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

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

Yoğun Bakım için Hibrit, Yakın Kızılötesi Diffüz Optik Spektroskopi Kullanılarak Mikrovasküler Oksijenasyon ve Reaktif Hipereminin Non-İnvaziv İzlenmesi

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

Yakın kızılötesi dağınık optiklere dayalı çok modlu bir cihaz kullanarak mutlak mikrovasküler kan akış indeksini ve kan oksijen doygunluğunu non-invaziv ve sürekli olarak ölçmek için bir protokol açıklıyoruz. Daha sonra bir damar tıkanıklığı testi kullanarak oksijen tüketiminin metabolik hızını ve reaktif hiperemiyi değerlendiriyoruz.

Abstract

Mikrovasküler oksijen tüketimindeki bozulma ve reaktif hiperemi seviyelerinin saptanması yoğun bakımda hayati önem taşır. Bununla birlikte, sağlam ve nicel bir değerlendirme için pratik bir yol yoktur. Bu makale, hibrit bir yakın kızılötesi dağınık optik cihaz kullanarak bu bozuklukları değerlendirmek için bir protokolü açıklamaktadır. Cihaz, yakın kızılötesi zaman çözümlü ve dağınık korelasyon spektroskopileri ve nabız oksimetresi için modüller içerir. Bu modüller, periferik arteriyel oksijen satürasyonu (SpO2) ile birlikte mutlak, mikrovasküler kan/doku oksijen doygunluğunun (StO2) ve kan akış indeksinin (BFI) non-invaziv, sürekli ve gerçek zamanlı ölçümüne izin verir. Bu cihaz, brachioradialis kasından optik veri toplama ile standartlaştırılmış bir protokol yürütmek için entegre, bilgisayar kontrollü bir turnike sistemi kullanır. Standardize damar tıkanıklığı testi (VOT), literatürde bildirilen oklüzyon süresi ve basıncındaki değişimlerle ilgilenirken, otomasyon operatörler arası farklılıkları en aza indirir. Tanımladığımız protokol 3 dakikalık bir oklüzyon periyoduna odaklanır, ancak bu yazıda açıklanan ayrıntılar diğer kasların yanı sıra diğer sürelere ve manşet basınçlarına kolayca uyarlanabilir. Genişletilmiş bir başlangıç ve oklüzyon sonrası iyileşme periyodu ölçümünün dahil edilmesi, tüm parametreler için başlangıç değerlerinin ve oksijen tüketiminin metabolik hızına karşılık gelen kan/doku deoksijenasyon hızının ölçülmesine olanak tanır. Manşet serbest bırakıldıktan sonra, BFI ve StO2’de hiperemik yanıtın doku reoksijenasyon hızını, büyüklüğünü ve süresini karakterize ediyoruz. Bu son parametreler, endotel fonksiyonu hakkında bilgi sağlayan reaktif hipereminin nicelleştirilmesine karşılık gelir. Ayrıca, oksijenli ve oksijensiz hemoglobinin mutlak konsantrasyonu, BFI, oksijen tüketiminin türetilmiş metabolik hızı, StO2 ve SpO2’nin yukarıda belirtilen ölçümleri, hastalık şiddeti, kişiselleştirilmiş terapötikler ve yönetim müdahaleleri sergileyebilen henüz keşfedilmemiş zengin bir veri seti sağlar.

Introduction

Kritik hastalar, özellikle sepsis ve diğer benzer rahatsızlıkları olanlar, genellikle bozulmuş reaktif hiperemi ve mikrovasküler oksijenasyonsergiler 1,2,3. COVID-19 pandemisinin ilk dalgaları sırasında, öngörülemeyen sayıda hasta yoğun bakım yönetimine ihtiyaç duydu, bu sırada virüsün endotel üzerindeki etkisi belirginleşti, ancak değerlendirmek ve yönetmek için net bir strateji yoktu 4,5,6. Sonuç olarak, yoğun bakımda, yani yoğun bakım ünitesi (YBÜ) popülasyonlarında reaktif hiperemi ile dolaylı olarak değerlendirilebilen endotel disfonksiyonunun saptanmasının önemi giderek daha fazla kabul görmektedir7. Dokulara oksijen iletimi ve tüketiminin pratik, sağlam ve yaygın olarak bulunan bir değerlendirmesinin, resüsitasyon stratejilerini optimize etmede ve mikro dolaşım sorunlarını doğrudan ele almada son derece önemli olması beklenmektedir. Çalışmalar, kalıcı mikrodolaşım değişikliklerinin ve makrosirkülasyon ile mikrosirkülasyon arasındaki tutarlılık eksikliğinin, sistemik parametreler normal olarak kabul edilse bile, diğer kritik durumların yanı sıra septik şok veya hemorajik şoktan etkilenen hastalarda organ yetmezliğini ve olumsuz sonuçları bir dereceye kadar öngördüğünü tutarlı bir şekilde göstermiştir 8,9,10. Mikrosirkülasyon doku oksijenasyonunda ve organ fonksiyonunda kritik bir rol oynadığından, yalnızca makro dolaşım parametrelerine güvenmenin yetersiz olduğu ortaya çıkmıştır 11,12,13. Bu makale, yoğun bakım hastalarına odaklanan uluslararası bir konsorsiyum içinde geliştirilen, yakın kızılötesi dağınık optik teknolojilere dayalı yeni bir çok modlu cihaz kullanan bir protokolü açıklamaktadır. VASCOVID (https://vascovid.eu) projesi, yoğun bakımda periferik kaslarda mikrovasküler sağlığı değerlendirmek için COVID-19 pandemisi tarafından motive edildi. Geliştirilen VASCOVID cihazını kullanarak, bu parametrelere ilişkin anlayışımızı geliştirmeyi ve bu parametrelerin COVID-19 hastalarından çok daha geniş bir kapsama sahip kritik hastaları yönetmede nasıl yararlı olabileceğini amaçlayan bir protokol tasarladık.

