Ikke-invasiv overvågning af mikrovaskulær iltning og reaktiv hyperæmi ved hjælp af hybrid, nær-infrarød diffus optisk spektroskopi til kritisk pleje

Summary

Vi beskriver en protokol til ikke-invasivt og kontinuerligt at måle absolut mikrovaskulært blodgennemstrømningsindeks og iltmætning i blodet ved hjælp af en multimodal enhed baseret på nær-infrarød diffus optik. Vi evaluerer derefter den metaboliske hastighed af iltforbrug og reaktiv hyperæmi ved hjælp af en vaskulær okklusionstest.

Abstract

Påvisning af niveauer af svækkelse i mikrovaskulært iltforbrug og reaktiv hyperæmi er afgørende i kritisk pleje. Der er imidlertid ingen praktiske midler til en solid og kvantitativ evaluering. Dette papir beskriver en protokol til evaluering af disse forringelser ved hjælp af en hybrid nær-infrarød diffus optisk enhed. Enheden indeholder moduler til nær-infrarød tidsopløst og diffus korrelationsspektroskopi og pulsoximetri. Disse moduler tillader ikke-invasiv, kontinuerlig og realtidsmåling af den absolutte, mikrovaskulære blod / væv iltmætning (StO₂) og blodgennemstrømningsindekset (BFI) sammen med den perifere arterielle iltmætning (SpO₂). Denne enhed bruger et integreret, computerstyret tourniquet-system til at udføre en standardiseret protokol med optisk dataindsamling fra brachioradialis-musklen. Den standardiserede vaskulære okklusionstest (VOT) tager sig af variationerne i okklusionsvarigheden og trykket, der er rapporteret i litteraturen, mens automatiseringen minimerer forskelle mellem operatører. Den protokol, vi beskriver, fokuserer på en 3-minutters okklusionsperiode, men detaljerne beskrevet i dette papir kan let tilpasses andre varigheder og manchettryk såvel som andre muskler. Medtagelsen af en udvidet baseline- og postokklusionsmåling af restitutionsperioden gør det muligt at kvantificere baselineværdierne for alle parametrene og den blod-/vævsdeoxygeneringshastighed, der svarer til iltforbrugets metaboliske hastighed. Når manchetten er frigivet, karakteriserer vi vævets reoxygeneringshastighed, størrelse og varighed af det hyperemiske respons i BFI og StO₂. Disse sidstnævnte parametre svarer til kvantificeringen af den reaktive hyperæmi, som giver information om endotelfunktionen. Desuden giver de ovennævnte målinger af den absolutte koncentration af iltet og deoxygeneret hæmoglobin, BFI, den afledte metaboliske hastighed for iltforbrug, StO₂ og SpO₂ et endnu ikke udforsket rigt datasæt, der kan udvise sygdommens sværhedsgrad, personlig terapi og ledelsesinterventioner.

Introduction

Kritisk syge patienter, især dem med sepsis og andre lignende tilstande, udviser ofte nedsat reaktiv hyperæmi og mikrovaskulær iltning ^1,2,3. Under de første bølger af COVID-19-pandemien krævede et uforudset antal patienter intensivbehandling, hvor virusets indvirkning på endotelet blev tydelig, men uden en klar strategi for at vurdere og håndtere ^4,5,6. Som følge heraf har der været en voksende anerkendelse af vigtigheden af at detektere endoteldysfunktion, som indirekte kan evalueres ved reaktiv hyperæmi, i kritisk pleje, dvs. intensivafdelingen (ICU) populationer⁷. En praktisk, robust og bredt tilgængelig vurdering af ilttilførsel og forbrug til vævene forventes at være af største betydning for optimering af genoplivningsstrategier og direkte adressering af mikrocirkulationsproblemer. Undersøgelser har konsekvent vist, at vedvarende mikrocirkulatoriske ændringer og manglende sammenhæng mellem makrocirkulation og mikrocirkulation til en vis grad forudsiger organsvigt og ugunstige resultater hos patienter, der er ramt af septisk chok eller hæmoragisk shock, blandt andre kritiske tilstande, selv når systemiske parametre anses for at være normale ^8,9,10. Det er blevet klart, at det er utilstrækkeligt udelukkende at stole på makrocirkulatoriske parametre, da mikrocirkulation spiller en kritisk rolle i vævets iltning og organfunktion 11,12,13. Dette papir beskriver en protokol, der bruger en ny multimodal enhed baseret på nær-infrarøde diffuse optiske teknologier, der er udviklet inden for et internationalt konsortium, der fokuserer på ICU-patienter. Projektet, VASCOVID (https://vascovid.eu), var motiveret af COVID-19-pandemien til at evaluere mikrovaskulær sundhed i perifere muskler i intensiv pleje. Vi har designet en protokol ved hjælp af den udviklede VASCOVID-enhed, der har til formål at forbedre vores forståelse af disse parametre, og hvordan disse parametre kan være nyttige til håndtering af kritisk syge patienter med et meget bredere omfang end COVID-19-patienter.

