Near-Infrared Spectroscopy during Reactive Hyperemia for the assessment of lower limb vasscular function(하지 혈관 기능 평가를 위한 반응성 충혈 중 근적외선 분광법)

Summary

여기에서는 근적외선 분광법을 사용하여 하지의 반응성 충혈을 평가하는 비침습적 접근 방식을 설명합니다. 이 프로토콜은 혈관 기능 장애의 존재와 치료 중재의 효능을 결정하는 데 사용할 수 있는 혈관 및 미세혈관 반응성에 대한 표준화된 평가를 제공합니다.

Abstract

하지의 혈관 질환은 심혈관 질환 및 당뇨병과 같은 동반 질환의 전 세계적인 부담에 실질적으로 기여합니다. 중요한 것은 미세혈관 기능 장애가 대혈관 병리학 이전 또는 병행과 함께 발생할 수 있으며, 둘 다 잠재적으로 환자의 증상과 질병 부담에 기여할 수 있다는 것입니다. 여기에서는 반응성 충혈 중 근적외선 분광법(NIRS)을 사용하는 비침습적 접근법을 설명하며, 이를 통해 하지 혈관(dys) 기능에 대한 표준화된 평가와 치료 중재의 효능을 평가할 수 있는 잠재적인 방법을 제공합니다. 조영제 강화 초음파와 같은 대체 방법과 달리 이 방법은 정맥 접근이나 정교한 이미지 분석이 필요하지 않으며 저렴하고 작업자에 덜 의존합니다. NIRS 방법에 대한 이 설명에는 측정 고려 사항, 제한 사항 및 대체 방법에 대한 논의와 함께 대표 결과 및 표준 용어가 포함되어 있습니다. 향후 이 연구의 적용은 혈관 연구 설계, 데이터 수집 절차 및 조화로운 보고의 표준화를 개선하여 하지 혈관(장애) 기능, 질병 및 치료 분야에서 중개 연구 결과를 향상시킬 것입니다.

Introduction

심혈관 질환(CVD)은 전 세계 사망률의 주요 원인입니다¹. 심근경색과 뇌졸중이 CVD의 가장 흔한 증상이지만, 말초동맥질환(PAD) 및 당뇨병성 족부질환과 같은 하지의 혈관 질환은 CVD의 개인적, 사회적, 의료적 부담에 실질적으로 기여합니다 ^2,3,4. 중요한 것은 이러한 질환 상태가 미세혈관 및 대^{혈관 기능 장애}5로 특징지어지며, 이는 증상(예: 간헐적 파행), 기능 장애, 이동성 저하, 사회적 고립^{및 삶의 질} 저하에 기여한다는 것이다6. 역사적으로 상지 혈관 평가 기법은 전신 혈관 기능 및 관련 심혈관 위험의 척도로 사용되어 왔습니다. 그러나 이러한 방법은 하지 혈관 기능의 국소적 손상에 민감하지 않을 수 있다 ^7,8. 현재 FMD(flow-mediated dilatation) 및 조영제 강화 초음파와 같이 하지의 혈관 기능을 평가하는 데 사용되는 다양한 기술이 있지만 각 방법에는 장비 비용, 작업자 기술 또는 침습적 정맥 접근의 필요성과 같은 단점과 한계가 있습니다. 이러한 이유로 연구 및 임상 환경에서 보다 쉽게 구현할 수 있는 하지 혈관(dys) 기능을 평가하기 위한 표준화되고 효과적인 기술이 필요합니다.

연속파 근적외선 분광법(CW-NIRS)은 생체 내 헤모글로빈 산소화의 상대적 변화를 정량화하는 비침습적이고 저렴하며 휴대가 간편한 방법입니다. NIRS 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈 신호는 작은(직경 <1mm) 혈관에서 유도되므로 국소 골격근 대사 및 미세혈관 기능을 평가할 수 있습니다⁹. 구체적으로, 조직 포화도 지수(TSI)[TSI = 산소화 헤모글로빈/ (산소화 헤모글로빈 + 탈산소 헤모글로빈) x 100]은 조직^산소화의 정량적 척도를 제공한다9. 교합 및 반응성 충혈 전, 중, 후에 측정할 때 TSI의 변화는 교합 전 기준선에 비해 '말단' 혈관 반응성을 나타냅니다. 중요한 것은, 이 방법은 노화¹⁰, 질병 진행¹¹ 및 미세혈관 기능 장애가 있거나 그럴 위험이 있는 개인의 임상적 중재(예: 혈관재생술^12,13 또는 운동 재활14,15,16,17)와 관련된 근육 미세혈관 반응성 및 관류의 변화에 민감하다는 것이다.

NIRS 시스템의 가용성으로 인해 미세혈관 기능을 보고하는 연구 건수가 급격히 증가하고^{있다 18}. 그러나 반응성 충혈 검사 프로토콜의 차이, 상세하고 반복 가능한 NIRS 방법의 누락, NIRS 반응 매개변수의 설명, 제시 및 분석의 통일성 부족으로 인해 개별 임상시험 간의 비교가 어렵습니다. 이는 메타 분석을 위한 데이터 대조 및 임상 평가 권고안 ^9,15의 공식화를 제한한다.

따라서 이 기사에서는 하지 반응성 충혈 평가를 위한 실험실의 표준화된 NIRS 및 혈관 폐색 검사 프로토콜에 대해 설명합니다. 이러한 방법을 보급함으로써 데이터 수집 절차의 표준화 및 반복성 향상과 조화로운 보고에 기여하는 것을 목표로 합니다.

