Monitorización no invasiva de la oxigenación microvascular y la hiperemia reactiva mediante espectroscopia óptica difusa híbrida de infrarrojo cercano para cuidados intensivos
概要
Describimos un protocolo para medir de forma no invasiva y continua el índice de flujo sanguíneo microvascular absoluto y la saturación de oxígeno en sangre utilizando un dispositivo multimodal basado en óptica difusa de infrarrojo cercano. A continuación, evaluamos la tasa metabólica del consumo de oxígeno y la hiperemia reactiva mediante una prueba de oclusión vascular.
Abstract
La detección de niveles de deterioro en el consumo microvascular de oxígeno e hiperemia reactiva es vital en cuidados críticos. Sin embargo, no existen medios prácticos para una evaluación sólida y cuantitativa. En este artículo se describe un protocolo para evaluar estas degradaciones utilizando un dispositivo óptico difuso híbrido de infrarrojo cercano. El dispositivo contiene módulos para espectroscopías de correlación difusa y de resolución temporal en el infrarrojo cercano y oximetría de pulso. Estos módulos permiten la medición no invasiva, continua y en tiempo real de la saturación absoluta microvascular de oxígeno en sangre/tejido (StO2) y el índice de flujo sanguíneo (IMC) junto con la saturación arterial periférica de oxígeno (SpO2). Este dispositivo utiliza un sistema de torniquete integrado y controlado por computadora para ejecutar un protocolo estandarizado con adquisición de datos ópticos del músculo braquiorradial. La prueba estandarizada de oclusión vascular (VOT) se encarga de las variaciones en la duración y la presión de la oclusión reportadas en la literatura, mientras que la automatización minimiza las diferencias entre operadores. El protocolo que describimos se centra en un período de oclusión de 3 minutos, pero los detalles descritos en este trabajo se pueden adaptar fácilmente a otras duraciones y presiones del manguito, así como a otros músculos. La inclusión de una medición de la línea de base extendida y del período de recuperación posterior a la oclusión permite cuantificar los valores basales para todos los parámetros y la tasa de desoxigenación de la sangre/tejido que corresponde a la tasa metabólica de consumo de oxígeno. Una vez liberado el manguito, caracterizamos la tasa de reoxigenación tisular, la magnitud y la duración de la respuesta hiperémica en BFI y StO2. Estos últimos parámetros corresponden a la cuantificación de la hiperemia reactiva, que proporciona información sobre la función endotelial. Además, las mediciones mencionadas anteriormente de la concentración absoluta de hemoglobina oxigenada y desoxigenada, el BFI, la tasa metabólica derivada del consumo de oxígeno, el StO2 y la SpO2 proporcionan un rico conjunto de datos aún por explorar que puede mostrar la gravedad de la enfermedad, terapias personalizadas e intervenciones de manejo.
Introduction
Los pacientes críticos, particularmente aquellos con sepsis y otras condiciones similares, a menudo presentan hiperemia reactiva alterada y oxigenación microvascular 1,2,3. Durante las primeras olas de la pandemia de COVID-19, un número imprevisto de pacientes requirió manejo en cuidados intensivos, durante el cual se evidenció el impacto del virus en el endotelio, pero sin una estrategia clara para evaluar y manejar 4,5,6. Como resultado, ha habido un creciente reconocimiento de la importancia de la detección de la disfunción endotelial, que puede ser evaluada indirectamente por la hiperemia reactiva, en cuidados críticos, es decir, en las poblaciones de la unidad de cuidados intensivos (UTI)7. Se espera que una evaluación práctica, robusta y ampliamente disponible del suministro y consumo de oxígeno a los tejidos sea de suma importancia para optimizar las estrategias de reanimación y abordar directamente los problemas microcirculatorios. Los estudios han demostrado consistentemente que las alteraciones microcirculatorias persistentes y la falta de coherencia entre la macrocirculación y la microcirculación son, en cierta medida, predictivas de insuficiencia orgánica y resultados desfavorables en pacientes afectados por shock séptico o shock hemorrágico, entre otras condiciones críticas, incluso cuando los parámetros sistémicos se consideran normales 8,9,10. Se ha hecho evidente que confiar únicamente en los parámetros macrocirculatorios es inadecuado, ya que la microcirculación juega un papel crítico en la oxigenación de los tejidos y en la función de los órganos 11,12,13. En este artículo se describe un protocolo que utiliza un nuevo dispositivo multimodal basado en tecnologías ópticas difusas de infrarrojo cercano que se ha desarrollado en el seno de un consorcio internacional que se centra en los pacientes de la UCI. El proyecto, VASCOVID (https://vascovid.eu), fue motivado por la pandemia de COVID-19 para evaluar la salud microvascular en músculos periféricos en cuidados intensivos. Hemos diseñado un protocolo utilizando el dispositivo VASCOVID desarrollado que tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de estos parámetros y cómo estos parámetros pueden ser útiles en el manejo de pacientes críticos con un alcance mucho más amplio que los pacientes con COVID-19.
