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Abstract
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Protocol
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参考文献
医学

Monitoramento Não Invasivo da Oxigenação Microvascular e Hiperemia Reativa por Espectroscopia Óptica Difusa Híbrida no Infravermelho Próximo para Terapia Intensiva

Published: May 10, 2024
doi:
10.3791/66062
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1ICFO – Institut de Ciències Fotòniques, The Barcelona Institute of Science and Technology, 2Dipartimento di Fisica,Politecnico di Milano, 3Critical Care Department,Parc Taulí Hospital Universitari, 4Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria,Politecnico di Milano, 5ASPHALION s.l., 6Splendo, 7BioPixS-Biophotonics Standards, IPIC,Tyndall National Institute, 8Hemophotonics s.l., 9PIONIRS s.r.l., 10Consiglio Nazionale delle Ricerche,Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, 11Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)

概要

Descrevemos um protocolo para medir de forma não invasiva e contínua o índice de fluxo sanguíneo microvascular absoluto e a saturação sanguínea de oxigênio usando um dispositivo multimodal baseado em óptica difusa no infravermelho próximo. Em seguida, avaliamos a taxa metabólica de consumo de oxigênio e hiperemia reativa utilizando um teste de oclusão vascular.

Abstract

A detecção de níveis de comprometimento no consumo microvascular de oxigênio e hiperemia reativa é vital em cuidados intensivos. No entanto, não existem meios práticos para uma avaliação robusta e quantitativa. Este artigo descreve um protocolo para avaliar essas deficiências usando um dispositivo óptico híbrido de infravermelho próximo difuso. O dispositivo contém módulos para espectroscopias de correlação difusa e resolvida no tempo no infravermelho próximo e oximetria de pulso. Esses módulos permitem a mensuração não invasiva, contínua e em tempo real da saturação absoluta de oxigênio (StO2) microvascular e do índice de fluxo sanguíneo (BFI), juntamente com a saturação arterial periférica de oxigênio (SpO2). Este dispositivo utiliza um sistema de torniquete integrado controlado por computador para executar um protocolo padronizado com aquisição óptica de dados do músculo braquiorradial. O teste de oclusão vascular padronizado (VSV) cuida das variações na duração e pressão de oclusão relatadas na literatura, enquanto a automação minimiza as diferenças interoperadores. O protocolo que descrevemos foca em um período de oclusão de 3 min, mas os detalhes descritos neste trabalho podem ser facilmente adaptados a outras durações e pressões do cuff, bem como a outros músculos. A inclusão de uma medida do período de recuperação basal e pós-oclusão prolongado permite quantificar os valores basais para todos os parâmetros e a taxa de desoxigenação hemato/tecidual que corresponde à taxa metabólica de consumo de oxigênio. Uma vez liberado o manguito, caracterizamos a taxa de reoxigenação tecidual, a magnitude e a duração da resposta hiperêmica no BFI e StO2. Esses últimos parâmetros correspondem à quantificação da hiperemia reativa, que fornece informações sobre a função endotelial. Além disso, as medidas acima mencionadas da concentração absoluta de hemoglobina oxigenada e desoxigenada, BFI, taxa metabólica derivada do consumo de oxigênio, StO2 e SpO2 fornecem um conjunto de dados ricos ainda a ser explorado que pode exibir gravidade da doença, terapêutica personalizada e intervenções de manejo.

Introduction

Pacientes gravemente enfermos, particularmente aqueles com sepse e outras condições semelhantes, frequentemente apresentam hiperemia reativa e oxigenação microvascular prejudicadas 1,2,3. Durante as primeiras ondas da pandemia de COVID-19, um número imprevisto de pacientes necessitou de terapia intensiva, durante o qual o impacto do vírus no endotélio tornou-se evidente, mas sem uma estratégia clara para avaliar e manejar 4,5,6. Como resultado, tem havido um crescente reconhecimento da importância da detecção da disfunção endotelial, que pode ser avaliada indiretamente pela hiperemia reativa, em terapia intensiva, ou seja, na população de unidade de terapia intensiva (UTI)7. Espera-se que uma avaliação prática, robusta e amplamente disponível da oferta e consumo de oxigênio para os tecidos seja de extrema importância na otimização de estratégias de ressuscitação e na abordagem direta de questões microcirculatórias. Estudos têm consistentemente demonstrado que alterações microcirculatórias persistentes e falta de coerência entre macrocirculação e microcirculação são, em alguma medida, preditivas de falência orgânica e desfechos desfavoráveis em pacientes acometidos por choque séptico ou choque hemorrágico, entre outras condições críticas, mesmo quando os parâmetros sistêmicos são considerados normais 8,9,10. Tornou-se evidente que confiar apenas em parâmetros macrocirculatórios é inadequado, uma vez que a microcirculação desempenha um papel crítico na oxigenação tecidual e na função de órgãos 11,12,13. Este artigo descreve um protocolo que utiliza um novo dispositivo multimodal baseado em tecnologias ópticas difusas no infravermelho próximo que foi desenvolvido dentro de um consórcio internacional que se concentra em pacientes de UTI. O projeto, VASCOVID (https://vascovid.eu), foi motivado pela pandemia de COVID-19 para avaliar a saúde microvascular em músculos periféricos em terapia intensiva. Nós projetamos um protocolo usando o dispositivo VASCOVID desenvolvido que visa melhorar nossa compreensão desses parâmetros e como esses parâmetros podem ser úteis no manejo de pacientes gravemente enfermos com um escopo muito mais amplo do que pacientes COVID-19.

A espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) tem sido utilizada para avaliar a microcirculação de forma não invasiva há décadas em uma ampla gama de aplicações clínicas, incluindo pacientes internados em UTI 14,15,16,17. É importante ressaltar que a aplicação mais simples da NIRS, ou seja, a NIRS de onda contínua (RCN-RCN), é implementada em aparelhos amplamente utilizados e clinicamente aprovados17,18, utilizados para medir as concentrações absolutas de oxi- (HbO) e desoxi-hemoglobina (HbR) para calcular a saturação de oxigênio no sangue/tecido (StO2) da microvasculatura. Embora esses dispositivos tenham encontrado usos de nicho no manejo clínico, como durante a cirurgia cardíaca, eles têm limitações claras devido à física da propagação de fótons nos tecidos. Isso significa que sua acurácia, precisão e repetibilidade são questionáveis, sendo, portanto, frequentemente utilizadas como monitores de tendência19,20. Além disso, seus resultados são fortemente influenciados por tecidos superficiais, como as camadas adiposas e cutâneas sobrepostas.

A NIRS resolvida no tempo (TRS) emprega pulsos curtos de laser na faixa de picossegundos em múltiplos comprimentos de onda para avaliar seu atraso e alargamento após a travessia através de um tecido21. Isso permite que o TRS separe os efeitos da absorção do espalhamento para obter estimativas robustas, precisas e precisas, permitindo também calcular a concentração de hemoglobina total (HbT). Como o TRS também resolve o comprimento das vias, ele pode ser utilizado para separar melhor os sinais superficiais dos sinais profundos de interesse18,21. Isso tem o custo da complexidade, do preço e do volume. No entanto, nos últimos anos, os sistemas TRS diminuíram em complexidade e custo, resultando em dispositivos mais acessíveis e fáceis de usar. Este manuscrito descreve um dispositivo que utiliza um módulo comercial TRS compacto do fabricante original do equipamento (OEM)22,23.

A espectroscopia de correlação difusa (DCS) é outra tecnologia no infravermelho próximo que utiliza a estatística temporal de manchas difusas para quantificar o movimento de espalhamento de luz, que são dominadas por hemácias nos tecidos16,24. Este, por sua vez, é bem conhecido por ser um indicador do fluxo sanguíneo microvascular, que chamamos de índice de fluxo sanguíneo (ICB)25. O uso simultâneo de TRS e DCS em um dispositivo óptico híbrido oferece informações sobre o metabolismo do oxigênio, utilizando modelos comuns para derivar a fração local de extração de oxigênio e multiplicar pelo fluxo sanguíneo 15,26,27.

Para avaliar a microcirculação na UTI, a NIRS é frequentemente utilizada com um teste de oclusão vascular (VSV), que é um desafio isquêmico que é realizado bloqueando o suprimento sanguíneo para o músculo periférico sondado por um determinado tempo (alguns minutos)28,29,30,31,32. Mais comumente, é executada pela insuflação de um torniquete enrolado ao redor do braço acima da pressão sistólica33. Durante a VSV, os clínicos avaliam a resposta da oxigenação sanguínea microvascular a alterações no fluxo sanguíneo para derivar metabolismo de oxigênio em repouso e hiperemia reativa34. Parte-se do pressuposto de que durante a VSV, com o manguito inflado bem acima da pressão de oclusão do membro, não há entrada ou saída de sangue. Portanto, o início da VSV apresenta uma inclinação descendente da StO2, ou seja, desoxigenação (DeO2), uma vez que o oxigênio é consumido pelo tecido, o que permite estimar a taxa metabólica de consumo de oxigênio. Quando a VSV termina e o manguito é desinsuflado, o sangue corre para compensar sua depleção, levando a uma resposta hiperêmica. Essa pressa gera uma inclinação acentuada para cima na StO2, ou seja, uma reoxigenação (ReO2). A resposta hiperêmica, que é um aumento além da linha de base inicial com uma recuperação lenta de volta à linha de base, estima a hiperemia reativa. A combinação da NIRS com a VSV tem ganhado interesse crescente nos cuidados intensivos devido à sua facilidade de uso e potencial para predizer desfechos adversos e até mesmo mortalidade em condições críticas, como a sepse35,36,37.

