Name: 反应性充血期间的近红外光谱评估下肢血管功能 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-03-22T14:20:00.000+00:00
Duration: 4 min 44 s
Description: 了解利用近红外光谱技术评估下肢反应性充血期间血管功能的非侵入性方法。该技术可有效区分健康个体与外周动脉疾病患者的微血管反应，为心血管健康评估提供标准化方案。

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作者谨此感谢 A. Meneses 博士，其先前的工作有助于完善本文所述的实验方案。此外，作者还要感谢所有研究参与者，他们贡献出宝贵时间，使此类实验方案得以建立，从而推动临床与科学认知的深入发展。

本文所述所有方法均已获得阳光海岸大学人类研究伦理委员会的批准。此外，所有参与者均签署了书面知情同意书，同意参加本方案中所述的测量。请注意，对于既往接受过涉及股动脉或腘动脉血管移植或支架植入血管重建手术的个体，下肢血管阻断测试是禁忌的。在准备好设备后，指导受试者仰卧休息10分钟。此时开始近红外光谱（NIRS）数据采集，初始采集2分钟，以确保NIRS信号达到稳定状态。随后采集1分钟的基线数据，紧接着迅速充气位于大腿处的袖带，以实现动脉阻断。阻断持续5分钟后，迅速放气。在反应性充血期间，数据采集持续进行，直至信号恢复至基线水平。图1展示了反应性充血方案的概览，详细步骤如下所述。本研究所用设备列于材料表中。
<img alt="NIRS 实验时间线；仰卧休息、袖带阻塞、反应性充血；用于分析的示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 1"> 
图 1：近红外光谱反应性充血测量方案及时间安排示意图。 NIRS：近红外光谱法。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
1. 仪器准备
注意：可使用多种近红外光谱（NIRS）、袖带充气/阻断及数据采集系统来获得下述代表性结果。研究人员应查阅各自设备的具体使用手册，并注意特定软件、校准、环境光以及受试者/队列相关的特殊事项。
<ol>
	<li>确保所有测量均在安静、温度受控的房间（21-23 °C).</li>
	<li>确认所有设备和材料（参见 材料清单) 是可获得的。</li>
	<li>确保 CW-NIRS 设备及其连接的计算机均已充满电并已开机。</li>
	<li>检查近红外光谱设备是否已与显示近红外光谱数据的计算机配对 通过 蓝牙，且根据实验地点和研究设计定义NIRS设备的测量参数（示例：定义近红外光的微分路径长度因子（DPF））。 
	注意：近红外光谱（NIRS）检测的大部分操作步骤和系统设置均基于设备制造商的建议、研究人员的经验以及专家共识。需注意，测量过程中所得数值取决于所使用的特定设备、探头类型以及设备软件中的参数设置。此外，采集到的信号可能存在较大的个体间差异。为进一步提高不同研究之间的可比性，在发表这些测量结果时，应详细报告NIRS仪器的具体信息（例如探头设计、光源-探测器间距、所用波长）、系统设置、探头相对于肌肉解剖结构的位置/方向，以及数据分析参数和数据处理方法。</li>
	<li>根据NIRS设备软件的具体要求输入参与者的数据。</li>
	<li>将快速充气泵连接至气源和电源。</li>
</ol>
2. 受试者准备
<ol>
	<li>确保受试者已阅读受试者信息说明和知情同意书，并在开始测量前签署同意参与测量。</li>
	<li>向受试者说明测量过程中可能出现的情况，同时让其脱去鞋袜，并保持静止，以便进行相关的人体测量。</li>
	<li>在计划的近红外光谱（NIRS）测量部位（例如，小腿最大周径处的内侧区域）进行皮褶厚度测量（重复三次）。 
	注意：这有助于确认皮肤与脂肪组织的厚度（通常称为脂肪组织厚度，ATT），以评估其与NIRS信号穿透深度的关系。也可使用超声测量脂肪组织厚度。需始终注意，NIRS信号/测量的穿透深度约为发射器与接收器间距的一半9。</li>
	<li>为最大限度提高信号质量，检查计划放置NIRS发射/接收探头的部位是否存在可能吸收光线的毛发，并在必要时通过剃除毛发进行处理。 
	注意：若皮肤存在损伤（例如蜂窝织炎）或存在水肿，应评估测量的适宜性，因为这些问题可能影响信号质量、信号穿透深度/测量所来自的组织，以及受试者伤口的无菌状态。</li>
	<li>测量并/或标记NIRS探头计划放置位置与相关解剖标志（例如内侧髁上表面）的相对位置，以确保在不同受试者之间及同一受试者内部探头放置的准确性（取决于研究设计和探头设计/形状），因为不同肌肉之间甚至同一肌肉不同区域的氧合反应可能存在显著异质性。</li>
	<li>要求受试者仰卧于检查台或床上，随后静息10分钟。</li>
	<li>在膝关节近端的大腿处放置一个袖带，确保管路不与小腿或NIRS设备接触（图2）。</li>
	<li>用泡沫支撑物将下肢抬高约10 cm，使足部和踝关节置于其上，保持小腿稳定且便于测量（图3）。 
	注意：若需在多次测试中对双侧下肢进行测量，测试顺序应在首次测试前随机化，并在后续每次评估中对每位受试者保持相同的测试顺序。</li>
	<li>打开快速充气装置模块。 
	注意：确保快速充气装置的模式和压力设置符合制造商说明书及血管阻断方案的具体要求。</li>
	<li>打开袖带充气装置的气源，检查气体是否能通过管路，并将管路连接至大腿袖带。</li>
	<li>确保袖带充气装置的管路仍未与小腿接触。</li>
	<li>将NIRS发射/接收探头牢固地固定在测量部位（通常为腓肠肌内侧区域；但根据研究设计和受试者具体情况，也可选择足背或胫骨前肌等其他部位）的皮肤上。 
