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Nov 10, 2023

Evaluación de cerca transcutánea

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4537 (2023) Citar este artículo

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El paro cardíaco súbito (SCA) es una de las principales causas de mortalidad en todo el mundo. El intervalo de SCA a reanimación es un factor determinante clave de los resultados del paciente, lo que destaca la necesidad clínica de una detección confiable y oportuna de SCA. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS), una técnica óptica no invasiva, puede tener utilidad para esta aplicación. Investigamos la NIRS transcutánea como un método para detectar cambios inducidos por pentobarbital durante un paro cardíaco en ocho cerdos miniatura de Yucatán. Las mediciones de NIRS durante un paro cardíaco se compararon con la presión arterial carotídea adquirida de forma invasiva y la presión parcial de oxígeno (PO2) de los tejidos de la médula espinal. Observamos disminuciones estadísticamente significativas en la presión arterial media (PAM) 64,68 mmHg ± 13,08, p < 0,0001), la PO2 de la médula espinal (38,16 mmHg ± 20,04, p = 0,0028) y la saturación de oxígeno tisular (TSI%) derivada de NIRS (14,50 %). ± 3,80, p < 0,0001) desde el inicio hasta 5 min después de la administración de pentobarbital. La eutanasia al primer cambio en la hemodinámica para MAP y TSI (%) fue similar [MAP (10,43 ± 4,73 s) frente a TSI (%) (12,04 ± 1,85 s), p = 0,3714]. No se detectaron diferencias significativas entre la NIRS y las frecuencias del pulso derivadas de la presión arterial durante los períodos de referencia (p > 0,99) y después de la administración de pentobarbital (p = 0,97). La NIRS transcutánea demostró el potencial para identificar cambios hemodinámicos rápidos debido a un paro cardíaco en períodos similares a los índices invasivos. Concluimos que la monitorización NIRS transcutánea puede presentar un enfoque novedoso y no invasivo para la detección de SCA, lo que justifica una mayor investigación.

El paro cardíaco súbito (SCA) es una de las principales causas de mortalidad en todo el mundo y representa del 15 al 20 % de todas las muertes naturales en los EE. UU. y Europa occidental1,2. La SCA se define como el cese súbito de las contracciones ventriculares efectivas, lo que lleva a un gasto cardíaco inadecuado y al colapso hemodinámico3. La pérdida de circulación sistémica es fatal si no se detecta y trata inmediatamente iniciando medidas de reanimación de alta calidad4. Por lo general, la reanimación tiene más éxito cuando se realiza dentro de los cinco minutos posteriores al colapso circulatorio5,6,7. Las estimaciones actuales sugieren que solo el 25% de las SCA son presenciadas por transeúntes. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, no hay testigos disponibles para brindar un tratamiento que salve la vida o comunicarse con los servicios médicos de emergencia (SEM), lo que prolonga el tiempo que lleva iniciar las medidas de reanimación8. En consecuencia, cuando los profesionales del SEM llegan al lugar, optan por no intentar la reanimación en aproximadamente el 50% de los casos, ya que las medidas de salvamento se consideran inútiles en esta etapa8. En los intentos por reducir los intervalos de tiempo hasta la reanimación, existe la necesidad de desarrollar sistemas portátiles rentables que puedan monitorear de forma no invasiva los parámetros relacionados con la actividad cardíaca. Esto tiene el potencial de reducir los intervalos promedio de tiempo hasta la reanimación a través de la identificación rápida de SCA y la notificación automática a los despachadores médicos. El uso de dicha tecnología es de particular interés en poblaciones de alto riesgo, incluidos pacientes con antecedentes de paro cardíaco, cardiopatía congénita o miocardiopatía2.

La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) es una técnica de biodetección óptica no invasiva que puede monitorear cambios en tiempo real en la oxigenación tisular y la hemodinámica de forma transcutánea9,10,11,12,13,14. La tecnología NIRS se basa en principios físicos similares a los de la fotopletismografía (PPG), una tecnología que ha encontrado una aplicación rutinaria en la práctica clínica con la aparición de la oximetría de pulso15,16,17,18. Los sensores PPG emplean dos fuentes de luz (comúnmente un emisor de luz roja/verde y un emisor de luz infrarroja) para evaluar la oxigenación de la sangre arterial mediante la detección de cambios locales en el volumen sanguíneo que surgen de la actividad cardíaca sistólica19,20. Estos cambios pulsátiles en la absorción de luz son detectados por un fotodetector y convertidos en una estimación de la saturación de oxígeno arterial (SpO2) basada en la longitud del camino óptico del medio y la Ley de Beer-Lambert19,21. Una desventaja de los sensores PPG es que requieren un flujo sanguíneo pulsátil para brindar una estimación confiable de la saturación de oxígeno, lo que puede limitar su uso en entornos donde el pulso es débil o está ausente, como en un paro cardíaco22,23,24.

Usando principios similares a la oximetría de pulso, la NIRS de onda continua emplea luz infrarroja cercana (entre 650 y 1000 nm) para penetrar en el tejido y medir la cantidad de luz absorbida por los cromóforos del tejido (principalmente hemoglobina y agua)25. Con el uso de múltiples pares de fuente-detector en una configuración resuelta espacialmente, NIRS puede monitorear cambios en el suministro y consumo de oxígeno tisular midiendo los siguientes parámetros: oxihemoglobina (O2Hb), desoxihemoglobina (HHb), hemoglobina total (THb = O2Hb + HHb ; una medida de los cambios en el volumen sanguíneo local) y la diferencia de hemoglobina (Hbdiff = O2Hb-HHb, una medida indirecta de la utilización de oxígeno)]26. Además, es posible derivar una estimación absoluta de la saturación de oxígeno tisular local26,27,28 (índice de saturación tisular o TSI; expresado en %) que refleja las contribuciones arteriales (25 %), capilares (5 %) y venosas ( 70%) compartimentos iguales29. Es importante destacar que, con frecuencias de muestreo de 10 Hz y superiores, los sensores NIRS transcutáneos pueden detectar y monitorear el efecto de la actividad contráctil cardíaca en la hemodinámica tisular de forma similar a la monitorización basada en PPG; sin embargo, a diferencia de las tecnologías basadas en PPG, el flujo sanguíneo pulsátil no es un requisito previo para obtener una estimación de la oxigenación tisular, lo que significa que NIRS puede tener una mejor utilidad en la detección y el control de SCA12.

