CC BY
1Научная статья УДК 612.117.5: 535.343.9 doi:10.24151/1561-5405-2024-29-2-223-235 EDN: JNXARM
Мониторинг оксигенации гемоглобина с помощью прибора NIRS4 и разработанного алгоритма
Д. А. Буянов1'2, П. В. Шалаев3, П. А. Монахова1'3, А. Ю. Герасименко1'4
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
г. Москва, Россия
2
ООО «Медицинские Компьютерные Системы», г. Москва, Россия 3ООО «Айвок», г. Москва, Россия
4Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова Минздрава России, г. Москва, Россия
gerasimenko@bms.zone
Аннотация. Носимые устройства, осуществляющие непрерывное наблюдение за физиологическими сигналами организма, позволяют диагностировать и лечить заболевания, а также повышать эффективность физических нагрузок. При измерении количественных показателей методом ближней ИК-спектроскопии возникает проблема, связанная с неопределенностью оптической длины оптического пути. Без знания оптической длины невозможно получить точные значения, поэтому количественными показателями будут относительные концентрации гемоглобина, выражающиеся в условных единицах. В работе выполнены сравнительная оценка и анализ результатов измерения оксигенации гемоглобина с помощью прибора NIRS4 и разработанного алгоритма. Описаны проведенные эксперименты по определению индекса оксигенации. Установлено, что измеренные значения для каждой фракции гемоглобина соответствуют известным значениям, а расчет концентрации оксигенирированного гемоглобина с использованием разработанного метода дает изменения в концентрации того же порядка, что и типичные данные для других методов и приборов. Результаты исследования могут использоваться для ранней диагностики биохимической активности организма. Это открывает новые возможности для развития методов диагностики и контроля состояния здоровья на основе показателей концентрации гемоглобина в крови.
Ключевые слова: ближняя ИК-спектроскопия, оптическая тканевая оксиметрия, оксигенация тканей, сатурация
Финансирование работы: работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (проект FSMR-2024-0003).
Для цитирования: Буянов Д. А., Шалаев П. В., Монахова П. А., Герасименко А. Ю. Мониторинг оксигенации гемоглобина с помощью прибора и разработан-
ного алгоритма // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 2. С. 223-235. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-2-223-235. - EDN: JNXARM.
© Д. А. Буянов, П. В. Шалаев, П. А. Монахова, А. Ю. Герасименко, 2024
Original article
Monitoring of hemoglobin oxygenation using the NIRS4 device and the developed algorithm
D. A. Buyanov1'2, P. V. Shalaev3, P. A. Monakhova1'3, A. Yu. Gerasimenko1'4
1National Research University of Electronic Technology, Moscow,
Russia 2 (( ^
"Medical Computer Systems " LLC, Moscow, Russia 3 "Aivok" LLC, Moscow, Russia
4I. M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation, Moscow, Russia
gerasimenko@bms.zone
Abstract. Wearable devices that continuously monitor the physiological signals of the body allow the diagnosis and treatment of diseases, as well as the increase of physical activity effectiveness. During quantitative measurements by near infrared spectroscopy a problem arises related to indefiniteness of optical length of optical pathway. Without knowing optical length, it is impossible to obtain precise values, hence quantitative indicators will be relative concentrations of hemoglobin in terms of relative units. In this work, a comparative assessment and analysis of the results of measuring hemoglobin oxygenation using the NIRS4 device and the developed algorithm were conducted. Experiments conducted to determine the oxygenation index are described. It was found that the measured values for each hemoglobin fraction correspond to known values, and the calculation of the oxygenated hemoglobin concentration using the developed method gives changes in concentration of the same order as typical data for other methods and devices.The results of the study can be used for early diagnosis of the biochemical activity of the body. This opens new opportunities for the development of methods for diagnosing and monitoring health status based on indicators of hemoglobin concentration in the blood.
Keywords: near infrared spectroscopy, optical tissue oximetry, tissue oxygenation, saturation
Funding: the work was carried out within the framework of the state task of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (project FSMR-2024-0003).
For citation: Buyanov D. A., Shalaev P. V., Monakhova P. A., Gerasimenko A. Yu. Monitoring of hemoglobin oxygenation using the NIRS4 device and the developed algorithm. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 2, pp. 223-235. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2024-29-2-223-235. - EDN: JNXARM.
