중환자 치료를 위한 하이브리드, 근적외선 확산 광학 분광법을 사용한 미세혈관 산소화 및 반응성 충혈의 비침습적 모니터링

Summary

근적외선 확산 광학을 기반으로 하는 다중 모드 장치를 사용하여 절대 미세혈관 혈류 지수와 혈중 산소 포화도를 비침습적으로 지속적으로 측정하는 프로토콜을 설명합니다. 그런 다음 혈관 폐색 검사를 사용하여 산소 소비량과 반응성 충혈의 대사율을 평가합니다.

Abstract

미세혈관 산소 소비량과 반응성 충혈의 손상 수준을 감지하는 것은 중환자 치료에서 매우 중요합니다. 그러나 강력하고 정량적인 평가를 위한 실용적인 수단은 없습니다. 이 백서에서는 하이브리드 근적외선 확산 광학 장치를 사용하여 이러한 손상을 평가하는 프로토콜에 대해 설명합니다. 이 장치에는 근적외선, 시간 분해 및 확산 상관 분광법과 펄스 산소 측정을 위한 모듈이 포함되어 있습니다. 이 모듈을 사용하면 말초 동맥 산소 포화도(SpO₂)와 함께 절대 미세혈관 혈액/조직 산소 포화도(StO₂) 및 혈류 지수(BFI)를 비침습적이고 연속적으로 실시간으로 측정할 수 있습니다. 이 장치는 통합된 컴퓨터 제어 지혈대 시스템을 사용하여 상완 근육에서 광학 데이터를 수집하여 표준화된 프로토콜을 실행합니다. 표준화된 혈관 폐색 검사(VOT)는 문헌에 보고된 교합 기간과 압력의 변화를 처리하는 동시에 자동화는 작업자 간 차이를 최소화합니다. 우리가 설명하는 프로토콜은 3분 교합 기간에 초점을 맞추지만 이 논문에 설명된 세부 사항은 다른 지속 시간과 커프 압력 및 다른 근육에 쉽게 적용할 수 있습니다. 확장된 기준선 및 폐색 후 회복 기간 측정을 포함하면 모든 매개변수에 대한 기준선 값과 산소 소비량의 대사율에 해당하는 혈액/조직 탈산소화 속도를 정량화할 수 있습니다. 커프가 풀리면 BFI 및 StO₂에서 조직 재산소화 속도, 크기 및 충혈 반응의 지속 기간을 특성화합니다. 이러한 후자의 매개변수는 내피 기능에 대한 정보를 제공하는 반응성 충혈의 정량화에 해당합니다. 또한, 위에서 언급한 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈의 절대 농도, BFI, 산소 소비량의 파생 대사율, StO₂ 및 SpO₂ 측정은 질병 중증도, 맞춤형 치료 및 관리 개입을 나타낼 수 있는 아직 탐색되지 않은 풍부한 데이터 세트를 제공합니다.

Introduction

중증 환자, 특히 패혈증 및 기타 유사한 질환을 앓고 있는 환자는 반응성 충혈 및 미세혈관 산소화 장애가 있는 경우가 많다 ^1,2,3. COVID-19 팬데믹의 첫 번째 물결 동안 예상치 못한 수의 환자가 집중 치료 관리가 필요했으며, 이 기간 동안 바이러스가 내피에 미치는 영향이 분명해졌지만 ^4,5,6을 평가하고 관리하기 위한 명확한 전략이 없었습니다. 그 결과, 중환자실(ICU) 환자군에서 반응성 충혈에 의해 간접적으로 평가될 수 있는 내피 기능 장애를 감지하는 것의 중요성에 대한 인식이 높아지고 있다⁷. 조직으로의 산소 전달 및 소비에 대한 실용적이고 강력하며 널리 이용 가능한 평가는 소생술 전략을 최적화하고 미세 순환 문제를 직접 해결하는 데 가장 중요할 것으로 예상됩니다. 여러 연구에 따르면 지속적인 미세순환 변화와 거시순환과 미세순환 사이의 일관성 부족은 전신 매개변수가 정상으로 간주되는 경우에도 패혈성 쇼크 또는 출혈성 쇼크의 영향을 받는 환자에서 장기 부전과 바람직하지 않은 결과를 어느 정도 예측할 수 있습니다 ^8,9,10. 미세순환은 조직의 산소화와 장기 기능에 중요한 역할을 하기 때문에 거시순환 매개변수에만 의존하는 것은 부적절하다는 것이 분명해졌다 11,12,13. 이 백서는 ICU 환자에 중점을 둔 국제 컨소시엄 내에서 개발된 근적외선 확산 광학 기술을 기반으로 하는 새로운 다중 모드 장치를 사용하는 프로토콜에 대해 설명합니다. VASCOVID(https://vascovid.eu) 프로젝트는 COVID-19 팬데믹을 계기로 중환자실에서 말초 근육의 미세혈관 건강을 평가하기 위해 시작되었습니다. 우리는 이러한 매개변수에 대한 이해를 높이고 이러한 매개변수가 COVID-19 환자보다 훨씬 더 넓은 범위의 중증 환자를 관리하는 데 어떻게 유용할 수 있는지에 대한 이해를 높이는 것을 목표로 개발된 VASCOVID 장치를 사용하여 프로토콜을 설계했습니다.

