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

요약

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.

초록

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.

서문

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.

프로토콜

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.

결과

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 ...

토론

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

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
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