救命救急のためのハイブリッド近赤外拡散光学分光法を用いた微小血管酸素化および反応性充血の非侵襲的モニタリング

要約

近赤外拡散光学系に基づくマルチモーダルデバイスを使用して、非侵襲的かつ継続的に微小血管の絶対血流指数と血中酸素飽和度を測定するプロトコルについて説明します。次に、血管閉塞試験を使用して、酸素消費量と反応性充血の代謝率を評価します。

要約

微小血管酸素消費量と反応性充血の障害レベルの検出は、救命救急において不可欠です。しかし、頑健で定量的な評価のための実用的な手段はありません。この論文では、ハイブリッド近赤外拡散光学デバイスを使用してこれらの障害を評価するプロトコルについて説明します。このデバイスには、近赤外時間分解および拡散相関分光法とパルス酸素濃度計用のモジュールが含まれています。これらのモジュールは、末梢動脈酸素飽和度(SpO₂)とともに、絶対微小血管血/組織酸素飽和度(StO₂)および血流指数(BFI)の非侵襲的、連続的、リアルタイム測定を可能にします。このデバイスは、統合されたコンピューター制御の止血帯システムを使用して、腕橈骨筋からの光学データ収集で標準化されたプロトコルを実行します。標準化された血管閉塞試験(VOT)は、文献で報告されている閉塞時間と圧力の変動を処理し、自動化によりオペレーター間の差を最小限に抑えます。私たちが説明するプロトコルは、3分間の閉塞期間に焦点を当てていますが、この論文で説明されている詳細は、他の筋肉だけでなく、他の時間やカフ圧にも容易に適応させることができます。延長されたベースラインと閉塞後の回復期間の測定を含めることで、すべてのパラメータのベースライン値と、酸素消費量の代謝率に対応する血液/組織の脱酸素率を定量化することができます。カフが解放されると、BFIおよび_StO2における充血反応の組織再酸素化速度、大きさ、および持続時間を特徴付けます。これらの後者のパラメータは、内皮機能に関する情報を提供する反応性充血の定量化に対応します。さらに、酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの絶対濃度、BFI、酸素消費量の派生代謝率、_StO2、および_SpO2の上記の測定値は、疾患の重症度、個別化された治療、および管理介入を示すことができる、まだ探索されていない豊富なデータセットを提供します。

概要

重症患者、特に敗血症やその他の同様の状態の患者は、反応性充血と微小血管酸素化の障害を示すことがよくあります^1,2,3。COVID-19パンデミックの最初の波では、予期せぬ数の患者が集中治療管理を必要とし、その間にウイルスの内皮への影響が明らかになりましたが、評価および管理するための明確な戦略はありませんでした^4,5,6。その結果、反応性充血によって間接的に評価できる内皮機能障害を、集中治療室(ICU)集団などの救命救急において検出することの重要性が認識されつつあります⁷。組織への酸素供給と消費の実用的で堅牢で広く利用可能な評価は、蘇生戦略を最適化し、微小循環の問題に直接対処する上で最も重要であると予想されます。研究は一貫して、持続的な微小循環の変化と大循環と微小循環の間の一貫性の欠如が、ある程度、臓器不全と好ましくない転帰を予測することを実証しています 敗血症性ショックまたは出血性ショックの影響を受けた患者、他の重篤な状態の中でも、全身パラメータ^{が正常であると}考えられる場合でも^8,9,10.微小循環は組織の酸素化と臓器機能に重要な役割を果たすため、大循環パラメータのみに頼ることは不十分であることが明らかになりました11,12,13。本稿では、ICU患者を対象とした国際コンソーシアムで開発された近赤外拡散光学技術に基づく新しいマルチモーダルデバイスを用いたプロトコルについて述べる。プロジェクトVASCOVID(https://vascovid.eu)は、COVID-19のパンデミックをきっかけに、集中治療室の末梢筋の微小血管の健康状態を評価することが動機付けられました。私たちは、これらのパラメーターの理解を深め、これらのパラメーターがCOVID-19患者よりもはるかに広い範囲の重症患者の管理にどのように役立つかについての理解を深めることを目的とした、開発されたVASCOVIDデバイスを使用してプロトコルを設計しました。