Durante a pandemia COVID-19, nossos grupos iniciaram um consórcio mundial e recentemente concluíram o chamado ensaio HEMOCOVID-19, mostrando uma associação entre alterações microcirculatórias periféricas e gravidade da síndrome do desconforto respiratório agudo em pacientes COVID-196. Isso foi apoiado por outros trabalhos também 7,38. Todos esses estudos foram feitos com os sistemas CW-NIRS supracitados, sofrendo, portanto, de suas deficiências. Além disso, a execução da VSV não foi padronizada em diferentes estudos e é afetada por vários parâmetros, como duração da oclusão, pressão do torniquete e variações baseadas no operador 29,39,40. Uma revisão da literatura mostra claramente que, para que a VSV e a NIRS ganhem força nas clínicas, é importante medir o fluxo sanguíneo, ter protocolos padronizados e ter um sistema robusto daNIRS11. Portanto, propusemos que, utilizando uma forma mais avançada de NIRS (TRS), medindo o fluxo sanguíneo e padronizando o controle do manguito durante a VSV, uma melhor discriminação das condições patológicas das saudáveis poderia ser alcançada. Para esse fim, desenvolvemos este dispositivo óptico difuso híbrido que integra vários módulos englobando dois módulos ópticos difusos de infravermelho próximo de TRS e DCS, oximetria de pulso e um torniquete automatizado. O módulo de oximetria de pulso fornece a frequência cardíaca (FC), índice de perfusão e porcentagem de saturação arterial de oxigênio (SpO2). Um torniquete rápido é usado no dispositivo, o que é fundamental para a realização da VSV. O dispositivo vem com uma caixa acessória opcional que permite adquirir informações adicionais durante o uso para controle de qualidade estendido e contínuo, como a medição rotineira e prática da função de resposta do instrumento (IRF) para TRS e a medição em um simulador de imitação de tecido para avaliar a estabilidade longitudinal. O dispositivo é apresentado como sendo utilizado na UTI na Figura 1.

Figure 1
Figura 1: Disposição à beira do leito do dispositivo portátil na UTI com as sondas e o manguito acoplados ao paciente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A sonda inteligente multimodal incorpora fibras ópticas de fonte e detector para TRS e DCS com filtros ópticos dentro do dispositivo que impedem a interferência entre DCS e TRS. A separação fonte-detector utilizada neste sistema é de 25 mm. Além disso, a sonda incorpora um sensor de toque capacitivo, fornecendo um valioso recurso de segurança para evitar riscos de laser de acordo com a norma de segurança do laser (IEC 60601-2-22:2019)41. O sistema de segurança do laser dentro do dispositivo garante que a emissão do laser ocorra apenas quando a sonda está em contato com o tecido. Se o descolamento da sonda for detectado, os lasers são imediatamente desligados, garantindo a segurança dos pacientes e operadores. Além disso, a sonda é integrada com um acelerômetro, sensor de carga e sensor de luz para funcionalidade adicional e fins de coleta de dados.

Este trabalho descreve o protocolo automatizado em que sondamos o músculo braquiorradial simultaneamente a uma VSV utilizando o dispositivo desenvolvido. A linha do tempo do protocolo é mostrada na Figura 2. O protocolo é totalmente automatizado e não são necessárias intervenções do operador ao longo de sua execução. Ao alavancar as capacidades deste novo dispositivo, pretendemos obter insights valiosos que permitam aos médicos entender melhor a fisiopatologia do consumo periférico de oxigênio e também avaliar a proporção de consumo e entrega de oxigênio, ajudando-os a melhorar o atendimento ao paciente de forma abrangente e eficiente.

Figure 2
Figura 2: Linha do tempo do protocolo. O paciente permanece em repouso durante toda a linha do tempo com pressão de 0 mmHg no início basal e no período de recuperação. A VSVE é realizada com torniquete inflado a uma pressão 50 mmHg maior que a pressão arterial sistólica do paciente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

