Ikke-invasiv overvåking av mikrovaskulær oksygenering og reaktiv hyperemi ved bruk av hybrid, nær-infrarød diffus optisk spektroskopi for kritisk behandling

Summary

Vi beskriver en protokoll for ikke-invasiv og kontinuerlig måling av absolutt mikrovaskulær blodstrømningsindeks og oksygenmetning i blodet ved hjelp av en multimodal enhet basert på nær-infrarød diffus optikk. Vi evaluerer deretter metabolismen av oksygenforbruk og reaktiv hyperemi ved hjelp av en vaskulær okklusjonstest.

Abstract

Påvisning av nivåer av svekkelse i mikrovaskulær oksygenforbruk og reaktiv hyperemi er viktig i kritisk omsorg. Det finnes imidlertid ingen praktiske virkemidler for en robust og kvantitativ evaluering. Denne artikkelen beskriver en protokoll for å evaluere disse svekkelsene ved hjelp av en hybrid nær-infrarød diffus optisk enhet. Enheten inneholder moduler for nær-infrarød tidsløst og diffus korrelasjonsspektroskopi og pulsoksimetri. Disse modulene tillater ikke-invasiv, kontinuerlig og sanntidsmåling av absolutt, mikrovaskulær blod / vev oksygenmetning (StO₂) og blodstrømningsindeksen (BFI) sammen med perifer arteriell oksygenmetning (SpO₂). Denne enheten bruker et integrert, datastyrt turniquetsystem for å utføre en standardisert protokoll med optisk datainnsamling fra brachioradialismuskelen. Den standardiserte vaskulære okklusjonstesten (VOT) tar seg av variasjonene i okklusjonsvarighet og trykk rapportert i litteraturen, mens automatiseringen minimerer forskjeller mellom operatører. Protokollen vi beskriver fokuserer på en okklusjonsperiode på 3 minutter, men detaljene beskrevet i denne artikkelen kan lett tilpasses andre varigheter og mansjetttrykk, så vel som andre muskler. Inkluderingen av en utvidet måling av gjenopprettingsperiode ved baseline og etter okklusjon gjør det mulig å kvantifisere baselineverdiene for alle parametrene og deoksygeneringshastigheten for blod/vev som tilsvarer metabolismen av oksygenforbruk. Når mansjetten er sluppet, karakteriserer vi vevets reoksygeneringshastighet, størrelse og varighet av den hyperemiske responsen i BFI og StO₂. Disse sistnevnte parametrene tilsvarer kvantifiseringen av den reaktive hyperemien, som gir informasjon om endotelfunksjonen. Videre gir de ovennevnte målingene av den absolutte konsentrasjonen av oksygenert og deoksygenert hemoglobin, BFI, den avledede metabolske hastigheten av oksygenforbruk, StO₂ og SpO₂ et ennå ikke utforsket rikt datasett som kan utvise sykdommens alvorlighetsgrad, personlig terapi og ledelsesintervensjoner.

Introduction

Kritisk syke pasienter, spesielt de med sepsis og andre lignende tilstander, viser ofte nedsatt reaktiv hyperemi og mikrovaskulær oksygenering ^1,2,3. Under de første bølgene av COVID-19-pandemi krevde et uforutsett antall pasienter intensivbehandling, der virusets innvirkning på endotelet ble tydelig, men uten en klar strategi for å vurdere og håndtere ^4,5,6. Som et resultat har det vært en økende anerkjennelse av viktigheten av å oppdage endoteldysfunksjon, som indirekte kan evalueres ved reaktiv hyperemi, i kritisk omsorg,^dvs. En praktisk, robust og allment tilgjengelig vurdering av oksygentilførsel og forbruk til vevet forventes å være av største betydning for å optimalisere gjenopplivingsstrategier og direkte adressere mikrosirkulasjonsproblemer. Studier har konsekvent vist at vedvarende mikrosirkulasjonsendringer og mangel på sammenheng mellom makrosirkulasjon og mikrosirkulasjon til en viss grad er prediktive for organsvikt og ugunstige utfall hos pasienter som er rammet av septisk sjokk eller hemorragisk sjokk, blant andre kritiske tilstander, selv når systemiske parametere anses å være normale ^8,9,10. Det har blitt tydelig at det er utilstrekkelig å stole utelukkende på makrosirkulasjonsparametere, da mikrosirkulasjon spiller en kritisk rolle i oksygenering av vev og organfunksjon 11,12,13. Dette papiret beskriver en protokoll som bruker en ny multimodal enhet basert på nær-infrarød diffus optisk teknologi som er utviklet i et internasjonalt konsortium som fokuserer på ICU-pasienter. Prosjektet, VASCOVID (https://vascovid.eu), var motivert av COVID-19-pandemien for å evaluere mikrovaskulær helse i perifere muskler i intensivbehandling. Vi har designet en protokoll ved hjelp av den utviklede VASCOVID-enheten som tar sikte på å forbedre vår forståelse av disse parametrene og hvordan disse parametrene kan være nyttige for å håndtere kritisk syke pasienter med et mye bredere omfang enn COVID-19-pasienter.

