JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

ניטור לא פולשני של חמצון מיקרו-וסקולרי והיפרמיה תגובתית באמצעות ספקטרוסקופיה אופטית היברידית, כמעט אינפרא-אדומה מפוזרת לטיפול נמרץ

Published: May 10, 2024
doi:
10.3791/66062
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
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

אנו מתארים פרוטוקול למדידה לא פולשנית ורציפה של מדד זרימת הדם המיקרו-וסקולרית המוחלטת וריווי החמצן בדם באמצעות מכשיר רב-מודאלי המבוסס על אופטיקה דיפוזית תת-אדומה קרובה. לאחר מכן אנו מעריכים את קצב חילוף החומרים של צריכת חמצן והיפרמיה תגובתית באמצעות בדיקת חסימת כלי דם.

Abstract

איתור רמות הפגיעה בצריכת חמצן מיקרו-וסקולרית והיפרמיה תגובתית חיוני בטיפול נמרץ. עם זאת, אין אמצעים מעשיים להערכה איתנה וכמותית. מאמר זה מתאר פרוטוקול להערכת ליקויים אלה באמצעות התקן אופטי היברידי מפוזר אינפרא אדום קרוב. המכשיר מכיל מודולים עבור ספקטרוסקופיית מתאם קרוב לאינפרא אדום ומפוזר ודופק-אוקסימטריה. מודולים אלה מאפשרים מדידה לא פולשנית, רציפה ובזמן אמת של ריווי החמצן המוחלט והמיקרו-וסקולרי בדם/רקמות (StO2) ומדד זרימת הדם (BFI) יחד עם רוויית החמצן העורקי ההיקפי (SpO2). מכשיר זה משתמש במערכת חוסם עורקים משולבת ומבוקרת מחשב כדי לבצע פרוטוקול סטנדרטי עם קליטת נתונים אופטיים משריר הברכיורדיאליס. בדיקת חסימת כלי הדם המתוקננת (VOT) מטפלת בשינויים במשך החסימה ובלחץ המדווחים בספרות, בעוד שהאוטומציה ממזערת הבדלים בין אופרטורים. הפרוטוקול שאנו מתארים מתמקד בתקופת חסימה של 3 דקות, אך הפרטים המתוארים במאמר זה יכולים בקלות להיות מותאמים לפרקי זמן אחרים וללחיצות שרוול, כמו גם לשרירים אחרים. הכללת מדידה מורחבת של קו בסיס ותקופת התאוששות לאחר חסימה מאפשרת לכמת את ערכי הבסיס עבור כל הפרמטרים ואת קצב החמצון בדם/רקמות המתאים לקצב חילוף החומרים של צריכת החמצן. ברגע שהשרוול משתחרר, אנו מאפיינים את קצב החמצון מחדש של הרקמות, עוצמתה ומשך התגובה ההיפרמית ב-BFI וב-StO2. פרמטרים אחרונים אלה תואמים לכימות של היפרמיה תגובתי, אשר מספק מידע על תפקוד האנדותל. יתר על כן, המדידות שהוזכרו לעיל של הריכוז המוחלט של המוגלובין מחומצן ולא מחומצן, BFI, קצב חילוף החומרים הנגזר של צריכת חמצן, StO2 ו- SpO2 מספקות מערך נתונים עשיר שעדיין לא נחקר שיכול להציג חומרת מחלה, טיפולים מותאמים אישית והתערבויות ניהול.

Introduction

חולים במצב קריטי, במיוחד אלה עם אלח דם ומצבים דומים אחרים, מציגים לעתים קרובות היפרמיה תגובתית לקויה וחמצון מיקרו-וסקולרי 1,2,3. במהלך הגלים הראשונים של מגפת הקורונה, מספר בלתי צפוי של חולים נזקק לניהול טיפול נמרץ, שבמהלכו התבררה השפעת הנגיף על האנדותל, אך ללא אסטרטגיה ברורה להערכה וניהול של 4,5,6. כתוצאה מכך, גוברת ההכרה בחשיבות של איתור הפרעות בתפקוד האנדותל, הניתנות להערכה עקיפה על ידי היפרמיה תגובתית, בטיפול נמרץ, כלומר ביחידות לטיפול נמרץ7. הערכה מעשית, חזקה וזמינה באופן נרחב של אספקת חמצן וצריכה לרקמות צפויה להיות בעלת חשיבות עליונה באופטימיזציה של אסטרטגיות החייאה וטיפול ישיר בבעיות מיקרו-סירקולטוריות. מחקרים הוכיחו באופן עקבי כי שינויים מתמשכים במיקרו-סירקולציה וחוסר קוהרנטיות בין macrocirculation ומיקרו-סירקולציה מנבאים, במידה מסוימת, אי ספיקת איברים ותוצאות שליליות בחולים שנפגעו מהלם ספטי או הלם דימומי, בין מצבים קריטיים אחרים, גם כאשר פרמטרים מערכתיים נחשבים נורמליים 8,9,10. התברר כי הסתמכות אך ורק על פרמטרים macrocirculatory אינו מספיק, כמו microcirculation משחק תפקיד קריטי חמצון רקמות ותפקוד איברים 11,12,13. מאמר זה מתאר פרוטוקול המשתמש במכשיר רב-מודאלי חדש המבוסס על טכנולוגיות אופטיות מפוזרות אינפרא-אדום קרוב שפותח במסגרת קונסורציום בינלאומי המתמקד בחולים בטיפול נמרץ. הפרויקט, VASCOVID (https://vascovid.eu), הונע על ידי מגיפת COVID-19 להעריך את בריאות כלי הדם בשרירים היקפיים בטיפול נמרץ. תכננו פרוטוקול באמצעות מכשיר VASCOVID שפותח שמטרתו לשפר את ההבנה שלנו של פרמטרים אלה וכיצד פרמטרים אלה יכולים להיות שימושיים בניהול חולים קריטיים עם היקף רחב בהרבה מאשר חולי COVID-19.

ספקטרוסקופיית אינפרא אדום קרוב (NIRS) שימשה להערכת מיקרוסירקולציה לא פולשנית במשך עשרות שנים במגוון רחב של יישומים קליניים, כולל, מטופלי טיפול נמרץ 14,15,16,17. חשוב לציין כי היישום הפשוט ביותר של NIRS, כלומר גל רציף NIRS (CW-NIRS), מיושם במכשירים בשימוש נרחב ומאושרים קלינית17,18, המשמשים למדידת הריכוזים המוחלטים של אוקסי (HbO) והמוגלובין דאוקסי (HbR) לחישוב ריווי החמצן בדם/רקמות (StO2) של כלי הדם הזעירים. בעוד מכשירים אלה מצאו שימושים נישתיים בניהול קליני, כגון במהלך ניתוחי לב, יש להם מגבלות ברורות בשל הפיזיקה של התפשטות פוטונים ברקמות. משמעות הדבר היא כי הדיוק, הדיוק והחזרתיות שלהם מוטלים בספק, ולכן הם משמשים לעתים קרובות כצגי מגמה19,20. יתר על כן, התוצאות שלהם מושפעות מאוד מרקמות שטחיות כגון שכבת השומן ושכבות העור.