Введение. Использование носимых устройств, или биосенсоров, позволяющих осуществлять непрерывный мониторинг физиологических сигналов, имеет большое значение для повышения активности физических нагрузок, а также для диагностики и лечения заболеваний [1]. Как правило, используются такие показатели, как частота сердечного ритма, концентрация молочной кислоты в крови или максимальный уровень потребления кислорода. Данные показатели помогают определить интенсивность, при которой достигаются лучшие результаты, но не учитывают информацию о работающих мышцах. В связи с этим
растет интерес к изучению насыщения мышц кислородом, так как этот параметр может обеспечить непрерывное локальное измерение с помощью ближней ИК-спектроскопии. Данный метод является неинвазивным и может предоставлять функциональную информацию об окислительном метаболизме скелетных мышц во время физических упражнений у здоровых и клинических пациентов [2], а также выступать показателем продуктивной деятельности человека [3]. Проблема, которая возникает при измерении количественных показателей методом ближней ИК-спектроскопии, связана с неопределенностью оптической длины оптического пути в модифицированном законе Бугера - Ламберта - Бера [4]. Так как без знания оптической длины невозможно получить точные значения, количественными показателями будут являться относительные концентрации гемоглобина, которые обычно выражаются в условных единицах. Для этого необходимо использовать специальные алгоритмы обработки данных.
Для измерения показателей оксигенации гемоглобина предназначен прибор №К84, который работает в ИК-диапазоне 700-900 нм и используется для измерения концентрации оксигенированного гемоглобина (оксигемоглобина) НЬ02 и дезоксигенированного гемоглобина (дезоксигемоглобина) НЬ. Этот диапазон называется окном прозрачности (свет легко проникает сквозь ткани). Гемоглобин и другие органические соединения поглощают свет с длиной волны менее 700 нм, а вода - с длиной волны более 900 нм. Таким образом, поглощение света в диапазоне 700-900 нм зависит от концентрации оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Если известны коэффициенты поглощения этих веществ, то появляется возможность рассчитать изменение концентрации на основе изменения поглощения в двух характерных точках спектра.
Цель настоящей работы - экспериментальная валидация функционирования прибора №К84 для измерения индекса оксигенации и сравнение получаемых с его помощью результатов с аналогами.
Методы исследования. Прибор №Я84 использовали для регистрации рассеянного светового излучения. Устройство состоит из трехчастотного светодиодного излучателя с длинами волн 770, 810, 850 нм и четырех приемников света, расположенных на гибких штативах вокруг излучателя и на некотором расстоянии от него для обеспечения равномерного распределения света по всей поверхности объекта. Излучатель находится в центре устройства.
В работе [5] предложен алгоритм измерения абсолютных и относительных концентраций оксигенированных и дезоксигенированных форм гемоглобина на основе модифицированного закона Бугера - Ламберта - Бера с помощью прибора ШЯ84. Представленная модель основана на предварительном использовании фантомов, имитирующих рассеивающие биологические объекты с известными оптическими свойствами, для калибровки прибора. Согласно предложенной эмпирической модели абсолютная концентрация дезоксигенированной СНь и оксигенированной СНю2 форм гемоглобина определяется следующим образом:
(
C =
CHb
1 1
,770 'HbO,
j-850 1
"1П785СГ"С
1 Г,
Л
850
(
J по
-Ь-ш-G
1 г,
л
770
,850 'НЮ.,
rSD DPF
770 850 _ 770 850 8HbO, 8Hb 8Hb 8HbO,
1 1
C
rSD DPF
- In
I
770 ^
Г* 770
10
— 8 770 С
HbO
8
770 HbO
<
где rSD - расстояние между источником и приемником излучения; DPF - дифференци-
" 1 „770 „850 „770 „850
альныи фактор длины пути; 8Hb^ , , 8Hb , sHb - показатели поглощения оксигемог-лобина и дезоксигемоглобина на длинах волн 770 нм и 850 нм соответственно; I770, I850, С, /д50 - интенсивность регистрируемого и падающего излучения на длинах волн 770
и 850 нм соответственно; G™, Gr - модифицированный фактор ослабления излучения на длинах волн 770 и 850 нм, рассчитанный соответственно на основе измерении фактора ослабления G770, G850 на фантомах с известными оптическими свойствами.
При известных концентрациях Сньо2 и Снь можно определить параметр функциональной сатурации:
C
Stn =-HbQ-100%.
°2 C + C
CHbO2 + CHb
Полученные данные сохраняли в программе LabRecorder, затем обрабатывали с помощью разработанного алгоритма. Предварительная фильтрация исходных данных с применением медианного фильтра позволила устранить возможные искажения, вызванные смещением прибора.
