Zur Erlangung des akademischen Grades doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité

Tillman Bardt ,
aus Dormagen

Dekan: Prof. Dr. med. J. Dudenhausen

Gutachter:
Prof. Dr. med. A. Unterberg
Prof. Dr. med. H. Gerlach
Prof. Dr. med. J. Piek

Datum der Verteidigung: 28.9.2001

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ZUSAMMENFASSUNG

In der vorliegenden Arbeit wird die Erstellung eines computergestützten Systems zum multimodalen zerebralen Monitoring von Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma beschrieben. Das multimodale zerebrale Monitoring dient der Erfassung, graphischen Darstellung und elektronischen Speicherung von physiologischen Meßdaten. Zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Sauerstoffversorgung wurden die jugularvenöse Oxymetrie, die Hirngewebe-Sauerstoffpartialdruckmessung und die Nah-Infrarot-Spektroskopie hinsichtlich ihrer Stabilität und Sensitivität vergleichend getestet. Weiterhin erfolgte die prospektive Untersuchung der Inzidenz zerebraler hypoxischer Episoden, ihrer möglichen Ursachen, sowie des Einfluß der zerebralen Hypoxie auf das neurologische Outcome er Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma.

Zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Oxygenierung ist gegenwärtig die Messung des lokalen Hirngewebe-pO2 am besten geeignet. Als häufigste Ursachen der zerebralen Hypoxie wurden die systemische Hypokapnie, ein verminderter zerebrale Perfusionsdruck und ein erhöhter intrakranieller Druck identifiziert. Das akkumulierte Auftreten zerebraler hypoxischer Episoden für mehr als 30 Minuten war mit einem signifikant schlechteren neurologischen Outcome der Patienten verbunden.

Durch die Einführung weiterer Methoden zur invasiven und nicht-invasiven Überwachung von Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma, wie zum Beispiel der zerebralen Mikrodialyse, können zukünftig die metabolischen Veränderungen durch eine zerebrale Hypoxie untersucht werden.

Schlagwörter:
Multimodales zerebrales Monitoring, Schädel-Hirn-Trauma, Computer, zerebrale Oxygenierung, neurologisches Outcome

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ABSTRACT

Cerebral hypoxia is considered the main cause of secondary damage to the vulnerable brain following severe traumatic brain injury, and critical care management is primarily focused on the prevention of cerebral hypoxic events. Goals of this study were: First, the development of a computerized multimodal cerebral monitoring system to continuously acquire, display, and record data from multiple monitoring devices. Second, the comparative study of different methods for monitoring of cerebral oxygenation, as there are jugular venous oxygen saturation, near-infrared spectroscopy, and brain tissue oxygen tension. Third, the prospective determination of a critical hypoxic threshold, the incidence of cerebral hypoxia, the influence of standard therapeutic maneuvres to treat intracranial hypertension on cerebral oxygenation, the significance of possible causes of cerebral hypoxia, and the influence of cerebral hypoxia on neurological outcome.

The multimodal monitoring system was successfully established on a neurosurgical intensice care unit. Monitoring of local brain tissue pO2 was most appropriate for monitoring of cerebral oxygenation. The critical hypoxic threshold in brain tissue pO2 was 10 mmHg. Standard therapeutic maneuvres to treat elevated intracranial pressure were, in part, unsuccessful in improving cerebral oxygen delivery. Cerebral hypoxic episodes were predominantly associated with arterial hypocarbia and low cerebral perfusion pressure. Patients with a total of more than 30 minutes of cerebral hypoxic events had a significantly worse neurological outcome. Future investigations using cerebral microdialysis will help to further improve insight into pathophysiology and metabolic changes following traumatic brain injury.