Yakın kızılötesi spektroskopi (NIRS), yoğun bakım hastaları da dahil olmak üzere geniş bir klinik uygulama yelpazesinde mikrosirkülasyonu non-invaziv olarak değerlendirmek için onlarca yıldır kullanılmaktadır 14,15,16,17. NIRS’nin en basit uygulamasının, yani sürekli dalga NIRS’NIN (CW-NIRS), mikrovaskülatürün kan/doku oksijen doygunluğunu (StO2) hesaplamak için oksi- (HbO) ve deoksi-hemoglobinin (HbR) mutlak konsantrasyonlarını ölçmek için kullanılan, yaygın olarak kullanılan ve klinik olarak onaylanmış cihazlarda17,18 uygulandığına dikkat etmek önemlidir. Bu cihazlar, kalp cerrahisi gibi klinik yönetimde niş kullanımlar bulmuş olsa da, dokularda foton yayılımının fiziği nedeniyle açık sınırlamaları vardır. Bu, doğruluklarının, hassasiyetlerinin ve tekrarlanabilirliklerinin sorgulanabilir olduğu anlamına gelir, bu nedenle genellikle trend monitörleri olarak kullanılırlar19,20. Ayrıca, sonuçları, üst üste binen yağ ve cilt katmanları gibi yüzeysel dokulardan büyük ölçüde etkilenir.

Zamanla çözülen NIRS (TRS), bir dokudan geçtikten sonra gecikmelerini ve genişlemelerini değerlendirmek için pikosaniye aralığında çoklu dalga boylarında kısa lazer darbeleri kullanır21. Bu, TRS’nin sağlam, doğru ve kesin tahminler elde etmek için absorpsiyonun etkilerini saçılmadan ayırmasına ve ayrıca toplam hemoglobin konsantrasyonunu (HbT) hesaplamasına olanak tanır. TRS aynı zamanda yol uzunluklarını da çözdüğünden, yüzeysel sinyalleri ilgilenilen derin sinyallerden daha iyi ayırmak için kullanılabilir18,21. Bu, karmaşıklık, fiyat ve hacimlilik pahasına gelir. Bununla birlikte, son yıllarda, TRS sistemlerinin karmaşıklığı ve maliyeti düşmüş, bu da daha erişilebilir ve kullanımı daha kolay cihazlarla sonuçlanmıştır. Bu el yazması, kompakt bir orijinal ekipman üreticisi (OEM) ticari TRS modülü22,23 kullanan bir cihazı açıklamaktadır.

Diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS), dokulardaki kırmızı kan hücrelerinin hakim olduğu ışık saçan parçacıkların hareketini ölçmek için diffüz beneklerin zamansal istatistiklerini kullanan başka bir yakın kızılötesi teknolojisidir16,24. Bu da, kan akış indeksi (BFI) olarak adlandırdığımız mikrovasküler kan akışının bir göstergesi olarak bilinir.25. Hibrit bir optik cihazda TRS ve DCS’nin eşzamanlı kullanımı, yerel oksijen ekstraksiyon fraksiyonunu elde etmek ve kan akışıyla çarpmak için ortak modeller kullanarak oksijen metabolizması hakkında bilgi verir 15,26,27.

Yoğun bakım ünitesindeki mikrosirkülasyonu değerlendirmek için, NIRS genellikle belirli bir süre (birkaç dakika) sondalanan periferik kasa kan akışını bloke ederek gerçekleştirilen iskemik bir zorluk olan vasküler oklüzyon testi (VOT) ile birlikte kullanılır28,29,30,31,32. En yaygın olarak, üst kolun etrafına sarılmış bir turnikenin sistolik basıncın33 üzerinde şişirilmesiyle gerçekleştirilir. VOT sırasında, klinisyenler, istirahatte oksijen metabolizması ve reaktif hiperemi elde etmek için mikrovasküler kan oksijenasyonunun kan akışındaki değişikliklere tepkisini değerlendirir34. Varsayım, VOT sırasında, manşetin ekstremite oklüzyon basıncının çok üzerinde şişirilmesiyle, kan girişi veya çıkışı olmadığıdır. Bu nedenle, VOT’un başlangıcı, oksijen oksijen tüketimi tarafından tüketildiği için StO2’nin aşağı doğru bir eğimini, yani oksijensizleşmeyi (DeO2) gösterir ve bu da oksijen tüketiminin metabolik hızının tahmin edilmesini sağlar. VOT sona erdiğinde ve manşet söndüğünde, tükenmesini telafi etmek için kan içeri girer ve hiperemik bir tepkiye yol açar. Bu acele, StO2’de keskin bir yukarı doğru eğim, yani bir reoksijenasyon (ReO2) oluşturur. Başlangıç taban çizgisinin ötesinde bir artış olan hiperemik yanıt, taban çizgisine geri yavaş bir iyileşme ile reaktif hiperemiyi tahmin eder. NIRS’nin VOT ile kombinasyonu, kullanım kolaylığı ve sepsis 35,36,37 gibi kritik durumlarda olumsuz sonuçları ve hatta mortaliteyi tahmin etme potansiyeli nedeniyle yoğun bakıma artan bir ilgi kazanmıştır.

