CC BY
20
УДК 57.085
АНАЛИЗ РЕСПИРАТОРНО-ЗАВИСИМЫХ КОЛЕБАНИЙ МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО КРОВОТОКА КОЖИ ЧЕЛОВЕКА ПО ДАННЫМ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИИ И ЛАЗЕРНОЙ ДОППЛЕРОВСКОЙ ФЛОУМЕТРИИ
Г.В. Красников, И.В. Красникова, Т.Н. Коняева, М.Й. Тюрина, Г.М. Пискунова
Проведено исследование респираторно-зависимых колебаний периферического кровотока человека в условиях контролируемого дыхания на основе данных ФПГ и ЛДФ. Показано, что спектральная мощность респираторных колебаний кровотока зависит от частоты дыхания. Для сигналов ЛДФ зависимость носит обратно-пропорциональный характер. В сигналах ФПГ, зависимость носит колоколообразный характер с максимумом на частоте 0.10 Гц. При этом отношение амплитуды респираторных колебаний в условиях контролируемого дыхания к амплитуде колебаний на соответствующей частоте при спонтанном дыхании остаётся постоянным, что позволяет предположить общий механизм формирования респираторно-зависимых колебаний в указанных сигналах.
Ключевые слова: микроциркуляция, лазерная допплеровская флоуметрия, фотоплетизмография, колебания кровотока, спектральный анализ.
Введение
Один из видов осцилляций, регистрируемых на уровне периферического кровотока посредством лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ) и фотоплетизмографии (ФПГ), являются респираторно-зависимые (дыхательные) колебания. Однако, несмотря на многие десятилетия изучения, механизмы генерации этих колебаний в периферическом кровотоке до сих пор остаются под вопросом.
В настоящее время рассматривается несколько возможных механизмов формирования респираторно-зависимых колебаний на уровне системы гемомикроциркуляции. Во-первых, сигналы ФПГ и ЛДФ отражают распространение пульсовых колебаний в периферической сосудистой системе и, соответственно, модуляции, формирующиеся на уровне сердца. При этом частотная респираторная модуляция сердечного ритма (респираторно-синусовая аритмия) на уровне сосудов трансформируется в амплитудную модуляцию пульсовой волны. Фаза вдоха сопровождается уменьшением ударного объема и, следовательно, соответствующим снижением сердечного выброса, что, в свою очередь, вызывает периодическое изменение амплитуды пульсирующего компонента сигналов ФПГ и ЛДФ [1, 2].
Во-вторых, дыхательная модуляция кровотока может быть обусловлена модуляцией центрального венозного давления вследствие респираторной динамики давления в грудной полости. Этот механизм
известен как «дыхательный насос» и является одним из механизмов венозного возврата крови к сердцу. Параллельно с этим будут происходить изменения периферического венозного давления и, соответственно, перфузии тканей кровью (колебания объема и скорости движения крови) во время дыхательного цикла [2]. Однако, является ли формирование респираторнозависимых колебаний кровотока следствием прямых влияний (через динамику артериального давления вследствие респираторной динамики ударного объема) или обратных (из-за передаваемой респираторной динамики венозного давления) неясно [3]. Имеются данные, что респираторно-синхронные изменения артериального давления предшествуют изменению центрального венозного давления, и что респираторные колебания в ФПГ-сигнале предшествуют изменениям в периферическом венозном давлении. Таким образом, респираторные колебания в ФПГ-сигнале могут быть ковариатными, а не вторичными по отношению к обратной передаче изменений давления в периферической венозной системе [3].
В-третьих, существует связь между дыхательной активностью и активностью симпатического отдела вегетативной нервной системы. В частности, паттерн симпатической активности возрастает во время вдоха и достигает пика во время позднего вдоха и начала постинспираторной активности [4, 5]. Кожный кровоток контролируется с помощью вазоконстрикции, опосредованной симпатической нервной системой. Артериовенозные анастомозы, расположенные в акральных участках, имеют плотную симпатическую иннервацию. Следовательно, периферический кровоток будет существенно зависеть от симпатической активности. В свою очередь, как уже говорилось выше, симпатическая эфферентная активность связана с дыханием и, таким образом, респираторная активность через симпатически опосредованную вазоконстрикцию может модулировать сигналы ФПГ и ЛДФ независимо от изменений, вызванных механическими проявлениями дыхательного цикла [6, 7].
Наиболее вероятным представляется параллельное участие всех вышеописанных механизмов в формировании респираторно-синхронных колебаний в сигналах периферического кровотока регистрируемых посредством ФПГ и ЛДФ. При этом, преимущественная роль того и или иного механизма будет обусловлена относительным вкладом артериального или венозного компонента кровотока в сигнал и будет зависеть от региональных особенностей симпатической иннервации сосудов.
Целью данной работы является сравнительный анализ респираторно-зависимых колебаний микроциркуляторного кровотока кожи человека по данным ЛДФ и ФПГ.