Nærinfrarød spektroskopi (NIRS) er blevet brugt til at vurdere mikrocirkulation ikke-invasivt i årtier i en bred vifte af kliniske applikationer, herunder ICU-patienterne 14,15,16,17. Det er vigtigt at bemærke, at den enkleste anvendelse af NIRS, dvs. kontinuerlig bølge NIRS (CW-NIRS), implementeres i almindeligt anvendt og klinisk godkendt udstyr^17,18, der anvendes til måling af de absolutte koncentrationer af oxy- (HbO) og deoxy-hæmoglobin (HbR) til beregning af blodets / vævets iltmætning (StO₂) af mikrovaskulaturen. Mens disse enheder har fundet nicheanvendelser i klinisk styring, såsom under hjertekirurgi, har de klare begrænsninger på grund af fysikken bag fotonudbredelse i væv. Dette betyder, at deres nøjagtighed, præcision og repeterbarhed er tvivlsom, derfor bruges de ofte som trendmonitorer^19,20. Desuden er deres resultater stærkt påvirket af overfladiske væv såsom overlejring af fedt- og hudlag.

Tidsopløst NIRS (TRS) anvender korte laserimpulser i picosekundområdet ved flere bølgelængder for at vurdere deres forsinkelse og udvidelse efter at have krydset gennem et væv²¹. Dette gør det muligt for TRS at adskille virkningerne af absorption fra spredning for at opnå robuste, nøjagtige og præcise estimater, hvilket også gør det muligt at beregne den samlede hæmoglobinkoncentration (HbT). Da TRS også løser stilængder, kan den bruges til bedre at adskille overfladiske signaler fra de dybe signaler af interesse^18,21. Dette kommer på bekostning af kompleksitet, pris og bulkiness. I de senere år er TRS-systemer imidlertid faldet i kompleksitet og omkostninger, hvilket resulterer i mere tilgængelige og lettere at bruge enheder. Dette manuskript beskriver en enhed, der bruger et kompakt originalt udstyrsproducent (OEM) kommercielt ^{TRS-modul 22,23}.

Diffus korrelationsspektroskopi (DCS) er en anden nær-infrarød teknologi, der udnytter den tidsmæssige statistik over diffuse pletter til at kvantificere bevægelsen af lysspredningspartikler, som domineres af røde blodlegemer i væv ^16,24. Dette er igen velkendt for at være en indikator for mikrovaskulær blodgennemstrømning, som vi kalder blodgennemstrømningsindekset (BFI)²⁵. Samtidig brug af TRS og DCS i en hybrid optisk enhed giver indsigt i iltmetabolisme ved at bruge almindelige modeller til at udlede den lokale iltekstraktionsfraktion og gange med blodgennemstrømningen 15,26,27.

For at vurdere mikrocirkulationen på ICU bruges NIRS ofte med en vaskulær okklusionstest (VOT), som er en iskæmisk udfordring, der udføres ved at blokere blodtilførslen til den undersøgte perifere muskel i en vis varighed (et par minutter)28,29,30,31,32. Mest almindeligt udføres det ved at oppuste en tourniquet viklet rundt om overarmen over det systoliske tryk³³. Under VOT vurderer klinikerne responsen af den mikrovaskulære blodiltning på ændringer i blodgennemstrømningen for at udlede iltmetabolisme i hvile og reaktiv hyperæmi³⁴. Antagelsen er, at der under VOT, med manchetten oppustet godt over lemmernes okklusionstryk, ikke er nogen tilstrømning eller udstrømning af blod. Derfor viser starten af VOT en nedadgående hældning af_StO2, dvs. deoxygenering (_DeO2), da ilt forbruges af vævet, hvilket muliggør et skøn over den metaboliske hastighed af iltforbrug. Når VOT slutter, og manchetten tømmes, strømmer blod ind for at kompensere for dens udtømning, hvilket fører til et hyperemisk respons. Dette rush genererer en skarp opadgående hældning i StO_2, dvs. en reoxygenering (ReO₂). Det hyperemiske respons, som er en stigning ud over den oprindelige baseline med en langsom genopretning tilbage til baseline, estimerer den reaktive hyperæmi. Kombinationen af NIRS med en VOT har fået stigende interesse for intensiv pleje på grund af dets brugervenlighed og potentiale til at forudsige negative resultater og endda dødelighed under kritiske tilstande som sepsis 35,36,37.

