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Medicine

Surveillance non invasive de l’oxygénation microvasculaire et de l’hyperémie réactive à l’aide de la spectroscopie optique diffuse hybride proche infrarouge pour les soins intensifs

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)

Summary

Nous décrivons un protocole pour mesurer de manière non invasive et continue l’indice absolu de débit sanguin microvasculaire et la saturation en oxygène du sang à l’aide d’un dispositif multimodal basé sur l’optique diffuse dans le proche infrarouge. Nous évaluons ensuite le taux métabolique de consommation d’oxygène et d’hyperémie réactive à l’aide d’un test d’occlusion vasculaire.

Abstract

La détection des niveaux d’altération de la consommation d’oxygène microvasculaire et de l’hyperémie réactive est vitale en soins intensifs. Cependant, il n’existe aucun moyen pratique de procéder à une évaluation solide et quantitative. Cet article décrit un protocole pour évaluer ces déficiences à l’aide d’un dispositif optique diffus hybride proche infrarouge. L’appareil contient des modules pour les spectroscopies de corrélation proche infrarouge, résolues en temps et diffuses et l’oxymétrie de pouls. Ces modules permettent la mesure non invasive, continue et en temps réel de la saturation en oxygène absolue et microvasculaire du sang et des tissus (StO2) et de l’indice de débit sanguin (BFI) ainsi que de la saturation artérielle périphérique en oxygène (SpO2). Cet appareil utilise un système de garrot intégré contrôlé par ordinateur pour exécuter un protocole standardisé avec acquisition de données optiques à partir du muscle brachioradial. Le test d’occlusion vasculaire standardisé (VOT) prend en charge les variations de la durée et de la pression d’occlusion rapportées dans la littérature, tandis que l’automatisation minimise les différences entre opérateurs. Le protocole que nous décrivons se concentre sur une période d’occlusion de 3 minutes, mais les détails décrits dans cet article peuvent facilement être adaptés à d’autres durées et pressions du brassard, ainsi qu’à d’autres muscles. L’inclusion d’une mesure de la période de récupération post-occlusion et de la ligne de base étendue permet de quantifier les valeurs de base pour tous les paramètres et le taux de désoxygénation du sang/des tissus qui correspond au taux métabolique de consommation d’oxygène. Une fois le brassard relâché, nous caractérisons le taux de réoxygénation tissulaire, l’ampleur et la durée de la réponse hyperémique dans BFI et StO2. Ces derniers paramètres correspondent à la quantification de l’hyperémie réactive, qui renseigne sur la fonction endothéliale. De plus, les mesures mentionnées ci-dessus de la concentration absolue d’hémoglobine oxygénée et désoxygénée, BFI, du taux métabolique dérivé de la consommation d’oxygène, de StO2 et de SpO2 fournissent un ensemble de données riche encore à explorer qui peut présenter la gravité de la maladie, des thérapies personnalisées et des interventions de prise en charge.

Introduction

Les patients gravement malades, en particulier ceux atteints de septicémie et d’autres affections similaires, présentent souvent une hyperémie réactive et une oxygénation microvasculaire altérées 1,2,3. Au cours des premières vagues de la pandémie de COVID-19, un nombre imprévu de patients ont nécessité une prise en charge des soins intensifs, au cours de laquelle l’impact du virus sur l’endothélium est devenu évident, mais sans stratégie claire d’évaluation et de prise en charge 4,5,6. Par conséquent, on reconnaît de plus en plus l’importance de détecter le dysfonctionnement endothélial, qui peut être indirectement évalué par l’hyperémie réactionnelle, en soins intensifs, c’est-à-dire dans les unités de soins intensifs (USI)7. Une évaluation pratique, robuste et largement disponible de l’administration et de la consommation d’oxygène dans les tissus devrait être de la plus haute importance pour optimiser les stratégies de réanimation et résoudre directement les problèmes microcirculatoires. Des études ont démontré de manière constante que les altérations microcirculatoires persistantes et le manque de cohérence entre la macrocirculation et la microcirculation sont, dans une certaine mesure, prédictifs d’une défaillance d’organe et d’issues défavorables chez les patients atteints de choc septique ou hémorragique, entre autres conditions critiques, même lorsque les paramètres systémiques sont considérés comme normaux 8,9,10. Il est devenu évident que se fier uniquement aux paramètres macrocirculatoires est inadéquat, car la microcirculation joue un rôle essentiel dans l’oxygénation des tissus et le fonctionnement des organes 11,12,13. Cet article décrit un protocole qui utilise un nouveau dispositif multimodal basé sur des technologies optiques diffuses dans le proche infrarouge qui a été développé au sein d’un consortium international qui se concentre sur les patients en soins intensifs. Le projet, VASCOVID (https://vascovid.eu), a été motivé par la pandémie de COVID-19 pour évaluer la santé microvasculaire des muscles périphériques en soins intensifs. Nous avons conçu un protocole utilisant le dispositif VASCOVID développé qui vise à améliorer notre compréhension de ces paramètres et de la façon dont ces paramètres peuvent être utiles dans la prise en charge des patients gravement malades avec une portée beaucoup plus large que les patients COVID-19.