La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) se ha utilizado para evaluar la microcirculación de forma no invasiva durante décadas en una amplia gama de aplicaciones clínicas, incluidos los pacientes de la UCI 14,15,16,17. Es importante destacar que la aplicación más simple de NIRS, es decir, NIRS de onda continua (CW-NIRS), se implementa en dispositivos ampliamente utilizados y clínicamente aprobados17,18, utilizados para medir las concentraciones absolutas de oxi- (HbO) y desoxi-hemoglobina (HbR) para calcular la saturación de oxígeno en sangre/tejido (StO2) de la microvasculatura. Si bien estos dispositivos han encontrado usos de nicho en el manejo clínico, como durante la cirugía cardíaca, tienen claras limitaciones debido a la física de la propagación de fotones en los tejidos. Esto significa que su exactitud, precisión y repetibilidad son cuestionables, por lo tanto, a menudo se utilizan como monitores de tendencias19,20. Además, sus resultados están fuertemente influenciados por los tejidos superficiales, como las capas adiposas y cutáneas superpuestas.
El NIRS resuelto en el tiempo (TRS) emplea pulsos láser cortos en el rango de picosegundos en múltiples longitudes de onda para evaluar su retraso y ensanchamiento después de atravesar un tejido21. Esto permite a TRS separar los efectos de la absorción de la dispersión para obtener estimaciones robustas, exactas y precisas, lo que también le permite calcular la concentración total de hemoglobina (HbT). Dado que TRS también resuelve longitudes de trayectoria, se puede utilizar para separar mejor las señales superficiales de las señales profundas de interés18,21. Esto se produce a costa de la complejidad, el precio y el volumen. Sin embargo, en los últimos años, los sistemas TRS han disminuido en complejidad y costo, lo que ha dado como resultado dispositivos más accesibles y fáciles de usar. Este manuscrito describe un dispositivo que utiliza un módulo TRS comercial compacto del fabricante de equipos originales (OEM)22,23.
La espectroscopia de correlación difusa (EDC) es otra tecnología de infrarrojo cercano que utiliza las estadísticas temporales de las motas difusas para cuantificar el movimiento de las partículas que dispersan la luz, que están dominadas por los glóbulos rojos en los tejidos16,24. Esto, a su vez, es bien sabido que es un indicador del flujo sanguíneo microvascular, al que nos referimos como índice de flujo sanguíneo (ICB)25. El uso simultáneo de TRS y DCS en un dispositivo óptico híbrido ofrece información sobre el metabolismo del oxígeno mediante la utilización de modelos comunes para derivar la fracción de extracción local de oxígeno y multiplicarla por el flujo sanguíneo 15,26,27.
Con el fin de evaluar la microcirculación en la UTI, el NIRS se utiliza a menudo con una prueba de oclusión vascular (VO), que es un desafío isquémico que se realiza bloqueando el suministro de sangre al músculo periférico sondeado durante un tiempo determinado (unos minutos)28,29,30,31,32. Lo más común es que se ejecute inflando un torniquete envuelto alrededor de la parte superior del brazo por encima de la presión sistólica33. Durante la VOT, los clínicos evalúan la respuesta de la oxigenación microvascular de la sangre a los cambios en el flujo sanguíneo para derivar el metabolismo del oxígeno en reposo y la hiperemia reactiva34. La suposición es que durante la VOT, con el manguito inflado muy por encima de la presión de oclusión de la extremidad, no hay entrada ni salida de sangre. Por lo tanto, el inicio de la VOT muestra una pendiente descendente de StO2, es decir, de la desoxigenación (DeO2), ya que el oxígeno es consumido por el tejido, lo que permite estimar la tasa metabólica de consumo de oxígeno. Cuando la VOT termina y el manguito se desinfla, la sangre se precipita para compensar su agotamiento, lo que lleva a una respuesta hiperémica. Esta avalancha genera una fuerte pendiente ascendente en StO2, es decir, una reoxigenación (ReO2). La respuesta hiperémica, que es un aumento más allá de la línea de base inicial con una recuperación lenta de regreso a la línea de base, estima la hiperemia reactiva. La combinación de NIRS con un VOT ha ganado un interés creciente en los cuidados intensivos debido a su facilidad de uso y potencial para predecir resultados adversos e incluso la mortalidad en condiciones críticas como la sepsis 35,36,37.
