Posthypoxic encephalopathy in patients after cardiac surgery: etiological, pathogenetic, and clinical aspects (a literature review)

Post-hypoxic encephalopathy is a brain damage manifested by neurological, neuropsychiatric, and mental disorders, which is caused by a reduction in cerebral blood flow and by a resultant effect of an episode of hypoxia of various etiology and duration. This complication is most characteristic of patients who have undergone cardiac surgery in view of the high prevalence and severity of clinical manifestations, worse quality of life, the longer length of hospital stay, and the higher cost of treatment and rehabilitation. To determine the individual management tactics for such patients, combining both successful surgical treatment, by reducing perioperative stress, and prevention of cerebral complications, it is necessary to analyze the patterns of their development. The role of pathophysiological risk factors, including preoperative, perioperative and postoperative ones, for posthypoxic encephalopathy, is considered. Its preoperative risk factors include age, gender, concomitant diseases, education level, and cognitive functions before surgery, cardiac morphofunctional changes, and depressive disorders. There are surgery-related (type and duration of anesthesia, operating-suite temperatures, and hyperglycemia) and postoperative (pain syndrome after surgical intervention, sleep disorders, and the environment) risk factors. Emphasis is placed on the technical characteristics of on-pump operations, among which there are cerebral hypoperfusion, microembolism, non-pulsatile flow, and duration of extracorporeal circulation. Classifications of cerebral complications are presented. Different types of brain dysfunction are analyzed to assess their incidence rates, clinical features, and dynamics in the postoperative period.

posthypoxic encephalopathy, neurological complications in cardiac surgery, postoperative cognitive dysfunction

1. Одинак ММ, Емелин АЮ, Лобзин ВЮ и др. Возможности медикаментозной коррекции функциональных нарушений при постгипоксической энцефалопатии. Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2012;4(2):83-8. [Odinak MM, Emelin AY, Lobzin VY, et al. Capacities for the drug correction of functional disorders in posthypoxic encephalopathy. Nevrologiya, neiropsikhiatriya, psikhosomatika = Neurology, Neuropsychiatry, Psychosomatics. 2012;4(2):83-8. (In Russ.)].

2. doi:10.14412/2074-2711-2012-390.

3. Altarabsheh SE, Deo SV, Rababa'h AM, et al. Off-pump coronary artery bypass reduces early stroke in octogenarians: a meta-analysis of 18,000 patients. Ann Thorac Surg. 2015 Mar; 99(5):1568-1575. doi: 10.1016/j.athoracsur. 2014.12.057.

4. Соленкова АВ, Бондаренко АА, Лубнин АЮ и др. Послеоперационные когнитивные изменения у больных пожилого и старческого возраста. Анестезиология и реаниматология. 2012;(4):13-8. [Solenkova AV, Bondarenko AA, Lubnin AU, et al. Postoperative cognitive changes in elderly and senile patients. Anesteziologiya i reanimatologiya. 2012;(4):13-8. (In Russ.)].

5. Бокерия ЛА, Жалилов АК, Мерзляков ВЮ и др. Результаты хирургической реваскуляризации миокарда с использованием искусственного кровообращения и на работающем сердце у женщин. Бюллетень НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. Сердечно-сосудистые заболевания. 2014;15(3):39-46. [Bokeriya LA, Zhalilov AK, Merzlyakov VYu, et al. Results of off-pump and on-pump surgical revascularization of the myocardium in women. Byulleten' NCSSKH Im. A.N. Bakuleva RAMN Serdechno-sosudistye zabolevaniya. 2014;15(3): 39-46. (In Russ.)].

6. Bolooki H. The controversy in clinical results among men and women after coronary bypass operation. J Am Coll Cardiol. 2007 Mar;49(14): 1559-1560. doi:10.1016/j.jacc.2007.01.053

7. Шепелюк АН, Клыпа ТВ, Никифоров ЮВ. Факторы риска послеоперационных энцефалопатий в кардиохирургии. Общая реаниматология. 2012;8(5):47-55. [Shepelyuk AN, Klypa TV, Nikiforov YuV. Risk factors for postoperative encephalopathy in cardiac surgery. Obshchaya reanimatologiya. 2012; 8(5):47-55. (In Russ.)].

8. Roques F, Nashef SA, Michel P, et al. Risk factors and outcome in European cardiac surgery: analysis of the EuroSCORE multinational database of 19030 patients. Eur J Cardiothorac Surg. 1999 Jun;15(6):816-822.

