Narkosetiefe, da die Interpretation zeitaufwändig ist und viel Spezialwissen erfordert (TONNER u. BEIN 2006). Der Einsatz des EEGs bliebe somit realitätsfern, wären nicht entsprechende Monitore entwickelt worden, welche die Rohdaten prozessieren und dem Anästhesisten in Echtzeit eine Interpretation des EEGs bereitstellen. Hierzu zählen insbesondere der 1992 eingeführte Bispektrale Index (BIS), der Cerebral State Index (CSI), der Alaris AEP® Monitor, der SNAP® Monitor, das Datex-Ohmeda S/5® Entropy Module und der Patient State Analyser®, sowie der Narcotrend®
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Monitor®. All diese Monitore arbeiten mit gerätespezifischen komplexen Algorithmen, welche bestimmte EEG-Muster (narkose- bzw. schlafassoziiert) erkennen, analysieren und in eine simple Zahlenskala übersetzen. Die Algorithmen wurden auf teils unterschiedlichen Grundlagen entwickelt und die entsprechenden Indices gleichen sich daher auch nicht exakt.
Beispielhaft seien hier einige Studien zu BIS und CSI genannt. Beide Indices sind insbesondere in der Humananästhesie vielfach untersucht worden. Die Ergebnisse bzgl. der potentiellen Vermeidung intraoperativer Wachzustände variieren hier (POMFRETT 1999; ZHONG et al. 2005; AVIDAN et al. 2008; SCHMIDT et al. 2008), ebenso wie die Einschätzung der Kosten/Nutzen-Verhältnisse (SHEPHERD et al.
2013). In der Veterinärmedizin liegen BIS-Studien zu verschiedenen Spezies vor. Bei Pferden und Hunden wurden nur unzureichende Zusammenhänge des BIS mit der Anästhesietiefe festgestellt (HAGA u. DOLVIK 2002; BLEIJENBERG et al. 2011), eine bessere Korrelation ergab sich bei Schweinen (MARTÍN-CANCHO et al. 2003).
Auch bei Katzen wurde der BIS untersucht, hier zeigten sich in einer Studie nur unzureichende Korrelationen mit Prästimulationswerten des MAC, der BIS bildete aber gut die Schmerzstimulation ab (MARCH u. MUIR III 2003b), wohingegen in einer weiteren Studie zwar eine Korrelation von BIS und MAC (Isofluran) darstellbar war, die BIS-Werte aber generell sehr niedrig lagen (LAMONT et al. 2005). Der CSI wurde bei Hunden in Propofol-Anästhesie untersucht (RIBEIRO et al. 2008; RIBEIRO et al. 2012), auch hier konnten Zusammenhänge zur Narkosetiefe dargestellt werden. Bei Katzen konnte in einer Isofluran-Studie kein Vorteil des CSI gegenüber ETISO als Prädiktor von Veränderungen klinischer Parameter in der Narkose festgestellt werden (SOUSA et al. 2014).
Der Narcotrend® Monitor arbeitet anstatt mit einer großflächigen Elektrodenverteilung mit nur 2 Elektroden sowie einer Referenzelektrode, was aber nur zu marginalen Unterschieden bei der Signalerfassung führt (ANTOGNINI u. CARSTENS 1999), wie die anderen oben genannten Monitore, mit einem eigenen, dem Nutzer gegenüber zum Teil nicht offen gelegtem Algorithmus, welchem humane EEG-Muster aus
Literaturübersicht
8
Schlafzuständen zugrunde liegen (B. SCHULTZ et al. 2003; KREUER u. WILHELM 2006). Da Artefakte die Verarbeitung des Roh-EEGs verkomplizieren können (TONNER u. BEIN 2006), können diese durch verschiedene Methoden reduziert werden, wie z.B. das Nutzen von kurzen 2-sekündigen Epochen (LEVY 1984), die Filterung der elektromyographischen Aktivität (PANOUSIS et al. 2007) und die Erkennung von burst-suppression-Mustern (BRUHN et al. 2000).
Zahlreiche experimentelle und klinische Studien wurden mit diesem Monitor in der Humananästhesie durchgeführt, auch im Vergleich zum BIS (KREUER et al. 2001;
SCHMIDT et al. 2002; WILHELM et al. 2002; KREUER et al. 2004a; KREUER et al.
2004b; SCHNEIDER et al. 2004; WEBER et al. 2005; PANOUSIS et al. 2007;
BRACHER 2008; SCHULTZ et al. 2008); hierbei wurde beiden Verfahren zumeist eine ähnlich gute Abbildung des Hypnosestadiums attestiert. Auch in der Veterinärmedizin sind einige Studien zum Narcotrend® Monitor verfügbar. Bei Pferden wurde nur eine schwache Korrelation mit endexspiratorischen Isoflurankonzentrationen gefunden (TÜNSMEYER et al. 2016). Bei Hunden hingegen konnte eine bessere Korrelation der vom Narcotrend® bereitgestellten Parameter zu verschiedenen definierten MAC-Stufen gezeigt werden, allerdings auch hier mit Einschränkungen hinsichtlich der Genauigkeit insbesondere in mittleren Anästhesiestadien und deren Unterscheidung von zu flachen Stadien (TÜNSMEYER u. KRAMER 2008; KULKA et al. 2012). Zu Katzen liegen bisher keine Studien mit dem Narcotrend® Monitor vor.
2.4 Herzfrequenzvariabilität
Die Herzfrequenzvariabilität (HRV) beschreibt die Varianz des Abstands der R- Zacken in der EKG-Messung und wird durch die physiologische Regulation der Herzfrequenz und des Kreislaufsystems durch das Autonome Nervensystem (SAUL 1990; BERNTSON et al. 1997) sowie äußere Faktoren (AKSELROD et al. 1981;
PAGANI et al. 1986; BROWN et al. 1989; MATSUNAGA et al. 2001), beeinflusst.
9
Somit kann über die HRV-Erfassung auch auf die ANS-Aktivität rückgeschlossen werden (AKSELROD 1988; BOOTSMA et al. 1994; BOOTSMA et al. 2003;
ACHARYA et al. 2006; BURGHARDT u. THEILEN 2008; BILLMAN 2013). Dies wurde bereits im 18. Jahrhundert erkannt (HALES 1733), allerdings wurde die HRV- Analyse erst wesentlich später durch die Anwendung der Spektralanalyse weiterentwickelt (AKSELROD et al. 1981; AKSELROD 1988). Dadurch können sowohl zeit- als auch frequenzbasierte Parameter der HRV definiert und analysiert werden.