	注意：部分NIRS系统支持同时进行多部位测量。</li>
	<li>用黑色肌内效贴布或类似材料覆盖探头，注意密封边缘，防止环境光影响NIRS信号质量/数值（图3）。 
	注意：固定探头及粘贴覆盖物时，应避免探头移动，但切勿压迫皮肤/脂肪组织/肌肉。</li>
</ol>
<img alt="使用气动袖带进行加压治疗，血流限制设备。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：大腿部位止血带放置示例。 （A）俯视图。（B）侧视图。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="肌肉传感器放置示意图，电极贴于前臂用于采集肌电（EMG）信号。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig03v3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 3"> 
图 3：近红外光谱探头放置位置示例。（A）探头固定于腓肠肌内侧部已剃除毛发的皮肤上。（B）踝关节置于泡沫支撑物中以方便操作并确保稳定的探头放置状态。（C）环境光屏蔽装置已就位。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
3. 基线数据采集
<ol>
	<li>要求受试者保持放松，不要说话，并在整个数据采集过程中保持腿部静止。</li>
	<li>启动近红外光谱设备记录 通过 计算机界面 
	注意：如果启用了首选的离线数据采集，请直接启动 NIRS 设备。</li>
	<li>在开始测量之前，至少采集 2 min 的数据，以确保在数据采集前达到稳态信号。</li>
	<li>监测计算机屏幕，以确保数据信号的完整性和生理学上合理的数值。例如，数据采集（DAQ）值可提供有关信号质量以及近红外光谱（NIRS）设备检测到的环境光强度的信息。在整个测量过程中，这些值应保持在可接受的范围内。</li>
	<li>如果2分钟后仍未观察到近红外光谱（NIRS）信号的波动（例如由于运动伪影所致），请按下计算机/设备/同步单元上的相应按钮，设定NIRS数据基线。该基线代表测量的比较起点，氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的变化将相对于此基线进行解读。 
	注意：在数据采集过程中，插入基于软件的事件标记，以标明特定里程碑，例如基线期的开始与结束、袖带阻塞的开始与结束等，以辅助后续数据分析。</li>
	<li>至少采集1分钟的基线数据，并确保在此期间无任何波动或运动伪影产生。 
	注意：基线数据的波动会影响某些潜在变量的解释，例如充血储备（参见代表性结果部分）。</li>
</ol>
4. 血管闭塞
<ol>
	<li>在切换到袖带模式（或其它系统的相应设置）之前，将快速充气装置的袖带压力设定为 200 mmHg。 
	注意：尽管一些研究者建议在大腿部位充气至 250 mmHg9,19，但根据我们的经验，部分受试者对此耐受性较差，可能导致测量中断。对于大多数受试者群体而言，充气至 200 mmHg 已足以在静息状态下完全阻断动脉血流，同时具有较好的耐受性，且不会引起皮肤瘀斑。为确保在 200 mmHg 时实现有效阻断，我们团队常规联合使用应变容积描记法与近红外光谱技术，以确认充气期间下游血流确实停止。</li>
	<li>向受试者说明在袖带充气至 200 mmHg 并维持 5 分钟、随后完全放气的过程中可能产生的感觉（如不适感、刺痛感等）。再次提醒受试者在整个数据采集期间保持放松、避免说话，并保持腿部静止不动。 
	注意：据我们观察，阻断开始后的前 30–60 秒是受试者感觉最不适的阶段。当受试者让腿部完全放松时，通常会感觉阻断更易耐受。</li>
	<li>准备开始袖带充气时，在近红外光谱仪器软件中标记基线期的结束。</li>
	<li>将大腿袖带充气至高于收缩压的压力，通常为 200 mmHg；在极少数 200 mmHg 无效的情况下，可选择充气至 220 mmHg。</li>
	<li>在阻断期间，持续监测计算机或屏幕，以确保数据的完整性。</li>
	<li>当接近 5 分钟袖带阻断结束时，提前告知受试者在袖带放气后约 3 分钟内仍需尽可能保持腿部静止，并避免说话（此期间正在采集反应性充血引发的血管反应数据）。 
	注意：此提醒非常重要，因为在血流恢复过程中，受试者可能会因缓解不适而产生移动肢体的冲动。</li>
</ol>
5. 反应性充血
<ol>
	<li>股动脉阻塞5分钟后，迅速将大腿袖带完全放气至0 mmHg。同时，在近红外光谱（NIRS）软件中标记阻塞期结束。由于血流恢复及相关因素引起的反应性充血反应将在NIRS软件显示中可见（图4）。</li>
	<li>阻塞结束后至少3分钟，或 alternatively，在NIRS数据恢复至基线水平后，在NIRS软件中标记恢复期结束并停止测量。 
	注意：恢复期的持续时间部分取决于所研究的科研或临床问题，因此也取决于所选择用于分析的具体NIRS参数，以及是否同时进行其他测量（如内皮依赖性血管舒张功能FMD），后者可能需要更长的恢复时间。</li>
	<li>启动数据保存，并导出NIRS结果以进行后续数据处理与分析。</li>
</ol>
6. 随访程序
<ol>
	<li>从受试者身上取下近红外光谱（NIRS）设备及袖带。</li>
	<li>如有需要，按照制造商说明及相关卫生标准清洁近红外光谱（NIRS）设备（及阻断袖带）。</li>
	<li>检查近红外光谱（NIRS）设备，确保发射器/接收器的完整性以及电池性能，以保障后续测量的正常进行。</li>
</ol>