Keywords:
multimodal cerebral monitoring, traumatic brain injury, computer, cerebral oxygenation, neurological outcome

Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:	Die häufigsten Ursachen der zerbralen Ischämie nach einem schwerem Schädel-Hirn-Trauma (modifiziert nach: R.M. Chesnut (1995): “Secondary brain insults after head injury: clinical perspectives.“ New-Horiz 3(3): 366-75).
Tabelle 2:	Konfiguration der analogen Schnittstellen der Monitoringgeräte
Tabelle 3:	Beispiel für Einstellungen des Artefakt-Suchprogramms
Tabelle 4:	Die Ursachen von Artefakten beim multimodalen zerebralen Monitoring
Tabelle 5:	Demographische Daten der Patienten und Monitoringzeiten
Tabelle 6:	Multimodales zerebrales Monitoring während 18 ausgewählter Episoden mit Blutdruckabfall.
Tabelle 7:	Eigenschaften von 43 zur Analyse ausgewählten Patienten. Die Angaben sind Mittelwerte. Die Zahlen in Klammern entsprechen den Standardabweichungen. GCS= Glasgow Coma Score.
Tabelle 8:	Meßzeiten der Monitore zur Überwachung der zerebralen Oxygenierung vor und nach Artefaktbereinigung. Die Werte der Gesamt- und Artefakt-bereinigten Meßzeit sind als Absolutwerte, die „Time of good data quality“ in Prozent angegeben.
Tabelle 9:	Parameter des multimodalen Monitoring von 15 Episoden mit signifikantem CPP-Abfall. Die Werte sind als Mittelwerte ± Standardabeichung angegeben.
Tabelle 10:	Inzidenz von erhöhtem intrakraniellen Druck, erniedrigtem zerebralen Perfusionsdruck und zerebraler Hypoxie bei 43 Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma. Die Angaben sind Mittelwerte aus Daten aller Patienten. Die Zahlen in Klammern sind die Standardabweichungen der Mittelwerte.
Tabelle 11:	Das neurologische Outcome von 43 Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma. Das Outcome wurde erhoben zum Zeitpunkt der Verlegung von Intensivstation, nach drei Monaten, sechs Monaten und nach 12 Monaten nach dem Trauma. Das Outcome wurde anhand der Glasgow Outcome Scale erhoben. Die Zahlen in Klammer sind Prozentangaben.