Zeitbereichsbasierte Parameter wie die Standardabweichung der Herzfrequenz (STD HR) bieten Informationen über die Variabilität der Herzfrequenz insgesamt, wohingegen die frequenzbereichsbasierten Parameter wie HF (Hochfrequenz, high frequency), LF (Niedrigfrequenz, low frequency) und VLF (sehr niedrige Frequenz, very low frequency) die Verhältnisse verschiedener Frequenzbereiche zueinander zeigen (TASK FORCE ON HRV 1996). Die Frequenzbänder werden in Hz angegeben und werden je nach Spezies leicht angepasst. Sowohl für Menschen (TASK FORCE ON HRV 1996) als auch für Hunde (MATSUNAGA et al. 2001;
MOTTE et al. 2005; MANZO et al. 2009) gibt es relativ einheitlich genutzte Bänder, bei Katzen besteht aufgrund nur weniger entsprechender Studien noch kein Konsens zu den zu verwendenden Frequenzbändern (DI RIENZO et al. 1991; ABBOTT 2005;
REY et al. 2008).
Parasympathikus und Sympathikus sind üblicherweise beide – in unterschiedlichem Ausmaß - aktiv und werden situationsabhängig vom Körper ausbalanciert (PATON et al. 2005). Es wird eine Verbindung von Änderungen im HF-Bereich mit der respiratorischen Sinusarrythmie und damit zum Parasympathikus beschrieben. Im Gegensatz dazu hängen Veränderungen im LF-Bereich vermutlich mit dem Sympathikus zusammen, es wird jedoch diskutiert, ob eine Überlappung zum parasympathischen System existiert (PAGANI et al. 1986; KAWASE et al. 2002;
SEELY u. MACKLEM 2004; MOTTE et al. 2005). Daraus ergibt sich die Bedeutung des LF/HF-Verhältnisses für die Interpretation der sympathovagalen Balance
Literaturübersicht
10
(MALLIANI et al. 1994). Da das ANS von unterschiedlichsten Faktoren wie Stress oder Angst, Schmerzen, Schlaf (MONTANO et al. 2009) und Allgemeinanästhesie (LUGINBÜHL et al. 2007) beeinflusst wird, ist über die HRV als Indikator der sympathovagalen Balance (BOOTSMA et al. 1994; BOOTSMA et al. 2003;
ACHARYA et al. 2006) auch ein Rückschluss auf den Anästhesiezustand denkbar.
Vorteile für die Anästhesieüberwachung bei einer HRV-Echtzeitanalyse würden sich aus der Tatsache ergeben, dass über die HRV-Analyse Daten über das ANS generiert werden, die in der bloßen EKG-Ansicht und –Interpretation nicht erkennbar sind (KATO et al. 1992; NORMAN et al. 2005; HUANG et al. 2008).
Die bisherige Studienlage zur HRV bezieht sich überwiegend auf die Humanmedizin und behandelt u.a. Themen wie beispielsweise die Reduktion der HRV nach Herzinfarkt (BIGGER et al. 1988), Sportler Fitness-Monitoring (BRICOUT et al.
2010), Herzerkrankungen und dem „Sudden Death Risiko“ (GALINIER et al. 2000;
MOTTE et al. 2005), Intoxikationen (SÜFKE et al. 2009) und Stress (RUEDIGER et al. 2004). Teilweise wird die Sinnhaftigkeit der HRV-Analyse für den klinischen Alltag kritisch diskutiert (HUIKURI et al. 1999; BOOTSMA et al. 2003). In der Veterinärmedizin wurde bei Sportpferden ein relativer Anstieg der HF-Komponente bei intensivem Training nachgewiesen (COTTIN et al. 2005). Es wurden Unterschiede in der HRV zwischen Katzen festgestellt, die sich in heimischer Umgebung oder in einer Tierklinik aufhielten (ABBOTT 2005); hierbei wurde aufgrund der unterschiedlichen LF/HF-Verhältnisse auf einen höheren Sympathikus- Tonus bei Katzen in der Klinik geschlossen. Ebenfalls bei Katzen wurde der Einfluss von Hypoxie untersucht (REY et al. 2008) und die Korrelation von LF und Sympathikus bei Katzen wurde bewiesen (MONTANO et al. 1992). Zusammenhänge von HRV-Änderungen mit Schmerzzuständen konnten bei Pferden, Hunden und Mäusen dargestellt werden (RIETMANN et al. 2004; ARRAS et al. 2007; VOIGT et al. 2013). Bei Hunden konnte die circadiane Rhythmik in der HRV dargestellt werden (MATSUNAGA et al. 2001).
11
Eine HRV-Analyse kann mit Datensätzen unterschiedlicher zeitlicher Länge durchgeführt werden. Für viele Fragestellungen eignen sich längere Epochen von bis zu 24 Stunden (TASK FORCE ON HRV 1996; ABBOTT 2005), inzwischen wurden aber auch kürzere Epochen untersucht (HUANG et al. 2008; TARVAINEN et al.
2012; SHAFFER et al. 2016; CASTALDO 2019), ebenso mögliche Einflüsse wie die Atmung (CONNY 1995). Die mathematische Analyse erfolgt entweder durch die Fast-Fourier-Transformation oder Autoregression, wobei sich für kürzere Epochen eher die Autoregression eignet (BOARDMAN et al. 2002; MONTANO et al. 2009).
Einige Studien mit verschiedenen Spezies existieren auch zum Thema HRV und Anästhesiemonitoring. Hierbei wurden teils vielversprechende Zusammenhänge der HRV (bzw. einem eigens geschaffenen zeitbereichsbasierten Parameter namens
„similarity index“) mit der Anästhesietiefe (HUANG et al. 2008) als auch mit dem Einfluss von chirurgischen Schmerzreizen (JEANNE et al. 2009) gefunden. Der Einfluss von inhalativen Anästhetika sowie Opioiden und α2-Agonisten auf die HRV während der Anästhesie wurden in Human- und Veterinärmedizin untersucht (KATO et al. 1992; GALLETLY et al. 1994; H.-H. HUANG et al. 1997; PICHOT et al. 2001;
KAWASE et al. 2002; PÖYHÖNEN et al. 2004; LEDOWSKI et al. 2005; LUGINBÜHL et al. 2007; TARVAINEN et al. 2012; VOIGT et al. 2013), wobei eine generelle Suppression der HRV mit zunehmender Menge des inhalativen Anästhetikums festgestellt wurde, sowie eine Zunahme des parasympathischen Tonus. Isofluran führt bei steigender Konzentration nach einer initialen Erhöhung zu einer Erniedrigung der Herzfrequenz (SKOVSTED u. SAPTHAVICHAIKUL 1977;
GALLETLY et al. 1994). Untersuchungen der HRV bei gesunden Katzen in Narkose liegen bisher nicht vor.