La spectroscopie proche infrarouge (NIRS) est utilisée pour évaluer la microcirculation de manière non invasive depuis des décennies dans un large éventail d’applications cliniques, y compris les patients en soins intensifs 14,15,16,17. Il est important de noter que l’application la plus simple de la NIRS, c’est-à-dire la NIRS à ondes continues (CW-NIRS), est mise en œuvre dans des dispositifs largement utilisés et cliniquement approuvés17,18, utilisés pour mesurer les concentrations absolues d’oxy- (HbO) et de désoxy-hémoglobine (HbR) afin de calculer la saturation en oxygène du sang et des tissus (StO2) de la microvascularisation. Bien que ces dispositifs aient trouvé des utilisations de niche dans la prise en charge clinique, comme lors de la chirurgie cardiaque, ils ont des limites claires en raison de la physique de la propagation des photons dans les tissus. Cela signifie que leur exactitude, leur précision et leur répétabilité sont discutables, c’est pourquoi ils sont souvent utilisés comme moniteurs de tendance19,20. De plus, leurs résultats sont fortement influencés par les tissus superficiels tels que les couches adipeuses et cutanées superposées.

La NIRS résolue en temps (TRS) utilise de courtes impulsions laser dans la gamme des picosecondes à plusieurs longueurs d’onde pour évaluer leur retard et leur élargissement après avoir traversé un tissu21. Cela permet à TRS de séparer les effets de l’absorption de la diffusion pour obtenir des estimations robustes, précises et précises, ce qui lui permet également de calculer la concentration totale d’hémoglobine (HbT). Étant donné que le TRS résout également les longueurs de trajet, il peut être utilisé pour mieux séparer les signaux superficiels des signaux profonds d’intérêt18,21. Cela se fait au prix de la complexité, du prix et de l’encombrement. Cependant, ces dernières années, les systèmes TRS ont diminué en complexité et en coût, ce qui a permis d’obtenir des appareils plus accessibles et plus faciles à utiliser. Ce manuscrit décrit un dispositif qui utilise un module TRS commercial compact du fabricant d’équipement d’origine (OEM)22,23.

La spectroscopie de corrélation diffuse (DCS) est une autre technologie proche infrarouge qui utilise les statistiques temporelles des taches diffuses pour quantifier le mouvement des particules diffusant la lumière, qui sont dominées par les globules rouges dans les tissus 16,24. Ceci, à son tour, est bien connu pour être un indicateur du flux sanguin microvasculaire, que nous appelons l’indice de débit sanguin (BFI)25. L’utilisation simultanée de la TRS et de la DCS dans un dispositif optique hybride offre des informations sur le métabolisme de l’oxygène en utilisant des modèles communs pour dériver la fraction d’extraction locale d’oxygène et en la multipliant par le flux sanguin 15,26,27.

Afin d’évaluer la microcirculation à l’unité de soins intensifs, la NIRS est souvent utilisée avec un test d’occlusion vasculaire (VOT), qui est un défi ischémique qui est effectué en bloquant l’apport sanguin au muscle périphérique sondé pendant une certaine durée (quelques minutes)28,29,30,31,32. Le plus souvent, il est exécuté en gonflant un garrot enroulé autour du haut du bras au-dessus de la pression systolique33. Au cours du VOT, les cliniciens évaluent la réponse de l’oxygénation microvasculaire du sang aux changements du flux sanguin pour en déduire le métabolisme de l’oxygène au repos et l’hyperémie réactive34. L’hypothèse est que pendant le VOT, avec le brassard gonflé bien au-dessus de la pression d’occlusion du membre, il n’y a pas d’entrée ou de sortie de sang. Par conséquent, le début de VOT montre une pente descendante de StO2, c’est-à-dire une désoxygénation (DeO2), car l’oxygène est consommé par le tissu, ce qui permet une estimation du taux métabolique de consommation d’oxygène. Lorsque le VOT se termine et que le brassard est dégonflé, le sang s’engouffre pour compenser son épuisement, entraînant une réponse hyperémique. Cette poussée génère une forte pente ascendante dans StO2, c’est-à-dire une réoxygénation (ReO2). La réponse hyperémique, qui est une augmentation au-delà de la ligne de base initiale avec un retour lent à la ligne de base, estime l’hyperémie réactive. La combinaison de la NIRS et d’une VOT a suscité un intérêt croissant en soins intensifs en raison de sa facilité d’utilisation et de son potentiel de prédiction des résultats indésirables et même de la mortalité dans des conditions critiques telles que la septicémie 35,36,37.