9. Шонбин АН, Быстров ДО, Заволожин АС и др. Современный подход к стратификации риска кардиохирургических операций по шкалам EuroScore и EuroScore II. Экология человека. 2012;(3):28-31. [Shonbin AN, Bystrov DO, Zavolozhin AS, et al. Modern approach to risk stratification of cardiosurgery operations on the EuroScore and EuroScore scales II. Eсologiya cheloveka. 2012;(3):28-31. (In Russ.)].

10. Дайникова ЕИ, Пизова НВ. Когнитивный резерв и когнитивные нарушения: лекарственные и нелекарственные методы коррекции. Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2014;6(2S):62-8. [Dainikova EI, Pizova NV. Cognitive reserve and cognitive impairment: medicinal and non-drug correction methods. Nevrologiya, neiropsikhiatriya, psikhosomatika = Neurology, Neuropsychiatry, Psychosomatics. 2014;6(2S):62-8. (In Russ.)]. doi: 10.14412/2074-2711-2014-2S-62-68

11. Maekawa K, Goto T, Baba T, et al. Impaired cognition preceding cardiac surgery is related to cerebral ischemic lesions. J Anesth. 2011 Mar; 25:330–336. doi: 10.1007/s00540-011-1108-5.

12. Суханов СГ, Марченко АВ, Мялюк ПА и др. Предикторы цереброваскулярных нарушений у пациентов после операции коронарного шунтирования. Пермский медицинский журнал. 2015;32(3):34-40. [Sukhanov SG, Marchenko AV, Myalyuk PA, et al. Precursors of cerebrovascular disorders in patients after coronary artery bypass surgery. Permskii meditsinskii zhurnal. 2015;32(3):34-40. (In Russ.)].

13. Гелис ЛГ. Прогностическая оценка операционного риска у кардиохирургических пациентов с острым коронарным синдромом. Лечебное дело. 2014;37(3):53-9. [Gelis LG. Predictive assessment of operational risk in cardiosurgical patients with acute coronary syndrome. Lechebnoe delo. 2014;37(3):53-9. (In Russ.)].

14. Горулева МВ, Ганенко ОС, Ковальцова РС и др. Качество жизни и психокогнитивный статус больных, перенесших аортокоронарное шунтирование. Российский кардиологический журнал. 2014;113(9): 68-71. [Goruleva MV, Ganenko OS, Koval'tsova RS, et al. Quality of life and psycho-cognitive status of patients underwent aortocoronary bypass surgery. Rossiiskii kardiologicheskii zhurnal. 2014;113(9):68-71. (In Russ.)].

15. Овезов АМ, Пантелеева МВ, Князев АВ и др. Когнитивная дисфункция и общая анестезия: от патогенеза к профилактике и коррекции. Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2016;8(3):101-5. [Ovezov AM, Panteleeva MV, Knyazev AV, et al. Cognitive dysfunction and general anesthesia: from pathogenesis to prevention and correction. Nevrologiya, neiropsikhiatriya, psikhosomatika = Neurology, Neuropsychiatry, Psychosomatics. 2016;8(3):101-5. (In Russ.)]. Doi: 10.14412/2074-2711-2016-3-101-105

16. Новицкая-Усенко ЛВ. Послеоперационная когнитивная дисфункция в практике врача-анестезиолога. Медицина неотложных состояний. 2017;83(4):9-15. [Novitskaya-Usenko LV. Postoperative cognitive dysfunction in the practice of an anesthesiologist. Meditsina neotlozhnykh sostoyanii. 2017;83(4):9-15. (In Russ.)].

17. Цыган НВ, Одинак ММ, Хубулава ГГ и др. Послеоперационная мозговая дисфункция. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2017;117(4):34-39. [Tsygan NV, Odinak MM, Khubulava GG, et

18. al. Postoperative cerebral dysfunction. Zhurnal nevrologii i psikhiatrii im. S.S. Korsakova. 2017; 117(4):34-39. (In Russ.)]. doi: 10.17116/jnevro 20171174134-39

19. Кудашев ИФ, Сигаев ИЮ. Предикторы неврологических осложнений у больных ишемической болезнью сердца в сочетании с атеросклеротическим поражением брахиоцефальных артерий, направляемых на операцию реваскуляризации миокарда. Клиническая физиология кровообращения. 2016;13(4):192-6. [Kudashev IF, Sigaev IYu. Predictors of neurological complications in patients with ischemic heart disease in combination with atherosclerotic lesions of brachiocephalic arteries directed to the operation of myocardial revascularization. Klinicheskaya fiziologiya krovoobrashcheniya. 2016;13(4): 192-6. (In Russ.)].

