Nabij-infraroodspectroscopie tijdens reactieve hyperemie voor de beoordeling van de vasculaire functie van de onderste ledematen
Summary
Hier beschrijven we een niet-invasieve benadering met behulp van nabij-infraroodspectroscopie om reactieve hyperemie in de onderste ledematen te beoordelen. Dit protocol biedt een gestandaardiseerde beoordeling van vasculaire en microvasculaire responsiviteit die kan worden gebruikt om de aanwezigheid van vasculaire disfunctie en de werkzaamheid van therapeutische interventies te bepalen.
Abstract
Vaatziekten van de onderste ledematen dragen aanzienlijk bij aan de wereldwijde last van hart- en vaatziekten en comorbiditeiten zoals diabetes. Belangrijk is dat microvasculaire disfunctie kan optreden voorafgaand aan of naast macrovasculaire pathologie, en beide mogelijk bijdragen aan de symptomen van de patiënt en de ziektelast. Hier beschrijven we een niet-invasieve benadering met behulp van nabij-infraroodspectroscopie (NIRS) tijdens reactieve hyperemie, die een gestandaardiseerde beoordeling biedt van de vasculaire (dys)functie van de onderste ledematen en een mogelijke methode om de werkzaamheid van therapeutische interventies te evalueren. In tegenstelling tot alternatieve methoden, zoals contrastversterkte echografie, vereist deze benadering geen veneuze toegang of geavanceerde beeldanalyse, en is het goedkoop en minder afhankelijk van de operator. Deze beschrijving van de NIRS-methode omvat representatieve resultaten en standaardterminologie, naast de bespreking van meetoverwegingen, beperkingen en alternatieve methoden. Toekomstige toepassing van dit werk zal de standaardisatie van vasculair onderzoeksontwerp, gegevensverzamelingsprocedures en geharmoniseerde rapportage verbeteren, waardoor translationele onderzoeksresultaten op het gebied van vasculaire (dys)functie, ziekte en behandeling van de onderste ledematen worden verbeterd.
Introduction
Hart- en vaatziekten (HVZ) zijn de belangrijkste oorzaak van wereldwijde sterfte1. Hoewel een hartinfarct en beroerte de meest voorkomende manifestaties van hart- en vaatziekten zijn, dragen vaatziekten van de onderste ledematen, zoals perifere arteriële ziekte (PAD) en diabetische voetziekte, aanzienlijk bij aan de persoonlijke, sociale en gezondheidslast van hart– en vaatziekten 2,3,4. Belangrijk is dat deze ziektetoestanden worden gekenmerkt door microvasculaire en macrovasculaire disfunctie5 die bijdragen aan symptomen (bijv. claudicatio intermitsus), functionele beperkingen, slechte mobiliteit, evenals sociaal isolement en verminderde kwaliteit van leven6. Historisch gezien zijn vasculaire beoordelingstechnieken van de bovenste ledematen gebruikt als een maat voor de systemische vasculaire functie en het bijbehorende cardiovasculaire risico; Deze methoden zijn echter mogelijk niet gevoelig voor lokale stoornissen in de vasculaire functie van de onderste ledematen 7,8. Hoewel er momenteel een reeks technieken wordt gebruikt om de vasculaire functie in de onderste ledematen te beoordelen, zoals flow-gemedieerde dilatatie (FMD) en contrastversterkte echografie, heeft elke methode nadelen en beperkingen, zoals de kosten van apparatuur, de vaardigheid van de operator of de noodzaak van invasieve veneuze toegang. Om deze redenen is er behoefte aan gestandaardiseerde en effectieve technieken om de vasculaire (dys)functie van de onderste ledematen te evalueren die gemakkelijker kunnen worden geïmplementeerd in onderzoek en klinische omgevingen.