Protocol

여기에 설명된 모든 방법은 선샤인 코스트 대학(University of the Sunshine Coast)의 인간 연구 윤리 위원회(Human Research Ethics Committee)의 승인을 받았습니다. 또한 모든 참가자는 이 프로토콜에 설명된 측정에 참여하기 위해 정보에 입각한 서면 동의를 제공했습니다. 하지의 혈관 폐색 검사는 이전에 대퇴 동맥 또는 오금 동맥의 혈관 이식 또는 스텐트 삽입을 포함하는 혈관 재건술 시술을 받은 개인에게는 금기 사항입니다. 장비를 준비한 후 참가자는 10분 동안 누운 자세로 휴식을 취하도록 지시받습니다. 이 시점에서 NIRS 데이터 수집이 시작되며 초기 2분 주기로 NIRS 신호의 안정성을 달성할 수 있습니다. 그런 다음 기준선 데이터를 1분 동안 수집하며, 이 시점에서 허벅지에 위치한 커프를 즉시 팽창시켜 동맥 폐색을 달성합니다. 커프가 빠르게 수축되기 전에 5분 동안 교합이 유지됩니다. 데이터 수집은 신호가 기준선으로 회복될 때까지 반응성 충혈 기간 동안 계속됩니다. 그림 1 은 반응성 충혈 프로토콜의 개요를 보여주며 자세한 단계는 아래에 나와 있습니다. 연구에 사용된 장비는 재료 목차에 나열되어 있습니다.

그림 1: NIRS 반응성 충혈 측정 프로토콜 및 타이밍을 간략하게 설명한 개략도. NIRS: 근적외선 분광법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1. 장비 준비

참고: 다양한 NIRS, 커프 팽창/교합 및 데이터 수집 시스템을 사용하여 아래에 설명된 대표 결과를 얻을 수 있습니다. 조사관은 자신의 특정 사용자 매뉴얼을 참조하고 고유한 소프트웨어, 보정, 주변 조명 및 참가자/코호트별 고려 사항을 인식하는 것이 중요합니다.

1. 모든 측정은 조용하고 온도가 조절되는 방(21-23°C)에서 수행되어야 합니다.
2. 모든 장비와 재료( 재료 표 참조)를 사용할 수 있는지 확인합니다.
3. CW-NIRS 장치 및 장치가 전송하는 컴퓨터가 완전히 충전되어 있고 전원이 켜져 있는지 확인합니다.
4. NIRS 장치가 Bluetooth를 통해 NIRS 데이터를 표시하는 컴퓨터와 페어링되어 있고 NIRS 단위의 측정 매개변수가 실험 장소 및 연구 설계에 따라 정의되어 있는지 확인합니다(예: 근적외선의 DPF(Differential Pathlength Factor) 정의).
   참고: 대부분의 NIRS 프로토콜 단계 및 시스템 설정은 제조업체의 권장 사항, 연구자의 경험 및 전문가/합의된 의견의 조합을 기반으로 합니다. 측정 중에 생성되는 값은 사용되는 특정 장치 및 프로브와 장치 소프트웨어에서 선택한 설정에 따라 달라집니다. 또한 수집된 신호에서 높은 수준의 개인 간 변동성이 발생할 가능성도 있습니다. 또한, 연구 간 비교를 개선하기 위해 NIRS 기기 세부 정보(예: 프로브 설계, 소스 검출기 분리 거리 및 사용된 파장 포함), 시스템 설정, 근육 기하학적 구조와 관련된 프로브 위치/방향 및 이러한 측정 결과를 게시할 때 분석 매개변수/데이터 처리를 보고하는 것이 중요합니다.
5. NIRS 장치 소프트웨어 세부 사항에 따라 참가자의 데이터를 입력합니다.
6. 래피드 커프 인플레이터를 공기 및 전원에 연결합니다.

2. 참가자 준비

1. 참가자가 참가자 정보 진술서와 동의서를 읽고 시작하기 전에 측정 참여에 동의했는지 확인하십시오.
2. 참가자가 신발과 양말을 벗고 관련 인체 측정 측정을 위해 움직이지 않는 동안 측정 중에 무엇을 기대할 수 있는지 설명합니다.
3. 계획된 NIRS 측정 부위(예: 최대 종아리 둘레 지점의 내측)에서 피부주름 측정(삼회)을 수행합니다.
   참고: 이를 통해 NIRS 신호 침투 깊이와 관련하여 피부 및 지방 조직의 깊이(일반적으로 지방 조직 두께 - ATT라고 함)를 확인할 수 있습니다. 또는 초음파를 사용하여 지방 조직 두께를 결정할 수 있습니다. NIRS 신호/측정의 깊이는 수신기-송신기 거리(⁹)의 약 절반이라는 점을 항상 명심하십시오.
4. 신호 품질을 최대화하려면 NIRS 송신기/수신기 프로브의 계획된 위치에 빛을 흡수할 수 있는 머리카락이 있는지 확인하고 필요한 경우 면도로 머리카락을 제거합니다.
   참고: 예를 들어 피부가 손상된 경우ample, 봉와직염으로 인해 또는 부종이 있는 경우, 이러한 문제는 잠재적으로 감소될 수 있는 신호 품질, 측정이 수행되는 신호 침투 깊이/조직, 참가자의 상처 무균성과 관련이 있으므로 측정의 적절성을 고려하십시오.
5. 산소화 반응이 서로 다른 근육 간 또는 동일한 근육 영역 내에서도 큰 이질성을 나타낼 수 있으므로 관련 해부학적 랜드마크(예: 내측 과두의 우수한 표면)와 관련하여 계획된 NIRS 프로브 배치의 위치를 측정 및/또는 표시하여 참가자 간 및 참가자 내(연구 설계 및 프로브 설계/모양에 따라 다름) 내에서 NIRS 프로브를 정확하게 배치할 수 있습니다.
6. 참가자에게 검사 받침대나 침대에서 누운 자세로 누워 있도록 요청합니다. 그런 다음 참가자는 10분 동안 휴식을 취합니다.
7. 무릎 근위부에 있는 허벅지 주위에 커프를 놓고 튜브가 종아리나 NIRS 장치와 접촉하지 않도록 합니다(그림 2).
8. 폼 지지대에 발과 발목을 놓고 다리(~10cm)를 들어 올려 아래쪽 다리를 안정적이고 측정에 접근할 수 있도록 합니다(그림 3).
   참고: 테스트를 여러 경우에 걸쳐 양쪽 다리에서 수행해야 하는 경우 테스트 순서는 무작위로 지정되며(초기 테스트 전) 각 참가자에 대한 후속 평가를 위해 테스트 순서가 유지됩니다.
9. 빠른 커프 팽창기 모듈을 켭니다.
   알림: 급속 커프 인플레이터의 모드 및 압력 설정이 제조업체의 지침 및 혈관 폐색 프로토콜 사양과 일치하는지 확인하십시오.
10. 커프 인플레이터 공기 공급원을 켜고 공기가 호스를 통해 이동할 수 있는지 확인한 다음 호스를 허벅지 커프에 연결합니다.
11. 커프 인플레이터의 호스가 여전히 종아리에 닿지 않았는지 확인하십시오.
12. NIRS 송신기/수신기 프로브를 측정 부위(일반적으로 비복근의 내측 측면, 그러나 연구 및 참가자 세부 사항에 따라 발의 등쪽 및 경골 전방과 같은 다른 부위도 사용됨) 위에 있는 피부에 단단히 고정합니다.
    참고: 일부 NIRS 시스템에서는 여러 부위를 동시에 측정할 수 있습니다.
13. 프로브를 검은색 운동학 테이프 또는 이와 유사한 것으로 덮고 주변광이 NIRS 신호 품질/값에 영향을 미치지 않도록 가장자리를 조심스럽게 밀봉합니다(그림 3).
    알림: 프로브와 접착 커버를 고정할 때 프로브의 움직임을 제거하되 피부/지방 조직/근육을 압박하지 마십시오.