El estudio tuvo como objetivo evaluar si la NIRS transcutánea podría detectar cambios en el pulso y la oxigenación tisular durante un paro cardíaco inducido por pentobarbital en nuestro modelo porcino. Después de la administración IV de pentobarbital, se monitorearon continuamente los cambios en el índice de saturación tisular [TSI (%), valor absoluto] y la hemoglobina oxigenada (O2Hb, valor relativo) derivados de NIRS. Comparamos estos resultados con la monitorización de la presión arterial invasiva estándar de oro y un monitor de oxigenación de la médula espinal invasivo. Dicha información es esencial para evaluar la monitorización basada en NIRS como candidata para la detección de SCA fuera del hospital.

Esta investigación se realizó en coordinación con un estudio para evaluar la oxigenación tisular en lesiones por contusión-compresión de la médula espinal30. Todos los protocolos y procedimientos con animales realizados en este estudio fueron aprobados por el Comité de Cuidado de Animales de la Universidad de Columbia Británica (UBC) y cumplieron con las políticas del Consejo Canadiense de Cuidado de Animales, el Comando de Material e Investigación Médica del Ejército de EE. UU. (USAMRMC) , y la Oficina de Revisión del Uso y Cuidado de los Animales (ACURO). El Centro de Medicina Comparada de la UBC estableció los protocolos de anestesia y analgesia. El estudio cumplió con las directrices ARRIVE.

Se analizaron datos de ocho cerdas miniatura de Yucatán (con un peso de 24 a 31 kg) como parte de otros estudios de NIRS que investigan la hemodinámica de la médula espinal después de una lesión de la médula espinal (LME). Los animales fueron preparados para la cirugía, intubados y anestesiados como se describió previamente31,32. Los animales fueron premedicados con Telazol intramuscular (4-6 mg/kg), xilazina (1 mg/kg) y atropina (0,02-0,04 mg/kg). Para la inducción de la anestesia se utilizó propofol (2 mg/kg) o isoflurano (2-3% en O2) antes de la intubación endotraqueal de los animales. Propofol (8 mg/kg/h), fentanilo (12 µg/kg/h), ketamina (11 mg/kg/h) y midazolam (0,1-0,5 mg/kg/h) se utilizaron para el mantenimiento de la anestesia a tasa continua. infusión (CRI) y ajustado a criterio del médico veterinario. Los animales recibieron ventilación mecánica con una frecuencia de ventilación de 10 a 12 respiraciones/min y un volumen tidal de 6 a 10 ml/kg con 1,4 l (70 %) de nitrógeno y 0,6 l (30 %) de oxígeno (Veterinary Anesthesia Ventilator model 2002, Hallowell EMC, Pittsfield, MA). Se realizó un control estándar de los animales durante todo el procedimiento, incluido el control de la presión arterial, el dióxido de carbono al final de la espiración, la frecuencia cardíaca y la saturación de oxígeno.

La arteria carótida y la vena yugular se expusieron mediante disección roma. Se cateterizó la arteria carótida (Conjunto de cateterismo arterial calibre 20 FA-04018; Arrow International, Reading, PA, EE. UU.) para monitorear la presión arterial invasiva a una frecuencia de 10 Hz o 100 Hz (según el protocolo experimental). La presión arterial media (PAM) se calculó como un promedio ponderado de la presión sanguínea arterial (1/3 sistólica + 2/3 diastólica). Estos datos se capturaron utilizando el software LabChart Pro (AD Instruments, Colorado Springs, Colorado, EE. UU.). Se cateterizó la vena yugular (6–8 French Multi-Lumen Central Venous Catheterization Set CE-12703; Arrow International) para obtener un acceso venoso central para la infusión de medicación IV durante la cirugía. Posteriormente, se volteó al animal y se realizó una laminectomía dorsal, instrumentándose bilateralmente al animal con tornillos pediculares. En 5/8 animales, se indujo una lesión por contusión-compresión de la médula espinal a nivel de T10 como se describió previamente30.

Los datos sobre la presión parcial de oxígeno (PO2) de la médula espinal se recopilaron de forma invasiva utilizando un conjunto de sensores intraparenquimatosos (NX-BF/OF/E; Oxford Optronics, Oxford, Reino Unido), lo que nos permitió comparar los cambios en la oxigenación medidos superficialmente (por NIRS ) a los medidos desde el interior del parénquima medular. Cada sonda contiene tres sensores en la punta (temperatura, flujo sanguíneo y PO2; diámetro de la punta 450 μm). El sensor mide la PO2 tisular empleando una técnica de extinción de fluorescencia y fibra óptica33, registrada a una frecuencia de muestreo de 1 Hz. Dependiendo del protocolo experimental, se insertaron una o dos sondas intraparenquimatosas (IP) en el parénquima de la médula espinal (Fig. 1c), como se describe en Cheung et al.30. Las sondas se insertaron con las puntas de las sondas situadas dentro de la sustancia blanca de la médula espinal a una profundidad de aproximadamente 3 a 4 mm por debajo de la duramadre. La colocación de la sonda se verificó mediante imágenes de ultrasonido (L14-5/38, sonda de matriz lineal de 38 mm, Ultrasonix RP; BK Ultrasound, Richmond, BC, Canadá y VisualSonics Mx400, 30 MgHz, Toronto, Canadá). Las sondas se conectaron a monitores de canal OxyLab/OxyFlow (Oxford Optronics, Oxford, Reino Unido) y los datos se transmitieron al software LabChart Pro (AD Instruments, Colorado Springs, Colorado, EE. UU.).

