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Pulse oximetry screening for critical congenital heart defects

  • Review
  • Diagnostic

Authors

  • Maria N Plana,

    1. Clinical Biostatistics Unit, Ramón y Cajal Hospital (IRYCIS), CIBER Epidemiology and Public Health (CIBERESP), Madrid, Spain
  • Javier Zamora,

    1. Clinical Biostatistics Unit, Ramon y Cajal Institute for Health Research (IRYCIS), CIBER Epidemiology and Public Health (CIBERESP), Madrid (Spain) and Women’s Health Research Unit, Centre for Primary Care and Public Health, Queen Mary University of London, London, UK
  • Gautham Suresh,

    1. Baylor College of Medicine, Section of Neonatology, Department of Pediatrics, Houston, Texas, USA
  • Luis Fernandez-Pineda,

    1. Hospital Ramon y Cajal, Pediatric Cardiology Unit, Madrid, Spain
  • Shakila Thangaratinam,

    1. Women's Health Research Unit, Barts and The London School of Medicine and Dentistry, Queen Mary University of London, Centre for Primary Care and Public Health, London, UK
  • Andrew K Ewer

    Corresponding author
    1. University of Birmingham, Institute of Metabolism and Systems Research, Birmingham, UK
    • Andrew K Ewer, Institute of Metabolism and Systems Research, University of Birmingham, Birmingham Women's Hospital, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, UK. a.k.ewer@bham.ac.uk.


Abstract

Background

Health outcomes are improved when newborn babies with critical congenital heart defects (CCHDs) are detected before acute cardiovascular collapse. The main screening tests used to identify these babies include prenatal ultrasonography and postnatal clinical examination; however, even though both of these methods are available, a significant proportion of babies are still missed. Routine pulse oximetry has been reported as an additional screening test that can potentially improve detection of CCHD.

Objectives

• To determine the diagnostic accuracy of pulse oximetry as a screening method for detection of CCHD in asymptomatic newborn infants

• To assess potential sources of heterogeneity, including:

○ characteristics of the population: inclusion or exclusion of antenatally detected congenital heart defects;

○ timing of testing: < 24 hours versus ≥ 24 hours after birth;

○ site of testing: right hand and foot (pre-ductal and post-ductal) versus foot only (post-ductal);

○ oxygen saturation: functional versus fractional;

○ study design: retrospective versus prospective design, consecutive versus non-consecutive series; and

○ risk of bias for the "flow and timing" domain of QUADAS-2.

Search methods

We searched the Cochrane Central Register of Controlled Trials (CENTRAL; 2017, Issue 2) in the Cochrane Library and the following databases: MEDLINE, Embase, the Cumulative Index to Nursing and Allied Health Literature (CINAHL), and Health Services Research Projects in Progress (HSRProj), up to March 2017. We searched the reference lists of all included articles and relevant systematic reviews to identify additional studies not found through the electronic search. We applied no language restrictions.

Selection criteria

We selected studies that met predefined criteria for design, population, tests, and outcomes. We included cross-sectional and cohort studies assessing the diagnostic accuracy of pulse oximetry screening for diagnosis of CCHD in term and late preterm asymptomatic newborn infants. We considered all protocols of pulse oximetry screening (eg, different saturation thresholds to define abnormality, post-ductal only or pre-ductal and post-ductal measurements, test timing less than or greater than 24 hours). Reference standards were diagnostic echocardiography (echocardiogram) and clinical follow-up, including postmortem findings, mortality, and congenital anomaly databases.

Data collection and analysis

We extracted accuracy data for the threshold used in primary studies. We explored between-study variability and correlation between indices visually through use of forest and receiver operating characteristic (ROC) plots. We assessed risk of bias in included studies using the QUADAS-2 tool. We used the bivariate model to calculate random-effects pooled sensitivity and specificity values. We investigated sources of heterogeneity using subgroup analyses and meta-regression.

Main results

Twenty-one studies met our inclusion criteria (N = 457,202 participants). Nineteen studies provided data for the primary analysis (oxygen saturation threshold < 95% or ≤ 95%; N = 436,758 participants). The overall sensitivity of pulse oximetry for detection of CCHD was 76.3% (95% confidence interval [CI] 69.5 to 82.0) (low certainty of the evidence). Specificity was 99.9% (95% CI 99.7 to 99.9), with a false-positive rate of 0.14% (95% CI 0.07 to 0.22) (high certainty of the evidence). Summary positive and negative likelihood ratios were 535.6 (95% CI 280.3 to 1023.4) and 0.24 (95% CI 0.18 to 0.31), respectively. These results showed that out of 10,000 apparently healthy late preterm or full-term newborn infants, six will have CCHD (median prevalence in our review). Screening by pulse oximetry will detect five of these infants as having CCHD and will miss one case. In addition, screening by pulse oximetry will falsely identify another 14 infants out of the 10,000 as having suspected CCHD when they do not have it.