COVID-19 pandemisi sırasında, gruplarımız dünya çapında bir konsorsiyum başlattı ve yakın zamanda COVID-19 hastalarında periferik mikro dolaşım değişiklikleri ile akut solunum sıkıntısı sendromunun şiddeti arasında bir ilişki olduğunu gösteren HEMOCOVID-19 denemesini tamamladı6. Bu, diğer çalışmalarla da desteklenmiştir 7,38. Tüm bu çalışmalar yukarıda belirtilen CW-NIRS sistemleri ile yapıldı, bu nedenle eksikliklerinden muzdaripti. Ayrıca, VOT’un yürütülmesi farklı çalışmalarda standardize edilmemiştir ve oklüzyon süresi, turnike basıncı ve operatör tabanlı varyasyonlar gibi çeşitli parametrelerden etkilenmektedir 29,39,40. Bir literatür taraması, VOT ve NIRS’nin kliniklerde ilgi görmesi için kan akışını ölçmenin, standart protokollere sahip olmanın ve sağlam bir NIRS sistemine sahip olmanın önemli olduğunu açıkça göstermektedir11. Bu nedenle, daha gelişmiş bir NIRS (TRS) formu kullanarak, kan akışını ölçerek ve VOT sırasında manşet kontrolünü standartlaştırarak, patolojik durumların sağlıklı olanlardan daha iyi ayırt edilebileceğini önerdik. Bu amaçla, TRS ve DCS’nin iki yakın kızılötesi cisimden yansımalı optik modülünü, nabız oksimetresini ve otomatik bir turnikeyi kapsayan birden fazla modülü entegre eden bu hibrit dağınık optik cihazı geliştirdik. Nabız oksimetresi modülü, kalp atış hızını (HR), perfüzyon indeksini ve arteriyel oksijen satürasyon yüzdesini (SpO2) sağlar. Cihazda, VOT gerçekleştirmek için kritik olan hızlı bir turnike kullanılır. Cihaz, TRS için cihaz yanıt fonksiyonunun (IRF) rutin ve pratik ölçümü ve uzunlamasına stabiliteyi değerlendirmek için doku taklit eden bir fantom üzerinde ölçüm gibi genişletilmiş ve sürekli kalite kontrol için kullanım sırasında ek bilgiler edinmemizi sağlayan isteğe bağlı bir aksesuar kutusu ile birlikte gelir. Cihaz, Şekil 1’de yoğun bakım ünitesinde kullanılıyor olarak gösterilmiştir.

Figure 1
Şekil 1: Yoğun bakım ünitesindeki portatif cihazın hastaya prob ve manşet takılıyken yatak başı düzeni. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Çok modlu akıllı prob, hem TRS hem de DCS için kaynak ve dedektör optik fiberleri içerir ve cihazın içinde DCS ve TRS arasındaki paraziti önleyen optik filtreler bulunur. Bu sistemde kullanılan kaynak-dedektör ayrımı 25 mm’dir. Ek olarak, prob, lazer güvenlik standardına (IEC 60601-2-22:2019)41 göre lazer tehlikelerini önlemek için değerli bir güvenlik özelliği sağlayan kapasitif bir dokunmatik sensör içerir. Cihaz içindeki lazer güvenlik sistemi, lazer emisyonunun yalnızca prob doku ile temas ettiğinde gerçekleşmesini sağlar. Probun ayrılması tespit edilirse, lazerler derhal kapatılır ve hem hastaların hem de operatörlerin güvenliği sağlanır. Ayrıca prob, ek işlevsellik ve veri toplama amaçları için bir ivmeölçer, yük sensörü ve ışık sensörü ile entegre edilmiştir.

Bu makale, geliştirilen cihazı kullanarak brachioradialis kasını bir VOT ile aynı anda araştırdığımız otomatik protokolü açıklamaktadır. Protokol zaman çizelgesi Şekil 2’de gösterilmektedir. Protokol tamamen otomatiktir ve yürütülmesi boyunca operatör müdahalesine gerek yoktur. Bu yeni cihazın yeteneklerinden yararlanarak, doktorların periferik oksijen tüketiminin fizyopatolojisini daha iyi anlamalarını sağlayan ve ayrıca oksijen tüketimi ve iletim oranını değerlendirerek hasta bakımını kapsamlı ve verimli bir şekilde iyileştirmelerine yardımcı olan değerli bilgiler edinmeyi amaçlıyoruz.

Figure 2
Şekil 2: Protokol zaman çizelgesi. Hasta, başlangıç başlangıcında ve iyileşme döneminde 0 mmHg basınçla zaman çizelgesi boyunca istirahattir. VOT, hastanın sistolik kan basıncından 50 mmHg daha yüksek bir basınca şişirilmiş bir turnike ile gerçekleştirilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protocol