Optimizing NIRS for Assessing Lower Limb Vascular Function

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</ol>

作者没有披露信息或利益冲突。

本文概述了使用连续波近红外光谱（CW-NIRS）组织饱和度指数（TSI）评估下肢反应性充血以评价微血管功能的标准化操作流程。该方案通过研究袖带阻断持续时间对反应幅度的影响、反应性充血期间NIRS的重复性测试可靠性，以及NIRS与其他微血管评估方法（如对比增强超声）之间的一致性而得以优化23,24。较长的袖带阻断时间对应更低的TSIMIN23，如图8和图9所示，反映出更强的缺血刺激。与1分钟和3分钟的袖带阻断相比，5分钟阻断后反应幅度更大，表明对更强低氧刺激产生了更显著的血管舒张反应。在针对特定程度缺血刺激进行研究时，这些因素尤为重要；例如，当采用固定阻断时间时，TSIMIN的差异已被发现与年龄相关25。此外，已有研究采用5分钟袖带阻断时间，证实了NIRS获取的阻断后反应性充血参数具有良好的重复性24,26。
<img alt="组织饱和度指数随时间变化的曲线图；光学分析；在1、3、5分钟时间间隔的数据比较。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig08.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图8"> 
图8：阻断持续时间对中国台湾地区老年人群腓肠肌内侧组织饱和度指数变化曲线的影响（袖带阻断与反应性充血期间，n = 13）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig08large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="组织饱和度指数与阻塞持续时间的关系柱状图；氧水平变化分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig09.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 9"> 
图9：阻塞持续时间对老年人群（n = 13）最低组织饱和度指数（TSIMIN；均值 ± 标准差）的影响。 在大腿袖带阻塞1分钟、3分钟和5分钟后，内侧腓肠肌的TSIMIN值。*表示与1分钟时差异显著；#表示与3分钟时差异显著。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig09large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
注意事项/故障排除 
尽管连续波近红外光谱（CW-NIRS）系统相对易于使用，但仍需考虑某些实际问题，例如 CW-NIRS 探头容易受到环境光污染的影响。因此，在测量过程中必须监测反映 NIRS 信号完整性的数据指标，并保持适当的皮肤接触和遮蔽，以确保获得符合生理实际的数值。此外，如果数据采集依赖蓝牙连接，则必须遵循制造商关于蓝牙使用的说明，以避免连接失败。
关于反应性充血方法，尽管罕见，但有受试者可能会报告，诱导缺血的袖带快速充气会引起难以忍受的局部不适。根据本课题组的经验，对于此类个体，可先将袖带充气至100 mmHg，然后在5秒内逐渐充气至200 mmHg，这样更容易耐受。然而，如果经过上述调整后不适仍然存在，则应终止该操作。
方法学上，正如Rosenberry和Nelson所强调的那样25，解释反应性充血时 通过 CW-NIRS响应，区分“反应性”充血与“响应性”充血可能具有重要意义。在袖带阻塞后≤30秒内采集的测量数据可反映再灌注的反应性阶段（由缺血刺激引发并导致微血管扩张的血流反应）。在此初始阶段之后，充血及其引起的剪切应力进一步促进血管扩张，增强肢体血流（即响应性充血）。从机制角度来看，由于NIRS可测量骨骼肌代谢，因此可能需要考虑骨骼肌氧化能力受损（例如线粒体功能障碍）是否会影响测量参数的时间进程。最后，如前所述，研究者在决定数据采集的终止时间以及在参与者之间解释和比较数据时，还需考虑在特定袖带阻塞时间内所达到的缺血损伤程度，以及随之产生的生理介导性充血的持续时间与强度。25.
近红外光谱（NIRS）所关注的变量通常被认为可反映微血管（功能障碍）；然而，在解读这些结果时，必须认识到微血管反应在一定程度上依赖于大血管/传导动脉的血流及其功能。此外，微血管功能障碍可能在大血管发生病理改变之前或同时出现5，且微血管功能障碍与多种心脑代谢性疾病相关20。因此，微血管与大血管的病理变化可能共同导致短暂性缺血及随之而来的充血反应成为心血管疾病风险升高的指示指标27,28,29。为了更好地理解大血管与微血管功能之间的关系，可将NIRS与大血管功能的测量方法（如内皮依赖性剪切应力介导的传导动脉扩张评估方法——FMD10,30）相结合。此外，在解读NIRS衍生变量的临床意义及其与传导动脉功能关系时，必须意识到NIRS用于微血管评估的历史相对较短，并应考虑影响这些变量的潜在生理机制。例如，结合血管阻断试验的NIRS是一种近期才被验证的方法31,32，相比之下，FMD技术已较为成熟。