The false-positive rate for detection of CCHD was lower when newborn pulse oximetry was performed longer than 24 hours after birth than when it was performed within 24 hours (0.06%, 95% CI 0.03 to 0.13, vs 0.42%, 95% CI 0.20 to 0.89; P = 0.027).

Forest and ROC plots showed greater variability in estimated sensitivity than specificity across studies. We explored heterogeneity by conducting subgroup analyses and meta-regression of inclusion or exclusion of antenatally detected congenital heart defects, timing of testing, and risk of bias for the "flow and timing" domain of QUADAS-2, and we did not find an explanation for the heterogeneity in sensitivity.

Authors' conclusions

Pulse oximetry is a highly specific and moderately sensitive test for detection of CCHD with very low false-positive rates. Current evidence supports the introduction of routine screening for CCHD in asymptomatic newborns before discharge from the well-baby nursery.

Resumen

Cribado con oximetría de pulso para los defectos cardíacos congénitos graves

Antecedentes

Los resultados de salud mejoran cuando los recién nacidos con defectos cardíacos congénitos graves (DCCG) son detectados antes del colapso cardiovascular agudo. Las principales pruebas de cribado usadas para identificar a estos recién nacidos incluyen la ecografía prenatal y el examen clínico posnatal; sin embargo, aunque ambos métodos están disponibles, todavía se omite una proporción significativa de recién nacidos. La oximetría de pulso habitual se ha informado como un cribado adicional que puede mejorar potencialmente la detección de la DCCG.

Objetivos

• Determinar la exactitud de diagnóstico de la oximetría de pulso como un método de cribado para la detección de los DCCG en recién nacidos asintomáticos

• Evaluar las posibles fuentes de heterogeneidad, incluidas:

○ características de la población: inclusión o exclusión de los defectos cardíacos congénitos detectados de forma prenatal;

○ momento adecuado de la prueba: < 24 horas versus ≥ 24 horas después del parto;

○ sitio de las pruebas: mano y pie derechos (preductal y posductal) versus pie solo (posductal);

○ saturación de oxígeno: funcional versus fraccionado;

○ diseño del estudio: diseño retrospectivo versus prospectivo, serie consecutiva versus no consecutiva; y

○ riesgo de sesgo para el dominio del "flujo y momento adecuado" de QUADAS-2.

Métodos de búsqueda

Se realizaron búsquedas en el Registro Cochrane Central de Ensayos Controlados (Cochrane Central Register of Controlled Trials) (CENTRAL; 2017, número 2) en la Cochrane Library y en las siguientes bases de datos: MEDLINE, Embase, en el Cumulative Index to Nursing and Allied Health Literature (CINAHL), en Health Services Research Projects in Progress (HSRProj), hasta marzo 2017. Se hicieron búsquedas en las listas de referencias de todos los artículos incluidos y las revisiones sistemáticas pertinentes para identificar estudios adicionales que no se encontraron mediante la búsqueda electrónica. No se aplicaron restricciones de idiomas.

Criterios de selección

Se seleccionaron los estudios que cumplieron con los criterios predefinidos en cuanto al diseño, la población, las pruebas y los resultados. Se incluyeron estudios transversales y de cohortes que evaluaban la exactitud de diagnóstico del cribado con oximetría de pulso para el diagnóstico de los DCCG en recién nacidos asintomáticos prematuros tardíos y a término. Se consideraron todos los protocolos del cribado con oximetría de pulso (p.ej., diferentes umbrales de saturación para definir la anomalía, mediciones posductales solamente o preductales y posductales, momento adecuado de las pruebas antes o que 24 horas). Los estándares de referencia fueron la ecocardiografía de diagnóstico (ecocardiograma) y el seguimiento clínico, incluidos los hallazgos post mortem, la mortalidad y las bases de datos de anomalías congénitas.

Obtención y análisis de los datos

Se extrajeron los datos de la exactitud para el umbral usado en los estudios primarios. Se exploró la variabilidad entre los estudios y la correlación entre los índices visualmente mediante el uso de diagramas de bosque y de las características operativas del receptor (ROC, por sus siglas en inglés). Se evaluó el riesgo de sesgo en los estudios incluidos mediante la herramienta QUADAS-2. Se utilizó el modelo de dos variables para calcular los valores de la especificidad y la sensibilidad agrupados de efectos aleatorios. Se investigaron las fuentes de heterogeneidad mediante análisis de subgrupos y la metarregresión.