Pendant la pandémie de COVID-19, nos groupes ont initié un consortium mondial et ont récemment terminé l’essai dit HEMOCOVID-19, montrant une association entre les altérations microcirculatoires périphériques et la gravité du syndrome de détresse respiratoire aiguë chez les patients COVID-196. Cela a également été soutenu par d’autres travaux 7,38. Toutes ces études ont été réalisées avec les systèmes CW-NIRS mentionnés ci-dessus, souffrant ainsi de leurs lacunes. De plus, l’exécution de la VOT n’a pas été standardisée dans les différentes études et est affectée par divers paramètres tels que la durée de l’occlusion, la pression du garrot et les variations basées sur l’opérateur 29,39,40. Une revue de la littérature montre clairement que pour que la VOT et la NIRS gagnent du terrain dans les cliniques, il est important de mesurer le débit sanguin, d’avoir des protocoles standardisés et de disposer d’un système NIRS robuste11. Par conséquent, nous avons proposé qu’en utilisant une forme plus avancée de NIRS (TRS), en mesurant le flux sanguin et en normalisant le contrôle du brassard pendant le VOT, une meilleure discrimination des conditions pathologiques des conditions saines pourrait être obtenue. À cette fin, nous avons développé ce dispositif optique diffus hybride qui intègre plusieurs modules comprenant deux modules optiques diffus dans le proche infrarouge TRS et DCS, l’oxymétrie de pouls et un garrot automatisé. Le module d’oxymétrie de pouls fournit la fréquence cardiaque (FC), l’indice de perfusion et le pourcentage de saturation artérielle en oxygène (SpO2). Un garrot rapide est utilisé dans l’appareil, ce qui est essentiel pour effectuer le VOT. L’appareil est livré avec une boîte d’accessoires en option qui nous permet d’acquérir des informations supplémentaires pendant l’utilisation pour un contrôle qualité étendu et continu, telles que la mesure de routine et pratique de la fonction de réponse de l’instrument (IRF) pour le TRS et la mesure sur un fantôme imitant les tissus pour évaluer la stabilité longitudinale. L’appareil est montré comme étant utilisé dans l’unité de soins intensifs de la figure 1.

Figure 1
Figure 1 : Disposition au chevet de l’appareil portatif dans l’unité de soins intensifs avec les sondes et le brassard attachés au patient. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La sonde intelligente multimodale intègre des fibres optiques source et détecteur pour TRS et DCS avec des filtres optiques à l’intérieur de l’appareil qui empêchent les interférences entre DCS et TRS. La séparation source-détecteur utilisée dans ce système est de 25 mm. De plus, la sonde intègre un capteur tactile capacitif, offrant une fonction de sécurité précieuse pour prévenir les risques laser conformément à la norme de sécurité laser (IEC 60601-2-22 :2019)41. Le système de sécurité laser de l’appareil garantit que l’émission laser ne se produit que lorsque la sonde est en contact avec le tissu. Si un détachement de la sonde est détecté, les lasers sont immédiatement éteints, assurant ainsi la sécurité des patients et des opérateurs. De plus, la sonde est intégrée à un accéléromètre, un capteur de charge et un capteur de lumière pour des fonctionnalités supplémentaires et à des fins de collecte de données.

Cet article décrit le protocole automatisé dans lequel nous sondons le muscle brachioradial simultanément avec un VOT à l’aide du dispositif développé. La chronologie du protocole est illustrée à la figure 2. Le protocole est entièrement automatisé et aucune intervention de l’opérateur n’est nécessaire tout au long de son exécution. En tirant parti des capacités de ce nouveau dispositif, nous visons à obtenir des informations précieuses qui permettent aux médecins de mieux comprendre la physiopathologie de la consommation d’oxygène périphérique et d’évaluer le rapport entre la consommation et l’administration d’oxygène, les aidant ainsi à améliorer les soins aux patients de manière globale et efficace.

Figure 2
Figure 2 : Chronologie du protocole. Le patient est au repos tout au long de la période avec une pression de 0 mmHg au départ initial et pendant la période de récupération. La VOT est réalisée avec un garrot gonflé à une pression de 50 mmHg supérieure à la pression artérielle systolique du patient. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Protocol

