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Nov 10, 2023

Évaluation de proximité transcutanée

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4537 (2023) Citer cet article

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L'arrêt cardiaque soudain (ACS) est l'une des principales causes de mortalité dans le monde. L'intervalle SCA-réanimation est un déterminant clé des résultats pour les patients, soulignant le besoin clinique d'une détection fiable et rapide des SCA. La spectroscopie proche infrarouge (NIRS), une technique optique non invasive, peut avoir une utilité pour cette application. Nous avons étudié le NIRS transcutané comme méthode pour détecter les changements induits par le pentobarbital lors d'un arrêt cardiaque chez huit cochons miniatures du Yucatan. Les mesures NIRS lors d'un arrêt cardiaque ont été comparées à la pression artérielle carotidienne acquise de manière invasive et à la pression partielle d'oxygène (PO2) des tissus de la moelle épinière. Nous avons observé des diminutions statistiquement significatives de la pression artérielle moyenne (MAP) 64,68 mmHg ± 13,08, p < 0,0001), de la PO2 de la moelle épinière (38,16 mmHg ± 20,04, p = 0,0028) et de la saturation en oxygène des tissus (TSI%) dérivée du NIRS (14,50 %). ± 3,80, p < 0,0001) de la ligne de base à 5 min après l'administration de pentobarbital. Euthanasie à la première variation de l'hémodynamique pour MAP et TSI (%) étaient similaires [MAP (10,43 ± 4,73 s) vs TSI (%) (12,04 ± 1,85 s), p = 0,3714]. Aucune différence significative n'a été détectée entre le NIRS et les taux de pouls dérivés de la pression artérielle pendant les périodes de référence (p > 0,99) et après l'administration de pentobarbital (p = 0,97). Le NIRS transcutané a démontré le potentiel d'identifier les changements hémodynamiques rapides dus à un arrêt cardiaque dans des périodes similaires aux indices invasifs. Nous concluons que la surveillance NIRS transcutanée peut présenter une nouvelle approche non invasive pour la détection des SCA, ce qui justifie une enquête plus approfondie.

L'arrêt cardiaque soudain (ACS) est l'une des principales causes de mortalité dans le monde, représentant 15 à 20 % de tous les décès naturels aux États-Unis et en Europe occidentale1,2. L'ACS est défini comme l'arrêt soudain des contractions ventriculaires efficaces, entraînant un débit cardiaque inadéquat et un collapsus hémodynamique3. La perte de circulation systémique est mortelle si elle n'est pas immédiatement détectée et traitée en initiant des mesures de réanimation de haute qualité4. La réanimation est généralement plus efficace lorsqu'elle est effectuée dans les cinq minutes suivant un collapsus circulatoire5,6,7. Les estimations actuelles suggèrent que seulement 25% des SCA sont des témoins témoins. Ainsi, dans la plupart des cas, aucun témoin n'est disponible pour prodiguer des soins vitaux ou contacter les services médicaux d'urgence (SMU), ce qui prolonge le temps nécessaire pour engager des mesures de réanimation8. Par conséquent, lorsque les professionnels des SMU arrivent sur les lieux, ils choisissent de ne pas tenter de réanimation dans environ 50 % des cas, car les mesures de sauvetage sont jugées vaines à ce stade8. Pour tenter de réduire les intervalles de temps jusqu'à la réanimation, il est nécessaire de développer des systèmes portables rentables qui peuvent surveiller de manière non invasive les paramètres liés à l'activité cardiaque. Cela a le potentiel de réduire les intervalles moyens de réanimation grâce à l'identification rapide des SCA et à la notification automatique aux répartiteurs médicaux. L'utilisation d'une telle technologie est particulièrement intéressante pour les populations à haut risque, y compris les patients ayant des antécédents d'arrêt cardiaque, de cardiopathie congénitale ou de cardiomyopathie2.

La spectroscopie proche infrarouge (NIRS) est une technique de biodétection optique non invasive qui peut surveiller les changements en temps réel dans l'oxygénation des tissus et l'hémodynamique par voie transcutanée9,10,11,12,13,14. La technologie NIRS est basée sur des principes physiques similaires à la photopléthysmographie (PPG), une technologie qui a trouvé une application de routine dans la pratique clinique avec l'émergence de l'oxymétrie de pouls15,16,17,18. Les capteurs PPG utilisent deux sources de lumière (généralement un émetteur de lumière rouge/vert et un émetteur de lumière infrarouge) pour évaluer l'oxygénation du sang artériel en détectant les changements locaux de volume sanguin résultant de l'activité cardiaque systolique19,20. Ces modifications pulsatiles de l'absorption de la lumière sont détectées par un photodétecteur et converties en une estimation de la saturation artérielle en oxygène (SpO2) basée sur la longueur du trajet optique du milieu et la loi de Beer-Lambert19,21. Un inconvénient des capteurs PPG est qu'ils nécessitent un flux sanguin pulsatile pour donner une estimation fiable de la saturation en oxygène, ce qui peut limiter leur utilisation dans des contextes où le pouls est faible ou absent, comme un arrêt cardiaque22,23,24.

Utilisant des principes similaires à l'oxymétrie de pouls, le NIRS à ondes continues utilise une lumière proche infrarouge (entre 650 et 1000 nm) pour pénétrer les tissus et mesurer la quantité de lumière absorbée par les chromophores tissulaires (principalement l'hémoglobine et l'eau)25. Grâce à l'utilisation de plusieurs paires source-détecteur dans une configuration à résolution spatiale, le NIRS peut surveiller les changements dans l'apport et la consommation d'oxygène des tissus en mesurant les paramètres suivants : oxyhémoglobine (O2Hb), désoxyhémoglobine (HHb), hémoglobine totale (THb = O2Hb + HHb ; une mesure des variations locales du volume sanguin) et la différence d'hémoglobine (Hbdiff = O2Hb-HHb, une mesure indirecte de l'utilisation de l'oxygène)]26. De plus, il est possible de dériver une estimation absolue de la saturation locale en oxygène des tissus26,27,28 (indice de saturation tissulaire ou TSI ; exprimé en %) qui reflète les contributions des artères (25 %), capillaires (5 %) et veineuses ( 70 %) compartiments identiques29. Surtout, avec des taux d'échantillonnage de 10 Hz et plus, les capteurs NIRS transcutanés peuvent détecter et surveiller l'effet de l'activité contractile cardiaque sur l'hémodynamique tissulaire similaire à la surveillance basée sur PPG ; Cependant, contrairement aux technologies basées sur PPG, le flux sanguin pulsatile n'est pas une condition préalable à l'obtention d'une estimation de l'oxygénation des tissus, ce qui signifie que le NIRS peut avoir une meilleure utilité dans la détection et la surveillance des SCA12.

