Monitoraggio non invasivo dell'ossigenazione microvascolare e dell'iperemia reattiva mediante spettroscopia ottica diffusa ibrida nel vicino infrarosso per la terapia intensiva

I pazienti in condizioni critiche, in particolare quelli con sepsi e altre condizioni simili, spesso presentano una compromissione dell’iperemia reattiva e dell’ossigenazione microvascolare ^1,2,3. Durante le prime ondate della pandemia di COVID-19, un numero imprevisto di pazienti ha richiesto la gestione della terapia intensiva, durante la quale l’impatto del virus sull’endotelio è diventato evidente ma senza una chiara strategia di valutazione e gestione ^4,5,6. Di conseguenza, c’è stato un crescente riconoscimento dell’importanza di rilevare la disfunzione endoteliale, che può essere valutata indirettamente dall’iperemia reattiva, nelle popolazioni di terapia intensiva, cioè nelle unità di terapia intensiva (ICU)⁷. Si prevede che una valutazione pratica, solida e ampiamente disponibile della somministrazione e del consumo di ossigeno ai tessuti sia della massima importanza per ottimizzare le strategie di rianimazione e affrontare direttamente i problemi microcircolatori. Gli studi hanno costantemente dimostrato che le persistenti alterazioni del microcircolo e la mancanza di coerenza tra macrocircolo e microcircolo sono, in una certa misura, predittive di insufficienza d’organo e di esiti sfavorevoli nei pazienti affetti da shock settico o shock emorragico, tra le altre condizioni critiche, anche quando i parametri sistemici sono considerati normali ^8,9,10. È diventato evidente che basarsi esclusivamente sui parametri macrocircolatori è inadeguato, poiché il microcircolo svolge un ruolo critico nell’ossigenazione dei tessuti e nella funzione degli organi 11,12,13. Questo documento descrive un protocollo che utilizza un nuovo dispositivo multimodale basato su tecnologie ottiche diffuse nel vicino infrarosso che è stato sviluppato all’interno di un consorzio internazionale che si concentra sui pazienti in terapia intensiva. Il progetto, VASCOVID (https://vascovid.eu), è stato motivato dalla pandemia di COVID-19 per valutare la salute microvascolare nei muscoli periferici in terapia intensiva. Abbiamo progettato un protocollo utilizzando il dispositivo VASCOVID sviluppato che mira a migliorare la nostra comprensione di questi parametri e di come questi parametri possano essere utili nella gestione di pazienti critici con un ambito molto più ampio rispetto ai pazienti COVID-19.

La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) è stata utilizzata per valutare la microcircolazione in modo non invasivo per decenni in un’ampia gamma di applicazioni cliniche, tra cui i pazienti in terapia intensiva 14,15,16,17. È importante notare che l’applicazione più semplice della NIRS, cioè la NIRS ad onda continua (CW-NIRS), è implementata in dispositivi ampiamente utilizzati e clinicamente approvati^17,18, utilizzati per misurare le concentrazioni assolute di ossi- (HbO) e deossi-emoglobina (HbR) per calcolare la saturazione di ossigeno sangue/tessuto (StO₂) della microvascolarizzazione. Sebbene questi dispositivi abbiano trovato usi di nicchia nella gestione clinica, come durante la cardiochirurgia, hanno chiari limiti dovuti alla fisica della propagazione dei fotoni nei tessuti. Ciò significa che la loro accuratezza, precisione e ripetibilità sono discutibili, quindi sono spesso utilizzati come monitor di tendenza^19,20. Inoltre, i loro risultati sono fortemente influenzati dai tessuti superficiali come gli strati adiposi e cutanei sovrapposti.

La NIRS risolta nel tempo (TRS) impiega brevi impulsi laser nell’intervallo dei picosecondi a più lunghezze d’onda per valutarne il ritardo e l’allargamento dopo aver attraversato un tessuto²¹. Ciò consente a TRS di separare gli effetti dell’assorbimento dallo scattering per ottenere stime robuste, accurate e precise, consentendo anche di calcolare la concentrazione totale di emoglobina (HbT). Poiché TRS risolve anche le lunghezze dei percorsi, può essere utilizzato per separare meglio i segnali superficiali dai segnali profondi di interesse^18,21. Ciò va a scapito della complessità, del prezzo e dell’ingombro. Tuttavia, negli ultimi anni, i sistemi TRS sono diminuiti in termini di complessità e costi, con il risultato di dispositivi più accessibili e facili da usare. Questo manoscritto descrive un dispositivo che utilizza un modulo TRS commerciale compatto OEM (Original Equipment Manufacturer) ^22,23.

La spettroscopia di correlazione diffusa (DCS) è un’altra tecnologia nel vicino infrarosso che utilizza le statistiche temporali delle macchioline diffuse per quantificare il movimento delle particelle di diffusione della luce, che sono dominate dai globuli rossi nei tessuti^16,24. Questo, a sua volta, è ben noto per essere un indicatore del flusso sanguigno microvascolare, che chiamiamo indice di flusso sanguigno (BFI)²⁵. L’uso simultaneo di TRS e DCS in un dispositivo ottico ibrido offre informazioni sul metabolismo dell’ossigeno utilizzando modelli comuni per derivare la frazione locale di estrazione dell’ossigeno e moltiplicando per il flusso sanguigno 15,26,27.