近赤外分光法(NIRS)は、ICU患者^{14、15、16、17}を含む幅広い臨床用途で、何十年にもわたって微小循環を非侵襲的に評価するために利用されてきました。NIRSの最も単純なアプリケーション、すなわち連続波NIRS(CW-NIRS)は、広く使用され、臨床的に承認されたデバイスに実装されていることに注意することが重要です^17,18、オキシヘモグロビンの絶対濃度を測定するために使用される (HbO)およびデオキシヘモグロビン(HbR)微小血管系の血液/組織酸素飽和度(StO₂)を計算します。これらのデバイスは、心臓手術などの臨床管理でニッチな用途が見出されていますが、組織内の光子伝搬の物理学のために明確な制限があります。これは、それらの正確性、精度、および再現性が疑わしいことを意味するため、トレンドモニターとして利用されることがよくあります^19,20。さらに、それらの結果は、重なり合う脂肪層や皮膚層などの表在組織に大きく影響されます。

時間分解NIRS(TRS)は、複数の波長でピコ秒範囲の短いレーザーパルスを使用して、組織を通過した後の遅延と広がりを評価します²¹。これにより、TRSは吸収の影響を散乱から分離して、堅牢で正確かつ精密な推定値を得ることができ、総ヘモグロビン濃度(HbT)を計算することもできます。TRSは経路長も分解するので、表面的な信号を関心のある深い信号からよりよく分離するために利用することができる^18,21。これには、複雑さ、価格、かさばるという代償が伴います。しかし、近年、TRSシステムの複雑さとコストが下がったため、よりアクセスしやすく使いやすいデバイスになりました。この原稿は、コンパクトな相手先ブランド供給(OEM)の商用TRSモジュール^22、23を使用するデバイスについて説明する。

拡散相関分光法(DCS)は、組織内の赤血球が支配する光散乱粒子の動きを定量化するために、拡散スペックルの時間統計を利用する別の近赤外技術です^16,24。これは、微小血管血流の指標としてよく知られており、血流指数(BFI)²⁵と呼ばれています。ハイブリッド光学デバイスでTRSとDCSを同時に使用すると、一般的なモデルを利用して局所酸素抽出画分を導き出し、血流15,26,27を掛けることにより、酸素代謝に関する洞察が得られます。

ICUでの微小循環を評価するために、NIRSはしばしば血管閉塞試験(VOT)で利用されますが、これは、プローブされた末梢筋への血液供給を一定時間(数分)遮断することによって実行される虚血性チャレンジです28,29,30,31,32。最も一般的には、収縮期血圧³³より上で上腕に巻かれた止血帯を膨らませることによって実行される。VOT中、臨床医は、安静時の酸素代謝と反応性充血を引き出すために、血流の変化に対する微小血管血中酸素化の応答を評価します³⁴。VOT中、カフが四肢閉塞圧よりかなり高く膨らんでいると仮定され、血液の流入または流出はありません。したがって、VOTの開始は、酸素が組織によって消費されるにつれて、_StO2の下向きの傾き、すなわち脱酸素化(_DeO2)を示し、酸素消費の代謝率の推定を可能にする。VOTが終了して袖口がしぼむと、その枯渇を補うために血液が流れ込み、充血反応を引き起こします。この突進は、StO 2に急激な上向きの傾き_、すなわち再酸素化(ReO₂)を発生させる。充血反応は、最初のベースラインを超えて増加し、ベースラインへの回復が遅いため、反応性充血を推定します。NIRSとVOTの組み合わせは、その使いやすさと、敗血症^35、36、37などの重篤な状態での有害な結果や死亡率を予測する可能性から、集中治療への関心が高まっています。