Рис. 1. Изменения концентрации дезоксигемоглобина CHb, оксигемоглобина Сньо2, общей концентрации гемоглобина CHb в крови при артериальной окклюзии (а), мышечной нагрузке (в) и показателя
сатурации гемоглобина в крови St02 при артериальной окклюзии (б), мышечной нагрузке (г) Fig. 1. Changes in the concentration of deoxygenated hemoglobin CHb, oxygenated hemoglobin CHb^, total concentration of blood hemoglobin CHbi during arterial occlusion (a), muscle load (с), and hemoglobin saturation in the blood St02 during arterial occlusion (b), muscle load (d)
Для сравнения с аналогами рассматривали следующие параметры (рис. 1):
- разница значений концентрации AC1 оксигемоглобина в состоянии покоя и в минимуме, мкмоль/л;
- разница значений концентрации AC2 оксигемоглобина в состоянии гиперкомпенсации и в минимуме, мкмоль/л;
- разница значений сатурации ASh оксигемоглобина в состоянии покоя St1 и в минимуме St%;
- разница значений сатурации ASt2 оксигемоглобина в состоянии гиперкомпенсации St3 и в минимуме St2, %.
В случае мышечной нагрузки также учитывали следующие параметры:
- разница значений концентрации AC3 оксигемоглобина в состоянии гиперкомпенсации и покоя, мкмоль/л;
- разница значений сатурации ASt3 оксигемоглобина в состоянии гиперкомпенсации St3 и покоя Sti, %.
Результаты и их обсуждение. По результатам проведения нескольких экспериментов с применением прибором NIRS4 выявлены следующие особенности изменения оксигенации мышц при артериальной окклюзии и физической нагрузке [6].
Оксигенация при артериальной окклюзии. В табл. 1 представлены значения параметров оксигенации гемоглобина при артериальной окклюзии, полученные с помощью разных приборов.
Таблица 1
Значения характерных параметров оксигенации гемоглобина при артериальной окклюзии
Table 1
Values of characteristic parameters of hemoglobin oxygenation in arterial occlusion
Прибор/ Метод измерения Источник AC1, мкмоль/л AC2, мкмоль/л Stb% St2,% St3,% AStb % ASt2, %
NIRS4 (Medical Computer Systems Ltd., Россия) / Непрерывно-волновой метод Настоящая работа 63 99 68 26 77 42 51
Time Resolved Spectroscopy / Спектроскопия с временным [7] 35 55 83 45 85 38 40
разрешением
NIRO500 (Hamamatsu Photonics, Япония) / Непрерывно- [8] 33 66 - - - - -
волновой метод
OMNIA (ISS Inc., США) / Фазовая модуляция [8] 12 17 - - - - -
NIRS instrument (Radiometer Medical A/S, Дания) [9] 35 43 - - - - -
Custom NIRS device (специ-
альное устройство для NIRS) / Насыщаемость мышц кисло- [10] - - 66 22 71 44 49
родом
Custom NIRS device (специальное устройство для NIRS) [11] - - 75 54 80 21 26
[12] - - 69 14,2 82,8 54,8 68,6
OxiplexTS Oximeter model 96208 (ISS, США) / Метод частотной области, фазовая [13] - - 64 34 76 30 42
модуляция
NIRTRS (Hamamatsu Photonics, Япония) / Спектроскопия с [14] - - 60 24 72 36 48
временным разрешением
Окончание
Прибор/ Метод измерения Источник ДСЬ мкмоль/л ДС2, мкмоль/л »1,% »2,% »3,% Д»ь % Д»2, %
Moxy (Fortiori Design LLC, США) / Насыщаемость мышц [15] _ _ 55 10 75 45 65
кислородом
Humon (Dynometrics Inc., США) / Насыщаемость мышц [15] _ _ 45 0 65 45 65
кислородом
PortaMon (Artinis Medical Systems, Нидерланды) [15] _ _ 70 30 80 40 50
«_» - нет данных.
Из табл. 1 видно, что значения изменения концентрации оксигемоглобина при артериальной окклюзии, полученные с использованием алгоритма и прибора NIRS4, имеют тот же порядок, что и значения, полученные с помощью других приборов и методов измерений. Значения изменения сатурации при артериальной окклюзии, полученные с помощью прибора NIRS4 (Д^ = 42 %, ДSt2 = 51 %), также находятся в хорошем соответствии с усредненными значениями, полученными с помощью других приборов и методов измерений ((Д^) = (39 ± 10) %, (ДSt2) = (50 ± 13) %).
Оксигенация при нагрузке на мышцы. При нагрузке на четырехглавую мышцу бедра наблюдалось постепенное снижение концентрации оксигенированной фракции гемоглобина, а ее восстановление начиналось сразу же по завершении нагрузки. При нагрузке на двуглавую мышцу плеча восстановление концентрации происходило в процессе нагрузки и почти сразу же после снижения до минимального значения. Скорость восстановления резко увеличилась по завершении нагрузки, что, вероятно, связано с различными типами гемодинамики и характером нагрузки [6].
