Temporal and spatial dispersion of human body temperature during deep hypothermia

Abstract

Measurement and management of body core temperature remain a daily clinical challenge in anesthesiology and critical care medicine. While aspects of static body core temperatures have previously received the majority of attention in academic medicine, the scientific debate has recently focused on the area of dynamic body core temperature changes. Aim of the present work is to elucidate the hypothesis of a temporal and spatial dispersion of body core temperature in phases of dynamic modulation. Hence, we chose the cooling and rewarming phases of intraoperative hypothermia, obtained within a prospective, single-centre, observational clinical study, as experimental basis and physiologic modell to further characterize this dispersion. We examined patients in normothermia as well as patients in mild and deep hypothermia. Temperature recordings of a non-invasive heat flux sensor at the forehead were compared with the arterial outlet temperature of a heart-lung machine as well as with the temperature on a conventional vesical bladder thermistor. For patients undergoing deep hypothermia - and in some cases even deep hypothermic circulatory arrest - additional measurement of an oesophageal temperature probe were included. Analysis and interpretation of acquired data was performed by linear and non-linear mathematical modeling. The measurements of the arterial outlet temperature of a heart-lung machine, the temperature on the vesical bladder thermistor and the non-invasive heat flux sensor at the forehead displayed a large degree of accordance during phases of static body core temperature. A temporal and spatial dispersion of measurements in the sense of hysteresis was unveiled during phases of dynamic modulation of body core temperature. These findings are interpreted as formations of temporally and spatially limited temperature milieus. Hence, we suggest to interpret measured surrogate temperatures as indices of the cerebral temperature (e.g. vesical bladder temperature) with respect to the temporal and spatial dispersion during phases of dynamic body core temperature change, in particular cooling and rewarming phases. Future research should include the influencing local and global anthropometric factors and (micro-)circulatory aspects of this dispersion to generate and optimize predictive, mathematical models.

Messung und Management der Körperkerntemperatur bilden eine tägliche, klinische Herausforderung für den Anästhesiologen und Intensivmediziner. Während insbesondere statische Körperkerntemperaturen in der Vergangenheit den Großteil der Aufmerksamkeit der akademischen Medizin erfahren haben, rückt der Bereich dynamischer Körpertemperaturveränderungen zunehmend in den Mittelpunkt des wissenschaftlichen Diskurses. Die vorliegende Arbeit beleuchtet die zeitliche und regionale Dispersion der Körperkerntemperatur in Phasen einer dynamischen Modulation. Als experimentelle Grundlage und physiologisches Modell dienten, im Rahmen einer prospektiven, monozentrische Observationsstudie, die Kühlungs- und Erwärmungsphasen von intraoperativen Hypothermien. Hierbei untersuchten wir Patienten in Normothermie, sowie Patienten in milder und in tiefer Hypothermie. Wir verglichen die Aufzeichnungen eines nicht-invasiven Wärmefluss-Sensors im Bereich der Stirn mit den Temperaturaufzeichnungen des arteriellen Abnehmers der Herz-Lungen- Maschine sowie des konventionellen Harnblasen-Thermistors. Bei Patienten, die eine tiefe Hypothermie und teilweise einen vollständigen tief-hypothermen Kreislaufstillstand durchliefen, wurde zusätzlich die Messung einer ösophagealen Temperatursonde hinzugezogen. Zur Auswertung und Interpretation der Daten erfolgte die Anwendung eines mathematischen, linearen sowie eines nicht-linearen Modells. In Phasen einer stabilen Körperkerntemperatur zeigte sich an den Messpunkten des arteriellen Abnehmers der Herz-Lungen-Maschine, des Harnblasen-Thermistors und des nicht-invasiven Wärmefluss-Sensors im Bereich der Stirn ein hohes Maß an Übereinstimmung. Zeitliche und räumliche Streuungen der Messpunkte kamen in den Phasen einer dynamischen Modulation der Körperkerntemperatur im Sinne einer Hysterese zur Darstellung. Diese sehen wir als Ausbildung temporärer, lokaler Temperaturmilieus. Während der Phasen einer dynamischen Körperkerntemperaturveränderung empfehlen wir daher die Messung von Surrogat-Temperaturen (z.B. der vesikalen Temperatur) als Maß einer zentralen, zerebralen Körperkerntemperatur im Kontext des Zeitgangs und Ausmaßes von lokalen Temperaturmilieus zu interpretieren. Zukünftige Forschung sollte lokale und globale anthropometrische Faktoren und (mikro-)zirkulatorische Aspekte zur Generierung und Optimierung mathematischer Prädiktionsmodelle dieser Dispersion einbeziehen.