COVID-19のパンデミックの間、私たちのグループは世界的なコンソーシアムを開始し、最近、COVID-19^{患者における}末梢微小循環の変化と急性呼吸窮迫症候群の重症度との関連を示す、いわゆるHEMOCOVID-19試験を完了しました6。これは他の作品によっても支持された^7,38。これらの研究はすべて、上記のCW-NIRSシステムで行われたため、欠点に悩まされていました。さらに、VOTの実行はさまざまな研究で標準化されておらず、閉塞時間、止血帯の圧力、オペレーターベースの変動などのさまざまなパラメーターの影響を受けます29,39,40。文献レビューは、VOTとNIRSが診療所で牽引力を得るためには、血流を測定し、標準化されたプロトコルを持ち、堅牢なNIRSシステムを持つことが重要であることを明確に示しています¹¹。そこで、より高度なNIRS(TRS)を活用し、血流を測定し、VOT時のカフコントロールを標準化することで、病態と健常の病態をよりよく区別できるのではないかと提案しました。そのために、TRSとDCSの2つの近赤外拡散光モジュール、パルスオキシメトリー、自動止血帯を含む複数のモジュールを統合したハイブリッド拡散光学デバイスを開発しました。パルスオキシメトリモジュールは、心拍数(HR)、灌流指数、および動脈血酸素飽和度(SpO₂)のパーセンテージを提供します。この装置には高速止血帯が使用されており、これはVOTの実行に不可欠です。この装置にはオプションのアクセサリボックスが付属しており、TRSの機器応答機能(IRF)の日常的かつ実用的な測定や、縦方向の安定性を評価するための組織模倣ファントムでの測定など、拡張および継続的な品質管理のために使用中に追加情報を取得できます。この装置は、図 1 の ICU で使用されている状態を示しています。

図1:プローブとカフを患者に取り付けたICU内のポータブルデバイスのベッドサイド配置。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

マルチモーダルスマートプローブは、TRSとDCSの両方のソースと検出器の光ファイバーを組み込み、DCSとTRSの間の干渉を防ぐ光学フィルターをデバイス内に内蔵しています。このシステムで使用される光源と検出器の分離は25mmです。さらに、プローブには静電容量式タッチセンサーが組み込まれており、レーザー安全規格(IEC 60601-2-22:2019)⁴¹に従ってレーザーの危険を防ぐための貴重な安全機能を提供します。装置内のレーザー安全システムにより、プローブが組織に接触している場合にのみレーザーが放出されます。プローブの取り外しが検出されると、レーザーはすぐにオフになり、患者とオペレーターの両方の安全が確保されます。さらに、このプローブは、加速度センサー、負荷センサー、光センサーと統合されており、機能の追加とデータ収集を目的としています。

本稿では、開発した装置を用いてVOTと同時に腕橈骨筋をプローブする自動プロトコルについて述べる。プロトコルのタイムラインを 図 2 に示します。プロトコルは完全に自動化されており、実行中にオペレーターの介入は必要ありません。この新しいデバイスの機能を活用することで、医師が末梢酸素消費の生理病理をよりよく理解し、酸素消費量と送達の比率を評価することで、患者ケアを包括的かつ効率的に改善するための貴重な洞察を得ることを目指しています。

図2:プロトコルのタイムライン患者はタイムライン全体を通して安静で、最初のベースラインと回復期間で 0 mmHg の圧力です。VOTは、患者の収縮期血圧よりも50mmHg高い圧力に膨張した止血帯で行われます。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

プロトコル

この研究は、Parc Tauli Hospital Universitariの地元の倫理委員会によって承認されました。インフォームドコンセントと署名された同意は、患者またはその近親者から得られました。プロトコルに参加するための絶対禁忌は、研究された腕の静脈血栓症の臨床的疑いまたはエコー検査による確認、研究された腕の他の血管または外傷性損傷、完全性の皮膚喪失またはプローブの配置を妨げる可能性のある病変でした。

1.デバイスのセルフテスト

1. デバイスの電源を入れます。このデバイスは、自社開発のソフトウェアから始まります。
2. 安全キーを オン の位置に回し、プローブを機器応答機能(IRF)ボックス内に完全に置き、プローブが点灯している場合は リセットボタンを押します 。
3. ポップアップダイアログボックスの [OK ]ボタンを押して、デバイスの準備が整うまで待ちます。
   注意: デバイスは、安定した動作を保証するためにセルフテストを実行します。デバイスの準備が整うと、ポップアップメッセージでユーザーに通知されます。

2.オプションのIRFおよびファントム測定

1. デバイスの準備ができたら 、[OK ]を押します。
2. IRFの測定を求められたら、[ はい ]を押します。この装置は、レーザー強度を自動的に調整して、100万の所望のカウントレートに到達します。
3. 安定したカウントレートとDTOFが観察されたら、 停止 ボタンを押します。このIRFはファイルに保存されるだけでなく、リアルタイム計算に利用するためにソフトウェアにロードされます。
4. プローブをファントムボックスに正しく挿入して、プローブ取り付けインジケーターが点灯するようにします。
5. Phantom( ファントム )ボタンを押して、ファントムプロトコルを開始します。
   注意: 品質管理テストでは、DCSおよびTRS検出器が十分な数の光子を受信していることを確認し、ダークカウントが目的の範囲内にあるかどうかも確認します。
6. 品質管理後、少なくとも30秒間記録を続け、さらにオフライン分析するために十分な量のデータを保存します。