그림 2: 허벅지의 교합 커프 배치의 예. (A) 위에서. (B) 측면에서. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 근적외선 분광기 프로브 위치의 예. (A) 내측 비복근에서 면도한 피부에 부착된 프로브. (B) 접근을 허용하고 안정성을 보장하기 위해 발목을 폼 지지대에 두는 동안 프로브를 배치합니다. (C) 주변광 차폐가 제자리에 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 기준 데이터 수집

1. 참가자에게 데이터 수집 기간 동안 긴장을 풀고, 말을 삼가고, 다리를 움직이지 않도록 요청합니다.
2. 컴퓨터 인터페이스를 통해 NIRS 장치 기록을 시작합니다.
   참고: 오프라인 데이터 수집이 활성화되고 선호되는 경우 NIRS 장치를 직접 시작하십시오.
3. 측정을 시작하기 전에 최소 2분의 데이터를 수집할 수 있도록 하십시오. 이를 통해 데이터 수집 전에 정상 상태 신호를 얻을 수 있습니다.
4. 컴퓨터 화면을 모니터링하여 데이터 신호 무결성과 생리학적으로 타당한 값을 확인합니다. 예를 들어, 데이터 수집(DAQ) 값은 신호 품질 및 NIRS 디바이스에서 감지된 주변광의 양에 관한 정보를 제공합니다. 측정 전반에 걸쳐 허용 가능한 범위로 유지해야 합니다.
5. 2분 후에도 NIRS 신호의 변동이 나타나지 않으면(예: 움직임 아티팩트로 인해) 컴퓨터/장치/동기화 장치의 해당 버튼을 눌러 NIRS 데이터 기준선을 설정합니다. 이 기준선은 측정의 비교 시작점을 반영합니다. 산소화된 헤모글로빈과 탈산소화된 헤모글로빈의 변화는 이 기준선을 기준으로 해석됩니다.
   참고: 데이터를 수집하는 동안 특정 이정표, 즉 기준선의 시작 및 끝, 커프 폐색의 시작 및 종료 등의 소프트웨어 기반 이벤트 마커를 삽입하여 데이터 분석을 지원합니다.
6. 최소 1분의 기준선 데이터를 수집하여 이 시간 동안 변동이나 움직임 아티팩트가 발생하지 않도록 합니다.
   참고: 기준선 데이터의 변동은 충혈 예비력과 같은 일부 잠재적 변수의 해석에 영향을 미칩니다(대표 결과 섹션 참조).

4. 혈관 폐색

1. 커프 모드(또는 대체 시스템의 관련 설정)로 전환하기 전에 급속 커프 팽창기에서 커프 압력을 200mmHg로 설정하십시오.
   참고: 일부 저자는 허벅지²⁵⁰에서 ^9,19mmHg로 팽창을 권장하지만, 우리의 경험에 따르면 일부 참가자는 이를 잘 용납하지 않아 측정을 중단하게 됩니다. 200mmHg로의 팽창은 대부분의 참가자 그룹에서 동맥 유입을 차단하기에 충분하며 견딜 수 있고 피부에 멍을 초래하지 않습니다. 200mmHg에서 효과적인 교합을 달성하기 위해 우리 그룹은 NIRS와 동시에 스트레인 게이지 혈류측정법을 정기적으로 사용하여 커프 팽창 기간 동안 다운스트림 혈류가 없는지 확인합니다.
2. 5분 동안 커프를 200mmHg로 팽창시킨 후 전체 커프 수축을 수행하는 과정에서 예상되는 것(불편함, 따끔거림 등)에 대해 참가자에게 조언합니다. 참가자에게 데이터 수집 기간 동안 긴장을 풀고, 말을 삼가고, 다리를 움직이지 않도록 다시 한 번 상기시킵니다.
   참고: 우리의 경험에 따르면 폐색 기간의 처음 30-60초는 참가자에게 가장 불편합니다. 참가자가 다리에 긴장을 풀면 교합이 더 견딜 수 있다고 생각하는 경향이 있습니다.
3. 커프 팽창을 시작할 준비가 되면 NIRS 소프트웨어에서 기준선 기간의 끝을 표시합니다.
4. 허벅지 커프를 200mmHg의 수축기 상압으로 팽창시키거나 200mmHg가 효과가 없는 드문 경우 220mmHg로 팽창시킵니다.
5. 컴퓨터 또는 화면을 모니터링하여 폐색 기간 동안 데이터 무결성을 확인합니다.
6. 커프 폐색 5분의 종료가 다가옴에 따라 참가자에게 다리를 가능한 한 움직이지 않도록 상기시키고 커프 수축 후 약 3분 동안 말을 자제하도록 상기시켜 준비시킵니다(반응성 충혈에 대한 혈관 반응 데이터가 수집되는 동안).
   알림: 혈액 순환이 회복됨에 따라 참가자가 불편함을 완화/완화하기 위해 팔다리를 움직이고 싶을 수 있으므로 참가자에게 가만히 있으라는 이 알림이 중요합니다.