Under COVID-19-pandemien har vores grupper startet et verdensomspændende konsortium og for nylig afsluttet det såkaldte HEMOCOVID-19-forsøg, der viser en sammenhæng mellem perifere mikrocirkulatoriske ændringer og sværhedsgraden af akut respiratorisk distress syndrom hos COVID-19-patienter⁶. Dette blev også understøttet af andre værker ^7,38. Alle disse undersøgelser blev udført med de ovennævnte CW-NIRS-systemer og led derfor af deres mangler. Desuden blev udførelsen af VOT ikke standardiseret på tværs af forskellige undersøgelser og påvirkes af forskellige parametre som okklusionsvarighed, turneringstryk og operatørbaserede variationer 29,39,40. En litteraturgennemgang viser tydeligt, at for at VOT og NIRS kan få trækkraft i klinikkerne, er det vigtigt at måle blodgennemstrømningen, have standardiserede protokoller og have et robust NIRS-system¹¹. Derfor har vi foreslået, at ved at bruge en mere avanceret form for NIRS (TRS), måle blodgennemstrømning og standardisere manchetkontrollen under VOT, kunne der opnås en bedre diskrimination af patologiske tilstande fra sunde. Til dette formål har vi udviklet denne hybrid diffuse optiske enhed, der integrerer flere moduler, der omfatter to nær-infrarøde diffuse optiske moduler af TRS og DCS, pulsoximetri og en automatiseret tourniquet. Pulsoximetrimodulet giver puls (HR), perfusionsindeks og procentdel af arteriel iltmætning (SpO₂). En hurtig turnering bruges i enheden, hvilket er kritisk for at udføre VOT. Enheden leveres med en valgfri tilbehørsboks, der giver os mulighed for at erhverve yderligere oplysninger under brugen til udvidet og kontinuerlig kvalitetskontrol, såsom rutinemæssig og praktisk måling af instrumentresponsfunktionen (IRF) til TRS og måling på et vævsefterlignende fantom, til evaluering af langsgående stabilitet. Enheden er vist som brugt i ICU i figur 1.

Figur 1: Sengearrangement af den bærbare enhed på intensivafdelingen med sonder og manchet fastgjort til patienten. Klik her for at se en større version af denne figur.

Den multimodale smarte sonde inkorporerer kilde- og detektoroptiske fibre til både TRS og DCS med optiske filtre inde i enheden, der forhindrer interferens mellem DCS og TRS. Kildedetektoradskillelsen, der anvendes i dette system, er 25 mm. Derudover indeholder sonden en kapacitiv berøringssensor, der giver en værdifuld sikkerhedsfunktion til forebyggelse af laserfarer i henhold til lasersikkerhedsstandarden (IEC 60601-2-22:2019)⁴¹. Lasersikkerhedssystemet i enheden sikrer, at laserudsendelsen kun sker, når sonden er i kontakt med vævet. Hvis sonden frigøres, slukkes laserne straks, hvilket sikrer sikkerheden for både patienter og operatører. Desuden er sonden integreret med et accelerometer, belastningssensor og lyssensor til yderligere funktionalitet og dataindsamlingsformål.

Dette papir beskriver den automatiserede protokol, hvor vi sonderer brachioradialis-musklen samtidigt med en VOT ved hjælp af den udviklede enhed. Protokollens tidslinje er vist i figur 2. Protokollen er fuldstændig automatiseret, og der er ikke behov for operatørinterventioner under hele udførelsen. Ved at udnytte mulighederne i denne nye enhed sigter vi mod at få værdifuld indsigt, der lader lægerne forstå fysiopatologien ved perifert iltforbrug bedre og også vurdere forholdet mellem iltforbrug og levering og derved hjælpe dem med at forbedre patientplejen omfattende og effektivt.

Figur 2: Tidslinje for protokollen. Patienten er i ro gennem hele tidslinjen med 0 mmHg tryk ved indledende baseline og restitutionsperiode. VOT udføres med en tourniquet oppustet til et tryk på 50 mmHg højere end patientens systoliske blodtryk. Klik her for at se en større version af denne figur.