근적외선 분광법(NIRS)은 ICU 환자를 포함한 광범위한 임상 응용 분야에서 수십 년 동안 비침습적으로 미세 순환을 평가하는 데 활용되어 왔습니다 14,15,16,17. NIRS의 가장 간단한 응용, 즉 연속파 NIRS(CW-NIRS)는 미세혈관의 혈액/조직 산소 포화도(_StO2)를 계산하기 위해 옥시-(HbO) 및 데옥시-헤모글로빈(HbR)의 절대 농도를 측정하기 위해 널리 사용되고 임상적으로 승인된 장치(^17,18)에서 구현된다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 이러한 장치는 심장 수술과 같은 임상 관리에서 틈새 시장을 찾았지만 조직의 광자 전파 물리학으로 인해 분명한 한계가 있습니다. 이것은 정확성, 정밀도 및 반복성이 의심스럽다는 것을 의미하며, 따라서 종종 추세 모니터로 활용됩니다^19,20. 또한, 그 결과는 겹쳐진 지방층 및 피부층과 같은 표면 조직의 영향을 크게 받습니다.

시간-분해 NIRS(TRS)는 조직⁽²¹)을 통과한 후의 지연 및 넓어짐을 평가하기 위해 다중 파장에서 피코초 범위의 짧은 레이저 펄스를 사용한다. 이를 통해 TRS는 흡수 효과와 산란을 분리하여 강력하고 정확하며 정밀한 추정치를 얻을 수 있으며 총 헤모글로빈 농도(HbT)도 계산할 수 있습니다. TRS는 또한 경로 길이를 분해하기 때문에, 관심 있는 심층 신호로부터 표면 신호를 더 잘 분리하는데 이용될 수 있다 ^18,21. 이로 인해 복잡성, 가격 및 부피가 커집니다. 그러나 최근 몇 년 동안 TRS 시스템의 복잡성과 비용이 낮아져 더 접근하기 쉽고 사용하기 쉬운 장치가 되었습니다. 이 원고는 소형 OEM(Original Equipment Manufacturer) 상용 TRS 모듈(^22,23)을 사용하는 장치를 설명합니다.

확산 상관 분광법(DCS)은 확산 스페클의 시간 통계를 활용하여 조직^16,24에서 적혈구가 지배하는 광 산란 입자의 움직임을 정량화하는 또 다른 근적외선 기술입니다. 이것은 차례로 미세혈관 혈류의 지표로 잘 알려져 있으며, 이를 혈류 지수(BFI)²⁵라고 합니다. 하이브리드 광학 장치에서 TRS와 DCS를 동시에 사용하면 공통 모델을 활용하여 국소 산소 추출 분율을 도출하고 혈류를 곱하여 산소 대사에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다 15,26,27.

중환자실에서 미세순환을 평가하기 위해 NIRS는 종종 혈관 폐색 검사(VOT)와 함께 사용되는데, 이는 특정 기간(몇 분) 동안 조사된 말초 근육으로의 혈액 공급을 차단하여 수행되는 허혈성 검사입니다28,29,30,31,32. 가장 일반적으로, 수축기 압력(³³) 위의 상완을 감싸는 지혈대를 팽창시킴으로써 실행된다. VOT 동안, 임상의는 혈류의 변화에 대한 미세혈관 혈액 산소화의 반응을 평가하여 휴식 시 산소대사 및 반응성 충혈을 도출한다³⁴. VOT 중에는 커프가 사지 교합 압력보다 훨씬 높게 부풀어 오르면 혈액의 유입 또는 유출이 없다고 가정합니다. 따라서 VOT의 시작은 산소가 조직에 의해 소비됨에 따라 StO₂ 의 하향 기울기, 즉 탈산소화 (DeO₂ )를 보여 주며, 이는 산소 소비의 대사 속도를 추정 할 수 있습니다. VOT가 끝나고 커프의 공기가 빠지면 고갈을 보상하기 위해 혈액이 몰려와 충혈 반응이 일어납니다. 이 러시는 StO₂ 에서 급격한 상향 경사, 즉 재산소화 (ReO₂ )를 생성합니다. 초기 기준선을 넘어 증가하여 기준선으로 회복되는 속도가 느린 충혈 반응은 반응성 충혈을 추정합니다. NIRS와 VOT의 조합은 패혈증^35,36,37과 같은 심각한 상태에서 부작용 및 사망률을 예측할 수 있는 가능성과 사용 편의성으로 인해 집중 치료에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