Материалы и методы
В исследовании приняли участие 15 практически здоровых некурящих студентов обоего пола (4 юноши и 11 девушек) 20-22 лет. Все испытуемые давали добровольное согласие на участие в эксперименте на основе полной информированности о методах и процедурах исследования. Во время проведения эксперимента испытуемые находились в положении сидя.
В ходе эксперимента осуществляли синхронную регистрацию внешнего дыхания и параметров периферического кровотока.
Регистрацию дыхательных движений (пневмографию) осуществляли при помощи грудного ленточного резистивного датчика. Частота дискретизации сигнала 10 Гц. В условиях контролируемого дыхания участники исследования управляли глубиной, частотой и паттерном дыхания посредством визуального контроля соответствия собственной кривой дыхания (показания с грудного пневмографического датчика) с заданной эталонной кривой, демонстрируемой на мониторе персонального компьютера. В качестве эталона использовалась синусоидальная кривая с задаваемыми параметрами амплитуды и частоты.
Регистрацию динамики кровенаполнения мягких тканей осуществляли на основе пальцевой фотоплетизмографии посредством компьютерного фотоплетизмографа ЭЛДАР («Новые медицинские приборы», Россия»). Частота дискретизации сигнала 100 Гц. Датчик прибора располагали на среднем пальце левой руки.
Регистрацию микроциркуляторного кровотока кожи осуществляли на основе метода лазерной допплеровской флоуметрии с помощью двухканального лазерного флоуметра ЛАКК-ОП («ЛАЗМА», Россия). Частота дискретизации сигнала 20 Гц. Регистрируемый параметр, называемый показателем микроциркуляции (ПМ), является относительной величиной и измеряется в условных (перфузионных) единицах (пф.ед.). Зонд флоуметра располагали на подушечке указательного пальца левой руки.
Для каждого испытуемого было проведено четыре последовательных пятиминутных регистрации указанных сигналов: при естественном дыхании и контролируемом дыхании с частотами 0.25, 0.10 и 0.04 Гц. Между записями испытуемые предоставляли пятиминутные паузы для отдыха. Амплитуда контролируемого дыхания составляла порядка 300% от усредненной амплитуды естественного дыхания и была фиксированной для всех используемых частот.
Сравнительный анализ сигналов ФПГ и ЛДФ кровотока кожи проводили на основе вейвлет-преобразования. Выделение общих частотных компонент сигналов проводили на основе расчета взаимного спектра сигналов и оценки их когерентности. Кросс-спектральный анализ выполнялся в программной среде вычислений с открытым исходным
кодом «R» версии 3.3.3 с помощь пакетов Signal (версия 0.7-6) и WaveletComp (версия 1.0).
Фотоплетизмограммы подвергали предварительному ресемплингу до частоты 20 Гц для достижения равной частоты дискретизации с сигналами ЛДФ.
Для анализа достоверности различий использовали критерий Стьюдента и однофакторный дисперсионный анализ для повторных измерений (ANOVA), с последующим множественным парным сравнением по критерию Ньюмена-Кейлса. Статистически значимыми считались различия при р < 0.05.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены усредненные данные взаимных вейвлет-спектров мощности сигналов при контролируемом дыхании с частотами 0.25, 0.1 и 0.04 Гц. Анализ кросс-спектров демонстрирует появление в обоих сигналах высокоамплитудных колебаний с частотой, соответствующей частоте дыхательного ритма. При этом необходимо отметить, что фактически одинаковой амплитуде дыхательного ритма (фиксированная глубина дыхания являлась условием исследования), амплитуда (мощность) респираторно-зависимых колебаний кровотока достоверно различается в зависимости от частоты дыхания. Так при частоте дыхания 0.25 Гц амплитуда кросс-спектра составила 1.00 усл. ед., при 0.10 Гц - 5.82 усл. ед, при 0.04 Гц - 3.69 усл. ед. (рис. 1А, В, Д, соответственно).
Анализ когерентности исследуемых сигналов (рис. 1Б, Г, Е) показал высокую степень синхронизации респираторно-зависимых колебаний: 0.88, 0.93 и 0.92 усл. ед. для частоты дыхания 0.25, 0.10 и 0.04 соответственно.
Частотно-зависимый эффект амплитуды респираторных колебаний на уровне системы микроциркуляции человека по данным ЛДФ был продемонстрирован ранее Krasnikov et al. [8]. Было показано, что в условиях фиксированной глубины дыхания амплитуда респираторно -зависимых колебаний кожи предплечья обратно-пропорционально зависит от частоты дыхания.
