Fetal Heart Rate Patterns during Delivery Complicated by Hypoxia and Acidosis – A Computer-Aided Analysis

Abstract

Background:

Using the naked eye, evaluation of fetal heart-rate (FHR) patterns remains difficult and is not complete. Computer-aided analysis of the FHR offers the opportunity to analyse FHR patterns completely and to detect all changes possibly due to hypoxia and acidosis. It was the goal of this study to make these hypoxic changes of the FHR visible and to compare them directly with normal tracings.

Methods:

During a period of 11 years the FHR signals (i. e., R-R intervals of the F-ECG) of 646 fetuses were recorded simultaneously also by a computer. The computer files were analysed thereafter, i. e., the obtained results had no immediate influence on the clinical management itself. To enter the study all fetuses must have been delivered by the vaginal route – in consequence without a significant loss of FHR signals. During forceps or vacuum deliveries recordings were continued. If necessary a new electrode was inserted. Recordings of fetuses with chorioamnionitis, tracings of malformed neonates and tracings shorter than 30 min were also excluded. No additional drugs were given to the mother during the time of recording. Thus 484 recordings were left. In this study only the last 30 min of each record were analysed off-line using our own computer programs written in MATLAB. Only 3 parameters were determined electronically: i) the mean fetal frequency (FRQ, bpm), ii) the number of turning points (N/min, see [Fig. 1]) in the FHR, which we called ‘microfluctuation’ (MIC) and iii) the oscillation amplitude of the FHR (OA, bpm, [Fig. 1]). Routine measurements of the acid-base variables from umbilical arterial (UA) and venous (UV) blood were performed using RADIOMETER equipments (ABL500) and trained personnel. To compare acidotic and non-acidotic FHR tracings, 2 pH groups were chosen: fetuses with a small non-acidotic “pH window” (pH_UA=7.290–7.310) and 5 fetuses with severe acidosis, i. e., pH_UA values <= 7.103.

Fig. 1 Example of one CTG minute of an FHR recording used to calculate the mean frequency (bpm), the oscillation amplitude (bpm) and the number of turning points (amounting here to 61/min) during the 4^th min of the tracing.

Results:

Using this narrow “pH-window” (7.290–7.310) shows that FRQ, MIC and OA belong together. The 3 variables are strongly associated with each other in a linear manner. All 3 correlation coefficients (r) are highly significant (P<0.001); in this context all 3 regressions seem to be linear. The mean pH_UA in this special group amounts to 7.300±0.008 (N=50). In severe fetal acidosis (mean pH_UA=7.051±0.060, N=5) MIC and OA are diminished significantly (P << 0.001) whereas the mean frequency is increased (ca.+6 bpm). Microfluctuation (MIC) seems to be the most sensible FHR parameter for the diagnosis of hypoxia and acidosis followed by OA and the fetal frequency niveau.

Conclusions:

In non-acidotic fetuses MIC, OA and FRQ belong together and their association can be described by the 3 basic principles presented above. Fetal reaction patterns during hypoxia and severe acidosis differ significantly when compared with tracings of non-acidotic fetuses. Computer-analysis reveals that MIC is the most sensitive FHR variable concerning hypoxia and acidosis followed by OA and the mean FRQ niveau. (Some of the acidotic recordings together with the WAS-score can be observed in full length at www.fhr-monitoring.org.)

Zusammenfassung

Hintergrund:

Die Interpretation der fetalen Herzfrequenz (FHF) mit dem normalen Auge ist und bleibt schwierig; sie ist außerdem nicht vollständig. Die Computeranalyse der FHF ermöglicht eine eingehendere Darstellung und hilft Veränderungen der FHF bedingt durch Hypoxie und Azidose deutlich sicherer zu erkennen. Es war das Ziel dieser Arbeit die hypoxie-bedingten Veränderungen der FHF sub partu mit elektronischen Hilfsmitteln darzustellen und mit den Phänomenen der hypoxie­freien FHF zu vergleichen.

Methoden:

Während eines Zeitraumes von 11 Jahren wurde das direkt abgeleitete Signal der FHF (der R-Zackenabstand im fetalen EKG) von 646 ausgewählten Feten elektronisch registriert. Diese Aufzeichnungen hatten keinen Einfluss auf den späteren Geburts-verlauf. In dieser Studie wurden nur die letzten 30 min von Feten analy­siert, die auf vaginalem Weg zur Welt gekommen waren. Während der Aufzeichnung wurden der Mutter keine Medikamente mehr gegeben. Von insgesamt 484 unterschiedlich langen Aufzeichnungen wurden in dieser Studie immer nur die letzten 30 min mit eigenen Computerprogrammen (MATLAP) analysiert. Elektronisch berechnet wurden: 1.) die mittlere Herzfrequenz pro min (bpm), 2.) die Anzahl der Wendepunkte der FHF pro min. (N/min), die wir Mikro-fluktuation (MIC) nannten und 3.) die Oszillationsamplitude der FHF pro min [(bpm), siehe [Fig. 1]]. Mit Geräten der Firma RADIOMETER (ABL500) wurden von erfahrenen Personen wenige Minuten post partum die Parameter des fetalen Säure-Basen Haushaltes im Nabelarterien- (und Venen-)blut bestimmt. Zum Vergleich der FHF-Phänomene wurden Feten aus nur 2 pH-Gruppen ausgewählt: Einmal 50 Feten mit einem ganz engen „pH-Fenster“ im Blut aus der Nabelarterie (pH_NA: 7,290–7,310) und zum Vergleich 5 Feten mit einer schweren Azidose (pH_NA=6,960–7,103).

Ergebnisse:

Ohne Azidose sind die 3 Größen der fetalen Herzfrequenz eng und linear miteinander verbunden. Die Korrelationskoeffizienten, die die 3 Variablen miteinander verbinden, sind alle hochsignifikant (P<0,001). Bei schwerer Azidose (mittleres pH_NA=7,051±0,060) nehmen MIC und OA hochsignifikant ab, während das mittlere Frequenzniveau pro Minute etwas (ca. +6 bpm) zunimmt. Die in der Routinediagnostik nicht bestimmbare Mikrofluktuation reagiert am empfindlichsten: Sie nimmt bei Hypoxie und Azidose zusammen mit der Oszillationsamplitude signifikant ab. Das basale Frequenzniveau dagegen nimmt (nicht mehr signifikant) zu.

Schlussfolgerungen:

Bei nicht azidotischen Feten gehören die Messgrößen mittlere Herzfrequenz, Mikrofluktuation und Oszillationsamplitude pro Minute funktionell zusammen. Ohne Hypoxie und Azidose sind die 3 Größen offenbar linear und hoch-signifikant miteinander verbunden. Bei schwerer Hypoxie und Azidose verändert sich dieses Bild vollständig: Mikrofluktuation und Oszillationsamplitude nehmen hochsignifikant ab während die mittlere Herzfrequenz etwas (ca. +6 bpm) zu­nimmt. (Einige FHF-Aufzeichnungen von in der Studie verwendeten Azidosen können unter www.fhr-monitoring.org in voller Länge angesehen werden.)

Key words

computeranalysis - microfluctuation - oscillationamplitude - fetal heart frequency - acidotic and non-acidotic fetuses

Schlüsselwörter

Computeranalyse - Microfluctuation - Oszillationsamplitude - fetale Herzfrequenz - sauere und nicht-sauere Feten

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