Montaje experimental representativo. (a) Colocación del sensor NIRS (PortaMon, Artinis Medical Systems, Países Bajos) en el músculo de la pata trasera izquierda de un minicerdo de Yucatán. (b) La parte inferior del sensor NIRS consta de un fotodiodo (elemento receptor de luz) y tres LED (cada uno transmite luz en dos longitudes de onda; ~ 765 nm y ~ 850 nm). Las distancias de interoptodo desde el fotodiodo a cada LED son las siguientes: 30 mm, 35 mm y 40 mm. Los tres LED emiten una potencia óptica total de 0,88 mW, 1,78 mW y 3,67 mW, respectivamente. (c) Colocación intraoperatoria de sondas intraparenquimatosas (IP) de la médula espinal para medir los cambios locales en la PO2 de la médula espinal en respuesta a la eutanasia. Las sondas IP se colocaron como parte de otros estudios NIRS. Sondas IP, sondas intraparenquimatosas, presión parcial de oxígeno PO2, espectroscopia de infrarrojo cercano NIRS.

Se utilizó un dispositivo NIRS transcutáneo durante cada cirugía (Fig. 1a,b). Se colocó un sensor NIRS compacto portátil (PortaMon/PortaLite, Artinis Medical Systems, Países Bajos) en el vientre del músculo bíceps femoral de la pata trasera del animal. El sensor NIRS es un sistema NIRS de onda continua de longitud de onda dual (765 y 850 nm) que contiene tres pares de LED en una configuración de espectroscopia resuelta espacialmente (SRS) y un solo fotodiodo. En base a la configuración SRS y la ley de Beer-Lambert modificada27, obtenemos información de los siguientes parámetros: oxihemoglobina (O2Hb, μM/L), desoxihemoglobina (HHb, μM/L), hemoglobina total (THb = O2Hb + HHb, μM/ L), y la diferencia de hemoglobina (Hbdiff = O2Hb-HHb, μM/L)]. Además, podemos estimar la saturación de oxígeno tisular local (índice de saturación tisular o TSI, expresado en %) en base a la ecuación. (1), tras la corrección por dispersión tisular. El coeficiente de dispersión reducido se ajustó para reflejar el de la musculatura humana (no se hicieron ajustes para tener en cuenta las posibles diferencias en el tejido humano frente al porcino).

Los datos NIRS se recopilaron utilizando el software OxySoft versión 3.0.95 (Artinis Medical Systems, Países Bajos) a una frecuencia de muestreo de 10 Hz. Cada sensor NIRS se aseguró con cinta adhesiva de doble cara para evitar inducir presión sobre el tejido subyacente (Fig. 1a). Posteriormente, el sensor NIRS se cubrió con un paño quirúrgico estéril para aislarlo de la luz ambiental durante la recopilación de datos.

Los animales fueron sacrificados con pentobarbital sódico intravenoso administrado mediante acceso venoso yugular central a una dosis estándar de 120 mg/kg durante 5 s. El pentobarbital es un barbitúrico de acción corta y sedante-hipnótico con una larga historia de uso en la práctica veterinaria para anestesia y eutanasia34. El principal modo de acción está provocando disfunción del SNC mediada por GABAA, deprimiendo de forma crítica los centros medulares en el tronco encefálico, lo que lleva a una rápida aparición de apnea34,35 y colapso cardiovascular con características de bradicardia36,37, hipotensión refractaria35,37 y contractilidad miocárdica reducida37. La hora de inicio de la administración de pentobarbital se marcó en LabChart. Durante la administración de pentobarbital, los cerdos continuaron recibiendo ventilación mecánica y oxigenación. Por lo tanto, el mecanismo del paro cardíaco no fue secundario a la apnea inducida por pentobarbital (es decir, paro respiratorio, que puede provocar un paro cardíaco secundario), sino más bien un colapso cardíaco primario. Tras el cese del ritmo cardíaco en el ECG transesofágico, se interrumpió la ventilación y un técnico veterinario registrado confirmó la muerte tras la auscultación de la respiración y los sonidos cardíacos y la comprobación de un pulso periférico palpable (oído o cola). Durante este tiempo, todos los controles permanecieron activados, y las señales de NIRS, presión arterial invasiva y PO2 de la médula espinal continuaron capturándose hasta 5 minutos después de la eutanasia.

Todos los datos se volvieron a muestrear a 10 Hz para su posterior análisis. En todos los animales, los datos NIRS y LabChart se alinearon fuera de línea por la presencia de patrones de artefactos en las señales. Dichos patrones resultan de varios artefactos de movimiento y se pueden usar para identificar eventos comunes en las mediciones de series de tiempo. Se evaluó la distribución normal de los datos usando una prueba de normalidad ómnibus de D'Agostino Pearson. El momento de la eutanasia se identificó a partir de un marcador de eventos insertado en LabChart durante la cirugía. La ventana de análisis se identificó como 10 min antes de que se insertara el marcador de evento y luego 5 min después de que se hubiera agregado el evento (15 min en total). Los parámetros NIRS relativos (O2Hb, HHb, THb y Hbdiff) se normalizaron con la puntuación z en los primeros 5 min de esta ventana y se expresan en unidades de desviación estándar (sdu). Examinamos la presión arterial media (MAP), NIRS TSI (%) y los valores de PO2 de la médula espinal en los últimos 10 s del registro después de la eutanasia y los comparamos con los valores basales promedio previos a la eutanasia (recolectados durante 60 s) usando un test de Student emparejado. Prueba t (nivel de significación p < 0,05).

