A new norm based on cross-correlation to assess cerebral autoregulation in patients undergoing propofol anesthesia and in subjects prone to postural syncope

Cerebral autoregulation (CA) is a mechanism with the aim of maintaining a constant mean cerebral blood flow velocity (MCBFV) despite changes in mean arterial pressure (MAP). CA can be assessed via the autoregulation index (ARI), measuring the MCBFV response to changes in MAP by modeling MCBFV through a system of 10 ordinary differential equations. Each estimated MCBFV curve represents a different degree of CA and the one closest to the original series is taken as ARI, numbered from 0 to 9, with ARI higher than 5 indicating a physiological CA. The comparison is usually performed exploiting the Euclidean distance (l2) between the two curves. In this study, an alternative norm based on cross-correlation function (ρ) was proposed, to improve the significance of ARI. Results have been validated via a surrogate approach. Time domain, spectral and cross-spectral indexes of RR interval, as derived from the electrocardiogram, MAP, as derived from arterial pressure recordings and MCBFV, as derived from transcranial Doppler recordings were also calculated. Two experimental protocols were exploited: the anesthesia one, assessing markers in patients undergoing coronary surgery before and after general propofol anesthesia and the syncope one, assessing parameters in subjects with a history of postural syncope as compared to healthy controls undergoing a head-up tilt test. Time domain and spectral parameters showed the expected autonomic depression during anesthesia and the sympathetic effect of head-up tilt. ARI was not able to separate experimental conditions or groups with similar results in both protocols. ARI was generally lower in the anesthesia protocol with respect to syncope protocol, indicating a trend towards an impaired CA in the surgical population undergoing anesthesia. Finally, no significant difference was observed in ARI according to the two norms, but the surrogate analysis suggesting a higher robustness and better performance of the proposed ρ norm.

L’autoregolazione cerebrale (AC) è un meccanismo con l’obiettivo di mantenere una velocità del flusso cerebrale media (MCBFV) costante nonostante cambiamenti nella pressione arteriosa media (MAP). L’AC può essere misurata tramite l’indice di autoregolazione (ARI), misurando la risposta di MCBFV a cambiamenti di MAP modellando la MCBFV tramite un sistema di 10 equazioni differenziali ordinarie. Ogni curva MCBFV stimata rappresenta un differente livello di AC e la più vicina alla serie originale è presa come ARI, numerata da 0 a 9, con un ARI maggiore di 5 che indica un’AC fisiologica. Questo confronto è solitamente effettuato utilizzando la distanza Euclidea (l2) tra le due curve. In questo studio, è stata proposta una norma alternativa basata sulla funzione di cross-correlazione (ρ), per migliorare la significatività dell’ARI. I resultati sono stati validati tramite un approccio con dati surrogati. Dalle serie temporali sono stati estratti indici nel dominio del tempo, spettrali e cross-spettrali dell’intervallo RR, derivato dall’elettrocardiogramma, della MAP, derivata dalla misurazione della pressione arteriosa, e della MCBFV, derivata da misure di Doppler transcranico. Sono stati utilizzati due protocolli sperimentali: il protocollo anestesia, in cui i parametri sono stati ricavati da pazienti sottoposti ad un intervento di bypass aorto-coronarico prima e dopo l’induzione di anestesia generale con propofol, e il protocollo sincope, in cui sono stati ricavati i parametri di soggetti con una storia di sincope posturale comparati a un gruppo di controlli sani, sottoposti a head-up tilt test. I parametri nel dominio del tempo e spettrali hanno mostrato l’attesa depressione autonomica durante anestesia, e la risposta simpatica all’head-up tilt. ARI non è stato in grado di separare le condizioni sperimentali o i gruppi, con risultati simili in entrambi i protocolli. ARI è stato generalmente più basso nel protocollo anestesia rispetto al protocollo sincope, indicando una tendenza verso disfunzioni di AC nella popolazione chirurgica durante anestesia. Infine, nessuna differenza significativa è stata osservata nell’ARI riguardo alle due norme, ma l’analisi con i dati surrogati ha suggerito una robustezza più alta e una migliore performance per la norma ρ.