Introduction: Hemorrhagic shock is a potentially life-threatening condition. Therefore, early detection and appropriate intervention of occult bleeding is desirable. However, detection of occult hemorrhage can be difficult, as traditional vital signs like heart rate and blood pressure are not sensitive enough to blood loss. Due to physiological compensatory mechanisms, they may even be sustained stable just before cardiovascular decompensation. These compensatory mechanisms are primarily driven by the autonomic nervous system (ANS). Heart rate variability (HRV) has been used to assess ANS function and thus might be useful in detecting otherwise occult bleeding.
Methods: This prospective pilot study investigates the diagnostic value of HRV for the noninvasive detection of progressive central hypovolemia. Central hypovolemia was experimentally simulated using a lower body negative pressure model (LBNP). Over several progressively increased levels of negative pressure (0 mmHg, -15 mmHg, -30 mmHg, -45 mmHg, 0 mmHg) heart rate, blood pressure, stroke volume (SVTTE) as well as HRV in its different domains (time-domain: SDNN, RMSSD, rSDRM, pNN50, NN50; frequency-domain: VLF, rVLF, LF, rLF, HF, rHF, LF/HF, TP; non-linear: SD1, SD2, SD1/SD2, SampEn, AppEn) were measured. Parameter changes as a consequence of reduced central volume were evaluated statistically and a correlation analysis (SVTTE vs. HRV parameters) was conducted. Furthermore, a Gray Zone Approach (GZA) with receiver operating characteristic curves regarding a decline in SVTTE of > 20 % was conducted.
Results: A total of 30 male, healthy volunteers were analyzed. Application of LBNP caused progressive reductions of SVTTE successfully. Nonparametric analysis of longitudinal data showed significant p-values (p<0.05) for all HRV parameters. Furthermore, post-hoc analysis showed a significant deviation (p<0.05) from baseline values for some HRV parameters at a chamber pressure of -15 mmHg (SDNN, RMSSD, NN50, VLF, rLF, HF, TP and SD1). Intraindividual correlation analysis showed strong correlations (|ρ| > 0.5) for NN50, pNN50, RMSSD, SD1 and HF. Repeated Measures Correlation analysis showed strong correlations (|ρ| > 0.5) for SD1, RMSSD, SD1/SD2, pNN50, and rSDRM. The GZA showed significant differences between groups for NN50, rVLF, LF, and rHF. Areas under the curves were <0.7.
Conclusion: Progressive central hypovolemia is well reflected by HRV. Several parameters also showed a significant reaction in mild central hypovolemia already. HRV analysis could thus be helpful in the detection of otherwise occult hemorrhage. However, its diagnostic value based on the GZA is limited because of explicit interindividual variability.
Einleitung: Der hämorrhagische Volumenmangelschock ist ein Ereignis mit potenziell vitaler Gefährdung. Die schnelle, einfache und sichere Detektion einer okkulten Blutung mit entsprechender Intervention ist wünschenswert. Allerdings kann die zeitnahe Diagnose schwierig sein. Etablierte Vitalparameter wie Herzfrequenz oder Blutdruck sind nicht sensitiv genug und können aufgrund physiologischer Kompensationsmechanismen sogar bis zum Zeitpunkt der kardiovaskulären Dekompensation komplett aufrechterhalten werden. Diese Kompensationsmechanismen werden primär durch das autonome Nervensystem (ANS) gesteuert. Die Herzfrequenzvariabilität (HRV), welche als Parameter der quantitativen Analyse des ANS gilt, stellt dementsprechend einen vielversprechenden potenziellen Vitalparameter zur Detektion einer zentralen Hypovolämie dar.
Methodik: Diese prospektive Pilotstudie untersucht den diagnostischen Wert der HRV hinsichtlich der nichtinvasiven Detektion einer progressiven zentralen Hypvolämie. Diese wurde mithilfe eines Lower Body Negative Pressure Modells experimentell simuliert. Über mehrere, schrittweise ansteigende Unterdruckstufen (0 mmHg, -15 mmHg, -30 mmHg, -45 mmHg, 0 mmHg) wurden sowohl Herzfrequenz, Blutdruck und Schlagvolumen (SVTTE) als auch die HRV in ihren verschiedenen Domänen (zeitbezogen: SDNN, RMSSD, rSDRM, pNN50, NN50; frequenzbezogen: VLF, rVLF, LF, rLF, HF, rHF, LF/HF, TP; nichtlineare: SD1, SD2, SD1/SD2, SampEn, AppEn) erfasst. Die Verläufe aller Parameter wurden statistisch evaluiert und eine differenzierte Korrelationsanalyse (SVTTE vs. HRV-Parameter) durchgeführt. Des Weiteren wurde der diagnostische Wert der HRV in einem Gray Zone Approach (GZA) mit Receiver Operating Characteristic Curves hinsichtlich eines SVTTE-Abfalls > 20 % näher analysiert.
Ergebnisse: 30 männliche, gesunde Probanden wurden untersucht. Entsprechend des longitudinalen SVTTE-Verlaufs konnte eine progressive zentrale Hypovolämie erfolgreich induziert werden. Alle HRV-Parameter zeigten in der durchgeführten nichtparametrischen Analyse für longitudinale Daten signifikante p-Werte (p<0.05). Weiterhin zeigten in der anschließend durchgeführten post-hoc Analyse einige HRV-Parameter (SDNN, RMSSD, NN50, VLF, rLF, HF, TP und SD1) bereits bei -15 mmHg einen signifikanten Unterschied zur Baseline (p<0.05). In der intraindividuellen Korrelationsanalyse ergaben sich stärkere Korrelationen (|ρ| > 0.5) für NN50, pNN50, RMSSD, SD1 und HF. In der Repeated Measures Correlation zeigten sich stärkere Korrelationen (|ρ| > 0.5) für SD1, RMSSD, SD1/SD2, pNN50 und rSDRM. Im GZA zeigten NN50, rVLF, LF und rHF signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen. Areas under the curves waren hierbei unter <0.7.
Schlussfolgerung: Mehrere HRV-Parameter spiegeln den Verlauf einer progressiven zentralen Hypovolämie gut wider und veränderten sich bereits bei einer milden, zentralen Hypovolämie. Die HRV-Analyse könnte somit bei der Detektion der okkulten Blutung hilfreich sein. Ihr auf den GZA basierender diagnostischer Wert ist jedoch aufgrund der ausgeprägten interindividuellen Variabilität limitiert.