L’étude a été approuvée par le comité d’éthique local de l’hôpital universitaire Parc Tauli. Le consentement éclairé et signé a été obtenu des patients ou de leurs proches. Les contre-indications absolues pour entrer dans le protocole étaient : suspicion clinique ou confirmation échographique d’une thrombose veineuse dans le bras étudié, d’autres lésions vasculaires ou traumatiques dans le bras étudié, perte d’intégrité de la peau ou lésions pouvant entraver la mise en place de la sonde. 1. Autotest de l’appareil Allumez l’appareil. L’appareil commence par un logiciel développé en interne. Tournez la clé de sécurité en position ON , placez la sonde complètement à l’intérieur du boîtier de la fonction de réponse de l’instrument (IRF) et appuyez sur le bouton de réinitialisation de la sonde si elle brille. Appuyez sur le bouton OK de la boîte de dialogue contextuelle et attendez que l’appareil soit prêt.REMARQUE : L’appareil effectue des auto-tests pour assurer un fonctionnement stable. L’utilisateur est averti par un message contextuel lorsque l’appareil est prêt. 2. Mesure IRF et fantôme en option Appuyez sur OK lorsque l’appareil est prêt. Appuyez sur Oui lorsqu’il demande de mesurer un IRF. L’appareil ajuste automatiquement l’intensité du laser pour atteindre le taux de comptage souhaité de 1 million. Appuyez sur le bouton Stop lorsqu’un taux de comptage et un DTOF stables sont observés. Cet IRF est enregistré dans des fichiers et chargé dans le logiciel pour être utilisé pour les calculs en temps réel. Insérez correctement la sonde dans la boîte fantôme afin que l’indicateur fixé à la sonde soit allumé. Appuyez sur le bouton Phantom pour démarrer le protocole fantôme.REMARQUE : Le test de contrôle de la qualité vérifie qu’un nombre suffisant de photons est reçu par les détecteurs DCS et TRS et vérifie également si le nombre de noirs se situe dans les limites souhaitées. Continuez à enregistrer pendant au moins 30 s après le contrôle qualité pour avoir une quantité suffisante de données enregistrées pour une analyse hors ligne plus approfondie. 3. Préparation des mesures au chevet du patient Fixez le garrot sur le haut du bras au-dessus du coude comme cela se fait lors d’une mesure de la pression artérielle. N’enroulez pas le brassard de manière lâche ou très serrée autour du bras.REMARQUE : Fixer le garrot sans serrer nécessite plus d’air pour atteindre la pression souhaitée. Le gonflage lent permet au corps de réajuster sa physiologie. Fixez l’oxymètre de pouls à l’index du même bras. S’il n’est pas possible de l’attacher à l’index, attachez-le à n’importe quel autre doigt. Localisez le muscle brachioradial à sonder, qui se trouve dans l’avant-bras latéral juste en dessous du coude. Demandez au patient d’ouvrir et de fermer un poing pour sentir le muscle en plaçant les doigts sur l’avant-bras. Dans le cas de patients sous sédation ou s’ils ne peuvent pas bouger, tracez le muscle en tordant légèrement le bras d’une main. Sentez le muscle entre le pouce et les doigts de l’autre main. Mesurez le tour de bras autour du muscle localisé à l’aide d’un ruban à mesurer souple, comme illustré à la figure 3. Mesurez l’épaisseur approximative du tissu adipeux sur le dessus du muscle à l’aide d’un pied à coulisse numérique, comme indiqué à la figure 4. Fixez la tête de la sonde au muscle avec les fibres optiques et les câbles allant vers la main, comme indiqué sur la figure 5.REMARQUE : Ne fixez pas fermement la sonde ; elle peut affecter la physiologie des tissus. Assurez-vous que les fibres ne touchent pas les objets en mouvement, car cela peut créer des artefacts dans les données. Couvrez la sonde avec un chiffon noir pour bloquer la lumière extérieure.REMARQUE : Si le patient est éveillé, informez-le que le VOT peut provoquer une sensation de picotement et qu’il ne doit pas bouger le bras. Figure 3 : Mesure de la circonférence du bras autour du muscle brachioradial. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 4 : Mesure de l’épaisseur du tissu adipeux sur le dessus du muscle à l’aide d’un pied à coulisse. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 5 : Sonde attachée au muscle avec des fibres et des câbles allant vers la main. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 4. Acquisition de données Assurez-vous que le voyant LED fixé à la sonde sur le panneau avant de l’appareil brille et que l’icône tactile dans le logiciel est verte, indiquant que la sonde est connectée. Appuyez sur le bouton Protocole . Assurez-vous qu’il ouvre une nouvelle boîte de dialogue, comme illustré à la figure 6. Entrez l’identifiant du sujet, l’identifiant de l’opérateur et la pression cible de 50 mmHg supérieure à la pression artérielle systolique. Appuyez sur OK pour démarrer le protocole automatisé. Les données en temps réel sont affichées dans les graphiques. Le protocole commence par un contrôle de qualité qui ajuste automatiquement la puissance du laser et vérifie le nombre de photons et l’interférence entre les modalités. Le contrôle de qualité est effectué en 2 minutes. Observez les icônes circulaires intitulées TRS et DCS, qui doivent devenir vertes à la fin du contrôle de la qualité des données.REMARQUE : Les icônes vertes indiquent que le taux de comptage des photons se situe dans la plage souhaitée, qu’il n’y a pas de lumière externe entrant dans la sonde et qu’il n’y a pas de diaphonie entre les modalités. Par conséquent, la mesure peut être poursuivie. Les graphiques sont réinitialisés à la fin de la phase de qualité, et les signaux représentant les données des patients sont tracés en temps réel. Continuez à partir de l’étape 2.6 si les icônes TRS et DCS ne deviennent pas vertes et restent rouges à la fin du contrôle qualité. Appuyez sur le bouton Stop pour interrompre le protocole si le patient est instable ou nécessite une intervention clinique soudaine à tout moment pendant le protocole. Appuyez sur le bouton Extend pour ajouter 30 s de durée de pré-occlusion si le patient bouge le bras et n’a pas de signaux de base stables.REMARQUE : L’opérateur peut appuyer sur le bouton Extend autant de fois et dans n’importe quelle phase que nécessaire ; Chaque pression sur un bouton ajoutera 30 s. Assurez-vous que le garrot se gonfle automatiquement à la pression souhaitée pour démarrer le VOT. Appuyez sur les boutons + ou – pour augmenter ou diminuer la pression d’occlusion souhaitée par pas de 5 mmHg si la pression artérielle du patient change après le début du protocole. Le début et l’arrêt du VOT sont automatiquement marqués par des lignes verticales jaunes.REMARQUE : Le logiciel est configuré pour acquérir des données en continu et pour effectuer automatiquement 3 min de VOT après 3 min de ligne de base. Le protocole standard prédéfini dure six minutes de plus après la fin de la VOT pour évaluer la récupération une fois que la réponse hyperémique du patient est terminée et qu’un état stable est obtenu. Appuyez sur OK lorsque l’opérateur est averti de la fin du protocole par une notification contextuelle, qui marque la réussite du protocole. Retirez les sondes et le brassard du patient et nettoyez-les à l’aide d’un tampon imbibé d’alcool ou d’un produit équivalent. Notez manuellement les informations cliniques et démographiques (selon les protocoles d’étude prédéfinis) ainsi que la circonférence du bras à l’emplacement de la sonde et l’épaisseur du tissu adipeux sus-jacent dans le formulaire de données du patient. Figure 6 : Capture d’écran des paramètres de protocole utilisés pour exécuter automatiquement l’ensemble du protocole. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 5. Analyse des données Utilisez un script/programme écrit dans son langage préféré (exemple Python ou MATLAB) pour ouvrir et visualiser les données binaires enregistrées. Calculer l’indice de consommation d’oxygène qui représente le métabolisme tissulaire et qui est défini comme suit :où Hb est l’hématocrite, qui est enregistré à partir des dossiers cliniques du patient dans le formulaire de données du patient. Calculez le taux de DeO2 (pente de StO2 du début de la VOT à 1 min), l’amplitude de DeO2 (StO2 de base – StO2 minimum), le taux de ReO2 (pente de StO2 de la fin de la VOT à l’atteinte de la valeur maximale), l’amplitude du pic hyperémique de StO2 et BFI (valeurs de crête) et l’aire sous la courbe (AUC) de la réponse réactive après VOT pour StO2 et BFI.REMARQUE : Le calcul des valeurs absolues en temps réel de HbO, HbR, HbT et StO2 est réalisé par un algorithme d’ajustement utilisant les courbes de distribution du temps de vol (DTOF) à partir de TRS des deux longueurs d’onde. Les détails théoriques peuvent être trouvés dans Torricelli et al. et Contini et al.18,21. Le calcul du BFI en temps réel est réalisé par l’algorithme d’ajustement à l’aide des courbes d’autocorrélation de DCS. Les détails théoriques peuvent être trouvés dans Durduran et Yodh16.