两种方法均涉及对基线状态与5分钟袖带阻断后状态的比较，但存在一些关键差异：FMD的测量部位位于袖带近端，因此测量区域不会发生缺血；而NIRS的测量部位位于袖带远端，该区域会经历缺血应激。由于缺血期和充血期的动态反应均可提供有关代谢活性及灌注能力（即微血管功能）的信息，因此必须对实验方案进行标准化，以实现受试者内部及之间的可比性。基于这一点，研究人员应意识到，所采用的NIRS数据分析策略（例如用于确定Slope 2的时间窗口）可能会影响NIRS与FMD之间的关系30。最后，在结合传导动脉（大血管）功能指标共同解读NIRS变量时，尽管诸如步行距离等功能性指标有所改善，但仍需认识到运动反应中可能存在“内在冗余”的可能性。具体而言，潜在的微血管和大血管机制均可能对功能性参数的改善有所贡献，但各自的具体贡献程度可能难以评估15。
局限性 
本方案的一个局限性在于，对于既往接受过涉及股动脉或腘动脉血管移植或支架置入术的个体，下肢血管阻断测试属于禁忌。这凸显了在决定是否对特定受试人群进行血管阻断测试时，获取相关血管影像资料和详细病史的重要性。如前所述，还需注意部分受试者可能无法耐受袖带充气和/或5分钟动脉阻断所带来的不适，并应明确告知所有受试者，若出现此类情况，可随时终止测量。根据我们的经验，尽管约有10%的受试者在测量过程中报告有明显不适，但因不适而需提前终止测量的情况仅发生在少数受试者中（1%–2%）。
近红外光谱技术（NIRS）的一个局限性在于，其信号会受到皮肤色素沉着程度（黑色素）的影响。目前尚无普遍可用的技术来校正因皮肤中黑色素含量导致的NIRS信号衰减，这限制了该技术在皮肤较深人群中的应用9,33。此外，NIRS信号/测量的探测深度约为光源-探测器（发射器-接收器）间距的一半。因此，检测部位过厚的脂肪组织会降低深层肌肉组织对NIRS信号的相对贡献。因此，确保光穿透深度足以有效检测深层肌肉，以获取特异反映肌肉血流与代谢相互作用的信息，显得尤为重要9。这正是腓肠肌成为标准检测部位的原因之一，因为该部位皮下脂肪组织厚度极少超过1 cm20。此外，胫前肌是另一个可选用的检测部位34。
近红外光谱（NIRS）设备有多种类型（频域、时域和连续波），其工作原理各不相同。在比较不同类型的NIRS设备时，已报道诸如再灌注斜率等参数存在差异；因此，在比较或合并来自不同类型NIRS设备的结果时应谨慎25。
连续波近红外光谱（CW-NIRS）在手术过程中具有用于确认血运重建是否成功的潜力；然而，在血管内介入过程中，近红外光谱（NIRS）信号的实时波动以及个体间存在较大变异，使得仅依据NIRS曲线难以实现实时确认微血管再灌注是否成功。因此，目前仍需依赖数据的后期处理，这一点应成为设计未来实验方案的研究人员需要考虑的因素35。
替代方法 
其他常用于测量下肢血管功能、灌注和/或反应性充血的方法包括静脉阻断体积描记法、多普勒超声和增强对比超声。然而，近红外光谱（NIRS）在这些方法中具有明显优势。尽管静脉阻断体积描记法是一种通过体积变化来测量肢体血流量的简单且可重复的方法，但它对血流的测量是间接的，且充放气技术导致时间分辨率极低。相比之下，NIRS具有高时间分辨率，并能直接评估微血管/组织氧代谢的变化。通过血管直径和多普勒速度信号进行超声血流测量，可提供优良的时间和空间分辨率；然而，该方法在结果量化方面存在多种分析途径，且高度依赖操作者，需要丰富的技能和培训经验。此外，超声对测量过程中任何微小的运动伪影都非常敏感25。相比之下，NIRS使用相对简便，且对运动伪影的敏感性较低。实时增强对比超声可量化反应性充血期间骨骼肌微血管的反应性；但该技术受限于需要静脉通路，必须在医疗监督下进行。增强对比超声还需要复杂的图像分析、大量专业技能和培训，以及昂贵的超声设备和对比剂。初步证据表明，在5分钟袖带阻断后，增强对比超声所获得的闭塞后反应性充血指标（包括骨骼肌微血管血流反应性）与NIRS所得指标具有相关性24。最后，由于NIRS相对易于操作且成本较低，可快速培训并部署多名使用者，从而使其适用于大规模多中心研究，同时最大限度地减少操作者间的变异。
未来发展方向与应用 
近红外光谱（NIRS）技术具有广阔的应用前景，可用于评估外周动脉疾病（PAD）患者的局部氧合动态，从而改进肢体风险分层，并评价治疗效果或临床病情恶化情况，尤其适用于那些因周围神经病变和糖尿病并发症而症状隐匿的患者15,18,22。新型系统包含多个相对小巧、轻便的连续波近红外光谱（CW-NIRS）探头，可同步采集数据，从而能够在反应性充血或运动测试期间评估不同部位间微血管反应的异质性9。与标准愈合指标相比，近红外光谱测量指标在预测糖尿病足病/溃疡等下肢病变的伤口愈合方面也显示出良好潜力，有助于改善患者护理，并通过及早停用无效的医疗干预措施来降低治疗成本36,37。此外，越来越多的证据表明，在严重肢体缺血患者接受主干动脉再灌注治疗后，NIRS技术可辅助确认微血管灌注是否成功13,35。最后，NIRS可在临床运动治疗过程中精准施加微血管去饱和或缺血刺激，而干预后的NIRS检测还可用于评估下肢血管功能的变化，从而为功能能力及步行能力改变的机制提供深入见解15,38。
总之，希望推广本方案能够促进各独立试验及不同研究团队之间数据的标准化分析与整合。这种更为一致的方法将有助于深入理解下肢血管功能障碍，并推动旨在改善外周血管疾病患者健康与福祉的转化研究取得更好成果。