Protocol

Undersøgelsen blev godkendt af den lokale etiske komité på Parc Tauli Hospital Universitari. Der blev indhentet informeret og underskrevet samtykke fra patienterne eller deres pårørende. Absolutte kontraindikationer for indtastning af protokollen var: klinisk mistanke eller ekkografisk bekræftelse af venøs trombose i den undersøgte arm, andre vaskulære eller traumatiske skader i den undersøgte arm, hudtab af integritet eller læsioner, der kunne hindre sondeplaceringen. 1. Selvtest af enhed Tænd for enheden. Enheden starter med internt udviklet software. Drej sikkerhedstasten til positionen ON , placer sonden helt inde i IRF-boksen (Instrument Response Function), og tryk på knappen Nulstil på sonden, hvis den lyser. Tryk på OK-knappen i pop op-dialogboksen, og vent, indtil enheden er klar.BEMÆRK: Enheden udfører selvtest for at sikre stabilt arbejde. Brugeren får besked med en popup-meddelelse, når enheden er klar. 2. Valgfri IRF- og fantommåling Tryk på OK , når enheden er klar. Tryk på Ja , når den bliver bedt om at måle en IRF. Enheden justerer automatisk laserintensiteten for at nå den ønskede tællehastighed på 1 million. Tryk på knappen Stop , når der observeres en stabil tællehastighed og DTOF. Denne IRF gemmes i filer såvel som indlæst i softwaren, der skal bruges til realtidsberegninger. Indsæt sonden korrekt i fantomboksen, så indikatoren for sondefastgørelse er tændt. Tryk på knappen Fantombillede for at starte fantomprotokollen.BEMÆRK: Kvalitetskontroltesten verificerer, at et tilstrækkeligt antal fotoner modtages af DCS- og TRS-detektorerne og kontrollerer også, om mørketællingerne ligger inden for de ønskede grænser. Fortsæt med at registrere i mindst 30 sekunder efter kvalitetskontrol for at få en tilstrækkelig mængde data gemt til yderligere offline analyse. 3. Forberedelse af måling ved sengen Fastgør turneringen på overarmen over albuen som gjort under en blodtryksmåling. Sæt ikke manchetten løst eller meget tæt rundt om armen.BEMÆRK: Løs fastgørelse af turneringen kræver mere luft for at nå det ønskede tryk. Langsom inflation gør det muligt for kroppen at justere sin fysiologi. Fastgør pulsoximeteret til pegefingeren på den samme arm. Hvis det ikke er muligt at fastgøre til pegefingeren, skal du fastgøre den til en anden finger. Find brachioradialis muskel, der skal undersøges, som er i den laterale underarm lige under albuen. Bed patienten om at åbne og lukke en knytnæve for at føle musklen ved at placere fingrene på underarmen. I tilfælde af bedøvede patienter, eller hvis de ikke kan bevæge sig, skal du spore musklen ved let at dreje armen med den ene hånd. Mærk musklen mellem tommelfingeren og fingrene på den anden hånd. Mål armomkredsen omkring den lokaliserede muskel ved hjælp af et blødt målebånd, som vist i figur 3. Mål den omtrentlige fedtvævstykkelse på toppen af musklen ved hjælp af en digital kropsfedttykkelse, som vist i figur 4. Fastgør sondehovedet til musklen med de optiske fibre og kabler, der går mod hånden, som vist i figur 5.BEMÆRK: Fastgør ikke sonden tæt; Det kan påvirke vævsfysiologien. Sørg for, at fibrene ikke berører bevægelige objekter, og det kan skabe artefakter i dataene. Dæk sonden med en sort klud for at blokere det eksterne lys.BEMÆRK: Hvis patienten er vågen, skal du informere ham om, at VOT kan forårsage en prikkende fornemmelse, og han bør ikke bevæge armen. Figur 3: Måling af armomkredsen omkring brachioradialis-musklen. Klik her for at se en større version af denne figur. Figur 4: Måling af fedtvævets tykkelse oven på musklen ved hjælp af en kropsfedttykkelse. Klik her for at se en større version af denne figur. Figur 5: Sonde fastgjort til musklen med fibre og kabler, der går mod hånden. Klik her for at se en større version af denne figur. 