NIRS (TRS) משתמש בפולסי לייזר קצרים בתחום הפיקו-שניות באורכי גל מרובים כדי להעריך את השהיה והתרחבות שלהם לאחר חציית רקמה21. זה מאפשר ל- TRS להפריד את השפעות הספיגה מהפיזור כדי לקבל הערכות חזקות, מדויקות ומדויקות, ומאפשר לו גם לחשב את ריכוז ההמוגלובין הכולל (HbT). מאחר ש-TRS פותר גם נתיבים, ניתן להשתמש בו כדי להפריד טוב יותר אותות שטחיים מהאותות העמוקים המעניינים18,21. זה בא על חשבון מורכבות, מחיר ומגשמות. עם זאת, בשנים האחרונות, מערכות TRS ירדו במורכבות ובעלות, וכתוצאה מכך התקנים נגישים יותר וקלים יותר לשימוש. כתב יד זה מתאר התקן המשתמש במודול TRS מסחרי22,23 של יצרן ציוד מקורי קומפקטי (OEM).

ספקטרוסקופיית מתאם מפוזר (DCS) היא טכנולוגיה נוספת של אינפרא אדום קרוב המשתמשת בסטטיסטיקה הטמפורלית של כתמים מפוזרים כדי לכמת את התנועה של חלקיקים מפזרי אור, הנשלטים על ידי תאי דם אדומים ברקמות16,24. זה, בתורו, ידוע היטב להיות אינדיקטור של זרימת דם microvascular, אשר אנו מכנים מדד זרימת הדם (BFI)25. השימוש בו זמנית ב-TRS וב-DCS במכשיר אופטי היברידי מציע תובנות לגבי חילוף החומרים של חמצן על ידי שימוש במודלים נפוצים כדי לגזור את מקטע מיצוי החמצן המקומי ולהכפילו בזרימת הדם 15,26,27.

על מנת להעריך את זרימת הדם בטיפול נמרץ, NIRS משמש לעתים קרובות עם בדיקת חסימת כלי דם (VOT), שהוא אתגר איסכמי המבוצע על ידי חסימת אספקת הדם לשריר ההיקפי הנבדק למשך זמן מסוים (מספר דקות)28,29,30,31,32. לרוב, הוא מבוצע על ידי ניפוח חוסם עורקים כרוך סביב הזרוע העליונה מעל הלחץ הסיסטולי33. במהלך ההצבעה, הרופאים מעריכים את התגובה של חמצון הדם המיקרו-וסקולרי לשינויים בזרימת הדם כדי להפיק מטבוליזם של חמצן במנוחה והיפרמיה תגובתית34. ההנחה היא שבמהלך ההצבעה, כאשר השרוול מנופח הרבה מעל לחץ חסימת הגפיים, אין זרימה או יציאה של דם. לכן, תחילת VOT מראה שיפוע כלפי מטה של StO2, כלומר דה-אוקסיגנציה (DeO2), כאשר חמצן נצרך על ידי הרקמה, מה שמאפשר להעריך את קצב חילוף החומרים של צריכת החמצן. כאשר ההצבעה מסתיימת והשרוול מנופח, הדם זורם פנימה כדי לפצות על דלדולו, מה שמוביל לתגובה היפרמית. עומס זה יוצר שיפוע חד כלפי מעלה ב-StO2, כלומר חמצון מחדש (ReO2). התגובה ההיפרמית, שהיא עלייה מעבר לקו הבסיס הראשוני עם התאוששות איטית חזרה לקו הבסיס, מעריכה את ההיפרמיה הריאקטיבית. השילוב של NIRS עם VOT זכה להתעניינות גוברת בטיפול נמרץ בשל קלות השימוש בו והפוטנציאל לחיזוי תוצאות שליליות ואפילו תמותה במצבים קריטיים כגון אלח דם 35,36,37.

במהלך מגיפת COVID-19, הקבוצות שלנו יזמו קונסורציום עולמי ולאחרונה השלימו את מה שמכונה ניסוי HEMOCOVID-19, המראה קשר בין שינויים במיקרו-סירקולציה היקפית לבין חומרת תסמונת מצוקה נשימתית חריפה בחולי COVID-196. זה נתמך גם על ידי עבודות אחרות 7,38. כל המחקרים הללו נעשו עם מערכות CW-NIRS שהוזכרו לעיל, ולכן סבלו מחסרונותיהן. יתר על כן, ביצוע VOT לא היה סטנדרטי על פני מחקרים שונים והוא מושפע מפרמטרים שונים כמו משך החסימה, לחץ חוסם עורקים, וריאציות מבוססות מפעיל 29,39,40. סקירת ספרות מראה בבירור כי כדי ש- VOT ו- NIRS ישיגו אחיזה במרפאות, חשוב למדוד את זרימת הדם, יש פרוטוקולים סטנדרטיים, ויש מערכת NIRS חזקה11. לכן, הצענו כי על ידי שימוש בצורה מתקדמת יותר של NIRS (TRS), מדידת זרימת הדם, וסטנדרטיזציה של בקרת השרוול במהלך VOT, ניתן יהיה להשיג הבחנה טובה יותר בין מצבים פתולוגיים למצבים בריאים. לשם כך, פיתחנו מכשיר אופטי מפוזר היברידי זה המשלב מודולים מרובים הכוללים שני מודולים אופטיים מפוזרים כמעט אינפרא אדום של TRS ו- DCS, אוקסימטריית דופק וחוסם עורקים אוטומטי. מודול אוקסימטריית הדופק מספק את קצב הלב (HR), מדד הזילוח ואחוז ריווי החמצן העורקי (SpO2). חוסם עורקים מהיר משמש במכשיר, שהוא קריטי לביצוע VOT. המכשיר מגיע עם קופסת אביזרים אופציונלית המאפשרת לנו לרכוש מידע נוסף במהלך השימוש לבקרת איכות ממושכת ורציפה, כגון מדידה שגרתית ומעשית של פונקציית תגובת המכשיר (IRF) עבור TRS ומדידה על פנטום מחקה רקמות להערכת יציבות אורכית. המכשיר מוצג כנמצא בשימוש בטיפול נמרץ באיור 1.

Figure 1
איור 1: סידור המיטה של המכשיר הנייד בטיפול נמרץ עם הבדיקות והאזיק המחוברים לחולה. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

הגשושית החכמה הרב-מודאלית משלבת סיבים אופטיים של מקור וגלאי הן עבור TRS והן עבור DCS עם מסננים אופטיים בתוך המכשיר המונעים הפרעות בין DCS ו-TRS. הפרדת גלאי המקור המשמשת במערכת זו היא 25 מ”מ. בנוסף, הגשושית משלבת חיישן מגע קיבולי, המספק תכונת בטיחות חשובה למניעת סיכוני לייזר בהתאם לתקן בטיחות הלייזר (IEC 60601-2-22:2019)41. מערכת בטיחות הלייזר בתוך המכשיר מבטיחה כי פליטת הלייזר מתרחשת רק כאשר הבדיקה נמצאת במגע עם הרקמה. אם מזוהה ניתוק של הבדיקה, הלייזרים כבויים מיד, מה שמבטיח את שלומם של החולים והמפעילים כאחד. יתר על כן, הגשושית משולבת עם מד תאוצה, חיישן עומס וחיישן אור למטרות פונקציונליות ואיסוף נתונים נוספות.

