Name: 使用混合近红外漫反射光谱对重症监护的微血管氧合和反应性充血进行无创监测 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-05-10T13:40:00.000+00:00
Duration: 14 min 28 s
Description: 了解如何使用混合近红外漫反射光谱技术对重症监护患者进行微血管氧合和反应性充血的无创监测。该方法结合血管闭塞试验评估组织代谢率和内皮功能。

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本研究由巴塞罗那CELLEX基金会、Mir-Puig基金会、巴塞罗那市政府、西班牙国家研究局（PHOTOMETABO，PID2019-106481RB-C31/10.13039/5001100011033）资助。 &#34;Severo Ochoa&#34; 卓越研究中心项目&amp;#38;D (CEX2019-000910-S)，加泰罗尼亚政府（CERCA，AGAUR-2017-SGR-1380，RIS3CAT-001-P-001682 CECH），欧盟区域发展基金（FEDER EC），琼·里巴斯·阿拉基斯塔因基金会（Fundacion Joan Ribas Araquistain），加泰罗尼亚研究与创新基金会（l'FCRI）（2023年琼·奥罗资助计划），欧盟委员会“地平线2020”计划（资助编号：101016087（VASCOVID），101017113（TinyBrains），871124（LASERLAB-EUROPE V），101062306（Marie Skłodowska-Curie）），TV3马拉松基金会（Fundació La Marató de TV3）（2017年，2020年），以及LUX4MED/MEDLUX专项计划。

该研究已获得帕尔克陶利大学医院当地伦理委员会的批准。已从患者或其直系亲属处获得知情同意并签署同意书。纳入方案的绝对禁忌证包括：研究侧肢体存在静脉血栓形成的临床怀疑或超声检查确诊、研究侧肢体存在其他血管或创伤性损伤、皮肤完整性丧失或可能妨碍探头放置的病变。
1. 设备自检
<ol>
	<li>打开设备。设备将启动内部开发的软件。</li>
	<li>将安全钥匙转至 ON 位置，将探头完全放入仪器响应函数（IRF）箱内，如果探头指示灯亮起，请按下探头上的 Reset 按钮。</li>
	<li>点击弹出对话框上的 OK 按钮，并等待设备准备就绪。 
	注意：设备会执行自检以确保稳定运行。当设备准备就绪后，系统将通过弹出消息通知用户。</li>
</ol>
2. 可选的 IRF 与模体测量
<ol>
	<li>当设备准备就绪时，按OK。</li>
	<li>当系统提示测量仪器响应函数（IRF）时，按Yes。设备将自动调节激光强度，以达到目标计数率100万。</li>
	<li>当观察到稳定的计数率和扩散时间飞行曲线（DTOF）时，按下Stop按钮。该仪器响应函数（IRF）将被保存为文件，并加载至软件中用于实时计算。</li>
	<li>将探头正确插入模体盒中，确保探头上的指示灯已开启。</li>
	<li>按下Phantom按钮以启动模体检测程序。 
	注意：质量控制测试用于验证动态光散射（DCS）和时间分辨光谱（TRS）探测器是否接收到足够数量的光子，并检查暗计数是否处于预期范围内。</li>
	<li>完成质量控制后，继续记录至少30秒，以确保保存足够数据用于后续离线分析。</li>
</ol>
3. 床旁测量准备
<ol>
	<li>将止血带绑在肘部上方的上臂处，方法与测量血压时相同。不要将袖带过松或过紧地缠绕在手臂上。 
	注意：止血带绑得过松会导致需要更多空气才能达到所需压力。缓慢充气可使身体有时间重新调节其生理状态。</li>
	<li>将脉搏血氧仪探头连接到同侧手臂的食指上。如果无法连接到食指，可将其连接到其他任意手指。</li>
	<li>定位需要检测的桡侧腕长伸肌，该肌肉位于肘部下方前臂外侧。请患者握拳和松拳，通过将手指放在前臂上触摸来感知该肌肉。对于接受镇静的患者或无法自主活动者，可用一只手轻轻扭转手臂以定位肌肉，同时用另一只手的拇指和手指之间触摸感知肌肉位置。</li>
	<li>使用软质卷尺测量该肌肉所在位置的手臂周长，如图3所示。</li>
	<li>使用数字式体脂卡尺测量肌肉表面脂肪组织的大致厚度，如图4所示。</li>
	<li>将探头固定在肌肉上，使光纤和电缆朝向手部方向，如图5所示。 
	注意：不要将探头绑得过紧，以免影响组织生理状态。确保光纤未接触任何移动物体，否则可能在数据中产生伪影。</li>
	<li>用黑色布料覆盖探头，以阻挡外部光线。 
	注意：如果患者处于清醒状态，应告知其在进行VOT时可能会产生刺痛感，并且不应移动手臂。</li>
</ol>
