Ближняя инфракрасная спектроскопия при реактивной гиперемии для оценки сосудистой функции нижних конечностей

Резюме

В данной статье мы описываем неинвазивный подход с использованием ближней инфракрасной спектроскопии для оценки реактивной гиперемии в нижней конечности. Этот протокол обеспечивает стандартизированную оценку сосудистой и микрососудистой реакции, которая может быть использована для определения наличия сосудистой дисфункции, а также эффективности терапевтических вмешательств.

Аннотация

Сосудистые заболевания нижних конечностей вносят существенный вклад в глобальное бремя сердечно-сосудистых заболеваний и сопутствующих заболеваний, таких как диабет. Важно отметить, что микрососудистая дисфункция может возникать до или параллельно с макрососудистой патологией, и оба они потенциально способствуют появлению симптомов у пациента и бремени заболевания. В данной статье мы описываем неинвазивный подход с использованием ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS) во время реактивной гиперемии, который обеспечивает стандартизированную оценку функции сосудов нижних конечностей (дис) и потенциальный метод оценки эффективности терапевтических вмешательств. В отличие от альтернативных методов, таких как ультразвук с контрастным усилением, этот подход не требует венозного доступа или сложного анализа изображений, а также является недорогим и менее зависимым от оператора. Данное описание метода NIRS включает в себя репрезентативные результаты и стандартную терминологию, а также обсуждение соображений измерения, ограничений и альтернативных методов. Будущее применение этой работы улучшит стандартизацию дизайна сосудистых исследований, процедур сбора данных и гармонизированной отчетности, тем самым улучшая результаты трансляционных исследований в области функции сосудов нижних конечностей, заболеваний и лечения.

Введение

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основным фактором глобальной смертности¹. В то время как инфаркт миокарда и инсульт являются наиболее распространенными проявлениями ССЗ, сосудистые заболевания нижних конечностей, такие как заболевание периферических артерий (ЗПА) и диабетическая болезнь стопы, вносят существенный вклад в личное, социальное и медицинское бремя ССЗ ^2,3,4. Важно отметить, что эти болезненные состояния характеризуются микрососудистой и макрососудистой дисфункцией5, которая способствует появлению симптомов (например, перемежающейся хромоты), функциональным нарушениям, плохой подвижности, а также социальной изоляции и снижению качества жизни⁶. Исторически сложилось так, что методы оценки сосудов верхних конечностей использовались в качестве меры системной функции сосудов и связанного с ней сердечно-сосудистого риска; Однако эти методы потенциально нечувствительны к локальным нарушениям функции сосудов нижних конечностей ^7,8. Несмотря на то, что в настоящее время существует ряд методов, используемых для оценки сосудистой функции нижних конечностей, таких как проточная дилатация (FMD) и ультразвуковое исследование с контрастным усилением, каждый метод имеет недостатки и ограничения, такие как стоимость оборудования, квалификация оператора или необходимость инвазивного венозного доступа. По этим причинам существует потребность в стандартизированных и эффективных методах оценки сосудистой функции нижних конечностей (дис)функции, которые могут быть более легко внедрены в исследовательских и клинических условиях.

Непрерывная волновая ближняя инфракрасная спектроскопия (CW-NIRS) является неинвазивным, недорогим и портативным методом, который количественно оценивает относительные изменения оксигенации гемоглобина in vivo. Поскольку сигналы оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина NIRS поступают из мелких сосудов (<1 мм в диаметре), можно оценить местный метаболизм скелетных мышц и функцию микрососудов⁹. В частности, индекс насыщения тканей (TSI) [TSI = оксигенированный гемоглобин/ (оксигенированный гемоглобин + дезоксигенированный гемоглобин) x 100] обеспечивает количественную меру оксигенации тканей⁹. При измерении до, во время и после окклюзии и реактивной гиперемии изменения TSI указывают на сосудистую реакцию «конечного органа» по сравнению с исходным уровнем до окклюзии. Важно отметить, что этот метод чувствителен к изменениям в мышечной микрососудистой реакции и перфузии, связанным со старением¹⁰, прогрессированием заболевания¹¹ и клиническими вмешательствами (например, реваскуляризационная хирургия^12,13 или реабилитация физическими упражнениями 14,15,16,17) у лиц с микрососудистой дисфункцией или риском ее возникновения.

Доступность систем NIRS привела к быстрому росту числа исследований, сообщающих о микрососудистой функции¹⁸. Тем не менее, различия в протоколах тестирования на реактивную гиперемию, отсутствие подробных, воспроизводимых методов NIRS, а также отсутствие единообразия в описании, представлении и анализе параметров ответа NIRS затрудняют сравнение отдельных испытаний. Это ограничивает сопоставление данных для мета-анализа и формулировку рекомендаций по клинической оценке ^9,15.