COVID-19 팬데믹 기간 동안 우리 그룹은 전 세계 컨소시엄을 시작했고 최근 COVID-19 환자에서 말초 미세 순환 변화와 급성 호흡곤란 증후군의 중증도 사이의 연관성을 보여주는 이른바 HEMOCOVID-19 시험을 완료했습니다⁶. 이것은 다른 작품들에서도 뒷받침되었다 ^7,38. 이 모든 연구는 위에서 언급 한 CW-NIRS 시스템으로 수행되었으므로 단점이 있습니다. 더욱이, VOT의 실행은 다른 연구에서 표준화되지 않았으며, 교합 기간, 지혈대 압력 및 작업자 기반 변형과 같은 다양한 매개변수의 영향을 받는다 29,39,40. 문헌 검토에 따르면 VOT와 NIRS가 임상에서 견인력을 얻기 위해서는 혈류를 측정하고, 표준화된 프로토콜을 갖추고, 강력한 NIRS 시스템을 갖추는 것이 중요하다는 것을 분명히 알 수 있다¹¹. 따라서 우리는 보다 발전된 형태의 NIRS(TRS)를 활용하고, 혈류를 측정하고, VOT 중 커프 제어를 표준화함으로써 병리학적 상태와 건강한 상태를 더 잘 구별할 수 있다고 제안했습니다. 이를 위해 우리는 TRS 및 DCS의 두 가지 근적외선 확산 광 모듈, 맥박 산소 측정 및 자동 지혈대를 포함하는 여러 모듈을 통합하는 이 하이브리드 확산 광학 장치를 개발했습니다. 맥박 산소 측정 모듈은 심박수(HR), 관류 지수 및 백분율을 제공합니다.tage 동맥 산소 포화도(SpO₂). 장치에 빠른 지혈대가 사용되며, 이는 VOT를 수행하는 데 매우 중요합니다. 이 장치에는 TRS용 기기 응답 함수(IRF)의 일상적이고 실용적인 측정 및 종방향 안정성 평가를 위한 조직 모방 팬텀에서의 측정과 같은 확장되고 지속적인 품질 관리를 위해 사용 중에 추가 정보를 얻을 수 있는 액세서리 상자(옵션)가 함께 제공됩니다. 이 장치는 그림 1의 ICU에서 사용되는 것으로 표시됩니다.

그림 1: 환자에게 부착된 프로브와 커프가 있는 ICU의 휴대용 장치 침대 옆 배치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

멀티모달 스마트 프로브는 TRS 및 DCS용 소스 및 검출기 광섬유를 DCS와 TRS 간의 간섭을 방지하는 장치 내부의 광학 필터와 통합합니다. 이 시스템에 사용되는 소스-검출기 간격은 25mm입니다. 또한 이 프로브에는 정전식 터치 센서가 통합되어 있어 레이저 안전 표준(IEC 60601-2-22:2019)⁴¹에 따라 레이저 위험을 방지하는 중요한 안전 기능을 제공합니다. 장치 내의 레이저 안전 시스템은 프로브가 조직과 접촉할 때만 레이저 방출이 발생하도록 합니다. 프로브의 분리가 감지되면 레이저가 즉시 꺼져 환자와 작업자 모두의 안전을 보장합니다. 또한 프로브는 추가 기능 및 데이터 수집 목적을 위해 가속도계, 부하 센서 및 광 센서와 통합됩니다.

이 논문은 개발된 장치를 사용하여 VOT와 동시에 상완근을 조사하는 자동화된 프로토콜에 대해 설명합니다. 프로토콜 타임라인은 그림 2에 나와 있습니다. 프로토콜은 완전히 자동화되어 있으며 실행 전반에 걸쳐 운영자의 개입이 필요하지 않습니다. 이 새로운 장치의 기능을 활용하여 의사가 말초 산소 소비의 생리병리학을 더 잘 이해하고 산소 소비량과 전달 비율을 평가하여 환자 치료를 포괄적이고 효율적으로 개선할 수 있도록 하는 귀중한 통찰력을 얻는 것을 목표로 합니다.