Representative Results

Les études cliniques en cours ont utilisé l’appareil pendant plus de 300 heures par plusieurs utilisateurs formés pour effectuer des mesures chez des patients en soins intensifs et des témoins sains, obtenir des résultats cliniquement pertinents et caractériser les performances in vivo du système dans un environnement réel. Ici, nous montrons quelques exemples de traces temporelles des données d’un seul sujet qui sont visibles par l’utilisateur. Les résultats préliminaires du protocole sont mesurés et affichés en temps réel, tels que HbO, HbR, HbT, StO2, SpO2 et BFI. Différents paramètres dérivés, tels que MRO2, DeO2, ReO2 et AUC, sont décrits. La figure 7 montre le moniteur de l’appareil à l’étape 3.3, qui montre la qualité des données, où les puissances laser sont ajustées, le nombre de photons et la diaphonie entre les modalités sont testés automatiquement. Le moniteur de l’appareil affiche deux courbes d’autocorrélation d’intensité (g2) car l’appareil dispose de deux fibres de détection DCS couplées à des modules de comptage de photons uniques et du DTOF pour les deux longueurs d’onde du dispositif TRS. La longueur d’onde du laser utilisé pour le DCS est de 785 nm, tandis que le module TRS OEM fait briller les lasers à 685 nm et 830 nm. Les courbes d’autocorrélation du graphique du haut semblent être bruyantes à des temps de latence plus faibles. Cela peut être dû en partie à la faible intensité lumineuse dans cet exemple spécifique. Une intensité lumineuse accrue et des fibres de détection indépendantes/parallèles ont été recommandées pour augmenter le rapport signal/bruit pour DCS42,43. Par conséquent, une moyenne de deux canaux DCS est prévue pour réduire l’effet du bruit et calculer ensuite un meilleur BFI. Figure 7 : Capture d’écran du mode de surveillance du logiciel pendant la phase de vérification de la qualité des données. Le graphique du haut montre les courbes d’autocorrélation de deux canaux de DCS. Le graphique du milieu montre le DTOF pour les longueurs d’onde TRS. Le graphique du bas montre le nombre de photons pour DCS et TRS. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. La période de référence initiale avec moniteur clinique, illustrée à la figure 8, comporte des icônes vertes pour le DCS et le TRS, indiquant le succès des tests de qualité. Les signaux affichés semblent très stables et, par conséquent, la fonction d’extension, décrite à l’étape 3.5, n’était pas nécessaire dans ce cas. Si la ligne de base initiale apparaît comme illustré à la figure 9, il est nécessaire d’utiliser la fonction Étendre. Cette fonction étend l’acquisition de la ligne de base pour obtenir 3 minutes de données stables, qui peuvent être utilisées pour calculer les valeurs de base précises pour tous les paramètres. Figure 8 : Capture d’écran du mode moniteur clinique du logiciel pendant la phase de base initiale montrant des signaux de base stables. Le graphique du haut montre la valeur absolue des paramètres hémodynamiques mesurés par TRS, le graphique du milieu montre les signaux de saturation en oxygène et la valeur du pouls mesurés par TRS et oxymètre de pouls, et le graphique du bas montre le BFI mesuré à l’aide de DCS. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 9 : Capture d’écran montrant les pics de signaux dus au mouvement de la sonde. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Le début et la fin de la partie d’occlusion du brassard sont marqués de lignes verticales jaunes, comme le montre la figure 10. La forme du pouls et les valeurs de SpO2 n’ont aucune signification clinique/physiologique dans cette phase puisque le doigt du même bras à occlure est utilisé pour l’oxymétrie de pouls. Ceci est indiqué par l’icône rouge OXY exprimant des données peu fiables de l’oxymètre de pouls. Pour contourner cette situation, nous pourrions attacher l’oxymètre de pouls à la main non affectée du patient, qui n’est pas soumise au garrot et reste dégagée. Cependant, nous voulons obtenir l’indice de perfusion du bras sondé à l’aide de l’oxymètre de pouls pour les phases initiales de base et de récupération finale afin d’analyser les effets du VOT. Par conséquent, nous avons choisi d’utiliser l’oxymètre de pouls sur le même bras que le garrot. Figure 10 : Capture d’écran du logiciel montrant des lignes verticales jaunes marquant les instants de début et de fin du VOT. Les valeurs de SpO2 et de pouls sont insignifiantes car le flux sanguin est restreint. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. La figure 11 montre la chronologie complète du protocole comme indiqué à l’étape 3.6, y compris la phase finale de récupération, illustrant la réponse hyperémique et le retour des paramètres cliniques aux valeurs initiales de base. Le graphique du haut de la figure 11 montre les paramètres hémodynamiques absolus. Le début de la VOT marque une tendance à la baisse de l’HbO et une tendance à la hausse de l’HbR, car l’entrée et la sortie du sang sont bloquées par l’occlusion du ballonnet. La tendance s’inverse au moment de la fin de la VAT, dépasse les valeurs de référence initiales et revient aux valeurs de référence dans la phase de récupération. Les graphiques du milieu et du bas montrent que le signal BFI est légèrement plus bruyant que StO2. Cela est intrinsèquement dû au fait que le DCS a tendance à avoir un rapport contraste/bruit plus élevé, ce qui est évident dans la réponse hyperémique importante dans BFI42,44. En utilisant le riche ensemble de données de ce nouveau dispositif, les oscillations de BFI ont été utilisées comme biomarqueurs potentiels pour diagnostiquer les patients septiques45. Figure 11 : Capture d’écran du moniteur clinique montrant les signaux tout au long de la chronologie du protocole. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Avec ce protocole, l’oxygène utilisé par le muscle peut être surveillé de manière isolée pendant le VOT. La pente de DeO2 pendant le défi ischémique indique comment le tissu consomme de l’oxygène. La diminution précoce de StO2 au cours de la VOT reflète le taux de consommation d’oxygène pour le tissu. Le pic hyperémique et les tendances à la décroissance ultérieure du StO2 et du BFI sont directement associés à la réactivité hyperémique et microvasculaire. En dehors de ces résultats évidents, nous pouvons utiliser plusieurs biomarqueurs potentiels pour classer un groupe spécifique de patients en soins intensifs. Les biomarqueurs existants sont le taux de désoxygénation, la valeur minimale de StO2 pendant le VOT, le taux de réoxygénation, la valeur du pic hyperémique et l’aire sous la courbe de StO2 et BFI. Ces biomarqueurs peuvent être utilisés pour identifier les populations de patients et la gravité de leurs maladies. Les résultats obtenus à partir d’un exemple d’ensemble de données d’un patient sont présentés à la figure 12. Le terme « DATA QC » désigne le contrôle de qualité initial, qui ne concerne pas les données des patients. Par conséquent, il n’est pas affiché dans la représentation. Les valeurs moyennes de StO2, BFI et MRO2 pour la période de référence sont calculées à des fins de comparaison avec les phases de récupération VOT et post-VOT. Les résultats obtenus lors de ce protocole peuvent être différents des données de cet exemple. Les valeurs de base de tous les paramètres peuvent être supérieures ou inférieures, et le taux de DeO2 peut être plus rapide ou plus lent. La réponse hyperémique peut avoir un taux plus ou moins élevé de ReO2 et des valeurs de pic, ou il peut y avoir une absence de pic. La phase de récupération peut montrer une normalisation plus rapide ou plus lente des valeurs. Ces variations sont représentatives de l’état du patient souffrant d’une maladie spécifique ou d’un ensemble de maladies. Figure 12 : Résumé des résultats compilés hors ligne. La ligne pointillée noire marque le début des trois minutes de la période de base, tandis que la ligne pointillée rouge marque les événements de gonflement et de dégonflage. Le graphique du haut montre le signal StO2 avec des régions marquées pour calculer DeO2 et ReO2. Le graphique du milieu montre le BFI tandis que le graphique du bas montre la pression du garrot. Les valeurs de référence et l’ASC sont indiquées en bleu dans leurs phases respectives. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Nous avons fait la démonstration d’un dispositif entièrement automatisé, robuste et non invasif pour la mesure et la surveillance continues du muscle squelettique à l’aide d’une optique diffuse hybride pour évaluer l’oxygénation microvasculaire, la perfusion sanguine et l’hyperémie réactive. En utilisant ce protocole avec le dispositif VASCOVID, nous pouvons mesurer simultanément les paramètres hémodynamiques absolus de l’HbO, de l’HbR et de l’HbT ; saturation en oxygène de StO2 et SpO2 ; DeO2 et ReO2 ; et BFI. Le StO2 et le BFI affichés en temps réel sont obtenus à partir des données brutes de la seconde précédente des modules TRS et DCS, respectivement. La procédure d’ajustement ne prend pas de temps car les processeurs modernes utilisent des modèles standard d’un milieu homogène semi-infini. Les paramètres acquis ne brossent pas un tableau complet de la fonction endothéliale. Cependant, l’hyperémie réactive mesurée a démontré une valeur pronostique dans plusieurs affections aiguës où l’atteinte endothéliale joue un rôle majeur, comme le choc septique ou la COVID-19. 6,28 Le protocole comprend également un contrôle de qualité automatisé qui enregistre les paramètres du dispositif, ce qui est utile pour un protocole de recherche au cas où une anomalie inexpliquée serait détectée ultérieurement dans les données d’un patient.