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:	Einschlußverfahren von Patienten zum multimodalen zerebralen Monitoring.
Abbildung 2:	Schematische Darstellung der Signalübertragung. Biosignale werden von den Sensoren der Monitoringsysteme aufgezeichnet und digitalisiert. Die physiologischen Meßwerte werden entweder als Echtzeit-Kurven (EKG, MAP, ICP, ETCO2, SaO2, etc.) oder als numerische Werte angezeigt (Herzfrequenz, Zentralvenöser Druck, Temperatur, PtiO2, SjvO2, rSO2, etc.). Wenn das Biosignal als Welle vorliegt, so werden Mitelwerte berechnet bzw. beim ETCO2 die Spitzenwerte angezeigt. Der ICP wird auch an den Patientenmonitor weitergegeben, um dort kontinuierlich den CPP berechnen zu lassen. Ein Loca-Area-Network verbindet alle Patientenmonitore miteinander. Über analoge Schnittstellen werden die numerischen Daten wieder ausgegeben und vom Multiplexer-Board zum Analog-Digital-Wandler des MCM geleitet. Hier werden die Signale wiederum digitalisiert und vom Monitoringprogramm eingelesen. Der weitere Verlauf erfolgt entsprechend der benutzerdefinierten Einstellungen in der Software. Abbildung modifiziert nach: Härtl R, Bardt T, Kiening K, Sarrafzadeh A, Schneider G-H, Unterberg A: Cardiovascular Engineering, 2 (2), 1997
Abbildung 3:	Schematische Darstellung von Sondenlokalisationen und der Sensortechnik. A) SjvO2; B) PtiO2; C) NIRS.
Abbildung 4:	Schematischer Aufbau eines 3-Wege-Bolzens mit Licox® PO2-Sensor und Introducer-System. Die Nummerierung bezeichnet folgende Bauteile: 1. Titanbolzen mit drei Bohrungen mit Innengewinde und Schädelschraube; 2: Kunststoff-Adapter für PO2-Sensor und Thermometer; 3. Universal-Adapter für die Insertion z.B. einer ICP-Sonde; 4: Anschluß des intraparenchymatösen Thermometers; 5: Licox-PO2-Sensor.
Abbildung 5:	Schemazeichnung des Funktionsprinzips der NIRS zur Messung der zerebralen Oxygenierung. Von einer Lichtquelle werden mit einer LED-Laser Klasse I definierte Lichtspektren durch den Skalp und den Schädelknochen in das Gehirn eingestrahlt. Ein Detektor erfaßt die oberflächlich reflektierten Strahlen und bestimmt daraus den Absorptionsfaktor für das extrakranielle Gewebe, ein zweiter Detektor mißt die Reflexion aus dem Hirngewebe.
Abbildung 6:	Transportwagen mit dem Aufbau der Monitoring-Geräte. Nach Nummern:1a) Personal-Computer; 1b) Computer-Bildschirm, 2.) zwei Licox-PO2-Computer, 3.) zwei Oxymetrix 3-Systeme, 4.) Camino V420 ICP-Meßsystem, 5.) NIRS (CerOx 2001), 6.) Drucker (links) und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (rechts).
Abbildung 7:	Grafischer Quellcode unter LabVIEW. Die Abbildung zeigt einen kleinen Ausschnitt aus dem Programmablauf des Monitoringprogramms.
Abbildung 8:	Standardbildschirmoberfläche des MCM. 16 Parameter sind gleichzeitig dargestellt, die Kurven werden von links nach rechts simultan aktualisiert. Bei dem hier gezeigten Bildschirm handelt es sich um eine Weiterentwicklung des MCM, bei dem zusätzlich zu den in dieser Arbeit dargestellten Meßgößen noch weitere Monitoringparameter überwacht und erfaßt werden.
Abbildung 9:	Online-Histogramme des MCM. Für die online-Analyse wurden die Parameter MAP, ICP, CPP und PtiO2 ausgewählt. Unter den Histogrammen sind jeweils auch die Verläufe der Parameter über 24 Stunden dargestellt.
Abbildung 10:	Konfigurationsmenü und Research Mode. Im mittleren Bildsegment befinden sich die Steuerelemente für die Anpassung der analogen Eingänge an die verschiedenen Signale der Monitoringgeräte.
Abbildung 11:	Formale Struktur des Programmablaufs zum multimodalen zerebralen Monitoring
Abbildung 12:	Struktur des Replay-Programms