Las comparaciones entre el momento de la infusión de pentobarbital y el primer cambio detectable en NIRS TSI (%), PO2 de la médula espinal frente a señales de MAP invasivas se calcularon mediante una prueba t de Student pareada. Definimos el "primer cambio detectable" en la señal descendente como el tiempo desde la inserción del marcador de eutanasia en LabChart hasta la primera caída de la señal dos desviaciones estándar por debajo de su línea de base (el valor de la línea de base se definió como el valor medio durante el último minuto pre -infusión de pentobarbital, ver Fig. 4a).

Para obtener la frecuencia y la amplitud del pulso a partir de las mediciones del catéter de presión arterial carotídea (ABP) y la dinámica de la señal NIRS O2Hb (seleccionada debido a los componentes cardíacos prominentes en sus respectivas series de tiempo), análisis de transformada de Fourier de tiempo corto (STFT) (fs = 10 Hz; La longitud de FFT de 528 muestras; la superposición de ventana del 24%) se llevó a cabo en señales normalizadas de puntuación z. Se seleccionaron tres ventanas de análisis separadas de 60 s. Estos representan (1) señales de referencia, (2) el intervalo de 60 s inmediatamente después de la infusión de pentobarbital y (3) señales posteriores a la eutanasia. Las frecuencias de pulso (Hz) y las amplitudes de pulso (dB) se derivaron de estas ventanas STFT (mostradas como media ± 95% de intervalos de confianza). Las diferencias de grupo (amplitud de pulso y frecuencia de pulso derivadas de ABP frente a O2HB) se analizaron mediante una prueba t de Student no pareada de dos colas o un ANOVA de medidas repetidas (nivel de significación p < 0,05) para comparaciones de grupos múltiples.

Todos los análisis se llevaron a cabo utilizando el software GraphPad Prism 9.0.0 (GraphPad Software, La Jolla, CA, EE. UU.), MATLAB (versión R2021a, Natick, Massachusetts, EE. UU.) o bibliotecas de Python (Python Software Foundation). Los datos se presentan como media ± desviación estándar (SD) (o ± error estándar de la media (SEM) cuando se especifica lo contrario).

Todos los protocolos y procedimientos con animales utilizados para este estudio cumplieron con las políticas del Consejo Canadiense de Cuidado de Animales y fueron revisados ​​y aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Universidad de British Columbia (protocolo No. A20- 0217 y A16-0311, aprobados el 26 de octubre de 2020 y el 17 de febrero de 2017, respectivamente), y la Oficina de Revisión de Uso y Cuidado de Animales (ACURO) del Ejército de EE. UU. y el Centro de Guerra de Información Naval [Concesión No. N6600120-2- 4046, aprobado el 21 de diciembre de 2020 (NIWC, Protocolo USAMRMC n.º NIWC-7783.e002) y laudo n.º W81XWH-16-1-0602, aprobado el 16 de mayo de 2017, respectivamente].

En comparación con el valor inicial, la PAM carotídea disminuyó 64,68 mmHg ± 13,08 en los 5 min posteriores a la administración de pentobarbital (n = 7; prueba t de Student, p < 0,0001; Tabla 1, Figs. 2a, 3a). La disminución media de la PO2 de la médula espinal fue de 38,16 mmHg ± 20,04 (n = 6; prueba t de Student, p = 0,0028; Tabla 1, Figs. 2b, 3b). De manera similar, observamos una caída estadísticamente significativa en el TSI (%) (n = 8; prueba t de Student, p < 0,0001; Tabla 1, Figs. 2c, e, 3c), que disminuyó en promedio un 14,50 % ± 3,80 dentro de los primeros 5 min. Las medidas relativas de NIRS mostraron (Fig. 2d,f): una disminución de la hemoglobina oxigenada (O2Hb; − 84,33 sdu ± 38,65); un aumento concomitante en la porción de hemoglobina desoxigenada (HHb; 87,66 sdu ± 65,62); y una disminución en el parámetro de la diferencia de hemoglobina (Hbdiff; − 127,23 sdu ± 67,75) en todos los animales.

NIRS transcutáneo, presión arterial carotídea y respuestas de PO2 de la médula espinal a la administración de pentobarbital. Trazas promediadas de (a) MAP (n = 7 animales, ± SEM), (b) médula espinal PO2, (n = 6, ± SEM), (c) TSI (%) (n = 8, ± SEM), y (d) cambios relativos en los parámetros NIRS de O2Hb, HHb, THb y Hbdiff (n = 8 ± SEM). El punto de tiempo de 5 minutos (línea discontinua) indica el momento de la administración de pentobarbital. ( e, f ) Delta cambia a la eutanasia en relación con una línea de base previa a la eutanasia de 60 s. TSI (%) índice de saturación tisular, diferencia de hemoglobina Hbdiff, hemoglobina oxigenada O2Hb, hemoglobina desoxigenada HHb, hemoglobina total THb, presión arterial media de MAP, presión parcial de oxígeno PO2, referencia de BSL, eutanasia EUT.

Comparación antes y después de la eutanasia de las medidas de MAP carotídeo, PO2 de la médula espinal y TSI (%). Gráficos de caja (IQR + valores mínimos y máximos) de pre-eutanasia (BSL; promediado durante 60 s antes de la infusión de pentobarbital) y valores posteriores a la eutanasia (EUT; promediado durante los últimos 10 s del registro) en (a) MAP ( mmHg) (n = 7, p < 0,0001) (b) médula espinal PO2 (mmHg) (n = 6, p = 0,0028 y (c) TSI (%) (n = 8, p < 0,0001). Las comparaciones de grupo fueron analizado usando una prueba t de Student pareada (nivel de significancia p < 0.05) TSI (%) índice de saturación tisular, presión arterial media de PAM, presión parcial de oxígeno PO2, línea base de BSL, eutanasia EUT.

