使用混合近红外漫反射光谱对重症监护的微血管氧合和反应性充血进行无创监测

危重症患者，尤其是脓毒症和其他类似疾病患者，常表现为反应性充血和微血管氧合受损 ^1,2,3。在第一波 COVID-19 大流行期间，数量不可预见的患者需要重症监护管理，在此期间，病毒对内皮的影响变得明显，但没有明确的评估和管理策略 ^4,5,6。因此，人们越来越认识到在重症监护病房 （ICU） 人群中检测内皮功能障碍的重要性，内皮功能障碍可以通过反应性充血间接评估⁷。对组织的氧气输送和消耗进行实用、稳健和广泛可用的评估，对于优化复苏策略和直接解决微循环问题至关重要。研究一致表明，持续的微循环改变以及大循环和微循环之间缺乏连贯性在一定程度上可以预测感染性休克或失血性休克等危重疾病患者的器官衰竭和不良结局，即使全身参数被认为是正常的 ^8,9,10.很明显，仅仅依靠宏观循环参数是不够的，因为微循环在组织氧合和器官功能中起着关键作用11,12,13。本文描述了一种使用基于近红外漫反射光学技术的新型多模态设备的协议，该设备是在专注于 ICU 患者的国际联盟中开发的。该项目 VASCOVID （https://vascovid.eu） 受到 COVID-19 大流行的推动，旨在评估重症监护中外周肌肉的微血管健康状况。我们使用开发的 VASCOVID 设备设计了一个协议，旨在增强我们对这些参数的理解，以及这些参数如何用于管理比 COVID-19 患者范围更广的危重患者。

几十年来，近红外光谱 （NIRS） 已被用于无创评估微循环，其临床应用范围广泛，包括 ICU 患者^{14、15、16、17}。需要注意的是，近红外光谱的最简单应用，即连续波近红外光谱（CW-NIRS），是在广泛使用和临床批准的设备^17,18中实现的，用于测量氧（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的绝对浓度，以计算微血管系统的血液/组织氧饱和度（StO₂）。虽然这些设备在临床管理中（例如在心脏手术中）中找到了利基用途，但由于光子在组织中传播的物理特性，它们具有明显的局限性。这意味着它们的准确性、精确度和可重复性值得怀疑，因此，它们经常被用作趋势监测器^19,20。此外，他们的结果受到表层组织的严重影响，例如覆盖的脂肪层和皮肤层。

时间分辨近红外光谱 （TRS） 在多个波长下使用皮秒范围内的短激光脉冲来评估它们在穿过组织²¹ 后的延迟和展宽。这使得 TRS 能够将吸收和散射的影响分开，以获得稳健、准确和精确的估计值，还允许它计算总血红蛋白浓度 （HbT）。由于TRS还可以解析路径长度，因此可以利用它来更好地将浅层信号与感兴趣的深层信号^分离18,21。这是以复杂性、价格和笨重为代价的。然而，近年来，TRS 系统的复杂性和成本有所下降，从而产生了更易于访问和更易于使用的设备。本手稿描述了一种使用紧凑型原始设备制造商 （OEM） 商用 TRS 模块^22,23 的设备。

漫反射相关光谱 （DCS） 是另一种近红外技术，它利用漫反射散斑的时间统计来量化光散射粒子的运动，这些粒子以组织中的红细胞为主^16,24。反过来，这是众所周知的微血管血流指标，我们称之为血流指数 （BFI）²⁵。在混合光学器件中同时使用 TRS 和 DCS，通过利用通用模型推导局部氧提取分数并乘以血流量 15,26,27，可以深入了解氧代谢。

