Pacjenci w stanie krytycznym, szczególnie ci z sepsą i innymi podobnymi schorzeniami, często wykazują upośledzoną hiperemię reaktywną oraz utlenowanie mikro naczyniowe1,2,3. Podczas pierwszych fal pandemii COVID-19 nieprzewidziana liczba pacjentów wymagała opieki intensywnej, podczas której wpływ wirusa na śródbłonek stał się oczywisty, lecz brakowało jasnej strategii jego oceny i leczenia4,5,6. W rezultacie w opiece krytycznej, tj. w populacjach oddziałów intensywnej terapii (OIT), wzrosło uznanie dla znaczenia wykrywania dysfunkcji śródbłonka, którą można pośrednio ocenić za pomocą hiperemii reaktywnej7. Oczekuje się, że praktyczna, solidna i powszechnie dostępna ocena dostarczania i zużycia tlenu przez tkanki będzie miała kluczowe znaczenie w optymalizacji strategii reanimacyjnych i bezpośrednim rozwiązywaniu problemów mikrokrążenia. Badania konsekwentnie wykazywały, że trwałe zmiany mikrokrążenia i brak spójności między makrokrążeniem a mikrokrążeniem w pewnym stopniu pozwalają przewidzieć niewydolność narządową i niekorzystne wyniki u pacjentów dotkniętych wstrząsem septycznym lub wstrząsem krwotocznym, wśród innych stanów krytycznych, nawet gdy parametry systemowe uznaje się za prawidłowe8,9,10. Stało się oczywiste, że poleganie wyłącznie na parametrach makrokrążenia jest niewystarczające, ponieważ mikrokrążenie odgrywa krytyczną rolę w utlenowaniu tkanek i funkcjonowaniu narządów11,12,13. Niniejsza praca opisuje protokół wykorzystujący nowe urządzenie multimodalne oparte na technologiach bliskiej podczerwieni i optyki dyfuzyjnej, opracowane w ramach międzynarodowego konsorcjum koncentrującego się na pacjentach OIT. Projekt VASCOVID (https://vascovid.eu), zainspirowany pandemią COVID-19, miał na celu ocenę stanu mikro naczyniowego w mięśniach obwodowych w warunkach intensywnej terapii. Opracowaliśmy protokół z wykorzystaniem urządzenia VASCOVID, który ma na celu pogłębienie naszej wiedzy na temat tych parametrów oraz sposobu, w jaki mogą one być przydatne w prowadzeniu pacjentów w stanie krytycznym w znacznie szerszym zakresie niż tylko w przypadku pacjentów z COVID-19.
Spektroskopia bliskiej podczerwieni (NIRS) jest od dziesięcioleci wykorzystywana do nieinwazyjnej oceny mikrokrążenia w szerokim zakresie zastosowań klinicznych, w tym u pacjentów na oddziałach intensywnej terapii14,15,16,17. Należy zauważyć, że najprostsza aplikacja NIRS, czyli NIRS z falą ciągłą (CW-NIRS), jest zaimplementowana w powszechnie stosowanych i zatwierdzonych klinicznie urządzeniach17,18, służących do pomiaru bezwzględnych stężeń oksy- (HbO) i deoksyhemoglobiny (HbR) w celu obliczenia saturacji tlenowej krwi/tkanki (StO2) w mikrokrążeniu. Chociaż urządzenia te znalazły niszowe zastosowania w opiece klinicznej, na przykład podczas operacji kardiochirurgicznych, posiadają one wyraźne ograniczenia wynikające z fizyki propagacji fotonów w tkankach. Oznacza to, że ich dokładność, precyzja i powtarzalność są dyskusyjne, dlatego często są one wykorzystywane jako monitory trendów19,20. Co więcej, ich wyniki są w dużym stopniu zależne od tkanek powierzchownych, takich jak nadkładające warstwy tkanki tłuszczowej i skóry.