El tiempo hasta el primer cambio en MAP se observó en 10,43 ± 4,73 s (Fig. 4b). El TSI derivado de NIRS (%) cayó a 12,04 ± 1,85 s (Fig. 4b). En 5/6 animales (dado que la información sobre la PO2 de la médula espinal no estaba disponible en 2/8 animales), las medidas de PO2 de la médula espinal fueron las más lentas en responder, tardando 25,02 ± 9,237 s en registrar un cambio en la PO2 de la médula espinal dos desviaciones estándar por debajo de la línea de base (Figura 4b). La diferencia en el tiempo de detección entre MAP y TSI derivado de NIRS (%) (n = 7, prueba t de Student pareada, p = 0,3714, nivel de significancia p < 0,05) no fue significativa.

Eutanasia al primer cambio en la hemodinámica para MAP, PO2 de la médula espinal y TSI derivado de NIRS (%) y O2Hb. (a) Cifra representativa de un rastro NIRS TSI (%) antes e inmediatamente después de la infusión de pentobarbital. La primera caída detectada en la señal se definió como el primer valor dos desviaciones estándar por debajo del valor inicial (establecido durante los últimos 60 s antes de la administración de pentobarbital). (b) Tiempo (seg) hasta el primer cambio en las señales de MAP de la carótida, PO2 de la médula espinal y TSI de las patas traseras (%) en respuesta a la eutanasia ± SD. MAP frente a TSI (%) (n = 7; p = 0,3714) y MAP frente a PO2 de la médula espinal (n = 6, p = 0,0006) se analizaron mediante pruebas t de Student pareadas (nivel de significancia p < 0,05); TSI (%) índice de saturación tisular, MAP presión arterial media, PO2 presión parcial de oxígeno.

En todos los animales, las frecuencias del pulso calculadas por O2Hb y ABP fueron comparables (consulte la Fig. 5 para un análisis de STFT representativo) y no se detectaron diferencias estadísticamente significativas entre las frecuencias del pulso derivadas de O2Hb y ABP antes de la eutanasia (p > 0,99), eutanasia (p = 0,97) y ventanas de análisis posteriores a la eutanasia (n = 8, prueba t de Student, nivel de significancia p < 0,05; Tabla 2, Fig. 6d-f). En 6/8 animales, notamos un aumento transitorio en la frecuencia del pulso con la infusión de pentobarbital (consulte las figuras complementarias S1–S3, S5–7). En 2/8 animales, la frecuencia del pulso comenzó a disminuir inmediatamente después de la inducción de la eutanasia (consulte las figuras complementarias S4 y S8).

Análisis representativos de transformada de Fourier a corto plazo. Mapas de color STFT de (a) señal ABP carotídea y (c) NIRS O2Hb en una ventana de 15 minutos. La infusión de pentobarbital se inició a los 600 s. ( b, d ) Se seleccionaron tres ventanas de análisis para el análisis posterior, que denotan diferentes etapas de la eutanasia. Hemoglobina oxigenada O2Hb, presión arterial ABP, línea base BSL, eutanasia EUT, transformada de Fourier de tiempo corto STFT (para mapas de color STFT de animales individuales, consulte las Figs. 1–8 complementarias).

Comparación de la frecuencia del pulso y los cambios de amplitud derivados de ABP y NIRS en respuesta a la administración de pentobarbital. Media de las amplitudes de pulso derivadas de PAA y O2Hb (dB) (n = 8) durante (a) la línea de base (p = 0,0014) y (b) la eutanasia (p = 0,0009) (prueba t de Student, nivel de significación p < 0,05). (c) Amplitud de pulso de ABP y O2Hb (dB) en BSL frente a EUT (ANOVA de medidas repetidas, valores de p ajustados: ABP BSL frente a EUT p = 0,0047 y O2Hb BSL frente a EUT p = 0,0132; nivel de significancia p < 0,05). Pulso medio derivado de PAA y O2Hb (Hz) (n = 8) durante (d) línea de base (p > 0,99), (e) eutanasia (p = 0,97) y (f) post-eutanasia (no se puede calcular p). Las comparaciones de grupos se analizaron mediante la prueba t de Student (nivel de significación p < 0,05). ns no significativo, hemoglobina oxigenada O2Hb, presión arterial ABP, línea base BSL, eutanasia EUT.

Las amplitudes de pulso (dB) fueron más fuertes en ABP en comparación con las señales NIRS O2Hb (Fig. 6a, b). Esta diferencia fue significativa durante el inicio (n = 8, prueba t de Student, p = 0,0014, nivel de significancia p < 0,05; Fig. 6a) y después de la administración de pentobarbital (n = 8, prueba t de Student, p = 0,0009, nivel de significación p < 0,05; Fig. 6b). Por último, vimos disminuciones estadísticamente significativas en las amplitudes del pulso de O2Hb derivadas de ABP y NIRS en respuesta a la administración de pentobarbital en comparación con la línea de base (n = 8, ANOVA de medidas repetidas, valores de p ajustados: ABP BSL vs EUT p = 0.0047 y O2Hb BSL vs EUT p = 0,0132, nivel de significación p < 0,05, figura 6c).

Usando un modelo porcino de paro cardíaco primario, examinamos los cambios en las mediciones de NIRS durante el paro cardíaco y los comparamos con mediciones invasivas de oxigenación de la médula espinal y monitoreo de la presión arterial. Si bien ha habido varios informes que utilizan la monitorización NIRS cerebral para evaluar el retorno a la circulación espontánea (ROSC) y la calidad de la reanimación posterior a la SCA38,39,40,41,42,43,44,45, el uso de la monitorización NIRS transcutánea en el entorno de detección de paro cardíaco no se ha explorado y presenta un campo de investigación potencialmente novedoso. Nuestros resultados demostraron un cambio rápido y claro en las señales NIRS durante y después de un paro cardíaco, similar a las mediciones hemodinámicas invasivas. En general, estos hallazgos demuestran la utilidad de la monitorización basada en NIRS muscular para la detección de SCA; sin embargo, se necesitan más estudios para establecer su eficacia.