La quantification de la couche adipeuse superposée et de la circonférence du bras est importante lors de la mesure du muscle brachioradial dans ce protocole, car les photons traversent principalement les tissus superposés lorsqu’ils sont injectés et détectés. Il est bien connu en optique diffuse qu’il y a un effet de volume partiel associé. Par conséquent, les informations superficielles doivent être enregistrées et utilisées lors de l’analyse des données afin de tenir compte de l’effet des variations du tissu adipeux46,47. Ceci est encore amplifié dans ces populations de patients d’intérêt car il est fréquent chez les patients en soins intensifs de développer un œdème où les membres sont enflés car l’eau est piégée en raison de l’immobilisation et d’autres raisons48. Chez ces patients, la variation de la circonférence pendant le séjour en soins intensifs peut fournir des informations sur la gravité de l’œdème. Le chemin de la source lumineuse atteignant les détecteurs doit traverser toutes les couches superficielles.

Le brassard doit être confortablement enroulé autour du bras, assurant un ajustement serré. Cependant, il est important d’éviter une tension excessive qui pourrait exercer une pression excessive sur le bras uniquement par le fait d’enrouler le brassard49. L’objectif est d’obtenir un ajustement sûr et confortable sans provoquer de compression inutile, ce qui peut modifier les paramètres hémodynamiques de base. S’il comprime le bras, la qualité des données sera compromise pour l’ensemble du protocole, et la pression exercée sera effectivement ajoutée à la pression cible du VOT. Si le brassard est légèrement enroulé sur le bras, plus d’air sera nécessaire pour atteindre la pression cible et donc plus de temps sera pris. Cela peut donner aux tissus le temps d’ajuster la physiologie car l’apport en oxygène est réduit lentement, ce qui devrait être évité50.

Il est important de fixer la sonde intelligente de manière à maintenir un contact approprié sans exercer de pression excessive sur les tissus. Cela permet d’obtenir des mesures fiables tout en évitant le risque d’ischémie locale. L’ischémie locale se produit lorsque le flux sanguin vers la zone est restreint, ce qui perturbe la circulation et peut corrompre les mesures51.

Le capteur tactile capacitif de la sonde est utilisé par le système de sécurité laser pour s’assurer que le laser ne brille que lorsque la sonde est fixée au tissu. Si le patient a une forte densité de poils sur le bras, la sensibilité du capteur tactile peut être compromise. L’application d’un double ruban adhésif transparent fin du côté du capteur de la sonde peut atténuer efficacement le problème du capteur tactile. Lorsque la sonde est fixée au bras poilu avec ce ruban, elle fournit un signal tactile fiable et stable. Des coupes prédéfinies de ce ruban sont disponibles pour la sonde intelligente avec séparation entre les sources lumineuses et les détecteurs. La séparation est essentielle pour éviter la formation d’un canal lumineux direct entre la source et les fenêtres du détecteur, ce qui peut affecter la qualité des mesures. L’utilisation d’un double ruban adhésif transparent constitue une solution pratique pour améliorer la fiabilité de la détection tactile dans ces circonstances. Si la détection tactile est perdue pendant le protocole, il éteint les lasers et la mesure est perdue. La sonde dispose également d’un capteur de charge qui pourrait, à l’avenir, être utilisé comme mesure de sécurité de secours.

Si le patient bouge son bras ou si une petite intervention clinique perturbe la stabilité des signaux acquis pendant la phase de base, entraînant des pics nets, il est conseillé d’utiliser la fonction d’extension. Cette fonction permet d’acquérir une ligne de base stable pendant trois minutes, assurant une mesure du signal cohérente et fiable.