<img alt="测量上臂围、临床方法、医学评估、医院环境" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：围绕桡侧腕短伸肌测量上臂围。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="骨密度测量，前臂，DEXA设备，临床环境，医学诊断程序" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4：使用体脂卡尺测量肌肉上方脂肪组织厚度。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="带有静脉输液管路和监测设备的医疗设置，展示患者手臂上的医院护理过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 
图 5：探针连接至肌肉，光纤和电缆通向手部。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
4. 数据采集
<ol>
	<li>确保设备前面板上探头连接的 LED 指示灯亮起，且软件中的触摸图标显示为绿色，表明探头已连接。</li>
	<li>按下 Protocol timed 按钮，确认其弹出一个新的对话框，如 图6 所示。输入受试者编号、操作者编号，以及比收缩压高 50 mmHg 的目标压力。</li>
	<li>按下 OK 以启动自动协议。实时数据将在图表中显示。该协议首先进行质量控制，自动调节激光功率，并检查光子计数及不同模式间的干扰。质量检查将在 2 分钟内完成。观察标记为 TRS 和 DCS 的圆形图标，质量检查结束时，这两个图标必须变为绿色。 
	注意：绿色图标表示光子计数率处于理想范围内，无外部光线进入探头，且各检测模式之间无串扰。因此可继续进行测量。质量检查阶段结束后，图表将重置，并开始实时绘制反映患者数据的信号。</li>
	<li>如果在质量检查结束时 TRS 和 DCS 图标未变绿而仍为红色，则返回步骤 2.6 继续操作。若在协议执行过程中患者状态不稳定或需紧急临床干预，可随时按下 Stop 按钮中止协议。</li>
	<li>若患者移动手臂导致基线信号不稳定，可按下 Extend 按钮，增加 30 秒的预闭塞时间。 
	注意：操作者可根据需要在任意阶段多次按下 Extend 按钮，每次点击将增加 30 秒。</li>
	<li>确保止血带自动充气至设定压力，以启动 VOT（血管阻断试验）。若协议开始后患者血压发生变化，可按下 + 或 - 按钮，以 5 mmHg 为步长调节目标闭塞压力。VOT 的开始与结束将由软件自动以黄色竖直线标记。 
	注意：软件设置为持续采集数据，并在 3 分钟基线期后自动执行 3 分钟 VOT。VOT 结束后，预设的标准协议将继续运行六分钟，以评估患者在充血反应结束后恢复至稳定状态的过程。</li>
	<li>当弹出通知提示操作者协议已完成时，按下 OK ，表示协议成功结束。</li>
	<li>从患者身上取下探头和袖带，并使用酒精棉片或等效清洁用品进行清洁。</li>
	<li>手动在患者数据表中填写临床与人口统计学信息（根据预定义的研究方案），以及探头位置处上臂的周长和覆盖脂肪组织的厚度。</li>
</ol>
<img alt="血流动力学监测图及参数输入对话框；血氧、脉搏追踪设置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig06v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 6"> 
图6：用于自动执行整个实验方案的协议参数截图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
5. 数据分析
<ol>
	<li>使用自己熟悉的编程语言（例如 Python 或 MATLAB）编写的脚本/程序打开并可视化记录的二进制数据。</li>
	<li>计算代表组织代谢的氧消耗指数，其定义为： 
	<img alt="代谢速率方程图解，MRO2 ≈ Hb × (SpO2 - StO2) × BFI，血流指数分析。" src="/files/ftp_upload/66062/66062eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="方程 1"> 
	其中 Hb 为红细胞压积，从患者数据表中的临床病历记录获取。</li>
	<li>计算 VOT 开始后 1 分钟内 StO2 下降的 DeO2 速率（斜率）、DeO2 幅度（基线 StO2 减去最低 StO2）、VOT 结束后至达到峰值期间 StO2 上升的 ReO2 速率（斜率）、StO2 高充血峰值幅度以及 BFI（峰值）和 VOT 后 StO2 与 BFI 反应曲线下的面积（AUC）。 
	注意：HbO、HbR、HbT 和 StO2 实时绝对值的计算是通过拟合算法实现的，该算法利用来自双波长 TRS 的飞行时间分布（DTOF）曲线。理论细节见 Torricelli 等人和 Contini 等人18,21。BFI 的实时计算是通过利用 DCS 的自相关曲线进行拟合算法实现的。理论细节见 Durduran 和 Yodh16。</li>
</ol>