En este estudio, usamos pentobarbital sódico para inducir la eutanasia en nuestro modelo porcino. El pentobarbital deprime los centros medulares en el tronco del encéfalo, causando una muerte rápida por depresión respiratoria34,35 y colapso cardiovascular35,36,37. Hay dos modelos principales de paro cardíaco: (1) paro cardíaco primario con daño directo al tejido cardíaco, que causa el cese del gasto cardíaco efectivo y la hipoxia de todo el cuerpo resultante; y (2) paro respiratorio primario, que causa hipoxia en todo el cuerpo (incluida la del tejido cardíaco), lo que resulta en un paro cardíaco secundario. Aunque el fenobarbital causa depresión respiratoria, en este estudio, la ventilación mecánica y la oxigenación continuaron después de la administración de pentobarbital (previniendo la hipoxia), lo que concuerda con un paro cardíaco primario. Se requiere más investigación para investigar los cambios fisiológicos con paro respiratorio que conducen a un paro cardíaco secundario, como ocurre con mayor frecuencia en bebés, niños y adultos con paro cardíaco relacionado con opioides u otras etiologías respiratorias46. Dado que NIRS mide la oxigenación de los tejidos, puede tener una gran utilidad para detectar un paro respiratorio antes de un paro cardíaco.

Observamos una variabilidad considerable entre animales en las medidas previas a la eutanasia de la PO2 de la médula espinal, lo que puede reflejar variaciones en la colocación de las sondas IP y el área de muestreo pequeña (se informó que era de aproximadamente 0,5 a 1 mm3,47). Estas limitaciones dan como resultado lecturas de PO2 en la médula espinal que pueden ser muy sensibles a las diferencias en la composición del tejido y la microvasculatura local. De manera similar, las medidas de MAP iniciales mostraron una variabilidad notable, lo que no es sorprendente dado el amplio rango de presiones arteriales fisiológicas. El TSI (%) antes de la eutanasia fue comparable entre los animales, lo que indica que la saturación de oxígeno regional se mantiene preferentemente dentro de un rango específico en la pata trasera del animal en el animal anestesiado.

Mientras que MAP y PO2 de la médula espinal cayeron a niveles inferiores a los observados para el tejido vivo dentro de los primeros 5 minutos posteriores a la inducción de la eutanasia, observamos una disminución menor de TSI (%) (14,50% ± 3,80). En un caso, el TSI (%) se redujo del 76,08 % al 62,63 % (animal n.º 8, Tabla 1). Debido a un TSI comparativamente alto (%) al inicio, esta disminución asociada con el cese completo de la función cardíaca en este animal podría estar dentro del rango fisiológico de TSI (%) de otro animal (ver animales #1–2, Tabla 1). Esto sugiere que un valor particular de TSI (%) puede no ser suficiente para detectar eventos cardíacos repentinos, sino que gana valor de diagnóstico si se interpreta en el contexto de las tendencias hemodinámicas derivadas de NIRS, los cambios en la frecuencia del pulso y las medidas de TSI (%) basales específicas del paciente. . Es importante destacar que el TSI (%) no refleja la saturación de oxígeno arterial (es decir, la cantidad de oxígeno en el flujo arterial disponible para los tejidos y órganos), sino que es un índice de hemoglobina oxigenada a total a nivel de tejido microvascular48 compuesto tanto de sangre arterial como venosa. componentes y, por lo tanto, lo más probable es que incluya oxígeno "inaccesible" atrapado dentro de los compartimentos venosos. Además, es crucial considerar que otras condiciones locales y sistémicas podrían conducir a disminuciones similares en el TSI (%). Esto debe enfatizarse cuando se coloca en el contexto más amplio de discutir la especificidad del uso de cambios derivados de NIRS en el entorno de detección de SCA. Nuestro grupo ha demostrado recientemente en nuestro modelo porcino que los períodos controlados de hipoxia a un objetivo de SpO2 del 70 % conducen a una disminución de TSI% de 10,5 ± 1 % según lo registrado por el sensor PortaMon NIRS de la pata trasera del animal49. Aunque desde el punto de vista clínico, es poco probable que estos episodios graves de hipoxia se encuentren de forma rutinaria; otros investigadores informaron disminuciones en los índices de saturación tisular derivados de NIRS en varios entornos clínicos que conducen a la hipoperfusión tisular, incluida la enfermedad vascular50 y el shock51,52,53.

Además, observamos que la tasa de cambio tanto para MAP como para la PO2 de la médula espinal fue más alta durante el primer minuto posterior a la infusión de pentobarbital una vez que se detectó una disminución significativa en la señal por debajo de la línea base. Esto es coherente con los informes anteriores de un estudio canino en el que el pentobarbital hizo que la PAM se redujera a niveles indetectables en un tiempo medio de 52,6 s54. La tasa de cambio de TSI (%) fue más lenta y mostró una tendencia ligeramente decreciente a los 5 min después de la eutanasia. MAP refleja la presión arterial media durante un solo ciclo cardíaco y, por lo tanto, es muy susceptible a la pérdida de contracciones ventriculares efectivas y disminución del gasto cardíaco. Por otro lado, NIRS mide el "efecto" de esta pérdida de actividad contráctil sobre el tejido subyacente, que en el momento de la parada cardiaca todavía está metabólicamente activo55,56. Sin circulación sistémica, este intercambio continuo de oxígeno puede ser la base de la disminución constante de la saturación de oxígeno muscular derivada de NIRS durante un período prolongado.