L'étude visait à évaluer si le NIRS transcutané pouvait détecter des changements dans l'oxygénation du pouls et des tissus lors d'un arrêt cardiaque induit par le pentobarbital dans notre modèle porcin. Après l'administration IV de pentobarbital, les modifications de l'indice de saturation tissulaire dérivé du NIRS [TSI (%), valeur absolue] et de l'hémoglobine oxygénée (O2Hb, valeur relative) ont été surveillées en continu. Nous avons comparé ces résultats à la surveillance invasive de la pression artérielle de référence et à un moniteur d'oxygénation invasive de la moelle épinière. Ces informations sont essentielles pour évaluer la surveillance basée sur le NIRS en tant que candidat pour la détection des SCA hors de l'hôpital.

Cette enquête a été réalisée en coordination avec une étude visant à évaluer l'oxygénation des tissus dans les lésions de contusion-compression de la moelle épinière30. Tous les protocoles et procédures d'animaux exécutés dans cette étude ont été approuvés par le comité de protection des animaux de l'Université de la Colombie-Britannique (UBC) et étaient conformes aux politiques du Conseil canadien de protection des animaux, de l'US Army Medical Research and Material Command (USAMRMC) , et Bureau d'examen des soins et de l'utilisation des animaux (ACURO). Le Centre de médecine comparée de l'UBC a établi les protocoles d'anesthésie et d'analgésie. L'étude était conforme aux directives ARRIVE.

Les données de huit cochons miniatures femelles du Yucatan (pesant de 24 à 31 kg) ont été analysées dans le cadre d'autres études du NIRS portant sur l'hémodynamique de la moelle épinière après une lésion de la moelle épinière (SCI). Les animaux ont été préparés pour la chirurgie, intubés et anesthésiés comme décrit précédemment31,32. Les animaux ont reçu une prémédication avec du télazol intramusculaire (4–6 mg/kg), de la xylazine (1 mg/kg) et de l'atropine (0,02–0,04 mg/kg). Pour l'induction de l'anesthésie, du propofol (2 mg/kg) ou de l'isoflurane (2 à 3 % dans O2) a été utilisé avant que les animaux ne subissent une intubation endotrachéale. Le propofol (8 mg/kg/h), le fentanyl (12 µg/kg/h), la kétamine (11 mg/kg/h) et le midazolam (0,1–0,5 mg/kg/h) ont été utilisés pour le maintien de l'anesthésie à un rythme continu. perfusion (IRC) et ajustée à la discrétion d'un vétérinaire. Les animaux ont été ventilés mécaniquement avec une fréquence de ventilation de 10 à 12 respirations/min et un volume courant de 6 à 10 mL/kg avec 1,4 L (70 %) d'azote et 0,6 L (30 %) d'oxygène (Veterinary Anesthesia Ventilator model 2002, Hallowell EMC, Pittsfield, MA). Une surveillance standard des animaux a été effectuée tout au long de la procédure, y compris la surveillance de la pression artérielle, du dioxyde de carbone en fin d'expiration, de la fréquence cardiaque et de la saturation en oxygène.

L'artère carotide et la veine jugulaire ont été exposées par dissection mousse. L'artère carotide a été cathétérisée (20 Gauge Arterial Catheterization Set FA-04018; Arrow International, Reading, PA, USA) pour surveiller la pression artérielle invasive à une fréquence de 10 Hz ou 100 Hz (selon le protocole expérimental). La pression artérielle moyenne (MAP) a été calculée comme une moyenne pondérée à partir de la pression artérielle (1/3 systolique + 2/3 diastolique). Ces données ont été capturées à l'aide du logiciel LabChart Pro (AD Instruments, Colorado Springs, Colorado, États-Unis). La veine jugulaire a été cathétérisée (Set de cathétérisme veineux central multilumière français 6–8 CE-12703 ; Arrow International) pour obtenir un accès veineux central pour la perfusion de médicaments IV pendant la chirurgie. Par la suite, l'animal a été retourné et une laminectomie dorsale a été réalisée, l'animal étant instrumenté bilatéralement avec des vis pédiculaires. Chez 5/8 animaux, une lésion de contusion-compression de la moelle épinière a été induite au niveau de T10 comme décrit précédemment30.

Les données sur la pression partielle d'oxygène (PO2) dans la moelle épinière ont été recueillies de manière invasive à l'aide d'un ensemble de capteurs intraparenchymateux (NX-BF/OF/E ; Oxford Optronics, Oxford, Royaume-Uni), ce qui nous a permis de comparer les changements d'oxygénation mesurés superficiellement (par NIRS ) à celles mesurées depuis l'intérieur du parenchyme médullaire. Chaque sonde contient trois capteurs à la pointe (température, débit sanguin et PO2 ; diamètre de la pointe 450 μm). Le capteur mesure la PO2 tissulaire à l'aide d'une technique d'extinction de fluorescence et de fibre optique33, enregistrée à une fréquence d'échantillonnage de 1 Hz. Selon le protocole expérimental, une ou deux sondes intraparenchymateuses (IP) ont été insérées dans le parenchyme médullaire (Fig. 1c), comme décrit dans Cheung et al.30. Les sondes ont été insérées avec les pointes de sonde situées dans la substance blanche de la moelle épinière à une profondeur d'environ 3 à 4 mm sous la dure-mère. Le placement de la sonde a été vérifié par imagerie ultrasonore (L14-5/38, sonde à matrice linéaire de 38 mm, Ultrasonix RP ; BK Ultrasound, Richmond, BC, Canada et VisualSonics Mx400, 30 MgHz, Toronto, Canada). Les sondes ont été connectées à des moniteurs de canaux OxyLab/OxyFlow (Oxford Optronics, Oxford, Royaume-Uni) et les données ont été transmises au logiciel LabChart Pro (AD Instruments, Colorado Springs, Colorado, États-Unis).