5. 반응성 충혈

1. 교합 5분이 지나면 허벅지 커프를 빠르게 완전히 수축시킵니다(0mmHg까지). 동시에 NIRS 소프트웨어에서 폐색 기간의 끝을 표시합니다. 혈류 재개 및 관련 요인으로 인한 반응성 충혈 반응은 NIRS 소프트웨어 디스플레이에서 볼 수 있습니다(그림 4).
2. 폐색 후 최소 3분 후 또는 NIRS 데이터가 기준선으로 돌아온 후 NIRS 소프트웨어에서 복구 기간 종료를 표시하고 측정을 중지합니다.
   참고: 회복 기간은 부분적으로 조사 중인 연구 또는 임상 질문, 따라서 분석을 위해 선택한 특정 NIRS 매개변수와 더 긴 회복 기간이 필요할 수 있는 수반되는 조치(예: FMD)의 가능성에 따라 달라집니다.
3. 데이터 처리 및 분석을 위해 NIRS 결과의 데이터 저장 및 내보내기를 시작합니다.

6. 후속 절차

1. 참가자로부터 NIRS 장치와 커프를 제거합니다.
2. 필요한 경우 제조업체의 지침 및 관련 위생 표준에 따라 NIRS 장치(및 교합 커프)를 청소하십시오.
3. NIRS 장치를 검사하여 향후 측정을 위해 송신기/수신기 무결성 및 배터리 성능을 확인합니다.

Results

Near-infrared spectroscopy(근적외선 분광법)
연속파 근적외선 분광 장치는 발광원 및 광검출기를 통해 국소_O2 전달 및 활용을 반영하는 산소화(_O2Hb) 및 탈산소화(HHb) 헤모글로빈의 상대적 변화를 측정하고 특정 거리를 설정합니다. ~ 700nm에서 850nm 사이의 빛의 파장이 방출되며 이는 O₂Hb 및 HHb의 피크 흡수성에 해당합니다. 근적외선이 골격근을 관통하면 빛의 산란과 흡수는 파장에 따라 달라집니다. 골격근은 이질적인 조직이므로 산란 및 흡수 계수와 빛이 통과하는 주어진 경로 길이를 정량화할 수 없습니다. 따라서 CW-NIRS 기술은 DPF(Differential Pathlength Factor)를 포함하는 수정된 Lambert-Beer 법칙을 사용하여_O2Hb및 HHb의 상대 농도를 계산할 수 있습니다. O2Hb및 HHb 외에도 CW-NIRS 도출 측정에는 총 헤모글로빈(THb =_O2Hb+ HHb), 혈액량/총 신호 강도 및 조직 포화도 지수(TSI =_O2Hb/THb*100)의 마커가 포함됩니다. TSI는 SRS(Spatially Resolved Spectroscopy) 기술에 의해 생성되며, 여기서 광자는 소스로부터 여러 간격으로 측정되어 정밀도⁹를 개선하고 조직 산소화의 정량적 측정을 제공합니다. 또한 다중 소스 검출기 거리로 인해 SRS는 NIRS 신호에 대한 피부/지방 조직과 같은 더 표재성 조직의 기여도를 줄이면서 더 깊은 조직의 기여도를 향상시킵니다. 또한 문헌에서 TSI는 국소 산소 포화도(rSO₂), 조직 산소 포화도 지수(TOI) 또는 근육 조직 산소 포화도(StO₂)라고도 합니다. 따라서 앞으로는 명명법을 표준화하고 혼동을 줄이기 위해 단일 용어를 채택하는 것이 좋습니다.

또한 연구 중에 수집된 모든 NIRS 추적을 분석하고 보고하는 것이 권장된다⁹. 또한 CW 분광계는 빛의 실제 경로 길이를 알 수 없기 때문에 조사된 조직에서 발색단의 절대 농도를 제공하지 않는다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 대신 이러한 장치는 미리 결정된 기준선을 기준으로 변경 사항을 제공합니다. 따라서 Cornelis et ^al.15에서 언급한 바와 같이 NIRS 신호는 관심 시점에서의 변화로 분석하는 것이 권장됩니다. 또한 응답의 진폭과 기울기를 보고 및 해석의 초점으로 삼는 것이 권장되는데, 이러한 변수는 지방 조직 두께 또는 신호 대 잡음비와 같은 교란 문제에 덜 민감하기 때문입니다.

폐색 및 반응성 충혈 중 NIRS 신호
이 기사에서는 주로 폐색 및 반응성 충혈 중 TSI 신호 반응을 설명하는 데 중점을 둘 것인데, 이 SRS 측정은 원시 O₂Hb 및 HHb 신호와 비교할 때 피부 신호 기여도 및 측정 오류의 변화에 덜 취약하기 때문입니다.