20. Luchowski P, Wojczal J, Buraczynska K, et al. Predictors of intracranial cerebral artery stenosis in patients before cardiac surgery and its impact on perioperative and long-term stroke risk. Neurol Neurochir Pol. 2015 Sep; 49(6):395-400. doi:10.1016/j.pjnns.2015.09.006.

21. Patel N, Minhas JS, Chung EM. Intraoperative embolization and cognitive decline after cardiac surgery: a systematic review. Semin Cardiothorac Vasc Anesth. 2016 Jan;20(3):225-231. doi: 10.1177/1089253215626728.

22. Цыган НВ, Андреев РВ, Пелешок АС и др. Послеоперационная мозговая дисфункция при хирургических операциях на клапанах сердца в условиях искусственного кровообращения. Вестник Российской военно-медицинской академии. 2015;50(2): 198-203. [Тsygan NV, Andreev RV, Peleshok AS, et al. Postoperative cerebral dysfunction in heart valve surgery with cardiopulmonary bypass. Vestnik Rossiiskoi voenno-meditsinskoi akademii. 2015;50(2):198-203. (In Russ.)].

23. Андреев АВ, Никифоров ВА. Вспомогательное кровообращение при операции аортокоронарного шунтирования на работающем сердце (обзор литературы). Здравоохранение Чувашии. 2013;36(4):47-52. [Andreev AV, Nikiforov VA. Вlood circulation during off-pump coronary artery bypass surgery (literature review). Zdravookhranenie Chuvashii. 2013;36(4):47-52. (In Russ.)].

24. Постнов ВГ, Сидельников СГ, Агеева МВ. Церебральные функции у больных, перенесших искусственное кровообращение длительностью более 180 минут. Материалы V съезда РосЭКТ. 2006;(1):47–8. [Postnov VG, Sidelnikov SG, Ageeva MV. Cerebral function in patients underwent artificial circulation lasting more than 180 minutes. Materialy V s"ezda RosEKT. 2006;(1):47–8. (In Russ.)].

25. Цирятьева СБ, Архипов АА. Влияние искусственного кровообращения на развитие послеоперационной когнитивной дисфункции. Медицинский альманах. 2013;28(4):17-20. [Tsiryat'eva SB, Arkhipov AA. The effect of artificial circulation on the development of postoperative cognitive dysfunction. Meditsinskii al'manakh. 2013;28(4): 17-20. (In Russ.)].

26. Левин ЕА, Постнов ВГ, Васяткина АГ и др. Послеоперационные когнитивные дисфункции в кардиохирургии: патогенез, морфофункциональные корреляты, диагностика. Сибирский научный медицинский журнал. 2013;33(4):90-106. [Levin EA, Postnov VG, Vasyatkina AG, et al. Postoperative cognitive dysfunctions in cardiosurgery: pathogenesis, morphofunctional correlates, diagnostics. Sibirskii nauchnyi meditsinskii zhurnal. 2013;33(4):90-106. (In Russ.)].

27. Zhang X, Yan X, Gorman J, et al. Perioperative hyperglycemia is associated with postoperative neurocognitive disorders after cardiac surgery. Neuropsychiatr Dis Treat. 2014 Feb;10:361-370. doi:10.2147/NDT.S57761

28. Nelson AM, Battersby AS, Baghdoyan HA, et al. Opioid-induced decreases in rat brain adenosine levels are reversed by inhibiting adenosine deaminase. Anesthesiology. 2009 Dec;111:1327-1333. doi:10.1097/ALN. 0b013e3181bdf894.

29. Krenk L, Rasmussen LS, Kehlet H. New insights into the pathophysiology of postoperative cognitive dysfunction. Acta Anaesthesiol Scand. 2010 Sep;54(8:951-956. doi: 10.1111/j. 1399-6576.2010.02268.x.