Montage expérimental représentatif. ( a ) Placement du capteur NIRS (PortaMon, Artinis Medical Systems, Pays-Bas) sur le muscle du membre postérieur gauche d'un miniporc du Yucatan. (b) Le dessous du capteur NIRS se compose d'une photodiode (élément récepteur de lumière) et de trois LED (chacune transmettant la lumière à deux longueurs d'onde ; ~ 765 nm et ~ 850 nm). Les distances interoptodes de la photodiode à chaque LED sont les suivantes : 30 mm, 35 mm et 40 mm. Les trois LED émettent une puissance optique totale de 0,88 mW, 1,78 mW et 3,67 mW, respectivement. ( c ) Placement peropératoire de sondes intraparenchymateuses (IP) de la moelle épinière pour mesurer les changements locaux de la PO2 de la moelle épinière en réponse à l'euthanasie. Des sondes IP ont été placées dans le cadre d'autres études NIRS. Sondes IP sondes intraparenchymateuses, pression partielle d'oxygène PO2, spectroscopie proche infrarouge NIRS.

Un dispositif NIRS transcutané a été utilisé lors de chaque chirurgie (Fig. 1a,b). Un capteur NIRS compact portable (PortaMon/PortaLite, Artinis Medical Systems, Pays-Bas) a été placé sur le ventre du muscle biceps fémoral de la patte arrière de l'animal. Le capteur NIRS est un système NIRS à double longueur d'onde (765 et 850 nm) à onde continue contenant trois paires de LED dans une configuration de spectroscopie à résolution spatiale (SRS) et une seule photodiode. Sur la base de la configuration SRS et de la loi de Beer-Lambert modifiée27, nous obtenons des informations sur les paramètres suivants : oxyhémoglobine (O2Hb, μM/L), désoxyhémoglobine (HHb, μM/L), hémoglobine totale (THb = O2Hb + HHb, μM/ L), et la différence d'hémoglobine (Hbdiff = O2Hb-HHb, μM/L)]. De plus, nous pouvons estimer la saturation en oxygène des tissus locaux (indice de saturation des tissus ou TSI, exprimé en %) sur la base de l'Eq. (1), après correction de la diffusion tissulaire. Le coefficient de diffusion réduit a été ajusté pour refléter celui de la musculature humaine (aucun ajustement n'a été effectué pour tenir compte des différences potentielles entre les tissus humains et porcins).

Les données NIRS ont été collectées à l'aide du logiciel OxySoft version 3.0.95 (Artinis Medical Systems, Pays-Bas) à une fréquence d'échantillonnage de 10 Hz. Chaque capteur NIRS a été fixé à l'aide d'un ruban adhésif double face pour éviter d'induire une pression sur le tissu sous-jacent (Fig. 1a). Par la suite, le capteur NIRS a été recouvert d'un drap chirurgical stérile pour l'isoler de la lumière ambiante pendant la collecte des données.

Les animaux ont été euthanasiés avec du pentobarbital sodique IV administré par accès veineux jugulaire central à une dose standard de 120 mg/kg en 5 s. Le pentobarbital est un barbiturique à action brève et un sédatif-hypnotique utilisé depuis longtemps dans la pratique vétérinaire pour l'anesthésie et l'euthanasie34. Le principal mode d'action est à l'origine d'un dysfonctionnement du SNC médié par GABAA, déprimant de manière critique les centres médullaires du tronc cérébral, entraînant une apnée d'apparition rapide34,35 et un collapsus cardiovasculaire avec des caractéristiques de bradycardie36,37, d'hypotension réfractaire35,37 et une contractilité myocardique réduite37. L'heure de début de l'administration du pentobarbital a été marquée dans LabChart. Pendant l'administration de pentobarbital, les porcs ont continué à recevoir une ventilation mécanique et une oxygénation. Ainsi, le mécanisme de l'arrêt cardiaque n'était pas secondaire à l'apnée induite par le pentobarbital (c'est-à-dire l'arrêt respiratoire, qui peut conduire à un arrêt cardiaque secondaire) mais plutôt à un collapsus cardiaque primaire. À l'arrêt d'un rythme cardiaque sur l'ECG transœsophagien, la ventilation a été interrompue et le décès a été confirmé par un technicien vétérinaire agréé après auscultation des bruits respiratoires et cardiaques et vérification d'un pouls périphérique palpable (oreille ou queue). Pendant ce temps, toutes les surveillances sont restées activées et les signaux NIRS, de pression artérielle invasive et de PO2 de la moelle épinière ont continué à être capturés jusqu'à 5 minutes après l'euthanasie.

Toutes les données ont été rééchantillonnées à 10 Hz pour une analyse ultérieure. Chez tous les animaux, les données NIRS et LabChart ont été alignées hors ligne par la présence de modèles d'artefacts dans les signaux. De tels modèles résultent de divers artefacts de mouvement et peuvent être utilisés pour identifier des événements communs dans les mesures de séries chronologiques. Les données ont été évaluées pour la distribution normale à l'aide d'un test de normalité omnibus D'Agostino Pearson. Le moment de l'euthanasie a été identifié à partir d'un marqueur d'événement inséré dans LabChart pendant la chirurgie. La fenêtre d'analyse a été identifiée comme 10 min avant l'insertion du marqueur d'événement, puis 5 min après l'ajout de l'événement (15 min au total). Les paramètres NIRS relatifs (O2Hb, HHb, THb et Hbdiff) ont été normalisés en z-score sur les 5 premières minutes de cette fenêtre et sont exprimés en unités d'écart-type (sdu). Nous avons examiné la pression artérielle moyenne (MAP), le NIRS TSI (%) et les valeurs de PO2 de la moelle épinière au cours des 10 dernières s de l'enregistrement après l'euthanasie et les avons comparées aux valeurs moyennes de référence avant l'euthanasie (collectées sur 60 s) à l'aide d'un test de Student apparié. test t (niveau de signification p < 0,05).