מאמר זה מתאר את הפרוטוקול האוטומטי שבו אנו בודקים את שריר הברכיורדיאליס בו זמנית עם VOT באמצעות המכשיר שפותח. ציר הזמן של הפרוטוקול מוצג באיור 2. הפרוטוקול אוטומטי לחלוטין, ואין צורך בהתערבויות מפעיל במהלך ביצועו. על ידי מינוף היכולות של מכשיר חדשני זה, אנו שואפים להשיג תובנות יקרות ערך המאפשרות לרופאים להבין טוב יותר את הפיזיופתולוגיה של צריכת חמצן היקפית וגם להעריך את היחס בין צריכת החמצן לאספקתו ובכך לסייע להם לשפר את הטיפול בחולים באופן מקיף ויעיל.

Figure 2
איור 2: ציר הזמן של הפרוטוקול. המטופל נמצא במנוחה לאורך ציר הזמן עם לחץ של 0 מ”מ כספית בנקודת ההתחלה הראשונית ובתקופת ההחלמה. ה- VOT מבוצע עם חוסם עורקים מנופח ללחץ של 50 מ”מ כספית גבוה יותר מלחץ הדם הסיסטולי של המטופל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

המחקר אושר על ידי ועדת האתיקה המקומית בבית החולים Parc Tauli Universitari. הסכמה מדעת וחתומה התקבלה מהמטופלים או מקרוביהם. התוויות נגד מוחלטות לכניסה לפרוטוקול היו: חשד קליני או אישור אקוגרפי של פקקת ורידים בזרוע הנחקרת, פציעות כלי דם או טראומטיות אחרות בזרוע הנחקרת, אובדן שלמות העור או נגעים שעלולים לעכב את מיקום הבדיקה. 1. בדיקה עצמית של המכשיר הפעל את ההתקן. המכשיר מתחיל עם תוכנה שפותחה בתוך החברה. סובב את מקש הבטיחות למצב מופעל , מקם את הבדיקה במלואה בתוך תיבת פונקציית תגובת המכשיר (IRF) ולחץ על לחצן איפוס על הגשושית אם היא זוהרת. לחץ על בסדר כפתור בתיבת הדו-שיח הקופצת והמתן עד שהמכשיר יהיה מוכן.הערה: ההתקן מבצע בדיקות עצמיות כדי להבטיח פעולה יציבה. המשתמש מקבל הודעה מוקפצת כאשר המכשיר מוכן. 2. מדידת IRF ופנטום אופציונלית לחץ על אישור כשההתקן מוכן. הקש כן כאשר הוא מבקש למדוד IRF. המכשיר מתאים אוטומטית את עוצמת הלייזר כדי להגיע לקצב הספירה הרצוי של 1 מיליון. לחץ על לחצן עצור כאשר נצפה קצב ספירה יציב ו- DTOF. IRF זה נשמר בקבצים, כמו גם נטען בתוכנה לשימוש לחישובים בזמן אמת. הכנס את הבדיקה לתיבת הפנטום כראוי כך שהמחוון המצורף לבדיקה יהיה מופעל. לחץ על לחצן הפנטום כדי להפעיל את פרוטוקול הפנטום.הערה: בדיקת בקרת האיכות מוודאת שמספר מספיק של פוטונים נקלטים על ידי גלאי DCS ו-TRS וגם בודקת אם הספירות הכהות נמצאות בגבולות הרצויים. המשך להקליט לפחות 30 שניות לאחר בקרת האיכות כדי לשמור כמות מספקת של נתונים לניתוח לא מקוון נוסף. 3. הכנת מדידה ליד המיטה יש לחבר את חוסם העורקים על הזרוע העליונה מעל המרפק כפי שנעשה במהלך מדידת לחץ דם. אין לכרוך את השרוול בצורה רופפת או הדוקה מאוד סביב הזרוע.הערה: חיבור רופף של חוסם העורקים דורש יותר אוויר כדי להגיע ללחץ הרצוי. אינפלציה איטית מאפשרת לגוף להתאים מחדש את הפיזיולוגיה שלו. חבר את אוקסימטר הדופק לאצבע המורה של אותה זרוע. אם לא ניתן לחבר לאצבע המורה, יש לחבר אותה לכל אצבע אחרת. אתר את שריר הברכיורדיאליס לבדיקה, שנמצא באמה הצידית ממש מתחת למרפק. בקש מהמטופל לפתוח ולסגור אגרוף כדי להרגיש את השריר על ידי הנחת אצבעות על האמה. במקרה של חולים מורדמים או אם הם לא יכולים לזוז, לעקוב אחר השריר על ידי סיבוב קל של הזרוע ביד אחת. הרגישו את השריר בין האגודל לאצבעות היד השנייה. מדדו את היקף הזרוע סביב השריר הממוקם באמצעות סרט מדידה רך, כפי שמוצג באיור 3. מדדו את עובי רקמת השומן המשוער בחלק העליון של השריר באמצעות קליפר שומן גוף דיגיטלי, כפי שמוצג באיור 4. חברו את ראש הגשושית לשריר כאשר הסיבים והכבלים האופטיים הולכים לכיוון היד, כפי שמוצג באיור 5.הערה: אין לחבר את הבדיקה בחוזקה; זה יכול להשפיע על הפיזיולוגיה של הרקמות. ודאו שהסיבים אינם נוגעים בעצמים נעים, ושהם יכולים ליצור לכלוכים בנתונים. כסו את הגשושית במטלית שחורה כדי לחסום את האור החיצוני.הערה: אם המטופל ער, הודע לו שההצבעה עלולה לגרום לתחושת עקצוץ ואסור לו להזיז את היד. איור 3: מדידת היקף הזרוע סביב שריר הברכיורדיאליס. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 4: מדידת עובי רקמת השומן על גבי השריר באמצעות קליפר שומן בגוף. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 5: בדיקה המחוברת לשריר באמצעות סיבים וכבלים ההולכים לכיוון היד. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 4. איסוף נתונים ודא שמחוון ה-LED המחובר לבדיקה בלוח הקדמי של המכשיר מבריק ושסמל המגע בתוכנה ירוק, המראה שהבדיקה מחוברת. לחץ על הלחצן מתוזמן פרוטוקול . ודא שהוא פותח תיבת דו-שיח חדשה, כפי שמוצג באיור 6. הזן את מזהה הנושא, מזהה המפעיל ולחץ היעד של 50 מ”מ כספית גבוה יותר מלחץ הדם הסיסטולי. לחץ על אישור כדי להפעיל את הפרוטוקול האוטומטי. נתונים בזמן אמת מוצגים בגרפים. הפרוטוקול מתחיל בבקרת איכות שמתאימה אוטומטית את עוצמת הלייזר ובודקת את ספירת הפוטונים ואת ההתאבכות בין האופנים. בדיקת האיכות הושלמה תוך 2 דקות. שים לב לסמלים המעגליים המסומנים TRS ו- DCS, שחייבים להפוך לירוקים בסוף בדיקת איכות הנתונים.הערה: הסמלים הירוקים מראים שקצב ספירת הפוטונים נמצא בטווח הרצוי, אין אור חיצוני שנכנס לגשושית ואין הצלבה בין האופנים. לפיכך, ניתן להמשיך במדידה. הגרפים מתאפסים בסוף שלב האיכות, ואותות המייצגים את נתוני המטופלים משורטטים בזמן אמת. המשך משלב 2.6 אם סמלי TRS ו- DCS אינם הופכים לירוקים ונשארים אדומים בסוף בדיקת האיכות. לחץ על לחצן עצור כדי לבטל את הפרוטוקול אם המטופל אינו יציב או זקוק להתערבות קלינית פתאומית בכל רגע במהלך הפרוטוקול. לחץ על לחצן הרחב כדי להוסיף 30 שניות של משך טרום חסימה אם המטופל מזיז את היד ואין לו אותות בסיס יציבים.הערה: המפעיל יכול ללחוץ על לחצן הרחב כמה פעמים ובכל שלב לפי הצורך; כל לחיצה על כפתור תוסיף 30 שניות. ודא כי חוסם עורקים מתנפח באופן אוטומטי ללחץ הרצוי כדי להתחיל את ההצבעה. לחץ על לחצנים + או – כדי להגדיל או להקטין את לחץ החסימה הרצוי בצעדים של 5 מ”מ כספית אם לחץ הדם של המטופל משתנה לאחר תחילת הפרוטוקול. ההתחלה והעצירה של ההצבעה מסומנות באופן אוטומטי בקווים אנכיים צהובים.הערה: התוכנה מוגדרת לרכוש נתונים ברציפות ולבצע באופן אוטומטי 3 דקות של הצבעה לאחר 3 דקות של תוכנית בסיסית. הפרוטוקול הסטנדרטי שהוגדר מראש נמשך שש דקות נוספות לאחר השלמת VOT כדי להעריך את ההתאוששות לאחר סיום התגובה ההיפרמית של המטופל וקבלת מצב יציב. לחץ על אישור כאשר המפעיל מקבל הודעה בהשלמת הפרוטוקול באמצעות הודעה מוקפצת, המסמנת את ההשלמה המוצלחת של הפרוטוקול. הסר את הבדיקות ואת השרוול מהמטופל ונקה אותם באמצעות ספוגית אלכוהול או שווה ערך. רשמו את המידע הקליני והדמוגרפי (על פי פרוטוקולי המחקר שהוגדרו מראש) יחד עם היקף הזרוע במיקום הבדיקה ועובי רקמת השומן שמעליה בטופס נתוני המטופל באופן ידני. איור 6: צילום מסך של פרמטרי פרוטוקול המשמשים לביצוע אוטומטי של הפרוטוקול כולו. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 5. ניתוח נתונים השתמש בסקריפט/תוכנית הכתובים בשפה המועדפת עליך (לדוגמה, Python או MATLAB) כדי לפתוח ולהציג באופן חזותי נתונים בינאריים מוקלטים. חישוב מדד צריכת החמצן המייצג את חילוף החומרים ברקמה ומוגדר כ:כאשר Hb הוא המטוקריט, אשר נרשם מתוך תרשימים קליניים של המטופל בצורת נתוני המטופל. חשב את הקצב של DeO2 (שיפוע של StO2 מתחילת VOT לדקה אחת), משרעת של DeO2 (StO2 בסיסי – מינימום StO2), קצב ReO2 (שיפוע של StO2 מהשלמת VOT ועד הגעה לערך שיא), משרעת של שיא היפרמי של StO2 ו- BFI (ערכי שיא), והשטח מתחת לעקומה (AUC) של התגובה הריאקטיבית לאחר VOT הן עבור StO2 והן עבור BFI.הערה: חישוב הערכים המוחלטים בזמן אמת של HbO, HbR, HbT ו- StO2 מושג על ידי התאמת אלגוריתם באמצעות התפלגות עקומות זמן הטיסה (DTOF) מ- TRS של שני אורכי הגל. את הפרטים התיאורטיים ניתן למצוא ב-Torricelli et al. וב-Contini et al.18,21. חישוב BFI בזמן אמת מושג על ידי אלגוריתם ההתאמה באמצעות עקומות המתאם האוטומטי מ- DCS. את הפרטים התיאורטיים ניתן למצוא בדורדוראן ויוד16.