Nær infrarød spektroskopi (NIRS) har blitt brukt til å vurdere mikrosirkulasjon ikke-invasivt i flere tiår i et bredt spekter av kliniske applikasjoner, inkludert ICU-pasientene 14,15,16,17. Det er viktig å merke seg at den enkleste anvendelsen av NIRS, dvs. kontinuerlig bølge NIRS (CW-NIRS), er implementert i mye brukte og klinisk godkjente enheter^17,18, som brukes til å måle de absolutte konsentrasjonene av oksy- (HbO) og deoksyhemoglobin (HbR) for å beregne oksygenmetningen i blod / vev (StO₂) av mikrovaskulaturen. Selv om disse enhetene har funnet nisjebruk i klinisk ledelse, for eksempel under hjertekirurgi, har de klare begrensninger på grunn av fysikken til fotonutbredelse i vev. Dette betyr at deres nøyaktighet, presisjon og repeterbarhet er tvilsom, derfor brukes de ofte som trendmonitorer^19,20. Videre er resultatene deres sterkt påvirket av overfladiske vev som overliggende fett- og hudlag.

Tidsløst NIRS (TRS) benytter korte laserpulser i picosekundområdet ved flere bølgelengder for å vurdere deres forsinkelse og utvidelse etter traversering gjennom et vev²¹. Dette gjør det mulig for TRS å skille effektene av absorpsjon fra spredning for å oppnå robuste, nøyaktige og presise estimater, og også tillate det å beregne total hemoglobinkonsentrasjon (HbT). Siden TRS også løser banelengder, kan den brukes til å bedre skille overfladiske signaler fra de dype signalene av interesse^18,21. Dette kommer på bekostning av kompleksitet, pris og bulkiness. Men de siste årene har TRS-systemer kommet ned i kompleksitet og kostnad, noe som resulterer i mer tilgjengelige og enklere å bruke enheter. Dette manuskriptet beskriver en enhet som bruker en kompakt OEM-kommersiell TRS-modul^22,23.

Diffus korrelasjonsspektroskopi (DCS) er en annen nær-infrarød teknologi som benytter den tidsmessige statistikken til diffuse flekker for å kvantifisere bevegelsen av lysspredende partikler, som domineres av røde blodlegemer i vev ^16,24. Dette er igjen kjent for å være en indikator på mikrovaskulær blodstrøm, som vi refererer til som blodstrømningsindeksen (BFI)²⁵. Samtidig bruk av TRS og DCS i en hybrid optisk enhet gir innsikt i oksygenmetabolisme ved å benytte vanlige modeller for å utlede den lokale oksygenekstraksjonsfraksjonen og multiplisere med blodstrømmen 15,26,27.

For å vurdere mikrosirkulasjonen på intensivavdelingen brukes NIRS ofte med en vaskulær okklusjonstest (VOT), som er en iskemisk utfordring som utføres ved å blokkere blodtilførselen til den undersøkte perifere muskelen i en viss varighet (noen få minutter)28,29,30,31,32. Vanligvis utføres det ved å blåse opp en turniquet viklet rundt overarmen over det systoliske trykket³³. Under VOT vurderer klinikerne responsen av mikrovaskulær oksygenering av blodet til endringer i blodstrømmen for å utlede oksygenmetabolisme i hvile og reaktiv hyperemi³⁴. Forutsetningen er at under VOT, med mansjetten oppblåst godt over okklusjonstrykket i lemmene, er det ingen innstrømning eller utstrømning av blod. Derfor viser starten av VOT en nedadgående skråning av StO₂, dvs. deoksygenering (DeO₂), da oksygen forbrukes av vevet, noe som tillater et estimat av metabolismen av oksygenforbruk. Når VOT slutter og mansjetten tømmes, strømmer blodet inn for å kompensere for uttømmingen, noe som fører til en hyperemisk respons. Dette rushet genererer en skarp oppadgående skråning i StO_2, dvs. en reoksygenering (ReO₂). Den hyperemiske responsen, som er en økning utover den opprinnelige baseline med en langsom bedring tilbake til baseline, estimerer den reaktive hyperemien. Kombinasjonen av NIRS med en VOT har fått økende interesse for intensivbehandling på grunn av sin brukervennlighet og potensial for å forutsi uønskede utfall og til og med dødelighet i kritiske tilstander som sepsis 35,36,37.