心血管疾病（CVD）是全球死亡率的首要原因1。尽管心肌梗死和脑卒中是CVD最常见的表现形式，但下肢血管疾病（如外周动脉疾病（PAD）和糖尿病足病）也显著加重了CVD对个人、社会以及医疗系统的负担2,3,4。重要的是，这些疾病状态的特征是微血管和大血管功能障碍5，可导致症状（例如间歇性跛行）、功能受损、活动能力下降，以及社会孤立和生活质量降低6。传统上，上肢血管评估技术被用作系统性血管功能及相关心血管风险的衡量指标；然而，这些方法可能对下肢局部血管功能障碍的检测不够敏感7,8。尽管目前已有多种用于评估下肢血管功能的技术，如血流介导的血管扩张（FMD）和对比增强超声，但每种方法均存在缺点和局限性，例如设备成本高、操作者技术要求高，或需要侵入性静脉通路。因此，亟需建立标准化且有效的技术，以更便捷地在科研和临床环境中评估下肢血管（功能障碍）。
连续波近红外光谱法（CW-NIRS）是一种无创、低成本且便携的方法，可定量检测体内血红蛋白氧合的相对变化。in vivo。由于NIRS检测的氧合与脱氧血红蛋白信号来源于直径较小（&#60;1 mm）的血管，因此可用于评估局部骨骼肌代谢和微血管功能9。具体而言，组织饱和度指数（TSI）[TSI = 氧合血红蛋白 /（氧合血红蛋白 + 脱氧血红蛋白）× 100] 可提供组织氧合的定量指标9。在缺血阻断及反应性充血前后测量TSI的变化，可反映相对于阻断前基线的“终末器官”血管反应性。重要的是，该方法对与衰老10、疾病进展11以及临床干预（例如血管重建手术12,13或运动康复14,15,16,17）相关的肌肉微血管反应性和灌注变化具有敏感性，适用于存在或有微血管功能障碍风险的个体。
近红外光谱（NIRS）系统的普及导致报告微血管功能的研究数量迅速增加18。然而，反应性充血&#160;检测方案存在差异，NIRS方法缺乏详细且可重复的描述，以及NIRS反应参数在描述、呈现和分析方面缺乏统一标准，使得不同研究之间的比较十分困难。这限制了数据的汇总以进行荟萃分析，也阻碍了临床评估建议的制定9,15。
因此，本文介绍了我们实验室用于评估下肢反应性充血的标准化近红外光谱（NIRS）和血管闭塞测试方案。通过推广这些方法，我们旨在促进数据采集流程的标准化和可重复性，以及报告方式的统一。