Representative Results

המחקרים הקליניים המתמשכים השתמשו במכשיר במשך יותר מ-300 שעות על ידי מספר משתמשים מיומנים כדי לבצע מדידות בחולים בטיפול נמרץ ובקרות בריאות, להפיק תוצאות רלוונטיות מבחינה קלינית ולאפיין את ביצועי in vivo של המערכת בסביבה אמיתית. כאן, אנו מדגימים כמה עקבות זמן לדוגמה של הנתונים מנושא יחיד הגלויים למשתמש. התוצאות הראשוניות של הפרוטוקול נמדדות ומוצגות בזמן אמת, כגון HbO, HbR, HbT, StO2, SpO2 ו-BFI. מתוארים פרמטרים נגזרים שונים, כגון MRO2, DeO2, ReO2 ו- AUC. איור 7 מראה את צג המכשיר במהלך שלב 3.3, אשר מראה את איכות הנתונים, היכן כוחות לייזר מותאמים, ספירת פוטונים והצלבה בין שיטות נבדקות באופן אוטומטי. צג ההתקן מציג שתי עקומות מתאם אוטומטי בעוצמה (g2) מכיוון שלמכשיר יש שני סיבי גלאי DCS המחוברים למודולים בודדים של ספירת פוטונים וה- DTOF עבור שני אורכי הגל של התקן TRS. אורך הגל של הלייזר המשמש עבור DCS הוא 785 ננומטר, בעוד מודול OEM TRS מאיר לייזרים ב 685 ננומטר ו 830 ננומטר. עקומות המתאם האוטומטי בגרף העליון נראות רועשות בזמני השהיה נמוכים יותר. זה יכול להיות חלקית בגלל עוצמת אור נמוכה בדוגמה ספציפית זו. עוצמת אור מוגברת וסיבי גילוי עצמאיים/מקביליים הומלצו כדי להגדיל את יחס האות לרעש עבור DCS42,43. לכן, מתוכנן ממוצע של שני ערוצי DCS כדי להפחית את השפעת הרעש ולאחר מכן לחשב BFI טוב יותר. איור 7: צילום מסך של מצב ניטור המכשיר של התוכנה במהלך שלב בדיקת איכות הנתונים. העלילה העליונה מציגה את עקומות המתאם האוטומטי משני ערוצים של DCS. העלילה האמצעית מציגה את DTOF עבור אורכי גל TRS. העלילה התחתונה מציגה את ספירת הפוטונים הן עבור DCS והן עבור TRS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. תקופת הבסיס הראשונית עם מוניטור קליני, המוצגת באיור 8, כוללת סמלים ירוקים עבור DCS ו- TRS, המעידים על הצלחת בדיקות איכות. האותות המוצגים נראים יציבים מאוד, ולכן התכונה הרחבה, המתוארת בשלב 3.5, לא נדרשה במקרה זה. אם קו הבסיס הראשוני מופיע כמתואר באיור 9, יש צורך להשתמש בתכונה הרחבה. תכונה זו מרחיבה את הרכישה הבסיסית כדי לקבל 3 דקות של נתונים יציבים, שניתן להשתמש בהם כדי לחשב את ערכי הבסיס המדויקים עבור כל הפרמטרים. איור 8: צילום מסך של מצב מוניטור קליני של תוכנה בשלב הבסיס הראשוני המציג אותות בסיסיים יציבים. העלילה העליונה מציגה את הערך המוחלט של פרמטרים המודינמיים הנמדדים על ידי TRS, העלילה האמצעית מציגה את אותות ריווי החמצן וערך הדופק הנמדדים על ידי TRS ומד הדופק, והתרשים התחתון מציג את ה- BFI שנמדד באמצעות DCS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 9: צילום מסך המראה קפיצות באותות כתוצאה מתנועת הגשושית. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. ההתחלה והסוף של חלק חסימת השרוול מסומנים בקווים אנכיים צהובים, כפי שמוצג באיור 10. לצורת הדופק ולערכי SpO2 אין משמעות קלינית/פיזיולוגית בשלב זה, שכן האצבע מאותה זרוע חסומה משמשת לאוקסימטריה של הדופק. זה מסומן על ידי סמל OXY אדום המבטא נתונים לא אמינים מ אוקסימטר הדופק. כדי לעקוף מצב זה, אנו יכולים לחבר את אוקסימטר הדופק ליד הלא מושפעת של המטופל, אשר אינו נתון חוסם עורקים ונשאר ללא הפרעה. עם זאת, אנו רוצים להשיג את מדד הזילוח של הזרוע הנבדקת באמצעות מד הדופק אוקסימטר עבור שלבי הבסיס הראשוניים וההתאוששות הסופית כדי לנתח את ההשפעות של VOT. לכן, בחרנו להשתמש אוקסימטר הדופק על אותה זרוע כמו חוסם עורקים. איור 10: צילום מסך של תוכנה המציג קווים אנכיים צהובים המסמנים את רגעי ההתחלה והסיום של VOT. ערכי SpO2 והדופק אינם משמעותיים מכיוון שזרימת הדם מוגבלת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 11 מציג את ציר הזמן המלא של הפרוטוקול כפי שמצוין בשלב 3.6, כולל שלב ההתאוששות הסופי, הממחיש את התגובה ההיפרמית ואת החזרת הפרמטרים הקליניים לערכי הבסיס הראשוניים. הגרף העליון של איור 11 מציג את הפרמטרים ההמודינמיים המוחלטים. תחילת ה- VOT מסמנת מגמת ירידה ב- HbO ומגמה עולה ב- HbR מכיוון שגם זרימת הדם וגם זרימת הדם נחסמות על ידי חסימת השרוול. המגמה מתהפכת בזמן השלמת VOT, חורגת מערכי הבסיס הראשוניים וחוזרת לערכי הבסיס בשלב ההתאוששות. הגרפים האמצעיים והתחתונים מראים שאות ה-BFI מעט רועש יותר מ-StO2. זה נובע מטבעו מהעובדה שה- DCS נוטה להיות בעל יחס ניגודיות לרעש גבוה יותר, כפי שניתן לראות מהתגובה ההיפרמית הגדולה ב- BFI42,44. באמצעות מערך הנתונים העשיר ממכשיר חדשני זה, התנודות ב- BFI שימשו כסמנים ביולוגיים פוטנציאליים לאבחון חולי ספיגה45. איור 11: צילום מסך של המוניטור הקליני המציג את האותות לאורך ציר הזמן של הפרוטוקול. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. באמצעות פרוטוקול זה, ניתן לנטר את החמצן המנוצל על ידי השריר בבידוד במהלך ה- VOT. השיפוע של DeO2 במהלך האתגר האיסכמי מציין כיצד הרקמה צורכת חמצן. הירידה המוקדמת של StO2 במהלך ה- VOT משקפת את קצב צריכת החמצן של הרקמה. השיא ההיפרמי ומגמות הדעיכה הבאות ב- StO2 ו- BFI קשורים ישירות לתגובתיות היפרמית ומיקרו-וסקולרית. מלבד התוצאות הברורות הללו, אנו יכולים להשתמש במספר סמנים ביולוגיים פוטנציאליים כדי לסווג קבוצה ספציפית של חולים בטיפול נמרץ. הסמנים הביולוגיים הקיימים הם קצב דה-אוקסיגנציה, ערך מינימלי של StO2 במהלך ה-VOT, קצב חמצון מחדש, ערך שיא היפרמי ושטח מתחת לעקומה של StO2 ו-BFI. ניתן להשתמש בסמנים ביולוגיים אלה כדי לזהות אוכלוסיות חולים ואת חומרת מחלותיהם. התוצאות שהתקבלו מקבוצת נתונים לדוגמה ממטופל מוצגות באיור 12. המונח “DATA QC” מציין את בדיקת האיכות הראשונית, שאינה נוגעת לנתוני המטופלים. לכן, הוא אינו מוצג בייצוג. הערכים הממוצעים של StO2, BFI ו- MRO2 עבור תקופת הבסיס מחושבים לצורך השוואה עם שלבים של התאוששות VOT והתאוששות לאחר VOT. התוצאות המתקבלות במהלך פרוטוקול זה יכולות להיות שונות מהנתונים מדוגמה זו. ערכי הבסיס של כל הפרמטרים יכולים להיות גבוהים או נמוכים יותר, והקצב של DeO2 יכול להיות מהיר או איטי יותר. התגובה ההיפרמית יכולה להיות בשיעור גבוה או נמוך יותר של ערכי ReO2 ושיא, או שייתכן היעדר שיא. שלב ההתאוששות יכול להראות נורמליזציה מהירה או איטית יותר של ערכים. וריאציות אלה מייצגות את מצבו של המטופל הסובל ממחלה ספציפית או קבוצה של מחלות. איור 12: סיכום התוצאות שנאספו במצב לא מקוון. הקו המקווקו השחור מסמן את תחילתן של שלוש דקות של תקופת קו הבסיס, ואילו הקו המקווקו האדום מסמן את אירועי הניפוח והנפיחה. הגרף העליון מציג את אות StO2 עם אזורים מסומנים לחישוב DeO2 ו- ReO2. העלילה האמצעית מראה את ה-BFI ואילו העלילה התחתונה מראה את לחץ חוסם העורקים. ערכי הבסיס וה- AUC מוצגים בכחול בשלבים המתאימים שלהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

הדגמנו מכשיר אוטומטי, חזק ולא פולשני לחלוטין למדידה וניטור רציפים של שרירי השלד באמצעות אופטיקה מפוזרת היברידית להערכת חמצון מיקרו-וסקולרי, זילוח דם והיפרמיה תגובתית. באמצעות פרוטוקול זה עם מכשיר VASCOVID, אנו יכולים למדוד בו זמנית פרמטרים המודינמיים מוחלטים של HbO, HbR ו- HbT; ריווי חמצן מ StO2 ו SpO2; DeO2 ו ReO2; ו-BFI. StO2 ו-BFI המוצגים בזמן אמת מתקבלים מהנתונים הגולמיים של השנייה הקודמת ממודולי TRS ו-DCS, בהתאמה. הליך ההתאמה אינו גוזל זמן מכיוון שמעבדים מודרניים משתמשים במודלים סטנדרטיים של מדיום הומוגני אינסופי למחצה. הפרמטרים שנרכשו אינם מציירים את התמונה המלאה של תפקוד האנדותל. עם זאת, היפרמיה תגובתית שנמדדה הדגימה ערך פרוגנוסטי במספר מצבים חריפים שבהם ליקוי האנדותל משחק תפקיד מרכזי, כגון הלם ספטי או COVID-19. 6,28 הפרוטוקול כולל גם בדיקת איכות אוטומטית המתעדת את פרמטרי המכשיר, אשר שימושיים עבור פרוטוקול מחקר במקרה של אנומליה בלתי מוסברת מזוהה מאוחר יותר בנתוני כל מטופל.