Il est important de considérer que la pression artérielle du patient peut subir des changements importants après le début du protocole, ce qui peut avoir un impact sur la capacité à atteindre la pression cible de 50 mmHg supérieure à la pression artérielle systolique pour le VOT. Ces fluctuations de la pression artérielle peuvent être influencées par divers facteurs, tels que la réponse physiologique du patient, les effets des médicaments ou d’autres conditions cliniques52. Par conséquent, la pression cible doit être ajustée en appuyant sur les boutons « + » ou « – » si nécessaire pour assurer une administration cohérente du VOT.

L’exécution typique de VOT a des limites dues à la variabilité de l’opérateur, qui est résolue dans ce protocole par un VOT automatique. Nous utilisons cette stratégie pour régler la pression d’occlusion de 50 mmHg au-dessus du niveau de pression artérielle systolique. Cette méthode arrête le flux sanguin et a été rapportée dans des études antérieures pour effectuer le VOT53,54. La pression cible individualisée pour la VOT dans ce protocole aide à éviter la vasoconstriction qui peut se produire en fixant une pression cible générale pour la VOT. La douleur causée par une pression inutilement élevée peut affecter la mesure et provoquer une vasoconstriction, par exemple chez un patient avec une pression systolique de 120 mmHg et une pression cible de 200 mmHg ou 250 mmHg29. Nous notons que les patients admis dans les unités de soins intensifs sont confrontés à un risque accru de thrombose, principalement en raison de facteurs tels que l’immobilité prolongée et la sédation55. Cela implique que pour éviter les risques, ce protocole ne peut pas être utilisé chez les patients souffrant de thrombose ou de thrombophlébite.

L’application de ce protocole peut être utile dans la population des unités de soins intensifs où l’hyperémie réactive altérée est une caractéristique courante et peut contribuer à des anomalies microvasculaires 3,56. Les paramètres acquis dans ce protocole, sans intervention de l’opérateur pendant la mesure, ont été précédemment utilisés dans la littérature individuellement ou en petite combinaison pour le sepsis, le cancer, l’accident vasculaire cérébral, etc. pour distinguer les conditions pathologiques 1,11,15,31. Par conséquent, nous pensons que la combinaison de ces paramètres pertinents est bénéfique pour plusieurs applications cliniques. Les données enregistrées par ce protocole peuvent aider à sélectionner des stratégies thérapeutiques appropriées pour améliorer la santé vasculaire57. Les informations précieuses sur l’oxygénation des tissus et la dynamique du flux sanguin pendant l’occlusion et la reperfusion nous permettent d’évaluer l’adéquation de l’apport sanguin aux organes vitaux. Il peut aider à identifier l’hypoxie tissulaire et à orienter les interventions pour optimiser la perfusion des organes58. En utilisant des informations en temps réel sur l’oxygénation microvasculaire et l’hyperémie réactive, il constitue un outil supplémentaire pour guider la prise en charge hémodynamique, la réanimation liquidienne et le traitement vasopresseur59,60. Cela garantit que les interventions sont adaptées aux besoins individuels des patients, optimisant ainsi l’oxygénation et la perfusion des tissus61,62. De plus, chez les patients sous ventilation mécanique, des changements évolutifs dans l’oxygénation microvasculaire et le flux sanguin au cours d’un essai de respiration spontanée peuvent être de la plus haute importance lors de l’évaluation de la tolérance cardiovasculaire pour répondre et surmonter la charge métabolique accrue dérivée du travail de respiration sans assistance2. À cet égard, une décision quotidienne critique et difficile pour les patients en soins intensifs sous ventilation mécanique est le processus de sevrage, qui se termine lorsque le patient est considéré comme capable de respirer par lui-même et que la sonde endotrachéale est retirée. L’application longitudinale de ce protocole peut être utilisée pour évaluer l’efficacité des interventions, suivre la progression de la maladie et orienter les stratégies de traitement.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette recherche a été financée par la Fundació CELLEX Barcelona, Fundació Mir-Puig, Ajuntament de Barcelona, Agencia Estatal de Investigación (PHOTOMETABO, PID2019-106481RB-C31/10.13039/501100011033), le programme « Severo Ochoa » pour les centres d’excellence en R&D (CEX2019-000910-S), , 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), Commission européenne Horizon 2020 (subventions n° 101016087 (VASCOVID), 101017113(TinyBrains), 871124 (LASERLAB-EUROPE V), 101062306 (Marie Skłodowska-Curie)), la Fundació La Marató de TV3 (2017,2020) et les programmes spéciaux 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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Non-invasive MonitoringMicrovascular OxygenationReactive HyperemiaNear-infrared Diffuse Optical SpectroscopyCritical CareVascular Occlusion TestMetabolic RateBlood FlowPulse OximetryDiffuse Optical TechnologiesOxygenated HemoglobinDeoxygenated HemoglobinMicrovascular Oxygen SaturationDiffuse Correlation SpectroscopyIschemic ChallengeResaturation

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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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