O estudo foi aprovado pelo comitê de ética local do Parc Tauli Hospital Universitari. Consentimento informado e assinado foi obtido dos pacientes ou de seus parentes próximos. As contraindicações absolutas para a entrada no protocolo foram: suspeita clínica ou confirmação ecográfica de trombose venosa no braço estudado, outras lesões vasculares ou traumáticas no braço estudado, perda da integridade da pele ou lesões que pudessem dificultar a colocação da sonda. 1. Autoteste do dispositivo Ligue o dispositivo. O dispositivo começa com um software desenvolvido internamente. Vire a tecla de segurança para a posição ON , coloque a sonda completamente dentro da caixa da função de resposta do instrumento (IRF) e pressione o botão Reset na sonda se ela estiver brilhando. Pressione o botão OK na caixa de diálogo pop-up e aguarde até que o dispositivo esteja pronto.NOTA: O dispositivo executa autotestes para garantir um funcionamento estável. O usuário é notificado por uma mensagem pop-up quando o dispositivo está pronto. 2. IRF opcional e medição fantasma Pressione OK quando o dispositivo estiver pronto. Pressione Sim quando pedir para medir um IRF. O dispositivo ajusta automaticamente a intensidade do laser para atingir a taxa de contagem desejada de 1 milhão. Pressione o botão Parar quando uma taxa de contagem estável e DTOF forem observados. Este IRF é salvo em arquivos, bem como carregado no software para ser utilizado para cálculos em tempo real. Insira a sonda na caixa Fantasma corretamente para que o indicador de sonda anexado esteja ligado. Pressione o botão Phantom para iniciar o protocolo fantasma.NOTA: O teste de controle de qualidade verifica se um número suficiente de fótons é recebido pelos detectores DCS e TRS e também verifica se as contagens escuras estão dentro dos limites desejados. Continue gravando por pelo menos 30 s após o controle de qualidade para ter uma quantidade suficiente de dados salvos para análise off-line adicional. 3. Preparo da medida à beira do leito Fixe o torniquete no braço acima do cotovelo, como feito durante uma medição da pressão arterial. Não enrole o manguito frouxamente ou com muita força ao redor do braço.NOTA: Prender o torniquete requer mais ar para atingir a pressão desejada. A inflação lenta permite que o corpo reajuste sua fisiologia. Conecte o oxímetro de pulso ao dedo indicador do mesmo braço. Se não for possível prender ao dedo indicador, prenda-o a qualquer outro dedo. Localize o músculo braquiorradial a ser sondado, que fica no antebraço lateral logo abaixo do cotovelo. Peça ao paciente para abrir e fechar um punho para sentir o músculo colocando os dedos no antebraço. No caso de pacientes sedados ou se eles não puderem se mover, trace o músculo torcendo levemente o braço com uma mão. Sinta o músculo entre o polegar e os dedos da outra mão. Medir a circunferência do braço ao redor do músculo localizado usando uma fita métrica macia, como mostra a Figura 3. Medir a espessura aproximada do tecido adiposo na parte superior do músculo usando um paquímetro digital de gordura corporal, como mostrado na Figura 4. Fixe a cabeça da sonda ao músculo com as fibras ópticas e os cabos indo em direção à mão, como mostra a Figura 5.NOTA: Não prenda bem a sonda; Pode afetar a fisiologia tecidual. Verifique se as fibras não estão tocando objetos em movimento e se isso pode criar artefatos nos dados. Cubra a sonda com um pano preto para bloquear a luz externa.OBS: Se o paciente estiver acordado, informe-o que a VSV pode causar uma sensação de formigamento e ele não deve mover o braço. Figura 3: Medida da circunferência braquiorradial ao redor do músculo braquiorradial. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4: Medida da espessura do tecido adiposo no topo do músculo utilizando um paquímetro de gordura corporal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5: Sonda presa ao músculo com fibras e cabos indo em direção à mão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 4. Aquisição de dados Verifique se o indicador LED conectado à sonda no painel frontal do dispositivo está brilhando e se o ícone de toque no software está verde, mostrando que a sonda está conectada. Pressione o botão Temporizado do protocolo . Certifique-se de que ele abra uma nova caixa de diálogo, como mostra a Figura 6. Digite o ID do indivíduo, o ID do operador e a pressão alvo de 50 mmHg maior que a pressão arterial sistólica. Pressione OK para iniciar o protocolo automatizado. Os dados em tempo real são exibidos nos gráficos. O protocolo começa com o controle de qualidade que ajusta automaticamente a potência do laser e verifica a contagem de fótons e a interferência entre as modalidades. A verificação de qualidade é concluída dentro de 2 minutos. Observe os ícones circulares rotulados TRS e DCS, que devem ficar verdes no final da verificação de qualidade dos dados.NOTA: Os ícones verdes mostram que a taxa de contagem de fótons está dentro da faixa desejada, não há luz externa entrando na sonda e não há crosstalk entre as modalidades. Assim, a medição pode ser continuada. Os gráficos são redefinidos no final da fase de qualidade, e os sinais que representam os dados do paciente são plotados em tempo real. Continue da etapa 2.6 se os ícones TRS e DCS não ficarem verdes e permanecerem vermelhos no final da verificação de qualidade. Pressione o botão Stop para abortar o protocolo se o paciente estiver instável ou precisar de intervenção clínica súbita a qualquer instante durante o protocolo. Pressione o botão Estender para adicionar 30 s de duração pré-oclusão se o paciente mover o braço e não tiver sinais basais estáveis.NOTA: O operador pode pressionar o botão Estender quantas vezes e em qualquer fase forem necessárias; Cada botão pressionado adicionará 30 s. Certifique-se de que o torniquete infla automaticamente para a pressão desejada para iniciar a VSV. Pressione os botões + ou – para aumentar ou diminuir a pressão de oclusão desejada em passos de 5 mmHg se a pressão arterial do paciente mudar após o início do protocolo. O início e a parada da VOT são automaticamente marcados com linhas verticais amarelas.NOTA: O software está configurado para adquirir dados continuamente e executar automaticamente 3 minutos de VOT após 3 minutos da linha de base. O protocolo padrão pré-definido tem duração de mais seis minutos após a realização da VSV para avaliar a recuperação após o término da resposta hiperêmica do paciente e obtenção de um quadro estável. Pressione OK quando o operador for notificado na conclusão do protocolo por meio de uma notificação pop-up, que marca a conclusão bem-sucedida do protocolo. Remova as sondas e o manguito do paciente e limpe-os com um cotonete de álcool ou equivalente. Anote manualmente as informações clínicas e demográficas (de acordo com os protocolos de estudo pré-definidos), a circunferência do braço no local da sonda e a espessura do tecido adiposo sobrejacente no formulário de dados do paciente. Figura 6: Captura de tela dos parâmetros de protocolo usados para executar automaticamente todo o protocolo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 5. Análise dos dados Use um script/programa escrito em sua linguagem favorita (exemplo Python ou MATLAB) para abrir e visualizar dados binários gravados. Calcular o índice de consumo de oxigênio que representa o metabolismo tecidual e é definido como:onde Hb é o hematócrito, que é registrado a partir do prontuário clínico do paciente no formulário de dados do paciente. Calcule a taxa de DeO2 (inclinação da StO2 do início da VSV até 1 min), amplitude da DeO2 (StObasal 2- StO mínima2), taxa de ReO2 (inclinação da StO2 desde o término da VSV até atingir o valor de pico), amplitude do pico hiperêmico da StO2 e BFI (valores de pico) e área sob a curva (AUC) da resposta reativa após a VSV tanto para StO2 quanto para BFI.NOTA: O cálculo dos valores absolutos em tempo real de HbO, HbR, HbT e StO2 é obtido pelo algoritmo de ajuste usando a distribuição de curvas de tempo de voo (DTOF) do TRS de ambos os comprimentos de onda. Os detalhes teóricos podem ser encontrados em Torricelli et al., e Contini et al.18,21. O cálculo do BFI em tempo real é realizado pelo algoritmo de ajuste utilizando as curvas de autocorrelação do CDC. Os detalhes teóricos podem ser encontrados em Durduran e Yodh16.