Spektroskopia bliskiej podczerwieni w dziedzinie czasu (TRS) wykorzystuje krótkie impulsy laserowe w zakresie pikosekund o wielu długościach fali, aby ocenić ich opóźnienie i poszerzenie po przejściu przez tkankę21. Pozwala to metodzie TRS oddzielić efekty absorpcji od rozpraszania w celu uzyskania wiarygodnych, dokładnych i precyzyjnych szacunków, a także obliczyć całkowite stężenie hemoglobiny (HbT). Ponieważ TRS pozwala również na określenie długości drogi optycznej, może być wykorzystywana do lepszego oddzielenia sygnałów powierzchniowych od interesujących badacza sygnałów głębokich18,21. Odbywa się to jednak kosztem zwiększonej złożoności, ceny i gabarytów. Niemniej jednak w ostatnich latach systemy TRS stały się mniej złożone i tańsze, co zaowocowało powstaniem urządzeń bardziej dostępnych i łatwiejszych w obsłudze. Niniejszy artykuł opisuje urządzenie wykorzystujące kompaktowy komercyjny moduł TRS od oryginalnego producenta sprzętu (OEM)22,23.
Dyfuzyjna spektroskopia korelacyjna (DCS) to kolejna technologia bliskiej podczerwieni, która wykorzystuje statystykę czasową dyfuzyjnych plamek (speckles) do ilościowego określenia ruchu cząstek rozpraszających światło, którymi w tkankach są głównie erytrocyty16,24. Jest to powszechnie znany wskaźnik mikrokrążenia krwi, który określamy mianem indeksu przepływu krwi (BFI)25. Jednoczesne zastosowanie TRS i DCS w hybrydowym urządzeniu optycznym pozwala na uzyskanie informacji o metabolizmie tlenu poprzez wykorzystanie wspólnych modeli do wyznaczenia lokalnej frakcji ekstrakcji tlenu i pomnożenie jej przez przepływ krwi15,26,27.
W celu oceny mikrokrążenia na oddziale intensywnej terapii często wykorzystuje się NIRS wraz z testem okluzji naczyniowej (VOT), który jest wyzwaniem niedokrwiennym polegającym na zablokowaniu dopływu krwi do badanego mięśnia obwodowego przez określony czas (kilka minut)28,29,30,31,32. Najczęściej wykonuje się go poprzez napompowanie opaski uciskowej zawiązanej wokół ramienia powyżej ciśnienia skurczowego33. Podczas VOT klinicyści oceniają odpowiedź utlenowania krwi mikro naczyniowej na zmiany przepływu krwi, aby wyznaczyć metabolizm tlenu w spoczynku oraz hiperemię reaktywną34. Przyjmuje się, że podczas VOT, przy mankiecie napompowanym znacznie powyżej ciśnienia okluzji kończyny, nie występuje dopływ ani odpływ krwi. W związku z tym początek VOT objawia się spadkiem StO2, czyli deoksygenacją (DeO2), ponieważ tlen jest zużywany przez tkankę, co pozwala na oszacowanie metabolicznej szybkości zużycia tlenu. Po zakończeniu VOT i spuszczeniu powietrza z mankietu, krew gwałtownie napływa, aby zrekompensować jej niedobór, co prowadzi do odpowiedzi hiperemicznej. Ten gwałtowny napływ powoduje szybki wzrost StO2, czyli reoksygenację (ReO2). Odpowiedź hiperemiczna, która objawia się wzrostem powyżej początkowej wartości bazowej z powolnym powrotem do tej wartości, pozwala oszacować hiperemię reaktywną. Połączenie NIRS z VOT budzi coraz większe zainteresowanie w intensywnej terapii ze względu na łatwość zastosowania oraz potencjał w przewidywaniu niekorzystnych wyników, a nawet śmiertelności w stanach krytycznych, takich jak sepsa35,36,37.