По результатам экспериментов измерения оксигенации гемоглобина при мышечной нагрузке также проведено сравнение разницы значений концентрации и сатурации оксигемоглобина. Отметим, что при измерении параметров оксигенации в двуглавой мышце плеча эффект гиперкомпенсации проявился в большей степени: разница значений сатурации ДSt3 оксиге-моглобина в состоянии гиперкомпенсации St3 и покоя St1 в два раза превысила аналогичные значения при измерении в четырехглавой мышце бедра и для случая артериальной окклюзии (рис. 2).
В табл. 2 представлены характерные значения параметров оксигенации гемоглобина при нагрузке на мышцы, полученные с помощью разных приборов.
Рис. 2. Динамика изменения функциональной сатурации оксигемоглобина в мышечной ткани при нагрузке на двуглавую мышцу плеча (кривая 1), на четырехглавую мышцу бедра (кривая 3) ив тканях предплечья при артериальной сатурации (кривая 2)
Fig. 2. Dynamics of changes in functional oxyhe-moglobin saturation in muscle tissue during muscle loading of the biceps brachii (curve 1), quadriceps femoris (curve 3) and in the forearm tissues during arterial saturation (curve 2)
Характерные значения параметров окснгенацин гемоглобина при нагрузке на мышцы Characteristic values of the parameters of hemoglobin oxygenation during muscle loading
Таблица 2 Table 2
Мышца (или ткани) / Прибор/ Сиьо- , мкмоль/л Sto2, % Источ-
Тип нагрузки Метод измерения С, с2 Сз АС, А С2 St 1 St2 St з ASt[ A St-, ASti ник
Ткани предплечья / Артериальная окклюзия 107 44 143 63 99 68 26 77 42 51 9
Четырехглавая мышца бедра / Приседания в течение 280 с NIRS4 (Medical Computer Systems Ltd., Россия) / Разработанный алгоритм 107 82 135 25 53 65 51 73 14 22 8 Настоящая работа
Двуглавая мышца плеча / Подъем гантели на бицепс 124 53 195 71 142 60 30 76 30 46 16
в течение 160 с
Четырехглавая мышца TRS-20 (Hamamatsu Photonics
бедра / Работа на велотре- К.К., Япония) / NIRS с времен- 60 50 65 10 15 70 60 80 42 51 10 [16]
нажере в течение 120 с ным разрешением
Четырехглавая мышца бедра / Работа на велотре- NIRO-200 (Hamamatsu Photonics К.К., Япония) / NIRS с про- 95 90 _ 5
нажере в течение 360 с странственным разрешением [17]
TRS-20 (Hamamatsu Photonics
К.К.., Япония) / NIRS с времен- 95 80 - 15
ным разрешением
Четырехглавая мышца бедра / Работа на велотре- Моху (Fortiori Design LLC, США) / NIRS с пространствен- 1969* 1953* 1984* 16* 31* 73 37 81 36 44 8 [18]
нажере в течение 100 с ным разрешением
Двуглавая мышца плеча / NIRO-200 oximeter (Hamamatsu
Подъем гантели на бицепс Photonics К.К., Япония) / NIRS с - - - - - - - - 36 54 18 [19]
в течение 60 с пространственным разрешением
Икроножная мышца / Серия беговых упражне- PortaMon (Artinis Medical Systems BV, Нидерланды) / NIRS с _ _ _ 10 15 _ _ _ 15 20 5 [20]
нии пространственным разрешением
S
a: я
: - общая концентрация гемоглобина Снь,, мкмоль/л; «-» - нет данных.
Согласно табл. 2 характерные значения параметров изменения концентрации окси-гемоглобина и сатурации (выделены жирным шрифтом), полученные с помощью прибора NIRS4, соответствуют значениям, полученным с применением других приборов и методов. Данные результаты подтверждают возможность применения прибора NIRS4 в исследованиях динамики оксигенации мышц и являются основой для разработки методов диагностики и мониторинга состояния мышечных тканей согласно данным о концентрации гемоглобина.
Оксигенация моторной коры головного мозга. С использованием прибора NIRS4 и разработанного алгоритма получены и обработаны данные эксперимента, в ходе которого исследовали динамику изменения оксигенации в моторной коре головного мозга в ответ на постукивание пальцем по столу. Полученные зависимости представлены на рис. 3.