Real-time monitoring der HRV als Hilfsmittel der Narkoseüberwachung ist ein mögliches Ziel der Forschung. Erste diesbezügliche Entwicklungen sind bereits kommerziell erhältlich. Der PTA (Parasympathetic Tone Activity) Monitor soll mittels eines simplen Scores die Narkosetiefe anzeigen. Dies wurde bereits an Hunden getestet (MANSOUR et al. 2017).
Literaturübersicht
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2.5 MAC
Das Konzept der Minimalen Alveolären Konzentration zur Bestimmung der Effektivität eines Inhalationsanästhetikums ist eine beschriebene Standardmethode (EGER et al. 1965), welche es ermöglicht, reproduzierbare und vergleichbare Studienergebnisse zu erzielen. Eine (1,0) MAC (oder MAC50) ist definiert als diejenige endexspiratorische Konzentration eines Inhalationsanästhetikums, die bei 50% der Patienten gerade eben gerichtete Muskelbewegungen als Antwort auf einen supramaximalen Schmerzstimulus vermeidet (MERKEL u. EGER 1963). Hierfür wird zumeist eine Hautinzision als definierter chirurgischer Schmerzstimulus herangezogen (QUASHA et al. 1980), auch eine Druckapplikation oder tetanische Stimulation (ZBINDEN et al. 1994) oder im Veterinärbereich die tail clamping Methode sowie elektrische supramaximale Stimulation (VALVERDE et al. 2003;
BROSNAN et al. 2009). Je nach Anwendung sind auch weitere MAC-Definitionen gebräuchlich. Die „MAC BAR“ (block adrenergic response) bezeichnet diejenige Konzentration, bei der keine Reaktionen des Autonomen Nervensystems auf Schmerzreize mehr darstellbar ist (ROIZEN et al. 1981). Die „MAC awake“ ist die Konzentration, bei der 50% der Patienten die Augen öffnen (STOELTING et al.
1970). Die „MAC EI“ (engl. endotracheal intubation) bezieht sich auf Abwehrbewegungen bzw. deren Unterdrückung bei Intubation (KIMURA et al. 1994).
Im veterinärmedizinischen Bereich wird üblicherweise die MAC / MAC50 benutzt. Es wurden über die Hautinzision hinaus mehrere Stimulus-Techniken validiert, inklusive der oben genannten tail clamping Methode und elektrischer Stimulationsprotokolle.
Beide Methoden zeigen vergleichbare Ergebnisse bei Hunden und Kaninchen (VALVERDE et al. 2003) und wurden auch bei Katzen eingesetzt (BROSNAN et al.
2009). Bei der tail clamping Methode wird der Schwanz einige Zentimeter distal der Basis mit einer Klemme (Hämostat) bis zu deren erster Einkerbung für 30-60 Sekunden geklemmt. Das elektrische Stimulationsprotokoll beinhaltet Einzelstimuli von 50V bei 50Hz für einen Zeitraum von 10 Millisekunden sowie eine kontinuierliche Stimulation über mehrere Sekunden. Es erfolgt jeweils ein vorzeitiger Abbruch der
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Stimulation bei der Beobachtung zielgerichteter Bewegung. Gewebeschäden sind bei dieser Stimulationsmethode unwahrscheinlich (LE BARS et al. 2001).
Die in dieser Studie verwendeten MAC-Abstände (0,75 MAC, 1,0 MAC und 1,5 MAC) entsprechen bereits publizierten Stufen (KULKA et al. 2012; VOIGT et al. 2013).
Für die vorliegende Studie relevante MAC-Werte der jeweiligen Versuchsgruppen sind unter dem folgenden Abschnitt „Anästhetika“ bei den jeweiligen Wirkstoffen beschrieben. Die hier verwendete elektrische Stimulationsmethode und die Interpretation der Reaktionen der Tiere sind in Kapitel 3.5 ausführlich dargestellt.
Für die MAC-Bestimmung ist eine Equilibrierungsphase nach Erreichen der gewünschten endexspiratorischen Konzentration erforderlich. Die entsprechende Zeit wird in der Literatur mit, je nach Studie, 10-20 Minuten angegeben (EGER et al.
1965; ZBINDEN et al. 1994; VALVERDE et al. 2003; CAMPAGNOL et al. 2007;
KULKA et al. 2012; VOIGT et al. 2013); speziell bei Katzen wurden 15-20 Minuten angegeben (MARCH u. MUIR III 2003a; ESCOBAR et al. 2012a). Eine wash-out Phase zwischen den Experimenten aus Erholungsgründen der Tiere und zur Exklusion möglicher medikamentöser Resteinflüsse der vorangegangenen Experimenten sinnvoll (CARPENTER et al. 1986; KAPILA et al. 1995; MICHELSEN et al. 1996; HOKE et al. 1997; PYPENDOP et al. 2008; CREDIE et al. 2010).
2.6 Anästhetika
2.6.1 Isofluran
Isofluran ist ein volatiles Anästhetikum (LOSCAR u. CONZEN 2004) mit weit verbreiteter Anwendung in der Veterinärmedizin. Es entstammt als Strukturisomer des Enflurans der Gruppe der Flurane. Entwickelt bereits 1965 (VITCHA 1971;
EGER 1981), wird es in Deutschland seit 1984 für die Allgemeinanästhesie in der
Literaturübersicht
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Humanmedizin eingesetzt. Aufgrund seines niedrigen Blut-Gas-Verteilungs- Koeffizienten (1,46 beim Menschen) wird Isofluran schnell über die Lungenalveolen aufgenommen und auch zum überwiegenden Teil hier wieder abgegeben, die Metabolisierungsrate liegt bei 0,2% (CROMWELL et al. 1971; CARPENTER et al.
1986). Für Menschen wurde ein MAC von etwa 1,2 Vol% gemessen (STEVENS et al. 1975), für Hunde wurden Werte zwischen etwa 1.2 Vol% und 1.8 Vol% festgestellt (STEFFEY u. HOWLAND JR. 1977; HELLYER et al. 2001; CREDIE et al. 2010;
KULKA et al. 2012; VOIGT et al. 2013). Bei Katzen lagen die Werte zwischen 1,2 Vol% und 2,2 Vol% (STEFFEY u. HOWLAND JR. 1977; MARCH u. MUIR III 2003a;
FERREIRA et al. 2009; SHAUGHNESSY u. HOFMEISTER 2014). Isofluran ist in der Lage, dosisabhängig zunächst eine generalisierte EEG-Aktivierung und bei steigender Konzentration eine zunehmende Suppression der EEG-Aktivität herbeizuführen (SCHELLER et al. 1990; LOSCAR u. CONZEN 2004). Bei höheren Konzentrationen kann es zudem eine subkortikale Blockade der Schmerztransmission erzeugen (ANGEL 1993; ANTOGNINI et al. 2000).