项目中所有参与公司及其员工的角色均由项目目标、任务和工作包确定，并已通过欧洲委员会审核。MB、ML、DC、Alberto Tosi 和 Alessandro Toricelli 是米兰理工大学（意大利）衍生公司 PIONIRS s.r.l. 的联合创始人。ICFO 持有衍生公司 HemoPhotonics s.l. 的股权。ICFO 已对潜在的财务利益冲突及研究的客观性进行监督 &amp;#38; 技术转让部。UMW 担任首席执行官，持有 HemoPhotonics s.l. 的股权，并与 SP 同为该公司员工。

我们已展示了一种完全自动化、稳定且无创的设备，该设备采用混合漫射光学技术，用于连续测量和监测骨骼肌的微血管氧合、血流灌注及反应性充血。利用VASCOVID设备及本方案，可同时测量HbO、HbR和HbT的绝对血流动力学参数，以及StO₂的氧饱和度；还可测量血流灌注和反应性充血期间的微血管氧合变化。该设备适用于长期监测肌肉生理状态，具有高重复性和良好的时间稳定性，适用于临床研究和运动生理学应用。 
关键词：骨骼肌，无创监测，漫射光学，微血管氧合，血流灌注，反应性充血，HbO，HbR，HbT，StO₂2 和 SpO2；DeO2 和 ReO2；以及BFI。所显示的实时StO2和BFI分别来自TRS和DCS模块前一秒的原始数据。由于现代处理器采用标准的半无限均匀介质模型进行拟合，该过程耗时较短。所获得的参数并不能全面反映内皮功能的全貌。然而，所测量的反应性充血在多种以内皮功能障碍为主要因素的急性疾病中已显示出预后价值，例如脓毒性休克或COVID-19。6,28 该方案还包含一项自动质量检查，可记录设备参数，以便在后续发现任何患者数据中出现无法解释的异常时，用于研究方案的追溯分析。 
在本方案中测量肱桡肌时，量化覆盖的脂肪层厚度和上臂周长非常重要，因为光子在注入和检测时主要穿过覆盖的组织。在扩散光学领域已知存在相关的部分体积效应。因此，在分析数据时应记录并利用表层信息，以校正脂肪组织变异所带来的影响46,47。这一问题在目标患者群体中尤为突出，因为重症监护病房（ICU）患者常因制动及其他原因导致液体潴留，进而发生肢体水肿48。对于此类患者，在ICU住院期间周长的变化可反映水肿的严重程度。光源到达探测器的光路必须穿过所有表层组织。
袖带应舒适地缠绕在手臂上，确保贴合紧密。然而，必须避免过度紧绷，以免仅因缠绕袖带的动作就在手臂上施加过大的压力49。目标是在不造成不必要压迫的情况下实现稳固且舒适的贴合，因为压迫可能改变基础血流动力学参数。如果袖带压迫手臂，整个实验流程的数据质量将受到影响，且所施加的压力会直接叠加到VOT的目标压力上。若袖带缠绕过松，则需要注入更多空气才能达到目标压力，从而延长充气时间。这会使组织有时间在氧气供应缓慢减少的过程中进行生理调节，应避免这种情况50。
以适当方式安装智能探头非常重要，需确保探头与组织保持良好接触，同时避免对组织施加过大压力。这有助于获得可靠的测量结果，并避免局部缺血的风险。局部缺血是指该区域血流受限，导致血液循环受损，进而可能影响测量结果的准确性51。
探头上的电容式触摸传感器被激光安全系统用于确保激光仅在探头与组织接触时才开启。如果患者手臂上的毛发密度较高，触摸传感器的灵敏度可能会受到影响。在探头的传感器侧粘贴一层薄而透明的双面胶带，可有效缓解触摸传感器的问题。当探头连同该胶带一起贴附在多毛的手臂上时，能够提供可靠且稳定的触摸信号。针对光源与探测器分离的智能探头，已有预裁好的此类胶带可供使用。这种分离对于防止光源窗口与探测器窗口之间形成直接的光通道至关重要，因为直接光通道可能影响测量质量。使用透明双面胶带是在此类情况下提高触摸感应可靠性的实用解决方案。如果在实验过程中失去触摸感应，系统将自动关闭激光，导致测量数据丢失。此外，探头还配备有负载传感器，未来可作为备用安全措施加以利用。
如果患者在基线阶段移动手臂，或因小型临床干预导致采集信号的稳定性受到干扰，从而出现尖锐峰，建议使用延长功能。该功能可实现持续三分钟的稳定基线采集，确保信号测量的一致性和可靠性。
需要注意的是，启动方案后患者的血压可能会发生显著变化，这可能影响达到VOT目标压力（即高于收缩压50 mmHg）的能力。血压的这些波动可能受到多种因素的影响，例如患者的生理反应、药物作用或其他临床状况52。因此，如有必要，应通过按“+”或“-”按钮调整目标压力，以确保VOT的持续规范实施。
传统的VOT操作由于操作者差异而存在局限性，本方案通过采用自动VOT来解决这一问题。我们采用的策略是将阻塞压力设定为高于收缩压50 mmHg。该方法可阻断血流，此前已有研究报道使用此方法进行VOT53,54。本方案中个体化的VOT目标压力有助于避免因采用统一目标压力而可能引发的血管收缩。过高的压力可能导致不必要的疼痛，从而影响测量结果并引起血管收缩，例如在收缩压为120 mmHg的患者中，若目标压力设定为200 mmHg或250 mmHg，则可能发生此类情况29。需要注意的是，入住ICU的患者发生血栓的风险增加，主要原因是长期卧床和镇静等因素55。因此，为避免风险，本方案不得用于患有血栓或血栓性静脉炎的患者。