3. ベッドサイドでの測定準備

1. 止血帯を肘より上の上腕に取り付けます 血圧測定中。袖口を腕にゆるく、またはきつく締め付けないでください。
   注意: 止血帯を緩く取り付けると、目的の圧力に達するためにより多くの空気が必要です。ゆっくりとした膨張により、体は生理機能を再調整することができます。
2. パルスオキシメータを同じ腕の人差し指に取り付けます。人差し指に装着できない場合は、他の指に装着してください。
3. 肘のすぐ下の外側前腕にある腕橈骨筋を見つけます。患者に拳を開閉してもらい、前腕に指を置いて筋肉を感じてもらいます。鎮静剤を投与されている患者の場合や、動けない場合は、片手で腕を少しひねって筋肉をなぞります。もう一方の手の親指と指の間の筋肉を感じます。
4. 図3に示すように、柔らかい巻尺を使用して、配置された筋肉の周りの腕囲を測定します。
5. 図4に示すように、デジタル体脂肪キャリパーを使用して、筋肉の上部のおおよその脂肪組織の厚さを測定します。
6. 図5に示すように、光ファイバーとケーブルを手の方に向けてプローブヘッドを筋肉に取り付けます。
   注意: プローブをしっかりと取り付けないでください。それは組織生理学に影響を与える可能性があります。ファイバーが移動する物体に触れていないことを確認すると、データにアーティファクトが作成される可能性があります。
7. プローブを黒い布で覆い、外光を遮断します。
   注意: 患者が目を覚ましている場合は、VOTがチクチクする感覚を引き起こす可能性があり、腕を動かさないように伝えてください。

図3:腕橈骨筋周辺の腕囲の測定。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:体脂肪キャリパーを用いた筋肉上部の脂肪組織の厚さ測定。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:プローブを筋肉に取り付け、繊維とケーブルを手に向かって伸ばします。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

4. データ取得

1. デバイスのフロントパネルにあるプローブに取り付けられたLEDインジケーターが点灯し、ソフトウェアのタッチアイコンが緑色で、プローブが取り付けられていることを示していることを確認します。
2. Protocol timed(プロトコルタイミング)ボタンを押します。新しいダイアログ ボックスが開くことを確認します (図 6 参照)。被験者ID、オペレーターID、および収縮期血圧より50mmHg高い目標血圧を入力します。
3. [OK]を押して、自動プロトコルを開始します。リアルタイムデータがグラフに表示されます。プロトコルは、レーザー出力を自動的に調整し、光子数とモダリティ間の干渉をチェックする品質管理から始まります。品質チェックは2分以内に完了します。TRS と DCS というラベルの付いた円形のアイコンは、データ品質チェックの最後に緑色に変わるはずです。
   注:緑色のアイコンは、フォトンカウントレートが目的の範囲内にあり、プローブに入射する外光がなく、モダリティ間にクロストークがないことを示します。したがって、測定を継続することができます。グラフは品質フェーズの最後にリセットされ、患者データを表す信号がリアルタイムでプロットされます。
4. 品質チェックの終了時にTRSおよびDCSアイコンが緑色に変わらず、赤のままになる場合は、手順2.6から続行します。患者が不安定な場合、またはプロトコル中の任意の瞬間に突然の臨床介入が必要な場合は、 停止 ボタンを押してプロトコルを中止します。
5. Extend(延長)ボタンを押して、患者が腕を動かし、安定したベースライン信号がない場合に、閉塞前の期間を30秒追加します。
   注意: オペレーターは、必要に応じて何度でも任意のフェーズで 拡張 ボタンを押すことができます。ボタンを押すたびに30秒が追加されます。
6. 止血帯が自動的に希望の圧力まで膨らんでVOTを開始することを確認します。 + または - ボタンを押して、プロトコルの開始後に患者の血圧が変化した場合、5mmHgのステップで目的の閉塞圧力を増減します。VOTの開始と停止は、自動的に黄色の縦線でマークされます。
   注意: ソフトウェアは、データを継続的に取得し、ベースラインの3分後に3分間のVOTを自動的に実行するように設定されています。事前に定義された標準プロトコルは、患者の充血反応が終了し、安定した状態が得られた後の回復を評価するために、VOTの完了後さらに6分間続きます。
7. プロトコルの完了時に、プロトコルの正常な完了を示すポップアップ通知によってオペレータに通知されたら、[ OK ]を押します。
8. プローブとカフを患者から取り外し、アルコール綿棒または同等のものを使用して清掃します。
9. 臨床情報および人口統計学的情報を(事前定義された研究プロトコルに従って)プローブ位置の腕の円周と患者データフォームの上にある脂肪組織の厚さとともに手動で書き留めます。