2.6.2 Remifentanil
Remifentanil ist ein hochpotentes kurzwirksames Opioid (HOFFMAN et al. 1993) mit schnellem Wirkungseintritt nach Beginn und schneller Abflutung nach Ende der Gabe. Dem Molekül eigen ist eine Ester-Seitenkette, entsprechend erfolgt der Abbau von Remifentanil nicht organgebunden, sondern über unspezifische Esterasen. Die context-sensitive Halbwertszeit (d.h. die Zeit, die benötigt wird, um eine Reduktion des Mittels auf 50% der Blut-/Plasmakonzentration zu erreichen) ist entsprechend ausgesprochen kurz (3 Minuten beim Menschen) und über verschiedene Infusionszeiten hinweg konstant (GLASS 1993; EGAN 1995). Bei Katzen wird die durchschnittliche Halbwertszeit mit 15,7 Minuten beschrieben (PYPENDOP et al.
2008); dies ist zwar länger als bei Menschen und Hunden (LANG et al. 1996; HOKE et al. 1997), aber dennoch wesentlich kürzer als Fentanyl bei Katzen (LEE et al.
2000). Es wirkt als Agonist an µ1-Opiatrezeptoren (HOKE et al. 1997). Es ist ausgesprochen lipidlöslich und eine Kumulation ist aufgrund seiner molekularen
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Struktur und der schnellen extrahepatischen Elimination unwahrscheinlich (EGAN 1995; MICHELSEN et al. 1996; HOKE et al. 1997).
Der Isofluran-sparende Effekt von Remifentanil unterliegt bei verschiedenen Spezies einer gewissen Varianz, ist aber sowohl beim Menschen (LANG et al. 1996) als auch bei Hunden (ALLWEILER et al. 2007; MONTEIRO et al. 2009b; VOIGT et al. 2013) und Ratten (CRIADO u. GÓMEZ DE SEGURA 2003) präsent und durchschnittlich stärker als bei Katzen. Eine Studie konnte überhaupt keinen MAC sparenden Effekt durch Remifentanil bei Katzen in Isofluran-Anästhesie nachweisen (BROSNAN et al.
2009), wohingegen in anderen Studien eine Reduktion der benötigten Isofluranmenge von 15,6% bis 30% gezeigt wird (FERREIRA et al. 2009; STEAGULL et al. 2015). Der zentral stimulierende Effekt von Opioiden bei Katzen wird als mögliche Ursache des geringeren MAC-sparenden Effekts gegenüber anderen Spezies beschrieben (GAUMANN et al. 1988; BORTOLAMI u. LOVE 2015)
Die Remifentanil-Dosis, die bei bisherigen Studien mit Katzen gewählt oder abschließend empfohlen wurde, schwankt je nach Studiendesign zwischen 13,8 μg/kg/h und 42 μg/kg/h (DO A. CORREA et al. 2007; BROSNAN et al. 2009;
FERREIRA et al. 2009; MACHADO et al. 2018). Ein Ceiling-Effekt bereits unterhalb von 15 μg/kg/h wird diskutiert (FERREIRA et al. 2009).
Eine Anhebung der mittleren und höheren Frequenzbänder bei humanen EEG- Messungen durch Remifentanil ist beschrieben (KORTELAINEN et al. 2009)
2.6.3 Dexmedetomidin
Dexmedetomidin ist als das aktive, rechtsdrehende Enantiomer des Medetomidins ein α2-Agonist mit dosisabhängiger sedativer, analgetischer, anxiolytischer und muskelrelaxierender Wirkung (KUUSELA et al. 2000; MURRELL u.
HELLEBREKERS 2005; OKAWA et al. 2010), welche auch bei Katzen zum Tragen kommt (SCHMELING et al. 1999; SLINGSBY u. TAYLOR 2008; MONTEIRO et al.
2009a; PYPENDOP u. ILKIW 2014). Die Wirkung ist bei der Gabe von equipotenten
Literaturübersicht
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Dosen der des Medetomidins gleichzusetzen, was bereits bei Katzen beschrieben wurde (ANSAH et al. 1998, 2000). Einzeldosen von 0,04 mg/kg führten bei Katzen zu ausreichender Sedation und Analgesie für Eingriffe wie z.B. Zahnsanierungen oder Abszesspaltungen, und die Reversion über Atipamezol verlief unproblematisch (GRANHOLM et al. 2006). Dexmedetomidin senkt generell den Sympathikustonus (HOGUE et al. 2002) und hat suppressive hämodynamische Effekte auch bei Katzen (PYPENDOP et al. 2011). Eine bessere Qualität der Aufwachphase wird zwar beschrieben, allerdings auch das Auftreten von Bradykardie (SOUZA et al. 2010).
Weitere Nebeneffekte wie reduzierter Herzauswurf, Sinusarrythmien, AV-Blocks ersten oder zweiten Grades, erhöhter systemischer Gefäßwiderstand und periphere Vasokonstriktion sowie ein Sympathikusblock sind möglich (BOL et al. 1999;
KUUSELA et al. 2000). In Kombination mit Ketamin und Butorphanol werden die kardiovaskulären Nebeneffekte bei Katzen als gering beschrieben (MENDES et al.
2003; SELMI et al. 2003). Dexmedetomidin senkt die Aktivität in den Hochfrequenzbereichen und erhöht die Aktivität in Niederfrequenzbereichen des EEGs bei Katzen (WRZOSEK et al. 2009).
Dexmedetomidin reduziert den Bedarf an inhalativen Anästhetika (AANTAA et al.
1997). Bei Hunden wird die Isofluranmenge bei der gleichzeitigen Gabe von klinisch relevanten Dexmedetomidin-Dosen um 30-59% verringert (PASCOE et al. 2006;
CAMPAGNOL et al. 2007; EBNER et al. 2013; VOIGT et al. 2013). Bei Katzen konnte, abhängig von Studiendesign und Dosis, ein MAC-sparender Effekt von bis zu 80% gezeigt werden (PYPENDOP et al. 2011; ESCOBAR et al. 2012b, a). Auch in Kombination mit epiduraler Lidocain-Gabe gibt es einen dosisabhängigen MAC- sparenden Effekt (SOUZA et al. 2010). Die Halbwertszeit von Dexmedetomidin bei Katzen liegt mit durchschnittlich 198 Minuten (ESCOBAR et al. 2012b) deutlich über der Halbwertszeit von Remifentanil.