그림 2: 프로토콜 타임라인. 환자는 초기 기준선 및 회복 기간에 0mmHg 압력으로 타임라인 전반에 걸쳐 휴식을 취합니다. VOT는 환자의 수축기 혈압보다 50mmHg 높은 압력으로 부풀린 지혈대로 수행됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Protocol

이 연구는 Parc Tauli Hospital Universitari의 지역 윤리 위원회의 승인을 받았습니다. 환자나 가까운 친척으로부터 사전 통보 및 서명 동의를 받았습니다. 프로토콜 입력에 대한 절대적인 금기 사항은 연구 대상 군의 정맥 혈전증에 대한 임상적 의심 또는 초음파 확인, 연구 대상 군의 기타 혈관 또는 외상성 손상, 피부 무결성 손실 또는 프로브 배치를 방해할 수 있는 병변이었습니다. 1. 장치 자체 테스트 장치를 켭니다. 이 장치는 자체 개발한 소프트웨어로 시작됩니다. 안전 키를 ON 위치로 돌리고 프로브를 IRF(Instrument Response Function) 상자 안에 완전히 넣은 다음 프로브가 켜지면 재설정 버튼을 누릅니다 . 팝업 대화 상자에서 확인 버튼을 누르고 장치가 준비될 때까지 기다립니다.알림: 장치는 안정적인 작동을 보장하기 위해 자체 테스트를 수행합니다. 장치가 준비되면 사용자에게 팝업 메시지가 표시됩니다. 2. 선택적인 IRF와 유령 측정 장치가 준비되면 확인을 누릅니다. IRF를 측정하라는 메시지가 표시되면 Yes(예 )를 누릅니다. 장치는 원하는 카운트 속도인 100만 개에 도달하도록 레이저 강도를 자동으로 조정합니다. 안정적인 카운트 속도와 DTOF가 관찰되면 중지 버튼을 누릅니다. 이 IRF는 파일에 저장될 뿐만 아니라 실시간 계산에 활용될 수 있도록 소프트웨어에 로드됩니다. 프로브 부착 표시등이 켜지도록 팬텀 박스에 프로브를 올바르게 삽입하십시오. 팬텀 버튼을 눌러 팬텀 프로토콜을 시작합니다.알림: 품질 관리 테스트는 DCS 및 TRS 검출기가 충분한 수의 광자를 수신하는지 확인하고 어두운 카운트가 원하는 한계 내에 있는지 확인합니다. 추가 오프라인 분석을 위해 충분한 양의 데이터를 저장할 수 있도록 품질 관리 후 최소 30초 동안 계속 기록하십시오. 3. 병상 측정 준비 혈압 측정 시 수행한 것처럼 팔꿈치 위의 팔뚝에 지혈대를 부착합니다. 커프를 팔에 느슨하게 또는 너무 세게 감지 마십시오.알림: 지혈대를 느슨하게 부착하면 원하는 압력에 도달하기 위해 더 많은 공기가 필요합니다. 느린 인플레이션은 신체가 생리학을 재조정할 수 있도록 합니다. 맥박 산소 측정기를 같은 팔의 검지 손가락에 부착합니다. 집게 손가락에 부착할 수 없는 경우 다른 손가락에 부착하십시오. 팔꿈치 바로 아래 측면 팔뚝에 있는 상완근을 찾습니다. 환자에게 팔뚝에 손가락을 올려 근육을 느끼기 위해 주먹을 쥐고 닫도록 요청합니다. 진정제를 투여받은 환자나 움직일 수 없는 경우 한 손으로 팔을 살짝 비틀어 근육을 추적합니다. 다른 손의 엄지와 손가락 사이의 근육을 느껴보십시오. 그림 3과 같이 부드러운 줄자를 사용하여 위치한 근육 주변의 팔 둘레를 측정합니다. 그림 4와 같이 디지털 체지방 캘리퍼를 사용하여 근육 상단의 대략적인 지방 조직 두께를 측정합니다. 그림 5와 같이 광섬유와 케이블이 손 쪽으로 향하도록 프로브 헤드를 근육에 부착합니다.알림: 프로브를 단단히 부착하지 마십시오. 조직 생리학에 영향을 미칠 수 있습니다. 파이버가 움직이는 물체에 닿지 않도록 하면 데이터에 아티팩트가 생성될 수 있습니다. 외부 빛을 차단하기 위해 검은색 천으로 프로브를 덮습니다.알림: 환자가 깨어 있는 경우 VOT가 따끔거림을 유발할 수 있으므로 팔을 움직이지 않아야 한다고 알려주십시오. 그림 3: 상완근 주위의 팔 둘레 측정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 4: 체지방 캘리퍼를 사용하여 근육 상단의 지방 조직 두께 측정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 5: 섬유와 케이블이 손 쪽으로 향하는 근육에 부착된 프로브. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 4. 데이터 수집 그림 6: 전체 프로토콜을 자동으로 실행하는 데 사용되는 프로토콜 매개변수의 스크린샷. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 5. 데이터 분석 선호하는 언어(예: Python 또는 MATLAB)로 작성된 스크립트/프로그램을 사용하여 기록된 이진 데이터를 열고 시각화합니다. 조직 대사를 나타내는 산소 소비 지수를 계산하고 다음과 같이 정의됩니다.여기서 Hb는 환자 데이터 형식의 환자 임상 차트에서 기록되는 적혈구 용적률입니다. DeO2 의 속도(VOT 시작부터 1분까지의 StO2 기울기), DeO2 의 진폭(기준선 StO2 – 최소 StO2), ReO2 속도(VOT 완료에서 피크 값에 도달할 때까지 StO2 의 기울기), StO2 및 BFI의 충혈 피크 진폭(피크 값) 및 StO2 및 BFI 모두에 대한 VOT 후 반응 반응의 AUC(곡선 아래 면적)를 계산합니다.알림: HbO, HbR, HbT 및 StO2의 실시간 절대값 계산은 두 파장의 TRS에서 비행 시간 분포(DTOF) 곡선을 사용하여 알고리즘을 피팅하여 수행됩니다. 이론적 세부 사항은 Torricelli et al. 및 Contini et al.18,21에서 찾을 수 있습니다. BFI의 실시간 계산은 DCS의 자기 상관 곡선을 사용하는 피팅 알고리즘에 의해 이루어집니다. 이론적 세부 사항은 Durduran 및 Yodh16에서 찾을 수 있습니다.