図6:プロトコル全体の自動実行に使用されるプロトコルパラメータのスクリーンショット。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

5. データ解析

1. 任意の言語(PythonやMATLABなど)で記述されたスクリプト/プログラムを使用して、記録されたバイナリデータを開いて視覚化します。
2. 組織の代謝を表し、次のように定義される酸素消費量の指標を計算します。
   
   ここで、Hbはヘマトクリット値であり、患者のカルテから患者データフォームに記録されます。
3. DeO₂ の速度 (VOT の開始から 1 分までの StO₂ の傾き)、DeO₂ の振幅 (ベースライン StO₂ - 最小 StO₂)、ReO₂ の速度 (VOT の完了からピーク値に達するまでの StO₂ の傾き)、StO₂ および BFI の充血ピークの振幅 (ピーク値)、および StO₂ と BFI の両方の VOT 後の反応性応答の曲線下面積 (AUC) を計算します。
   注:HbO、HbR、HbT、およびStO₂のリアルタイム絶対値の計算は、両方の波長のTRSからの飛行時間(DTOF)曲線の分布を使用したアルゴリズムのフィッティングによって実現されます。理論的な詳細は、Torricelli et al. and Contini et ^al.18,21 に見出すことができる。BFIのリアルタイム計算は、DCSの自己相関曲線を使用したフィッティングアルゴリズムによって実現されます。理論的な詳細は、ドゥルデュランとヨド¹⁶に記載されています。

結果

進行中の臨床試験では、複数の訓練を受けたユーザーが300時間以上このデバイスを使用して、ICU患者と健康な対照で測定を行い、臨床的に関連する結果を導き出し、実際の環境でシステムの in vivo 性能を特徴付けています。ここでは、ユーザーに表示される 1 つのサブジェクトからのデータのタイム トレースの例をいくつか示します。プロトコルの予備的な結果は、HbO、HbR、HbT、StO₂、SpO₂、BFIなど、リアルタイムで測定および表示されます。_MRO2、_DeO2、_ReO2、およびAUCなどの異なる導出パラメータが説明されています。

図7は、ステップ3.3のデバイスモニターで、レーザー出力の調整、光子数、モダリティ間のクロストークが自動的にテストされるデータ品質を示しています。デバイスモニターは、単一の光子計数モジュールに結合された2つのDCS検出器ファイバーとTRSデバイスの両方の波長のDTOFを備えているため、2つの強度自己相関(g2)曲線を示します。DCSに利用されるレーザーの波長は785nmですが、OEMのTRSモジュールは685nmと830nmのレーザーを照射します。上のグラフの自己相関曲線は、ラグタイムが短いほどノイズが多いように見えます。これは、この特定の例の光強度が低いことが部分的に原因である可能性があります。DCS^42,43の信号対雑音比を高めるために、光強度の増加と独立/並列検出ファイバーが推奨されています。したがって、ノイズの影響を低減し、その後、より優れたBFIを計算するために、平均2つのDCSチャネルが計画されています。

図7:データ品質チェックフェーズ中のソフトウェアのデバイス監視モードのスクリーンショット。 上のプロットは、DCSの2つのチャネルからの自己相関曲線を示しています。中央のプロットは、TRS波長のDTOFを示しています。下のプロットは、DCS と TRS の両方のフォトン数を示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図 8 に示すクリニカルモニターの初期ベースライン期間には、DCS と TRS の緑色のアイコンが表示され、品質検査が成功したことを示します。表示された信号は非常に安定しているように見えるため、この場合、手順 3.5 で説明した [Extend] 機能は必要ありません。最初のベースラインが図 9 のように表示される場合は、拡張機能を利用する必要があります。この機能により、ベースラインの取得が拡張され、3分間の安定したデータが得られ、すべてのパラメータの正確なベースライン値を計算することができます。