4. Dataindsamling Sørg for, at den sondemonterede LED-indikator på enhedens frontpanel lyser, og at berøringsikonet i softwaren er grønt, hvilket viser, at sonden er fastgjort. Tryk på knappen Protokol timet . Sørg for, at der åbnes en ny dialogboks, som vist i figur 6. Indtast emne-id, operatør-id og måltrykket på 50 mmHg højere end det systoliske blodtryk. Tryk på OK for at starte den automatiske protokol. Realtidsdata vises i graferne. Protokollen starter med kvalitetskontrol, der automatisk justerer lasereffekten og kontrollerer fotontællingerne og interferensen mellem modaliteter. Kvalitetskontrollen afsluttes inden for 2 min. Overhold de cirkulære ikoner mærket TRS og DCS, som skal blive grønne i slutningen af datakvalitetskontrollen.BEMÆRK: De grønne ikoner viser, at fotontællingshastigheden er inden for det ønskede område, der kommer ikke noget eksternt lys ind i sonden, og der er ingen krydstale mellem modaliteter. Derfor kan målingen fortsættes. Graferne nulstilles i slutningen af kvalitetsfasen, og signaler, der repræsenterer patientdata, plottes i realtid. Fortsæt fra trin 2.6, hvis TRS- og DCS-ikonerne ikke bliver grønne og forbliver røde ved afslutningen af kvalitetskontrollen. Tryk på knappen Stop for at afbryde protokollen, hvis patienten er ustabil eller kræver pludselig klinisk indgriben på et hvilket som helst tidspunkt under protokollen. Tryk på knappen Udvid for at tilføje 30 sekunders præokklusionsvarighed, hvis patienten bevæger armen og ikke har stabile baselinesignaler.BEMÆRK: Operatøren kan trykke på knappen Udvid så mange gange og i enhver fase som nødvendigt; Hvert tryk på knappen tilføjer 30 s. Sørg for, at turneringen automatisk pustes op til det ønskede tryk for at starte VOT. Tryk på + eller – knapperne for at øge eller mindske det ønskede okklusionstryk i trin på 5 mmHg, hvis patientens blodtryk ændres efter start af protokollen. Start og stop af VOT markeres automatisk med gule lodrette linjer.BEMÆRK: Softwaren er indstillet til løbende at hente data og automatisk udføre 3 minutters VOT efter 3 minutters baseline. Den foruddefinerede standardprotokol varer i yderligere seks minutter efter afslutningen af VOT for at evaluere genopretningen, efter at patientens hyperemiske respons er overstået, og der opnås en stabil tilstand. Tryk på OK , når operatøren får besked ved afslutningen af protokollen via en popup-meddelelse, der markerer den vellykkede fuldførelse af protokollen. Fjern sonderne og manchetten fra patienten og rengør dem ved hjælp af en alkoholserviet eller tilsvarende. Skriv de kliniske og demografiske oplysninger ned (i henhold til de foruddefinerede undersøgelsesprotokoller) sammen med armens omkreds ved sondens placering og tykkelsen af det overliggende fedtvæv i patientdataformularen manuelt. Figur 6: Skærmbillede af protokolparametre, der bruges til automatisk udførelse af hele protokollen. Klik her for at se en større version af denne figur. 5. Analyse af data Brug et script / program skrevet på ens yndlingssprog (eksempel Python eller MATLAB) til at åbne og visualisere registrerede binære data. Beregn indekset for iltforbrug, der repræsenterer vævsmetabolisme og defineres som:hvor Hb er hæmatokrit, som registreres fra patientens kliniske diagrammer i patientdataformularen. Beregn hastigheden for DeO2 (hældning af StO2 fra begyndelsen af VOT til 1 min), amplitude af DeO2 (baseline StO2- minimum StO2), hastighed for ReO2 (hældning af StO2 fra afslutning af VOT til opnåelse af topværdi), amplitude af hyperemisk top af StO2 og BFI (topværdier) og areal under kurven (AUC) for det reaktive respons efter VOT for både StO2 og BFI.BEMÆRK: Beregningen af absolutte realtidsværdier for HbO, HbR, HbT og StO2 opnås ved at tilpasse algoritmen ved hjælp af fordelingen af flyvetidskurver (DTOF) fra TRS for begge bølgelængder. De teoretiske detaljer findes i Torricelli et al. og Contini et al.18,21. Beregningen af BFI i realtid opnås ved hjælp af tilpasningsalgoritmen ved hjælp af autokorrelationskurverne fra DCS. De teoretiske detaljer findes i Durduran og Yodh16.