该方案在重症监护病房（ICU）人群中具有重要应用价值，因为反应性充血受损是此类患者常见的特征，可能促进微血管异常3,56。本方案所获取的参数在测量过程中无需操作者干预，既往已有文献将其单独或少量组合应用于脓毒症、癌症、卒中等疾病，以区分不同的病理状态1,11,15,31。因此，我们认为，将这些关键参数联合使用对多种临床应用具有重要意义。本方案记录的数据有助于选择合适的治疗策略，以改善血管健康57。在阻塞和再灌注过程中，组织氧合与血流动力学的宝贵信息使我们能够评估向重要器官供血的充分性，有助于识别组织缺氧，并指导干预措施以优化器官灌注58。通过提供微血管氧合和反应性充血的实时信息，该方法可作为血流动力学管理、液体复苏和血管加压药物治疗的辅助工具59,60。这有助于确保干预措施根据每位患者的具体需求进行个体化调整，从而优化组织氧合与灌注61,62。此外，对于接受机械通气的患者，在自主呼吸试验期间，微血管氧合和血流的动态变化在评估心血管系统是否能够耐受并克服无辅助呼吸所带来的增加的代谢负荷时具有极其重要的意义2。在此背景下，对接受机械通气的ICU患者而言，每日面临的一项关键且具挑战性的临床决策是脱机过程，该过程在患者被认为能够自主呼吸后结束，并随之拔除气管插管。本方案的纵向应用可用于评估干预措施的有效性、追踪疾病进展并指导治疗策略。

危重患者，特别是脓毒症及其他类似病症患者，常表现出反应性充血功能受损和微血管氧合障碍1,2,3。在新冠疫情期间的最初几波疫情中，大量患者需要重症监护治疗，期间病毒对内皮细胞的影响日益显现，但尚缺乏明确的评估与管理策略4,5,6。因此，临床上越来越认识到检测内皮功能障碍的重要性，而内皮功能障碍可通过反应性充血间接评估，尤其在重症监护环境（即重症监护病房，ICU）的患者群体中尤为关键7。一种实用、可靠且广泛可用的组织氧输送与氧消耗评估方法，对于优化复苏策略并直接解决微循环问题具有极其重要的意义。多项研究一致表明，持续存在的微循环改变以及宏观循环与微循环之间的一致性缺失，在一定程度上可预测脓毒性休克或失血性休克等危重患者发生器官功能衰竭及不良预后，即使其全身性参数看似正常8,9,10。显然，仅依赖宏观循环参数是不够的，因为微循环在组织氧合和器官功能中起着至关重要的作用11,12,13。本文介绍了一项基于近红外漫光学技术的新型多模态设备所制定的实验方案，该设备由一个专注于ICU患者研究的国际联盟开发。该项目名为VASCOVID（https://vascovid.eu），旨在应对新冠大流行，评估重症监护患者外周肌肉的微血管健康状况。我们设计了使用VASCOVID设备的实验方案，旨在加深对这些参数的理解，并探索这些参数在管理危重患者中的应用价值，其适用范围远不止于新冠患者。
近红外光谱技术（NIRS）数十年来已广泛应用于多种临床场景中，用于无创评估微循环，包括重症监护病房（ICU）患者14,15,16,17。需要指出的是，NIRS 最简单的应用形式，即连续波近红外光谱（CW-NIRS），已被集成于多种广泛应用且获得临床批准的设备中17,18，用于测量氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的绝对浓度，从而计算微血管的血液/组织氧饱和度（StO2）。尽管这些设备在临床管理中已有特定用途，例如在心脏手术期间的应用，但由于光子在组织中传播的物理特性，其存在明显局限性。这意味着它们的准确性、精确度和可重复性存疑，因此通常仅用作趋势监测工具19,20。此外，其测量结果极易受到表层组织（如覆盖的脂肪和皮肤层）的影响。
时间分辨近红外光谱法（TRS）采用处于皮秒量级的多波长短脉冲激光，检测其穿过组织后的延迟和展宽情况21。该方法可将吸收效应与散射效应分离，从而获得稳定、准确且精确的测量结果，并可计算总血红蛋白浓度（HbT）。由于TRS还能解析光程长度，因此可用于更有效地分离表层信号与感兴趣的深层信号18,21。然而，这种方法在复杂性、成本和设备体积方面存在劣势。但近年来，TRS系统的复杂性和成本已逐步降低，使得相关设备更加易于获取和使用。本文描述的装置采用了一种紧凑型原始设备制造商（OEM）商用TRS模块22,23。
扩散相关光谱（DCS）是另一种近红外技术，利用散斑的时域统计特性来量化散射光粒子的运动，这些粒子在组织中主要由红细胞主导16,24。而这一点已被广泛认为是微血管血流的指标，我们将其称为血流指数（BFI）25。在一种混合光学设备中同时使用时间分辨光谱（TRS）和DCS技术，可通过共用模型推导局部氧摄取分数，并将其与血流相乘，从而提供关于氧代谢的信息15,26,27。
为了评估重症监护室（ICU）患者的微循环，通常将近红外光谱技术（NIRS）与血管阻断试验（VOT）结合使用，后者是一种缺血性刺激，通过阻断探头所监测的外周肌肉血流供应数分钟来实施。28,29,30,31,32通常通过在上臂缠绕止血带并充气至高于收缩压的压力来实施33在血管阻塞试验（VOT）期间，临床医生通过评估微血管血氧饱和度对血流变化的反应，来推导静息状态和反应性充血状态下的氧代谢情况。34假设在VOT期间，袖带压力远高于肢体闭塞压，此时无血液流入或流出。因此，VOT开始时StO₂呈下降趋势2，即脱氧（DeO2），由于组织消耗氧气，从而可估算出氧气代谢消耗速率。当VOT结束并放气时，血液迅速流入以补偿其耗损，引发充血反应。这一涌入导致StO₂出现急剧上升的斜率2, 即，复氧（ReO2）。充血反应表现为血流超过初始基线水平，并缓慢恢复至基线，用于评估反应性充血。由于近红外光谱技术（NIRS）联合血管阻断试验（VOT）操作简便，且在脓毒症等危重状态下具有预测不良预后甚至死亡率的潜力，近年来在重症监护中受到越来越多关注35,36,37.