図8:安定したベースライン信号を示す初期ベースラインフェーズにおけるソフトウェアの臨床モニターモードのスクリーンショット。 上のプロットはTRSで測定した血行動態パラメータの絶対値、中央のプロットはTRSとパルスオキシメータで測定した酸素飽和度信号と脈拍値、下のプロットはDCSで測定したBFIを示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図9:プローブの動きによる信号のスパイクを示すスクリーンショット。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

カフ咬合部の始点と終点は、 図10に示すように黄色の縦線でマークされています。脈拍形状とSpO₂ 値は、閉塞している同じ腕の指がパルスオキシメトリーに使用されるため、この段階では臨床的/生理学的意味を持ちません。これは、パルスオキシメータからの信頼性の低いデータを表す赤いOXYアイコンで示されます。この状況を回避するために、止血帯を受けず、遮るもののない患者の患部のない手にパルスオキシメータを取り付けることができます。ただし、最初のベースラインフェーズと最終回復フェーズのパルスオキシメータを使用してプローブアームの灌流指数を取得し、VOTの効果を分析したいと考えています。そのため、止血帯と同じアームにパルスオキシメータを使用することを選択しました。

図10:VOTの開始時刻と終了時刻を示す黄色の縦線を示すソフトウェアのスクリーンショット。 SpO₂ と脈拍の値は、血流が制限されているため、重要ではありません。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図11は、ステップ3.6で示した完全なプロトコルのタイムラインを示しており、最終的な回復段階を含み、充血反応と臨床パラメータの初期ベースライン値への復帰を示しています。図11の一番上のグラフは、絶対血行動態パラメータを示しています。VOTの開始は、血液の流入と流出の両方がカフ閉塞によって遮断されるため、HbOの減少傾向とHbRの上昇傾向を示しています。この傾向は、VOTの完了時に逆転し、最初のベースライン値を超え、回復フェーズでベースライン値に戻ります。中央と下のグラフは、BFI信号がStO₂よりもわずかにノイズが多いことを示しています。これは本質的に、DCSのコントラスト対雑音比が高くなる傾向があるという事実によるものであり、BFI^42,44の大きな充血反応から明らかです。この新しいデバイスからの豊富なデータセットを使用して、BFIの振動は、敗血症患者を診断するための潜在的なバイオマーカーとして使用されています⁴⁵。

図11:プロトコルのタイムライン全体のシグナルを示す臨床モニターのスクリーンショット。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

このプロトコルでは、筋肉が利用している酸素をVOT中に隔離して監視することができます。虚血性チャレンジ中のDeO₂ の傾きは、組織がどのように酸素を消費するかを示しています。VOT中のStO₂ の初期の減少は、組織の酸素消費率を反映しています。StO₂ と BFI の充血のピークとその後の減衰傾向は、充血性および微小血管の反応性に直接関連しています。これらの明白な結果とは別に、いくつかの潜在的なバイオマーカーを使用して、ICU患者の特定のグループを分類できます。既存のバイオマーカーは、脱酸素速度、VOT中の_StO2 の最小値、再酸素化速度、充血ピーク値、および_StO2 とBFIの両方の曲線下面積です。これらのバイオマーカーは、患者集団とその疾患の重症度を特定するために利用できます。患者のサンプル・データ・セットから得られた結果を 図12に示します。「DATA QC」という用語は、患者データには関係のない初期品質チェックを意味します。そのため、製品表現には表示されません。ベースライン期間の StO₂、BFI、および MRO₂ の平均値は、VOT のフェーズおよび VOT 後の回復と比較するために計算されます。このプロトコルで得られた結果は、この例のデータとは異なる場合があります。すべてのパラメータのベースライン値は、高くても低くてもよく、_DeO2 のレートは速くても遅くてもかまいません。充血応答は、_ReO2 およびピーク値のより高いまたは低い速度を有する場合があり得るか、またはピークが存在しない場合がある。回復フェーズでは、値の正規化が速くなったり遅くなったりします。これらの変動は、特定の疾患または一連の疾患に罹患している患者の状態を表しています。

図12:オフラインでまとめた結果の要約黒の破線はベースライン期間の 3 分間の開始を示し、赤の破線は膨張イベントと収縮イベントを示します。上のグラフは、DeO₂ と ReO₂ を計算するためのマークされた領域を持つ StO₂ 信号を示しています。中央のプロットはBFIを示し、下のプロットは止血帯の圧力を示しています。ベースライン値と AUC は、それぞれのフェーズで青色で表示されます。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