Representative Results

De igangværende kliniske undersøgelser har brugt enheden i over 300 timer af flere uddannede brugere til at udføre målinger hos ICU-patienter og sunde kontroller, udlede klinisk relevante resultater og karakterisere systemets in vivo-ydeevne i en reel indstilling. Her demonstrerer vi nogle eksempler på tidsspor af data fra et enkelt emne, der er synlige for brugeren. De foreløbige resultater af protokollen måles og vises i realtid, såsom HbO, HbR, HbT, StO2, SpO2 og BFI. Forskellige afledte parametre, såsom MRO2, DeO2, ReO2 og AUC, er beskrevet. Figur 7 viser enhedens skærm under trin 3.3, som viser datakvaliteten, hvor lasereffekten justeres, fotontællinger og krydstale mellem modaliteter testes automatisk. Enhedens skærm viser to intensitetsautokorrelationskurver (g2), da enheden har to DCS-detektorfibre koblet til enkeltfotontællemoduler og DTOF for begge bølgelængder på TRS-enheden. Bølgelængden af laseren, der anvendes til DCS, er 785 nm, mens OEM TRS-modulet skinner lasere ved 685 nm og 830 nm. Autokorrelationskurverne i den øverste graf ser ud til at være støjende ved lavere forsinkelsestider. Dette kan delvist skyldes lav lysintensitet i dette specifikke eksempel. Øget lysintensitet og uafhængige/parallelle detektionsfibre er blevet anbefalet for at øge signal-støj-forholdet for DCS42,43. Derfor planlægges i gennemsnit to DCS-kanaler for at reducere effekten af støj og efterfølgende beregne en bedre BFI. Figur 7: Skærmbillede af enhedens overvågningstilstand for software under datakvalitetskontrolfasen. Det øverste plot viser autokorrelationskurverne fra to kanaler i DCS. Det midterste plot viser DTOF for TRS-bølgelængder. Det nederste plot viser fotontællingerne for både DCS og TRS. Klik her for at se en større version af denne figur. Den indledende baselineperiode med klinisk monitor, vist i figur 8, har grønne ikoner for DCS og TRS, hvilket indikerer succesen med kvalitetstest. De viste signaler ser meget stabile ud, og derfor var udvidelsesfunktionen, beskrevet i trin 3.5, ikke påkrævet i dette tilfælde. Hvis den oprindelige grundlinje vises som vist i figur 9, er det nødvendigt at bruge funktionen Udvid. Denne funktion udvider anskaffelsen af baseline for at opnå 3 minutters stabile data, som kan bruges til at beregne de nøjagtige baselineværdier for alle parametre. Figur 8: Skærmbillede af klinisk monitortilstand af software i den indledende baselinefase, der viser stabile baselinesignaler. Det øverste plot viser den absolutte værdi af hæmodynamiske parametre målt ved TRS, det midterste plot viser iltmætningssignalerne og pulsværdien målt ved TRS og pulsoximeter, og det nederste plot viser BFI målt ved hjælp af DCS. Klik her for at se en større version af denne figur. Figur 9: Skærmbillede, der viser spidser i signalerne på grund af sondens bevægelse. Klik her for at se en større version af denne figur. Starten og slutningen af manchetokklusionsdelen er markeret med gule lodrette linjer som vist i figur 10. Pulsformen ogSpO2-værdierne har ingen klinisk/fysiologisk betydning i denne fase, da fingeren fra samme arm, der er okkluderet, bruges til pulsoximetri. Dette indikeres af det røde OXY-ikon, der udtrykker upålidelige data fra pulsoximeteret. For at omgå denne situation kunne vi fastgøre pulsoximeteret til patientens upåvirkede hånd, som ikke udsættes for turneringen og forbliver uhindret. Vi ønsker dog at opnå perfusionsindekset for den sondede arm ved hjælp af pulsoximeteret til de indledende baseline og afsluttende restitutionsfaser for at analysere virkningerne af VOT. Derfor har vi valgt at bruge pulsoximeteret på samme arm som turneringen. Figur 10: Softwareskærmbillede, der viser gule lodrette linjer, der markerer start- og slutmomenterne for VOT. SpO2 – og pulsværdierne er ubetydelige, da blodgennemstrømningen er begrænset. Klik her for at se en større version af denne figur. Figur 11 viser den fuldstændige protokoltidslinje som angivet i trin 3.6, herunder den afsluttende restitutionsfase, der illustrerer det hyperemiske respons og de kliniske parametres tilbagevenden til de oprindelige baselineværdier. Den øverste graf i figur 11 viser de absolutte hæmodynamikparametre. Starten af VOT markerer en faldende tendens i HbO og en stigende tendens i HbR, da både tilstrømning og udstrømning af blod blokeres af manchetokklusionen. Tendensen vender på tidspunktet for VOT-færdiggørelsen, går ud over de oprindelige basisværdier og vender tilbage til basisværdierne i genoprettelsesfasen. De midterste og nederste grafer viser, at BFI-signalet er lidt mere støjende end StO2. Dette skyldes i sagens natur, at DCS har en tendens til at have et højere kontrast-støj-forhold, hvilket fremgår af det store hyperemiske respons i BFI42,44. Ved hjælp af det rige datasæt fra denne nye enhed er svingningerne i BFI blevet brugt som potentielle biomarkører til at diagnosticere septiske patienter45. Figur 11: Skærmbillede af den kliniske monitor, der viser signalerne på hele protokollens tidslinje. Klik her for at se en større version af denne figur. Med denne protokol kan iltet, der udnyttes af musklen, overvåges isoleret under VOT. Hældningen af DeO2 under den iskæmiske udfordring indikerer, hvordan vævet bruger ilt. Det tidlige fald iStO2 under VOT afspejler iltforbruget for vævet. Den hyperemiske top og efterfølgende henfaldstendenser i StO2 og BFI er direkte forbundet med hyperemisk og mikrovaskulær reaktivitet. Bortset fra disse åbenlyse resultater kan vi bruge flere potentielle biomarkører til at klassificere en bestemt gruppe ICU-patienter. De eksisterende biomarkører er deoxygeneringshastighed, minimumsværdi afStO2 under VOT, reoxygeneringshastighed, hyperemisk topværdi og areal under kurven for bådeStO2 og BFI. Disse biomarkører kan bruges til at identificere patientpopulationer og sværhedsgraden af deres sygdomme. Resultaterne opnået fra et eksempeldatasæt fra en patient er vist i figur 12. Udtrykket “DATA QC” betegner den indledende kvalitetskontrol, som ikke vedrører patientdata. Derfor vises den ikke i repræsentationen. Gennemsnitsværdierne forStO2, BFI og MRO2 for basisperioden beregnes til sammenligning med faser af VOT- og post-VOT-gendannelse. Resultaterne opnået under denne protokol kan være forskellige fra dataene fra dette eksempel. Baselineværdierne for alle parametre kan være højere eller lavere, og hastigheden af DeO2 kan være hurtigere eller langsommere. Det hyperemiske respons kan have en højere eller lavere hastighed afReO2 og topværdier, eller der kan være fravær af top. Gendannelsesfasen kan vise en hurtigere eller langsommere normalisering af værdier. Disse variationer er repræsentative for patientens tilstand, der lider af en specifik eller et sæt sygdomme. Figur 12: Oversigt over resultater indsamlet offline. Den sorte stiplede linje markerer starten på tre minutter af basisperioden, mens den røde stiplede linje markerer oppustnings- og deflateringshændelserne. Den øverste graf viser StO2-signalet med markerede regioner til beregning af DeO2 og ReO2. Det midterste plot viser BFI, mens det nederste plot viser turneringstrykket. Baselineværdierne og AUC vises med blåt i deres respektive faser. Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