Under COVID-19-pandemien har gruppene våre initiert et verdensomspennende konsortium og nylig fullført den såkalte HEMOCOVID-19-studien, som viser en sammenheng mellom perifere mikrosirkulasjonsendringer og alvorlighetsgraden av akutt lungesviktsyndrom hos COVID-19-pasienter⁶. Dette ble støttet av andre arbeider også ^7,38. Alle disse studiene ble gjort med de ovennevnte CW-NIRS-systemene, og lider dermed av deres mangler. Videre var utførelsen av VOT ikke standardisert på tvers av ulike studier og påvirkes av ulike parametere som okklusjonsvarighet, tourniquettrykk og operatørbaserte variasjoner 29,39,40. En litteraturgjennomgang viser tydelig at for at VOT og NIRS skal få gjennomslag i klinikkene, er det viktig å måle blodstrøm, ha standardiserte protokoller og ha et robust NIRS-system¹¹. Derfor har vi foreslått at ved å bruke en mer avansert form for NIRS (TRS), måle blodstrømmen og standardisere mansjettkontrollen under VOT, kan en bedre diskriminering av patologiske forhold fra friske oppnås. For det formål har vi utviklet denne hybriddiffuse optiske enheten som integrerer flere moduler som omfatter to nær-infrarøde diffuse optiske moduler av TRS og DCS, pulsoksymetri og en automatisert turniquet. Pulsoksymetrimodulen gir hjertefrekvens (HR), perfusjonsindeks og prosentandel av arteriell oksygenmetning (SpO₂). En rask turniquet brukes i enheten, noe som er kritisk for å utføre VOT. Enheten leveres med en valgfri tilbehørsboks som lar oss skaffe ytterligere informasjon under bruk for utvidet og kontinuerlig kvalitetskontroll, for eksempel rutinemessig og praktisk måling av instrumentresponsfunksjonen (IRF) for TRS og måling på et vevslignende fantom for evaluering av langsgående stabilitet. Apparatet er vist som benyttet på intensivavdeling i figur 1.

Figur 1 Sengearrangement av det bærbare apparatet på intensivavdelingen med sonder og mansjett festet til pasienten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Den multimodale smarte sonden inneholder optiske kilde- og detektorfibre for både TRS og DCS med optiske filtre inne i enheten som forhindrer interferens mellom DCS og TRS. Kildedetektorseparasjonen som brukes i dette systemet er 25 mm. I tillegg har sonden en kapasitiv berøringssensor, som gir en verdifull sikkerhetsfunksjon for å forhindre laserfarer i henhold til lasersikkerhetsstandarden (IEC 60601-2-22: 2019) ⁴¹. Lasersikkerhetssystemet i enheten sikrer at laserutslippet bare skjer når sonden er i kontakt med vevet. Hvis det oppdages løsrivelse av sonden, slås laserne umiddelbart av, noe som sikrer sikkerheten til både pasienter og operatører. Videre er sonden integrert med et akselerometer, lastsensor og lyssensor for ytterligere funksjonalitet og datainnsamlingsformål.

Dette papiret beskriver den automatiserte protokollen der vi undersøker brachioradialis muskelen samtidig med en VOT ved hjelp av den utviklede enheten. Protokollens tidslinje er vist i figur 2. Protokollen er fullstendig automatisert, og ingen operatørinngrep er nødvendig under utførelsen. Ved å utnytte egenskapene til denne nye enheten, tar vi sikte på å få verdifull innsikt som lar legene forstå fysiopatologien til perifert oksygenforbruk bedre og også vurdere forholdet mellom oksygenforbruk og levering, og dermed hjelpe dem med å forbedre pasientomsorgen omfattende og effektivt.

Figur 2: Protokollens tidslinje. Pasienten hviler gjennom hele tidslinjen med 0 mmHg trykk ved første baseline og restitusjonsperiode. VOT utføres med en turniquet oppblåst til et trykk på 50 mmHg høyere enn pasientens systoliske blodtrykk. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Protocol