Поэтому в этой статье мы описываем стандартизированные в нашей лаборатории протоколы NIRS и тестирования окклюзии сосудов для оценки реактивной гиперемии нижних конечностей. Распространяя эти методы, мы стремимся внести свой вклад в повышение стандартизации и повторяемости процедур сбора данных и гармонизации отчетности.

протокол

Все описанные здесь методы были одобрены комитетом по этике исследований человека Университета Саншайн-Кост. Кроме того, все участники дали письменное информированное согласие на участие в измерениях, изложенных в этом протоколе. Обратите внимание, что тест на окклюзию сосудов в нижней конечности противопоказан лицам, которые ранее перенесли процедуру реваскуляризации с использованием сосудистого трансплантата или стентирование бедренной или подколенной артерий. После подготовки оборудования участнику предлагается отдохнуть в положении лежа на спине в течение 10 минут. На этом этапе начинается сбор данных NIRS с начальным периодом в 2 минуты, что позволяет достичь стабильности сигналов NIRS. Затем в течение 1 минуты собираются исходные данные, после чего манжета, расположенная в бедре, быстро надувается для достижения артериальной окклюзии. Окклюзия сохраняется в течение 5 минут, прежде чем манжета быстро сдувается. Сбор данных продолжается в течение всего периода реактивной гиперемии до тех пор, пока сигналы не вернутся к исходному уровню. На рисунке 1 представлен обзор протокола реактивной гиперемии, а подробные шаги приведены ниже. Оборудование, использованное для исследования, указано в Таблице материалов.

Рисунок 1: Схема, описывающая протокол измерения реактивной гиперемии NIRS и временные рамки. NIRS: ближняя инфракрасная спектроскопия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

1. Подготовка оборудования

ПРИМЕЧАНИЕ: Различные системы NIRS, надувания/окклюзии манжеты и сбора данных могут быть использованы для получения репрезентативных результатов, описанных ниже. Важно, чтобы исследователи обращались к своим конкретным руководствам пользователя и были осведомлены об уникальном программном обеспечении, калибровке, окружающем освещении и особенностях участников/когорты.

1. Убедитесь, что все измерения выполняются в тихом помещении с контролируемой температурой (21-23 °C).
2. Убедитесь, что все оборудование и материалы (см. Таблицу материалов) в наличии.
3. Убедитесь, что устройство CW-NIRS и компьютер, на который устройство передает данные, полностью заряжены и включены.
4. Убедитесь, что устройство NIRS сопряжено с компьютером, отображающим данные NIRS через Bluetooth, и что параметры измерения устройства NIRS определены в соответствии с экспериментальным центром и дизайном исследования (например, определите коэффициент дифференциальной длины пути (DPF) ближнего инфракрасного света).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Большинство этапов протокола NIRS и системных настроек основаны на сочетании рекомендаций производителя, опыта исследователей и экспертного/консенсусного мнения. Имейте в виду, что значения, генерируемые во время измерения, зависят от конкретного используемого устройства и щупов, а также от настроек, выбранных в программном обеспечении устройства. Кроме того, существует вероятность высокой степени межиндивидуальной вариабельности в собираемых сигналах. Кроме того, для улучшения сравнения между исследованиями важно сообщать о деталях приборов NIRS (например, включая конструкцию зонда, расстояния между источником и детектором и используемые длины волн), настройки системы, положение/ориентацию зонда по отношению к геометрии мышц и параметры анализа/обработку данных при публикации результатов этих измерений.
5. Введите данные участника в соответствии с данными программного обеспечения устройства NIRS.
6. Подключите надувной манжету к источникам воздуха и питания.