Continuous wave nabij-infraroodspectroscopie (CW-NIRS) is een niet-invasieve, goedkope en draagbare methode die de relatieve veranderingen in hemoglobine-oxygenatie in vivo kwantificeert. Aangezien de NIRS-zuurstofrijke en zuurstofarme hemoglobinesignalen worden afgeleid van de kleine (<1 mm in diameter) bloedvaten, kunnen het lokale skeletspiermetabolisme en de microvasculaire functie worden geëvalueerd9. In het bijzonder biedt de weefselverzadigingsindex (TSI) [TSI = zuurstofrijk hemoglobine/ (zuurstofrijk hemoglobine + zuurstofarm hemoglobine) x 100] een kwantitatieve maat voor weefseloxygenatie9. Wanneer gemeten voor, tijdens en na occlusie en reactieve hyperemie, duiden de veranderingen in TSI op vasculaire responsiviteit van het ‘eindorgaan’, ten opzichte van de pre-occlusie-baseline. Belangrijk is dat deze methode gevoelig is voor veranderingen in de microvasculaire responsiviteit en perfusie van spieren die verband houden met veroudering10, ziekteprogressie11 en klinische interventies (bijv. revascularisatiechirurgie12,13 of inspanningsrevalidatie 14,15,16,17) bij personen met of met een risico op microvasculaire disfunctie.
De beschikbaarheid van NIRS-systemen heeft geleid tot een snelle toename van het aantal onderzoeken dat microvasculaire functie rapporteert18. Verschillen in testprotocollen voor reactieve hyperemie, het weglaten van gedetailleerde, herhaalbare NIRS-methoden en een gebrek aan uniformiteit in de beschrijving, presentatie en analyse van NIRS-responsparameters maken vergelijkingen tussen individuele onderzoeken echter een uitdaging. Dit beperkt het verzamelen van gegevens voor meta-analyse en het formuleren van aanbevelingen voor klinische beoordeling 9,15.
Daarom beschrijven we in dit artikel de gestandaardiseerde NIRS- en vasculaire occlusietestprotocollen van ons laboratorium voor de beoordeling van reactieve hyperemie van de onderste ledematen. Door deze methoden te verspreiden, willen we bijdragen aan een betere standaardisatie en herhaalbaarheid van gegevensverzamelingsprocedures en geharmoniseerde rapportage.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel schetst gestandaardiseerde procedures voor de beoordeling van reactieve hyperemie van de onderste ledematen met behulp van de CW-NIRS TSI om de microvasculaire functie te evalueren. Dit protocol is verfijnd door onderzoek van de duur van de manchetocclusie op basis van de responsomvang, de betrouwbaarheid van de NIRS-test-hertest tijdens reactieve hyperemie, evenals de mate van overeenstemming tussen NIRS en andere methoden van microvasculaire evaluatie, zoals contrastversterkte echografie23…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag Dr. A. Meneses erkennen, wiens eerdere werk heeft bijgedragen aan de verfijning van het hier beschreven protocol. Daarnaast willen de auteurs alle onderzoeksdeelnemers bedanken die hun tijd hebben gedoneerd om protocollen zoals deze te ontwikkelen om het klinische en wetenschappelijke begrip te bevorderen.
Materials
| Cuff Inflator Air Source | Hokanson | AG101 AIR SOURCE | |
| Elastic Cohesive Bandage | MaxoWrap | 18228-BL | For blocking out ambient light |
| OxySoft | Artinis | 3.3.341 x64 | |
| PortaLite (NIRS) | Artinis | 0302-00019-00 | |
| PortaSync MKII (Remote) | Artinis | 0702-00860-00 | For Marking milestones during measurement |
| Rapid Cuff Inflator | Hokanson | E20 RAPID CUFF INFLATOR | |
| Thigh Cuff | Hokanson | CC17 | |
| Transpore Surgical Tape | 3M | 1527-1 | For fixing probe to skin |
References
- Hasani, W. S. R., et al. The global estimate of premature cardiovascular mortality: A systematic review and meta-analysis of age-standardized mortality rate. BMC Public Health. 23 (1), 1561 (2023).