Studien ble godkjent av den lokale etiske komiteen ved Parc Tauli Hospital Universitari. Informert og signert samtykke ble innhentet fra pasient eller pårørende. Absolutte kontraindikasjoner for å gå inn i protokollen var: klinisk mistanke eller ekkografisk bekreftelse på venøs trombose i den studerte armen, andre vaskulære eller traumatiske skader i den studerte armen, hudtap av integritet eller lesjoner som kunne hindre sondens plassering. 1. Selvtest av enheten Slå på enheten. Enheten starter med egenutviklet programvare. Vri sikkerhetstasten til PÅ-posisjon , plasser sonden helt inne i IRF-boksen (Instrument Response Function), og trykk på Reset-knappen på sonden hvis den lyser. Trykk på OK-knappen i popup-dialogboksen og vent til enheten er klar.MERK: Enheten utfører selvtester for å sikre stabil drift. Brukeren blir varslet av en popup-melding når enheten er klar. 2. Valgfri IRF- og fantommåling Trykk på OK når enheten er klar. Trykk Ja når den ber om å måle en IRF. Enheten justerer automatisk laserintensiteten for å nå ønsket tellehastighet på 1 million. Trykk på Stopp-knappen når en stabil tellefrekvens og DTOF observeres. Dette IRF er lagret i filer samt lastet inn i programvaren som skal benyttes for sanntid beregninger. Sett sonden riktig inn i Phantom-boksen slik at indikatoren for sondefestet er på. Trykk på Fantomet-knappen for å starte fantomprotokollen.MERK: Kvalitetskontrolltesten verifiserer at et tilstrekkelig antall fotoner mottas av DCS- og TRS-detektorene, og kontrollerer også om mørketallene er innenfor de ønskede grensene. Fortsett opptaket i minst 30 s etter kvalitetskontrollen for å ha en tilstrekkelig mengde data lagret for videre offline analyse. 3. Forberedelse av måling ved sengekanten Fest tourniquet på overarmen over albuen som gjort under en blodtrykksmåling. Ikke vikle mansjetten løst eller veldig hardt rundt armen.MERK: Løst feste av tourniquet krever mer luft for å nå ønsket trykk. Langsom inflasjon gjør at kroppen kan justere sin fysiologi. Fest pulsoksymeteret til pekefingeren på samme arm. Hvis det ikke er mulig å feste den til pekefingeren, fest den til en hvilken som helst annen finger. Finn brachioradialis muskelen som skal undersøkes, som er i den laterale underarmen like under albuen. Be pasienten om å åpne og lukke en knyttneve for å føle muskelen ved å plassere fingrene på underarmen. Når det gjelder bedøvede pasienter, eller hvis de ikke kan bevege seg, spor muskelen ved å vri armen litt med en hånd. Kjenn muskelen mellom tommelen og fingrene på den andre hånden. Mål armomkretsen rundt den lokaliserte muskelen ved hjelp av et mykt målebånd, som vist i figur 3. Mål den omtrentlige fettvevtykkelsen på toppen av muskelen ved hjelp av en digital kroppsfettkaliper, som vist i figur 4. Fest sondehodet til muskelen med de optiske fibrene og kablene mot hånden, som vist i figur 5.NOTAT: Ikke fest sonden tett; Det kan påvirke vevsfysiologien. Pass på at fibrene ikke berører bevegelige objekter, og det kan skape artefakter i dataene. Dekk sonden med en svart klut for å blokkere det eksterne lyset.MERK: Hvis pasienten er våken, informer ham om at VOT kan forårsake en prikkende følelse, og han skal ikke bevege armen. Figur 3 Måling av armomkretsen rundt brachioradialismuskelen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Figur 4: Måling av fettvevtykkelsen på toppen av muskelen ved hjelp av en kroppsfettkaliper. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Figur 5: Sonde festet til muskelen med fibre og kabler som går mot hånden. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. 4. Innsamling av data Forsikre deg om at den sondefestede LED-indikatoren på enhetens frontpanel skinner og berøringsikonet i programvaren er grønt, noe som viser at sonden er festet. Trykk på knappen Tidsbestemt protokoll . Forsikre deg om at den åpner en ny dialogboks, som vist i figur 6. Skriv inn emne-ID, operatør-ID og måltrykket på 50 mmHg høyere enn det systoliske blodtrykket. Trykk OK for å starte den automatiserte protokollen. Sanntidsdata vises i grafene. Protokollen starter med kvalitetskontroll som automatisk justerer laserkraften og kontrollerer fotonantallet og interferensen mellom modaliteter. Kvalitetskontrollen er fullført innen 2 min. Vær oppmerksom på de sirkulære ikonene merket TRS og DCS, som må bli grønne på slutten av datakvalitetskontrollen.MERK: De grønne ikonene viser at fotontellingshastigheten er innenfor ønsket område, det er ikke noe eksternt lys som kommer inn i sonden, og det er ingen krysstale mellom modaliteter. Derfor kan målingen fortsette. Grafene nullstilles på slutten av kvalitetsfasen, og signaler som representerer pasientdata plottes i sanntid. Fortsett fra trinn 2.6 hvis TRS- og DCS-ikonene ikke blir grønne og forblir røde på slutten av kvalitetskontrollen. Trykk på Stopp-knappen for å avbryte protokollen hvis pasienten er ustabil eller krever plutselig klinisk inngrep når som helst under protokollen. Trykk på Extend-knappen for å legge til 30 s pre-okklusjonsvarighet hvis pasienten beveger armen og ikke har stabile baseline-signaler.MERK: Operatøren kan trykke på Utvid-knappen så mange ganger og i hvilken som helst fase etter behov; Hvert knappetrykk vil legge til 30 s. Sørg for at tourniqueten automatisk blåses opp til ønsket trykk for å starte VOT. Trykk på + eller – knappene for å øke eller redusere ønsket okklusjonstrykk i trinn på 5 mmHg hvis pasientens blodtrykk endres etter at protokollen er startet. Start og stopp av VOT merkes automatisk med gule vertikale linjer.MERK: Programvaren er satt til kontinuerlig å samle inn data og automatisk utføre 3 min VOT etter 3 min av baseline. Den forhåndsdefinerte standardprotokollen varer i seks minutter etter fullføring av VOT for å evaluere utvinningen etter at pasientens hyperemiske respons er over og en stabil tilstand er oppnådd. Trykk OK når operatøren blir varslet om at protokollen er fullført gjennom et popup-varsel, som markerer vellykket gjennomføring av protokollen. Fjern sondene og mansjetten fra pasienten og rengjør dem med en spritserviett eller tilsvarende. Skriv ned den kliniske og demografiske informasjonen (i henhold til de forhåndsdefinerte studieprotokollene) sammen med armens omkrets på sondestedet og tykkelsen på det overliggende fettvevet i pasientdataskjemaet manuelt. Figur 6: Skjermbilde av protokollparametere som brukes til automatisk å utføre hele protokollen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. 5. Dataanalyse Bruk et skript / program skrevet på ens favorittspråk (eksempel Python eller MATLAB) for å åpne og visualisere innspilte binære data. Beregn indeksen for oksygenforbruk som representerer vevsmetabolisme og er definert som:hvor Hb er hematokriten, som registreres fra pasientens kliniske diagrammer i pasientdataskjemaet. Beregn hastigheten på DeO2 (helling av StO2 fra begynnelsen av VOT til 1 min), amplitude av DeO2 (baseline StO2- minimum StO2), hastighet på ReO2 (helling av StO2 fra fullføring av VOT til å nå toppverdi), amplitude av hyperemisk topp av StO2 og BFI (toppverdier) og areal under kurven (AUC) av den reaktive responsen etter VOT for både StO2 og BFI.MERK: Beregningen av absolutte sanntidsverdier av HbO, HbR, HbT og StO2 oppnås ved å tilpasse algoritmen ved å bruke fordelingen av flytidskurver (DTOF) fra TRS for begge bølgelengder. De teoretiske detaljene finnes i Torricelli et al. og Contini et al.18,21. Beregningen av BFI i sanntid oppnås ved tilpasningsalgoritmen ved hjelp av autokorrelasjonskurvene fra DCS. De teoretiske detaljene finnes i Durduran og Yodh16.