교합 및 반응성 충혈 중에 평가된 NIRS TSI 변수의 선택이 그림 4에 나와 있습니다. 기준선 TSI는 일반적으로 1분 동안 혈관 폐색(커프 팽창)이 시작되기 전의 평균 TSI를 나타냅니다. 교합 중 불포화 속도는 Slope 1로 표시됩니다. 동맥 폐색으로 인해 경사 1로 표시된 TSI의 감소는 산소 이용률/휴식 근육 대사율에 기인할 수 있습니다. TSI_MIN은 오클루전 중에 얻은 가장 낮은 TSI 값입니다. TSI_IMAG(기준선 TSI와 TSI_MIN의 차이)는 폐색에 의해 유발된 허혈의 크기(및 혈관 확장 및 폐색 후 충혈에 대한 자극)를 나타냅니다. 기울기 2는 커프 이완 후 재관류 속도를 나타내며 반응성 충혈/미세혈관 반응성 반응을 나타냅니다. 또는 재관류 기울기는 하프타임으로 설명할 수 있습니다. TSI_MAX는 커프 해제 후 얻은 가장 높은 TSI 값입니다. 재관류 크기는 TSI_MAX와 TSI_MIN의 차이로 계산되고 TSI MAX까지의 시간은 TSI_MIN에서 TSI MAX까지의 시간 차이로 계산됩니다. TSI AUC(Reactive Hyperemia Area Under the Curve)는 커프 릴리스 후 1분 동안 기준선으로의 복귀로부터 계산됩니다_. 2분 또는 3분 마지막으로, 기준선 위의 TSI의 변화를 나타내는 초에믹 예비력은 TSI_MAX와 기준선 TSI의 차이로 계산할 수 있으며, 백분율 9,10,12,20으로 표시됩니다.

그림 4: 반응성 충혈 중 관심 TSI 변수를 사용한 NIRS 혈관 폐색 검사 중 조직 포화 지수(TSI) 신호. 기준선 TSI는 커프 팽창이 시작되기 전의 평균 TSI를 나타냅니다. 기울기 1은 폐색 중 채도 감소율을 나타냅니다. TSI_MIN은 오클루전 중에 얻은 가장 낮은 TSI 값입니다. TSI_IMAG(기준선 TSI와 TSI_MIN의 차이)는 폐색에 의해 유발된 허혈의 크기를 나타냅니다. 기울기 2는 커프 해제 후 재관류 속도를 나타냅니다. TSI_MAX는 커프 해제 후 얻은 가장 높은 TSI 값입니다. 재관류 크기는 TSI_MAX와 TSI_MIN의 차이로 계산되고 TSI_MAX까지의 시간은 TSI_MIN에서 TSI_MAX까지의 시간 차이로 계산됩니다_. TSI AUC(Reactive Hyperemia Area Under the Curve)는 커프 릴리스 후 1분, 2분 또는 3분 동안 기준선으로의 복귀로부터 계산됩니다. 기준선 위의 TSI의 변화를 나타내는 초혈 예비력은 TSI_MAX와 기준선 TSI의 차이로 백분율로 표시하여 계산할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

TSI 변수 외에도, 혈액량에 변화가 없는 경우,_O2의 소실률이라는 가정에 기초하여 이러한 매개변수의 폐색에 대한 반응의 초기 선형 부분(Slope 1) 동안 HHb 및_O2Hb의 변화 기울기를 계산함으로써 동맥근개 폐색 중 조직 산소 흡수량(mVO2)을 추정할 수도 있습니다.Hb(및/또는 HHb의 출현 속도)는 심문 중인 근육의 산소 활용 속도와 동일합니다.

NIRS를 활용하여 임상 집단의 미세혈관 반응성 평가
중요한 것은 반응성 충혈 검사 중 NIRS 측정이 겉보기에 건강한 참가자의 미세혈관 반응을 다양한 정도의 기능 장애가 있는 참가자와 구별할 수 있다는 것입니다. 겉보기에 건강한 개인과 PAD가 있는 개인 간의 반응성 차이는 그림 5에서 볼 수 있습니다. 구체적으로, 건강한 대조군에 비해 PAD가 있는 대표 참가자에서 더 느린 재관류 속도, 더 긴 회복 시간, 더 작은 최대 충혈 반응 및 TSI_MAX 및 TSI_AUC 까지의 시간과 같은 변수의 차이가 관찰되었습니다²⁰. 주목할 점은, 본 논문에서 설명한 것과 같은 NIRS 변수는 특정 치료 또는 신체 활동 자극에 대한 (미세)혈관 반응을 평가하거나 건강한¹⁷ 및 CVD 집단²¹에서 일상적인 운동 훈련의 결과를 결정하기 위해 표준화된 임상 운동 및 폐색 검사 중에도 사용된다는 점이다. NIRS 측정 매개변수에 대한 최근 요약과 반응성 충혈 및 운동 중 하지 말초 혈관 질환에서 NIRS를 활용한 연구 결과는 Joseph et ^al.18의 체계적 문헌고찰을 참조하십시오.

마지막으로, 그림 4 및 그림 5에 표시된 것과 같은 NIRS 측정치를 통합한 연구를 설계할 때, 겉보기에 건강한 임상적 인구집단에서 절대값의 큰 개인간 변동성이 나타났기 때문에 예를 들어 NIRS 데이터를 기반으로 PAD 진단을 위한 절대값을 정의하는 것이 어렵다는 점을 인식해야 한다²².

그림 5: 반응성 충혈 검사 중 조직 포화 지수(TSI) 신호. 조직 포화 지수(TSI) 반응성 충혈 검사 중 겉보기에 건강한 남성 참가자와 말초 동맥 질환이 있는 남성 참가자(발목 상완 지수 = 0.5)의 혈관 반응성을 구별하는 NIRS의 능력을 입증하는 신호. *NIRS 기준선 시작; ^#동맥 폐색의 시작; ^동맥 폐색의 끝. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

최적이 아닌 측정
위의 프로토콜 섹션에서 설명한 대로 NIRS 신호가 기록되면 모든 추적에 대한 NIRS 기준선을 설정하기 전에 데이터 추적에서 이동 아티팩트를 육안으로 검사하는 것이 중요합니다. 그림 6 은 O₂Hb 및 THb 트레이스의 움직임 아티팩트를 보여줍니다.