Les comparaisons entre le moment de la perfusion de pentobarbital et le premier changement détectable dans le NIRS TSI (%), la PO2 de la moelle épinière par rapport aux signaux MAP invasifs ont été calculées à l'aide d'un test t de Student apparié. Nous avons défini le "premier changement détectable" dans le signal descendant comme le temps écoulé entre l'insertion du marqueur d'euthanasie dans LabChart et la première chute du signal deux écarts-types en dessous de sa ligne de base (la valeur de base a été définie comme la valeur moyenne au cours de la dernière minute avant -perfusion de pentobarbital ; voir Fig. 4a).

Pour obtenir la fréquence et l'amplitude du pouls à partir des mesures du cathéter de pression artérielle carotidienne (ABP) et de la dynamique du signal NIRS O2Hb (sélectionné en raison des composants cardiaques importants dans leurs séries temporelles respectives), des analyses de transformée de Fourier à court terme (STFT) (fs = 10 Hz ; Une longueur FFT de 528 échantillons ; chevauchement de fenêtre de 24 %) a été effectuée sur des signaux normalisés z-score. Trois fenêtres d'analyse distinctes de 60 secondes ont été sélectionnées. Ceux-ci représentent (1) les signaux de base, (2) l'intervalle de 60 s immédiatement après la perfusion de pentobarbital et (3) les signaux post-euthanasie. Les fréquences d'impulsions (Hz) et les amplitudes d'impulsions (dB) ont été dérivées de ces fenêtres STFT (affichées sous forme d'intervalles de confiance moyens ± 95 %). Les différences entre les groupes (amplitude et fréquence du pouls dérivées de l'ABP vs O2HB) ont été analysées à l'aide d'un test t de Student bilatéral non apparié ou d'une ANOVA à mesures répétées (niveau de signification p < 0,05) pour les comparaisons de plusieurs groupes.

Toutes les analyses ont été effectuées à l'aide du logiciel GraphPad Prism 9.0.0 (GraphPad Software, La Jolla, CA, USA), MATLAB (version R2021a, Natick, Massachusetts, USA) ou des bibliothèques Python (Python Software Foundation). Les données sont présentées sous forme de moyenne ± écart type (SD) (ou ± erreur standard de la moyenne (SEM) lorsqu'il est spécifié autrement).

Tous les protocoles et procédures d'animaux utilisés pour cette étude étaient conformes aux politiques du Conseil canadien de protection des animaux et ont été examinés et approuvés par l'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de l'Université de la Colombie-Britannique (protocole n° A20- 0217 et A16-0311, approuvés le 26 octobre 2020 et le 17 février 2017, respectivement), et le Animal Care and Use Review Office (ACURO) de l'armée américaine et le Naval Information Warfare Center [Award No. N6600120-2- 4046, approuvé le 21 décembre 2020 (NIWC, USAMRMC Protocol No. NIWC-7783.e002), et Award No. W81XWH-16-1-0602, approuvé le 16 mai 2017, respectivement].

Par rapport à la valeur initiale, la MAP carotidienne a diminué de 64,68 mmHg ± 13,08 au cours des 5 minutes d'administration post-pentobarbital (n = 7 ; test t de Student, p < 0,0001 ; Tableau 1, Figs. 2a, 3a). La diminution moyenne de la PO2 médullaire était de 38,16 mmHg ± 20,04 (n = 6 ; test t de Student, p = 0,0028 ; Tableau 1, Figs. 2b, 3b). De même, nous avons observé une baisse statistiquement significative du TSI (%) (n = 8 ; test t de Student, p < 0,0001 ; Tableau 1, Figs. 2c,e, 3c), qui a chuté en moyenne de 14,50 % ± 3,80 dans les 5 premières minutes. Les mesures NIRS relatives ont montré (Fig. 2d, f) : une diminution de l'hémoglobine oxygénée (O2Hb ; − 84,33 sdu ± 38,65) ; une augmentation concomitante de la portion d'hémoglobine désoxygénée (HHb ; 87,66 sdu ± 65,62) ; et une diminution du paramètre de la différence d'hémoglobine (Hbdiff; - 127,23 sdu ± 67,75) chez tous les animaux.

NIRS transcutané, pression artérielle carotidienne et réponses PO2 de la moelle épinière à l'administration de pentobarbital. Traces moyennes de (a) MAP (n = 7 animaux, ± SEM), (b) PO2 de la moelle épinière, (n = 6, ± SEM), (c) TSI (%) (n = 8, ± SEM), et (d) changements relatifs des paramètres NIRS de O2Hb, HHb, THb et Hbdiff (n = 8 ± SEM). Le point de temps de 5 minutes (ligne pointillée) indique le moment de l'administration du pentobarbital. (e, f) Delta change pour l'euthanasie par rapport à une ligne de base de 60 s avant l'euthanasie. TSI (%) indice de saturation tissulaire, différence d'hémoglobine Hbdiff, hémoglobine oxygénée O2Hb, hémoglobine désoxygénée HHb, hémoglobine totale THb, pression artérielle moyenne MAP, pression partielle d'oxygène PO2, ligne de base BSL, euthanasie EUT.

Comparaison pré- et post-euthanasie des mesures MAP carotidienne, PO2 médullaire et TSI (%). Boîtes à moustaches (IQR + valeurs min et max) des valeurs pré-euthanasie (BSL ; moyenne sur 60 s de perfusion pré-pentobarbital) et post-euthanasie (EUT ; moyenne sur les 10 dernières s de l'enregistrement) dans (a) MAP ( mmHg) (n = 7, p < 0,0001) (b) PO2 de la moelle épinière (mmHg) (n = 6, p = 0,0028, et (c) TSI (%) (n = 8, p < 0,0001). Les comparaisons de groupe ont été analysé à l'aide d'un test t de Student apparié (niveau de signification p < 0,05) TSI (%) indice de saturation tissulaire, pression artérielle moyenne MAP, pression partielle d'oxygène PO2, ligne de base BSL, euthanasie EUT.