Representative Results

De pågående kliniske studiene har brukt enheten i over 300 timer av flere trente brukere for å utføre målinger hos ICU-pasienter og sunne kontroller, utlede klinisk relevante resultater og karakterisere in vivo-ytelsen til systemet i en reell setting. Her demonstrerer vi noen eksempler på tidsspor av dataene fra et enkelt emne som er synlige for brukeren. De foreløpige resultatene av protokollen måles og vises i sanntid, for eksempel HbO, HbR, HbT, StO2, SpO2 og BFI. Ulike avledede parametere, som MRO2, DeO2, ReO2 og AUC, er beskrevet. Figur 7 viser enhetsmonitoren i trinn 3.3, som viser datakvaliteten, der laserkrefter justeres, fotonantall og krysstale mellom modaliteter testes automatisk. Enhetsmonitoren viser to intensitets autokorrelasjonskurver (g2) ettersom enheten har to DCS-detektorfibre koblet til enkeltfotontellingsmoduler og DTOF for begge bølgelengder av TRS-enheten. Bølgelengden til laseren som brukes til DCS er 785 nm, mens OEM TRS-modulen skinner lasere ved 685 nm og 830 nm. Autokorrelasjonskurvene i den øverste grafen ser ut til å være støyende ved lavere lagtider. Dette kan delvis skyldes lav lysintensitet i dette spesifikke eksemplet. Økt lysintensitet og uavhengige/parallelle deteksjonsfibre har blitt anbefalt for å øke signal-støy-forholdet for DCS 42,43. Derfor planlegges et gjennomsnitt av to DCS-kanaler for å redusere effekten av støy og deretter beregne en bedre BFI. Figur 7: Skjermbilde av programvaremodus for enhetsovervåking under fasen for datakvalitetskontroll. Det øverste plottet viser autokorrelasjonskurvene fra to DCS-kanaler. Det midterste plottet viser DTOF for TRS-bølgelengder. Det nederste plottet viser fotonantallet for både DCS og TRS. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Den første basisperioden med klinisk monitor, vist i figur 8, har grønne ikoner for DCS og TRS, noe som indikerer suksessen til kvalitetstester. De viste signalene ser veldig stabile ut, og derfor var ikke Utvid-funksjonen, beskrevet i trinn 3.5, nødvendig i dette tilfellet. Hvis den opprinnelige grunnlinjen vises som vist i figur 9, er det nødvendig å bruke utvidelsesfunksjonen. Denne funksjonen utvider baseline-innhenting for å oppnå 3 minutter med stabile data, som kan brukes til å beregne de nøyaktige grunnlinjeverdiene for alle parametere. Figur 8: Skjermbilde av klinisk monitormodus for programvare under den innledende baselinefasen som viser stabile baselinesignaler. Det øverste plottet viser absoluttverdien av hemodynamiske parametere målt ved TRS, midtplottet viser oksygenmetningssignalene og pulsverdien målt med TRS og pulsoksymeter, og det nederste plottet viser BFI målt med DCS. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Figur 9: Skjermbilde som viser pigger i signalene på grunn av sondens bevegelse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Starten og slutten av mansjetten okklusjon delen er merket med gule vertikale linjer, som vist i figur 10. Pulsformen og SpO2-verdiene har ingen klinisk/fysiologisk betydning i denne fasen siden fingeren fra samme arm som okklusjoneres brukes til pulsoksymetri. Dette indikeres av det røde OXY-ikonet som uttrykker upålitelige data fra pulsoksymeteret. For å omgå denne situasjonen kunne vi feste pulsoksymeteret til pasientens upåvirkede hånd, som ikke utsettes for tourniquet og forblir uhindret. Imidlertid ønsker vi å oppnå perfusjonsindeksen til den probedarmen ved hjelp av pulsoksymeteret for de første baseline og siste gjenopprettingsfasene for å analysere effekten av VOT. Derfor har vi valgt å bruke pulsoksymeteret på samme arm som turniqueten. Figur 10: Programvareskjermbilde som viser gule vertikale linjer som markerer start- og sluttmomentene for VOT. SpO2 – og pulsverdiene er ubetydelige ettersom blodstrømmen er begrenset. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Figur 11 viser hele protokolltidslinjen som angitt i trinn 3.6, inkludert den endelige restitusjonsfasen, som illustrerer den hyperemiske responsen og tilbakeføringen av kliniske parametere til de opprinnelige utgangsverdiene. Den øverste grafen i figur 11 viser de absolutte hemodynamiske parametrene. Starten av VOT markerer en fallende trend i HbO og en stigende trend i HbR ettersom både innstrømning og utstrømning av blod blokkeres av mansjettaokklusjonen. Trenden snur på tidspunktet for fullføring av VOT, går utover de opprinnelige grunnlinjeverdiene og går tilbake til grunnlinjeverdiene i restitusjonsfasen. De midterste og nederste grafene viser at BFI-signalet er litt mer støyende enn StO2. Dette skyldes iboende det faktum at DCS har en tendens til å ha et høyere kontrast-til-støy-forhold, noe som fremgår av den store hyperemiske responsen i BFI42,44. Ved å bruke det rike datasettet fra denne nye enheten, har svingningene i BFI blitt brukt som potensielle biomarkører for å diagnostisere septikpasienter45. Figur 11: Skjermbilde av den kliniske monitoren som viser signalene gjennom hele protokollens tidslinje. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren. Med denne protokollen kan oksygenet som brukes av muskelen overvåkes isolert under VOT. Hellingen av DeO2 under den iskemiske utfordringen indikerer hvordan vevet forbruker oksygen. Den tidlige reduksjonen av StO2 under VOT gjenspeiler oksygenforbruket for vevet. Den hyperemiske toppen og påfølgende henfallstrender i StO2 og BFI er direkte forbundet med hyperemisk og mikrovaskulær reaktivitet. Bortsett fra disse åpenbare resultatene, kan vi bruke flere potensielle biomarkører for å klassifisere en bestemt gruppe ICU-pasienter. De eksisterende biomarkørene er deoksygeneringshastighet, minimumsverdi av StO2 under VOT, reoksygeneringshastighet, hyperemisk toppverdi og areal under kurven for både StO2 og BFI. Disse biomarkørene kan brukes til å identifisere pasientpopulasjoner og alvorlighetsgraden av sykdommene deres. Resultatene fra et eksempeldatasett fra en pasient er vist i figur 12. Begrepet “DATA QC” betegner den første kvalitetskontrollen, som ikke gjelder pasientdata. Derfor vises det ikke i representasjonen. Gjennomsnittsverdiene for StO2, BFI og MRO2 for basisperioden er beregnet for sammenligning med faser av VOT og post-VOT recovery. Resultatene oppnådd under denne protokollen kan være forskjellige fra dataene fra dette eksemplet. Grunnlinjeverdiene for alle parametere kan være høyere eller lavere, og frekvensen av DeO2 kan være raskere eller langsommere. Den hyperemiske responsen kan ha en høyere eller lavere rate av ReO2 og toppverdier, eller det kan være fravær av topp. Gjenopprettingsfasen kan vise en raskere eller langsommere normalisering av verdier. Disse variasjonene er representative for pasientens tilstand som lider av et bestemt eller sett av sykdommer. Figur 12: Sammendrag av resultater kompilert offline. Den svartstiplede linjen markerer starten på tre minutter av basisperioden, mens den rødstiplede linjen markerer hendelsene med oppblåsing og deflatering. Den øverste grafen viser StO2-signalet med markerte regioner for beregning av DeO2 og ReO2. Det midterste plottet viser BFI mens det nederste plottet viser turnikétrykket. Utgangsverdiene og AUC vises i blått i sine respektive faser. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Vi har demonstrert en fullt automatisert, robust, ikke-invasiv enhet for kontinuerlig måling og overvåking av skjelettmuskulatur ved hjelp av hybrid diffus optikk for evaluering av mikrovaskulær oksygenering, blodperfusjon og reaktiv hyperemi. Ved å bruke denne protokollen med VASCOVID-enhet kan vi samtidig måle absolutte hemodynamiske parametere for HbO, HbR og HbT; oksygenmetning fra StO₂ og SpO₂; DeO₂ og ReO₂; og BFI. Den viste sanntids StO2 og BFI er hentet fra rådataene fra forrige sekund fra henholdsvis TRS- og DCS-modulene. Monteringsprosedyren er ikke tidkrevende, siden moderne prosessorer bruker standardmodeller av et halvuendelig, homogent medium. De oppnådde parametrene maler ikke det komplette bildet av endotelfunksjonen. Målt reaktiv hyperemi har imidlertid vist prognostisk verdi ved flere akutte tilstander der endotelutfallet spiller en stor rolle, som septisk sjokk eller covid-19. ^6,28 Protokollen inneholder også en automatisert kvalitetskontroll som registrerer enhetsparametrene, som er nyttige for en forskningsprotokoll i tilfelle en uforklarlig anomali oppdages senere i pasientens data.