그림 6: 기준선 이전 데이터 수집 기간 동안 NIRS 신호의 움직임 아티팩트의 예. ^#NIRS 사전 기준선 기간의 시작. THb : 총 헤모글로빈. O₂Hb : 산소화 헤모글로빈. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

위에서 설명한 프로토콜은 하지의 동맥 흐름을 차단하기 위해 200mmHg의 압력을 사용합니다. 아주 가끔씩, 이 압력은 혈류를 차단하기에 충분하지 않아 충혈 반응을 손상시킵니다. 예를 들어, 이것은 3등급 고혈압이 있는 참가자에서 발생할 수 있습니다. 혈류 중단을 확인하기 위해 스트레인 게이지 혈량측정법과 같은 다른 기술을 사용하는 것 외에도, 커프 폐색 후 예측된 NIRS 반응( 예: 그림 7, 패널 B: O₂Hb 신호 상승(예상대로 저산소증 및 조직 산소 이용으로 인해 감소하지 않음) 및 THb도 상승(안정적인 혈액량으로 인해 상대적으로 선형으로 유지되지 않음)과 같은 차이를 관찰하는 것이 중요합니다. 예상 반응에서 이러한 편차를 기록하면 조기 개입이 현재 측정을 중단할 수 있고 후속 측정에서 동맥이 폐색되었다는 것이 분명해질 때까지 교합 압력을 높일 수 있습니다.

그림 7: 총 헤모글로빈(THb) 및 산소화 헤모글로빈(O₂Hb) 흔적의 예. (A) 성공적인 동맥 폐색 및 (B) 실패한 동맥 폐색. ^#동맥 폐색의 시작. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

이 기사에서는 CW-NIRS TSI를 사용하여 미세혈관 기능을 평가하기 위해 하지 반응성 충혈을 평가하기 위한 표준화된 절차를 간략하게 설명합니다. 이 프로토콜은 반응 크기에 대한 커프 폐색 기간, 반응성 충혈 중 NIRS 검사-재검사 신뢰성, NIRS와 조영제 강화 초음파와 같은 다른 미세혈관 평가 방법 간의 일치 수준 간의 일치 수준을 조사함으로써 개선되었습니다^23,24. 더 긴 커프-교합 지속 시간은 그림 8 및 그림 9에서 볼 수 있듯이 더 낮은 TSI_MIN²³에 해당하며, 이는 더 큰 허혈성 자극을 반영합니다. 1분 및 3분 커프-교합 기간과 비교했을 때, 5분 커프-교합 후 더 큰 크기의 반응이 나타났으며, 이는 더 큰 저산소 자극에 대한 혈관 확장 반응이 증가했음을 나타냅니다. 이는 특정 정도의 허혈성 자극을 표적으로 할 때 중요한 고려사항인데, 예를 들어, TSI_MIN의 차이는 고정 폐색 시간프레임⁽²⁵)을 사용할 때 연령의 함수로 밝혀졌다. 또한, NIRS 유래 폐색 후 반응성 충혈 측정의 테스트-재테스트 신뢰성은 5분 커프 폐색 지속 시간^24,26을 사용하여 확립되었습니다.

그림 8: 커프 폐색 및 반응성 충혈 동안 노인의 내측 비복근에서 조직 포화 지수 추적에 대한 교합 지속 시간의 효과(n = 13). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9: 교합 지속 시간이 노인(n = 13)의 최소 조직 포화 지수(TSI_MIN±SD를 의미)에 미치는 영향. 허벅지 커프 폐색 1분, 3분, 5분 후 내측 비복근의 TSI_MIN . *1분과 상당한 차이가 있습니다. ^#3분과 큰 차이가 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

고려 사항/문제 해결
CW-NIRS 시스템은 비교적 사용하기 쉽지만 CW-NIRS 프로브가 주변광 오염에 취약하다는 사실을 포함하여 몇 가지 실질적인 문제를 고려해야 합니다. 따라서 NIRS 신호의 무결성을 반영하는 데이터 지표를 측정 중에 모니터링하고 생리학적으로 정확한 값을 얻을 수 있도록 적절한 피부 접촉 및 차폐를 유지하는 것이 중요합니다. 또한 데이터 수집이 Bluetooth 연결에 의존하는 경우 연결 실패를 방지하기 위해 Bluetooth에 대한 제조업체의 지침을 준수하는지 확인하는 것이 중요합니다.

반응성 충혈 방법과 관련하여, 드물기는 하지만 참가자는 허혈 유발 커프의 급격한 팽창이 참을 수 없는 국소적 불편함을 유발한다고 보고할 수 있습니다. 이러한 개인의 경우 커프를 100mmHg로 팽창시킨 후 5초에 걸쳐 점차적으로 200mmHg로 팽창하는 것이 더 잘 견디는 것이 우리 그룹의 경험입니다. 그러나 이러한 변경에도 불구하고 불편함이 지속되면 조치가 중단됩니다.

방법론적으로, Rosenberry와 Nelson²⁵에 의해 강조된 바와 같이, CW-NIRS 반응을 통해 반응성 충혈을 해석할 때, '반응성' 충혈과 '반응성' 충혈을 구별하는 것이 중요할 수 있다. 커프 폐색 후 ≤30초 후에 측정한 측정은 재관류의 반응성 단계(허혈성 자극 및 그에 따른 미세혈관 확장으로 인한 혈류 반응)에 대한 통찰력을 제공합니다. 이 초기 단계를 넘어서면, 충혈과 그에 따른 전단 응력은 혈관 확장과 사지 혈류 향상(반응성 충혈)에 기여합니다. 기계론적 관점에서 NIRS는 골격근 대사의 측정을 제공하기 때문에 미토콘드리아 기능 장애와 같은 손상된 골격근 산화 능력이 측정 매개변수의 시간 경과에 영향을 미칠 수 있다는 점을 고려해야 할 수 있습니다. 마지막으로, 앞서 언급한 바와 같이, 연구자들은 데이터 수집을 종료할 시기를 결정할 때뿐만 아니라 참가자 간의 데이터를 해석하고 비교할 때, 또한 일정 기간의 커프 폐색에서 달성된 허혈성 모욕의 정도와 그에 따른 생리학적으로 매개 충혈의 길이/규모를 고려해야 할 수도 있다²⁵.