195 Время, б
Рис. 3. Результаты обработки экспериментальных данных исследования динамики оксигенации коры головного мозга: а, б - соответственно значения сатурации и относительные значения концентрации фракций гемоглобина, рассчитанные с использованием разработанного алгоритма; в - референсный
результат, полученный в работе [21] Fig. 3. The results of processing experimental data of the study of the dynamics of brain cortex oxygenation: a, b - respectively saturation values and relative concentrations of hemoglobin fractions calculated using the developed algorithm; c - reference result from work [21]
Предварительную обработку исходных данных проводили с помощью медианного фильтра. Для расчета изменений концентрации фракций гемоглобина применяли усредненное значение в качестве базовой линии. Также при проведении вычислений использовали значения дифференциального фактора длины пути DPF и модифицированного фактора ослабления G77",GS5", характерные для головы человека [5]. Полученные данные демонстрируют, что прибор NIRS4 способен регистрировать изменения концентрации гемоглобина в коре головного мозга. При этом значения изменений для каждой фракции гемоглобина соответствуют значениям, приведенным в работе [21] (см. рис. 3).
Можно отметить некоторое расхождение в значениях амплитуды смещения концентрации оксигемоглобина относительно базовой линии по сравнению с референсным результатом. В работах [22-24], в которых исследуется активность моторной коры головного мозга методами спектроскопии в ближней ИК-области, приводятся те же значения смещения концентрации оксигемоглобина относительно базовой линии на десятые доли - единицы мкмоль/л.
Проведено полномасштабное исследование влияния интервальной гипоксической тренировки и технологии электростимуляции мышц на продуктивность человека, кото-
рое включало в себя оценку изменения концентраций окси- и дезоксигемоглобина в префронтальной коре с применением прибора NIRS4 [3]. Всего в исследовании приняли участие 47 индоевропейских мужчин в возрасте от 25 до 50 лет. В результате обнаружено достоверное изменение только в группе испытуемых, выполнявших тренировки с использованием электростимуляции мышц. Это выражалось в повышении концентрации общего гемоглобина и оксигемоглобина, а также в снижении уровня сатурации тканей St в левой области префронтальной коры. В то же время отмечено снижение концентрации гемоглобина в правой области префронтальной коры. Результаты измерений представлены на рис. 4.
Рис. 4. Параметры оксигенации до и после проведения тренировок с электростимуляцией мышц (ЭСМ) и в контрольной группе [3] Fig. 4. Parameters of oxygenation before and after exercise with electrical muscle stimulation and in the control group [3]
Заключение. Проведенные эксперименты доказывают возможность применения прибора NIRS4 для анализа динамики оксигенации головного мозга. Сравнение результатов измерения концентрации для каждой фракции гемоглобина, приведенных в работе, с результатами, полученными с помощью других приборов и методов, показывает возможность применения разработанного алгоритма и прибора NIRS4 для измерения концентрации окси- и дезоксигемоглобина.
Результаты исследования могут использоваться для ранней диагностики биохимической активности организма. Это открывает новые возможности для развития методов диагностики и контроля состояния здоровья на основе показателей концентрации гемоглобина в крови.
Литература
1. Grassi B., Quaresima V. Near-infrared spectroscopy and skeletal muscle oxidative function in vivo in health and disease: A review from an exercise physiology perspective // J. Biomed. Opt. 2016. Vol. 21. No. 9. Art. No. 091313. https://doi.org/10.1117/LJBO.2L9.091313
2. Mesquida J., Gruartmoner G., Espinal C. Skeletal muscle oxygen saturation (StO2) measured by near-infrared spectroscopy in the critically ill patients // BioMed Res. Int. 2013. Vol. 2013. Art. ID: 502194. https://doi.org/10.1155/2013/502194
3. Effects of intermittent hypoxia and electrical muscle stimulation on cognitive and physiological metrics / E. Reganova, K. Solovyeva, D. Buyanov et al. // Bioengineering. 2023. Vol. 10. Iss. 5. Art. No. 536. https://doi.org/10.3390/bioengineering10050536
4. Jobsis F. F. Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters // Science. 1977. Vol. 198. No. 4323. P. 1264-1267. https://doi.org/10.1126/science.929199
5. Buyanov D. A., Shalaev P. V., Zabodaev S. V., Gerasimenko A. Yu. An algorithm for measuring absolute and relative hemoglobin concentrations using near infrared spectroscopy // Biomed. Eng. 2022. Vol. 56. Iss. 3. P. 176-179. https://doi.org/10.1007/s10527-022-10193-4
6. Измерение параметров оксигенации гемоглобина при артериальной окклюзии и физических нагрузках / Д. А. Буянов, П. В. Шалаев, С. В. Забодаев и др. // Медицинская техника. 2023. № 3 (339). C. 39-41. EDN: ERHPKS.