Kvantifiseringen av det overliggende fettlaget og armomkretsen er viktig ved måling av brachioradialismuskelen i denne protokollen, siden fotonene primært passerer gjennom det overliggende vevet når de injiseres og når de påvises. Det er velkjent innen diffus optikk at det er en assosiert partiell volumeffekt. Derfor bør den overfladiske informasjonen registreres og brukes når dataene analyseres for å ta hensyn til effekten av variasjoner i fettvev^46,47. Dette forsterkes ytterligere i disse pasientpopulasjonene av interesse, siden det er vanlig hos ICU-pasienter å utvikle ødem der lemmer er hovne når vann er fanget på grunn av immobilisering og andre årsaker⁴⁸. Hos slike pasienter kan variasjonen i omkrets under intensivopphold gi informasjon om alvorlighetsgraden av ødem. Banen til lyskilden som når detektorene, må passere gjennom alle overfladiske lag.

Mansjetten skal være komfortabelt viklet rundt armen, slik at den sitter tett. Det er imidlertid viktig å unngå overdreven tetthet som kan utøve overdreven press på armen utelukkende gjennom å pakke mansjetten⁴⁹. Målet er å oppnå en sikker og komfortabel passform uten å forårsake unødvendig komprimering, noe som kan endre baseline hemodynamiske parametere. Hvis den komprimerer armen, vil datakvaliteten bli kompromittert for hele protokollen, og det utøvde trykket vil effektivt bli lagt til måltrykket til VOT. I tilfelle mansjetten er løst viklet til armen, vil det være nødvendig med mer luft for å nå måltrykket, og dermed vil det bli tatt mer tid. Dette kan gi tid til vev for å justere fysiologien ettersom oksygenforsyningen reduseres sakte, noe som bør unngås⁵⁰.

Det er viktig å feste den smarte sonden på en måte som opprettholder riktig kontakt uten å utøve overdreven press på vevet. Dette muliggjør pålitelige målinger samtidig som man unngår risikoen for lokal iskemi. Lokal iskemi oppstår når blodstrømmen til området er begrenset, noe som fører til kompromittert sirkulasjon og potensielt ødelegger målingene⁵¹.

Den kapasitive berøringssensoren på sonden brukes av lasersikkerhetssystemet for å sikre at laseren bare skinner når sonden er festet til vevet. Hvis pasienten har høy hårtetthet på armen, kan følsomheten til berøringssensoren bli kompromittert. Påføring av et tynt gjennomsiktig dobbeltbånd på sensorsiden av sonden kan effektivt redusere problemet med berøringssensoren. Når sonden er festet til den hårete armen sammen med denne tapen, gir den et pålitelig og stabilt berøringssignal. Forhåndsdefinerte kutt av denne tapen er tilgjengelig for den smarte sonden med separasjon mellom lyskilder og detektorer. Separasjonen er viktig for å forhindre dannelse av en direkte lyskanal mellom kilde- og detektorvinduer, noe som kan påvirke kvaliteten på målingene. Bruken av gjennomsiktig dobbelttape fungerer som en praktisk løsning for å forbedre påliteligheten av berøringsregistrering under disse omstendighetene. Hvis berøringssensoren går tapt under protokollen, slår den av laserne og målingen går tapt. Sonden har også en lastsensor som i fremtiden kan brukes som et reservesikkerhetstiltak.