관심 NIRS 변수는 일반적으로 미세혈관(dys) 기능을 반영하기 위해 허용됩니다. 그러나 이러한 결과를 해석할 때 미세혈관 반응이 대혈관/도관 동맥 혈류 및 기능에 어느 정도 의존한다는 점을 인정하는 것이 중요합니다. 또한, 미세혈관 기능 장애는 대혈관^구조(macrovasculature 5)의 병리학적 변화 이전에 또는 함께 발생할 수 있으며, 미세혈관 기능 장애는 다양한 심장 대사 질환과 관련이 있다²⁰. 따라서 이러한 미세혈관 및 대혈관 병리학은 일과성 허혈과 그에 따른 충혈 반응이 심혈관 질환 위험 증가를 나타낼 수 있는 이유에 기여할 수 있다 27,28,29. 거시혈관 기능과 미세혈관 기능 간의 관계를 더 잘 이해하려면 NIRS를 도관 동맥의 내피 의존성 전단 응력 매개 확장의 척도인 FMD^10,30과 같은 대혈관 기능 측정과 결합하는 것이 유용할 수 있습니다. 또한, 미세혈관 평가에 사용되는 NIRS의 상대적 최신성을 인정하고 도관 동맥 기능과 관련하여 이러한 측정의 임상적 관련성을 해석할 때 NIRS 파생 변수에 기여하는 근본적인 생리학적 메커니즘을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 혈관 폐색 검사를 이용한 NIRS는 잘 정립된 FMD 기법에 비해 최근에 검증된 방법^(31,32)이다. 두 측정 모두 기준선과 5분 후 커프 교합 후의 비교를 포함합니다. 그러나 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다. FMD의 경우 커프에 근접하여 측정합니다. 따라서 측정 부위는 허혈성이 되지 않는 반면, NIRS는 허혈성 스트레스를 받는 부위에서 커프 원위에서 측정됩니다. 허혈 단계와 충혈 단계 모두의 동적 반응은 대사 활동과 관류 용량(미세혈관 기능)에 대한 정보를 제공하기 때문에 참가자 내부 및 참가자 간의 비교가 가능하도록 프로토콜을 표준화하는 것이 필수적입니다. 이 점을 염두에 두고, 연구자들은 NIRS 데이터에 채택된 분석 전략(예: Slope 2를 결정하는 데 사용되는 시간 창)이 NIRS와 FMD³⁰ 사이의 관계에 영향을 미칠 수 있음을 인식해야 합니다. 마지막으로, 보행 거리와 같은 기능적 변수의 개선과 함께 도관 동맥(대혈관) 기능 측정과 함께 NIRS 변수를 해석할 때, 운동 반응의 '내재된' 중복성의 뚜렷한 가능성이 있다는 사실을 고려해야 합니다. 구체적으로, 기저에 있는 미세혈관 및 대혈관 메커니즘 모두 기능적 매개변수의 개선에 잠재적으로 기여할 수 있지만, 각각의 상대적 기여도를 측정하기 어려울 수 있다¹⁵.

제한
이 프로토콜의 제한 사항은 이전에 대퇴 동맥 또는 오금 동맥의 혈관 이식 또는 스텐트 삽입을 포함하는 혈관 재건술 시술을 받은 개인에게 하지의 혈관 폐색 검사가 금기라는 것입니다. 이는 특정 참가자 집단에서 혈관 폐색 검사를 수행할지 여부를 결정할 때 관련 혈관 영상과 자세한 병력에 접근하는 것의 중요성을 강조합니다. 앞서 언급했듯이 참가자가 5분 동안의 커프 팽창 및/또는 동맥 폐색과 관련된 불편함을 견디지 못할 수 있음을 인식하고 이 경우 측정을 중단할 수 있음을 모든 참가자에게 분명히 하는 것도 중요합니다. 우리의 경험에 따르면 참가자의 약 10%가 측정 중 눈에 띄는 불편함을 보고하지만 이러한 불편함으로 인해 측정을 조기에 종료해야 할 필요성은 소수의 참가자(1%-2%)에서만 발생했습니다.

NIRS 기술의 한계는 신호가 피부 색소 침착(멜라닌)의 정도에 의해 영향을 받는다는 것입니다. 현재, 피부의 멜라닌 함량으로 인한 NIRS 신호의 감소를 교정하기 위해 일반적으로 이용 가능한 기술이 없기 때문에, 어두운 피부 톤을 가진 개인에서 이 기술의 적용을 제한하고 있다 ^9,33. 또한 NIRS 신호/측정의 깊이는 수신기-송신기(소스-검출기) 거리의 약 절반입니다. 그러므로, 심문 부위에 대한 과도한 비만도는 NIRS 신호에 대한 기저 근육 조직의 상대적 기여도를 감소시킵니다. 따라서 빛 투과 깊이가 근육 혈류/신진대사 상호작용에 특정한 정보를 제공하기 위해 기저 근육을 충분히 조사하도록 하는 것이 중요하다⁹. 이것은 비복근이 측정 표준 부위인 이유 중 하나인데, 피하 지방 조직은 이 위치에서 거의 1cm를 초과하지 않기 때문이다⁽²⁰). 대안적으로, 경골 전방(tibialis anterior)은 활용될 수 있는 또 다른 잠재적 부위이다(³⁴).

