The Clinical Effects of Normocapnia and Hypercapnia on Cerebral Oxygen Metabolism in Cardiopulmonary Bypass

Substantial alterations in cerebral blood flow(CBF) are known to occur during cardiopulmonary bypass(CPB). Many investigators have speculated that these changes may be responsible for both minor and major cerebral damages after CPB. More recently, these changes in CBF have been observed to be intimately related to the arterial carbon dioxide tension(Pa$CO_2$) maintained during CPB. The present study was prospectively designed to investigate the clinical effects of normocapnic and hypercapnic CPB on the cerebral oxygen metabolism in cardiac surgery Material and Method: Thirty-six adult patients scheduled for elective cardiac surgery were randomized to either normocapnic group (Pa$CO_2$35~40 mmHg, n＝18) or hypercapnic group(Pa$CO_2$, 45~55 mmHg, n＝18) with moderately hypothermic nonpulsatile CPB(nasopharyngeal temperature of 29~3$0^{\circ}C$). In each patient, middle cerebral artery blood flow velocity( $V_{MCA}$), cerebral arteriovenous oxygen content difference (C(a-v) $O_2$), cerebral oxygen extraction(COE), cerebral metabolic rate for oxygen(CMR $O_2$), cerebral oxygen transport( $T_{E}$ $O_2$), $T_{E}$ $O_2$/CMR $O_2$ ratio, cerebral desaturation(internal jugular bulb blood oxygen saturation $\leq$ 50%), and arterial and jugular bulb blood gas were evaluated throughout the operation. Postoperative neuropsychologic complications were assessed in all patients. All variables were compared between the two groups. Result: VMCA(169.13 $\pm$ 8.32 vs 153.11 $\pm$8.98%), TE $O_2$(1,911.17$\pm$250.14 vs 1,757.40$\pm$249.56), $T_{E}$ $O_2$,/CMR $O_2$ ratio(287.38$\pm$28.051 vs 246.77$\pm$25.84), $O_2$ tension in internal jugular bulb (41.66$\pm$9.19 vs 31.50$\pm$6.09 mmHg), and $O_2$saturation in internal jugular bulb(68.97$\pm$10.96 vs 58.12$\pm$12.11%) during CPB were significantly lower in normocapnic group(p＝0.03), whereas hypercapnic group had lower C(a-v) $O_2$(3.9$\pm$0.3 vs 4.9$\pm$0.3 mL/dL), COE(0.3$\pm$0.03 vs 0.4$\pm$0.03), CMR $O_2$(5.8 $\pm$0.5 vs 6.8$\pm$0.6), and arterial blood pH(7.36$\pm$0.09 vs 7.46$\pm$0.07, p＝0.04) during CPB. Hypercapnic group had lower incidence of cerebral desaturation than normocapnic group(3 vs 9 patients, p=0.03). Duration of the neuropsychologic complication(delirium) were shorter in hypercapnic group than in normocapnic group(36 vs 60 hrs, p＝0.009). Conclusion: These findings suggest that hypercapnic CPB may have salutary effects on the cerebral oxygen metabolism and postoperative neurologic outcomes in cardiac surgery.surgery.

체외순환 시 뇌대사에 대한 정상 탄산분압과 고 탄산분압의 임상적 영향에 관한 비교연구

체외순환은 뇌 혈류의 변화를 유도하며 이러한 변화가 수술 후 직 간접적인 뇌 손상의 원인이 될 수도 있다. 최근 체외순환 중 뇌 혈류 변화는 동맥혈액의 이산화탄소 분압과 밀접한 관련이 있는 것으로 보고되고 있다. 본 연구는 체외순환을 이용한 심장수술시 뇌 대사에 대한 정상 탄산분압과 고 탄산분압의 임상적 영향을 비교 조사하기 위해 전향적으로 계획되었다. 대상 및 방법: 심장수술이 계획된 36명의 성인 환자들을 연구목적에 따라 무작위적으로 정상탄산분압군(Pa$CO_2$35~40 mmHg, n＝18) 혹은 고탄산분압군(Pa$CO_2$45~55 mmHg, n＝18)으로 나눈 뒤 중등도 저체온(비인두 온도 29~3$0^{\circ}C$)의 비박동성 체외순환을 실시하였다. 수술 중, 각 환자들의 중대뇌동맥 혈류속도(뇌혈류 속도), 뇌동정맥 산소함량 차, 뇌산소 추출률, 뇌산소 대사율, 뇌산소 운반율, 뇌산소운반/뇌산소대사 비율, 뇌정맥 산소 불포화도(내경 정맥구 혈액 산소 포화도$\leq$50%), 동맥혈액 및 내경정맥 혈액 가스분석 등을 평가하였고, 수술 후 신경학적 합병증(섬망증세) 발생 정도 역시 관찰하여 양 그룹간에 비교하였다. 결과 : 체외순환 동안 고탄산분압군이 정상탄산분압군에 비해 뇌혈류 속도(169.13 $\pm$ 8.32 vs 153.11 $\pm$8.98%), 뇌산소 운반율(1,911.17$\pm$250.14 vs 1,757.40$\pm$249.56), 뇌산소운반/뇌산소대사 비율(287.38$\pm$28.051 vs 246.77$\pm$25.84), 내경 정맥구 산소분압(41.66$\pm$9.19 vs 31.50$\pm$6.09 mmHg), 그리고 내경 정맥구 산소포화도(68.97$\pm$10.96 vs 58.12$\pm$12.11%) 등이 유의하게 더 높았으나 (p＝0.03), 뇌동정맥 산소함량차(3.9$\pm$0.3 vs 4.9$\pm$0.3 mL/dL), 뇌산소 추출률(0.3$\pm$0.03 vs 0.4$\pm$0.03), 뇌산소 대사율(5.8 $\pm$0.5 vs 6.8$\pm$0.6), 동맥혈 pH는 고탄산분압군이 더 낮았다(7.36$\pm$0.09 vs 7.46$\pm$0.07, p＝0.04). 체외순환 동안 뇌정맥혈 불포화를 보인 환자 수는 고탄산분압군이 정상탄산분압군 보다 유의하게 더 적었다(3명 vs 9명, p＝0.03). 수술 후 신경학적 합병증(섬망)의 지속시간 역시 고탄산분압군이 정상탄산분압군 보다 더팔았다(36시간 vs 60시간, p=0.009). 결론: 이상의 연구결과들은 심장수술 동안 고탄산분압 체외순환이 뇌대사 및 수술 후 신경학적 결과에 보다 유익한 효과를 제공해 줄 수 있음을 시사하고 있다.