Abbildung 13:	Die maximalen Veränderungen der verglichenen Parameter während 15 Abfällen des zerebralen Perfusionsdrucks unter 50 mmHg für länger als 5 Minuten. Die Prozentangaben beziehen sich auf relative Veränderungen gegenüber dem Ausgangswert. Bei den drei Parametern zur Überwachung der zerebralen Oxygenierung, PtiO2, SjvO2 und rSO2 wurde nur durch den PtiO2 signifikant reflektiert.
Abbildung 14:	Korrelationsanalyse von Hirngewebe-PO2 (PtiO2) und zerebralem Perfusionsdruck (CPP). Es besteht eine Korrelation dritter Ordnung. Bei einem CPP > 60 mmHg kommt es zu einer deutlichen Abflachung der Kurve, der PtiO2 steigt mit höherem CPP nur noch geringfügig an.
Abbildung 15:	Korrelationsanalyse von jugularvenöser Sauerstoffsättigung (SjvO2) und Hirngewebe-PO2 (PtiO2). Eine SjvO2 von 50% ist mit einem PtiO2 von 3-12 mmHg (Mittelwert = 8,5 mmHg) assoziiert. Originalgrafik aus: Kiening, et al., Journal of Neurosurgery, 85, pp. 751-757, 1996.
Abbildung 16:	Die Anhebung des CPP durch Verbreichung von Dopamin führt zu einer signifikanten Verbesserung der zerebralen Oxygenierung - sowohl der SjvO2 als auch des PtiO2.
Abbildung 17:	Die Anhebung des CPP auf Werte über 60 mmHg führt zu keiner weiteren Verbesserung der zerebralen Oxygenierung.
Abbildung 18:	Die Infusion von Mannitol führte nach 30 Minuten zu einer signifikanten Reduktion des ICP. Eine Veränderung der zerebralen Oxygenierung trat nicht ein. Der CPP war bereits vor Infusionsbeginn > 60 mmHg.
Abbildung 19:	Der Effekt der Hyperventilation. Die Verringerung des ETCO2 führt zwar zu einer Reduktion des ICP, und zu einer signifikanten Verschlechterung der zerebralen Oxygenierungsparameter.
Abbildung 20:	Bei der Flachlagerung der Patienten kam es zu einem signifikanten Anstieg des ICP und einem nicht-signifikanten Anstieg des MAP. Der CPP und die zerebralen Oxygenierungsparameter blieben unverändert.
Abbildung 21:	Die Balken zeigen die Verteilung aller PtiO2-Werte < 10 mmHg bei verschiedenen Höhen des ICP. Insgesamt sind 50.2% der hypoxischen PtiO2-Werte aufgetreten, wenn der ICP < 20 mmHg war. Die relative Inzidenz hypoxischer PtiO2 -Werte war am höchsten, wenn der ICP über 40 mmHg oder niedriger als 10 mmHg war.
Abbildung 22:	Die Balken zeigen die Verteilung aller PtiO2-Werte < 10 mmHg bei verschiedenen Höhen des CCP. Unter den verschiedenen CPP-Gruppen war die Inzidenz hypoxischer PtiO2-Werte in der Gruppe CPP < 40 mmHg am höchsten. Bei einem CPP > 70 mmHg traten hypoxische PtiO2-Werte in 10 (± 15,1) % auf.
Abbildung 23:	Die Balken zeigen die Verteilung aller PtiO2-Werte < 10 mmHg bei verschiedenen Höhen des ETCO2. Unter den verschiedenen ETCO2-Gruppen war die Inzidenz hypoxischer PtiO2-Werte in der Gruppe ETCO2 < 25 mmHg am höchsten.
Abbildung 24:	Outcome von 43 Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma ein Jahr nach dem Unfall. 17 Patienten hatten keine zerebrale hypoxische Episode oder weniger als 30 Minuten eines PtiO2 < 10 mmHg. Diese haben sich überwiegend gut erholt. Die Patienten mit mehr als 30 Minuten eines PtiO2 < 10 mmHg haben in 61,5 % ein ungünstiges Outcome erzielt.
Abbildung 25:	Kardiopulmonale Reanimation nach Kreislaufstillstand. Nach ca. 2-3 Minuten wurde der eigene Kreislauf wiederhergestellt, die zerebrale Oxygenierung erholte sich erst nach ca. 10 Minuten.
Abbildung 26:	Bei diesem transienten Blutdruckabfall, welcher durch die Erhöhung der Katecholaminzufuhr behandelt wurde, kam es zu einer kurzzeitigen Verminderung der zerebralen Oxygenierung, welcher in diesem Beispiel durch alle Monitoringparameter dokumentiert wurde.
Abbildung 27:	Zerebrale Einklemmung und Exitus letalis.Nach der Feststellung des Hinrtods eines Patienten wurde die kreislaufunterstützende Therapie mit Noradrenalin beendet. Es kam zu einem prompten Blutdruckabfall und einem Absinken der zerebralen Oxygenierung auf ca. 2 mmHg PtiO2.

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