Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Evaluation of anaesthetic depth, inhalant anaesthetic protocols and nociceptive stimulation via electroencephalographic and heart rate variability in dogs

Kulka, Anne Monika

Inhalant anaesthetics, α2-agonists and opioids differentially affect the electroencephalogram (EEG) and the autonomic nervous system. The regulation of the latter can be assessed via heart rate variability (HRV) analysis. The present studies aimed at evaluating the effects of different anaesthetic protocols and depths with and without supramaximal stimulation on EEG and HRV parameters in dogs. Six adult Beagle dogs (16.3 ± 1.0 kg) were anaesthetised with at least one week washout intervals according to three protocols: with isoflurane (I), isoflurane and a constant rate infusion (CRI) of dexmedetomidine (3 μg kg-1 h-1) (ID) and isoflurane and a remifentanil CRI (18 μg kg-1 h-1) (IR). Eucapnia (35 – 45 mm Hg) and constant oesophageal temperature (37.6 ± 0.5 °C) were maintained. Individual minimum alveolar concentration of isoflurane (MAC) was determined via supramaximal electrical stimulation (50 V, 50 Hz, 10 ms) of the right thoracic limb for each anaesthetic protocol. A catheter was placed in a dorsal pedal artery, connected to a precalibrated transducer and mean arterial pressure (MAP) was recorded. Three EEG electrodes (Narcotrend®) were placed subcutaneously. Sinus rhythm derived RR intervals were exported from electrocardiographic recordings (Televet® 100). Quantitative EEG variables such as power bands (δ; θ; α; β), their ratios (θ/δ; α/δ; β/δ), 95 % spectral edge frequency (SEF95), median frequency (MF) and the Narcotrend® index (NI), as well as MAP, heart rate (HR) and selected HRV time domain (SDNN = standard deviation of all RR intervals; RMSSD = square root of the mean of the sum of the squares of differences between adjacent RR intervals) and frequency domain parameters (LF = low frequency; HF = high frequency; LF/HF) were analysed offline directly both before and after stimulation of 20 s epochs (EEG variables) or 2 min intervals (HRV parameters; Kubios® HRV) at 0.75, 1.0 and 1.5 MAC. Data were compared using Wilcoxon signed rank tests, paired t-tests and Spearman’s rank correlations. The level of significance was set at p < 0.05. Isoflurane MAC values for groups I, ID and IR were 1.7 ± 0.3, 1.0 ± 0.1 and 1.0 ± 0.1 vol% isoflurane, respectively. SEF95 and SDNN decreased significantly between 0.75 and 1.5 MAC (groups I and ID) and SDNN only in group IR. The NI correlated with deepening of anaesthesia: rS = -0.89 (I; p < 0.0001), -0.71 (ID; p = 0.0009) and -0.15 (IR; p = 0.5900). Significant increases with stimulation were seen in β/δ, MF, SEF95 and MAP in all groups depending on anaesthetic depth. HR increased significantly with stimulation in groups I and IR, but not in group ID, which showed significant SDNN increases. Group I showed dose-dependently the highest LF baseline values. Without nociceptive stimulation, time and frequency domain parameters were able to differentiate anaesthetic levels between 0.75 and 1.5 MAC. Isoflurane alone resulted in the greatest EEG depression, the highest sympathetic baseline tone and the least variability. The NI showed the strongest correlation for isoflurane alone and the weakest for the remifentanil protocol. Remifentanil depressed EEG response to nociceptive stimulation more than dexmedetomidine, but blunted sympathetic activation measured by HRV to a similar extend. In group ID, nociceptive stimulation could not be seen by an increase in HR, but was detected by SDNN.