Le temps de premier changement de MAP a été observé à 10,43 ± 4,73 s (Fig. 4b). Le TSI dérivé du NIRS (%) a chuté à 12, 04 ± 1, 85 s (Fig. 4b). Chez 5/6 animaux (car les informations sur la PO2 médullaire n'étaient pas disponibles chez 2/8 animaux), les mesures de la PO2 médullaire ont été les plus lentes à répondre, prenant 25,02 ± 9,237 s pour enregistrer un changement de la PO2 médullaire deux écarts-types en dessous de la ligne de base (Fig. 4b). La différence de temps de détection entre le MAP et le TSI dérivé du NIRS (%) (n = 7, test t de Student apparié, p = 0,3714, niveau de signification p < 0,05) n'était pas significative.

Changement de l'euthanasie au premier changement dans l'hémodynamique pour la MAP, la PO2 de la moelle épinière et les TSI dérivés du NIRS (%) et l'O2Hb. (a) Chiffre représentatif d'une trace NIRS TSI (%) avant et immédiatement après la perfusion de pentobarbital. La première baisse détectée du signal a été définie comme la première valeur deux écarts-types en dessous de la ligne de base (établie au cours des 60 dernières secondes avant l'administration de pentobarbital). ( b ) Temps (sec) jusqu'au premier changement des signaux MAP carotidien, PO2 de la moelle épinière et TSI du membre postérieur (%) en réponse à l'euthanasie ± SD. MAP vs TSI (%) (n = 7 ; p = 0,3714) et MAP vs PO2 de la moelle épinière (n = 6, p = 0,0006) ont été analysés à l'aide de tests t de Student appariés (niveau de signification p < 0,05) ; TSI (%) indice de saturation tissulaire, pression artérielle moyenne MAP, pression partielle d'oxygène PO2.

Chez tous les animaux, les taux de pouls calculés par O2Hb et ABP étaient comparables (voir Fig. 5 pour une analyse STFT représentative), et aucune différence statistiquement significative n'a été détectée entre les taux de pouls dérivés d'O2Hb et d'ABP avant l'euthanasie (p> 0, 99), l'euthanasie (p = 0,97) et fenêtres d'analyse post-euthanasie (n = 8, test t de Student, niveau de signification p < 0,05 ; Tableau 2, Fig. 6d – f). Chez 6 animaux sur 8, nous avons noté une augmentation transitoire du pouls lors de la perfusion de pentobarbital (voir Fig. Supplémentaire S1–S3, S5–7). Chez 2 animaux sur 8, le pouls a commencé à diminuer immédiatement après l'induction de l'euthanasie (voir les figures supplémentaires S4 et S8).

Analyses représentatives de la transformée de Fourier à court terme. Colormaps STFT des signaux (a) ABP carotidien et (c) NIRS O2Hb sur une fenêtre de 15 minutes. La perfusion de pentobarbital a commencé à 600 s. (b, d) Trois fenêtres d'analyse ont été sélectionnées pour une analyse ultérieure, indiquant différentes étapes de l'euthanasie. Hémoglobine oxygénée O2Hb, pression artérielle ABP, ligne de base BSL, euthanasie EUT, transformée de Fourier courte durée STFT (pour les cartes de couleurs STFT d'animaux individuels, voir les figures supplémentaires 1 à 8).

Comparaison des changements de fréquence et d'amplitude du pouls dérivés de l'ABP et du NIRS en réponse à l'administration de pentobarbital. Amplitudes moyennes des impulsions dérivées de l'ABP et de l'O2Hb (dB) (n = 8) pendant (a) la ligne de base (p = 0,0014) et (b) l'euthanasie (p = 0,0009) (test t de Student, niveau de signification p < 0,05). ( c ) Amplitudes d'impulsion ABP et O2Hb (dB) à BSL vs EUT (ANOVA à mesure répétée, valeurs de p ajustées: ABP BSL vs EUT p = 0, 0047 et O2Hb BSL vs EUT p = 0, 0132; niveau de signification p < 0, 05). Taux de pouls moyen dérivé de l'ABP et de l'O2Hb (Hz) (n = 8) pendant (d) la ligne de base (p > 0,99), (e) l'euthanasie (p = 0,97) et (f) après l'euthanasie (incapable de calculer p). Les comparaisons de groupe ont été analysées à l'aide d'un test t de Student (niveau de signification p < 0,05). ns non significatif, hémoglobine oxygénée O2Hb, pression artérielle ABP, ligne de base BSL, euthanasie EUT.

Les amplitudes d'impulsion (dB) étaient plus fortes dans l'ABP que dans les signaux NIRS O2Hb (Fig. 6a, b). Cette différence était significative au départ (n = 8, test t de Student, p = 0,0014, niveau de signification p < 0,05 ; Fig. 6a) et après administration de pentobarbital (n = 8, test t de Student, p = 0,0009, niveau de signification p < 0,05 ; Fig. 6b). Enfin, nous avons constaté des diminutions statistiquement significatives des amplitudes d'impulsion O2Hb dérivées de l'ABP et du NIRS en réponse à l'administration de pentobarbital par rapport à la ligne de base (n = 8, ANOVA à mesures répétées, valeurs de p ajustées : ABP BSL vs EUT p = 0,0047 et O2Hb BSL vs EUT p = 0,0132 ; niveau de signification p < 0,05 ; Fig. 6c).

À l'aide d'un modèle porcin d'arrêt cardiaque primaire, nous avons examiné les modifications des mesures NIRS pendant l'arrêt cardiaque et les avons comparées aux mesures invasives de l'oxygénation de la moelle épinière et de la surveillance de la pression artérielle. Bien qu'il y ait eu plusieurs rapports utilisant la surveillance NIRS cérébrale pour évaluer le retour à la circulation spontanée (ROSC) et la qualité de la réanimation post-SCA38,39,40,41,42,43,44,45, l'utilisation de la surveillance NIRS transcutanée dans le cadre de la détection des arrêts cardiaques n'a pas été exploré et présente un domaine de recherche potentiellement nouveau. Nos résultats ont démontré un changement rapide et clair des signaux NIRS pendant et après un arrêt cardiaque, similaire aux mesures hémodynamiques invasives. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent l'utilité de la surveillance basée sur le muscle-NIRS pour la détection des SCA ; cependant, d'autres études sont nécessaires pour établir son efficacité.