Vi har demonstreret en fuldautomatisk, robust, ikke-invasiv enhed til kontinuerlig måling og overvågning af skeletmuskulatur ved hjælp af hybrid diffus optik til evaluering af mikrovaskulær iltning, blodperfusion og reaktiv hyperæmi. Ved hjælp af denne protokol med VASCOVID-enhed kan vi samtidig måle absolutte hæmodynamiske parametre for HbO, HbR og HbT; iltmætning fra_StO2 og_SpO2; DeO₂ og ReO₂; og BFI. Den viste StO2 og BFI i realtid opnås fra rådataene fra det foregående sekund fra henholdsvis TRS- og DCS-modulerne. Monteringsproceduren er ikke tidskrævende, da moderne processorer bruger standardmodeller af et semi-uendeligt, homogent medium. De erhvervede parametre maler ikke det komplette billede af endotelfunktionen. Imidlertid har reaktiv hyperæmi målt vist prognostisk værdi ved flere akutte tilstande, hvor endotelsvækkelse spiller en stor rolle, såsom septisk shock eller COVID-19. ^6,28 Protokollen indeholder også en automatiseret kvalitetskontrol, der registrerer enhedsparametrene, som er nyttige til en forskningsprotokol, hvis der senere opdages en uforklarlig anomali i en patients data.

Kvantificeringen af det overliggende fedtlag og armomkredsen er vigtig under måling af brachioradialis-musklen i denne protokol, da fotonerne primært passerer gennem det overliggende væv, når de injiceres, og når de detekteres. Det er velkendt i diffus optik, at der er en tilhørende partiel volumeneffekt. Derfor bør de overfladiske oplysninger registreres og anvendes ved analyse af dataene for at tage højde for effekten af variationer i fedtvæv^46,47. Dette forstærkes yderligere i disse patientpopulationer af interesse, da det er almindeligt hos ICU-patienter at udvikle ødem, hvor lemmerne er hævede, da vand er fanget på grund af immobilisering og andre grunde⁴⁸. Hos sådanne patienter kan variationen i omkreds under ICU-ophold give information om sværhedsgraden af ødem. Vejen for lyskilden, der når detektorerne, skal passere gennem alle de overfladiske lag.

Manchetten skal være komfortabelt viklet rundt om armen og sikre en tæt pasform. Det er dog vigtigt at undgå overdreven tæthed, der kan udøve overdreven pres på armen udelukkende ved at pakke manchetten⁴⁹. Målet er at opnå en sikker og behagelig pasform uden at forårsage unødvendig kompression, hvilket kan ændre baseline hæmodynamiske parametre. Hvis det komprimerer armen, kompromitteres datakvaliteten for hele protokollen, og det udøvede tryk tilføjes effektivt til VOT-måltrykket. Hvis manchetten er løst viklet til armen, kræves der mere luft for at nå måltrykket, og der vil derfor blive taget mere tid. Dette kan give tid til væv til justering af fysiologi, da iltforsyningen reduceres langsomt, hvilket bør undgås⁵⁰.

Det er vigtigt at fastgøre den smarte sonde på en måde, der opretholder korrekt kontakt uden at udøve for stort pres på vævet. Dette giver mulighed for pålidelige målinger, samtidig med at risikoen for lokal iskæmi undgås. Lokal iskæmi opstår, når blodgennemstrømningen til området er begrænset, hvilket fører til kompromitteret cirkulation og potentielt ødelægger målingerne⁵¹.

