救命救急のためのハイブリッド近赤外拡散光学分光法を用いた微小血管酸素化および反応性充血の非侵襲的モニタリング

重症患者、特に敗血症やその他の同様の状態の患者は、反応性充血と微小血管酸素化の障害を示すことがよくあります^1,2,3。COVID-19パンデミックの最初の波では、予期せぬ数の患者が集中治療管理を必要とし、その間にウイルスの内皮への影響が明らかになりましたが、評価および管理するための明確な戦略はありませんでした^4,5,6。その結果、反応性充血によって間接的に評価できる内皮機能障害を、集中治療室(ICU)集団などの救命救急において検出することの重要性が認識されつつあります⁷。組織への酸素供給と消費の実用的で堅牢で広く利用可能な評価は、蘇生戦略を最適化し、微小循環の問題に直接対処する上で最も重要であると予想されます。研究は一貫して、持続的な微小循環の変化と大循環と微小循環の間の一貫性の欠如が、ある程度、臓器不全と好ましくない転帰を予測することを実証しています 敗血症性ショックまたは出血性ショックの影響を受けた患者、他の重篤な状態の中でも、全身パラメータ^{が正常であると}考えられる場合でも^8,9,10.微小循環は組織の酸素化と臓器機能に重要な役割を果たすため、大循環パラメータのみに頼ることは不十分であることが明らかになりました11,12,13。本稿では、ICU患者を対象とした国際コンソーシアムで開発された近赤外拡散光学技術に基づく新しいマルチモーダルデバイスを用いたプロトコルについて述べる。プロジェクトVASCOVID(https://vascovid.eu)は、COVID-19のパンデミックをきっかけに、集中治療室の末梢筋の微小血管の健康状態を評価することが動機付けられました。私たちは、これらのパラメーターの理解を深め、これらのパラメーターがCOVID-19患者よりもはるかに広い範囲の重症患者の管理にどのように役立つかについての理解を深めることを目的とした、開発されたVASCOVIDデバイスを使用してプロトコルを設計しました。

近赤外分光法(NIRS)は、ICU患者^{14、15、16、17}を含む幅広い臨床用途で、何十年にもわたって微小循環を非侵襲的に評価するために利用されてきました。NIRSの最も単純なアプリケーション、すなわち連続波NIRS(CW-NIRS)は、広く使用され、臨床的に承認されたデバイスに実装されていることに注意することが重要です^17,18、オキシヘモグロビンの絶対濃度を測定するために使用される (HbO)およびデオキシヘモグロビン(HbR)微小血管系の血液/組織酸素飽和度(StO₂)を計算します。これらのデバイスは、心臓手術などの臨床管理でニッチな用途が見出されていますが、組織内の光子伝搬の物理学のために明確な制限があります。これは、それらの正確性、精度、および再現性が疑わしいことを意味するため、トレンドモニターとして利用されることがよくあります^19,20。さらに、それらの結果は、重なり合う脂肪層や皮膚層などの表在組織に大きく影響されます。

時間分解NIRS(TRS)は、複数の波長でピコ秒範囲の短いレーザーパルスを使用して、組織を通過した後の遅延と広がりを評価します²¹。これにより、TRSは吸収の影響を散乱から分離して、堅牢で正確かつ精密な推定値を得ることができ、総ヘモグロビン濃度(HbT)を計算することもできます。TRSは経路長も分解するので、表面的な信号を関心のある深い信号からよりよく分離するために利用することができる^18,21。これには、複雑さ、価格、かさばるという代償が伴います。しかし、近年、TRSシステムの複雑さとコストが下がったため、よりアクセスしやすく使いやすいデバイスになりました。この原稿は、コンパクトな相手先ブランド供給(OEM)の商用TRSモジュール^22、23を使用するデバイスについて説明する。

拡散相関分光法(DCS)は、組織内の赤血球が支配する光散乱粒子の動きを定量化するために、拡散スペックルの時間統計を利用する別の近赤外技術です^16,24。これは、微小血管血流の指標としてよく知られており、血流指数(BFI)²⁵と呼ばれています。ハイブリッド光学デバイスでTRSとDCSを同時に使用すると、一般的なモデルを利用して局所酸素抽出画分を導き出し、血流15,26,27を掛けることにより、酸素代謝に関する洞察が得られます。