Representative Results

진행 중인 임상 연구는 여러 훈련된 사용자가 300시간 이상 이 장치를 사용하여 ICU 환자 및 건강한 대조군에서 측정을 수행하고, 임상적으로 관련된 결과를 도출하고, 실제 환경에서 시스템의 생체 내 성능을 특성화했습니다. 여기서는 사용자에게 표시되는 단일 주제의 데이터에 대한 몇 가지 예제 시간 추적을 보여 줍니다. 프로토콜의 예비 결과는 HbO, HbR, HbT, StO2, SpO2 및 BFI와 같이 실시간으로 측정 및 표시됩니다. MRO2,DeO2,ReO2 및 AUC와 같은 상이한 파생 파라미터가 설명된다. 그림 7은 3.3단계 동안의 장치 모니터를 보여주며, 레이저 출력이 조정되고 광자 수가 증가하며 모달리티 간의 누화가 자동으로 테스트되는 데이터 품질을 보여줍니다. 장치에는 단일 광자 계수 모듈에 결합된 두 개의 DCS 검출기 광섬유와 TRS 장치의 두 파장 모두에 대한 DTOF가 있으므로 장치 모니터에는 두 개의 강도 자기 상관(g2) 곡선이 표시됩니다. DCS에 사용되는 레이저의 파장은 785nm인 반면 OEM TRS 모듈은 685nm 및 830nm에서 레이저를 비춥니다. 위쪽 그래프의 자기상관 곡선은 지연 시간이 짧을수록 잡음이 있는 것처럼 보입니다. 이것은 부분적으로 이 특정 예에서 낮은 조명 강도 때문일 수 있습니다. DCS42,43의 신호 대 잡음비를 높이기 위해 증가된 광도와 독립/병렬 감지 광섬유가 권장되었습니다. 따라서 노이즈의 영향을 줄이고 결과적으로 더 나은 BFI를 계산하기 위해 평균 2개의 DCS 채널이 계획되고 있습니다. 그림 7: 데이터 품질 검사 단계 중 소프트웨어의 장치 모니터 모드 스크린샷. 위쪽 플롯은 DCS의 두 채널에서 얻은 자기상관 곡선을 보여줍니다. 중간 플롯은 TRS 파장에 대한 DTOF를 보여줍니다. 하단 플롯은 DCS와 TRS 모두에 대한 광자 수를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 8에 표시된 임상 모니터의 초기 기준선 기간에는 DCS 및 TRS에 대한 녹색 아이콘이 있어 품질 테스트의 성공을 나타냅니다. 표시된 신호는 매우 안정적으로 보이므로 이 경우 3.5단계에서 설명한 확장 기능이 필요하지 않습니다. 초기 기준선이 그림 9와 같이 나타나면 확장 기능을 활용해야 합니다. 이 기능은 기준선 수집을 확장하여 모든 매개변수에 대한 정확한 기준선 값을 계산하는 데 사용할 수 있는 3분 분량의 안정적인 데이터를 얻습니다. 그림 8: 안정적인 기준선 신호를 보여주는 초기 기준선 단계 동안 소프트웨어의 임상 모니터 모드 스크린샷. 상단 플롯은 TRS로 측정한 혈류역학적 매개변수의 절대값을 보여주고, 중간 플롯은 TRS 및 맥박 산소 측정기로 측정한 산소 포화도 신호와 맥박 값을 보여주고, 하단 플롯은 DCS를 사용하여 측정한 BFI를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 9: 프로브의 움직임으로 인한 신호의 스파이크를 보여주는 스크린샷. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 커프 폐색 부분의 시작과 끝은 그림 10과 같이 노란색 수직선으로 표시되어 있습니다. 맥박 모양과 SpO2 값은 폐색되는 동일한 팔의 손가락이 맥박 산소 측정에 사용되기 때문에 이 단계에서 임상적/생리학적 의미가 없습니다. 이것은 맥박 산소 측정기의 신뢰할 수 없는 데이터를 나타내는 빨간색 OXY 아이콘으로 표시됩니다. 이러한 상황을 피하기 위해 맥박 산소 측정기를 지혈대에 노출되지 않고 방해받지 않는 환자의 영향을 받지 않는 손에 부착할 수 있습니다. 그러나 VOT의 효과를 분석하기 위해 초기 기준선 및 최종 회복 단계에서 맥박 산소 측정기를 사용하여 프로브된 암의 관류 지수를 얻으려고 합니다. 