2. Подготовка участников

1. Убедитесь, что участник прочитал заявление об информации об участнике и форму согласия, а также дал свое согласие на участие в измерении до начала измерения.
2. Объясните участнику, чего ожидать во время измерения, пока он снимает обувь и носки и стоит неподвижно для соответствующих антропометрических измерений.
3. Проведите измерение кожной складки (в трех экземплярах) над запланированным местом измерения NIRS (например, в медиальной части в точке максимальной окружности икры).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это позволяет подтвердить глубину залегания кожи и жировой ткани (обычно называемую толщиной жировой ткани - ATT) по отношению к глубине проникновения сигнала NIRS. В качестве альтернативы для определения толщины жировой ткани можно использовать ультразвук. Всегда помните, что глубина сигнала/измерения NIRS составляет примерно половину расстояния между приемником и передатчиком⁹.
4. Чтобы добиться максимального качества сигнала, проверьте запланированное место расположения датчика передатчика/приемника NIRS на наличие волос, которые могут поглощать свет, и при необходимости удалите волосы путем бритья.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если кожа нарушена, например, из-за целлюлита, или если присутствует отек, рассмотрите целесообразность измерения, поскольку эти проблемы связаны с потенциально сниженным качеством сигнала, глубиной проникновения сигнала/ткани, из которой проводится измерение, а также стерильностью раны участника.
5. Проведите измерения и/или отметьте положение планируемого размещения зонда NIRS по отношению к соответствующим анатомическим ориентирам (например, верхней поверхности медиального мыщелка), чтобы обеспечить точное размещение зонда NIRS между участниками и внутри них (в зависимости от дизайна исследования и дизайна/формы зонда), поскольку реакции оксигенации могут демонстрировать большую гетерогенность между различными мышцами или даже в пределах областей одной и той же мышцы.
6. Попросите участника лечь в лежачую позу на смотровой постамент или кровать. Затем участник отдыхает в течение 10 минут.
7. Наденьте манжету на бедро проксимальнее колена, следя за тем, чтобы трубки не соприкасались с голени или устройством NIRS (Рисунок 2).
8. Поднимите ногу (~10 см) стопой и лодыжкой на поролоновую опору, оставив голень устойчивой и доступной для измерений (Рисунок 3).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если тест необходимо проводить на обоих этапах в течение нескольких раз, порядок тестирования рандомизируется (перед первоначальным тестированием), и порядок тестирования сохраняется для последующих оценок для каждого участника.
9. Включите модуль быстрого накачивания манжеты.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что настройки режима и давления надувателя быстрой манжеты соответствуют инструкциям производителя и спецификациям протокола окклюзии сосудов.
10. Включите источник воздуха в манжете, убедитесь, что воздух может проходить через шланг, и подсоедините шланг к набедренной манжете.
11. Следите за тем, чтобы шланг надувщика манжеты все еще не соприкасался с икроножной мышцей.
12. Надежно закрепите передающий/приемный зонд NIRS на коже, расположенной над местом (точками) измерения (обычно медиальным аспектом икроножной мышцы; однако в зависимости от исследования и специфики участника также используются другие участки, такие как тыльная сторона стопы и передняя большеберцовая кость).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые системы NIRS позволяют проводить несколько измерений на месте одновременно.
13. Накройте щуп черной кинезиологической лентой или чем-то подобным, тщательно запечатывая края, чтобы окружающий свет не повлиял на качество/значения сигнала NIRS (Рисунок 3).
    ПРИМЕЧАНИЕ: При фиксации зонда и адгезивного покрытия обязательно исключите движение зонда, но избегайте сдавливания кожи/жировой ткани/мышц.

Рисунок 2: Пример расположения окклюзионной манжеты на бедре. (А) Сверху. (Б) Сбоку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Пример положения зонда для спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. (A) Зонд прикреплен к выбритой коже в области медиальной икроножной мышцы. (B) Размещение зонда на лодыжке в поролоновой опоре для обеспечения доступа и устойчивости. (C) Экранирование окружающего света на месте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

3. Сбор исходных данных

1. Попросите участника оставаться расслабленным, воздерживаться от разговоров и держать ногу (ноги) неподвижно в течение всего периода сбора данных.
2. Запустите запись устройства NIRS через интерфейс компьютера.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если автономный сбор данных включен и предпочтителен, запустите устройство NIRS напрямую.
3. Подождите, по крайней мере, 2 минуты сбора данных, прежде чем начать измерение. Это обеспечивает получение устойчивых сигналов до сбора данных.
4. Следите за экраном компьютера, чтобы убедиться в целостности сигнала данных и физиологически правдоподобных значениях. Например, значения сбора данных (DAQ) предоставляют информацию о качестве сигнала и количестве окружающего света, обнаруженного устройством NIRS. Их следует держать в приемлемом диапазоне на протяжении всего измерения.
5. Если по прошествии 2 мин не отмечено никаких колебаний сигнала NIRS (например, из-за артефакта движения), установите базовый уровень данных NIRS, нажав соответствующую кнопку на компьютере/устройстве/синхронизирующем блоке. Этот базовый уровень отражает сравнительную начальную точку измерения. Изменения оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина будут интерпретироваться относительно этого исходного уровня.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Во время сбора данных вставляйте программные маркеры событий конкретных этапов, а именно начало и конец исходного уровня, начало и конец окклюзии манжеты и т. д., чтобы помочь в анализе данных.
6. Соберите не менее 1 минуты базовых данных, опять же, убедившись, что за это время не произойдет никаких колебаний или артефактов движения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Колебания исходных данных будут влиять на интерпретацию некоторых потенциальных переменных, таких как резерв гиперемии (см. раздел репрезентативных результатов).