7. Barstow T. J. Understanding near infrared spectroscopy and its application to skeletal muscle research // Journal of Applied Physiology. 2019. Vol. 126. Iss. 5. P. 1360-1376. https://doi.org/10.1152/ japplphysiol.00166.2018
8. Ferrari M., Binzoni T., Quaresima V.Oxidative metabolism in muscle // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. 1997. Vol. 352. Iss. 1354. P. 677-683. https://doi.org/10.1098/rstb.1997.0049
9. Colier W. N. J. M. Near infrared spectroscopy: toy or tool? An investigation on the clinical applicability of near infrared spectroscopy. Nijmegen: Katholieke Universiteit Nijmegen, 1995. 105 p.
10. Zhang C., McCully K. K. The case for measuring long bone hemodynamics with near-infrared spectroscopy // Front. Physiol. 2020. Vol. 11. Art. ID: 615977. https://doi.org/10.3389/fphys.2020.615977
11. Cerebral and muscle oxygen saturation measurement by frequency-domain near-infra-red spectrometer / R. A. DeBlasi, S. Fantini, M. A. Franceschini et al. // Med. Biol. Eng. Comput. 1995. Vol. 33. Iss. 2. P. 228-230. https://doi.org/10.1007/BF02523048
12. Quantitative measurement of muscle oxygen saturation without influence from skin and fat using continuous-wave near infrared spectroscopy / Y. Yang, O. O. Soyemi, P. J. Scott et al. // Opt. Express. 2007. Vol. 15. Iss. 21. P. 13715-13730. https://doi.org/10.1364/OE.15.013715
13. Microvascular dysfunction and skeletal muscle oxygenation assessed by phase-modulation near-infrared spectroscopy in patients with septic shock / R. A. De Blasi, S. Palmisani, D. Alampi et al. // Intensive Care Med. 2005. Vol. 31. Iss. 12. P. 1661-1668. https://doi.org/10.1007/s00134-005-2822-y
14. Quantification of ischemic muscle deoxygenation by near infrared time-resolved spectroscopy / T. Hamaoka, T. Katsumura, N. Murase et al. // J. Biomed. Opt. 2000. Vol. 5. Iss. 1. P. 102-105. https://doi.org/ 10.1117/1.429975
15. NIRS device comparison, part 1 / NIRSport Science // YouTube [Электронный ресурс]. URL: https://youtu.be/hQGqsYhEdZk (дата обращения: 31.01.2024).
16. Cerebral and muscle tissue oxygenation during incremental cycling in male adolescents measured by time-resolved near-infrared spectroscopy / G. Ganesan, S.-Y. Leu, A. Cerussi et al. // Pediatr. Exerc. Sci. 2016. Vol. 28. Iss. 2. P. 275-285. https://doi.org/10.1123/pes.2015-0037
17. Active muscle oxygenation dynamics measured during high-intensity exercise by using two near-infrared spectroscopy methods / T. Saitoh, A. Ooue, N. Kondo et al. // Oxygen Transport to Tissue XXXI / eds E. Takahashi, D. F. Bruley. Boston, MA: Springer, 2010. P. 225-230. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1241-1_32
18. MatthewsE. NIRS muscle oxygen saturation - PeriPedal // YouTube [Электронный ресурс]. URL: https://youtu.be/xKl9tyQ6jfQ (дата обращения: 31.01.2023).
19. Muthalib M., Millet G. Y., Quaresima V., Nosaka K. Reliability of near-infrared spectroscopy for measuring biceps brachii oxygenation during sustained and repeated isometric contractions // J. Biomed. Opt. 2010. Vol. 15. Iss. 1. Art. No. 017008. https://doi.org/10.1117/1.3309746
20. Jones B., Hesford C. M., Cooper C. E. The use of portable NIRS to measure muscle oxygenation and haemodynamics during a repeated sprint running test // Oxygen Transport to Tissue XXXV / eds S. Van Huffel et al. New York, NY: Springer, 2013. P. 185-191. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-7411-1_26
21. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans / T. J. Huppert, R. D. Hoge, S. G. Diamond et al. // NeuroImage. 2006. Vol. 29. Iss. 2. P. 368-382. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2005.08.065
22. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology / F. Scholkmann, S. Kleiser, A. J. Mets et al. // NeuroImage. 2014. Vol. 85 (1). P. 6-27. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2013.05.004
23. Colier W. N. J. M., Quaresima V., Oeseburg B., Ferrari M. Human motor-cortex oxygenation changes induced by cyclic coupled movements of hand and foot // Exp. Brain Res. 1999. Vol. 129. Iss. 3. P. 457-461. https://doi.org/10.1007/s002210050913
24. Quantification of the cortical contribution to the NIRS signal over the motor cortex using concurrent NIRS-fMRI measurements / L. Gagnon, M. A. Yucel, M. Dehaes et al. // NeuroImage. 2012. Vol. 59. Iss. 4. P. 3933-3940. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2011.10.054
Статья поступила в редакцию 11.07.2023 г.; одобрена после рецензирования 24.07.2023 г.;
принята к публикации 12.02.2024 г.