Resultados principales

Veintiún estudios cumplieron con los criterios de inclusión (N = 457 202 participantes). Diecinueve estudios proporcionaron datos para el análisis primario (umbral de saturación de oxígeno < 95% o ≤ 95%; N = 436 758 participants). La sensibilidad general de la oximetría de pulso para la detección de los DCCG fue de 76,3% (intervalo de confianza [IC] del 95% 69,5 a 82,0) (evidencia de baja certeza). La especificidad fue del 99,9% (IC del 95%: 99,7 a 99,9), con una tasa de positivos falsos de 0,14% (IC del 95%: 0,07 a 0,22) (evidencia de certeza alta). Los cocientes de verosimilitudes resumidos positivos y negativos fueron de 535,6 (IC del 95%: 280,3 a 1023,4) y 0,24 (IC del 95%: 0,18 a 0,31), respectivamente. Estos resultados indicaron que de 10 000 recién nacidos prematuros tardíos o a término aparentemente sanos, seis presentarán DCCG (mediana de prevalencia en la revisión). El cribado con oximetría de pulso detectará a cinco de estos neonatos como con DCCG y omitirá un caso. Además, el cribado con oximetría de pulso identificará de forma errónea a otros 14 neonatos de los 10 000 como con DCCG presuntos cuando no los presentan.

La tasa de positivos falsos para la detección de los DCCG fue inferior cuando la oximetría de pulso en los recién nacidos se realizó durante más tiempo que 24 horas después del nacimiento que cuando se realizó dentro de un plazo de 24 horas (0,06%, IC del 95%: 0,03 a 0,13; versus 0,42%, IC del 95%: 0,20 a 0,89; P = 0,027).

Los diagramas de bosque y de ROC mostraron una mayor variabilidad en la sensibilidad calculada en comparación con la especificidad entre los estudios. Se exploró la heterogeneidad al realizar análisis de subgrupos y la metarregresión de la inclusión o la exclusión de los defectos cardíacos congénitos detectados de forma prenatal, el momento adecuado de las pruebas y el riesgo de sesgo para el dominio "flujo y momento adecuado" de QUADAS-2; y no se encontró una explicación para la heterogeneidad en la sensibilidad.

Conclusiones de los autores

La oximetría de pulso es una prueba sumamente específica y moderadamente sensible para la detección de los DCCG con tasas muy bajas de positivos falsos. La evidencia actual apoya la introducción del cribado sistemático para los DCCG en los recién nacidos asintomáticos antes del alta de la unidad de recién nacidos sanos.

Plain language summary

Pulse oximetry for diagnosis of critical congenital heart defects

Review question

We reviewed evidence on the accuracy of pulse oximetry for detection of critical congenital heart defects (CCHDs) in asymptomatic newborn infants.

Background

CCHDs occur in around two in 1000 newborn infants and are a leading cause of infant death. Timely diagnosis is crucial for best outcomes for these babies, but current screening methods may miss up to 50% of affected newborn infants before birth, and those sent home before diagnosis frequently die or endure major morbidity. However, babies with CCHD often have low blood oxygen levels, which can be detected quickly and non-invasively by pulse oximetry, using a sensor placed on the newborn infant’s hand or foot. A pulse oximeter is a machine that can measure, non-invasively, the amount of oxygen carried around the body by red blood cells. Oxygen from the lungs is bound to hemoglobin in red blood cells, forming oxyhemoglobin. If oxygen is not bound, de-oxyhemoglobin is formed. In health, almost all hemoglobin is oxyhemoglobin, and so oxygen saturation (ie, the percentage of hemoglobin that has bound oxygen) is close to 100%. The pulse oximeter measures this by passing light through peripheral blood vessels (eg, a fingertip in an adult, in a hand or foot in a baby). Oxyhemoglobin and de-oxyhemoglobin absorb this light in different ways, and the proportion of light absorbed can be analyzed by software within the oximeter, which then calculates the percentage of hemoglobin saturated with oxygen.

Study characteristics

We searched until March 2017 for evidence on use of pulse oximetry to detect CCHD in newborn infants and found 21 studies. These studies used different thresholds to define a pulse oximetry test as positive. We combined all studies using a threshold around 95% (19 studies with 436,758 newborn infants).

Key results

This review found that for every 10,000 apparently healthy newborn infants screened, around six of them will have CCHD. The pulse oximetry test will correctly identify five of these newborn infants with CCHD (but will miss one case). Newborn infants who are missed could die or experience major morbidity.