서로 다르게 작동하는 여러 유형의 NIRS 장치(주파수 영역, 시간 영역, 연속파)가 있습니다. 재관류 기울기와 같은 매개변수의 차이는 장치를 비교할 때 보고되었습니다. 따라서, 상이한 유형의 NIRS 장치(²⁵)로부터의 결과를 비교하거나 조합할 때 주의가 권고된다.

CW-NIRS는 성공적인 혈관재생술을 확인하기 위해 외과적 중재 중에 사용될 가능성이 있습니다. 그러나 실시간 NIRS 신호의 변동과 혈관 내 중재술 중 큰 수준의 개인 간 변동성은 NIRS 곡선만을 기반으로 성공적인 미세혈관 재관류를 실시간으로 확인하는 데 방해가 됩니다. 따라서, 데이터의 후처리에 의존해야 하는 현재의 관련 필요성은 미래의 실험 프로토콜³⁵을 계획하는 연구자에게 고려사항이 되어야 한다.

대체 방법
하지 혈관 기능, 관류 및/또는 반응성 충혈을 측정하는 데 일반적으로 사용되는 다른 방법으로는 정맥 폐색 혈량측정, 도플러 초음파 및 조영제 강화 초음파가 있습니다. 그러나 NIRS는 이러한 각 방법에 비해 뚜렷한 장점이 있습니다. 정맥 폐색 혈류측정법은 부피 변화를 통해 사지 혈류를 측정하는 간단하고 재현 가능한 방법이지만, 혈류를 간접적으로 측정하는 방법이며 팽창-수축 기법은 매우 낮은 시간 해상도로 이어집니다. 이에 반해 NIRS는 시간적 분해능이 높아 미세혈관/조직 산소 대사의 변화를 직접 평가합니다. 혈관 지름 및 도플러 속도 신호를 통한 혈류의 초음파 측정은 우수한 시간적 및 공간적 해상도를 제공합니다. 그러나 결과를 정량화하기 위한 여러 가지 분석 접근 방식이 있으며, 이 방법은 작업자에 따라 크게 의존하므로 광범위한 기술과 교육에 의존합니다. 초음파는 또한 측정 전반에 걸쳐 미세한 움직임 아티팩트에도 민감합니다(²⁵). 이에 비해 NIRS는 상대적으로 사용하기 쉽고 모션 아티팩트에 민감하지 않습니다. 실시간 조영제 강화 초음파는 반응성 충혈 중 골격근 미세혈관 반응성을 정량화합니다. 그러나 이 기술은 의학적 감독이 필요한 정맥 주사의 필요성으로 인해 제한됩니다. 또한 조영제 강화 초음파는 정교한 이미지 분석, 광범위한 기술 및 교육뿐만 아니라 값비싼 초음파 장비 및 조영제가 필요합니다. 초기 증거에 의하면 골격근 미세혈관 혈류 반응성을 포함한 폐색 후 반응성 충혈에 대한 조영제 강화 초음파 유래 측정치가 5분 커프 폐색 후 NIRS 유도 측정과 상관관계가 있음을 나타낸다²⁴. 마지막으로, NIRS의 상대적 용이성과 경제성으로 인해 여러 사용자를 신속하게 교육하고 배포할 수 있으므로 NIRS를 대규모 다기관 조사에 사용하면서 작업자 간 변동성을 최소화할 수 있습니다.

향후의 방향과 적용
NIRS 기술의 유망한 응용 분야에는 특히 말초 신경병증 및 당뇨병 합병증에 의해 가려진 증상이 있는 환자에서 사지 위험 계층화 개선을 위한 PAD의 지역 산소화 역학 평가와 치료 효과 또는 임상적 악화 평가가 포함됩니다 15,18,22. 최신 시스템에는 데이터를 동시에 수집하는 여러 개의 상대적으로 작고 가벼운 CW-NIRS 프로브가 포함되어 있어 반응성 충혈 또는 운동 테스트 중에 사이트⁹ 간의 미세혈관 반응의 이질성을 평가할 수 있습니다. 근적외선 분광법 측정은 또한 표준 치유 기준과 비교할 때 당뇨병성 족부 질환/궤양과 같은 하지 상태의 상처 치유 예측에 대한 가능성을 보여주었으며, 이는 비효율적인 의료 요법을 조기에 중단함으로써 환자 치료를 개선하고 비용을 절감하는 데 영향을 미칩니다^36,37. 또한, 도관 동맥 재관류 중재술 후 중증 사지 허혈 환자에서 미세혈관 관류 성공 여부를 확인하는 데 도움이 되는 NIRS 기술의 증거가 증가하고 있습니다^13,35. 마지막으로, NIRS는 임상 운동 요법 중에 미세혈관 불포화/허혈성 자극을 표적으로 삼을 수 있도록 하며, 중재 후 NIRS는 또한 하지 혈관 기능의 변화를 평가할 수 있게 하여 기능적 능력과 보행 능력의 변화에 대한 기계론적 통찰력을 제공합니다^15,38.

결론적으로, 이 프로토콜의 보급을 통해 개별 임상시험과 이질적인 연구 그룹 간의 균일한 분석 및 데이터 풀링이 개선될 것으로 기대됩니다. 이러한 보다 일관된 접근 방식은 하지 혈관 기능 장애에 대한 이해를 높이고 말초 혈관 질환이 있는 개인의 건강과 웰빙을 개선하기 위한 중개 연구 결과를 개선할 수 있습니다.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
커프 인플레이터 에어 소스	Hokanson	AG101 AIR SOURCE
Elastic Cohesive Bandage	MaxoWrap	18228-BL	주변광 차단용
OxySoft	Artinis	3.3.341 x64
PortaLite(NIRS)	Artinis	0302-00019-00
PortaSync MKII(원격)	Artinis	0702-00860-00	측정 중 이정표 표시용
Rapid Cuff Inflator	호칸슨	E20 RAPID CUFF INFLATOR
허벅지 커프	Hokanson	CC17
Transpore 수술 테이프	3M	1527-1	프로브를 피부에 고정하기 위해