כימות שכבת השומן המכסה והיקף הזרוע חשוב בעת מדידת שריר הברכיורדיאליס בפרוטוקול זה, שכן הפוטונים עוברים בעיקר דרך רקמות הכיסוי בעת הזרקה ובעת זיהוי. ידוע באופטיקה דיפוזית שיש אפקט נפח חלקי נלווה. לכן, המידע השטחי צריך להיות רשום ומנוצל בעת ניתוח הנתונים על מנת להסביר את ההשפעה של שינויים ברקמת השומן46,47. הדבר מועצם עוד יותר בקרב אוכלוסיות חולים מעניינות אלה, שכן שכיח בחולים בטיפול נמרץ לפתח בצקת שבה הגפיים נפוחות כמו מים לכודים עקב אימוביליזציה וסיבות אחרות48. בחולים כאלה, השונות בהיקף במהלך השהות בטיפול נמרץ יכולה לספק מידע על חומרת הבצקת. מסלול מקור האור המגיע לגלאים צריך לעבור דרך כל השכבות השטחיות.

השרוול צריך להיות כרוך בנוחות סביב הזרוע, הבטחת התאמה קרובה. עם זאת, חשוב להימנע מהידוק יתר שעלול להפעיל לחץ מוגזם על הזרוע אך ורק באמצעות פעולת עטיפת השרוול49. המטרה היא להשיג התאמה בטוחה ונוחה מבלי לגרום לדחיסה מיותרת, שיכולה לשנות פרמטרים המודינמיים בסיסיים. אם הוא דוחס את הזרוע, איכות הנתונים תיפגע עבור הפרוטוקול כולו, והלחץ המופעל יתווסף ביעילות ללחץ היעד של VOT. במקרה שהשרוול כרוך באופן רופף לזרוע, יידרש יותר אוויר כדי להגיע ללחץ המטרה ולכן ייקח זמן רב יותר. זה יכול לתת זמן לרקמות להתאמת הפיזיולוגיה מכיוון שאספקת החמצן מופחתת לאט, דבר שיש להימנע ממנו50.

חשוב לחבר את הגשושית החכמה באופן שישמור על מגע תקין מבלי להפעיל לחץ מוגזם על הרקמה. זה מאפשר מדידות אמינות תוך הימנעות מהסיכון לאיסכמיה מקומית. איסכמיה מקומית מתרחשת כאשר זרימת הדם לאזור מוגבלת, מה שמוביל לפגיעה במחזור הדם ועלול להשחית את המדידות51.

חיישן המגע הקיבולי על הגשושית משמש את מערכת בטיחות הלייזר כדי להבטיח שהלייזר יזרח רק כאשר הגשושית מחוברת לרקמה. אם למטופל יש צפיפות שיער גבוהה על הזרוע, הרגישות של חיישן המגע עלולה להיפגע. היישום של סרט כפול דק ושקוף בצד החיישן של הגשושית יכול להקל ביעילות על בעיית חיישן המגע. כאשר הגשושית מחוברת לזרוע השעירה יחד עם סרט זה, היא מספקת אות מגע אמין ויציב. חיתוכים מוגדרים מראש של סרט זה זמינים עבור הגשושית החכמה עם הפרדה בין מקורות אור לגלאים. ההפרדה חיונית למניעת היווצרות תעלת אור ישירה בין חלונות המקור לגלאי, מה שיכול להשפיע על איכות המדידות. השימוש בסרט כפול שקוף משמש פתרון מעשי לשיפור אמינות חישת המגע בנסיבות אלה. אם חישת המגע אובדת במהלך הפרוטוקול, היא מכבה את הלייזרים והמדידה אובדת. לגשושית יש גם חיישן עומס אשר יכול, בעתיד, לשמש כאמצעי בטיחות גיבוי.

אם המטופל מזיז את זרועו או התערבות קלינית קטנה משבשת את יציבות האותות הנרכשים בשלב הבסיס, וכתוצאה מכך שיאים חדים, מומלץ להשתמש בתכונת ההארכה. תכונה זו מאפשרת רכישה של קו בסיס יציב למשך שלוש דקות, ומבטיחה מדידת אות עקבית ואמינה.

חשוב לקחת בחשבון כי לחץ הדם של המטופל עשוי לעבור שינויים משמעותיים לאחר תחילת הפרוטוקול, אשר יכולים להשפיע על היכולת להגיע ללחץ היעד של 50 מ”מ כספית גבוה יותר מאשר לחץ הדם הסיסטולי עבור VOT. תנודות אלה בלחץ הדם עשויות להיות מושפעות מגורמים שונים, כגון התגובה הפיזיולוגית של החולה, השפעות תרופתיות או מצבים קליניים אחרים52 . לכן, יש להתאים את לחץ היעד על ידי לחיצה על כפתורי “+” או “-” במידת הצורך כדי להבטיח ניהול עקבי של ה- VOT.

לביצוע טיפוסי של VOT יש מגבלות עקב השתנות המפעיל, אשר מטופלת בפרוטוקול זה על ידי הצבעה אוטומטית. אנו משתמשים באסטרטגיה כדי להגדיר את לחץ החסימה של 50 מ”מ כספית מעל רמת לחץ הדם הסיסטולי. שיטה זו עוצרת את זרימת הדם ודווחה במחקרים קודמים לביצוע VOT53,54. לחץ המטרה האינדיבידואלי עבור VOT בפרוטוקול זה מסייע במניעת כיווץ כלי דם שיכול לקרות על ידי תיקון לחץ מטרה כללי עבור VOT. כאב הנגרם על ידי לחץ גבוה שלא לצורך יכול להשפיע על המדידה ולגרום להתכווצות כלי הדם, למשל בחולה עם לחץ סיסטולי של 120 מ”מ כספית ולחץ מטרה של 200 מ”מ כספית או 250 מ”מ כספית29. נציין כי חולים המאושפזים בטיפול נמרץ נמצאים בסיכון מוגבר לפקקת, בעיקר בשל גורמים כגון חוסר תנועה ממושך, וטשטוש55. משמעות הדבר היא כי כדי למנוע סיכונים, פרוטוקול זה לא יכול לשמש בחולים הסובלים פקקת או thrombophlebitis.

היישום של פרוטוקול זה יכול להיות שימושי באוכלוסיית טיפול נמרץ שבה היפרמיה תגובתית לקויה היא תכונה נפוצה ויכולה לתרום להפרעות בכלי הדם 3,56. הפרמטרים שנרכשו בפרוטוקול זה, ללא התערבות מפעיל במהלך המדידה, שימשו בעבר בספרות באופן יחיד או בשילוב קטן עבור אלח דם, סרטן, שבץ וכו ‘כדי להבחין בין מצבים פתולוגיים 1,11,15,31. לכן, אנו מאמינים כי שילוב של פרמטרים רלוונטיים אלה מועיל למספר יישומים קליניים. הנתונים שנרשמו על ידי פרוטוקול זה יכולים לסייע בבחירת אסטרטגיות טיפוליות מתאימות לשיפור בריאות כלי הדם57. התובנות יקרות הערך על חמצון רקמות ודינמיקה של זרימת הדם במהלך חסימה ורפרפוזיה מאפשרות לנו להעריך את הלימות אספקת הדם לאיברים חיוניים. זה יכול לעזור בזיהוי היפוקסיה רקמות ומנחה התערבויות כדי לייעל זילוח איברים58. על ידי שימוש במידע בזמן אמת על חמצון מיקרו-וסקולרי והיפרמיה תגובתית, הוא מסייע ככלי נוסף בהנחיית ניהול המודינמי, החייאה בנוזלים וטיפול בואזופרזור59,60. זה מבטיח כי התערבויות מותאמות לצרכים האישיים של המטופל, אופטימיזציה חמצון רקמות זילוח61,62. יתר על כן, בחולים מונשמים מכנית, שינויים אבולוטיביים בחמצון כלי הדם ובזרימת הדם בתוך ניסוי נשימה ספונטנית יכולים להיות בעלי חשיבות עליונה בעת הערכת הסבילות הקרדיווסקולרית כדי לעמוד ולהתגבר על העומס המטבולי המוגבר הנגזר מעבודת הנשימה ללא סיוע2. החלטה יומיומית קריטית ומאתגרת עבור מטופלי טיפול נמרץ המונשמים היא תהליך הגמילה, המסתיים כאשר החולה נחשב כמסוגל לנשום בכוחות עצמו, ומוציא את הצינור האנדוטרכאלי. היישום האורכי של פרוטוקול זה יכול לשמש להערכת היעילות של התערבויות, מעקב אחר התקדמות המחלה והנחיית אסטרטגיות טיפול.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