따라서 우리는 지혈대와 같은 팔에 맥박 산소 측정기를 사용하기로 결정했습니다. 그림 10: VOT의 시작 및 종료 순간을 표시하는 노란색 수직선을 보여주는 소프트웨어 스크린샷. 혈류가 제한되기 때문에 SpO2 및 맥박 값은 중요하지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 11은 최종 회복 단계를 포함하여 3.6단계에 표시된 전체 프로토콜 타임라인을 보여주며, 충혈 반응 및 임상 매개변수가 초기 기준선 값으로 돌아가는 것을 보여줍니다. 그림 11의 상단 그래프는 절대 혈류역학 매개변수를 보여줍니다. VOT의 시작은 혈액의 유입과 유출이 커프 폐색에 의해 차단되기 때문에 HbO의 감소 추세와 HbR의 상승 추세를 나타냅니다. 추세는 VOT 완료 시 반전되어 초기 기준 값을 넘어 복구 단계에서 기준 값으로 돌아갑니다. 중간 및 하단 그래프는 BFI 신호가 StO2보다 약간 더 잡음이 있음을 보여줍니다. 이는 본질적으로 DCS가 더 높은 대비 대 잡음비를 갖는 경향이 있다는 사실에 기인하며, 이는 BFI42,44의 큰 충혈 반응에서 분명합니다. 이 새로운 장치의 풍부한 데이터 세트를 사용하여 BFI의 진동은 패혈증 환자를 진단하기 위한 잠재적인 바이오마커로 사용되었습니다45. 그림 11: 프로토콜 타임라인 전반에 걸친 신호를 보여주는 임상 모니터의 스크린샷. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 이 프로토콜을 사용하면 VOT 중에 근육이 사용하는 산소를 격리하여 모니터링할 수 있습니다. 허혈성 챌린지 중 DeO2 의 기울기는 조직이 산소를 소비하는 방식을 나타냅니다. VOT 동안 StO2 의 조기 감소는 조직의 산소 소비율을 반영합니다. StO2 및 BFI의 충혈 피크와 그에 따른 붕괴 경향은 충혈 및 미세혈관 반응성과 직접적인 관련이 있습니다. 이러한 명백한 결과 외에도 몇 가지 잠재적인 바이오마커를 사용하여 특정 ICU 환자 그룹을 분류할 수 있습니다. 기존 바이오마커는 탈산소화 속도, VAT 중StO2 의 최소값, 재산소화 속도, 충혈 피크 값,StO2 및 BFI의 곡선 아래 면적입니다. 이러한 바이오마커는 환자 집단과 질병의 중증도를 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 환자의 예제 데이터 세트에서 얻은 결과는 그림 12에 나와 있습니다. “DATA QC”라는 용어는 환자 데이터와 관련이 없는 초기 품질 검사를 나타냅니다. 따라서 표현에 표시되지 않습니다. 기준선 기간 동안 StO2, BFI 및 MRO2 의 평균값은 VOT 및 VOT 후 복구 단계와 비교하기 위해 계산됩니다. 이 프로토콜 중에 얻은 결과는 이 예제의 데이터와 다를 수 있습니다. 모든 매개변수의 기준선 값은 더 높거나 낮을 수 있으며 DeO2 의 속도는 더 빠르거나 느릴 수 있습니다. 충혈 반응은ReO2 및 피크 값의 비율이 더 높거나 낮을 수 있으며, 피크가 없을 수도 있습니다. 복구 단계에서는 값의 정규화가 더 빠르거나 느려질 수 있습니다. 이러한 변화는 특정 또는 일련의 질병을 앓고 있는 환자의 상태를 나타냅니다. 그림 12: 오프라인으로 컴파일된 결과 요약. 검은색 점선은 기준 기간의 3분 시작을 표시하고, 빨간색 점선은 팽창 및 수축 이벤트를 표시합니다. 상단 그래프는 DeO2 및 ReO2 를 계산하기 위해 표시된 영역이 있는 StO2 신호를 보여줍니다. 가운데 플롯은 BFI를 보여주고 하단 플롯은 지혈대 압력을 보여줍니다. 기준선 값과 AUC는 해당 단계에서 파란색으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