Representative Results

Os estudos clínicos em andamento utilizaram o dispositivo por mais de 300 h por vários usuários treinados para realizar medições em pacientes de UTI e controles saudáveis, obter resultados clinicamente relevantes e caracterizar o desempenho in vivo do sistema em um cenário real. Aqui, demonstramos alguns exemplos de rastros temporais dos dados de um único assunto que são visíveis para o usuário. Os resultados preliminares do protocolo são medidos e exibidos em tempo real, como HbO, HbR, HbT, StO2, SpO2 e BFI. Diferentes parâmetros derivados, como MRO2, DeO2, ReO2 e AUC, são descritos. A Figura 7 mostra o monitor do dispositivo durante a etapa 3.3, que mostra a qualidade dos dados, onde as potências do laser são ajustadas, as contagens de fótons e o crosstalk entre as modalidades são testados automaticamente. O monitor do aparelho apresenta duas curvas de autocorrelação de intensidade (g2), pois o aparelho possui duas fibras detectoras DCS acopladas a módulos de contagem de fótons únicos e o DTOF para ambos os comprimentos de onda do aparelho TRS. O comprimento de onda do laser utilizado para SDCD é de 785 nm, enquanto o módulo TRS OEM brilha lasers a 685 nm e 830 nm. As curvas de autocorrelação no gráfico superior parecem ser ruidosas em tempos de atraso mais baixos. Isso pode ser parcialmente devido à baixa intensidade de luz neste exemplo específico. O aumento da intensidade luminosa e a detecção independente/paralela de fibras têm sido recomendados para aumentar a relação sinal-ruído para DCS42,43. Portanto, uma média de dois canais DCS está sendo planejada para reduzir o efeito do ruído e, posteriormente, calcular um melhor BFI. Figura 7: Captura de tela do modo de monitoramento do dispositivo do software durante a fase de verificação da qualidade dos dados. O gráfico superior mostra as curvas de autocorrelação de dois canais de DCS. O gráfico do meio mostra o DTOF para comprimentos de onda TRS. O gráfico inferior mostra as contagens de fótons para DCS e TRS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. O período basal inicial com monitor clínico, mostrado na Figura 8, possui ícones verdes para DCS e TRS, indicando o sucesso dos testes de qualidade. Os sinais exibidos parecem muito estáveis e, portanto, o recurso Estender, descrito na etapa 3.5, não foi necessário neste caso. Se a linha de base inicial aparecer como ilustrado na Figura 9, será necessário utilizar o recurso Estender. Esse recurso estende a aquisição da linha de base para obter 3 min de dados estáveis, que podem ser usados para calcular os valores basais precisos para todos os parâmetros. Figura 8: Captura de tela do modo de monitor clínico do software durante a fase basal inicial mostrando sinais basais estáveis. O gráfico superior mostra o valor absoluto dos parâmetros hemodinâmicos medidos pelo TRS, o gráfico do meio mostra os sinais de saturação de oxigênio e o valor de pulso medido pelo TRS e oxímetro de pulso, e o gráfico inferior mostra o BFI medido pelo DCS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 9: Captura de tela mostrando picos nos sinais devido ao movimento da sonda. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. O início e o término da parte de oclusão do manguito são marcados com linhas verticais amarelas, como mostra a Figura 10. A forma do pulso e os valores de SpO2 não têm significado clínico/fisiológico nessa fase, uma vez que o dedo do mesmo braço ocluído é utilizado para oximetria de pulso. Isso é indicado pelo ícone vermelho OXY que expressa dados não confiáveis do oxímetro de pulso. Para contornar essa situação, poderíamos fixar o oxímetro de pulso na mão não afetada do paciente, que não é submetida ao torniquete e permanece desobstruída. No entanto, queremos obter o índice de perfusão do braço sondado usando o oxímetro de pulso para as fases basal inicial e final de recuperação para analisar os efeitos da VSV. Portanto, optamos por utilizar o oxímetro de pulso no mesmo braço do torniquete. Figura 10: Captura de tela do software mostrando linhas verticais amarelas marcando os instantes inicial e final da VOT. Os valores de SpO2 e pulso são insignificantes, pois o fluxo sanguíneo é restrito. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. A Figura 11 mostra o cronograma completo do protocolo, conforme indicado na etapa 3.6, incluindo a fase final de recuperação, ilustrando a resposta hiperêmica e o retorno dos parâmetros clínicos aos valores basais iniciais. O gráfico superior da Figura 11 mostra os parâmetros hemodinâmicos absolutos. O início da VSV marca uma tendência de declínio na HbO e uma tendência de aumento na HbR, pois tanto o fluxo de entrada quanto o fluxo de saída de sangue são bloqueados pela oclusão do manguito. A tendência se inverte no momento da conclusão da VSV, ultrapassa os valores basais iniciais e retorna aos valores basais na fase de recuperação. Os gráficos do meio e da parte inferior mostram que o sinal BFI é ligeiramente mais ruidoso do que StO2. Isso se deve inerentemente ao fato de que o CDC tende a ter uma maior relação contraste-ruído, o que é evidente pela grande resposta hiperêmica no BFI42,44. Usando o rico conjunto de dados desse novo dispositivo, as oscilações no BFI têm sido usadas como potenciais biomarcadores para diagnosticar pacientes sépticos45. Figura 11: Captura de tela do monitor clínico mostrando os sinais ao longo da linha do tempo do protocolo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Com esse protocolo, o oxigênio que está sendo utilizado pelo músculo pode ser monitorado isoladamente durante a VSV. A inclinação do DeO2 durante o desafio isquêmico indica como o tecido consome oxigênio. A diminuição precoce da StO2 durante a VSV reflete a taxa de consumo de oxigênio para o tecido. O pico hiperêmico e as subsequentes tendências de decaimento na StO2 e BFI estão diretamente associados à reatividade hiperêmica e microvascular. Além desses resultados óbvios, podemos usar vários biomarcadores potenciais para classificar um grupo específico de pacientes de UTI. Os biomarcadores existentes são taxa de desoxigenação, valor mínimo de StO2 durante a VSV, taxa de reoxigenação, valor de pico hiperêmico e área sob a curva de StO2 e BFI. Esses biomarcadores podem ser utilizados para identificar populações de pacientes e a gravidade de suas doenças. Os resultados obtidos a partir de um conjunto de dados de exemplo de um paciente são mostrados na Figura 12. O termo “DATA QC” denota a verificação de qualidade inicial, que não diz respeito aos dados do paciente. Portanto, não é exibido na representação. Os valores médios de StO2, BFI e MRO2 para o período basal são calculados para comparação com as fases de VSV e recuperação pós-VSV. Os resultados obtidos durante este protocolo podem ser diferentes dos dados deste exemplo. Os valores basais de todos os parâmetros podem ser maiores ou menores, e a taxa de DeO2 pode ser mais rápida ou mais lenta. A resposta hiperêmica pode ter maior ou menor taxa de ReO2 e valores de pico, ou pode haver ausência de pico. A fase de recuperação pode mostrar uma normalização mais rápida ou mais lenta dos valores. Essas variações são representativas da condição do paciente que sofre de uma doença específica ou de um conjunto de doenças. Figura 12: Resumo dos resultados compilados offline. A linha tracejada preta marca o início de três minutos do período basal, enquanto a linha tracejada vermelha marca os eventos de insuflar e esvaziar. O gráfico superior mostra o sinal StO2 com regiões marcadas para calcular DeO2 e ReO2. O gráfico do meio mostra o BFI enquanto o gráfico inferior mostra a pressão do torniquete. Os valores basais e a AUC são mostrados em azul em suas respectivas fases. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Demonstramos um dispositivo totalmente automatizado, robusto e não invasivo para a medição e monitorização contínua do músculo esquelético usando óptica híbrida difusa para avaliar a oxigenação microvascular, a perfusão sanguínea e a hiperemia reativa. Usando esse protocolo com o dispositivo VASCOVID, podemos medir simultaneamente parâmetros hemodinâmicos absolutos de HbO, HbR e HbT; saturação de oxigênio da StO2 e SpO2; DeO2 e ReO2; e BFI. A StO2 e o BFI exibidos em tempo real são obtidos a partir dos dados brutos do segundo anterior dos módulos TRS e DCS, respectivamente. O procedimento de ajuste não é demorado, uma vez que os processadores modernos usam modelos padrão de um meio semi-infinito e homogêneo. Os parâmetros adquiridos não ilustram o quadro completo da função endotelial. No entanto, a hiperemia reativa medida demonstrou valor prognóstico em várias condições agudas onde o comprometimento endotelial desempenha um papel importante, como choque séptico ou COVID-19. 6,28 O protocolo também incorpora uma verificação de qualidade automatizada que registra os parâmetros do dispositivo, que são úteis para um protocolo de pesquisa caso uma anomalia inexplicada seja detectada posteriormente nos dados de qualquer paciente.