מחקר זה מומן על ידי Fundació CELLEX Barcelona, Fundació Mir-Puig, Ajuntament de Barcelona, Agencia Estatal de Investigación (PHOTOMETABO, PID2019-106481RB-C31/10.13039/501100011033), תוכנית “Severo Ochoa” למרכזי מצוינות במו”פ (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 (מענקים מס’ 101016087 (VASCOVID), 101017113(TinyBrains), 871124 (LASERLAB-EUROPE V), 101062306 (Marie Skłodowska-Curie)), Fundació La Marató de TV3 (2017,2020), והתוכניות המיוחדות 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mesquida, J., Masip, J., Gili, G., Artigas, A., Baigorri, F. Thenar oxygen saturation measured by near infrared spectroscopy as a noninvasive predictor of low central venous oxygen saturation in septic patients. Intensive Care Medicine. 35, 1106-1109 (2009).
  2. Mesquida, J., et al. Thenar oxygen saturation (StO2) alterations during a spontaneous breathing trial predict extubation failure. Annals of Intensive Care. 10 (1), 1-7 (2020).
  3. Mikacenic, C., et al. Biomarkers of endothelial activation are associated with poor outcome in critical illness. PloS One. 10 (10), e0141251 (2015).
  4. Varga, Z., et al. Endothelial cell infection and endotheliitis in COVID-19. The Lancet. 395 (10234), 1417-1418 (2020).
  5. Castro, P., et al. Is the endothelium the missing link in the pathophysiology and treatment of COVID-19 complications. Cardiovascular Drugs and Therapy. 36 (3), 547-560 (2022).
  6. Mesquida, J., et al. Peripheral microcirculatory alterations are associated with the severity of acute respiratory distress syndrome in COVID-19 patients admitted to intermediate respiratory and intensive care units. Critical Care. 25, 1-10 (2021).
  7. Fernández, S., et al. Distinctive biomarker features in the endotheliopathy of COVID-19 and septic syndromes. Shock (Augusta, Ga). 57 (1), 95 (2022).
  8. Sakr, Y., Dubois, M. J., De Backer, D., Creteur, J., Vincent, J. L. Persistent microcirculatory alterations are associated with organ failure and death in patients with septic shock). Critical Care Medicine. 32 (9), 1825-1831 (2004).
  9. Trzeciak, S., et al. Early microcirculatory perfusion derangements in patients with severe sepsis and septic shock: relationship to hemodynamics, oxygen transport, and survival. Annals of Emergency Medicine. 49 (1), 88-98 (2007).
  10. Tachon, G., et al. Microcirculatory alterations in traumatic hemorrhagic shock. Critical Care Medicine. 42 (6), 1433-1441 (2014).
  11. Duranteau, J., et al. The future of intensive care: the study of the microcirculation will help to guide our therapies. Critical Care. 27 (1), 1-13 (2023).
  12. Mason McClatchey, P., et al. Impaired tissue oxygenation in metabolic syndrome requires increased microvascular perfusion heterogeneity. Journal of Cardiovascular Translational Research. 10 (1), 69-81 (2017).
  13. Gurley, K., Shang, Y., Yu, G. Noninvasive optical quantification of absolute blood flow, blood oxygenation, and oxygen consumption rate in exercising skeletal muscle. Journal of Biomedical Optics. 17 (7), 075010 (2012).
  14. Lin, P. Y., et al. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. Journal of Visualized Experiments. (73), e4379 (2013).
  15. Cortese, L., et al. The LUCA device: a multi-modal platform combining diffuse optics and ultrasound imaging for thyroid cancer screening. Biomedical Optics Express. 6 (6), 3392-3409 (2021).
  16. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. Neuroimage. 85, 51-63 (2014).
  17. Hong, K. S., Yaqub, M. A. Application of functional near-infrared spectroscopy in the healthcare industry: A review. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 12 (06), 1930012 (2019).
  18. Torricelli, A., et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping. Neuroimage. 85, 28-50 (2014).
  19. Tremblay, J. C., King, T. J. Near-infrared spectroscopy: can it measure endothelial function. Experimental Physiology. 101 (11), 1443-1444 (2016).
  20. Cortese, L., et al. Performance assessment of a commercial continuous-wave near-infrared spectroscopy tissue oximeter for suitability for use in an international, multi-center clinical trial. Sensors. 21 (21), 6957 (2021).
  21. Contini, D., et al. Multi-channel time-resolved system for functional near infrared spectroscopy. Optics Express. 14 (12), 5418-5432 (2006).
  22. Lacerenza, M., et al. Wearable and wireless time-domain near-infrared spectroscopy system for brain and muscle hemodynamic monitoring. Biomedical Optics Express. 11 (10), 5934-5949 (2020).
  23. Lacerenza, M., et al. Performance and reproducibility assessment across multiple time-domain near-infrared spectroscopy device replicas. Design and Quality for Biomedical Technologies XV – SPIE. 11951, 43-48 (2022).
  24. Durduran, T., Choe, R., Baker, W. B., Yodh, A. G. Diffuse optics for tissue monitoring and tomography. Reports on Progress in Physics. 73 (7), 076701 (2010).
  25. Boas, D. A., Campbell, L. E., Yodh, A. G. Scattering and imaging with diffusing temporal field correlations. Physical Review Letters. 75 (9), 1855 (1995).
  26. Giovannella, M., et al. BabyLux device: a diffuse optical system integrating diffuse correlation spectroscopy and time-resolved near-infrared spectroscopy for the neuromonitoring of the premature newborn brain. Neurophotonics. 6 (2), 025007-025007 (2019).
  27. Amendola, C., et al. A compact multi-distance DCS and time domain NIRS hybrid system for hemodynamic and metabolic measurements. Sensors. 21 (3), 870 (2021).
  28. Mesquida, J., Gruartmoner, G., Espinal, C. Skeletal muscle oxygen saturation (StO2) measured by near-infrared spectroscopy in the critically ill patients. BioMed Research International. (2013), (2013).
  29. Gerovasili, V., Dimopoulos, S., Tzanis, G., Anastasiou-Nana, M., Nanas, S. Utilizing the vascular occlusion technique with NIRS technology. International Journal of Industrial Ergonomics. 40 (2), 218-222 (2010).
  30. Siafaka, A., et al. Acute effects of smoking on skeletal muscle microcirculation monitored by near-infrared spectroscopy. Chest. 131 (5), 1479-1485 (2007).
  31. Donati, A., et al. Near-infrared spectroscopy for assessing tissue oxygenation and microvascular reactivity in critically ill patients: a prospective observational study. Critical Care. 20, 1-10 (2016).
  32. Iannetta, D., et al. Reliability of microvascular responsiveness measures derived from near-infrared spectroscopy across a variety of ischemic periods in young and older individuals. Microvascular Research. 122, 117-124 (2019).
  33. Niezen, C. K., Massari, D., Vos, J. J., Scheeren, T. W. L. The use of a vascular occlusion test combined with near-infrared spectroscopy in perioperative care: a systematic review. Journal of Clinical Monitoring and Computing. 36 (4), 933-946 (2022).