Podczas pandemii COVID-19 nasze grupy zainicjowały światowe konsorcjum i niedawno zakończyły tzw. badanie HEMOCOVID-19, wykazując związek między zmianami w obwodowym mikrokrążeniu a ciężkością zespołu ostrej niewydolności oddechowej u pacjentów z COVID-196. Zostało to potwierdzone również w innych pracach7,38. Wszystkie te badania zostały przeprowadzone z użyciem wspomnianych wcześniej systemów CW-NIRS, a zatem obarczone były ich wadami. Ponadto wykonanie VOT nie było zestandaryzowane w różnych badaniach i zależy od wielu parametrów, takich jak czas okluzji, ciśnienie opaski uciskowej oraz różnice wynikające z pracy operatora29,39,40. Przegląd literatury wyraźnie wskazuje, że aby VOT i NIRS zyskały uznanie w praktyce klinicznej, ważne jest mierzenie przepływu krwi, posiadanie zestandaryzowanych protokołów oraz niezawodnego systemu NIRS11. W związku z tym zaproponowaliśmy, że wykorzystując bardziej zaawansowaną formę NIRS (TRS), mierząc przepływ krwi i standaryzując kontrolę mankietu podczas VOT, można osiągnąć lepsze rozróżnienie stanów patologicznych od zdrowych. W tym celu opracowaliśmy to hybrydowe urządzenie do optyki rozproszonej, które integruje wiele modułów, w tym dwa moduły optyki rozproszonej w bliskiej podczerwieni: TRS i DCS, pulsoksymetrię oraz zautomatyzowaną opaskę uciskową. Moduł pulsoksymetryczny dostarcza informacji o częstotliwości akcji serca (HR), indeksie perfuzji oraz procencie wysycenia krwi tętniczej tlenem (SpO2). W urządzeniu zastosowano szybką opaskę uciskową, która jest kluczowa dla przeprowadzenia VOT. Urządzenie posiada opcjonalne pudełko z akcesoriami, które umożliwia pozyskiwanie dodatkowych informacji podczas użytkowania w celu rozszerzonej i ciągłej kontroli jakości, takich jak rutynowy i praktyczny pomiar funkcji odpowiedzi instrumentu (IRF) dla TRS oraz pomiar na fantomie imitującym tkankę w celu oceny stabilności podłużnej. Urządzenie podczas użytkowania na OIOM przedstawiono na Ryc. 1.

Rysunek 1: Rozmieszczenie przenośnego urządzenia przy łóżku pacjenta na oddziale intensywnej terapii z przymocowanymi do pacjenta sondami i mankietem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Multimodalna inteligentna sonda zawiera światłowody źródłowe i detekcyjne dla obu technik TRS i DCS, a filtry optyczne wewnątrz urządzenia zapobiegają interferencji między DCS a TRS. Odległość między źródłem a detektorem zastosowana w tym systemie wynosi 25 mm. Ponadto sonda jest wyposażona w pojemnościowy czujnik dotyku, który stanowi istotny element bezpieczeństwa zapobiegający zagrożeniom laserowym zgodnie z normą bezpieczeństwa laserowego (IEC 60601-2-22:2019)41. System bezpieczeństwa laserowego w urządzeniu gwarantuje, że emisja lasera następuje tylko wtedy, gdy sonda styka się z tkanką. W przypadku wykrycia odłączenia sondy lasery są natychmiast wyłączane, co zapewnia bezpieczeństwo zarówno pacjentów, jak i operatorów. Ponadto sonda jest zintegrowana z akcelerometrem, czujnikiem obciążenia oraz czujnikiem światła w celu zapewnienia dodatkowej funkcjonalności i zbierania danych.
Niniejszy artykuł opisuje zautomatyzowany protokół, w którym badamy mięsień ramienno-promieniowy jednocześnie z VOT przy użyciu opracowanego urządzenia. Harmonogram protokołu przedstawiono na Rysunku 2. Protokół jest w pełni zautomatyzowany i nie wymaga interwencji operatora podczas jego realizacji. Wykorzystując możliwości tego nowatorskiego urządzenia, dążymy do uzyskania cennych informacji, które pozwolą lekarzom lepiej zrozumieć fizjopatologię obwodowego zużycia tlenu, a także ocenić stosunek zużycia do dostawy tlenu, pomagając im w tym으로써 w sposób kompleksowy i efektywny poprawić opiekę nad pacjentem.

Rysunek 2: Harmonogram protokołu. Pacjent pozostaje w spoczynku przez cały czas trwania procedury, przy ciśnieniu 0 mmHg w początkowej fazie bazowej i w okresie regeneracji. VOT jest przeprowadzany przy użyciu stazy napompowanej do ciśnienia o 50 mmHg wyższego niż skurczowe ciśnienie krwi pacjenta. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.