Информация об авторах Буянов Дмитрий Анатольевич - аспирант Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), технический директор ООО «Медицинские Компьютерные Системы» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пр-д 4922, 4, стр. 2), buyancik@gmail.com
Шалаев Павел Владимирович - руководитель отдела разработки ООО «Айвок» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пр-д 4922, 4, стр. 5), shalaev.pv@gmail.com
Монахова Полина Андреевна - аспирант Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер ООО «Айвок» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пр-д 4922, 4, стр. 5), mpolina09@mail.ru
Герасименко Александр Юрьевич - доктор технических наук, доцент Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), доцент Института бионических технологий и инжиниринга Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова Минздрава России (Россия, 119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2), gerasimenko@bms.zone
References
1. Grassi B., Quaresima V. Near-infrared spectroscopy and skeletal muscle oxidative function in vivo in health and disease: A review from an exercise physiology perspective. J. Biomed. Opt., 2016, vol. 21, no. 9, art. no. 091313. https://doi.org/10.1117/1.JBO.21.9.091313
2. Mesquida J., Gruartmoner G., Espinal C. Skeletal muscle oxygen saturation (StO2) measured by near-infrared spectroscopy in the critically ill patients. BioMed Res. Int., 2013, vol. 2013, art. ID: 502194. https://doi.org/10.1155/2013/502194
3. Reganova E., Solovyeva K., Buyanov D., Gerasimenko A. Yu., Repin D. Effects of intermittent hypoxia and electrical muscle stimulation on cognitive and physiological metrics. Bioengineering, 2023, vol. 10, iss. 5, art. no. 536. https://doi.org/10.3390/bioengineering10050536
4. Jobsis F. F. Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters. Science, 1977, vol. 198, no. 4323, pp. 1264-1267. https://doi.org/10.1126/science.929199
5. Buyanov D. A., Shalaev P. V., Zabodaev S. V., Gerasimenko A. Yu. An algorithm for measuring absolute and relative hemoglobin concentrations using near infrared spectroscopy. Biomed. Eng., 2022, vol. 56, iss. 3, pp. 176-179. https://doi.org/10.1007/s10527-022-10193-4
6. Buyanov D. A., Shalaev P. V., Zabodaev S. V., Monakhova P. A., Stavtsev D. D., Konovalov A. N., Gerasimenko A. Yu. Measurement of hemoglobin oxygenation parameters during arterial occlusion and physical exertion. Meditsinskaya tekhnika, 2023, no. 3 (339), pp. 39-41. (In Russian). EDN: ERHPKS.
7. Barstow T. J. Understanding near infrared spectroscopy and its application to skeletal muscle research. Journal of Applied Physiology, 2019, vol. 126, iss. 5, pp. 1360-1376. https://doi.org/10.1152/ japplphysiol.00166.2018
8. Ferrari M., Binzoni T., Quaresima V. Oxidative metabolism in muscle. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B, 1997, vol. 352, iss. 1354, pp. 677-683. https://doi.org/10.1098/rstb.1997.0049
9. Colier W. N. J. M. Near infrared spectroscopy: toy or tool? An investigation on the clinical applicability of near infrared spectroscopy. Nijmegen, Katholieke Universiteit Nijmegen, 1995. 105 p.
10. Zhang C., McCully K. K. The case for measuring long bone hemodynamics with near-infrared spectroscopy. Front. Physiol., 2020, vol. 11, art. ID: 615977. https://doi.org/10.3389/fphys.2020.615977
11. De Blasi R. A., Fantini S., Franceschini M. A., Ferrari M., Grattom E. Cerebral and muscle oxygen saturation measurement by frequency-domain near-infra-red spectrometer. Med. Biol. Eng. Comput., 1995, vol. 33, iss. 2, pp. 228-230. https://doi.org/10.1007/BF02523048
12. Yang Y., Soyemi O. O., Scott P. J., Landry M. R., Lee S. M. C., Stroud L., Soller B. R. Quantitative measurement of muscle oxygen saturation without influence from skin and fat using continuous-wave near infrared spectroscopy. Opt. Express, 2007, vol. 15, iss. 21, pp. 13715-13730. https://doi.org/10.1364/OE.15.013715
13. De Blasi R. A., Palmisani S., Alampi D., Mercieri M., Romano R., Collini S., Pinto G. Microvascular dysfunction and skeletal muscle oxygenation assessed by phase-modulation near-infrared spectroscopy in patients with septic shock. Intensive Care Med., 2005, vol. 31, iss. 12, pp. 1661-1668. https://doi.org/10.1007/ s00134-005-2822-y
14. Hamaoka T., Katsumura T., Murase N., Nishio S., Osada T., Sako T., Higuchi H., Kurosawa Y. et al. Quantification of ischemic muscle deoxygenation by near infrared time-resolved spectroscopy. J. Biomed. Opt., 2000, vol. 5, iss. 1, pp. 102-105. https://doi.org/10.1117/1.429975
15. NIRS device comparison, part 1, by NIRSport Science. YouTube. Available at: https://youtu.be/ hQGqsYhEdZk (accessed: 31.01.2024).