<table><tbody><tr><td>袖带充气器气源</td><td>Hokanson&amp;nbsp;</td><td>AG101 AIR SOURCE</td><td></td></tr><tr><td>弹性自粘绷带</td><td>MaxoWrap</td><td>18228-BL</td><td>用于遮蔽环境光</td></tr><tr><td>OxySoft</td><td>Artinis</td><td>3.3.341 x64</td><td></td></tr><tr><td>PortaLite（近红外光谱仪）</td><td>Artinis</td><td>0302-00019-00</td><td></td></tr><tr><td>PortaSync MKII（远程控制装置）</td><td>Artinis</td><td>0702-00860-00</td><td>用于在测量过程中标记关键时间点</td></tr><tr><td>快速袖带充气器</td><td>Hokanson&amp;nbsp;</td><td>E20 RAPID CUFF INFLATOR</td><td></td></tr><tr><td>大腿袖带</td><td>Hokanson&amp;nbsp;</td><td>CC17</td><td></td></tr><tr><td>透气胶带（外科用）</td><td>3M</td><td>1527-1</td><td>用于将探头固定于皮肤</td></tr></tbody></table>

通过反应性充血期间的近红外光谱法评估下肢血管功能

Near-Infrared Spectroscopy During Reactive Hyperemia for the Assessment of Lower Limb Vascular Function

下肢血管疾病对人类健康造成了重大影响&#160;心血管疾病及其共病（如糖尿病）的全球负担。重要的是，微血管功能障碍可能在大血管病变发生之前或同时出现，二者均可能对患者的症状和疾病负担产生影响。本文介绍一种在反应性充血期间使用近红外光谱技术（NIRS）的非侵入性方法，可对下肢血管（功能障碍）进行标准化评估，并有望用于治疗干预效果的评价。与对比增强超声等其他方法不同，该方法无需静脉穿刺或复杂的图像分析，具有成本低、操作者依赖性小的优点。本文对NIRS方法的描述包括代表性结果、标准术语，以及对测量注意事项、局限性和替代方法的讨论。本研究的未来应用将有助于提高血管研究设计、数据采集流程和报告标准化水平，从而增强下肢血管（功能障碍）、疾病及治疗领域转化研究的成果。