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3 Material und Methode
3.1 Tiere
Für die vorliegenden Studien wurden sieben adulte Katzen der Rasse Europäisch Kurzhaar verwendet. Fünf davon waren männlich-kastriert, zwei weiblich-unkastriert und eine weiblich-kastriert. Das durchschnittliche Alter ± SD betrug 5.6 ± 3.0 Jahre, und das durchschnittliche Körpergewicht ± SD betrug 4.5 ± 0.96 kg. Alle Katzen wurden vorab allgemein und neurologisch untersucht und für gesund befunden. Es wurde zudem eine Blutuntersuchung (Hämatologie und Klinische Chemie) durchgeführt. Vor den Versuchen wurden die Tiere 8 Stunden nüchtern gehalten, Wasser wurde bis eine Stunde vor Beginn des jeweiligen Experiments angeboten. Je ein Tier wurde pro Tag untersucht, und das Versuchsprotokoll startete jeweils zur gleichen Tageszeit (etwa 10 Uhr) zum Ausschluss von Einflüssen der circadianen Rhythmik auf die Messungen. Nach Abschluss des jeweiligen Experiments und nach der sich anschließenden Aufwachphase wurden die Katzen zurück in ihre Unterkunft verbracht.
Der dieser Arbeit zugrunde liegende Versuchsaufbau wurde in Form eines Tierversuchsantrages der zuständigen Landesbehörde (Niedersächsisches Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit / LAVES) zur Begutachtung vorgelegt und von ebendieser genehmigt (Nr. 33.12-42502-04- 10/0102).
3.2 Versuchsanordnung / Studiendesign
Die vorliegende Studie wurde als prospektive und komplette cross-over-Studie angelegt und durchgeführt. Jede Katze wurde jeweils drei Behandlungsgruppen zugewiesen, welche jeweils einem von drei Anästhesieprotokollen (siehe unten) entsprachen. Die individuelle Reihenfolge, in welcher diese Anästhesieprotokolle durchgeführt wurden, war randomisiert. Eine „wash-out“-Phase von mindestens acht Tagen zwischen den jeweiligen Experimenten wurde eingehalten, um ausreichend
Material und Methode
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Erholungszeit zu gewährleisten und Einflüsse der vorherigen Narkosen auf die Messungen zu vermeiden. Nach Einleitung der jeweiligen Narkose und Instrumentierung (siehe unten) wurde 1,0 MAC bestimmt. Dies erfolgte individuell für jede Katze in jeder Behandlungsgruppe durch elektrische supramaximale nozizeptive Stimulation. Während desselben Experiments wurden im weiteren Verlauf drei unterschiedliche Anästhesietiefen – definiert durch die einfache, die 0,75-fache und die 1,5-fache Isofluranmenge bezogen auf 1,0 MAC – eingestellt. In jeder Anästhesietiefe wurde dann zwecks Simulation eines standardisierten chirurgischen Reizes nochmals die nozizeptive Stimulation durchgeführt, welche bereits zur MAC- Bestimmung eingesetzt wurde. Zunächst erfolgte immer die Messung bei 1,0 MAC.
Die Reihenfolge, in welcher anschließend 0,75 MAC und 1,5 MAC eingestellt wurden, war randomisiert.
3.3 Anästhesie
Das Isofluran (Forane®/Forene®, Abbott AG, Schweiz) wurde in 100% Sauerstoff verabreicht. Gruppe I wurde ausschließlich mit Isofluran anästhesiert, Gruppe IR bekam Isofluran und eine Remifentanil-Dauertropfinfusion (Ultiva®, GlaxoSmithKline, Australien) mit einer Rate von 18 µg/kg/h i.v., und Gruppe ID wurde zusätzlich zum Isofluran eine Dexmedetomidin-Dauertropfinfusion (Dexdomitor®, Orion Corporation, Finnland) mit einer Rate von 3 µg/kg/h i.v. verabreicht. Remifentanil und Dexmedetomidin wurden in 0.9%iger NaCl-Lösung (NaCl 0.9 % B. Braun, B. Braun Melsungen AG, Deutschland) verdünnt, in einem Verhältnis, welches erlaubte, beide Medikamente in ihrer Gruppe je mit einer Rate von 5 ml/kg/h zu infundieren. In Gruppe I wurde eine reine NaCl-Lösung mit der gleichen Infusionsrate verabreicht.
3.4 Instrumentierung
Ein intravenöser Verweilkatheter (Vasofix® Braunüle®, B. Braun Melsungen AG, Deutschland) wurde am Tag des jeweiligen Experiments entweder in die V. cephalica antebrachii oder die V. saphena lateralis gelegt. Die Narkoseeinleitung erfolgt in einer Narkoseeinleitungsbox, in welche 5% Isofluran in 100% Sauerstoff bei einer
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Flussrate von 5 L/min bis zum Verlust des Aufrichtungsreflexes geleitet wurden.
Anschließend wurde die Katze aus der Box genommen und die Einleitung per Gesichtsmaske fortgesetzt. Nach Erreichen einer ausreichenden Anästhesietiefe wurde ein endotrachealer Tubus gelegt (ID 3,5 bis 4,5 je nach Tiergröße). Die Katzen wurden in rechtslaterale Körperlage verbracht und mit dem Atemkreis des Anästhesiegerätes (Dräger Trajan 808, Drägerwerk AG & Co. KGaA, Deutschland) verbunden. Die jeweilige Dauertropfinfusion (Perfusor® fm, B. Braun Melsungen AG, Deutschland) wurde gestartet, und die Isofluranmenge so gewählt, dass der endexspiratorische Wert knapp über dem erwarteten 1,0 MAC der jeweiligen Gruppe lag. Es schloss sich eine initiale Equilibrationsphase von 60 Minuten an, innerhalb derer auch die weitere Instrumentierung erfolgte. Isofluran und CO2 wurden über Infrarotspektroskopie mit einem Multiparameter-Anästhesiemonitor (Datex Ohmeda Compact Monitor, GE Healthcare, USA) gemessen. Der Monitor wurde jeweils am Tag des Experiments vor Beginn des Versuchs mit einem Referenzgas (5.00 % CO2, 33.0 % N2O, 2 % Desfluran und N2 als Balancegas; QUICK CALTM Calibration gas, GE Healthcare, USA) kalibriert. SpO2 wurde ebenfalls vom selben Monitor via Pulsoximetrie gemessen. Die Atmung wurde durch mechanische Beatmung (Alphavent, Drägerwerk AG & Co. KGaA, Deutschland) konstant gehalten und eine Eukapnie, d.h. ein end-exspiratorischer CO2 von 35-45 mmHg, wurde aufrecht erhalten. Die Körpertemperatur wurde ständig über eine Ösophagussonde gemessen, und die Körpertemperatur durch Warmluftzufuhr (Bair Hugger®, Carbamed, Schweiz) und Schutzdecken im physiologischen Bereich gehalten. Der Blutdruck wurde nicht-invasiv über die Doppler-Technik gemessen. Hierbei wurde der Schallsensor kraniomedial am Metatarsus (A. metatarsalis) oder ventral am Schwanz (A. coccygea) angebracht, jeweils distal der Manometer-Manschette.