16. Ganesan G., Leu S.-Y., Cerussi A., Tromberg B., Cooper D. M., Galassetti P. Cerebral and muscle tissue oxygenation during incremental cycling in male adolescents measured by time-resolved near-infrared spectroscopy. Pediatr. Exerc. Sci., 2016, vol. 28, iss. 2, pp. 275-285. https://doi.org/10.1123/pes.2015-0037
17. Saitoh T., Ooue A., Kondo N., Niizeki K., Koga S. Active muscle oxygenation dynamics measured during high-intensity exercise by using two near-infrared spectroscopy methods. Oxygen Transport to Tissue XXXI, eds E. Takahashi, D. Bruley. Boston, MA, Springer, 2010, pp. 225-230. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1241-1_32
18. Matthews E. NIRS muscle oxygen saturation - PeriPedal. YouTube. Available at: https://youtu.be/ xKl9tyQ6jfQ (accessed: 31.01.2023).
19. Muthalib M., Millet G. Y., Quaresima V., Nosaka K. Reliability of near-infrared spectroscopy for measuring biceps brachii oxygenation during sustained and repeated isometric contractions. J. Biomed. Opt., 2010, vol. 15, iss. 1, art. no. 017008. https://doi.org/10.1117/L3309746
20. Jones B., Hesford C. M., Cooper C. E. The use of portable NIRS to measure muscle oxygenation and haemodynamics during a repeated sprint running test. Oxygen Transport to Tissue XXXV, eds S. Van Huffel et al. New York, NY, Springer, 2013, pp. 185-191. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-7411-1_26
21. Huppert T. J., Hoge R. D., Diamond S. G., Franceschini M. A., Boas D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage, 2006, vol. 29, iss. 2, pp. 368-382. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2005.08.065
22. Scholkmann F., Kleiser S., Metz A. J., Zimmermann R., Pavia J. M., Wolf U., Wolf M. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. NeuroImage, 2014, vol. 85 (1), pp. 6-27. https://doi.org/10.1016Zj.neuroimage.2013.05.004
23. Colier W. N. J. M., Quaresima V., Oeseburg B., Ferrari M. Human motor-cortex oxygenation changes induced by cyclic coupled movements of hand and foot. Exp. Brain Res., 1999, vol. 129, iss. 3, pp. 457-461. https://doi.org/10.1007/s002210050913
24. Gagnon L., Yücel M. A., Dehaes M., Cooper R. J., Perdue K. L., Selb J., Huppert T. J., Hoge R. D., Boas D. A. Quantification of the cortical contribution to the NIRS signal over the motor cortex using concurrent NIRS-fMRI measurements. NeuroImage, 2012, vol. 59, iss. 4, pp. 3933-3940. https://doi.org/10.1016/ j.neuroimage.2011.10.054
The article was submitted 11.07.2023; approved after reviewing 24.07.2023;
accepted for publication 12.02.2024.
Information about the authors
Dmitriy A. Buyanov - PhD student, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Chief Technical Officer, "Medical Computer Systems" LLC (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, proezd 4922, 4, bld. 2), buyancik@gmail. com
Pavel V. Shalaev - Head of the Development Department, "Aivok" LLC (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, proezd 4922, 4, bld. 5), shalaev.pv@gmail.com
Polina A. Monakhova - PhD student, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer, "Aivok" LLC (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, proezd 4922, 4, bld. 5), mpolina09@mail.ru
Alexander Yu. Gerasimenko - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Biomedical Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Assoc. Prof. of the Institute of Bionic Technologies and Engineering, I. M. Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Healthcare of Russian Federation (Russia, 119991, Moscow, Trubetskaya st., 8, bld. 2), gerasimenko_a_yu@staff. sechenov.ru
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Полные тексты статей журнала с 2004 по 2023 гг. доступны на сайтах Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru и журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»: http://ivuz-e.ru