Hvis pasienten beveger armen eller et lite klinisk inngrep forstyrrer stabiliteten til oppnådde signaler i baselinefasen, noe som resulterer i skarpe topper, anbefales det å bruke utvidelsesfunksjonen. Denne funksjonen gjør det mulig å oppnå en stabil grunnlinje i tre minutter, noe som sikrer konsekvent og pålitelig signalmåling.

Det er viktig å vurdere at pasientens blodtrykk kan gjennomgå betydelige endringer etter at protokollen er initiert, noe som kan påvirke evnen til å nå måltrykket på 50 mmHg høyere enn det systoliske blodtrykket for VOT. Disse svingningene i blodtrykket kan påvirkes av ulike faktorer, for eksempel pasientens fysiologiske respons, medisineringseffekter eller andre kliniske tilstander⁵². Derfor bør måltrykket justeres ved å trykke på “+” eller “-” knappene om nødvendig for å sikre konsekvent administrering av VOT.

Den typiske utførelsen av VOT har begrensninger på grunn av operatørvariabilitet, noe som adresseres i denne protokollen ved å ha en automatisk VOT. Vi bruker strategien for å sette okklusjonstrykket på 50 mmHg over det systoliske blodtrykksnivået. Denne metoden stopper blodstrømmen og har blitt rapportert i tidligere studier for å utføre VOT^53,54. Det individualiserte måltrykket for VOT i denne protokollen bidrar til å unngå vasokonstriksjon som kan skje ved å fikse et generelt måltrykk for VOT. Smerter forårsaket av unødvendig høyt trykk kan påvirke målingen og forårsake vasokonstriksjon, for eksempel hos en pasient med systolisk trykk på 120 mmHg og måltrykk på 200 mmHg eller 250 mmHg²⁹. Vi bemerker at pasienter innlagt på intensivavdeling har økt risiko for trombose, først og fremst på grunn av faktorer som langvarig immobilitet og sedasjon⁵⁵. Dette innebærer at for å unngå risiko, kan denne protokollen ikke brukes til pasienter som lider av trombose eller tromboflebitt.

Anvendelsen av denne protokollen kan være nyttig i ICU-populasjonen hvor nedsatt reaktiv hyperemi er et vanlig trekk og kan bidra til mikrovaskulære abnormiteter ^3,56. Parametrene som er oppnådd i denne protokollen, uten operatørintervensjoner under målingen, har tidligere blitt brukt i litteraturen enkeltvis eller i en liten kombinasjon for sepsis, kreft, hjerneslag etc. for å skille patologiske tilstander 1,11,15,31. Derfor tror vi at kombinasjonen av disse relevante parametrene er gunstig for flere kliniske applikasjoner. Dataene som registreres av denne protokollen, kan bidra til å velge passende terapeutiske strategier for å forbedre vaskulær helse⁵⁷. Den verdifulle innsikten i oksygenering av vev og blodstrømsdynamikk under okklusjon og reperfusjon tillater oss å vurdere tilstrekkelig blodtilførsel til vitale organer. Det kan hjelpe til med å identifisere vevshypoksi og veilede inngrep for å optimalisere organperfusjon⁵⁸. Ved å bruke sanntidsinformasjon om mikrovaskulær oksygenering og reaktiv hyperemi, hjelper den som et ekstra verktøy for å veilede hemodynamisk styring, væskegjenoppliving og vasopressorterapi^59,60. Dette sikrer at intervensjoner skreddersys til individuelle pasientbehov, og optimaliserer oksygenering av vev og perfusjon^61,62. Videre, hos mekanisk ventilerte pasienter, kan utviklende endringer i mikrovaskulær oksygenering og blodstrøm i en spontan pusteprøve være av største betydning når man evaluerer kardiovaskulær toleranse for å møte og overvinne den økte metabolske byrden som er avledet av arbeidet med å puste uten hjelp². En daglig kritisk og utfordrende beslutning for intensivpasientene om respiratorbehandling er avvenningsprosessen, som avsluttes når pasienten anses å være i stand til å puste selv, og endotrakealrøret fjernes. Den langsgående anvendelsen av denne protokollen kan brukes til å evaluere effektiviteten av intervensjoner, spore sykdomsprogresjon og veilede behandlingsstrategier.

Materials

Alcohol swabs	No specific	N/A	For cleaning the probes and cuff after measurement
Black cloth	No specific	N/A	For blocking ambient light
Blood pressure monitor	OMRON	N/A	Hopital ICU equipment or off the shelf product
Body fat Calliper	Healifty	3257040-6108-1618385551	For measuring the fat layer
Examination gloves	No specific	N/A	To be used for interacting with patients
Kintex tape	No specific	N/A	For attaching the probe on arm
Koban wrap	No specific	N/A	For attaching the probe on arm
Measuring tape	YDM Industries	25-SB-30-150V3-19-1	For measuring the arm circumference
Scissors	No specific	N/A	for cutting tapes
VASCOVID precommercial prototype	VASCOVID consortium	N/A	Integrated at ICFO