Çalışma, Parc Tauli Hastanesi Universitari’deki yerel etik kurul tarafından onaylandı. Hastalardan veya yakınlarından bilgilendirilmiş ve imzalı onam alındı. Protokole girmek için mutlak kontrendikasyonlar şunlardı: çalışılan kolda venöz trombozun klinik şüphesi veya ekografik doğrulaması, çalışılan koldaki diğer vasküler veya travmatik yaralanmalar, prob yerleşimini engelleyebilecek cilt bütünlüğü kaybı veya lezyonlar. 1. Cihaz kendi kendine test Cihazı açın. Cihaz, şirket içinde geliştirilen yazılımla başlar. Güvenlik anahtarını AÇIK konuma çevirin, probu tamamen cihaz yanıt işlevi (IRF) kutusunun içine yerleştirin ve yanıyorsa prob üzerindeki Sıfırla düğmesine basın. Açılır iletişim kutusundaki OK düğmesine basın ve cihaz hazır olana kadar bekleyin.NOT: Cihaz, kararlı çalışmayı sağlamak için kendi kendine testler gerçekleştirir. Cihaz hazır olduğunda kullanıcı bir açılır mesajla bilgilendirilir. 2. İsteğe bağlı IRF ve fantom ölçümü Cihaz hazır olduğunda Tamam’a basın. Bir IRF’yi ölçmek istediğinde Evet’e basın. Cihaz, istenen 1 milyon sayım hızına ulaşmak için lazer yoğunluğunu otomatik olarak ayarlar. Sabit bir sayım oranı ve DTOF gözlemlendiğinde Durdur düğmesine basın. Bu IRF, dosyalara kaydedilir ve gerçek zamanlı hesaplamalar için kullanılacak yazılıma yüklenir. Probu, proba bağlı gösterge yanacak şekilde Fantom kutusuna düzgün bir şekilde yerleştirin. Fantom protokolünü başlatmak için Phantom düğmesine basın.NOT: Kalite kontrol testi, DCS ve TRS dedektörleri tarafından yeterli sayıda foton alındığını doğrular ve ayrıca karanlık sayımların istenen sınırlar içinde olup olmadığını kontrol eder. Daha fazla çevrimdışı analiz için yeterli miktarda verinin kaydedilmesi için kalite kontrolünden sonra en az 30 saniye boyunca kayda devam edin. 3. Yatak başı ölçüm hazırlığı Turnikeyi, kan basıncı ölçümü sırasında yapıldığı gibi dirseğin üst koluna takın. Manşeti kolun etrafına gevşek veya çok sıkı sarmayın.NOT: Turnikeyi gevşek bir şekilde takmak, istenen basınca ulaşmak için daha fazla hava gerektirir. Yavaş şişirme, vücudun fizyolojisini yeniden ayarlamasına izin verir. Nabız oksimetresini aynı kolun işaret parmağına takın. İşaret parmağına takmak mümkün değilse, başka bir parmağa takın. Dirseğin hemen altındaki lateral önkolda bulunan problanacak brachioradialis kasını bulun. Parmaklarınızı ön kola yerleştirerek kası hissetmek için hastadan bir yumruk açıp kapatmasını isteyin. Sedasyonlu hastalarda veya hareket edemiyorlarsa, bir elinizle kolu hafifçe bükerek kası izleyin. Diğer elin başparmağı ve parmakları arasındaki kası hissedin. Şekil 3’te gösterildiği gibi yumuşak bir ölçüm bandı kullanarak bulunan kasın etrafındaki kol çevresini ölçün. Şekil 4’te gösterildiği gibi dijital bir vücut yağ kaliperi kullanarak kasın üstündeki yaklaşık yağ dokusu kalınlığını ölçün. Şekil 5’te gösterildiği gibi, optik fiberler ve kablolar ele doğru gidecek şekilde prob kafasını kasa takın.NOT: Probu sıkıca takmayın; Doku fizyolojisini etkileyebilir. Liflerin hareketli nesnelere dokunmadığından emin olun ve verilerde artefaktlar oluşturabilir. Dış ışığı engellemek için probu siyah bir bezle örtün.NOT: Hasta uyanıksa, VOT’un karıncalanma hissine neden olabileceğini ve kolunu hareket ettirmemesi gerektiğini bildirin. Şekil 3: Brachioradialis kası etrafındaki kol çevresinin ölçülmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4: Vücut yağ kaliperi kullanılarak kasın üstündeki yağ dokusu kalınlığının ölçülmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 5: Lifler ve kablolar ele doğru giden kasa tutturulmuş prob. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. 4. Veri toplama Cihazın ön panelindeki proba bağlı LED göstergesinin parladığından ve yazılımdaki dokunmatik simgenin probun takılı olduğunu gösteren yeşil olduğundan emin olun. Protokol zamanlanmış düğmesine basın. Şekil 6’da gösterildiği gibi yeni bir iletişim kutusu açtığından emin olun. Denek kimliğini, operatör kimliğini ve sistolik kan basıncından 50 mmHg daha yüksek hedef basıncı girin. Otomatik protokolü başlatmak için Tamam’a basın. Gerçek zamanlı veriler grafiklerde görüntülenir. Protokol, lazer gücünü otomatik olarak ayarlayan ve foton sayımlarını ve modaliteler arasındaki etkileşimi kontrol eden kalite kontrol ile başlar. Kalite kontrolü 2 dakika içinde tamamlanır. Veri kalitesi kontrolünün sonunda yeşile dönmesi gereken TRS ve DCS etiketli dairesel simgelere dikkat edin.NOT: Yeşil simgeler, foton sayım hızının istenen aralıkta olduğunu, proba giren harici ışık olmadığını ve modaliteler arasında karışma olmadığını gösterir. Böylece ölçüme devam edilebilir. Kalite aşamasının sonunda grafikler sıfırlanır ve hasta verilerini temsil eden sinyaller gerçek zamanlı olarak çizilir. TRS ve DCS simgeleri yeşile dönmüyorsa ve kalite kontrolünün sonunda kırmızı kalıyorsa adım 2.6’dan devam edin. Hasta kararsızsa veya protokol sırasında herhangi bir anda ani klinik müdahale gerektiriyorsa, protokolü iptal etmek için Durdur düğmesine basın. Hasta kolu hareket ettiriyorsa ve stabil başlangıç sinyalleri yoksa, 30 s ön oklüzyon süresi eklemek için Uzat düğmesine basın.NOT: Operatör, Uzat düğmesine gerektiği kadar ve herhangi bir aşamada basabilir; Her düğmeye basış 30 s ekleyecektir. VOT’u başlatmak için turnikenin otomatik olarak istenen basınca şiştiğinden emin olun. Protokole başladıktan sonra hastanın kan basıncı değişirse, istenen oklüzyon basıncını 5 mmHg’lik adımlarla artırmak veya azaltmak için + veya – düğmelerine basın. VOT’un başlangıcı ve durağı otomatik olarak sarı dikey çizgilerle işaretlenir.NOT: Yazılım, sürekli olarak veri alacak ve 3 dakikalık taban çizgisinden sonra otomatik olarak 3 dakikalık VOT gerçekleştirecek şekilde ayarlanmıştır. Önceden tanımlanmış standart protokol, hastanın hiperemik yanıtı bittikten ve stabil bir durum elde edildikten sonra iyileşmeyi değerlendirmek için VOT’un tamamlanmasından sonra altı dakika daha sürer. Operatöre, protokolün başarıyla tamamlandığını gösteren bir açılır bildirim yoluyla protokolün tamamlandığı bildirildiğinde Tamam’a basın. Probları ve manşeti hastadan çıkarın ve alkollü bez veya eşdeğeri kullanarak temizleyin. Klinik ve demografik bilgileri (önceden tanımlanmış çalışma protokollerine göre) prob yerindeki kolun çevresi ve üstteki yağ dokusunun kalınlığı ile birlikte hasta veri formuna manuel olarak yazın. Şekil 6: Tüm protokolü otomatik olarak yürütmek için kullanılan protokol parametrelerinin ekran görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. 5. Veri analizi Kaydedilen ikili verileri açmak ve görselleştirmek için kişinin en sevdiği dilde (örneğin Python veya MATLAB) yazılmış bir komut dosyası/program kullanın. Doku metabolizmasını temsil eden ve şu şekilde tanımlanan oksijen tüketimi indeksini hesaplayın:burada Hb, hastanın klinik çizelgelerinden hasta veri formuna kaydedilen hematokrittir. DeO2 oranını (VOT’un başlangıcından 1 dakikaya kadar StO2’nin eğimi), DeO2’nin genliğini (temel StO2 – minimum StO2 ‘ , ReO2 ‘ nin eğimi (VOT’untamamlanmasından en yüksek değere ulaşma eğimi), StO2 ve BFI’nin hiperemik pik yüksekliğini (tepe değerleri) ve hem StO2 hem de BFI için VOT sonrası reaktif yanıtın eğrisi altındaki alanı (AUC) hesaplayın.NOT: HbO, HbR, HbT ve StO2’nin gerçek zamanlı mutlak değerlerinin hesaplanması, her iki dalga boyundaki TRS’den uçuş süresi (DTOF) eğrilerinin dağılımı kullanılarak uygun algoritma ile elde edilir. Teorik ayrıntılar Torricelli ve ark. ve Contini ve ark.18,21. BFI’nin gerçek zamanlı olarak hesaplanması, DCS’den otokorelasyon eğrileri kullanılarak uydurma algoritması ile elde edilir. Teorik detaylar Durduran ve Yodh16’da bulunabilir.