私たちは、微小血管酸素化、血液灌流、および反応性充血を評価するためのハイブリッド拡散光学系を使用して、骨格筋の継続的な測定とモニタリングのための完全に自動化された堅牢な非侵襲的デバイスを実証しました。このプロトコルをVASCOVIDデバイスで使用すると、HbO、HbR、およびHbTの絶対血行動態パラメータを同時に測定できます。StO₂およびSpO₂からの酸素飽和度;DeO₂ および ReO₂;およびBFI。表示されるリアルタイムStO2とBFIは、それぞれTRSモジュールとDCSモジュールからの前の秒の生データから取得されます。現代のプロセッサは半無限の均質な媒体の標準モデルを使用するため、フィッティング手順に時間はかかりません。取得されたパラメータは、内皮機能の全体像を描くものではありません。しかし、測定された反応性充血は、敗血症性ショックやCOVID-19など、内皮障害が主要な役割を果たすいくつかの急性疾患で予後的価値を示しています。^6,28 このプロトコルには、デバイスのパラメータを記録する自動品質チェックも組み込まれており、患者のデータで原因不明の異常が後で検出された場合に、研究プロトコルに役立ちます。

上層脂肪層と腕囲の定量化は、このプロトコルで腕橈骨筋を測定している間、光子が主に注入時と検出時に上層組織を通過するため重要です。拡散光学系では、部分的な体積効果が伴うことはよく知られています。したがって、脂肪組織^46,47の変動の影響を説明するために、データを解析する際に表面的な情報を記録し、利用すべきである。 これは、ICU患者では、固定やその他の理由により水が閉じ込められて手足が腫れる浮腫を発症するのが一般的であるため、関心のあるこれらの患者集団でさらに増幅されます⁴⁸。そのような患者では、ICU滞在中の周囲の変動は、浮腫の重症度に関する情報を提供することができます。検出器に到達する光源の経路は、すべての表面層を通過する必要があります。

袖口は腕に快適に巻き付けて、ぴったりとフィットするようにする必要があります。しかしながら、カフ⁴⁹を包むという行為のみによって腕に過度の圧力をかけ得る過度の締め付けを避けることが重要である。目標は、ベースラインの血行動態パラメータを変化させる可能性のある不必要な圧迫を引き起こすことなく、安全で快適なフィット感を実現することです。アームを圧縮すると、プロトコル全体のデータ品質が損なわれ、加えられた圧力がVOTの目標圧力に効果的に追加されます。カフが腕にゆるく巻かれている場合、目標圧力に到達するためにより多くの空気が必要になるため、時間がかかります。これにより、酸素供給がゆっくりと減少するため、組織に生理機能を調整する時間を与えることができますが、これは避けるべきです⁵⁰。

スマートプローブは、組織に過度の圧力をかけることなく、適切な接触を維持する方法で取り付けることが重要です。これにより、局所虚血のリスクを回避しながら、信頼性の高い測定が可能になります。局所虚血は、その領域への血流が制限されたときに発生し、循環が損なわれ、測定値が破損する可能性があります⁵¹。

プローブの静電容量式タッチセンサーは、プローブが組織に取り付けられている場合にのみレーザーが光るようにするために、レーザー安全システムによって使用されます。患者の腕の毛髪密度が高い場合、タッチセンサーの感度が損なわれる可能性があります。プローブのセンサー側に薄い透明な二重テープを貼ることで、タッチセンサーの問題を効果的に軽減できます。プローブをこのテープと一緒に毛むくじゃらの腕に取り付けると、信頼性が高く安定したタッチ信号を提供します。このテープの事前定義されたカットは、光源と検出器を分離したスマートプローブに使用できます。この分離は、光源と検出器の窓の間に直接光チャネルが形成され、測定の品質に影響を与えるのを防ぐために不可欠です。透明二重テープの使用は、このような状況でタッチセンシングの信頼性を高めるための実用的なソリューションとして機能します。プロトコル中にタッチセンシングが失われると、レーザーがオフになり、測定が失われます。 また、プローブには負荷センサーが搭載されており、将来的にはバックアップの安全対策として利用することができます。