近红外光谱法 
连续波近红外光谱设备测量含氧（O2Hb）和脱氧血红蛋白（HHb），可反映局部 O2 递送与利用 通过 发光光源与光电探测器，设定为特定间距。发射波长范围约为700 nm至850 nm的光，对应于O₂Hb的吸收峰波长。2Hb 和 HHb。当近红外光穿透骨骼肌后，光的散射和吸收程度取决于其波长。骨骼肌是一种非均质组织，因此光在其中传播时的散射系数、吸收系数以及实际光程长度无法精确量化。因此，连续波近红外光谱（CW-NIRS）技术采用修正的朗伯-比尔定律，该定律引入了微分光程因子（DPF），从而能够估算 O₂Hb 和 HHb 的相对浓度。2Hb 和 HHb 的计算。此外，O2Hb 和 HHb 是由连续波近红外光谱（CW-NIRS）导出的指标，包括总血红蛋白（THb = O2Hb + HHb），反映血容量/总信号强度的指标，以及组织饱和度指数（TSI = O₂Hb / (Hb + HHb)）2Hb/THb*100)。组织饱和度指数（TSI）由空间分辨光谱技术（SRS）生成，该技术通过在距光源多个不同距离处测量光子，从而提高测量精度9 并提供组织氧合的定量测量。此外，由于具有多个光源-探测器距离，SRS可增强深层组织的贡献，同时减少皮肤/脂肪等表层组织对NIRS信号的干扰。值得注意的是，TSI也常被称为区域氧饱和度（rSO2），组织氧合指数（TOI），或肌肉组织氧饱和度（StO2) 在文献中。因此建议今后采用单一术语，以标准化命名并减少混淆。
进一步建议，研究期间收集的所有近红外光谱（NIRS）信号均应进行分析并报告9。还需注意的是，连续波（CW）光谱仪无法提供被测组织中发色团的绝对浓度，因为光的实际路径长度未知。这类设备提供的仅为相对于预设基线的变化值。因此，正如Cornelis等人15所指出的，建议将NIRS信号作为相对于某一感兴趣时间点的变化进行分析。此外，建议重点关注反应的幅度和斜率，因为这些变量对脂肪组织厚度或信噪比等混杂因素的敏感性较低。
阻塞和反应性充血期间的近红外光谱信号 
本文将主要描述阻塞和反应性充血期间组织饱和度指数（TSI）信号的变化，因为与原始的氧合血红蛋白（O2Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）信号相比，该SRS测量方法较少受到皮肤信号贡献变化和测量误差的影响。
在阻塞和反应性充血期间评估的近红外光谱组织饱和度指数（NIRS TSI）变量选择如图4所示。基线TSI表示在血管阻塞（袖带充气）开始前的平均TSI，通常持续1分钟。阻塞期间的去饱和速率由Slope 1表示。由于动脉阻塞，Slope 1所反映的TSI下降可归因于氧的利用/静息肌肉代谢率。TSIMIN是在阻塞期间获得的最低TSI值。TSIIMAG（基线TSI与TSIMIN之差）表示阻塞所引起的缺血程度（以及血管扩张和阻塞后充血的刺激强度）。Slope 2表示袖带释放后的再灌注速率，代表反应性充血/微血管反应性响应。再灌注斜率也可用半恢复时间表示。TSIMAX是袖带释放后获得的最高TSI值。再灌注幅度计算为TSIMAX与TSIMIN之差，达到TSIMAX的时间则计算为从TSIMIN到TSIMAX的时间差（秒）。TSI反应性充血的曲线下面积（AUC）从袖带释放后恢复至基线开始计算，持续1分钟、2分钟或3分钟。最后，充血储备表示TSI高于基线的变化，可计算为TSIMAX与基线TSI之差，并以百分比表示9,10,12,20。
<img alt="静态平衡图；组织饱和度指数与时间的关系；200 mmHg 阻断实验结果" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4组织饱和度指数（TSI）信号在近红外光谱（NIRS）血管闭塞试验中的变化，以及反应性充血期间感兴趣的TSI相关变量。 基线 TSI 表示袖带充气开始前的平均TSI。 斜率 1 表示 阻塞期间的去饱和速率。 The 三糖铁琼脂最小值 是在阻塞期间获得的最低 TSI 值。 三糖铁琼脂成像 （基线 TSI 与干预后 TSI 的差异） 三糖铁琼脂最小值) 表示由阻塞引起的缺血程度。 斜率 2 表示松开袖带后的再灌注速率。 三糖铁琼脂MAX 是放气后获得的最高TSI值。 再灌注程度 计算为两者之间的差值 三糖铁琼脂MAX  和 三糖铁琼脂MIN, 以及 到达 TSI 的时间MAX 以时间差（s）计算，即从 三糖铁琼脂最小值 至 三糖铁琼脂MAX. TSI 反应性充血 曲线下面积（AUC） 根据袖带释放后1分钟、2分钟或3分钟内恢复至基线水平的情况进行计算。 血流储备，表示相对于基线的TSI变化量，可通过TSI之间的差值计算得出MAX 以及以百分比表示的基线TSI。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
除了 TSI 指标外，在动脉袖带阻断期间，若血容量无明显变化，还可通过计算阻断后 HHb 和 O2Hb 参数反应初始线性阶段（Slope 1）的变化斜率，来估算组织氧摄取率（mVO2）。该方法基于如下假设：O2Hb 消失的速率（和/或 HHb 出现的速率）等于被检测肌肉的氧气利用速率。
利用近红外光谱技术评估临床人群的微血管反应性 
重要的是，在反应性充血测试期间进行的近红外光谱（NIRS）测量能够区分表观健康个体与不同程度功能障碍患者的微血管反应。在表观健康个体与外周动脉疾病（PAD）患者之间，其微血管反应性的差异如图5所示。具体而言，与健康对照者相比，典型的PAD患者表现出再灌注速率较慢、恢复时间较长、最大充血反应幅度较小，以及在TSIMAX 达峰时间与TSIAUC 等变量上的差异20。值得注意的是，本文所述的NIRS参数也常用于标准化的临床运动与阻断测试中，以评估（微）血管对特定治疗或体力活动刺激的反应，或用于判断常规运动训练在健康人群17和心血管疾病（CVD）人群21中的效果。有关在反应性充血和运动过程中应用NIRS评估下肢外周血管疾病的研究中所采用的NIRS测量参数与结果的最新综述，可参见Joseph等人的系统性综述18。
最后，在设计包含近红外光谱（NIRS）测量的研究时（如图4和图5所示），需注意在明显健康和临床人群中，NIRS绝对值存在较大的个体间变异性，这使得例如基于NIRS数据定义外周动脉疾病（PAD）诊断的绝对值标准变得具有挑战性22。
<img alt="显示表观健康状态与外周动脉疾病（PAD）条件下组织饱和度指数随时间变化的图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 5"> 
图 5：反应性充血测试期间的组织饱和度指数（TSI）信号。 组织饱和度指数（TSI）信号显示近红外光谱（NIRS）在反应性充血测试期间区分表观健康男性受试者与外周动脉疾病男性受试者（踝肱指数 = 0.5）血管反应能力的能力。*NIRS 基线开始；#动脉阻塞开始；^动脉阻塞结束。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
次优测量 
如上文方案部分所述，一旦开始记录近红外光谱（NIRS）信号，在为所有轨迹设定NIRS基线之前，必须目视检查数据轨迹中是否存在运动伪影。图6展示了氧合血红蛋白（O2Hb）和总血红蛋白（THb）轨迹中的运动伪影。
<img alt="血红蛋白浓度变化图；浓度变化量 (μM) 与时间 (s)；光学测量研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图6"> 
图6：近红外光谱信号在基线前数据采集期间运动伪影的示例。 #近红外光谱基线前阶段的开始时间。THb：总血红蛋白。O2Hb：氧合血红蛋白。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
上述方案采用 200 mmHg 的压力阻断下肢动脉血流。极少数情况下，该压力不足以完全阻断血流，从而影响充血反应。例如，在患有 3 级高血压的受试者中可能出现这种情况。除了使用其他技术（如应变容积描记法）来确认血流是否停止外，还应密切观察阻断袖带加压后近红外光谱（NIRS）信号是否出现与预期不符的变化（例如，图 7，图 B：氧合血红蛋白（O2Hb）信号上升（未能如预期因缺氧和组织耗氧而下降），总血红蛋白（THb）也上升（未因血容量相对稳定而保持基本线性）。注意到这些偏离预期的反应，可及时中止当前测量，或提高阻断压力，直至后续测量明确显示动脉已被有效阻断。
<img alt="分析β-亚麻酸浓度随时间变化的图表，Tfb组和Cg9组，实验结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66511/66511fig07v3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图7"> 
图7：总血红蛋白（THb）和氧合血红蛋白（O2Hb）变化曲线示例。 （A）动脉阻断成功；（B）动脉阻断失败。#动脉阻断开始时间。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66511/66511fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本文介绍一种利用近红外光谱技术无创评估下肢反应性充血的方法。该方案可对血管及微血管反应性进行标准化评估，可用于判断是否存在血管功能障碍，以及评估治疗干预措施的有效性。