30. Шумков КВ, Лефтерова НП, Пак НЛ и др. Аортокоронарное шунтирование в условиях искусственного кровообращения и на работающем сердце: сравнительный анализ ближайших и отдаленных результатов и послеоперационных осложнений (нарушения ритма сердца, когнитивные и неврологические расстройства, реологические особенности и состояние системы гемостаза). Креативная кардиология. 2009;(1):28-50. [Shumkov KV, Lefterova NP, Pak NL, et al. On-pump and off-pump coronary artery bypass surgery: a comparative analysis of immediate and long-term results and postoperative complications (heart rhythm disorders, cognitive and neurological disorders, rheological features and the state of the hemostasis system). Kreativnaya kardiologiya. 2009;(1):28-50. (In Russ.)].

31. Shaw PJ. Neurological complications of cardiovascular surgery. International Anesthesiology Clinics. 1986;24(4):159–200.

32. Wolman RL, Nussmeier NA, Aggarwal A, et al. Cerebral injury after cardiac surgery – identification of a group at extraordinary risk. Stroke. 1999 Mar;30(3):514-22.

33. Hillis LD, Smith PK, Anderson JL, et al. AHA guideline for coronary artery bypass graft surgery: executive summary: a report of the American college of cardiology foundation / American heart association task force on practice guidelines. J Thorac Cardiovasc Surg. 2012 Jan;143(1):4-34. doi: 10.1016/j.jtcvs.2011.10.015.

34. Sacco RL, Kasner SE, Broderick JP, et al. An updated definition of stroke for the 21st century: a statement for healthcare professionals from the American Heart Association / American Stroke Association. Stroke. 2013 Jul; 44(7):2064-2089. doi:10.1161/STR.0b013e 318296aeca.

35. Hamon M, Baron JC, Viader F, et al. Periprocedural stroke and cardiac catheterization. Circulation. 2008;118:678–683.

36. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.

37. Филимонова ПА, Волкова ЛИ, Алашеев АМ и др. Внутрибольничный инсульт у пациентов кардиохирургического профиля. Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2017;11(1):28-33. [Filimonova PA, Volkova LI, Alasheev AM, et al. Intra-hospital insult in cardiosurgical patients. Annaly klinicheskoi i eksperimental'noi nevrologii. 2017;11(1): 28-33. (In Russ.)].

38. Merie C, Kоber L, Olsen PS, et al. Risk of stroke after coronary artery bypass grafting: effect of age and comorbidities. Stroke. 2012 Jan;43(1):38-43. doi: 10.1161/STROKEAHA. 111.620880. Epub 2011 Oct 27.

39. Hornero F, Martin E, Rodriguez R, et al. Off-pump surgery in preventing perioperative stroke after coronary artery bypass grafting: a retrospective multicentre study. Eur J Cardiothorac Surg. 2013 Oct;44(4):725-731. doi: 10.1093/ejcts/ezt067.

40. Selnes OA, Gottesman RF, Grega MA, et al. Cognitive and neurologic outcomes after coronary-artery bypass surgery. N Engl J Med. 2012 Jan;366:250-257. doi:10.1056/NEJMra1100109

41. Filsoufi F, Rahmanian PB, Castillo JG, et al. Incidence, imaging analysis, and early and late outcomes of stroke after cardiac valve operation. Am J Cardiol. 2008 May 15;101(10):1472-8. doi: 10.1016/j.amjcard.2008.01.029. Epub 2008 Mar 17.

42. Lee EJ, Choi KH, Ryu JS, et al. Stroke risk after coronary bypass graft surgery and extent of cerebral artery atherosclerosis. J Am Coll Cardiol. 2011 May 3;57(18):1811-8. doi: 10.1016/j.jacc.2010.12.026.

43. Humphreys JM, Denson LA, Baker RA, et al. The importance of depression and alcohol use in coronary artery bypass graft surgery patients: risk factors for delirium and poorer quality of life. J Geriatr Cardiol. 2016 Jan; 13(1):51-87. doi: 10.11909/j.issn.1671-5411. 2016.01.010

44. McPherson JA, Wagner CE, Boehm LM, et al. Delirium in the cardiovascular ICU: exploring modifiable risk factors. Crit Care Med. 2013 Feb;41(2):405-13. doi: 10.1097/CCM. 0b013e31826ab49b.