당사는 미세혈관 산소화, 혈액 관류 및 반응성 충혈을 평가하기 위해 하이브리드 확산 광학을 사용하여 골격근의 지속적인 측정 및 모니터링을 위한 완전 자동화되고 견고한 비침습적 장치를 시연했습니다. VASCOVID 장치와 함께 이 프로토콜을 사용하여 HbO, HbR 및 HbT의 절대 혈류역학적 매개변수를 동시에 측정할 수 있습니다. StO₂ 및 SpO₂ 로부터의 산소 포화도; DeO₂ 및 ReO₂; 및 BFI. 표시된 실시간 StO2 및 BFI는 각각 TRS 및 DCS 모듈에서 이전 초의 원시 데이터에서 얻습니다. 최신 프로세서는 반무한의 균질한 매체의 표준 모델을 사용하기 때문에 피팅 절차는 시간이 많이 걸리지 않습니다. 획득한 매개변수는 내피 기능의 완전한 그림을 그리지 않습니다. 그러나 측정된 반응성 충혈은 패혈성 쇼크나 COVID-19와 같이 내피 손상이 중요한 역할을 하는 여러 급성 질환에서 예후 가치를 입증했습니다. ^6,28 이 프로토콜은 또한 장치 매개변수를 기록하는 자동화된 품질 검사를 통합하며, 이는 나중에 환자의 데이터에서 설명할 수 없는 이상이 감지되는 경우 연구 프로토콜에 유용합니다.

중첩 지방층과 팔 둘레의 정량화는 이 프로토콜에서 상완근을 측정하는 동안 중요한데, 이는 광자가 주입될 때와 검출될 때 주로 중첩 조직을 통과하기 때문입니다. 확산 광학에서 관련된 부분 부피 효과가 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 그러므로, 피상적인 정보는 지방 조직에서의 변이의 영향을 설명하기 위해 데이터를 분석할 때 기록되고 활용되어야 한다^46,47. 이는 ICU 환자에서 고정성 및 기타 이유로 인해 물이 고여 팔다리가 부어오르는 부종이 발생하는 것이 일반적이기 때문에 이러한 관심 환자 집단에서 더욱 증폭된다⁴⁸. 이러한 환자의 경우 중환자실 입원 중 둘레의 변화는 부종의 중증도에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 검출기에 도달하는 광원의 경로는 모든 표층을 통과해야 합니다.

커프는 팔에 편안하게 감겨 꼭 맞아야 합니다. 그러나, 커프(⁴⁹)를 감싸는 행위만으로도 팔에 과도한 압력을 가할 수 있는 과도한 조임을 피하는 것이 중요하다. 목표는 베이스라인 혈류역학적 매개변수를 변경할 수 있는 불필요한 압박을 유발하지 않고 안전하고 편안한 착용감을 달성하는 것입니다. 암을 압축하면 전체 프로토콜에 대한 데이터 품질이 저하되고 가해진 압력이 VOT의 목표 압력에 효과적으로 추가됩니다. 커프가 팔에 느슨하게 감겨 있는 경우 목표 압력에 도달하는 데 더 많은 공기가 필요하므로 더 많은 시간이 걸립니다. 이것은 산소 공급이 서서히 감소하기 때문에 생리를 조정하기 위한 조직에 시간을 줄 수 있으며, 이는 피해야 합니다⁵⁰.

조직에 과도한 압력을 가하지 않고 적절한 접촉을 유지하는 방식으로 스마트 프로브를 부착하는 것이 중요합니다. 이를 통해 국소 허혈의 위험을 피하면서 신뢰할 수 있는 측정이 가능합니다. 국소 허혈은 해당 부위로의 혈류가 제한될 때 발생하며, 이는 혈액 순환을 손상시키고 잠재적으로 측정값을 손상시킬 수 있다⁵¹.

프로브의 정전식 터치 센서는 프로브가 조직에 부착된 경우에만 레이저가 빛나도록 레이저 안전 시스템에서 사용됩니다. 환자의 팔에 모발 밀도가 높으면 터치 센서의 감도가 저하될 수 있습니다. 프로브의 센서 쪽에 얇은 투명 이중 테이프를 적용하면 터치 센서 문제를 효과적으로 완화할 수 있습니다. 이 테이프와 함께 프로브를 털이 많은 암에 부착하면 안정적이고 안정적인 터치 신호를 제공합니다. 이 테이프의 사전 정의된 절단은 광원과 검출기를 분리하는 스마트 프로브에 사용할 수 있습니다. 이러한 분리는 광원과 검출기 창 사이에 직사광선 채널이 형성되는 것을 방지하는 데 필수적이며, 이는 측정 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 투명 이중 테이프의 사용은 이러한 상황에서 터치 감지의 신뢰성을 향상시키는 실용적인 솔루션 역할을 합니다. 프로토콜 중에 터치 감지가 손실되면 레이저가 꺼지고 측정이 손실됩니다. 프로브에는 향후 백업 안전 조치로 활용될 수 있는 부하 센서도 있습니다.

