The Clinical Significance of Base Excess (BE_B) and Base Excess in the Extracellular Fluid Compartment (BE_Ecf) with and without Correction to Real Oxygen Saturation of Haemoglobin

 

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Abstract

Background: Besides actual pH, base excess [ctH⁺ _B (mmol/l)] is of major importance since it is meant to reflect lactate acidosis due to foetal hypoxia; In vivo BE_B is not independent from pCO₂. Independence is achieved by using the extended extracellular fluid (Ecf) for dilution of haemoglobin (cHb_B) thus reducing cHb_B to cHb_B/3 (in the foetus to cHb_B/4). Correction of ctH⁺ _B from the normally low foetal oxygen saturation by reoxygenation of Hb increases ctH⁺ _B, resulting in 4 different variables: ctH⁺ _B,act (=BE_B), ctH⁺ _Ecf,act (standard BE), ctH⁺ _B,ox. and ctH⁺ _Ecf,ox. 3 questions arise: (i) which variable is most appropriate for perinatal acid-base studies? (ii) are there clinical advantages for using BE when compared with actual pH_UA, and (iii) what are the thresholds of the BE parameters?

Methods: The Apgar 1 min and the WAS score were used thus measuring neonatal vigour and FHR characteristics during the last 30 min of 475 foetuses all delivered by the vaginal route. FHR was evaluated by computation of the WAS index [[25]]. The WAS index refers to (fhm*w1)*(ozf*w2)*(oza*w3) ⁻¹ where fhm is mean heart frequency (bpm), ozf denotes the number of turning points (N/min) and oza refers to the oscillation amplitude/min (bpm). The weighting functions w1, w2 and w3 were computed using optimizing software. The WAS score denotes the mean of the WAS indices of the last 30 min of delivery. BE was computed according to the van Slyke/Henderson-Hasselbalch equation using pH and pCO₂ measurements; sO₂ (%) for HbF was determined according to Ruiz et al. [[23]].

Results: In vivo foetal ctH⁺ _B,act (UA) is closely correlated with pCO₂. UA: r=−0.288, P<10⁻⁴, N=475: whereas ctH⁺ _Ecf,act (standard BE) becomes independent from pCO₂: r=−0.0068, P=0.881. In UA blood there is no independence of the 2 blood gases pCO₂ and pO₂: both are inversely correlated: r=−0.291, P<<10⁻⁴. pO₂ shows no correlation with ctH⁺ _B,act (r=−0.074, P=0.105) but correlates well with ctH⁺ _Ecf,act: r=−0.1722, P=0.0002. The Apgar score (1 min) is best correlated with pH_UA (r=0.4078, P<10⁻⁴ _, Spearman's rho=0.307, P<10⁻⁴). Correction of ctH⁺ _B,act or ctH⁺ _Ecf,act to 100% oxygen saturation always leads to higher coefficients. Using: ctH⁺ _B,ox, ctH⁺ _B,act, ctH⁺ _Ecf,ox and ctH⁺ _Ecf,act: rho=0.2597, 0.2394, 0.1838 and 0.1763, respectively; P all <10⁻⁴. The same holds true for Apgar 5 min: rho=0.2307, 0.2168, 0.1811 and 0.1771, respectively (P<10⁻⁴ for all). The WAS score is closely correlated with pH_UA: r=0.656, P<<10⁻⁴, N=475. The correlation with the 4 variables under investigation: ctH⁺ _B,ox, ctH⁺ _B,act, ctH⁺ _Ecf,ox and ctH⁺ _Ecf,act leads to r=−0.587, r=−0.565, r=−0.437 and r=−0.427, respectively (P<10⁻⁴ for all). The threshold of standard BE_ox.(=ctH⁺ _{Ecf ox}) in 390 acidotic term infants with still good outcomes is −14.0 mmol/l.

Conclusions: Actual pH (cH⁺) offers the closest correlation with 2 essential clinical parameters: FHF and Apgar scores; the advantages of ctH⁺ _B and ctH⁺ _Ecf, are not self-evident; if determination of the metabolic component becomes necessary standard BE, (ctH⁺ _Ecf) should be used with correction to 100% oxygen saturation (ctH⁺ _Ecf,ox.) of haemoglobin (HbF), because this quantity (after pH_UA) correlates best with clinical indices. However if the ‘correction’ is omitted the difference seems clinically irrelevant.

Zusammenfassung

Hintergrund: Der Basenexzess im Blut (BE_B) bezeichnet die metabolische Komponente einer Azidose, die bei Hypoxie durch Laktatproduktion (anaerobe Glykolyse) entsteht. In vivo ist der BE_B gleichwohl auch von der respiratorischen Komponente, dem pCO₂ also, abhängig. Das will man vermeiden: Berechnet man modellhaft den BE_B für den gesamten extrazellulären Raum (EZR) so kann diese Abhängigkeit weitgehend ausgeschaltet werden. In diesem Modell wird angenommen, dass die im intravasalen Raum (IVR) liegenden Erythrozyten sich auf den gesamten EZR gleichmäßig verteilen, was eine Reduktion der Hämoglobinkonzentration (cHb_B) auf ca. ein Drittel (beim Fötus auf ca. ein Viertel) also auf ca. 5 g/dl zur Folge hat. Ursache dafür ist der um einen Faktor 3 (beim Feten: ca. 4) mal größere EZR im Vergleich mit dem IVR. Diesen rein gedanklichen Vorgang hat man ,Standardisierung‘ und den BE_EZR daher Standart-BE (SBE) genannt. Die Sauerstoffsättigung (%) des Haemoglobin (Hb) im arteriellen Blut des Feten ist normalerweise recht tief (<50%). Eine Reoxygenierung auf 100% setzt immer die an das Hb-molekül gebundene Protonen (ctH⁺ _B) frei, die so titrierbar (t) werden und den BE_B numerisch verändern. Konkret müssen daher 4 verschiedene BE_B's (hier BE_B – ,Familie‘ genannt) unterschieden werden: 1) Der BE_B bei aktueller (act.) Sättigung (%) des Hb, also in Anlehnung an die neue Nomenklatur von SIGGAARD-ANDERSEN: ctH⁺ _B.act, 2) der SBE berechnet für den EZR und die aktuelle Sättigung, ctH⁺ _Ecf,act, 3) der auf 100% Sauerstoffsättigung (ox.) korrigierte BE_B im Blut, ctH⁺ _B,ox und 4) der SBE, jetzt ebenfalls korrigiert auf 100% Sättigung des Hb, ctH⁺ _Ecf,ox.Hier tauchen 3 Fragen auf:1) Ist einer dieser BE – werte aussagekräftiger als der aktuelle pH-Wert,2) Welcher der 4 Basenexzesse eignet sich am besten für perinatale Säure-Basen Studien und3) Welche klinisch relevanten Grenzwerte lassen sich für diese metabolischen Messgrößen berechnen?