在 COVID-19 大流行期间，我们的研究团队发起了一项全球性合作，并近期完成了所谓的 HEMOCOVID-19 试验，揭示了 COVID-19 患者外周微循环改变与急性呼吸窘迫综合征严重程度之间的关联6。这一发现也得到了其他研究的支持7,38。上述所有研究均采用前述的连续波近红外光谱（CW-NIRS）系统完成，因而受限于其固有缺陷。此外，不同研究中血管阻塞试验（VOT）的实施并未标准化，且易受多种参数影响，如阻塞持续时间、止血带压力以及操作者间差异29,39,40。文献综述明确表明，若要使 VOT 与近红外光谱技术（NIRS）在临床中得到广泛应用，必须实现血流测量、建立标准化操作流程，并具备可靠的 NIRS 系统11。因此，我们提出，通过采用更先进的 NIRS 技术（即时间分辨光谱，TRS）、实现血流测量，并在 VOT 过程中对止血带控制进行标准化，可更有效地区分病理状态与健康状态。为此，我们开发了这款集成多种模块的混合式漫反射光学装置，包含两个近红外漫反射光学模块（分别为 TRS 与 DCS）、脉搏血氧仪以及自动止血带。脉搏血氧仪模块可提供心率（HR）、灌注指数以及动脉血氧饱和度百分比（SpO2）。该装置采用快速止血带，这对于执行 VOT 至关重要。装置配备一个可选附件盒，可在使用过程中获取额外信息，用于扩展和持续的质量控制，例如对仪器响应函数（IRF）进行常规且实用的测量（适用于 TRS），以及在组织模拟体模上进行测量以评估长期稳定性。该装置在 ICU 中的应用如图 1所示。
<img alt="带有VASCOVID设备和监测设备的医疗装置；用于光学吸收分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig01v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
图1：在重症监护室（ICU）中，便携式设备在床旁的布置，探头和袖带已连接至患者。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
这种多模态智能探头集成了用于时间分辨光谱（TRS）和扩散相干光谱（DCS）的光源与探测光纤，设备内部设有光学滤光片，可防止 DCS 与 TRS 之间的信号干扰。本系统采用的源-探测器间距为 25 mm。此外，探头还集成了电容式触摸传感器，根据激光安全标准（IEC 60601-2-22:2019）41 提供重要的安全功能，以防止激光危害。设备内的激光安全系统可确保仅在探头与组织接触时才启动激光发射；一旦检测到探头脱离组织，激光将立即关闭，从而保障患者和操作人员的安全。此外，探头还集成了加速度计、负载传感器和光传感器，以实现更多功能和数据采集目的。
本文介绍了使用所开发的设备，通过体积氧张力计（VOT）同时检测肱桡肌的自动化方案。该方案的时间流程如图2所示。整个方案完全自动化，在执行过程中无需操作人员干预。通过利用该新型设备的功能，我们旨在获得有价值的见解，帮助医生更好地理解外周氧消耗的病理生理机制，并评估氧消耗与氧输送的比率，从而全面且高效地提升患者诊疗水平。
<img alt="止血带压力图表：基线、血管闭塞试验、恢复期；时间与压力关系图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig02v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：实验方案时间线。 患者在整个时间线过程中保持静息状态，初始基线期和恢复期压力均为 0 mmHg。血管闭塞试验（VOT）通过将止血带充气至高于患者收缩压 50 mmHg 的压力进行。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>酒精棉片</td><td>无特定要求</td><td>N/A</td><td>用于测量后清洁探头和袖带</td></tr><tr><td>黑色布料</td><td>无特定要求</td><td>N/A</td><td>用于遮挡环境光&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>血压监测仪</td><td>OMRON</td><td>N/A</td><td>医院ICU设备或市售产品</td></tr><tr><td>体脂卡尺</td><td>Healifty</td><td>3257040-6108-1618385551</td><td>用于测量脂肪层厚度</td></tr><tr><td>检查手套</td><td>无特定要求</td><td>N/A</td><td>用于与患者接触时佩戴</td></tr><tr><td>医用胶带</td><td>无特定要求</td><td>N/A</td><td>用于将探头固定在手臂上</td></tr><tr><td>弹性绷带</td><td>无特定要求</td><td>N/A</td><td>用于将探头固定在手臂上</td></tr><tr><td>卷尺</td><td>YDM Industries</td><td>25-SB-30-150V3-19-1</td><td>用于测量手臂周长</td></tr><tr><td>剪刀</td><td>无特定要求</td><td>N/A</td><td>用于裁剪胶带</td></tr><tr><td>VASCOVID 前商业化原型机</td><td>VASCOVID 联盟</td><td>N/A</td><td>由 ICFO 集成</td></tr></tbody></table>

用于重症监护的混合近红外漫射光学光谱无创监测微血管血氧及反应性充血

Non-Invasive Monitoring of Microvascular Oxygenation and Reactive Hyperemia using Hybrid, Near-Infrared Diffuse Optical Spectroscopy for Critical Care