  34. Donati, A., et al. Recombinant activated protein C treatment improves tissue perfusion and oxygenation in septic patients measured by near-infrared spectroscopy. Critical Care. 5 (5), 1-7 (2009).
  35. Neto, A. S., et al. Association between static and dynamic thenar near-infrared spectroscopy and mortality in patients with sepsis: a systematic review and meta-analysis. Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 76 (1), 226-233 (2014).
  36. Shapiro, N. I., et al. The association of near-infrared spectroscopy-derived tissue oxygenation measurements with sepsis syndromes, organ dysfunction and mortality in emergency department patients with sepsis. Critical Care. 15 (5), 1-10 (2011).
  37. Orbegozo, D., et al. Peripheral muscle near-infrared spectroscopy variables are altered early in septic shock. Shock. 50 (1), 87-95 (2018).
  38. Lu, S., et al. Comparison of COVID-19 induced respiratory failure and typical ARDS: similarities and differences. Frontiers in Medicine. 9, 829771 (2022).
  39. Parežnik, R., Knezevic, R., Voga, G., Podbregar, M. Changes in muscle tissue oxygenation during stagnant ischemia in septic patients. Intensive Care Medicine. 32, 87-92 (2006).
  40. Nanas, S., et al. Inotropic agents improve the peripheral microcirculation of patients with end-stage chronic heart failure. Journal of Cardiac Failure. 14 (5), 400-406 (2008).
  41. International electrical equipment – IEC. Medical electrical equipment – Part 2-22: Particular requirements for basic safety and essential performance of surgical, cosmetic, therapeutic and diagnostic laser equipment. International electrical equipment – IEC. , (2019).
  42. Cortese, L., et al. Recipes for diffuse correlation spectroscopy instrument design using commonly utilized hardware based on targets for signal-to-noise ratio and precision. Biomedical Optics Express. 12 (6), 3265-3281 (2021).
  43. Zhou, C., et al. Diffuse optical correlation tomography of cerebral blood flow during cortical spreading depression in rat brain. Optics Express. 14 (3), 1125-1144 (2006).
  44. Selb, J., et al. Sensitivity of near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics: simulations and experimental findings during hypercapnia. Neurophotonics. 1 (1), 015005-015005 (2014).
  45. Amendola, C., et al. Assessment of power spectral density of microvascular hemodynamics in skeletal muscles at very low and low-frequency via near-infrared diffuse optical spectroscopies. Biomedical Optics Express. 14 (11), 5994-6015 (2023).
  46. Craig, J. C., Broxterman, R. M., Wilcox, S. L., Chen, C., Barstow, T. J. Effect of adipose tissue thickness, muscle site, and sex on near-infrared spectroscopy derived total-[hemoglobin+ myoglobin]. Journal of Applied Physiology. 123 (6), 1571-1578 (2017).
  47. Nasseri, N., Kleiser, S., Ostojic, D., Karen, T., Wolf, M. Quantifying the effect of adipose tissue in muscle oximetry by near infrared spectroscopy. Biomedical Optics Express. 7 (11), 4605-4619 (2016).
  48. Ahmadinejad, M., Razban, F., Jahani, Y., Heravi, F. Limb edema in critically ill patients: Comparing intermittent compression and elevation. International Wound Journal. 19 (5), 1085-1091 (2022).
  49. Van Vo, T., Hammer, P. E., Hoimes, M. L., Nadgir, S., Fantini, S. Mathematical model for the hemodynamic response to venous occlusion measured with near-infrared spectroscopy in the human forearm. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 54 (4), 573-584 (2007).
  50. Junejo, R. T., Ray, C. J., Marshall, J. M. Cuff inflation time significantly affects blood flow recorded with venous occlusion plethysmography. European Journal of Applied Physiology. 119, 665-674 (2019).
  51. Baker, W. B., et al. Pressure modulation algorithm to separate cerebral hemodynamic signals from extracerebral artifacts. Neurophotonics. 3 (3), 035004-035004 (2015).
  52. Martirosov, A. L., et al. Improving transitions of care for critically ill adult patients on pulmonary arterial hypertension medications. American Journal of Health-System Pharmacy. 77 (12), 958-965 (2020).
  53. Bezemer, R., Lima, A., Klijn, E., Bakker, J., Ince, C. Assessment of tissue oxygen saturation during a vascular occlusion test using near-infrared spectroscopy: Role of the probe spacing and measurement site studied in healthy volunteers. Critical Care. (13), 1-2 (2009).
  54. Futier, E., et al. Use of near-infrared spectroscopy during a vascular occlusion test to assess the microcirculatory response during fluid challenge. Critical Care. (15), 1-10 (2011).
  55. Attia, J. R., et al. Deep vein thrombosis and its prevention in critically ill adults. Archives of Internal Medicine. 161 (10), 1268-1279 (2001).
  56. Reinhart, K., Bayer, O., Brunkhorst, F., Meisner, M. Markers of endothelial damage in organ dysfunction and sepsis. Critical Care Medicine. 30 (5), S302-S312 (2002).
  57. Georger, J. F., et al. Restoring arterial pressure with norepinephrine improves muscle tissue oxygenation assessed by near-infrared spectroscopy in severely hypotensive septic patients. Intensive Care Medicine. 36, 1882-1889 (2010).
  58. Lipcsey, M., Woinarski, N. C., Bellomo, R. Near infrared spectroscopy (NIRS) of the thenar eminence in anesthesia and intensive care. Annals of Intensive Care. 2 (1), 1-9 (2012).
  59. Kazune, S., Caica, A., Luksevics, E., Volceka, K., Grabovskis, A. Impact of increased mean arterial pressure on skin microcirculatory oxygenation in vasopressor-requiring septic patients: an interventional study. Annals of Intensive Care. 9 (1), 1-10 (2019).
  60. Lima, A., van Bommel, J., Jansen, T. C., Ince, C., Bakker, J. Low tissue oxygen saturation at the end of early goal-directed therapy is associated with worse outcome in critically ill patients. Critical Care. 13 (5), 1-7 (2009).
  61. Rogers, C. A., et al. Randomized trial of near-infrared spectroscopy for personalized optimization of cerebral tissue oxygenation during cardiac surgery. BJA: British Journal of Anaesthesia. 119 (3), 384-393 (2017).
  62. Jozwiak, M., Chambaz, M., Sentenac, P., Monnet, X., Teboul, J. L. Assessment of tissue oxygenation to personalize mean arterial pressure target in patients with septic shock. Microvascular Research. 132, 104068 (2020).

Tags

Non-invasive MonitoringMicrovascular OxygenationReactive HyperemiaNear-infrared Diffuse Optical SpectroscopyCritical CareVascular Occlusion TestMetabolic RateBlood FlowPulse OximetryDiffuse Optical TechnologiesOxygenated HemoglobinDeoxygenated HemoglobinMicrovascular Oxygen SaturationDiffuse Correlation SpectroscopyIschemic ChallengeResaturation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image