Durante la pandemia de COVID-19, nuestros grupos han iniciado un consorcio mundial y recientemente han completado el llamado ensayo HEMOCOVID-19, que muestra una asociación entre las alteraciones microcirculatorias periféricas y la gravedad del síndrome de dificultad respiratoria aguda en pacientes con COVID-196. Esto fue apoyado también por otros trabajos 7,38. Todos estos estudios se realizaron con los sistemas CW-NIRS antes mencionados, por lo que adolecen de sus deficiencias. Además, la ejecución de la VOT no fue estandarizada en diferentes estudios y se ve afectada por diversos parámetros como la duración de la oclusión, la presión del torniquete y las variaciones basadas en el operador 29,39,40. Una revisión de la literatura muestra claramente que para que la VOT y la NIRS ganen terreno en las clínicas, es importante medir el flujo sanguíneo, contar con protocolos estandarizados y contar con un sistema NIRS robusto11. Por lo tanto, hemos propuesto que mediante la utilización de una forma más avanzada de NIRS (TRS), la medición del flujo sanguíneo y la estandarización del control del manguito durante la VOT, se podría lograr una mejor discriminación de las condiciones patológicas de las sanas. Con ese fin, hemos desarrollado este dispositivo óptico difuso híbrido que integra múltiples módulos que abarcan dos módulos ópticos difusos de infrarrojo cercano de TRS y DCS, oximetría de pulso y un torniquete automatizado. El módulo de oximetría de pulso proporciona la frecuencia cardíaca (FC), el índice de perfusión y el porcentaje de saturación arterial de oxígeno (SpO2). Se utiliza un torniquete rápido en el dispositivo, que es fundamental para realizar la VOT. El dispositivo viene con una caja de accesorios opcional que nos permite adquirir información adicional durante el uso para un control de calidad extendido y continuo, como la medición rutinaria y práctica de la función de respuesta del instrumento (IRF) para TRS y la medición en un maniquí que imita el tejido para evaluar la estabilidad longitudinal. El dispositivo se muestra como utilizado en la UCI en la Figura 1.
Figura 1: Disposición a pie de cama del dispositivo portátil en la UCI con las sondas y el manguito conectados al paciente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La sonda inteligente multimodal incorpora fibras ópticas fuente y detector tanto para TRS como para DCS con filtros ópticos en el interior del dispositivo que evitan interferencias entre DCS y TRS. La separación fuente-detector utilizada en este sistema es de 25 mm. Además, la sonda incorpora un sensor táctil capacitivo, lo que proporciona una valiosa característica de seguridad para evitar peligros láser de acuerdo con la norma de seguridad láser (IEC 60601-2-22:2019)41. El sistema de seguridad láser dentro del dispositivo garantiza que la emisión láser se produzca solo cuando la sonda está en contacto con el tejido. Si se detecta un desprendimiento de la sonda, los láseres se apagan inmediatamente, lo que garantiza la seguridad tanto de los pacientes como de los operadores. Además, la sonda está integrada con un acelerómetro, un sensor de carga y un sensor de luz para una funcionalidad adicional y para fines de recopilación de datos.
En este trabajo se describe el protocolo automatizado en el que sondeamos el músculo braquiorradial simultáneamente con un VOT utilizando el dispositivo desarrollado. La escala de tiempo del protocolo se muestra en la Figura 2. El protocolo está completamente automatizado y no se necesita la intervención del operador durante su ejecución. Al aprovechar las capacidades de este novedoso dispositivo, nuestro objetivo es obtener información valiosa que permita a los médicos comprender mejor la fisiopatología del consumo periférico de oxígeno y también evaluar la relación entre el consumo y la administración de oxígeno, lo que les ayudará a mejorar la atención al paciente de manera integral y eficiente.