- Horvath, L., et al. Epidemiology of peripheral artery disease: Narrative review. Life (Basel). 12 (7), 1041 (2022).
- Jodheea-Jutton, A., Hindocha, S., Bhaw-Luximon, A. Health economics of diabetic foot ulcer and recent trends to accelerate treatment). Foot (Edinb). 52, 101909 (2022).
- Rodrigues, B. T., Vangaveti, V. N., Urkude, R., Biros, E., Malabu, U. H. Prevalence and risk factors of lower limb amputations in patients with diabetic foot ulcers: A systematic review and meta-analysis. Diabetes Metab Syndr-Clinin Res Rev. 16 (2), 102397 (2022).
- Jung, F., et al. Microcirculation in hypertensive patients. Biorheology. 50 (5-6), 241-255 (2013).
- Bethel, M., Annex, B. H. Peripheral arterial disease: A small and large vessel problem. AmHeart J Plus: Cardio Res Prac. 28, 133291 (2023).
- Thijssen, D. H. J., et al. Expert consensus and evidence-based recommendations for the assessment of flow-mediated dilation in humans. Eur Heart J. 40 (30), 2534-2547 (2019).
- Sanada, H., et al. Vascular function in patients with lower extremity peripheral arterial disease: A comparison of functions in upper and lower extremities. Atherosclerosis. 178 (1), 179-185 (2005).
- Barstow, T. J. Understanding near-infrared spectroscopy and its application to skeletal muscle research. J App Phys. 126 (5), 1360-1376 (2019).
- Rogers, E. M., Banks, N. F., Jenkins, N. D. M. Metabolic and microvascular function assessed using near-infrared spectroscopy with vascular occlusion in women: Age differences and reliability. Exp Physiol. 108 (1), 123-134 (2023).
- Manfredini, F., et al. A toe flexion nirs assisted test for rapid assessment of foot perfusion in peripheral arterial disease: Feasibility, validity, and diagnostic accuracy. Eur J Vasc Endovasc Surg. 54 (2), 187-194 (2017).
- Boezeman, R. P., Moll, F. L., Unlu, C., De Vries, J. P. Systematic review of clinical applications of monitoring muscle tissue oxygenation with near-infrared spectroscopy in vascular disease. Microvasc Res. 104, 11-22 (2016).
- Baltrunas, T., et al. Measurement of revascularization effect using near-infrared spectroscopy in below the knee arteries. Rev Cardiovasc Med. 23 (9), 299 (2022).
- Tuesta, M., Yanez-Sepulveda, R., Verdugo-Marchese, H., Mateluna, C., Alvear-Ordenes, I. Near-infrared spectroscopy used to assess physiological muscle adaptations in exercise clinical trials: A systematic review. Biology (Basel). 11 (7), 1073 (2022).
- Cornelis, N., et al. The use of near-infrared spectroscopy to evaluate the effect of exercise on peripheral muscle oxygenation in patients with lower extremity artery disease: A systematic review. Eur J Vasc Endovasc Surg. 61 (5), 837-847 (2021).
- Whyte, E., Thomas, S., Marzolini, S. Muscle oxygenation of the paretic and nonparetic legs during and after exercise in chronic stroke: Implications for mobility. PM R. 15 (10), 1239-1248 (2023).
- Soares, R. N., George, M. A., Proctor, D. N., Murias, J. M. Differences in vascular function between trained and untrained limbs assessed by near-infrared spectroscopy. Eur J Appl Physiol. 118 (10), 2241-2248 (2018).
- Joseph, S., et al. Near infrared spectroscopy in peripheral artery disease and the diabetic foot: A systematic review. Diabetes Metab Res Rev. 38 (7), 3571 (2022).
- Willingham, T. B., Southern, W. M., Mccully, K. K. Measuring reactive hyperemia in the lower limb using near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 21 (9), 091302 (2016).