Al fine di valutare la microcircolazione in terapia intensiva, la NIRS viene spesso utilizzata con un test di occlusione vascolare (VOT), che è una sfida ischemica che viene eseguita bloccando l’afflusso di sangue al muscolo periferico sondato per una certa durata (pochi minuti)28,29,30,31,32. Più comunemente, viene eseguito gonfiando un laccio emostatico avvolto intorno alla parte superiore del braccio sopra la pressione sistolica³³. Durante la VOT, i clinici valutano la risposta dell’ossigenazione microvascolare del sangue alle variazioni del flusso sanguigno per derivare il metabolismo dell’ossigeno a riposo e l’iperemia reattiva³⁴. L’ipotesi è che durante la VOT, con la cuffia gonfia ben al di sopra della pressione di occlusione dell’arto, non vi sia afflusso o deflusso di sangue. Pertanto, l’inizio della VOT mostra una pendenza discendente di StO₂, cioè deossigenazione (DeO₂), poiché l’ossigeno viene consumato dal tessuto, il che consente una stima del tasso metabolico di consumo di ossigeno. Quando il VOT termina e il bracciale si sgonfia, il sangue affluisce per compensare il suo esaurimento, portando a una risposta iperemica. Questo sbalzo genera una forte pendenza verso l’alto in StO_2, cioè una riossigenazione (ReO₂). La risposta iperemica, che è un aumento oltre la linea di base iniziale con un lento recupero al basale, stima l’iperemia reattiva. La combinazione di NIRS con un VOT ha guadagnato un crescente interesse nella terapia intensiva grazie alla sua facilità d’uso e al potenziale per prevedere esiti avversi e persino mortalità in condizioni critiche come la sepsi 35,36,37.

Durante la pandemia di COVID-19, i nostri gruppi hanno avviato un consorzio mondiale e recentemente completato il cosiddetto studio HEMOCOVID-19, che mostra un’associazione tra le alterazioni del microcircolo periferico e la gravità della sindrome da distress respiratorio acuto nei pazienti COVID-19⁶. Questo è stato supportato anche da altre opere ^7,38. Tutti questi studi sono stati condotti con i sistemi CW-NIRS sopra menzionati, soffrendo quindi delle loro carenze. Inoltre, l’esecuzione della VOT non è stata standardizzata in diversi studi ed è influenzata da vari parametri come la durata dell’occlusione, la pressione del laccio emostatico e le variazioni basate sull’operatore 29,39,40. Una revisione della letteratura mostra chiaramente che affinché VOT e NIRS prendano piede nelle cliniche, è importante misurare il flusso sanguigno, disporre di protocolli standardizzati e disporre di un solido sistema NIRS¹¹. Pertanto, abbiamo proposto che utilizzando una forma più avanzata di NIRS (TRS), misurando il flusso sanguigno e standardizzando il controllo della cuffia durante la VOT, si potrebbe ottenere una migliore discriminazione delle condizioni patologiche da quelle sane. A tal fine, abbiamo sviluppato questo dispositivo ottico ibrido diffuso che integra più moduli che comprendono due moduli ottici diffusi nel vicino infrarosso di TRS e DCS, pulsossimetria e un laccio emostatico automatizzato. Il modulo pulsossimetria fornisce la frequenza cardiaca (FC), l’indice di perfusione e la percentuale di saturazione arteriosa di ossigeno (SpO₂). Nel dispositivo viene utilizzato un laccio emostatico veloce, che è fondamentale per l’esecuzione del VOT. Il dispositivo viene fornito con una scatola di accessori opzionale che ci consente di acquisire informazioni aggiuntive durante l’uso per un controllo di qualità esteso e continuo, come la misurazione di routine e pratica della funzione di risposta dello strumento (IRF) per TRS e la misurazione su un fantoccio che imita i tessuti per la valutazione della stabilità longitudinale. Il dispositivo è mostrato come utilizzato nell’unità di terapia intensiva nella Figura 1.

Figura 1: Disposizione al posto letto del dispositivo portatile in terapia intensiva con le sonde e il bracciale attaccati al paziente. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

La sonda intelligente multimodale incorpora fibre ottiche della sorgente e del rivelatore sia per TRS che per DCS con filtri ottici all’interno del dispositivo che impediscono l’interferenza tra DCS e TRS. La separazione sorgente-rivelatore utilizzata in questo sistema è di 25 mm. Inoltre, la sonda incorpora un sensore tattile capacitivo, che fornisce una preziosa funzione di sicurezza per prevenire i rischi laser secondo lo standard di sicurezza laser (IEC 60601-2-22:2019)⁴¹. Il sistema di sicurezza laser all’interno del dispositivo assicura che l’emissione laser avvenga solo quando la sonda è a contatto con il tessuto. Se viene rilevato un distacco della sonda, i laser vengono immediatamente spenti, garantendo la sicurezza sia dei pazienti che degli operatori. Inoltre, la sonda è integrata con un accelerometro, un sensore di carico e un sensore di luce per ulteriori funzionalità e scopi di raccolta dati.

Questo documento descrive il protocollo automatizzato in cui sondiamo il muscolo brachioradiale contemporaneamente a un VOT utilizzando il dispositivo sviluppato. La sequenza temporale del protocollo è illustrata nella Figura 2. Il protocollo è completamente automatizzato e non sono necessari interventi da parte dell’operatore durante tutta la sua esecuzione. Sfruttando le capacità di questo nuovo dispositivo, miriamo a ottenere preziose informazioni che consentano ai medici di comprendere meglio la fisiopatologia del consumo di ossigeno periferico e anche di valutare il rapporto tra consumo e somministrazione di ossigeno, aiutandoli così a migliorare l’assistenza al paziente in modo completo ed efficiente.

Figura 2: Sequenza temporale del protocollo. Il paziente è a riposo per tutta la durata della sequenza temporale con una pressione di 0 mmHg al basale iniziale e al periodo di recupero. Il VOT viene eseguito con un laccio emostatico gonfiato a una pressione di 50 mmHg superiore alla pressione arteriosa sistolica del paziente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.