Representative Results

Devam eden klinik çalışmalar, yoğun bakım hastalarında ve sağlıklı kontrollerde ölçümler yapmak, klinik olarak ilgili sonuçlar elde etmek ve sistemin in vivo performansını gerçek bir ortamda karakterize etmek için birkaç eğitimli kullanıcı tarafından cihazı 300 saatten fazla kullanmıştır. Burada, kullanıcı tarafından görülebilen tek bir konudaki verilerin bazı örnek zaman izlerini gösteriyoruz. Protokolün ön sonuçları, HbO, HbR, HbT, StO2, SpO2 ve BFI gibi gerçek zamanlı olarak ölçülür ve görüntülenir. MRO2, DeO2, ReO2 ve AUC gibi farklı türetilmiş parametreler tanımlanmıştır. Şekil 7, lazer güçlerinin ayarlandığı, foton sayımlarının ve modaliteler arasındaki karışmanın otomatik olarak test edildiği veri kalitesini gösteren adım 3.3 sırasında cihaz monitörünü göstermektedir. Cihaz, tek foton sayma modüllerine ve TRS cihazının her iki dalga boyu için DTOF’a bağlı iki DCS dedektör fiberine sahip olduğundan, cihaz monitörü iki yoğunluk otokorelasyon (g2) eğrisi gösterir. DCS için kullanılan lazerin dalga boyu 785 nm iken, OEM TRS modülü lazerleri 685 nm ve 830 nm’de parlatır. Üst grafikteki otokorelasyon eğrileri, daha düşük gecikme sürelerinde gürültülü görünüyor. Bu, kısmen bu özel örnekteki düşük ışık yoğunluğundan kaynaklanıyor olabilir. DCS42,43 için sinyal-gürültü oranını artırmak için artırılmış ışık yoğunluğu ve bağımsız/paralel algılama fiberleri önerilmiştir. Bu nedenle, gürültünün etkisini azaltmak ve ardından daha iyi bir BFI hesaplamak için ortalama iki DCS kanalı planlanmaktadır. Şekil 7: Veri kalitesi kontrol aşamasında yazılımın cihaz izleme modunun ekran görüntüsü. Üstteki grafik, DCS’nin iki kanalından gelen otokorelasyon eğrilerini göstermektedir. Ortadaki grafik, TRS dalga boyları için DTOF’u gösterir. Alttaki grafik, hem DCS hem de TRS için foton sayımlarını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 8’de gösterilen klinik monitörlü ilk başlangıç dönemi, DCS ve TRS için kalite testlerinin başarısını gösteren yeşil simgelere sahiptir. Görüntülenen sinyaller çok kararlı görünüyor ve bu nedenle, adım 3.5’te açıklanan Genişlet özelliği bu durumda gerekli değildi. İlk taban çizgisi Şekil 9’da gösterildiği gibi görünüyorsa, Genişlet özelliğini kullanmak gerekir. Bu özellik, tüm parametreler için doğru temel değerleri hesaplamak için kullanılabilecek 3 dakikalık kararlı veri elde etmek için temel alımı genişletir. Şekil 8: Kararlı başlangıç sinyallerini gösteren ilk başlangıç aşamasında yazılımın klinik monitör modunun ekran görüntüsü. Üstteki grafik, TRS ile ölçülen hemodinamik parametrelerin mutlak değerini, ortadaki grafik, TRS ve nabız oksimetresi ile ölçülen oksijen satürasyon sinyallerini ve nabız değerini ve alttaki grafik, DCS kullanılarak ölçülen BFI’yi gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 9: Probun hareketinden dolayı sinyallerdeki ani artışları gösteren ekran görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Manşet oklüzyon kısmının başlangıcı ve bitişi, Şekil 10’da gösterildiği gibi sarı dikey çizgilerle işaretlenmiştir. Nabız şekli ve SpO2 değerlerinin bu aşamada klinik/fizyolojik bir anlamı yoktur, çünkü aynı koldan tıkalı olan parmak nabız oksimetresi için kullanılır. Bu, nabız oksimetresinden gelen güvenilmez verileri ifade eden kırmızı OXY simgesiyle gösterilir. Bu durumu aşmak için nabız oksimetresini hastanın etkilenmemiş, turnikeye maruz kalmayan ve tıkanmayan eline takabiliriz. Bununla birlikte, VOT’un etkilerini analiz etmek için ilk başlangıç ve son geri kazanım aşamaları için nabız oksimetresini kullanarak problanan kolun perfüzyon indeksini elde etmek istiyoruz. Bu nedenle, nabız oksimetresini turnike ile aynı kolda kullanmayı tercih ettik. Şekil 10: VOT’un başlangıç ve bitiş anlarını işaretleyen sarı dikey çizgileri gösteren yazılım ekran görüntüsü. Kan akışı kısıtlandığı için SpO2 ve nabız değerleri önemsizdir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 11, hiperemik yanıtı ve klinik parametrelerin ilk başlangıç değerlerine geri dönüşünü gösteren, son iyileşme aşaması da dahil olmak üzere adım 3.6’da gösterildiği gibi tam protokol zaman çizelgesini göstermektedir. Şekil 11’in üst grafiği mutlak hemodinamik