患者が腕を動かしたり、小さな臨床介入によってベースライン段階で取得されたシグナルの安定性が損なわれ、急激なピークが発生した場合は、拡張機能を利用することをお勧めします。この機能により、3分間安定したベースラインを取得できるため、一貫性のある信頼性の高い信号測定が保証されます。

プロトコルの開始後に患者の血圧が大幅に変化する可能性があり、VOTの収縮期血圧よりも50mmHg高い目標圧力に到達する能力に影響を与える可能性があることを考慮することが重要です。これらの血圧の変動は、患者の生理学的反応、投薬効果、または他の臨床状態など、さまざまな要因によって影響を受ける可能性があります⁵²。したがって、VOTの一貫した管理を確保するために、必要に応じて「+」または「-」ボタンを押して目標圧力を調整する必要があります。

VOTの一般的な実行には、演算子のばらつきによる制限がありますが、このプロトコルでは自動VOTを持つことで対処されます。閉塞圧を収縮期血圧レベルより50mmHg高く設定する戦略を使用しています。この方法は血流を止め、^VOT53,54を実行するための以前の研究で報告されています。このプロトコルにおけるVOTの個別化された目標圧力は、VOTの一般的な目標圧力を固定することによって発生する可能性のある血管収縮を回避するのに役立ちます。不必要に高い圧力によって引き起こされる痛みは、例えば収縮期血圧が120 mmHgで目標圧力が200 mmHgまたは250 mmHgの患者では、血管収縮を引き起こす測定に影響を与える可能性があります²⁹。ICUに入院した患者は、主に長期の不動や鎮静などの要因により、血栓症のリスクが高まることに留意する⁵⁵。これは、リスクを回避するために、このプロトコルは血栓症または血栓性静脈炎に罹患している患者には使用できないことを意味します。

このプロトコルの適用は、反応性充血障害が一般的な特徴であり、微小血管異常に寄与する可能性があるICU集団で有用である可能性があります^3,56。このプロトコルで取得されたパラメータは、測定中にオペレーターの介入なしに、病理^{学的状態を区別する}ために、敗血症、癌、脳卒中などに対して単独または小さな組み合わせで以前に文献で使用されていました1,11,15,31。したがって、これらの関連パラメータの組み合わせは、いくつかの臨床応用に有益であると考えています。このプロトコルによって記録されたデータは、血管の健康を改善するための適切な治療戦略を選択するのに役立ちます⁵⁷。閉塞および再灌流中の組織の酸素化と血流動態に関する貴重な洞察により、重要な臓器への血液供給の妥当性を評価することができます。これは、組織の低酸素状態を特定し、臓器灌流を最適化するための介入を導くのに役立ちます⁵⁸。微小血管の酸素化と反応性充血に関するリアルタイムの情報を使用することにより、血行動態管理、輸液蘇生、および昇圧剤療法を導くための追加のツールとして役立ちます^59,60。これにより、介入が個々の患者のニーズに合わせて調整され、組織の酸素化と灌流が最適化されます^61,62。さらに、人工呼吸器を装着した患者では、自発呼吸試験における微小血管の酸素化と血流の進化的変化は^{、補助なしで}呼吸する作業から生じる代謝負荷の増加に対応し、克服するための心血管耐性を評価する際に最も重要になる可能性があります2。そのため、人工呼吸器を使用しているICU患者にとって、毎日重要かつ困難な決定は、患者が自分で呼吸できると見なされ、気管内チューブが取り外されたときに終了する離乳プロセスです。このプロトコルの縦断的適用は、介入の有効性を評価し、疾患の進行を追跡し、治療戦略を導くために使用できます。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcohol swabs	No specific	N/A	For cleaning the probes and cuff after measurement
Black cloth	No specific	N/A	For blocking ambient light
Blood pressure monitor	OMRON	N/A	Hopital ICU equipment or off the shelf product
Body fat Calliper	Healifty	3257040-6108-1618385551	For measuring the fat layer
Examination gloves	No specific	N/A	To be used for interacting with patients
Kintex tape	No specific	N/A	For attaching the probe on arm
Koban wrap	No specific	N/A	For attaching the probe on arm
Measuring tape	YDM Industries	25-SB-30-150V3-19-1	For measuring the arm circumference
Scissors	No specific	N/A	for cutting tapes
VASCOVID precommercial prototype	VASCOVID consortium	N/A	Integrated at ICFO