Figura 2: Cronograma del protocolo. El paciente está en reposo durante toda la línea de tiempo con una presión de 0 mmHg al inicio del período inicial y de recuperación. El VOT se realiza con un torniquete inflado a una presión de 50 mmHg superior a la presión arterial sistólica del paciente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemos demostrado un dispositivo totalmente automatizado, robusto y no invasivo para la medición y monitorización continua del músculo esquelético utilizando óptica difusa híbrida para evaluar la oxigenación microvascular, la perfusión sanguínea y la hiperemia reactiva. Utilizando este protocolo con el dispositivo VASCOVID, podemos medir simultáneamente los parámetros hemodinámicos absolutos de HbO, HbR y HbT; saturación de oxígeno de StO2 y SpO2; DeO2 y ReO2; y BFI. El StO2 y el BFI mostrados en tiempo real se obtienen a partir de los datos brutos del segundo anterior de los módulos TRS y DCS, respectivamente. El procedimiento de ajuste no requiere mucho tiempo, ya que los procesadores modernos utilizan modelos estándar de un medio semiinfinito y homogéneo. Los parámetros adquiridos no pintan el cuadro completo de la función endotelial. Sin embargo, la hiperemia reactiva medida ha demostrado valor pronóstico en varias afecciones agudas en las que la insuficiencia endotelial desempeña un papel importante, como el shock séptico o la COVID-19. 6,28 El protocolo también incorpora un control de calidad automatizado que registra los parámetros del dispositivo, que son útiles para un protocolo de investigación en caso de que se detecte una anomalía inexplicable más adelante en los datos de cualquier paciente.
La cuantificación de la capa adiposa superpuesta y la circunferencia del brazo es importante al medir el músculo braquiorradial en este protocolo, ya que los fotones pasan principalmente a través de los tejidos superpuestos cuando se inyectan y cuando se detectan. Es bien sabido en óptica difusa que existe un efecto de volumen parcial asociado. Por lo tanto, la información superficial debe ser registrada y utilizada en el análisis de los datos para tener en cuenta el efecto de las variaciones en el tejido adiposo46,47. Esto se amplifica aún más en estas poblaciones de pacientes de interés, ya que es común que los pacientes de la UCI desarrollen edema en el que las extremidades están hinchadas ya que el agua queda atrapada debido a la inmovilización y otras razones48. En estos pacientes, la variación de la circunferencia durante la estancia en la UCI puede proporcionar información sobre la gravedad del edema. El camino de la fuente de luz que llega a los detectores tiene que pasar a través de todas las capas superficiales.
El brazalete debe estar cómodamente envuelto alrededor del brazo, asegurando un ajuste ceñido. Sin embargo, es importante evitar una tensión excesiva que pueda ejercer una presión excesiva sobre el brazo únicamente por el acto de envolver el manguito49. El objetivo es lograr un ajuste seguro y cómodo sin causar compresión innecesaria, lo que puede alterar los parámetros hemodinámicos basales. Si comprime el brazo, la calidad de los datos se verá comprometida para todo el protocolo y la presión ejercida se agregará efectivamente a la presión objetivo de VOT. En caso de que el brazalete esté suelto en el brazo, se requerirá más aire para alcanzar la presión objetivo y, por lo tanto, se tomará más tiempo. Esto puede dar tiempo al tejido para ajustar la fisiología, ya que el suministro de oxígeno se reduce lentamente, lo que debe evitarse50.
Es importante conectar la sonda inteligente de manera que mantenga el contacto adecuado sin ejercer una presión excesiva sobre el tejido. Esto permite realizar mediciones fiables y evitar el riesgo de isquemia local. La isquemia local ocurre cuando se restringe el flujo sanguíneo al área, lo que compromete la circulación y puede corromper las mediciones51.
El sensor táctil capacitivo de la sonda es utilizado por el sistema de seguridad láser para garantizar que el láser brille solo cuando la sonda está conectada al tejido. Si el paciente tiene una alta densidad de vello en el brazo, la sensibilidad del sensor táctil puede verse comprometida. La aplicación de una cinta doble delgada y transparente en el lado del sensor de la sonda puede mitigar eficazmente el problema del sensor táctil. Cuando la sonda se conecta al brazo peludo junto con esta cinta, proporciona una señal táctil confiable y estable. Los cortes predefinidos de esta cinta están disponibles para la sonda inteligente con separación entre las fuentes de luz y los detectores. La separación es esencial para evitar la formación de un canal de luz directo entre las ventanas de la fuente y del detector, lo que puede afectar a la calidad de las mediciones. El uso de cinta doble transparente sirve como una solución práctica para mejorar la fiabilidad de la detección táctil en estas circunstancias. Si la detección táctil se pierde durante el protocolo, se apagan los láseres y se pierde la medición. La sonda también tiene un sensor de carga que, en el futuro, podría utilizarse como medida de seguridad de respaldo.
Si el paciente mueve el brazo o una pequeña intervención clínica interrumpe la estabilidad de las señales adquiridas durante la fase basal, lo que da lugar a picos agudos, es aconsejable utilizar la función de extensión. Esta característica permite la adquisición de una línea de base estable durante tres minutos, lo que garantiza una medición de señal consistente y confiable.