检测微血管氧消耗和反应性充血障碍的程度在重症监护中至关重要。然而，目前尚无切实可行的方法用于进行可靠且定量的评估。本文介绍了一种利用混合式近红外漫射光学设备评估这些功能障碍的实验方案。该设备包含近红外时间分辨光谱、漫散相关光谱和脉搏血氧测定模块。这些模块可对绝对微血管血液/组织氧饱和度（StO2）、血流指数（BFI）以及外周动脉血氧饱和度（SpO2）进行无创、连续和实时测量。该设备采用集成的计算机控制止血带系统，通过标准化方案对桡侧腕短伸肌实施光学数据采集。标准化的血管闭塞试验（VOT）解决了文献中报道的闭塞持续时间和压力的差异问题，而自动化操作则最大限度地减少了不同操作者之间的差异。本文所述方案采用3分钟的闭塞期，但文中描述的细节可轻松适用于其他闭塞时长、袖带压力以及其他肌肉组织。通过延长基线期及闭塞后恢复期的测量，可对各项参数的基线值以及对应于氧消耗代谢率的血液/组织去氧速率进行量化。当袖带释放后，我们可表征BFI和StO2在反应性充血过程中的组织再氧合速率、幅度和持续时间。这些参数可用于量化反应性充血，从而提供有关内皮功能的信息。此外，上述对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白绝对浓度、BFI、推导出的氧消耗代谢率、StO2和SpO2的测量，提供了一组尚未充分挖掘的丰富数据集，可用于反映疾病严重程度、个体化治疗及管理干预效果。

目前的临床研究已由多名经过培训的使用者采用该设备，在重症监护室（ICU）患者和健康对照者中进行了超过300小时的测量，获得了具有临床意义的结果，并在真实环境中表征了系统的体内性能。本文展示了单个受试者数据的若干示例时间轨迹，这些轨迹对使用者可见。该方案的初步结果可实时测量并显示，例如HbO、HbR、HbT、StO2、SpO2和BFI。文中还描述了多种衍生参数，如MRO2、DeO2、ReO2和AUC。
图7 显示了步骤 3.3 中的设备监测界面，用于展示数据质量，其中自动调节激光功率、检测光子计数以及测试不同模态之间的串扰。该设备监测界面显示了两条强度自相关（g²）曲线，原因是该设备将两根 DCS 探测光纤连接至单光子计数模块，并同时获取 TRS 设备两个波长下的 DTOF 信号。DCS 所用激光波长为 785 nm，而 OEM TRS 模块发射的激光波长分别为 685 nm 和 830 nm。上图中的自相关曲线在较短延迟时间下显得较为嘈杂，这在本例中部分归因于光强较低。已有研究建议通过提高光强以及采用独立或并行的探测光纤来提升 DCS 的信噪比42,43。因此，计划对两个 DCS 通道的信号取平均，以降低噪声影响，进而更准确地计算血流灌注指数（BFI）。
<img alt="相关性和DTOF数据图；光谱分析；发射测量结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig07v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图7"> 
图7：数据质量检查阶段软件设备监控模式的截图。 上方图表显示了DCS两个通道的自相关曲线。中间图表显示了TRS波长的时间扩散光子到达曲线（DTOF）。下方图表显示了DCS和TRS的光子计数。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
如图8所示，在使用临床监护仪的初始基线期，DCS和TRS显示为绿色图标，表明质量检测成功。显示的信号非常稳定，因此本例中无需使用步骤3.5中描述的“延长（Extend）”功能。如果初始基线如图9所示，则必须使用“延长”功能。该功能可延长基线采集时间，以获得3分钟的稳定数据，用于准确计算所有参数的基线值。
<img alt="血流动力学参数、血氧饱和度、血流指数图表；临床监测数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig08v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图8"> 
图8：软件在初始基线阶段的临床监测模式截图，显示稳定的基线信号。 上方图表显示由TRS测量的血流动力学参数的绝对值，中间图表显示由TRS和脉搏血氧仪测量的血氧饱和度信号及脉搏值，下方图表显示使用DCS测量的BFI。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig08large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="血流动力学参数图；血液氧合、血流指数；运动不稳定性分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig09v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 9"> 
图 9：由于探头移动导致信号出现尖峰的截图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig09large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
袖带阻断阶段的开始和结束以黄色垂直线标出，如图10所示。在此阶段，由于脉搏血氧仪使用的是同一侧被阻断手臂的手指进行测量，因此脉搏波形和SpO2数值不具有临床或生理学意义。脉搏血氧仪显示的红色OXY图标表示数据不可靠。为避免这种情况，可将脉搏血氧仪连接至患者未受干扰的手部，即未使用止血带且血流未受阻的一侧。然而，为了在初始基线期和最终恢复期利用脉搏血氧仪获取被测手臂的灌注指数以分析VOT的影响，我们选择将脉搏血氧仪用于与止血带相同的一侧手臂。
<img alt="血流动力学、血氧饱和度、血流指数数据图表；生理监测参数。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig10v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图10"> 
图10：显示黄色垂直线标记VOT起始和结束时刻的软件截图。 由于血流受限，SpO2 和脉搏数值无显著意义。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig10large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
图11 显示了步骤 3.6 中所示的完整实验时间线，包括最终恢复阶段，用以说明充血反应以及临床参数恢复至初始基线水平的情况。上方图示 图11 显示绝对血流动力学参数。VOT开始时，由于袖带阻塞导致血流流入和流出均被阻断，HbO呈下降趋势，HbR呈上升趋势。在VOT结束时，该趋势发生逆转，超过初始基线值，并在恢复阶段逐渐回到基线水平。中间和底部图显示，BFI信号的噪声略高于StO2这本质上是由于 DCS 通常具有较高的信噪比，这一点从 BFI 中明显的充血反应即可看出42,44利用该新型设备提供的丰富数据集，BFI中的振荡已被用作诊断脓毒症患者的潜在生物标志物45.
