The Effects of Hypercapnia and High Flow on Cerebral Metabolism During Cardiopulmonary Bypass

Recent studies have demonstrated that cerebral desaturation during rewarming period of CPB was associated with postoperative neurologic dysfunction. The prevention of cerebral desaturation during CPB may reduce the incidences of neurologic and neuropsychological complications. The present study was prospectively undertaken to compare the clinical effects between two strategies (hypercapnic CPB and high flow CPB) to prevent cerebral desaturation for establishing a proper CPB technique. Material and Method: Thirty-six adult patients scheduled for elective cardiac surgery were randomized into either hypercapnic (Pa$CO_2$ 45~50mmHg, n＝18) or high flow group (flow rate 2.75 L/ $m^2$/min and Pa$CO_2$ 35~40mmHg, n＝18) during rewarming period of CPB. In each patient, middle cerebral artery blood flow velocity ( $V_{MCA}$), cerebral arteriovenous oxygen content difference (C(a-v) $O_2$), modified cerebral metabolic rate for oxygen (MCMR $O_2$), cerebral oxygen transport rate ( $T_{E}$ $O_2$), incidence of cerebral desaturation (internal jugular bulb blood oxygen saturation $\leq$ 50%), increased rate of S-100 $\beta$ concentration, and arterial and internal jugular bulb blood gas were measured during the five phases of the operation; Pre-CPB, CPB-10 min (steady-state CPB, nasopharyngeal temperature 29~3$0^{\circ}C$), Rewarm-1 (rewarming phase, nasopharyngeal temperature 33$^{\circ}C$), Rewarm-2 (nasopharyngeal temperature 37$^{\circ}C$), and CPB-off. Incidence of postoperative delirium and duration were assessed in all patients. All variables were compared between the two groups. Result: $V_{MCA}$ (157.88$\pm$10.87 vs 120.00$\pm$6.18%, p＝0.006), internal jugular bulb $O_2$ saturation (68.01$\pm$2.75 vs 61.28$\pm$2.87%, p＝0.03) and $O_2$ tension (41.01$\pm$2.25 vs 32.02$\pm$ 1,67 mmHg, p＝0.03), and $T_{E}$ $O_2$(110.84$\pm$7.41 vs 81.15$\pm$8.11%, p＝0.003) at rewarming periods were higher in the hypercapnic group than in the high flow group. C(a-v) $O_2$ (4.0$\pm$0.30 vs 4.84$\pm$0.38 mg/dL, p＝0.04), COE (0.36$\pm$0.03 vs 0.42$\pm$0.03, p＝0.04), increased rate of S- 100$\beta$ (391.67$\pm$23.40 vs 940.0$\pm$17.02%, p＝0.003), and incidence of cerebral desaturation (2 vs 4 patients, p＝0.04) at rewarming periods, and duration of postoperative delirium (18 vs 34 hr, p＝0.02) were low in the hypercapnic group compared to the high flow group. Conclusion: These results indicate that hypercapnic CPB may provide relatively diminished cerebral injury and beneficial effects for cerebral metabolism relatively compared to high flow CPB.low CPB.

심폐바이패스 시 고탄산분압과 고관류법이 뇌대사에 미치는 영향

심폐바이패스의 재가온 시기 동안 뇌산소 탈포화가 수술 후 신경학적 합병증 발생의 원인 중 한가지라고 보고된 바 있다. 따라서 심폐바이패스 동안 뇌산소 탈포화를 예방해 줌으로써 수술 후 신경학적 합병증 발생을 줄일 수 있으리라 생각된다. 본 연구는 심폐바이패스 동안 뇌산소 탈포화를 예방해주는 방법인 고탄산분압과 고관류가 뇌대사에 미치는 영향을 비교하기 위해 실시되었다. 대상 및 방법: 심장수술을 시행할 36명의 성인 환자들을 대상으로 심폐바이패스의 재가온 시기 동안 동맥혈액의 고탄산분압군(Pa$CO_2$ 45~50mmHg, n＝18)과 고관류군(2.75 L/ $m^2$/min, n＝18)으로 나누었다. 전체 환자들에 대해 중대뇌동맥 혈류 속도, 뇌동정맥혈 산소함량 차이, 뇌산소 대사율, 뇌산소 운반율, S-100 $\beta$ 농도 증가율, 뇌정맥혈 산소 탈포화도 등을 심폐바이패스 전, 심페바이패스 실시 10분, 재가온-1기(비인두 온도: 33$^{\circ}C$), 재가온-2기(비인두 온도; 37$^{\circ}C$), 심폐바이패스 종료 직후 등의 다섯 시기에 측정하였다. 그리고 수술 후 섬망 발생률과 지속시간 역시 조사하여서 위의 모든 변수들과 함께 양 그룹간에 비교하였다. 결과: 고탄산분압군이 고관류군 보다 재가온 시기 동안 중대뇌동맥 혈류 속도(157.88$\pm$10.87 vs 120.00$\pm$6.18%, p＝0.006), 뇌정맥혈 산소분압(41.01$\pm$2.25 vs 32.02$\pm$1.67 mmHg, p＝0.03) 및 포화도(68.01$\pm$2.75 vs 61.28$\pm$2.87%, p＝0.03), 뇌산소 운반비율(110.84$\pm$7.41 vs 81.15$\pm$8.11%, p＝0.003)이 유의하게 더 높았다. 재가온 동안 뇌동정맥 산소함량 차이(4.0$\pm$0.30 vs 4.84$\pm$0.38mg/dL, p＝0.04), S-100 $\beta$ 증가율(391.67$\pm$23.40 vs 940.0$\pm$17.02%, p＝0.003), 뇌정맥혈 산소 탈포화도(2명 vs 4명, p＝0.04), 수술 후 섬망증의 지속시간(18 vs 34 hr, p＝0.02)은 고탄산분압군이 고관류군에 비해 상대적으로 낮았다. 결론: 상기한 결과들을 비교 분석한 바 심폐바이패스 시 고탄산분안법이 고관류법 보다 뇌조직에 산소공급을 더 많이 해줌으로써 뇌대사가 상대적으로 원활하여 신경학적 합병증 발생률이 낮은 것으로 사료된다.