A quantificação da camada adiposa sobreposta e da circunferência braquial é importante na mensuração do músculo braquiorradial neste protocolo, uma vez que os fótons passam primariamente pelos tecidos sobrepostos quando injetados e quando detectados. É bem conhecido em óptica difusa que há um efeito de volume parcial associado. Portanto, as informações superficiais devem ser registradas e utilizadas na análise dos dados, a fim de explicar o efeito das variações no tecido adiposo46,47. Isso é ainda mais amplificado nessas populações de pacientes de interesse, uma vez que é comum em pacientes de UTI desenvolver edema onde os membros estão inchados à medida que a água é aprisionada devido à imobilização e outros motivos48. Nesses pacientes, a variação da circunferência durante a permanência na UTI pode fornecer informações sobre a gravidade do edema. O caminho da fonte de luz que chega aos detectores tem que passar por todas as camadas superficiais.

O manguito deve ser confortavelmente enrolado ao redor do braço, garantindo um ajuste próximo. No entanto, é importante evitar aperto excessivo que poderia exercer pressão excessiva sobre o braço apenas pelo ato de envolver o manguito49. O objetivo é obter um ajuste seguro e confortável, sem causar compressão desnecessária, o que pode alterar os parâmetros hemodinâmicos basais. Se ele comprimir o braço, a qualidade dos dados será comprometida para todo o protocolo, e a pressão exercida será efetivamente adicionada à pressão alvo da VSV. Caso o manguito esteja frouxamente enrolado no braço, mais ar será necessário para atingir a pressão alvo e, portanto, mais tempo será tomado. Isso pode dar tempo ao tecido para ajustar a fisiologia, uma vez que a oferta de oxigênio está sendo reduzida lentamente, o que deve ser evitado50.

É importante fixar a sonda inteligente de forma a manter o contato adequado sem exercer pressão excessiva sobre o tecido. Isso permite medições confiáveis, evitando o risco de isquemia local. A isquemia local ocorre quando o fluxo sanguíneo para a área é restrito, levando ao comprometimento da circulação e potencialmente corrompendo as medidas51.

O sensor de toque capacitivo na sonda é usado pelo sistema de segurança do laser para garantir que o laser brilhe apenas quando a sonda estiver conectada ao tecido. Se o paciente tiver alta densidade de pelos no braço, a sensibilidade do sensor de toque pode ser comprometida. A aplicação de uma fita dupla fina transparente no lado do sensor da sonda pode efetivamente mitigar o problema do sensor de toque. Quando a sonda é conectada ao braço peludo junto com essa fita, ela fornece um sinal de toque confiável e estável. Cortes predefinidos desta fita estão disponíveis para a sonda inteligente com separação entre fontes de luz e detectores. A separação é essencial para evitar a formação de um canal de luz direto entre as janelas da fonte e do detector, o que pode afetar a qualidade das medições. O uso de fita dupla transparente serve como uma solução prática para aumentar a confiabilidade da detecção de toque nessas circunstâncias. Se o sensor de toque for perdido durante o protocolo, ele desliga os lasers e a medição é perdida. A sonda também tem um sensor de carga que poderia, no futuro, ser utilizado como medida de segurança de reserva.

Se o paciente mover o braço ou uma pequena intervenção clínica interromper a estabilidade dos sinais adquiridos durante a fase basal, resultando em picos acentuados, é aconselhável utilizar o recurso de extensão. Esse recurso permite a aquisição de uma linha de base estável por três minutos, garantindo uma medição de sinal consistente e confiável.

É importante considerar que a pressão arterial do paciente pode sofrer alterações significativas após o início do protocolo, o que pode interferir na capacidade de atingir a pressão alvo de 50 mmHg maior que a pressão arterial sistólica para a VSV. Essas flutuações na pressão arterial podem ser influenciadas por vários fatores, como resposta fisiológica do paciente, efeitos de medicamentos ou outras condições clínicas52. Portanto, a pressão alvo deve ser ajustada pressionando os botões “+” ou “-“, se necessário, para garantir a administração consistente da VSV.