ICUでの微小循環を評価するために、NIRSはしばしば血管閉塞試験(VOT)で利用されますが、これは、プローブされた末梢筋への血液供給を一定時間(数分)遮断することによって実行される虚血性チャレンジです28,29,30,31,32。最も一般的には、収縮期血圧³³より上で上腕に巻かれた止血帯を膨らませることによって実行される。VOT中、臨床医は、安静時の酸素代謝と反応性充血を引き出すために、血流の変化に対する微小血管血中酸素化の応答を評価します³⁴。VOT中、カフが四肢閉塞圧よりかなり高く膨らんでいると仮定され、血液の流入または流出はありません。したがって、VOTの開始は、酸素が組織によって消費されるにつれて、_StO2の下向きの傾き、すなわち脱酸素化(_DeO2)を示し、酸素消費の代謝率の推定を可能にする。VOTが終了して袖口がしぼむと、その枯渇を補うために血液が流れ込み、充血反応を引き起こします。この突進は、StO 2に急激な上向きの傾き_、すなわち再酸素化(ReO₂)を発生させる。充血反応は、最初のベースラインを超えて増加し、ベースラインへの回復が遅いため、反応性充血を推定します。NIRSとVOTの組み合わせは、その使いやすさと、敗血症^35、36、37などの重篤な状態での有害な結果や死亡率を予測する可能性から、集中治療への関心が高まっています。

COVID-19のパンデミックの間、私たちのグループは世界的なコンソーシアムを開始し、最近、COVID-19^{患者における}末梢微小循環の変化と急性呼吸窮迫症候群の重症度との関連を示す、いわゆるHEMOCOVID-19試験を完了しました6。これは他の作品によっても支持された^7,38。これらの研究はすべて、上記のCW-NIRSシステムで行われたため、欠点に悩まされていました。さらに、VOTの実行はさまざまな研究で標準化されておらず、閉塞時間、止血帯の圧力、オペレーターベースの変動などのさまざまなパラメーターの影響を受けます29,39,40。文献レビューは、VOTとNIRSが診療所で牽引力を得るためには、血流を測定し、標準化されたプロトコルを持ち、堅牢なNIRSシステムを持つことが重要であることを明確に示しています¹¹。そこで、より高度なNIRS(TRS)を活用し、血流を測定し、VOT時のカフコントロールを標準化することで、病態と健常の病態をよりよく区別できるのではないかと提案しました。そのために、TRSとDCSの2つの近赤外拡散光モジュール、パルスオキシメトリー、自動止血帯を含む複数のモジュールを統合したハイブリッド拡散光学デバイスを開発しました。パルスオキシメトリモジュールは、心拍数(HR)、灌流指数、および動脈血酸素飽和度(SpO₂)のパーセンテージを提供します。この装置には高速止血帯が使用されており、これはVOTの実行に不可欠です。この装置にはオプションのアクセサリボックスが付属しており、TRSの機器応答機能(IRF)の日常的かつ実用的な測定や、縦方向の安定性を評価するための組織模倣ファントムでの測定など、拡張および継続的な品質管理のために使用中に追加情報を取得できます。この装置は、図 1 の ICU で使用されている状態を示しています。

図1:プローブとカフを患者に取り付けたICU内のポータブルデバイスのベッドサイド配置。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

マルチモーダルスマートプローブは、TRSとDCSの両方のソースと検出器の光ファイバーを組み込み、DCSとTRSの間の干渉を防ぐ光学フィルターをデバイス内に内蔵しています。このシステムで使用される光源と検出器の分離は25mmです。さらに、プローブには静電容量式タッチセンサーが組み込まれており、レーザー安全規格(IEC 60601-2-22:2019)⁴¹に従ってレーザーの危険を防ぐための貴重な安全機能を提供します。装置内のレーザー安全システムにより、プローブが組織に接触している場合にのみレーザーが放出されます。プローブの取り外しが検出されると、レーザーはすぐにオフになり、患者とオペレーターの両方の安全が確保されます。さらに、このプローブは、加速度センサー、負荷センサー、光センサーと統合されており、機能の追加とデータ収集を目的としています。

本稿では、開発した装置を用いてVOTと同時に腕橈骨筋をプローブする自動プロトコルについて述べる。プロトコルのタイムラインを 図 2 に示します。プロトコルは完全に自動化されており、実行中にオペレーターの介入は必要ありません。この新しいデバイスの機能を活用することで、医師が末梢酸素消費の生理病理をよりよく理解し、酸素消費量と送達の比率を評価することで、患者ケアを包括的かつ効率的に改善するための貴重な洞察を得ることを目指しています。

図2:プロトコルのタイムライン患者はタイムライン全体を通して安静で、最初のベースラインと回復期間で 0 mmHg の圧力です。VOTは、患者の収縮期血圧よりも50mmHg高い圧力に膨張した止血帯で行われます。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。