Dans cette étude, nous avons utilisé le pentobarbital sodique pour induire l'euthanasie dans notre modèle porcin. Le pentobarbital déprime les centres médullaires du tronc cérébral, entraînant une mort rapide par dépression respiratoire34,35 et collapsus cardiovasculaire35,36,37. Il existe deux principaux modèles d'arrêt cardiaque : (1) un arrêt cardiaque primaire avec une atteinte directe au tissu cardiaque, provoquant l'arrêt du débit cardiaque efficace et l'hypoxie du corps entier qui en résulte ; et (2) un arrêt respiratoire primaire, provoquant une hypoxie du corps entier (y compris celle du tissu cardiaque), entraînant un arrêt cardiaque secondaire. Bien que le phénobarbital provoque une dépression respiratoire, dans cette étude, la ventilation mécanique et l'oxygénation ont été poursuivies après l'administration de pentobarbital (prévention de l'hypoxie), ce qui correspond à un arrêt cardiaque primaire. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour étudier les changements physiologiques avec un arrêt respiratoire conduisant à un arrêt cardiaque secondaire, comme cela se produit plus fréquemment chez les nourrissons, les enfants et les adultes atteints d'un arrêt cardiaque lié aux opioïdes ou d'autres étiologies respiratoires46. Étant donné que le NIRS mesure l'oxygénation des tissus, il peut être très utile pour détecter un arrêt respiratoire avant un arrêt cardiaque.

Nous avons observé une variabilité inter-animal considérable dans les mesures pré-euthanasie de la PO2 de la moelle épinière, ce qui peut refléter des variations dans le placement des sondes IP et la petite zone d'échantillonnage (signalée comme étant d'environ 0,5 à 1 mm3,47). Ces limitations entraînent des lectures de PO2 dans la moelle épinière qui peuvent être très sensibles aux différences de composition tissulaire et de microvasculature locale. De même, les mesures de base de la PAM ont affiché une variabilité notable, ce qui n'est pas surprenant compte tenu de la large gamme de pressions artérielles physiologiques. TSI (%) pré-euthanasie était comparable entre les animaux, indiquant que la saturation régionale en oxygène est préférentiellement maintenue dans une plage spécifique dans la patte arrière de l'animal chez l'animal anesthésié.

Alors que la MAP et la PO2 de la moelle épinière ont chuté à des niveaux inférieurs à ceux observés pour les tissus vivants au cours des 5 premières minutes d'induction post-euthanasie, nous avons observé une diminution plus faible du TSI (%) (14,50 % ± 3,80). Dans un cas, le TSI (%) est passé de 76,08 % à 62,63 % (animal n° 8, tableau 1). En raison d'un TSI (%) relativement élevé au départ, cette diminution associée à l'arrêt complet de la fonction cardiaque chez cet animal pourrait se situer dans la plage physiologique TSI (%) d'un autre animal (voir les animaux n ° 1 à 2, tableau 1). Cela suggère qu'une valeur particulière de TSI (%) peut ne pas être suffisante pour détecter des événements cardiaques soudains, mais gagne plutôt une valeur diagnostique si elle est interprétée dans le contexte des tendances hémodynamiques dérivées du NIRS, des changements de fréquence du pouls et des mesures TSI (%) de base spécifiques au patient . Il est important de noter que le TSI (%) ne reflète pas la saturation artérielle en oxygène (c'est-à-dire la quantité d'oxygène dans le flux artériel disponible pour les tissus et les organes), mais est plutôt un indice d'hémoglobine oxygénée à totale au niveau d'un tissu microvasculaire48 composé à la fois d'hémoglobine artérielle et veineuse composants et comprend donc très probablement de l'oxygène "inaccessible" emprisonné dans les compartiments veineux. En outre, il est crucial de considérer que d'autres conditions locales et systémiques pourraient entraîner des diminutions similaires de la TSI (%). Cela doit être souligné lorsqu'il est placé dans le contexte plus large de la discussion de la spécificité de l'utilisation des modifications dérivées du NIRS dans le cadre de la détection des SCA. Notre groupe a récemment montré dans notre modèle porcin que des périodes contrôlées d'hypoxie à une cible SpO2 de 70 % entraînaient une diminution de TSI % de 10,5 ± 1 % enregistrée par le capteur PortaMon NIRS à partir de la patte arrière de l'animal49. Bien que cliniquement, il est peu probable que de tels épisodes graves d'hypoxie soient rencontrés de manière routinière; d'autres chercheurs ont rapporté des diminutions des indices de saturation tissulaire dérivés du NIRS dans divers contextes cliniques qui conduisent à une hypoperfusion tissulaire, y compris une maladie vasculaire50 et un choc51,52,53.

Nous avons en outre observé que le taux de variation de la MAP et de la PO2 de la moelle épinière était le plus élevé au cours de la première minute de perfusion post-pentobarbital une fois qu'une diminution significative du signal en dessous de la ligne de base était détectée. Ceci est cohérent avec les rapports précédents d'une étude canine où le pentobarbital a provoqué une diminution de la MAP à des niveaux indétectables à un temps moyen de 52,6 s54. Le taux de changement de TSI (%) était plus lent et a montré une tendance légèrement décroissante à 5 min après l'euthanasie. La MAP reflète la pression artérielle moyenne sur un seul cycle cardiaque et est donc très sensible à la perte de contractions ventriculaires efficaces et à une diminution du débit cardiaque. D'autre part, le NIRS mesure "l'effet" de cette perte d'activité contractile sur le tissu sous-jacent, qui au moment de l'arrêt cardiaque est encore métaboliquement actif55,56. Sans circulation systémique, cet échange d'oxygène continu peut sous-tendre la baisse constante de la saturation en oxygène musculaire dérivée du NIRS sur une période prolongée.