- Jones, S., Chiesa, S. T., Chaturvedi, N., Hughes, A. D. Recent developments in near-infrared spectroscopy (nirs) for the assessment of local skeletal muscle microvascular function and capacity to utilise oxygen. Artery Res. 16, 25-33 (2016).
- Soares, R. N., et al. Effects of a rehabilitation program on microvascular function of CHD patients assessed by near-infrared spectroscopy. Physiol Rep. 7 (11), e14145 (2019).
- Baltrunas, T., et al. The use of near-infrared spectroscopy in the diagnosis of peripheral artery disease: A systematic review. Vascular. 30 (4), 715-727 (2022).
- Young, G. M., et al. Influence of cuff-occlusion duration on contrast-enhanced ultrasound assessments of calf muscle microvascular blood flow responsiveness in older adults. Exp Physiol. 105 (12), 2238-2245 (2020).
- Young, G. M., et al. The association between contrast-enhanced ultrasound and near-infrared spectroscopy-derived measures of calf muscle microvascular responsiveness in older adults. Heart Lung Circ. 30 (11), 1726-1733 (2021).
- Rosenberry, R., Nelson, M. D. Reactive hyperemia: A review of methods, mechanisms, and considerations. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 318 (3), R605-R618 (2020).
- 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. Microvasc Res. 122, 117-124 (2019).
- Celermajer, D. S., et al. Non-invasive detection of endothelial dysfunction in children and adults at risk of atherosclerosis. Lancet. 340 (8828), 1111-1115 (1992).
- Thijssen, D. H. J., et al. Assessment of flow-mediated dilation in humans: A methodological and physiological guideline. Am J Physiol-Heart Circ Physiol. 300 (1), H2-H12 (2011).
- Inaba, Y., Chen, J. A., Bergmann, S. R. Prediction of future cardiovascular outcomes by flow-mediated vasodilatation of brachial artery: A meta-analysis. Int J Cardiovasc Imaging. 26 (6), 631-640 (2010).
- Soares, R. N., De Oliveira, G. V., Alvares, T. S., Murias, J. M. The effects of the analysis strategy on the correlation between the NIRS reperfusion measures and the FMD response. Microvasc Res. 127, 103922 (2020).
- Tucker, W. J., et al. Studies into the determinants of skeletal muscle oxygen consumption: Novel insight from near-infrared diffuse correlation spectroscopy. J Physiol-London. 597 (11), 2887-2901 (2019).
- Tucker, W. J., et al. Near-infrared diffuse correlation spectroscopy tracks changes in oxygen delivery and utilization during exercise with and without isolated arterial compression. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 318 (1), R81-R88 (2020).
- Wassenaar, E. B., Van Den Brand, J. G. Reliability of near-infrared spectroscopy in people with dark skin pigmentation. J Clinic Monit Comput. 19 (3), 195-199 (2005).
- Soares, R. N., Murias, J. M. Near-infrared spectroscopy assessment of microvasculature detects difference in lower limb vascular responsiveness in obese compared to lean individuals. Microvasc Res. 118, 31-35 (2018).
- Boezeman, R. P., et al. Monitoring of foot oxygenation with near-infrared spectroscopy in patients with critical limb ischemia undergoing percutaneous transluminal angioplasty: A pilot study. Eur J Vasc Endovasc Surg. 52 (5), 650-656 (2016).
- Lin, B. S., et al. Using wireless near-infrared spectroscopy to predict wound prognosis in diabetic foot ulcers. Adv Skin Wound Care. 33 (1), 1-12 (2020).
- Weingarten, M. S., et al. Diffuse near-infrared spectroscopy prediction of healing in diabetic foot ulcers: A human study and cost analysis. Wound Repair. 20 (2), A44-A44 (2012).
- Murrow, J. R., et al. Near-infrared spectroscopy-guided exercise training for claudication in peripheral arterial disease. Eur J Prev Cardiol. 26 (5), 471-480 (2018).