parametreleri göstermektedir. VOT’un başlangıcı, HbO’da azalan bir eğilimi ve HbR’de yükselen bir eğilimi işaret eder, çünkü kanın hem girişi hem de çıkışı manşet tıkanıklığı tarafından engellenir. Eğilim, VOT tamamlandığında tersine döner, ilk temel değerlerin ötesine geçer ve kurtarma aşamasında temel değerlere geri döner. Orta ve alt grafikler, BFI sinyalinin StO2’den biraz daha gürültülü olduğunu göstermektedir. Bu, doğası gereği, DCS’nin BFI 42,44’teki büyük hiperemik yanıttan açıkça görülen daha yüksek bir kontrast-gürültü oranına sahip olma eğiliminde olmasından kaynaklanmaktadır. Bu yeni cihazdan elde edilen zengin veri seti kullanılarak, BFI’daki salınımlar, septik hastaları teşhis etmek için potansiyel biyobelirteçler olarak kullanılmıştır45. Şekil 11: Protokol zaman çizelgesi boyunca sinyalleri gösteren klinik monitörün ekran görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Bu protokol ile kas tarafından kullanılan oksijen, VOT sırasında izole bir şekilde izlenebilir. İskemik meydan okuma sırasında DeO2’nin eğimi, dokunun oksijeni nasıl tükettiğini gösterir. VOT sırasındaStO2’nin erken azalması, doku için oksijen tüketim oranını yansıtır. StO2 ve BFI’deki hiperemik pik ve müteakip bozunma eğilimleri, hiperemik ve mikrovasküler reaktivite ile doğrudan ilişkilidir. Bu bariz sonuçların yanı sıra, belirli bir YBÜ hasta grubunu sınıflandırmak için birkaç potansiyel biyobelirteç kullanabiliriz. Mevcut biyobelirteçler, deoksijenasyon oranı, VOT sırasında minimum StO2 değeri, reoksijenasyon hızı, hiperemik pik değeri ve hemStO2 hem de BFI eğrisi altındaki alandır. Bu biyobelirteçler, hasta popülasyonlarını ve hastalıklarının ciddiyetini tanımlamak için kullanılabilir. Bir hastadan alınan örnek bir veri setinden elde edilen sonuçlar Şekil 12’de gösterilmiştir. “DATA QC” terimi, hasta verileriyle ilgili olmayan ilk kalite kontrolünü ifade eder. Bu nedenle, gösterimde görüntülenmez. Başlangıç dönemi için StO2, BFI ve MRO2’nin ortalama değerleri, VOT ve VOT sonrası iyileşme aşamaları ile karşılaştırılmak üzere hesaplanır. Bu protokol sırasında elde edilen sonuçlar, bu örnekteki verilerden farklı olabilir. Tüm parametrelerin temel değerleri daha yüksek veya daha düşük olabilir ve DeO2 oranı daha hızlı veya daha yavaş olabilir. Hiperemik yanıt, daha yüksek veya daha düşük bir ReO2 oranına ve tepe değerlerine sahip olabilir veya tepe yokluğu olabilir. Kurtarma aşaması, değerlerin daha hızlı veya daha yavaş normalleşmesini gösterebilir. Bu varyasyonlar, belirli bir veya bir dizi hastalıktan muzdarip hastanın durumunu temsil eder. Şekil 12: Çevrimdışı olarak derlenen sonuçların özeti. Siyah kesikli çizgi, temel dönemin üç dakikasının başlangıcını gösterirken, kırmızı kesikli çizgi, şişirme ve sönme olaylarını gösterir. Üstteki grafik, DeO2 ve ReO2’yi hesaplamak için işaretli bölgelere sahip StO2 sinyalini gösterir. Ortadaki çizim BFI’yi gösterirken, alttaki çizim turnike basıncını gösterir. Temel değerler ve AUC, ilgili aşamalarında mavi renkle gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Mikrovasküler oksijenasyon, kan perfüzyonu ve reaktif hiperemiyi değerlendirmek için hibrit diffüz optikler kullanarak iskelet kasının sürekli ölçümü ve izlenmesi için tam otomatik, sağlam, non-invaziv bir cihaz gösterdik. Bu protokolü VASCOVID cihazı ile kullanarak HbO, HbR ve HbT’nin mutlak hemodinamik parametrelerini eş zamanlı olarak ölçebiliyoruz; StO2 ve SpO2’den oksijen doygunluğu; DeO2 ve ReO2; ve BFI. Görüntülenen gerçek zamanlı StO2 ve BFI, sırasıyla TRS ve DCS modüllerinden bir önceki saniyenin ham verilerinden elde edilir. Modern işlemciler yarı sonsuz, homojen bir ortamın standart modellerini kullandığından, montaj prosedürü zaman alıcı değildir. Elde edilen parametreler endotel fonksiyonunun tam resmini çizmez. Bununla birlikte, ölçülen reaktif hiperemi, septik şok veya COVID-19 gibi endotel bozukluğunun önemli bir rol oynadığı çeşitli akut durumlarda prognostik değer göstermiştir. 6,28 Protokol ayrıca, daha sonra herhangi bir hastanın verilerinde açıklanamayan bir anormallik tespit edilmesi durumunda bir araştırma protokolü için yararlı olan cihaz parametrelerini kaydeden otomatik bir kalite kontrolü içerir.