Den kapacitive berøringssensor på sonden bruges af lasersikkerhedssystemet til at sikre, at laseren kun skinner, når sonden er fastgjort til vævet. Hvis patienten har høj hårtæthed på armen, kan berøringssensorens følsomhed kompromitteres. Anvendelsen af et tyndt gennemsigtigt dobbeltbånd på sondens sensorside kan effektivt afbøde berøringssensorproblemet. Når sonden er fastgjort til den behårede arm sammen med dette bånd, giver det et pålideligt og stabilt berøringssignal. Foruddefinerede snit af dette bånd er tilgængelige for den smarte sonde med adskillelse mellem lyskilder og detektorer. Adskillelsen er afgørende for at forhindre dannelsen af en direkte lyskanal mellem kilde- og detektorvinduer, hvilket kan påvirke målingernes kvalitet. Brugen af gennemsigtig dobbelttape fungerer som en praktisk løsning til at forbedre pålideligheden af berøringsregistrering under disse omstændigheder. Hvis berøringssensoren går tabt under protokollen, slukker den laserne, og målingen går tabt. Sonden har også en belastningssensor, som i fremtiden kan bruges som en backup-sikkerhedsforanstaltning.

Hvis patienten bevæger armen, eller et lille klinisk indgreb forstyrrer stabiliteten af erhvervede signaler i baselinefasen, hvilket resulterer i skarpe toppe, anbefales det at bruge udvidelsesfunktionen. Denne funktion giver mulighed for at opnå en stabil baseline i tre minutter, hvilket sikrer ensartet og pålidelig signalmåling.

Det er vigtigt at overveje, at patientens blodtryk kan undergå betydelige ændringer efter påbegyndelse af protokollen, hvilket kan påvirke evnen til at nå måltrykket på 50 mmHg højere end det systoliske blodtryk for VOT. Disse udsving i blodtrykket kan påvirkes af forskellige faktorer, såsom patientens fysiologiske respons, medicinvirkninger eller andre kliniske tilstande⁵². Derfor bør måltrykket justeres ved om nødvendigt at trykke på “+” eller “-” knapperne for at sikre ensartet administration af VOT.

Den typiske udførelse af VOT har begrænsninger på grund af operatørvariabilitet, som behandles i denne protokol ved at have en automatisk VOT. Vi bruger strategien til at indstille okklusionstrykket på 50 mmHg over det systoliske blodtryksniveau. Denne metode stopper blodgennemstrømningen og er blevet rapporteret i tidligere undersøgelser for udførelse af VOT ^53,54. Det individualiserede måltryk for VOT i denne protokol hjælper med at undgå vasokonstriktion, der kan ske ved at fastsætte et generelt måltryk for VOT. Smerter forårsaget af et unødvendigt højt tryk kan påvirke målingen, der forårsager vasokonstriktion, f.eks. hos en patient med systolisk tryk på 120 mmHg og måltryk på 200 mmHg eller 250 mmHg²⁹. Vi bemærker, at patienter indlagt på intensivafdelinger står over for en øget risiko for trombose, primært på grund af faktorer som langvarig immobilitet og sedation⁵⁵. Dette indebærer, at denne protokol ikke kan anvendes til patienter, der lider af trombose eller tromboflebitis, for at undgå risici.

Anvendelsen af denne protokol kan være nyttig i ICU-populationen, hvor nedsat reaktiv hyperæmi er et fælles træk og kan bidrage til mikrovaskulære abnormiteter ^3,56. De parametre, der er erhvervet i denne protokol, uden operatørinterventioner under målingen, er tidligere blevet anvendt i litteraturen enkeltvis eller i en lille kombination for sepsis, kræft, slagtilfælde osv. for at skelne patologiske tilstande ^1,11,15,31. Derfor mener vi, at kombinationen af disse relevante parametre er gavnlig for flere kliniske anvendelser. De data, der registreres af denne protokol, kan hjælpe med at vælge passende terapeutiske strategier til forbedring af vaskulær sundhed⁵⁷. Den værdifulde indsigt i vævets iltning og blodgennemstrømningsdynamik under okklusion og reperfusion giver os mulighed for at vurdere tilstrækkeligheden af blodforsyningen til vitale organer. Det kan hjælpe med at identificere vævshypoxi og vejlede interventioner for at optimere organperfusion⁵⁸. Ved at bruge realtidsinformation om mikrovaskulær iltning og reaktiv hyperæmi hjælper det som et ekstra værktøj til at styre hæmodynamisk styring, væskegenoplivning og vasopressorbehandling^59,60. Dette sikrer, at interventionerne skræddersys til individuelle patientbehov, hvilket optimerer vævets iltning og perfusion^61,62. Desuden kan evolutive ændringer i mikrovaskulær iltning og blodgennemstrømning inden for et spontant vejrtrækningsforsøg hos mekanisk ventilerede patienter være af største betydning, når man vurderer den kardiovaskulære tolerance for at imødekomme og overvinde den øgede metaboliske byrde, der stammer fra arbejdet med at trække vejret uden hjælp². På den baggrund er en daglig kritisk og udfordrende beslutning for intensivpatienterne om mekanisk ventilation fravænningsprocessen, som slutter, når patienten anses for at være i stand til at trække vejret selv, og endotrakealrøret fjernes. Den langsgående anvendelse af denne protokol kan bruges til at evaluere effektiviteten af interventioner, spore sygdomsprogression og vejlede 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