환자가 팔을 움직이거나 작은 임상 개입으로 인해 기준선 단계에서 획득한 신호의 안정성이 중단되어 급격한 피크가 발생하는 경우 확장 기능을 활용하는 것이 좋습니다. 이 기능을 사용하면 3분 동안 안정적인 기준선을 획득할 수 있어 일관되고 신뢰할 수 있는 신호 측정이 보장됩니다.

프로토콜을 시작한 후 환자의 혈압이 크게 변할 수 있으며, 이는 VOT의 수축기 혈압보다 높은 목표 압력인 50mmHg에 도달하는 능력에 영향을 미칠 수 있다는 점을 고려하는 것이 중요합니다. 이러한 혈압의 변동은 환자의 생리적 반응, 약물 효과, 또는 다른 임상적 조건과 같은 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있다⁵². 따라서 VOT의 일관된 관리를 위해 필요한 경우 “+” 또는 “-” 버튼을 눌러 목표 압력을 조정해야 합니다.

VOT의 일반적인 실행은 운영자 가변성으로 인해 한계가 있으며, 이 프로토콜에서는 자동 VOT를 사용하여 해결됩니다. 수축기 혈압 수준보다 50mmHg의 교합 압력을 설정하는 전략을 사용하고 있습니다. 이 방법은 혈류를 멈추게 하며, VOT^53,54를 수행하기 위한 이전 연구들에서 보고된 바 있다. 이 프로토콜에서 VOT에 대한 개별화된 목표 압력은 VOT에 대한 일반적인 목표 압력을 고정하여 발생할 수 있는 혈관 수축을 방지하는 데 도움이 됩니다. 불필요하게 높은 압력으로 인한 통증은 혈관 수축을 유발하는 측정에 영향을 미칠 수 있습니다(예: 수축기 혈압이 120mmHg이고 목표 압력이 200mmHg 또는 250mmHg인 환자에서²⁹). 중환자실에 입원한 환자는 혈전증의 위험이 증가하는데, 이는 주로 장기간의 부동자세와 진정제와 같은 요인으로 인해 발생한다⁵⁵. 이는 위험을 피하기 위해 혈전증이나 혈전정맥염을 앓고 있는 환자에게 이 프로토콜을 사용할 수 없음을 의미합니다.

이 프로토콜의 적용은 손상된 반응성 충혈이 일반적인 특징이며 미세혈관 이상에 기여할 수 있는 ICU 집단에서 유용할 수 있습니다 ^3,56. 측정 중 작업자의 개입 없이 이 프로토콜에서 획득된 파라미터는 병리학적 상태를 구별하기 위해 패혈증, 암, 뇌졸중 등에 대해 문헌에서 단독으로 또는 작은 조합으로 이전에 사용되었습니다 1,11,15,31. 따라서 이러한 관련 매개변수의 조합이 여러 임상 응용 분야에 유용하다고 생각합니다. 이 프로토콜에 의해 기록된 데이터는 혈관 건강을 개선하기 위한 적절한 치료 전략을 선택하는 데 도움이 될 수 있다⁵⁷. 교합 및 재관류 중 조직 산소 공급 및 혈류 역학에 대한 귀중한 통찰력을 통해 중요한 장기에 대한 혈액 공급의 적절성을 평가할 수 있습니다. 이는 조직 저산소증을 식별하고 장기 관류를 최적화하기 위한 중재를 안내하는 데 도움이 될 수 있다⁵⁸. 미세혈관 산소화 및 반응성 충혈에 대한 실시간 정보를 사용하여 혈류역학적 관리, 유체 소생술 및 승압제 요법을 안내하는 추가 도구로 지원합니다^59,60. 이를 통해 중재는 개별 환자의 요구에 맞게 조정되어 조직 산소 공급 및 관류를 최적화합니다^61,62. 또한, 기계환기 환자의 경우, 자발호흡 시도 내에서 미세혈관 산소화 및 혈류의 진화적 변화는 도움 없이 호흡하는 작업으로 인해 증가하는 대사 부담을 충족하고 극복하기 위해 심혈관 내성을 평가할 때 가장 중요할 수 있다². 이를 위해 중환자실 환자에게 매일 중요하고 어려운 결정은 환자가 스스로 숨을 쉴 수 있다고 판단되고 기관내 튜브를 제거할 때 끝나는 이유식 과정입니다. 이 프로토콜의 종단적 적용은 중재의 효과를 평가하고, 질병 진행을 추적하고, 치료 전략을 안내하는 데 사용할 수 있습니다.

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