Bu protokolde brachioradialis kasını ölçerken üst üste binen yağ tabakasının ve kol çevresinin ölçülmesi önemlidir, çünkü fotonlar enjekte edildiğinde ve tespit edildiğinde öncelikle üst üste binen dokulardan geçer. Dağınık optikte, ilişkili bir kısmi hacim etkisi olduğu iyi bilinmektedir. Bu nedenle, yağ dokusundaki varyasyonların etkisini hesaba katmak için veriler analiz edilirken yüzeysel bilgiler kaydedilmeli ve kullanılmalıdır46,47. Yoğun bakım hastalarında immobilizasyon ve diğer nedenlerle su sıkıştığı için uzuvların şiştiği ödem gelişmesi yaygın olduğundan, bu durum ilgilenilen hasta popülasyonlarında daha da artmaktadır48. Bu tür hastalarda, yoğun bakımda kalış sırasında çevredeki değişiklik, ödemin şiddeti hakkında bilgi sağlayabilir. Dedektörlere ulaşan ışık kaynağının yolu tüm yüzeysel katmanlardan geçmek zorundadır.

Manşet, kolun etrafına rahatça sarılmalı ve sıkı bir şekilde oturmalıdır. Bununla birlikte, yalnızca manşeti49 sarma eylemi yoluyla kola aşırı baskı uygulayabilecek aşırı gerginlikten kaçınmak önemlidir. Amaç, temel hemodinamik parametreleri değiştirebilecek gereksiz kompresyona neden olmadan güvenli ve rahat bir uyum elde etmektir. Kolu sıkıştırırsa, tüm protokol için veri kalitesinden ödün verilecek ve uygulanan basınç, VOT’un hedef basıncına etkin bir şekilde eklenecektir. Manşetin kola gevşek bir şekilde sarılması durumunda, hedef basınca ulaşmak için daha fazla hava gerekecek ve dolayısıyla daha fazla zaman alınacaktır. Bu, oksijen kaynağı yavaş yavaş azaldığı için fizyolojiyi ayarlamak için dokuya zaman verebilir ve bundan kaçınılmalıdır50.

Akıllı probu, dokuya aşırı baskı uygulamadan uygun teması sürdürecek şekilde takmak önemlidir. Bu, lokal iskemi riskinden kaçınırken güvenilir ölçümlere izin verir. Lokal iskemi, bölgeye kan akışı kısıtlandığında ortaya çıkar, bu da dolaşımın tehlikeye girmesine ve potansiyel olarak ölçümlerin bozulmasınaneden olur 51.

Prob üzerindeki kapasitif dokunmatik sensör, lazerin yalnızca prob dokuya takıldığında parlamasını sağlamak için lazer güvenlik sistemi tarafından kullanılır. Hastanın kolunda yüksek saç yoğunluğu varsa, dokunma sensörünün hassasiyeti tehlikeye girebilir. Probun sensör tarafına ince şeffaf bir çift bant uygulanması, dokunmatik sensör sorununu etkili bir şekilde azaltabilir. Prob bu bantla birlikte kıllı kola takıldığında, güvenilir ve kararlı bir dokunma sinyali sağlar. Bu bandın önceden tanımlanmış kesimleri, ışık kaynakları ve dedektörler arasında ayrım yapan akıllı prob için mevcuttur. Kaynak ve dedektör pencereleri arasında ölçümlerin kalitesini etkileyebilecek doğrudan bir ışık kanalının oluşmasını önlemek için ayırma gereklidir. Şeffaf çift bant kullanımı, bu durumlarda dokunma algılamanın güvenilirliğini artırmak için pratik bir çözüm olarak hizmet eder. Protokol sırasında dokunma algılama kaybolursa, lazerleri kapatır ve ölçüm kaybolur. Prob ayrıca gelecekte yedek güvenlik önlemi olarak kullanılabilecek bir yük sensörüne sahiptir.