Inhalationsanästhetika, α2-Agonisten und Opioide beeinflussen auf verschiedene Weise sowohl die über Elektroenzephalographie (EEG) gemessene Gehirnaktivität, als auch das autonome Nervensystem. Dessen Regulation kann durch die Herzratenvariabilitäts(HRV)-Analyse abgeschätzt werden. In den vorliegenden Studien wurden quantitative EEG- und HRV-Parameter in verschiedenen Narkosetiefen, vor und nach definierter Schmerzstimulation und unter drei verschiedenen Anästhesieprotokollen beim Hund evaluiert. Sechs adulte Beagle (16.3 ± 1.0 kg) wurden nach drei verschiedenen Protokollen (eine Woche Wash-out) anästhesiert: Mit einer Isofluran-Monoanästhesie (I), mit Isofluran kombiniert mit einer Dexmedetomidin-Dauertropfinfusion (3 μg kg-1 h-1) (ID) und mit Isofluran und einer Remifentanil-Dauertropfinfusion (18 μg kg-1 h-1) (IR). Der endexspiratorische CO2-Partialdruck (35 – 45 mm Hg) und die Körperinnentemperatur (37.6 ± 0. 5 °C) wurden konstant gehalten. Durch supramaximale elektrische Stimulation (50 Hz, 50 V, 10 ms) der rechten Vordergliedmaße wurde die individuelle minimale alveoläre Konzentration (MAC) in jeder Anästhesie bestimmt. Über einen Katheter in der A. metatarsalis dorsalis wurde der mittlere arterielle Blutdruck (MAD) kontinuierlich aufgezeichnet. Drei EEG-Elektroden (Narcotrend®) wurden subkutan platziert. Intervalle zwischen R-Zacken im Sinusrhythmus eines Elektrokardiogramms (Televet® 100) wurden für die HRV-Analyse (Kubios® HRV) eingesetzt. Quantitative EEG-Variablen wie die Frequenzbänder (δ; θ; α; β), deren Verhältnisse (θ/δ; α/δ; β/δ), die spektrale Eckfrequenz 95% (SEF95), die Medianfrequenz (MF) und der Narcotrend® Index (NI), sowie der MAD, die Herzfrequenz, die zeitabhängigen (SDNN = Standardabweichung aller RR-Intervalle; RMSSD = Quadratwurzel des quadratischen Mittelwertes der Summe aller Differenzen zwischen benachbarten RR-Intervallen) und die frequenzabhängigen HRV-Parameter (LF = Niedrigfrequenz; HF = Hochfrequenz; LF/HF) wurden direkt vor und nach Stimulation für 20 s Intervalle (EEG Variablen) bzw. 2 min Intervalle (HRV Parameter) bei 0.75, 1.0 und 1.5 MAC offline analysiert. Die statistische Auswertung erfolgte mit Wilcoxon-Rangsummentests, gepaarten t-Tests und einer Spearmans Rangkorrelation. Ein p < 0.05 wurde als signifikant angesehen. Der Isofluran-MAC betrug in Gruppe I 1.7 ± 0.3 und in den Gruppen ID und IR jeweils 1.0 ± 0.1 Vol% Isofluran. In den Gruppen I und ID zeigten SEF95 und SDNN zwischen 0.75 und 1.5 MAC signifikante Reduzierungen. In Gruppe IR sank nur SDNN. Der NI korrelierte mit steigenden MAC-Stufen: rS = -0.89 (I; p < 0.0001), rS = -0.71 (ID; p = 0.0009) und rS = -0.15 (IR; p = 0.5900). Stimulationsinduzierte Erhöhungen zeigten sich in den Parametern β/δ, MF, SEF95 und MAD je nach Tiefe in allen Gruppen. Die Herzfrequenz stieg signifikant in den Gruppen I und IR an, aber nicht in ID. Dort erhöhte sich SDNN nach Stimulation signifikant. Gruppe I zeigte abhängig von der Tiefe die höchsten LF-Grundlinien-Werte. Die Anästhesietiefe konnte durch zeit- und frequenzabhängige HRV-Parameter zwischen 0.75 und 1.5 MAC unterschieden werden. Isofluran alleine führte zur stärksten EEG-Dämpfung, dem höchsten sympathischen Grundlinien-Wert und der niedrigsten Variabilität. Der NI korrelierte am besten mit der Isofluran-Mononarkose und sehr schwach bei Verwendung des Opioids. Die EEG-Antwort auf die nozizeptive Stimulation wurde durch Remifentanil stärker als durch Dexmedetomidin unterdrückt, während die sympathische Aktivierung, gemessen durch die HRV-Parameter, ähnlich niedrig war. Die Herzfrequenz war als nozizeptiver Indikator für das Dexmedetomidin-Protokoll nicht geeignet. Bei Verwendung des α2-Agonisten zeigte SDNN die nozizeptive Stimulation am besten an.

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Kulka, Anne Monika: Evaluation of anaesthetic depth, inhalant anaesthetic protocols and nociceptive stimulation via electroencephalographic and heart rate variability in dogs. Hannover 2013. Tierärztliche Hochschule.

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