En particular, la comparación entre el tiempo desde la administración de pentobarbital hasta la primera caída detectable en TSI (%) derivado de NIRS a partir de un valor inicial predefinido demuestra la alta sensibilidad de NIRS para detectar cambios sistémicos en la oxigenación tisular de forma no invasiva. Por el contrario, la primera caída detectable en la PO2 espinal ocurrió significativamente más lentamente. La PO2 de la médula espinal representa la presión parcial local de oxígeno (es decir, oxígeno "disuelto") en el tejido y, por lo tanto, proporciona una lectura de la disponibilidad de oxígeno a nivel celular. Como el oxígeno se libera inicialmente de los sitios de unión de la hemoglobina para satisfacer la demanda metabólica del tejido, la PO2 local de la médula espinal permanecerá estable hasta que la demanda metabólica del tejido supere la capacidad de liberación de oxígeno de la hemoglobina. Sin embargo, también se deben considerar otros factores, como los posibles retrasos en los tiempos de respuesta de la sonda IP y las bajas tasas de muestreo.

También comparamos las amplitudes de pulso medias derivadas de NIRS O2Hb y PAA carotídea en tres momentos diferentes (antes, durante y después de la eutanasia). En todos los animales, las amplitudes de pulso derivadas de ABP fueron más fuertes que las derivadas de NIRS, tanto antes como inmediatamente después de la infusión intravenosa de pentobarbital. Esto no es sorprendente ya que ambas señales se derivan de diferentes fuentes. La monitorización invasiva de la presión arterial se logra monitorizando los cambios cíclicos de presión de uno de los principales vasos que se bifurcan desde la aorta. NIRS, por otro lado, mide los cambios de pulso indirectamente al capturar el efecto del flujo sanguíneo pulsátil en la dinámica del tejido subyacente en un sitio distal al corazón. Como se discutió anteriormente, NIRS capturará los cambios que ocurren a nivel microvascular, capturando las contribuciones de la sangre arteriolar, capilar y venular por igual. Es importante destacar que las vénulas y los capilares no contribuyen de manera significativa a la propagación de la forma de onda de presión y, al mismo tiempo, constituyen una parte significativa de la señal NIRS. Esto contribuirá a la reducción de la amplitud del pulso observada en la señal NIRS en comparación con la ABP. Es de destacar que en seis de los ocho animales observamos la presencia de actividad cardíaca después de que la muerte había sido clínicamente confirmada, lo que concuerda con informes anteriores de que tales señales pueden persistir durante 5,5 a 16 minutos después de la infusión de pentobarbital54. En particular, las amplitudes de pulso medias derivadas de ABP y NIRS disminuyeron durante la eutanasia (en comparación con la línea de base), lo que indica una disminución en la actividad inotrópica cardíaca capturada por ambos sistemas. El monitoreo de amplitud de pulso basado en NIRS en tiempo real presenta una vía potencialmente nueva de cómo se puede identificar un paro cardíaco, lo que fomenta una mayor investigación.

También observamos una fuerte concordancia entre NIRS y las frecuencias de pulso derivadas de PAA carotídea durante las tres ventanas de análisis distintas, como lo revelan los análisis de transformada de Fourier a corto plazo. En particular, en seis de ocho animales, observamos aumentos transitorios en la frecuencia cardíaca durante e inmediatamente después de la infusión de pentobarbital, en consonancia con hallazgos anteriores54. Esto sugiere que, si bien las amplitudes de pulso generales derivadas de NIRS son más débiles en este sitio más distal del cuerpo, el sistema NIRS captura los cambios en la frecuencia del pulso inducida por pentobarbital antes y durante la disfunción cardíaca con una alta sensibilidad cuando se evalúa frente a la monitorización invasiva de la presión arterial. Sobre la base de estos resultados, concluimos que la NIRS transcutánea se puede utilizar en el entorno para proporcionar información similar. No pudimos realizar esta evaluación en parámetros derivados de IP, ya que la baja frecuencia de muestreo del sistema combinado OxyLite/OxyFlow nos impidió detectar cambios en el flujo sanguíneo pulsátil que ocurrían latido a latido.

Se han examinado varias otras tecnologías para la detección no invasiva de SCA fuera del hospital. Estos incluyen el uso de sistemas portátiles de monitoreo/desfibrilación basados ​​en ECG que se han mostrado prometedores en la reducción de la mortalidad en pacientes de alto riesgo cuando se usan después de un infarto de miocardio57 y disfunción ventricular izquierda58. Además, hay disponibles sistemas de monitorización de la frecuencia cardíaca basados ​​en pulseras/relojes inteligentes mediante fotopletismografía (PPG)59,60,61,62,63. Sin embargo, dado que los sensores de PPG se basan en el flujo sanguíneo pulsátil, se vuelven menos confiables o es posible que no puedan devolver una medición durante períodos de hipotensión sistémica, hipotermia o mala circulación periférica24,64,65. Como tal, la monitorización con PPG se ha investigado predominantemente por su capacidad para captar los cambios en la frecuencia cardíaca y la variabilidad de la frecuencia cardíaca como una forma de monitorizar el retorno a la circulación espontánea (ROSC) durante la reanimación cardiopulmonar59,66 y la monitorización y detección a largo plazo de la arritmia cardíaca. como se revisó anteriormente62. La capacidad de NIRS para capturar el cese de las pulsaciones cardíacas mientras se monitorean los cambios en la oxigenación de los tejidos (incluso en ausencia de una forma de onda de pulso) sugiere que NIRS podría ser una herramienta útil para detectar un paro cardíaco en un entorno extrahospitalario y rastrear su progresión. hasta que se reanude ROSC. Esto facilitaría aún más la investigación de una relación potencial entre los cambios de oxigenación derivados de NIRS durante la progresión del paro cardíaco y el pronóstico clínico. Por último, se han utilizado dispositivos inteligentes para capturar patrones de respiración agónica para detectar SCA67. La respiración agónica es un reflejo del tronco encefálico que resulta de una hipoxia grave. Sin embargo, la respiración agónica solo ocurre en el 55% de los casos de paro cardíaco presenciados68. La baja sensibilidad resultante limita el uso generalizado de dicha monitorización en el entorno de la detección de SCA.