Der Narcotrend®-Monitor (Narcotrend®-Compact version 5.0, MT MonitorTechnik GmbH & Co. KG, Deutschland) wurde über drei EEG-Elektroden mit der Katze verbunden: jeweils eine Elektrode links und rechts lateral in der Temporalregion, auf mittlerer Höhe einer imaginären Linie zwischen dem lateralen Kanthus und dem Ohrgrund, sowie eine Referenzelektrode am Übergang vom Nasenrücken zur Stirn
Material und Methode
20
(TÜNSMEYER u. KRAMER 2008). Die Impedanz wurde automatisch vom Narcotrend® Monitor überprüft – bei Werten über 6 kΩ wurde die Nadelposition entsprechend angepasst.
[Abbildung 1: subkutane Narcotrend®-EEG-Elektroden am Kopf einer Katze]
Die EKG-Messungen wurden mit einem Televet 100 System (Televet® 100, Rösch &
Associates Information Engineering GmbH, Deutschland) durchgeführt. Über vier oberflächliche Elektroden wurde der Transmitter mit der Katze verbunden, die Elektroden wurden hierbei palmar bzw. plantar an den Pfoten angebracht, oder
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ersatzweise, bei zu niedriger Signalintensität, beidseits lateral an der Brust (zwei links, zwei rechts). Der Transmitter sendete das EKG-Signal dann per Bluetooth- Technik in Echtzeit an einen Personalcomputer, über welchen per aufgespielter Software (Televet® 100 version 4.2.0, Rösch & Associates Information Engineering GmbH, Deutschland) die Messungen kontinuierlich aufgezeichnet wurden zur späteren Offline-Analyse.
Die standardisierte Schmerzstimulation wurde über einen Square Pulse Stimulator (Grass S48 Square Pulse Stimulator, Astro-Med, USA) erreicht (Einstellungen: 50V, 50Hz and 10ms). Hierfür wurden zwei Stimulationselektroden (Disposable EasyGrip Monopolar Needle Electrode 50 mm x 26 ga, Viasys Healthcare, USA) subkutan median auf Höhe des mittleren Drittels der rechten Ulna platziert, mit einem Abstand von 4-5 cm zueinander.
[Abbildung 2: Vorderpfoten mit fixierten Stimulationselektroden (blau), EKG- Elektroden (gelb und rot) und Dauertropfinfusion]
Material und Methode
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Nach jedem Experiment wurde die Anästhesie beendet und alle Elektroden und Katheter entfernt. Es wurde eine einmalige Dosis von 0,1mg/kg Meloxicam subkutan verabreicht, um einer möglichen Entzündungs- und/oder Schmerzreaktion in der stimulierten Region vorzubeugen.
3.5 MAC
Jeweils nach Abschluss der 60-minütigen initialen Instrumentierungs- und Equilibrationsphase wurde zunächst die individuelle MAC-Bestimmung durchgeführt.
Ein publiziertes, standardisiertes Protokoll zur supramaximalen Stimulation (VALVERDE et al. 2003) wurde verwendet. Hierbei wurden, bei einer Spannung von 50V und einer Frequenz von 50 Hz, zwei Einzelstimuli à 10 ms und zwei kontinuierliche Stimuli à drei Sekunden, mit je einer Pause von fünf Sekunden, appliziert. Das Stimulationsprotokoll wurde sofort beendet, wenn vor seinem Ablauf bereits eine positive Reaktion ausgelöst wurde. Grobe Bewegungen des Kopfes, der Gliedmaßen (exklusive der stimulierten Gliedmaße) oder des Schwanzes wurden als positive Reaktion definiert, wohingegen Schlucken, Zungenbewegungen, Ohrbewegungen, Augenrollen, Versuche der Spontanatmung oder Kauen als negativ eingestuft wurden. In der Vorbereitungsphase dieser Studie hatte sich herausgestellt, dass einige Katzen zu einer zeitlich leicht verzögerten Reaktion tendieren. Daher wurde ein Zeitabschnitt von einer Minute definiert, innerhalb derer eine positive Reaktion gezeigt werden konnte. Spätere Reaktionen wurden nicht als positiv gewertet.
Nach initialer Equilibrationsphase mit und Einstellung von 1.0 MAC wurde die erste Stimulation durchgeführt. Bei positiver Reaktion wurde der ETISO um 0,2 Vol%
erhöht, bei einer negativen Reaktion um den gleichen Wert erniedrigt („bracketing method“) (SONNER 2002). Jeweils nach Erreichen der neu eingestellten Isoflurankonzentration wurde eine neue Equilibrationsphase von zwanzig Minuten gewährt. Im letzten Schritt wurde die Isoflurankonzentration noch feiner eingegrenzt,
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indem die Isoflurankonzentration nur noch 0,1 Vol% erhöht bzw. erniedrigt wurde.
Die MAC wurde als das arithmetische Mittel der Werte definiert, welche eine positive Reaktion auf die nozizeptive Stimulation gerade verhinderten bzw. zuließen.
3.6 Elektroenzephalographie
Die EEG-Messung mit dem Narcotrend® Monitor erfolgte bei jedem Experiment ab der Instrumentierungsphase kontinuierlich, mit einer sample rate von 128 sowie einer 12-bit-Auflösung. Die Filtereinstellung lag bei 0,5 bis 45 Hz, kombiniert mit einem 50- Hz-Kerbfilter. Vom gemessenen EEG-Signal wurden automatisch 2-Sekunden- Abschnitte per Fast Fourier Transformation weiterverarbeitet und die durchschnittlichen Werte von 10 folgenden 2-sekündigen Segmenten als 20- Sekunden-Epochen dargestellt. Vier Frequenzbänder wurden definiert: δ = 0,5 bis 3,5 Hz, θ = 3,5 bis 7,5 Hz, α = 7,5 bis 12,5 Hz, und β = > 12,5 Hz. Das ausgegebene EEG-Signal wurde vor der weiterführenden Analyse visuell auf Übertragungslücken und Artefakte überprüft. EMG-Aktivität und burst suppression Phasen wurden vermerkt, führten aber nicht zum Ausschluss der Daten aus der Analyse. Die Daten bzgl. der o.g. Frequenzbänder sowie die Werte von Medianfrequenz, Spektraler Eckfrequenz und des Narcotrend® Index wurden vom Narcotrend® Monitor ausgegeben und nach den Experimenten offline analysiert (NarcoWin version 1.1, MT MonitorTechnik GmbH & Co. KG, Germany). Die jeweiligen Durchschnittswerte von Epochen einer Länge von 1, 2 und 3 Minuten vor und nach Stimulation wurden analysiert.