Hasta kolunu hareket ettirirse veya küçük bir klinik müdahale, başlangıç aşamasında elde edilen sinyallerin stabilitesini bozarsa ve keskin zirvelere neden olursa, uzatma özelliğinin kullanılması tavsiye edilir. Bu özellik, üç dakika boyunca sabit bir taban çizgisinin elde edilmesine olanak tanıyarak tutarlı ve güvenilir sinyal ölçümü sağlar.

Protokolü başlattıktan sonra hastanın kan basıncının, VOT için sistolik kan basıncından 50 mmHg daha yüksek hedef basınca ulaşma yeteneğini etkileyebilecek önemli değişikliklere uğrayabileceğini dikkate almak önemlidir. Kan basıncındaki bu dalgalanmalar, hastanın fizyolojik tepkisi, ilaç etkileri veya diğer klinik durumlar gibi çeşitli faktörlerden etkilenebilir52. Bu nedenle, VOT’un tutarlı bir şekilde uygulanmasını sağlamak için gerekirse “+” veya “-” düğmelerine basılarak hedef basınç ayarlanmalıdır.

VOT’un tipik olarak yürütülmesi, bu protokolde otomatik bir VOT’a sahip olarak ele alınan operatör değişkenliği nedeniyle sınırlamalara sahiptir. Sistolik kan basıncı seviyesinin 50 mmHg üzerindeki oklüzyon basıncını ayarlamak için stratejiyi kullanıyoruz. Bu yöntem kan akışını durdurur ve VOT 53,54’ü gerçekleştirmek için önceki çalışmalarda bildirilmiştir. Bu protokolde VOT için kişiselleştirilmiş hedef basınç, VOT için genel bir hedef basıncı sabitleyerek meydana gelebilecek vazokonstriksiyonun önlenmesine yardımcı olur. Gereksiz yüksek basıncın neden olduğu ağrı, örneğin sistolik basıncı 120 mmHg ve hedef basıncı 200 mmHg veya 250 mmHg olan bir hastada vazokonstriksiyona neden olan ölçümü etkileyebilir29. Yoğun bakım ünitelerine kabul edilen hastaların, öncelikle uzun süreli hareketsizlik ve sedasyon gibi faktörlere bağlı olarak artmış tromboz riskiyle karşı karşıya olduğunu not ediyoruz55. Bu, risklerden kaçınmak için bu protokolün tromboz veya tromboflebitten muzdarip hastalarda kullanılamayacağı anlamına gelir.

Bu protokolün uygulanması, bozulmuş reaktif hipereminin yaygın bir özellik olduğu ve mikrovasküler anormalliklere katkıda bulunabileceği YBÜ popülasyonunda yararlı olabilir 3,56. Bu protokolde elde edilen parametreler, ölçüm sırasında operatör müdahalesi olmadan, daha önce literatürde sepsis, kanser, inme vb. patolojik durumları ayırt etmek için tekil olarak veya küçük bir kombinasyon halinde kullanılmıştır 1,11,15,31. Bu nedenle, bu ilgili parametrelerin kombinasyonunun çeşitli klinik uygulamalar için faydalı olduğuna inanıyoruz. Bu protokol tarafından kaydedilen veriler, vasküler sağlığı iyileştirmek için uygun terapötik stratejilerin seçilmesine yardımcı olabilir57. Oklüzyon ve reperfüzyon sırasında doku oksijenasyonu ve kan akış dinamikleri hakkındaki değerli bilgiler, hayati organlara kan akışının yeterliliğini değerlendirmemize olanak tanır. Doku hipoksisini tanımlamada ve organ perfüzyonunu optimize etmek için müdahaleleri yönlendirmede yardımcı olabilir58. Mikrovasküler oksijenasyon ve reaktif hiperemi hakkında gerçek zamanlı bilgileri kullanarak, hemodinamik yönetim, sıvı resüsitasyonu ve vazopresör tedavisine rehberlik etmede ek bir araç olarak yardımcı olur59,60. Bu, müdahalelerin bireysel hasta ihtiyaçlarına göre uyarlanmasını sağlayarak doku oksijenasyonunu ve perfüzyonu optimize eder61,62. Ayrıca, mekanik olarak ventilasyon yapılan hastalarda, spontan solunum çalışmasında mikrovasküler oksijenasyon ve kan akışındaki evrimsel değişiklikler, yardım almadan nefes alma çalışmasından kaynaklanan artan metabolik yükü karşılamak ve üstesinden gelmek için kardiyovasküler toleransı değerlendirirken son derece önemli olabilir2. Bu bağlamda, yoğun bakım hastaları için mekanik ventilasyonla ilgili günlük kritik ve zorlu bir karar, hastanın kendi başına nefes alabileceği düşünüldüğünde sona eren ve endotrakeal tüpün çıkarılmasıyla sona eren sütten kesme sürecidir. Bu protokolün boylamsal uygulaması, müdahalelerin etkinliğini değerlendirmek, hastalığın ilerlemesini izlemek ve tedavi stratejilerini yönlendirmek için kullanılabilir.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu araştırma Fundació CELLEX Barcelona, Fundació Mir-Puig, Ajuntament de Barcelona, Agencia Estatal de Investigación (PHOTOMETABO, PID2019-106481RB-C31/10.13039/501100011033), Ar-Ge Mükemmeliyet Merkezleri için “Severo Ochoa” Programı (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), Avrupa Komisyonu Horizon 2020 (Hibe no. 101016087 (VASCOVID), 101017113(TinyBrains), 871124 (LASERLAB-EUROPE V), 101062306 (Marie Skłodowska-Curie)), Fundació La Marató de TV3 (2017,2020) ve LUX4MED/MEDLUX özel programları.

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