Notamment, la comparaison entre le temps écoulé entre l'administration de pentobarbital et la première baisse détectable du TSI dérivé du NIRS (%) à partir d'une ligne de base prédéfinie démontre la grande sensibilité du NIRS pour détecter les changements systémiques dans l'oxygénation des tissus de manière non invasive. En revanche, la première baisse détectable de PO2 spinale s'est produite beaucoup plus lentement. La PO2 de la moelle épinière représente la pression partielle locale d'oxygène (c'est-à-dire l'oxygène "dissous") dans le tissu et fournit ainsi une lecture de la disponibilité d'oxygène au niveau cellulaire. Comme l'oxygène est initialement libéré des sites de liaison de l'hémoglobine pour répondre à la demande métabolique du tissu, la PO2 locale de la moelle épinière restera stable jusqu'à ce que la demande métabolique du tissu dépasse la capacité de libération d'oxygène de l'hémoglobine. Cependant, d'autres facteurs doivent également être pris en compte, tels que les retards potentiels dans les temps de réponse des sondes IP et les faibles taux d'échantillonnage.

Nous avons également comparé les amplitudes moyennes des impulsions NIRS O2Hb et ABP carotidiennes à trois moments différents (avant, pendant et après l'euthanasie). Chez tous les animaux, les amplitudes d'impulsion dérivées de l'ABP étaient plus fortes que celles dérivées du NIRS, à la fois avant et immédiatement après la perfusion intraveineuse de pentobarbital. Cela n'est pas surprenant car les deux signaux proviennent de sources différentes. La surveillance invasive de la pression artérielle est obtenue en surveillant les changements de pression cycliques de l'un des principaux vaisseaux bifurquant à partir de l'aorte. Le NIRS, d'autre part, mesure indirectement les changements de pouls en capturant l'effet du flux sanguin pulsatile sur la dynamique des tissus sous-jacents à un site distal par rapport au cœur. Comme indiqué précédemment, le NIRS captera les changements se produisant au niveau microvasculaire, en capturant les contributions du sang artériolaire, capillaire et veinulaire. Il est important de noter que les veinules et les capillaires ne contribuent pas de manière significative à la propagation de la forme d'onde de pression tout en constituant une partie importante du signal NIRS. Cela contribuera à l'amplitude d'impulsion réduite observée dans le signal NIRS par rapport à l'ABP. Il convient de noter que chez six animaux sur huit, nous avons observé la présence d'une activité cardiaque après la confirmation clinique de la mort, ce qui correspond aux rapports précédents selon lesquels de tels signaux peuvent persister pendant 5,5 à 16 minutes après la perfusion de pentobarbital54. Notamment, les amplitudes moyennes des impulsions dérivées de l'ABP et du NIRS ont diminué pendant l'euthanasie (par rapport à la ligne de base), indiquant une diminution de l'activité inotrope cardiaque capturée par les deux systèmes. La surveillance en temps réel de l'amplitude des impulsions basée sur le NIRS présente une nouvelle voie potentielle d'identification de l'arrêt cardiaque, encourageant une enquête plus approfondie.

Nous avons également observé un fort accord entre le NIRS et les taux de pouls dérivés de l'ABP carotidien au cours des trois fenêtres d'analyse distinctes, comme l'ont révélé les analyses de transformée de Fourier à court terme. Notamment, chez six animaux sur huit, nous avons observé des augmentations transitoires de la fréquence cardiaque pendant et immédiatement après la perfusion de pentobarbital, ce qui concorde avec les découvertes précédentes54. Cela suggère que, bien que les amplitudes d'impulsions globales dérivées du NIRS soient plus faibles à ce site corporel plus distal, le système NIRS capture les changements de la fréquence cardiaque induite par le pentobarbital avant et pendant le dysfonctionnement cardiaque à une sensibilité élevée lorsqu'il est évalué par rapport à la surveillance invasive de la pression artérielle. Sur la base de ces résultats, nous concluons que le NIRS transcutané peut être utilisé dans le cadre pour fournir des informations similaires. Nous n'avons pas pu effectuer cette évaluation sur les paramètres dérivés de l'IP, car la faible fréquence d'échantillonnage du système combiné OxyLite/OxyFlow nous a empêchés de détecter les changements de flux sanguin pulsatile se produisant battement par battement.

Plusieurs autres technologies ont été examinées pour la détection non invasive des SCA hors de l'hôpital. Celles-ci incluent l'utilisation de systèmes portables de surveillance/défibrillation basés sur l'ECG qui se sont révélés prometteurs pour réduire la mortalité chez les patients à haut risque lorsqu'ils sont portés après un infarctus du myocarde57 et un dysfonctionnement ventriculaire gauche58. De plus, des systèmes de surveillance de la fréquence cardiaque basés sur des montres intelligentes/bracelets photopléthysmographiques (PPG) sont disponibles59,60,61,62,63. Cependant, comme les capteurs PPG reposent sur le flux sanguin pulsatile, ils deviennent moins fiables ou peuvent être incapables de renvoyer une mesure pendant les périodes d'hypotension systémique, d'hypothermie ou de mauvaise circulation périphérique24,64,65. En tant que telle, la surveillance PPG a été principalement étudiée pour sa capacité à capturer les changements de fréquence cardiaque et la variabilité de la fréquence cardiaque comme moyen de surveiller le retour à la circulation spontanée (ROSC) pendant la réanimation cardiopulmonaire59,66 et la surveillance et le dépistage à long terme de l'arythmie cardiaque comme examiné précédemment62. La capacité du NIRS à capturer l'arrêt des pulsations cardiaques tout en surveillant les changements d'oxygénation des tissus (même en l'absence d'une forme d'onde de pouls) suggère que le NIRS pourrait être un outil utile pour détecter un arrêt cardiaque dans un cadre extra-hospitalier et suivre sa progression jusqu'à la reprise du ROSC. Cela faciliterait davantage l'étude d'une relation potentielle entre les changements d'oxygénation dérivés du NIRS au cours de la progression de l'arrêt cardiaque et le pronostic clinique. Enfin, des appareils intelligents ont été utilisés pour capturer les schémas respiratoires agoniques afin de détecter le SCA67. La respiration agonale est un réflexe du tronc cérébral résultant d'une hypoxie sévère. Cependant, la respiration agonique ne se produit que dans 55 % des cas d'arrêt cardiaque observés68. La faible sensibilité qui en résulte contraint l'utilisation généralisée d'une telle surveillance dans le cadre de la détection des SCA.

Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que le NIRS peut avoir une utilité pour la détection rapide d'un arrêt cardiaque. Les progrès techniques récents dans les composants électro-optiques et la technologie NIRS permettent le développement de capteurs NIRS compacts, portables, à faible consommation d'énergie, sensibles, bon marché et flexibles. L'intégration de capteurs NIRS miniaturisés avec d'autres biocapteurs portables pertinents peut former de nouvelles approches de détection multimodales pour une surveillance approfondie des signes vitaux et la prédiction et le diagnostic rapide des dysfonctionnements cardiaques critiques.

Il y a plusieurs limites à ce que nous rapportons. Tout d'abord, bien qu'il existe de nombreuses étiologies et variations physiologiques différentes au sein du SCA humain, notre modèle porcin d'euthanasie SCA induit par le pentobarbital peut différer de l'expérience humaine. Ceci est particulièrement pertinent, car le temps écoulé entre la perfusion de pentobarbital et le décès confirmé est inconnu, ce qui limite notre capacité à extrapoler les résultats à un scénario plus pertinent sur le plan clinique. Deuxièmement, étant donné que les données physiologiques ont été capturées avec différents logiciels d'enregistrement et ont ensuite été alignées hors ligne par la présence de modèles d'artefacts dans le signal, elles sont susceptibles d'erreurs mineures d'alignement. Cependant, étant donné la nature unique des modèles d'artefacts dans les signaux, nous nous attendons à un désalignement minimal dans les ensembles de données, le cas échéant. De même, nous nous attendons à une certaine variabilité inter-animaux en raison de divergences dans le moment exact de l'insertion du marqueur d'euthanasie indiquant l'administration IV de pentobarbital. Enfin, il est essentiel de noter qu'aucun ajustement des coefficients de diffusion n'a été effectué pour tenir compte des différences potentielles entre l'homme et le porc dans le calcul de l'indice de saturation des tissus, qui est établi pour un usage humain. Sans faire d'ajustements au modèle, nous postulons que les différences inter-espèces suivantes pourraient affecter le calcul et devraient être explorées plus avant dans des études ultérieures : (1) pigmentation de la peau, (2) texture de la peau, (3) épaisseur de la peau et (4) adiposité sous-cutanée. épaisseur des tissus.

La surveillance NIRS transcutanée peut présenter une approche de détection de SCA nouvelle, réalisable et non invasive qui justifie une enquête plus approfondie. La capacité du NIRS transcutané à capturer simultanément la cessation de l'activité pulsatile cardiaque tout en surveillant les changements dans l'oxygénation des tissus peut entraîner le développement de nouveaux capteurs optiques portables pour la détection précoce de SCA et son suivi ultérieur. Cela peut améliorer la prise en charge des ACS sans témoin et accélérer l'accès aux interventions vitales.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient le personnel du UBC Kwon Research Lab et du UBC Center for Comparative Medicine, qui ont soutenu ces expériences in vivo complexes et fourni des soins aux animaux impliqués dans les études. Cette étude a été soutenue par une bourse de recherche translationnelle du ministère américain de la Défense, Spinal Cord Injury Research Program (SCIRP). Mahsa Khalili est titulaire d'un prix de stagiaire, Brian Grunau est titulaire d'un prix de professionnel de la santé et chercheur et Babak Shadgan est titulaire d'un prix d'érudit du Michael Smith Health Research BC.

Cette étude a été soutenue par un prix de recherche translationnelle du département américain de la Défense, programme de recherche sur les lésions médullaires (SCIRP), SC130007, la Fondation Michael Smith pour la recherche en santé (MSFHR), prix n° AWD-00482, les projets de recherche avancée de la défense Agency (DARPA), contrat n° N660012024046 et MITACS Award n° IT25703. Les vues, opinions et/ou conclusions exprimées sont celles de l'auteur et ne doivent pas être interprétées comme représentant les vues ou politiques officielles du Département de la Défense ou du gouvernement des États-Unis.

International Collaboration on Repair Discoveries (ICORD), Université de la Colombie-Britannique, 818 West 10th Avenue, Vancouver, BC, V5Z 1M9, Canada

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

Département de neurosciences, Université de la Colombie-Britannique, 2215 Wesbrook Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z3, Canada

Katharina Raschdorf et Babak Shadgan

École de génie biomédical (SBME), Université de la Colombie-Britannique, 2222 Health Sciences Mall, Vancouver, BC, V6T 1Z4, Canada

Kaavya Hogle, Saud Lingawi, Calvin Kuo et Babak Shadgan

Département de médecine d'urgence, Université de la Colombie-Britannique et Hôpital St. Paul, Vancouver, Colombie-Britannique, Canada

Mahsa Khalili, Brian Grunau et Jim Christenson

Département d'orthopédie, Université de la Colombie-Britannique, 2775 Laurel Street, Vancouver, BC, V5Z 1M9, Canada

Tour de Shadgan

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Conceptualisation, BS et KR ; méthodologie, KR ; analyse formelle, KR ; validation des analyses, BG, KC, JC et BS ; collecte et conservation des données, BS, KR, KS, AC, NM ; rédaction (préparation du projet original), KR et AM ; rédaction (révision et édition), BS, CK, BG, JC, MK et SL ; visualisation, KR Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Babak Shadgan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Raschdorf, K., Mohseni, A., Hogle, K. et al. Évaluation de la spectroscopie transcutanée dans le proche infrarouge pour la détection précoce d'un arrêt cardiaque dans un modèle animal. Sci Rep 13, 4537 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31637-1

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Reçu : 31 juillet 2022

Accepté : 15 mars 2023

Publié: 20 mars 2023

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

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