A execução típica da VOT tem limitações devido à variabilidade do operador, que é abordada neste protocolo por ter uma VOT automática. Estamos usando a estratégia de definir a pressão de oclusão de 50 mmHg acima do nível de pressão arterial sistólica. Esse método interrompe o fluxo sanguíneo e foi relatado em estudos anteriores para a realização da VSV53,54. A pressão-alvo individualizada para a VSV neste protocolo ajuda a evitar a vasoconstrição que pode acontecer fixando uma pressão-alvo geral para a VSV. A dor causada por uma pressão desnecessariamente alta pode afetar a medida, causando vasoconstrição, por exemplo, em um paciente com pressão sistólica de 120 mmHg e pressão alvo de 200 mmHg ou 250 mmHg29. Ressaltamos que pacientes internados em UTI apresentam risco aumentado de trombose, principalmente devido a fatores como imobilidade prolongada e sedação55. Isso implica que, para evitar riscos, esse protocolo não pode ser usado em pacientes que sofrem de trombose ou tromboflebite.

A aplicação desse protocolo pode ser útil na população de UTI, onde a hiperemia reativa prejudicada é uma característica comum e pode contribuir para anormalidades microvasculares 3,56. Os parâmetros adquiridos nesse protocolo, sem intervenções do operador durante a mensuração, foram previamente utilizados na literatura de forma singular ou em pequena combinação para sepse, câncer, acidente vascular cerebral etc. para distinguir condições patológicas1,11,15,31. Portanto, acreditamos que a combinação desses parâmetros relevantes seja benéfica para diversas aplicações clínicas. Os dados registrados por esse protocolo podem auxiliar na seleção de estratégias terapêuticas adequadas para melhorar a saúde vascular57. Os valiosos conhecimentos sobre a oxigenação tecidual e a dinâmica do fluxo sanguíneo durante a oclusão e reperfusão permitem avaliar a adequação do suprimento sanguíneo aos órgãos vitais. Pode auxiliar na identificação da hipóxia tecidual e orientar intervenções para otimizar a perfusão de órgãos58. Ao utilizar informações em tempo real sobre oxigenação microvascular e hiperemia reativa, auxilia como ferramenta adicional na orientação do manejo hemodinâmico, ressuscitação volêmica e terapia vasopressora59,60. Isso garante que as intervenções sejam adaptadas às necessidades individuais do paciente, otimizando a oxigenação e a perfusão tecidual61,62. Além disso, em pacientes ventilados mecanicamente, alterações evolutivas na oxigenação microvascular e no fluxo sanguíneo dentro de um estudo de respiração espontânea podem ser de extrema importância na avaliação da tolerância cardiovascular para atender e superar o aumento da carga metabólica decorrente do trabalho respiratório sem assistência2. Nesse sentido, uma decisão diária crítica e desafiadora para os pacientes internados em UTI em ventilação mecânica é o processo de desmame, que termina quando o paciente é considerado capaz de respirar sozinho e o tubo endotraqueal é removido. A aplicação longitudinal desse protocolo pode ser usada para avaliar a efetividade de intervenções, acompanhar a progressão da doença e orientar estratégias de tratamento.

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta pesquisa foi financiada pela Fundació CELLEX Barcelona, Fundació Mir-Puig, Ajuntament de Barcelona, Agencia Estatal de Investigación (PHOTOMETABO, PID2019-106481RB-C31/10.13039/501100011033), pelo Programa “Severo Ochoa” para Centros de Excelência em P&D (CEX2019-000910-S), , Generalitat de Catalunya (CERCA, AGAUR-2017-SGR-1380, RIS3CAT-001-P-001682 CECH), FEDER EC, Fundacion Joan Ribas Araquistain, l’FCRI (Convocatòria Joan Oró 2023), European Commission Horizon 2020 (Grants no. 101016087 (VASCOVID), 101017113(TinyBrains), 871124 (LASERLAB-EUROPE V), 101062306 (Marie Skłodowska-Curie)), a Fundació La Marató de TV3 (2017,2020) e os programas especiais LUX4MED/MEDLUX.

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
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Yaqub, M. A., Zanoletti, M., Cortese, L., Sánchez, D. S., Amendola, C., Frabasile, L., Karadeniz, U., Garcia, J. M., Martin, M., Cortes-Picas, J., Caballer, A., Cortes, E., Nogales, S., Tosi, A., Carteano, T., Garcia, D. S., Tomanik, J., Wagenaar, T., Mui, H., Guadagno, C. N., Parsa, S., Venkata Sekar, S. K., Demarteau, L., Houtbeckers, T., Weigel, U. M., Lacerenza, M., Buttafava, M., Torricelli, A., Contini, D., Mesquida, J., Durduran, T. Non-Invasive Monitoring of Microvascular Oxygenation and Reactive Hyperemia using Hybrid, Near-Infrared Diffuse Optical Spectroscopy for Critical Care. J. Vis. Exp. (207), e66062, doi:10.3791/66062 (2024).
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