For every 10,000 apparently healthy newborn infants screened, 9994 will not have CCHD. The pulse oximetry test will correctly identify 9980 of them (but 14 newborn infants will be investigated for suspected CCHD). Some of these infants may be exposed to unnecessary additional tests and a prolonged hospital stay, but a proportion will have a potentially serious non-cardiac illness.

The number of newborn infants incorrectly investigated for CCHD decreases when pulse oximetry is performed longer than 24 hours after birth.

Certainty of evidence

We judged the included studies to be mainly at low or unclear risk of bias for several of the certainty domains assessed. Some studies used less robust methods to verify negative results. We considered the overall certainty of the evidence as moderate.

Resumen en términos sencillos

Oximetría de pulso para el diagnóstico de los defectos cardíacos congénitos graves

Pregunta de la revisión

Se examinó la evidencia sobre la exactitud de la oximetría de pulso para la detección de los defectos cardíacos congénitos graves (DCCG) en los recién nacidos asintomáticos.

Antecedentes

Los DCCG se presentan en cerca de dos de cada 1000 recién nacidos y son una causa principal de mortalidad infantil. El diagnóstico oportuno es crucial para lograr mejores resultados para estos recién nacidos, aunque los métodos de cribado actuales pueden omitir hasta a un 50% de los recién nacidos afectados antes del nacimiento, y los enviados al hogar antes del diagnóstico con frecuencia mueren o padecen morbilidad grave. Sin embargo, los recién nacidos con DCCG a menudo tienen niveles de oxígeno sanguíneo bajos, que pueden detectarse rápidamente y de forma no invasiva con la oximetría de pulso, mediante un sensor colocado en la mano o el pie del recién nacido. El oxímetro de pulso es una máquina que puede medir, de forma no invasiva, la cantidad de oxígeno transportado a través del cuerpo por los eritrocitos. El oxígeno de los pulmones está ligado a la hemoglobina en los eritrocitos, y forman la oxihemoglobina. Si el oxígeno no está unido, se forma la desoxihemoglobina. En las personas sanas, casi toda la hemoglobina es oxihemoglobina, y por lo tanto la saturación de oxígeno (es decir, el porcentaje de hemoglobina que se ha unido al oxígeno) es de alrededor del 100%. El oxímetro de pulso mide lo anterior mediante la luz que atraviesa los vasos sanguíneos periféricos (p.ej., la yema del dedo en los adultos, la mano o el pie en los recién nacidos). La oxihemoglobina y la desoxihemoglobina absorben dicha luz de diferentes maneras, y la proporción de la luz absorbida puede ser analizada por el software dentro del oxímetro, que luego calcula el porcentaje de hemoglobina saturada con oxígeno.

Características de los estudios

Se realizaron búsquedas hasta marzo de 2017 de la evidencia sobre el uso de la oximetría de pulso para detectar DCCG en los recién nacidos y se encontraron 21 estudios. Estos estudios usaron diferentes umbrales para definir una oximetría de pulso como positiva. Se combinaron todos los estudios mediante un umbral de cerca del 95% (19 estudios con 436 758 recién nacidos).

Resultados clave

Esta revisión halló que, de cada 10 000 recién nacidos aparentemente sanos sometidos a cribado, cerca de seis de ellos presentarán DCCG. La oximetría de pulso identificará correctamente a cinco de dichos recién nacidos con DCCG (aunque omitirá un caso). Los recién nacidos omitidos podrían morir o presentar morbilidad grave.

De cada 10 000 recién nacidos aparentemente sanos sometidos a cribado, 9994 no presentarán DCCG. La oximetría de pulso identificará correctamente a 9980 de ellos (aunque 14 recién nacidos serán examinados debido a la sospecha de DCCG). Algunos de estos neonatos pueden estar expuestos a estudios adicionales innecesarios y a una estancia hospitalaria prolongada, aunque una proporción padecerá una enfermedad no cardíaca potencialmente grave.

El número de recién nacidos examinados de forma incorrecta para los DCCG disminuye cuando la oximetría de pulso se realiza después de más de 24 horas del nacimiento.

Certeza de la evidencia

Los estudios incluidos se consideraron principalmente en riesgo bajo o poco claro de sesgo para varios de los dominios de certeza evaluados. Algunos estudios usaron métodos menos consistentes para comprobar los resultados negativos. La certeza general de la evidencia se consideró moderada.

Notas de traducción

La traducción y edición de las revisiones Cochrane han sido realizadas bajo la responsabilidad del Centro Cochrane Iberoamericano, gracias a la suscripción efectuada por el Ministerio de Sanidad, Servicios Sociales e Igualdad del Gobierno español. Si detecta algún problema con la traducción, por favor, contacte con Infoglobal Suport, cochrane@infoglobal-suport.com.

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