Es importante considerar que la presión arterial del paciente puede sufrir cambios significativos después de iniciar el protocolo, lo que puede afectar la capacidad de alcanzar la presión objetivo de 50 mmHg más alta que la presión arterial sistólica para el VOT. Estas fluctuaciones en la presión arterial pueden estar influenciadas por diversos factores, como la respuesta fisiológica del paciente, los efectos de la medicación u otras condiciones clínicas52. Por lo tanto, la presión objetivo debe ajustarse presionando los botones “+” o “-” si es necesario para garantizar una administración consistente del VOT.
La ejecución típica de VOT tiene limitaciones debido a la variabilidad del operador, que se aborda en este protocolo al tener un VOT automático. Estamos utilizando la estrategia para establecer la presión de oclusión de 50 mmHg por encima del nivel de presión arterial sistólica. Este método detiene el flujo sanguíneo y ha sido reportado en estudios previos para la realización del VOT53,54. La presión diana individualizada para la VOT en este protocolo ayuda a evitar la vasoconstricción que puede ocurrir al fijar una presión diana general para la VOT. El dolor causado por una presión innecesariamente alta puede afectar a la medición causando vasoconstricción, por ejemplo, en un paciente con presión sistólica de 120 mmHg y presión objetivo de 200 mmHg o 250 mmHg29. Observamos que los pacientes ingresados en las UCI se enfrentan a un mayor riesgo de trombosis, principalmente debido a factores como la inmovilidad prolongada y la sedación55. Esto implica que para evitar riesgos, este protocolo no se puede utilizar en pacientes que sufren trombosis o tromboflebitis.
La aplicación de este protocolo puede ser útil en la población de la UCI, donde la hiperemia reactiva alterada es una característica común y puede contribuir a las anomalías microvasculares 3,56. Los parámetros adquiridos en este protocolo, sin intervención del operador durante la medición, han sido previamente utilizados en la literatura de forma individual o en una pequeña combinación para sepsis, cáncer, ictus, etc. para distinguir condiciones patológicas 1,11,15,31. Por lo tanto, creemos que la combinación de estos parámetros relevantes es beneficiosa para varias aplicaciones clínicas. Los datos registrados por este protocolo pueden ayudar a seleccionar estrategias terapéuticas adecuadas para mejorar la salud vascular57. Los valiosos conocimientos sobre la oxigenación de los tejidos y la dinámica del flujo sanguíneo durante la oclusión y la reperfusión nos permiten evaluar la adecuación del suministro de sangre a los órganos vitales. Puede ayudar a identificar la hipoxia tisular y orientar las intervenciones para optimizar la perfusión de órganos58. Al utilizar información en tiempo real sobre la oxigenación microvascular y la hiperemia reactiva, ayuda como una herramienta adicional para guiar el manejo hemodinámico, la reanimación con líquidos y la terapia vasopresora59,60. Esto garantiza que las intervenciones se adapten a las necesidades individuales del paciente, optimizando la oxigenación y la perfusión de los tejidos61,62. Además, en pacientes con ventilación mecánica, los cambios evolutivos en la oxigenación microvascular y el flujo sanguíneo dentro de un ensayo de respiración espontánea pueden ser de suma importancia a la hora de evaluar la tolerancia cardiovascular para satisfacer y superar el aumento de la carga metabólica derivada del trabajo de respirar sin asistencia2. En ese sentido, una decisión crítica y desafiante diaria para los pacientes de la UCI sobre ventilación mecánica es el proceso de destete, que termina cuando se considera que el paciente puede respirar por sí mismo y se retira el tubo endotraqueal. La aplicación longitudinal de este protocolo se puede utilizar para evaluar la eficacia de las intervenciones, realizar un seguimiento de la progresión de la enfermedad y orientar las estrategias de tratamiento.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación ha sido financiada por la Fundació CELLEX Barcelona, la Fundació Mir-Puig, el Ajuntament de Barcelona, la Agencia Estatal de Investigación (PHOTOMETABO, PID2019-106481RB-C31/10.13039/501100011033), el Programa de Centros de Excelencia en Investigación y Desarrollo “Severo Ochoa” (CEX2019-000910-S), la Generalitat de Catalunya (CERCA, AGAUR-2017-SGR-1380, RIS3CAT-001-P-001682 CECH), FEDER EC, Fundación Joan Ribas Araquistain, l’FCRI (Convocatòria Joan Oró 2023), Comisión Europea Horizonte 2020 (Ayudas nº 101016087 (VASCOVID), 101017113(TinyBrains), 871124 (LASERLAB-EUROPE V), 101062306 (Marie Skłodowska-Curie)), la Fundació La Marató de TV3 (2017,2020) y los programas especiales 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 |
参考文献
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