45. Brown CH, Faigle R, Klinker L, et al. The association of brain MRI characteristics and postoperative delirium in cardiac surgery patients. Clin Ther. 2015 Dec;37(12):2686-2699. doi:10.1016/j.clinthera.2015.10.021

46. Полунина АГ, Бегачeв АВ, Шапочки-на ФИ и др. Делирии и расстройства сознания у пожилых людей, часть I: диагностика, эпидемиология, диагностика и обследование больных. Пожилой пациент. 2009;(1): 14-9. [Polunina AG, Begachev AV, Shapochkina FI, et al. Delirium and disorders of consciousness in elderly patients, part I: diagnosis, epidemiology, diagnosis and examination of patients. Pozhiloi patsient. 2009;(1): 14-9. (In Russ.)].

47. Cropsey C, Kennedy J, Han J, et al. Cognitive dysfunction, delirium, and stroke in cardiac surgery patients. Semin Cardiothorac Vasc Anesth. 2015 Dec;19(4):309-317. doi: 10.1177/1089253215570062.

48. Franck M, Nerlich K, Neuner B, et al. No convincing association between post-operative delirium and post-operative cognitive dysfunction: a secondary analysis. Acta Anaesthesiol Scand. 2016 Nov;60(10):1404-1414. doi: 10.1111/aas.12779.

49. Indja B, Seco M, Seamark R, et al. Neurocognitive and psychiatric issues post cardiac surgery. Heart Lung Circ. 2017 Aug;26(8): 779-785. doi: 10.1016/j.hlc.2016.12.010.

50. Шишнева ЕВ, Лебедева ЕВ. Послеоперационный делирий у кардиохирургических пациентов: частота и предикторы развития. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2013;(3):82-3. [Shishneva EV, Lebedeva EV. Postoperative delirium in cardiosurgical patients: frequency and predictors of development. Kompleksnye problemy serdechnososudistykh zabolevanii. 2013;(3):82-3. (In Russ.)].

51. Левин ОС. Диагностика и лечение деменции в клинической практике. Москва: МЕДпресс-информ; 2014. 256 с. [Levin OS. Diagnostika i lechenie dementsii v klinicheskoi praktike [Diagnosis and treatment of dementia in clinical practice]. Moscow: MEDpress-inform; 2014. 256 p.]

52. Помешкина СА, Боровик ИВ, Крупянко ЕВ и др. Приверженность к медикаментозной терапии больных ишемической болезнью сердца, подвергшихся коронарному шунтированию. Сибирский медицинский журнал. 2013;28(4):71–6. [Pomekshina SA, Borovik IV, Krupyanko EV, et al. Adherence to drug therapy for patients with coronary heart disease who underwent coronary bypass surgery. Sibirskii meditsinskii zhurnal. 2013;28(4):71–6. (In Russ.)].

53. Бокерия ЛА, Голухова ЕЗ, Полунина АГ и др. Конитивные функции после операций с искусственным кровообращением в раннем и отдаленном послеоперационном периоде. Креативная кардиология. 2011;(1):71-88. [Bokeriya LA, Golukhova EZ, Polunina AG, et al. Conductive functions after operations with artificial circulation in the early and distant postoperative period. Kreativnaya kardiologiya. 2011;(1):71-88. (In Russ.)].

54. Левин ЕА, Постнов ВГ, Васяткина АГ и др. Послеоперационные когнитивные дисфункции в кардиохирургии: патогенез, морфофункциональные корреляты, диагностика. Сибирский научный медицинский журнал. 2013;33(4):90-105. [Levin EA, Postnov VG, Vasyatkina AG, et al. Postoperative cognitive dysfunction in cardiosurgery: pathogenesis, morphofunctional correlates, diagnostics. Sibirskii nauchnyi meditsinskii zhurnal. 2013;33(4):90-105. (In Russ.)].

55. Knipp SC, Weimar C, Schlamann M, et al. Early and long-term cognitive outcome after conventional cardiac valve surgery. Interact Cardiovasc Thorac Surg. 2017 Apr 1;24(4): 534-540. doi: 10.1093/icvts/ivw421.

56. Evered LA, Silbert BS, Scott DA, et al. Prevalence of dementia 7.5 years after coronary artery bypass graft surgery. Anesthesiology. 2016 Jul;125(1):62-71. doi: 10.1097/ALN. 0000000000001143.

57. Gerriets T, Schwarz N, Bachmann G, et al. Evaluation of methods to predict early longterm neurobehavioral outcome after coronary artery bypass grafting. Am J Cardiol. 2010 Apr;105(8):1095-1101. doi: 10.1016/j.amjcard.2009.12.009.