为了评估 ICU 的微循环，NIRS 通常与血管闭塞试验 （VOT） 一起使用，这是一种缺血性挑战，通过阻断探测外周肌肉的血液供应一定持续时间（几分钟）28,29,30,31,32。最常见的是，它是通过在收缩压³³以上充气缠绕在上臂上的止血带来执行的。在 VOT 期间，临床医生评估微血管血氧对血流变化的反应，以得出静息和反应性充血时的氧代谢³⁴。假设在 VOT 期间，袖带充气远高于肢体咬合压力，没有血液流入或流出。因此，VOT 的开始显示 StO₂ 的向下斜率，即脱氧 （DeO₂），因为氧气被组织消耗，这允许估计耗氧的代谢率。当 VOT 结束并且袖带放气时，血液涌入以补偿其消耗，导致充血反应。这种冲动在 StO 2 中产生急剧上升的斜率_，即再氧合 （ReO₂）。充血反应是超过初始基线的增加，缓慢恢复到基线，估计反应性充血。近红外光谱与 VOT 的结合因其易于使用和预测脓毒症等危重疾病的不良结局甚至死亡率的潜力而越来越受到重症监护的兴趣 35,36,37。

在 COVID-19 大流行期间，我们的团队发起了一个全球联盟，并于最近完成了所谓的 HEMOCOVID-19 试验，显示外周微循环改变与 COVID-19 患者急性呼吸窘迫综合征的严重程度之间存在关联⁶.这也得到了其他作品^{的支持7,38}。所有这些研究都是使用上述CW-NIRS系统完成的，因此存在其缺点。此外，VOT 的执行在不同的研究中没有标准化，并且受到各种参数的影响，如闭塞持续时间、止血带压力和基于操作员的变化 29,39,40。文献综述清楚地表明，要使 VOT 和 NIRS 在临床上获得牵引力，重要的是要测量血流量、制定标准化协议并拥有强大的 NIRS 系统¹¹。因此，我们提出，通过使用更先进的近红外光谱 （TRS） 形式、测量血流量和标准化 VOT 期间的袖带控制，可以更好地区分病理状况和健康状况。为此，我们开发了这种混合漫反射光学设备，它集成了多个模块，包括两个近红外漫反射光学模块 TRS 和 DCS、脉搏血氧仪和自动止血带。脉搏血氧饱和度模块提供心率 （HR）、灌注指数和动脉血氧饱和度百分比 （SpO₂）。设备中使用快速止血带，这对于执行 VOT 至关重要。该设备配有一个可选的附件盒，使我们能够在使用过程中获取额外的信息，以进行扩展和连续的质量控制，例如对 TRS 的仪器响应函数 （IRF） 进行常规和实际测量，以及在组织模拟模型上进行测量以评估纵向稳定性。该设备如图 1 所示，该设备已在 ICU 中使用。

图 1：ICU 中便携式设备的床边布置，探头和袖带连接到患者身上。 请点击这里查看此图的较大版本.

多模态智能探头将用于 TRS 和 DCS 的源和探测器光纤与设备内部的滤光片相结合，可防止 DCS 和 TRS 之间的干扰。该系统中使用的源-检测器间隔为 25 mm。此外，该探头还集成了电容式触摸传感器，根据激光安全标准 （IEC 60601-2-22：2019）⁴¹，提供有价值的安全功能来防止激光危害。设备内的激光安全系统确保激光发射仅在探头与组织接触时发生。如果检测到探头脱落，激光器会立即关闭，确保患者和操作人员的安全。此外，该探头还集成了加速度计、负载传感器和光传感器，用于附加功能和数据收集目的。

本文描述了使用开发的设备同时探测肱桡肌和 VOT 的自动化协议。协议时间线如 图 2 所示。该协议是完全自动化的，在整个执行过程中不需要操作员干预。通过利用这种新型设备的功能，我们旨在获得有价值的见解，让医生更好地了解外周耗氧量的生理病理学，并评估耗氧量和输送量的比例，从而帮助他们全面有效地改善患者护理。

图 2：协议时间线。 患者在整个时间线中处于静止状态，初始基线和恢复期的压力为 0 mmHg。VOT 是在止血带充气至比患者收缩压高 50 mmHg 的压力的情况下进行的。 请点击这里查看此图的较大版本.