<img alt="血流动力学分析；参数图表；包含氧合、血流数据；临床监测。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig11v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图11"> 
图11：临床监护仪的屏幕截图，显示整个实验方案时间线中的信号。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig11large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
通过本方案，可在进行血管阻断试验（VOT）期间单独监测肌肉组织的耗氧情况。缺血挑战期间脱氧血红蛋白（DeO2）的变化斜率反映了组织对氧气的消耗情况。VOT早期组织氧饱和度（StO2）的下降反映了组织的氧消耗速率。StO2和血流灌注指数（BFI）在充血高峰及其随后的衰减趋势，直接关联于充血反应和微血管反应性。除这些明显结果外，我们还可利用多个潜在生物标志物对重症监护病房（ICU）患者进行分类。现有的生物标志物包括：脱氧速率、VOT期间StO2的最低值、再氧合速率、充血高峰值，以及StO2和BFI曲线下面积。这些生物标志物可用于识别特定患者群体及其疾病的严重程度。图12展示了来自一位患者的示例数据集所得结果。“DATA QC”表示初始质量检查，不涉及患者数据，因此在图示中未予显示。为与VOT阶段及VOT后恢复期进行比较，需计算基线期StO2、BFI和组织氧代谢率（MRO2）的平均值。本方案所得结果可能与该示例数据存在差异，所有参数的基线值可能更高或更低，DeO2的变化速率也可能更快或更慢。充血反应的再氧合（ReO2）速率和峰值可能更高或更低，也可能无明显峰值。恢复阶段的指标恢复正常的速度可能更快或更慢。这些变异反映了患者所患特定疾病或疾病组合的实际生理状态。
<img alt="静态平衡图表及公式；显示氧合、血流参数、袖带压力变化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66062/66062fig12.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图12"> 
图12：离线汇总的结果。 黑色虚线标记了基线期前三分钟的起始点，红色虚线标记了充气与放气事件。顶部图像显示了StO2信号，并标出了用于计算DeO2和ReO2的区域。中间图像显示了BFI，底部图像显示了止血带压力。基线值和曲线下面积（AUC）在其各自阶段中以蓝色显示。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66062/66062fig12large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

我们介绍了一种基于近红外扩散光学的多模态设备，用于无创、连续测量微血管的绝对血流指数和血氧饱和度。随后，通过血管阻断试验评估氧消耗的代谢率和反应性充血。

微血管氧消耗和反应性充血受损程度的检测在重症监护中至关重要。然而，目前尚无……

本方案的目的是评估外周肌肉的微血管氧合状态及反应性充血，特别是在危重患者重症监护管理中的应用。结合漫射光学技术与血管阻断试验，我们可以评估多种参数，以深入了解微血管氧合和反应性充血情况。我们使用的血管检测设备整合了多个模块，包括两种近红外漫射光学技术、脉搏血氧测定法以及自动止血带。该技术旨在通过我们采用手臂持续动脉阻塞诱导的血管阻塞试验，来测量氧气代谢率和微血管反应性。电子技术提供的信息被整合起来，以多模式方法研究微血管健康状况。近红外光谱技术利用激光在多个波长下以皮秒级时间通过组织，测量这些光脉冲在组织中传播时的延迟和展宽情况。采用多个波长来计算不同的血液和组织成分。在血管测量中，我们利用 685 纳米和 830 纳米的光来计算氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白，从而得出微血管血氧饱和度的百分比。扩散相关光谱技术则利用连续波相干激光光源发出的近红外光的变化。该技术通过利用散斑强度自相关函数的衰减来计算血流速度，这种衰减是由红细胞等光散射颗粒的运动引起的。在扩散相关光谱（DCS）的血管测量中，我们采用785纳米的波长。最后，脉搏血氧仪用于测量心率和动脉血氧饱和度的百分比。通过本方案，我们能够测量组织氧合。组织氧合是一个原始参数，综合反映了组织灌注、动脉血氧合以及组织的代谢速率，即静脉血氧合。当我们进行血管阻断试验时，所获得的是组织的代谢速率；因此，信号的去氧或去饱和程度提供了关于代谢速率的信息，且该信息是独立的，不包含灌注信息，仅反映代谢速率。随后，在经历缺血刺激后松开袖带，我们将观察到信号的再饱和、再氧合以及充血反应。这种再氧合过程和充血反应可提供有关组织微血管反应性的信息，从而反映内皮功能的状态。该血管探头配备有光学窗口，用于放置激光光源和探测器，以实现扩散相关光谱和时间分辨光谱检测。两者的源探测器间距均为25毫米。探头配有电容式触摸传感器、加速度计、负载和光传感器。设备中的激光安全系统利用触摸感应，仅在探头放置于组织上时才启动激光照射。一旦检测到分离，激光便会自动关闭，从而确保患者和操作人员的安全。打开设备，设备将启动内部开发的软件。将安全钥匙转至开启位置。将探头完全放入仪器响应函数盒内，如果探头指示灯亮起，请按下探头上的复位按钮。