En general, nuestros resultados sugieren que NIRS puede tener utilidad para la detección rápida de un paro cardíaco. Los recientes avances técnicos en componentes electroópticos y tecnología NIRS permiten el desarrollo de sensores NIRS compactos, portátiles, de bajo consumo, sensibles, económicos y flexibles. La integración de sensores NIRS miniaturizados con otros biosensores portátiles relevantes puede formar enfoques de detección multimodal novedosos para un control exhaustivo de los signos vitales y la predicción y el diagnóstico rápido de disfunciones cardíacas críticas.

Hay varias limitaciones a lo que informamos. En primer lugar, si bien existen muchas etiologías y variaciones fisiológicas diferentes dentro de la SCA humana, nuestro modelo porcino de SCA de eutanasia inducida por pentobarbital puede diferir de la experiencia humana. Esto es particularmente relevante, ya que se desconoce el tiempo desde la infusión de pentobarbital hasta la muerte confirmada, lo que limita nuestra capacidad para extrapolar los hallazgos a un escenario clínicamente más relevante. En segundo lugar, dado que los datos fisiológicos se capturaron con un software de grabación diferente y posteriormente se alinearon fuera de línea por la presencia de patrones de artefactos en la señal, son susceptibles a errores menores en la alineación. Sin embargo, dada la naturaleza única de los patrones de artefactos en las señales, esperamos una desalineación mínima dentro de los conjuntos de datos, si los hay. Del mismo modo, esperamos cierta variabilidad entre animales debido a las discrepancias en el momento exacto de la inserción del marcador de eutanasia que denota la administración intravenosa de pentobarbital. Por último, es esencial tener en cuenta que no se realizaron ajustes a los coeficientes de dispersión para tener en cuenta las posibles diferencias entre humanos y porcinos en el cálculo del índice de saturación de tejidos, que se establece para uso humano. Sin hacer ajustes al modelo, postulamos que las siguientes diferencias entre especies podrían afectar el cálculo y deberían explorarse más a fondo en estudios posteriores: (1) pigmentación de la piel, (2) textura de la piel, (3) grosor de la piel y (4) tejido adiposo subcutáneo. espesor del tejido.

La monitorización NIRS transcutánea puede presentar un enfoque de detección de SCA novedoso, factible y no invasivo que justifica una mayor investigación. La capacidad de la NIRS transcutánea para capturar simultáneamente el cese de la actividad pulsátil cardíaca mientras se monitorean los cambios en la oxigenación de los tejidos puede resultar en el desarrollo de nuevos sensores ópticos portátiles para la detección temprana de SCA y su posterior seguimiento. Esto puede mejorar la gestión de las SCA no presenciadas y acelerar el acceso a intervenciones que salvan vidas.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen al personal del UBC Kwon Research Lab y al UBC Center for Comparative Medicine, quienes apoyaron estos complejos experimentos in vivo y brindaron atención a los animales involucrados en los estudios. Este estudio fue apoyado por un Premio de Investigación Traslacional del Departamento de Defensa de EE. UU., Programa de Investigación de Lesiones de la Médula Espinal (SCIRP). Mahsa Khalili tiene un premio de aprendiz, Brian Grunau tiene un premio de investigador profesional de la salud y Babak Shadgan tiene un premio académico de Michael Smith Health Research BC.

Este estudio fue apoyado por un Premio de Investigación Traslacional del Departamento de Defensa de EE. UU., Programa de Investigación de Lesiones de la Médula Espinal (SCIRP), SC130007, la Fundación Michael Smith para la Investigación de la Salud (MSFHR), Premio No. AWD-00482, Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa Agencia (DARPA), Contrato No. N660012024046 y Adjudicación MITACS No. IT25703. Los puntos de vista, las opiniones y/o los hallazgos expresados ​​son los del autor y no deben interpretarse como que representan los puntos de vista o las políticas oficiales del Departamento de Defensa o del Gobierno de los EE. UU.

Colaboración internacional en descubrimientos de reparación (ICORD), Universidad de Columbia Británica, 818 West 10th Avenue, Vancouver, BC, V5Z 1M9, Canadá

Katharina Raschdorf, Arman Mohseni, Amanda Cheung, Kitty So, Neda Manouchehri y Babak Shadgan

Departamento de Neurociencia, Universidad de Columbia Británica, 2215 Wesbrook Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z3, Canadá

Katharina Raschdorf y Babak Shadgan

Escuela de Ingeniería Biomédica (SBME), Universidad de Columbia Británica, 2222 Health Sciences Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z4, Canadá

Kaavya Hogle, Saud Lingawi, Calvin Kuo y Babak Shadgan

Departamento de Medicina de Emergencia, Universidad de Columbia Británica y Hospital St. Paul, Vancouver, BC, Canadá

Mahsa Khalili, Brian Grunau y Jim Christenson

Departamento de Ortopedia, Universidad de Columbia Británica, 2775 Laurel Street, Vancouver, BC, V5Z 1M9, Canadá

Ronda de Shadgan

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Conceptualización, BS y KR; metodología, KR; análisis formal, KR; validación de análisis, BG, KC, JC y BS; recopilación y conservación de datos, BS, KR, KS, AC, NM; redacción (preparación del borrador original), KR y AM; redacción (revisión y edición), BS, CK, BG, JC, MK y SL; visualización, KR Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Babak Shadgan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Raschdorf, K., Mohseni, A., Hogle, K. et al. Evaluación de la espectroscopia transcutánea de infrarrojo cercano para la detección temprana de paro cardíaco en un modelo animal. Informe científico 13, 4537 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31637-1

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Recibido: 31 julio 2022

Aceptado: 15 de marzo de 2023

Publicado: 20 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31637-1

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