4. Окклюзия сосудов

1. Установите давление манжеты на 200 мм рт.ст. на быстром надувателе манжеты перед переключением в режим манжеты (или соответствующую настройку в альтернативных системах).
   ПРИМЕЧАНИЕ: В то время как некоторые авторы рекомендуют накачивать до 250 мм рт.ст. в области бедра ^9,19, по нашему опыту, это не очень хорошо переносится некоторыми участниками, что приводит к прекращению измерения. Накачивание до 200 мм рт.ст. является достаточным в большинстве групп участников для окклюзии артериального притока в покое, при этом оно является терпимым и не приводит к образованию синяков на коже. Чтобы обеспечить эффективную окклюзию при концентрации 200 мм рт.ст., наша группа регулярно использует тензометрическую плетизмографию одновременно с NIRS для подтверждения отсутствия нисходящего кровотока в период надувания манжеты.
2. Сообщите участнику, чего ожидать (дискомфорт, ощущения покалывания и т.д.) в процессе надувания манжеты до 200 мм рт.ст. в течение 5 мин с последующим полным сдуванием манжеты. Еще раз напомните участнику, чтобы он оставался расслабленным, воздерживался от разговоров и держал ногу (ноги) неподвижными в течение всего периода сбора данных.
   ПРИМЕЧАНИЕ: По нашему опыту, первые 30-60 с окклюзионного периода являются наименее комфортными для участников. Когда участники позволяют своим ногам расслабиться, они, как правило, находят окклюзию более терпимой.
3. Когда вы будете готовы начать надувание манжеты, отметьте окончание базового периода в программном обеспечении NIRS.
4. Надувайте манжету бедра до супрасистолического давления 200 мм рт.ст. или до 220 мм рт.ст. в редких случаях, когда 200 мм рт.ст. оказались неэффективными.
5. Следите за компьютером или экраном, чтобы обеспечить целостность данных в период окклюзии.
6. По мере приближения конца 5-минутной окклюзии манжеты подготовьте участника, напомнив ему о необходимости держать ногу как можно более неподвижной и воздерживаться от разговора в течение примерно 3 минут после сдувания манжеты (пока собираются данные о сосудистых реакциях на реактивную гиперемию).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это напоминание участнику о необходимости оставаться неподвижным очень важно, так как у участников может возникнуть соблазн пошевелить конечностью, чтобы облегчить дискомфорт по мере восстановления кровообращения.

5. Реактивная гиперемия

1. По прошествии 5 минут окклюзии быстро полностью сдуйте манжету бедра (до 0 мм рт.ст.). Одновременно отметьте окончание окклюзионного периода в программном обеспечении NIRS. Реактивная реакция на гиперемию, вызванная возобновлением кровотока и связанными с этим факторами, будет видна на дисплее программного обеспечения NIRS (рис. 4).
2. По прошествии не менее 3 минут после окклюзии или после того, как данные NIRS вернутся к исходному уровню, отметьте окончание периода восстановления в программном обеспечении NIRS и остановите измерение.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Продолжительность выздоровления частично зависит от исследуемого исследования или клинического вопроса и, следовательно, от конкретных параметров NIRS, выбранных для анализа, а также от потенциала сопутствующих мер (таких как ящур), которые могут потребовать более длительной продолжительности восстановления.
3. Инициируйте сохранение данных и экспорт результатов NIRS для обработки и анализа данных.

6. Последующие процедуры

1. Снимите устройство (устройства) NIRS и манжету с участника.
2. При необходимости очистите устройство NIRS (и окклюзионную манжету) в соответствии с инструкциями производителя и соответствующими гигиеническими стандартами.
3. Осмотрите устройство NIRS, чтобы убедиться в целостности передатчика/приемника и производительности батареи для будущих измерений.

Результаты

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне
Приборы для спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона непрерывной волны измеряют относительные изменения оксигенированного (O₂Hb) и дезоксигенированного (HHb) гемоглобина, которые отражают локальную доставку и испол...

Обсуждение

В данной статье описаны стандартизированные процедуры оценки реактивной гиперемии нижних конечностей с использованием CW-NIRS TSI для оценки микрососудистой функции. Этот протокол был уточнен путем изучения длительности окклюзии манжеты по величине ответа, надежности теста-ретеста NIRS п?...

Материалы

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