等待设备准备就绪。它会执行自检以确保稳定运行。当设备准备就绪后，会询问您是否要测量IRF。此时设备将自动调整激光强度，以达到每秒100万计数的理想计数率。当观察到稳定的计数率和DTOF时，按下停止按钮。该IRF将被保存至设备中，同时加载到软件中用于实时计算。现在，我们可以继续进行模体测量。正确地将探头插入模体盒中，确保探头附带的指示灯已开启。模体检测程序首先进行质量控制测试，以验证DCS和TRS探测器接收到足够数量的光子，并检查暗计数是否处于理想范围内。质量检查还确认不同检测模式之间不存在干扰。继续执行模体方案至少30秒，以保存足够数据用于后续分析。将止血带绑在上臂肘部以上，如同进行血压测量时的操作。不要将袖带松散或过紧地缠绕在手臂上。止血带若固定不紧，则需要更多气体才能达到所需压力。缓慢充气可使机体有时间重新调节生理状态。将脉搏血氧仪连接至同侧手臂的食指。如果无法将传感器连接到食指，可将其连接到其他任意手指。找到需要探测的肌肉，该肌肉位于肘部下方前臂外侧。可用一只手轻轻扭转前臂以定位该肌肉。用另一只手可以在拇指和手指之间触摸到该肌肉。使用短卷尺围绕该肌肉测量臂围。使用精密的体脂卡尺测量肌肉上方的近似组织厚度。将探头头部连接到肌肉上，使光纤和电缆朝向手部方向。不要将探头绑得太紧，以免影响组织生理状态。确保光纤不接触任何移动物体，以免在数据中产生伪影。用黑色布料覆盖探头，以阻隔外部光线。如果患者处于清醒状态，应告知其血管阻断试验可能会引起刺痛感，并要求其不要移动手臂。确保探头已连接，设备前面板上的LED指示灯处于点亮状态，且软件中的触摸图标呈绿色，表明探头已正确连接。按下方案时间按钮。此时将弹出一个新的对话框。输入受试者编号、操作者编号以及比收缩压高50毫米汞柱的目标压力。按下“确定”以启动自动化程序。实时数据将显示在图表中。该程序首先进行质量控制，自动调节激光功率，检查光子计数以及各模式间的界面。质控检查在两分钟内完成。观察标记为 DRS 和 DCS 的圆形图标，质控结束时这些图标必须变为绿色。绿色图标表示光子计数率处于理想范围内。探头无外部光线进入。各成像模式之间无串扰，因此测量可继续进行。在质量检测阶段结束时，图表将重置，并实时绘制反映患者数据的信号。按下停止按钮以中止该方案。如果患者在方案实施期间的任何时刻出现不稳定或需要临床干预，请按下停止按钮。按下延长按钮可增加 30 秒的预闭塞持续时间。如果患者移动手臂，或因其他任何原因无法获得稳定的基线信号，操作者可在任意所需阶段多次按下“交换”按钮。每次按下按钮将增加30秒。止血带将自动充气至设定压力，以开始血管阻塞试验。如果在启动方案后患者血压发生变化，可按压加号或减号按钮，以5毫米汞柱为步长，增加或降低所需的阻断压力。血管阻断试验的开始和结束会自动用黄色竖线标记。软件已设置为持续采集数据，并自动执行三分钟的血管阻断试验。在基线期持续三分钟后，预设的标准流程在血管阻塞试验结束后继续维持六分钟，以评估患者在充血反应结束后并达到稳定状态后的恢复情况。当操作者收到弹出通知提示流程已完成时，按“确定”按钮，表示该流程已成功结束。操作者可将探头和袖带从患者身上移除，并使用酒精棉片或等效物进行清洁。根据预定义的研究方案，手动在患者数据表中记录临床和人口统计学信息，以及探头位置处上臂的周长和覆盖脂肪组织的厚度。通过使用两种波长的时域资源光谱曲线拟合算法，可实现对氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白的实时绝对值及组织氧饱和度的计算。通过扩散相干光谱的自相干曲线拟合算法，可实现实时血流指数的计算。使用您熟悉的编程语言编写的用户脚本，用于重新打开并可视化记录的边界数据。通过该脚本，可计算血管阻断试验后反应性充血反应的氧消耗指数、去氧速率和去氧幅度、再氧合速率，以及反应性充血曲线下面积和幅度。根据本方案，我们能够连续测量组织绝对氧饱和度、血流指数以及动脉血氧饱和度。这些参数的组合可获得进行血管阻塞试验时的氧气消耗代谢率指数。当袖带充气时，我们得到去氧速率，该速率显示探头区域中氧气被消耗的速度。在血管阻塞试验结束、袖带放气时，我们可以观察到组织再氧化的速度，该速度显示氧气向缺氧区域供应的速率。结果显示，脱氧血红蛋白增加，而氧合血红蛋白减少。随着氧气从血红蛋白中被提取，缺氧细胞数量增加。在血管阻塞试验期间，我们可以观察到微血管血氧饱和度呈下降趋势。该下降的早期速率代表了氧气消耗的代谢率。而充血峰及其随后的衰减速率与内皮功能和微血管反应性相关。文献中已使用多种生物标志物，如去氧速率、去氧量、再氧合速率、充血峰数值以及曲线下面积，用以表示疾病的严重程度，并区分健康人群与患者群体。除了获得绝对浓度值外，本方案的另一个优势在于血流指数。由于仅靠充血饱和度无法反映局部氧含量的增加情况，血流指数可进一步帮助了解氧消耗的基础代谢率和灌注情况。对血流指数的进一步分析还可提供微血管稳定性指数，因为该血管检测设备具备快速采集扩散相关光谱数据的能力。使用该方案时，应始终确保已通过质量检测，以证明所有设备参数均处于可接受范围内。因此，所显示和存储的数据具有实际意义和价值。通过该方案，我们可利用多种技术无创地为临床医生提供血红蛋白氧饱和度和血流指数的绝对值，所获得的临床参数可用于评估组织灌注、内皮功能、微血管反应性及氧代谢情况。设备校准以及人体测量的全自动操作流程可减少操作者之间的差异，从而获得更可靠的数据。

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