3.7 Herzfrequenzvariabilität
Die EKG-Aufnahmen wurden sowohl während der Experimente als auch bei der anschließenden Datenaufbereitung visuell auf Artefakte und Arrhythmien überprüft.
Material und Methode
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Die R-Zacken wurden in der Offline-Analyse automatisch von der Televet® Software erkannt. Bei Nichterkennung oder fehlerhafter Erkennung von R-Zacken erfolgte eine manuelle Korrektur. Die R-R-Intervall-Daten wurden exportiert und mit einem speziellen HRV-Programm (Kubios® RV version 2.0, Biosignal Analysis and Medical Imaging Group, Department of Physics, University of Kuopio, Finland) (TARVAINEN et al. 2008; TARVAINEN et al. 2014). weiterführend analysiert. Hierbei wurden Trendanteile sehr niedriger Frequenzen unter 0.025 Hz (very low frequency, VLF) über den smoothness prior approach entfernt. Die Datensätze mit den RR- Abständen wurden bei 4 Hz interpoliert und das RR-Power-Spektrum über ein Autoregressionsmodell bestimmt (model order: 16). Die HRV-Parameter wurden sodann, unterteilt in Zeit- und Frequenzbereich, berechnet. Im Zeitbereich war dies die mittlere Herzfrequenz (HR) und deren Standardabweichung (STD HR). Im Frequenzbereich wurden die Niedrigfrequenz (LF, 0,025-0,15 Hz) und die Hochfrequenz (HF, 0,15-0,833 Hz) berechnet (ABBOTT 2005; REY et al. 2008), sowohl in absoluten als auch in normalisierten Einheiten. Das LF/HF-Verhältnis wurde ebenfalls berechnet. Analysiert wurden drei Zeitepochen mit einer Länge von 1, 2 und 3 Minuten vor und nach Stimulation, wobei alle Poststimulations-Epochen jeweils direkt nach Stimulationsende begannen.
3.8 Klinischer Score
Der Klinische Score wurde vor und nach jeder Stimulation während der selben Zeitepochen evaluiert. Er wurde von einem modifizierten Guedel-Schema sowie autonomen Kreislaufparametern abgeleitet. Fünf Stadien wurden definiert:
(1) sehr flach (2) flach (3) mittel
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(4) tief (5) sehr tief
Position und Größe der Pupille, Bewegungen des Augapfels, Lidreflex, Kornealreflex, Herzfrequenz, Blutdruck, Nickhautposition, Spontanatmung bzw. deren Versuch, Kiefertonus, Spontanbewegungen (exklusive der stimulierten Gliedmaße) und Schlucken/Zungenbewegungen gingen in den Score ein (siehe Tabelle 1).
Material und Methode
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Tabelle 1: Klinischer Score
Anästhesietiefe Score Pupillenposition und -größe
Lidreflex (L), Kornealreflex (K)
Herzfrequenz/Blutdruck, Atmung
Nickhautposition Kiefertonus, Spontan- bewegungen, Schlucken Sehr flach 5 Zentral, klein oder
groß, Bewegung
L: vorhanden K: vorhanden
Erhöht, Spontanatmung Nicht vorgefallen stark
Flach 4 Zentral oder
ventromedial, klein oder groß
L: vorhanden oder leicht vermindert K: vorhanden
Erhöht, Spontanatmung Nicht oder teilweise vorgefallen
mittel
Mittel 3 Ventromedial, klein oder mittel
L: vermindert K: leicht vermindert
Normal Komplett vorgefallen keine oder kaum
Tief 2 Zentral, mittel L: vermindert oder deutlich vermindert K: vermindert
Normal oder vermindert Teilweise oder komplett vorgefallen
keine
Sehr tief 1 Zentral, groß L: abwesend K: deutlich vermindert oder abwesend
vermindert Teilweise vorgefallen keine
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3.9 Statistik
Für die statistische Analyse wurde eine kommerziell erhältliche Software (GraphPad Prism, version 5.01, GraphPad Software, La Jolla, California, USA) benutzt.
Aufgrund der geringen Anzahl der untersuchten Tiere (sieben Katzen, bzw. sechs Katzen in Gruppe ID) konnte eine Normalverteilung der gemessenen Werte nicht angenommen werden. Daher wurden nicht-parametrische Tests verwendet. Der Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test für wiederholte Messungen wurde verwendet, um Prä- und Poststimulationswerte zu vergleichen. Der Friedman-Test und post-hoc- Test wurden zum Vergleich der Prästimulationswerte von verschiedenen MACs innerhalb der gleichen Behandlungsgruppe verwendet. Die Korrelation der EEG- und EKG- Werte sowie der Werte des Klinischen Scores mit der MAC wurde über den Spearmans Rangkorrelationskoeffizienten sowie über die Lineare Regressionsanalyse untersucht. Werte von p < 0,05 wurden als signifikant definiert.
Manuskript 1
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4 Manuskript 1
Effects of isoflurane, remifentanil and dexmedetomidine on selected EEG parameters derived from a Narcotrend® Monitor before and after nociceptive stimulation at different MAC multiples in cats
Jonathan F. Raue1, DVM, email: jonathan.raue@gmx.de; J. Tünsmeyer1, DVM, Dipl ECVAA, email: julia.tuensmeyer@tiho-hannover.de; Sabine B. R. Kästner1,2, DVM, Dipl ECVAA, Prof Dr med vet, email: sabine.kaestner@tiho-hannover.de
1Small Animal Clinic, University of Veterinary Medicine Hannover, Foundation, Bünteweg 9, D–30559 Hannover, Germany;
2Center for Systems Neuroscience Hannover, University of Veterinary Medicine Hannover, Foundation, Bünteweg 9, 30559 Hannover, Germany
Corresponding author:
Jonathan F. Raue
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4.1 Abstract
Background
The aim of this prospective and complete cross-over study was to evaluate the effects of isoflurane, remifentanil and dexmedetomidine on selected EEG parameters derived from the Narcotrend® monitor before and after supramaximal nociceptive stimulation at different isoflurane MAC (minimal alveolar concentration) multiples.
Seven adult European Domestic Short Hair cats (5 male-neutered, 2 female, 1 female-spayed) were used in this study. Each cat went through 3 experimental treatments. Group I received isoflurane only, group IR received isoflurane and a constant rate infusion (CRI) of remifentanil (18µg/kg/h IV), and group ID received isoflurane and a CRI of dexmedetomidine (3µg/kg/h IV). The isoflurane MAC in each group was determined via supramaximal electrical stimulation. The EEG parameters were derived by a Narcotrend Monitor at specific time points (directly before and up to 1 minute after nociceptive stimulation at different MAC levels (0.75, 1.0 and 1.5 MAC).