下肢血管疾病对全球心血管疾病负担以及糖尿病等共病情况有重大影响。

我们的研究重点是了解血管功能和血流受损如何导致衰老过程中身体功能的下降以及与年龄相关的心血管疾病。我们还致力于开发新型疗法和运动干预措施，以改善心血管疾病患者群体的血管功能，提高其身体机能和生活质量。由于不同研究在测试方案上存在差异，且近红外光谱（NIRS）方法缺乏详细、可重复的操作规范，同时在NIRS反应参数的描述、呈现和分析方面缺乏统一标准，导致不同个体研究之间的结果难以进行比较。这限制了用于荟萃分析的数据整合以及临床评估建议的制定。与体积描记法相比，近红外光谱技术具有较高的时间分辨率，并能直接评估微血管的变化。与超声技术相比，近红外光谱技术无需复杂的图像分析或静脉注射对比剂。近红外光谱技术（NIRS）具有相对简便且成本较低的优势，使得用户能够快速接受培训，从而实现多中心研究并最大限度减少操作者之间的差异。我们的研究重点是通过缺血预处理和血流限制运动训练等干预手段，改善骨骼肌微血管功能。目前，我们正在评估神经肌肉电刺激作为治疗手段对促进血管功能及提高外周动脉疾病患者行走能力的效果。首先，让受试者仰卧于检查台或床上。在大腿靠近膝关节上方放置一个袖带，确保导管不与小腿接触。将腿部抬高，足部和踝部置于泡沫支撑物上，使小腿保持稳定并便于进行测量。打开快速充气泵模块。启动袖带充气气源，确认气体通过管路通畅，并将管路连接至大腿袖带。将近红外光谱（NIRS）发射与接收探头固定在测量部位皮肤表面。用黑色肌效贴覆盖探头，以阻隔环境光，保持近红外光谱（NIRS）信号的完整性。指导受试者保持放松体位，采集数据期间避免说话并保持双腿静止。通过计算机界面启动NIRS设备，并在开始测量前至少采集两分钟的数据。监测计算机屏幕，确保数据信号完整且生理数值合理。若未观察到近红外光谱（NIRS）信号的波动，请按下软件中相应的按钮以设定NIRS数据基线。至少采集一分钟的基线数据，确保记录过程中无信号波动或运动伪影。在选择袖带模式之前，使用快速充气装置将袖带压力设定为200毫米汞柱。向受试者说明袖带充气至200毫米汞柱并维持五分钟，随后完全放气过程中可能出现的感觉。准备开始袖带充气时，在记录中标记基线期的结束。将大腿袖带充气至高于收缩压的200毫米汞柱压力。在阻塞期间，监测计算机或屏幕，以确保数据的完整性。在5分钟阻塞即将结束前，提醒受试者在袖带放气后约3分钟内保持双腿静止，并避免说话。五分钟后，迅速将大腿袖带压力降至零毫米汞柱，同时在记录中标记阻塞期结束。阻塞后三分钟，或待近红外光谱（NIRS）数据恢复至基线水平后，标记恢复期结束，并停止测量。最后，导出NIRS结果，并保存数据处理与分析结果。NIRS 在反应性充血测试中能够区分健康个体与外周动脉疾病患者的微血管反应性。

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科研

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生物学

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