Methodik: Als klinische Parameter wurden die APGAR-Zahlen nach 1 und 5 min und der WAS-index für die Quantifizierung der fetalen Herzfrequenz (FHF) herangezogen. Die FHF wurde bei 475 Feten, die alle auf vaginalem Weg zur Welt gekommen waren, jeweils für die letzte halbe Stunde ante partum analysiert. Der WAS-Index wurde aus der mittleren Herzfrequenz (fhm), der Mikrofluktuation (ozf) und der Oszillationsamplitude (oza) nach folgender Beziehung bestimmt: WAS=(fhm*w1)^*(ozf^*w2)^*(oza^*w3)⁻¹. Die 3 Gewichtungsfunktionen w1, w2 und w3 waren mit einem Optimierungsprogramm berechnet worden. Der WAS-score wurde aus den WAS-indices der jeweils letzten 30 min gemittelt. Der BE_B im Nabelarterien (NA) blut wurde in Anlehnung an van Slyke, sowie Henderson und Hasselbalch aus pH und pCO₂ berechnet. Die Sauerstoffsättigung (%) für HbF wurde in Anlehnung an Ruiz et al. [[23]] ebenfalls rechnerisch bestimmt. Der klinische Grenzwert für den korrigierten SBE konnte aus dem NA-Blut von 390 Neugeborenen am Termin errechnet werden, die alle azidotisch (pH,NA<7,1) zur Welt gekommen waren, sich dann aber unauffällig entwickelt hatten (good outcome),: Dazu wurde willkürlich die jeweils 10. Perzentile der BE-Verteilungen bestimmt.

Ergebnisse: Im NA-blut ist der fetale BE_B eng mit dem pCO₂ korreliert: r=−0,288, P<10⁻⁴. Bei Verwendung des SBE geht diese Korrelation mit dem pCO₂ verloren: r=−0,0068, P=0,881. Im NA-blut sind pCO₂ und pO₂ invers miteinander verbunden: r=−0,291, P<<10⁻⁴. Der Sauerstoffpartialdruck, pO₂, NA (mm Hg), ist mit dem BE_B, NA nicht korreliert (r=−0,074, P=0,105), zeigt aber eine Abhängigkeit vom SBE: r=−0,1722, P=0,0002. Die APGAR-Zahl nach 1 min korreliert am besten mit dem aktuellen pH, NA (r=0,4078, P<0,0001, Spearman's Rho=0,307, P<10⁻⁴). Die 4 BE-Werte : ctH⁺ _B,ox., ctH⁺ _B,act, ctH⁺ _Ecf,ox. und ctH⁺ _Ecf,act korrelieren mit dem APGAR (1 min) wie folgt: Rho=0,2597, 0,2394, 0,1838 und 0,1763, P jeweils<10⁻⁴. Analoges gilt für den APGAR nach 5 min: Rho=0,2307, 0,2168, 0,1811 und 0,1771 (P<10⁻⁴, für alle). Die „Korrektur” des BE_B und des SBE auf 100% O₂-Sättigung führt also (erwartungsgemäß) immer zu höheren Korrelationskoeffizienten: z. B. Rho=0,2597 vs. Rho=0,2394.Analoges gilt für die FHF: der WAS-score ist ebenfalls am besten mit dem aktuellen pH,NA korreliert: r=0,656, P<<10⁻⁴. Für die 4 BE-werte ließen sich folgende Koeffizienten berechnen: r=−0,587, r=–0,565, r=−0,437 und r=−0,427, (P jeweils<10⁻⁴). Der klinische Grenzwert für den korrigierten Standart-BE (=ctH⁺ _Ecf,ox) bei den 390 Neugeborenen am Termin mit Azidose (pH, NA<7,1) und ,good outcome‘ errechnete sich (gerundet) zu −14,0 mmol/l; Für den SBE beträgt er −13,6  mmol/l.

Schlussfolgerungen: Der aktuelle pH-Wert gemessen im NA-blut zeigt die engsten Korrelationen mit 3 klinischen Parametern: Den APGAR-Zahlen nach einer und 5 min und der elektronisch quantifizierten FHF. Die diagnostischen Vorteile des BE_B und des SBE sind nicht erkennbar. Wenn man die metabolische Komponente einer Azidose bestimmen will, sollte man den SBE verwenden und zwar mit Korrektur auf 100% Sauerstoffsättigung: Diese Messgröße zeigt die besten Korrelationen mit den genannten klinischen Parametern. Unterlässt man die Korrektur sind die Differenzen allerdings klinisch unerheblich.

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