The depth of anaesthesia was also assessed by a clinical score.
Results
The mean MAC sparing effects in group IR and group ID were 9.8% and 55.2%, respectively. The best correlation of EEG and MAC multiples was found for the Narcotrend Index (NI) in group I (r=-0.67). The NI was also able to differentiate between 0.75 MAC and 1.5 MAC in group IR. Spectral edge frequency had a lower correlation with MAC multiples in group I (r=-0.62) but was able to differentiate between 0.75 MAC and 1.5 MAC in groups I and IR, and also between 1.0 MAC and 1.5 MAC in group IR. Narcotrend Index, SEF 95 and MF increased significantly after nociceptive stimulation at 1.0 MAC in group I, and SEF 95 increased significantly at
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0.75 MAC in group ID. The clinical score correlated closer than any of the EEG parameters with MAC in all groups, with highest correlation values in group I (r=- 0.89), followed by group IR (r=-0.73) and ID (r=-0.59). Noxious stimulation led to a significant increase of the clinical score at 0.75 MAC and 1.0 MAC when isoflurane was administered alone.
Conclusions
Some EEG parameters derived from Narcotrend show (moderate good) correlation with MAC multiples, but the anaesthetic protocol has great influence on the reliability.
In cats assessment of anaesthetic depth based on EEG parameters derived by the Narcotrend monitor is not superior to clinical monitoring.
4.2 Keywords
anaesthesia – anaesthetic depth – cat – dexmedetomidine – EEG – electroencephalography – isoflurane – minimum alveolar concentration – Narcotrend – remifentanil
4.3 Background
Since unconsciousness is a main target of general anaesthesia, electroencephalography has awakened increasing interest in terms of assessment of anaesthetic depth during the last decades, in humans as well as in other species[1- 3]. The parameters measured by surface electrodes on the skull provide informations about the electrical activity of the cerebral cortex, which is influenced by several factors including anaesthetic depth, anaesthetic drugs, and physiologic parameters.
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Because the interpretation of raw EEG data is difficult without special knowledge and also time-consuming[4], more application-oriented solutions such as the BIS, CSM and Narcotrend Monitor[5-9] have been invented. They use special algorithms for processing the raw EEG data, thereby allowing real-time interpretation and providing the anaesthesiologist with clinically useful information. The BIS and the CSM have already been examined as possible tools for assessing anaesthetic depth in dogs and cats [10-13]. The Narcotrend Monitor’s algorithms, which are based on a visual classification of human sleep EEG, spectral parameters and the detection of suppression lines[14], are able to identify specific sleep EEG patterns which are then processed and result in the displayed dimensionless Narcotrend Index(NI), ranging from 0 (electrical silence) to 100 (awake). This index corresponds to six also displayed EEG stages, ranging from A to F, with 15 substages.
Multiple studies have been performed regarding the Narcotrend Monitor’s potential usefulness in human anaesthesia, with different but mostly positive results, depending on the setting and the anaesthetic protocol[5-7, 15]. However, in veterinary medicine, there are only few studies which evaluate anaesthetic monitoring via Narcotrend, including species such as horses[16] and dogs[17, 18]
with different anaesthetic protocols.
To the author’s knowledge, there is no information available on the Narcotrend Monitor used for feline anaesthetic monitoring. Therefore, the aim of this study was to evaluate the influence of several anaesthetic protocols and noxious stimulation on the Narcotrend EEG parameters at different isoflurane MAC multiples in cats, and to compare the results with a clinical score of anaesthetic depth.
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4.4 Methods
4.4.1 Animals
Seven experimental adult European Domestic Short Hair cats (five male-neutered, two female, one female-spayed), were used in this study. Mean age ± SD was 5.6 ± 3.0 years and mean body weight was 4.5 ± 0.96 kg. All animals underwent a physical and neurologic examination and hematology and blood biochemistry were performed.
The cats were held of food for 8 hours, but water was offered until 1 hour prior to beginning of the experiment. Only one animal was tested per day, so anaesthesia could be started at the same time of the day in all cats, in order to exclude influences of a circadian rhythm. After recovery from the anaesthesia, the cats were transferred back to their familiar housing.
4.4.2 Experimental design
This study was done in a prospective and complete cross-over design. Each cat was attributed to 3 experimental treatment groups defined by different anaesthesia protocols. A wash-out period of at least 8 days was given between the experiments, and the individual treatment order for each cat was randomized. The MAC was determined individually by supramaximal electrical stimulation, and 1.0 MAC was the first anaesthetic plane on which measurements were performed. Afterwards, further MAC multiples (0.75 MAC and 1.5 MAC) were investigated in randomized order. The same stimulation protocol as used for the MAC determination was carried out at each of the 3 MAC multiples.
4.4.3 Anaesthesia
In group I, anaesthesia was performed only with isoflurane, whereas in group IR a CRI of remifentanil (18 µg/kg/h IV) was added, and group ID the cats received isoflurane and a CRI of dexmedetomidine (3 µg/kg/h IV). Isoflurane was administered in 100% oxygen in all groups. Saline solution (0.9% NaCl) was used to dilute
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remifentanil and dexmedetomidine in a ratio that allowed setting the CRI at a rate of 5 ml/kg/h in both groups. Group I received a CRI of saline solution without an additive at the same infusion rate.
4.4.4 Instrumentation
Prior to each experiment, an intravenous catheter was placed in a cephalic or saphenous vein. Anaesthesia was induced by isoflurane inhalation in an induction chamber (5 vol% isoflurane in 100% oxygen at a flow rate of 5 L/min) until loss of righting reflex. This was followed by mask induction until endotracheal intubation was possible. The cats were placed in right lateral recumbency and were connected to an anaesthetic circle system. The individual CRI was started and the end-tidal isoflurane level was set slightly above the estimated 1.0 MAC for each group. Isoflurane and CO2values were measured via infrared spectroscopya. The multiparameter monitor was calibrated with a reference gas mixture (5.00 % CO2, 33.0 % N2O, 2 % desflurane and N2as balance gas) prior to each experiment. The same monitor was used to measure SpO2. Eucapnia (35-45 mmHg end-tidal CO2) was provided by artificial ventilation. Body temperature was measured with an esophageal probe and temperature was held in physiological ranges by a warm air blanket. Systolic arterial blood pressure was measured via Doppler technique at a metatarsal artery or the coccygeal artery.
The nociceptive stimuli were given by a square pulse stimulatorb (settings: 50V, 50Hz and 10ms) which was connected to 2 isolated stimulation electrodes. These were placed subcutaneously in the middle third of the right medial ulnar region, about 4-5 cm apart from each other.
The raw EEG signal was recorded and processed with a Narcotrend Monitorc by standard needle electrodes using a single-channel registration. The recording