В этой связи нами произведен анализ амплитуды респираторно-зависимых колебаний в сигналах ЛДФ кожи пальца и ФПГ в зависимости от частоты дыхания. Результаты анализа представлены на рис. 2. Для сравнения, значения амплитуд респираторных колебаний приведены на фоне усредненных амплитудно-частотных спектров соответствующих сигналов, зарегистрированных в условиях спонтанного дыхания. В наших условиях респираторно-зависимые колебания микроциркуляторного кровотока (рис. 2А) также демонстрирую обратно-пропорциональную от
частоты дыхания: 0.43, 1.13 и 1.45 пф. ед. для частоты 0.25, 0.10 и 0.04 Гц соответственно.
Рис. 1. Усредненная кросс-спектральная мощность (А, В, Д) и когерентность (Б, Г, Е) для сигналов ЛДФ и ФПГ в условиях контролируемого дыхания с частотой 0.25 Гц (А, Б), 0.1 Гц (В, Г) и 0.04 Гц (Д, Е). Вертикальной пунктирной линией отмечено значение частоты дыхания. Данные представлены как средние значения
и стандартные ошибки В сигналах фотоплетизмограммы (рис. 2Б) зависимость амплитуды респираторных колебаний от частоты дыхания имеет колоколо-образный характер: 16.44, 42.31 и 31.53 усл. ед. для частоты 0.25, 0.10 и 0.04 Гц соответственно. Максимум амплитуды респираторных колебаний наблюдается на частоте 0.10 Гц.
Несмотря на то, что характер частотной зависимости амплитуды респираторных колебаний в сигналах ЛДФ и ФПГ существенно отличается, сравнение этих значений с соответствующим амплитудно-частотным спектром при спонтанном дыхании (рис. 2), позволяет обнаружить, что прирост амплитуды респираторных колебаний в условиях контролируемого дыхания практически постоянен относительно исходной амплитуды колебаний на соответствующей частоте. Усредненные данные, подтверждающие эту особенность, представлены в таблице.
Рис. 2. Усредненные амплитуды респираторно-зависимых колебаний в сигналах ЛДФ (А) и ФПГ (Б) в зависимости от частоты контролируемого дыхания. Для сравнения приведены усредненные амплитудно-частотные спектры соответствующих сигналов, зарегистрированных при спонтанном дыхании. Символом «*» указаны достоверно различающиеся значения амплитуды (р < 0.05). Данные представлены как средние значения и стандартные ошибки
Амплитуда респираторно-зависимых колебаний в условиях контролируемого дыхания, в сравнении с амплитудой колебаний на соответствующей частоте при спонтанном дыхании
0.25 Гц 0.10 Гц 0.04 Гц
ЛДФспон., пф. ед. 0.29±0.03 0.82±0.09 1.04±0.12
ЛДФрзк, пф. ед. 0.43±0.07 1.13±0.15 1.49±0.26
ЛДФрзк/ЛДФспон. 1.50±0.16 1.37±0.17 1.28±0.30
ФПГспон., усл. ед. 8.82±0.97 20.65±1.67 13.81±1.51
ФПГрзк, усл. ед. 16.57±2.46 42.62±4.80 31.90±3.84
ФПГрзк/ФПГспон. 1.95±0.25 2.21±0.22 2.22±0.27
Примечание: ЛДФспон. и ФПГспон. - амплитуда колебаний на соответствующей частоте при спонтанном дыхании; ЛДФРЗК и ФПГРЗК -амплитуда респираторно-зависимых колебаний в условиях контролируемого дыхания.
Так, для микроциркуляторного кровотока (ЛДФ) отношение амплитуды респираторно-зависимых колебаний в условиях контролируемого дыхания к амплитуде колебаний на соответствующей частоте при спонтанном дыхании (ЛДФРЗК/ЛДФспон.) достоверно не отличаются для всех используемых частот дыхания и находится в пределах 1.28-1.50. Для сигналов ФПГ отношение указанных амплитуд (ФПГРЗК/ФПГспон.) также достоверно не зависит от частоты дыхания и находится в пределах 1.95-2.22. При этом коэффициент передаточной функции (отношение амплитуд) для ФПГ значимо превышает таковую величину для сигналов ЛДФ. Этот факт предположительно может быть связан с относительно большей амплитудой респираторно-зависимых колебаний в сигналах ФПГ, что в свою очередь, может быть обусловлено большим калибром сосудов и меньшим демпфированием волн давления.
Таким образом, проведенные исследования респираторно-зависимых колебаний на уровне периферического кровотока на основе данных ФПГ и ЛДФ в условиях контролируемого дыхания показали, что в условиях фиксированной глубины дыхания кросс-спектральная мощность респираторно-зависимых колебаний кровотока достоверно различается в зависимости от частоты дыхания. Анализ амплитуды респираторно-зависимых колебаний в сигналах ЛДФ позволил выявить обратно-пропорциональный характер зависимости амплитуды колебаний от частоты дыхания. В сигналах ФПГ, напротив, зависимость амплитуды респираторных колебаний от частоты дыхания демонстрирует колоколообразный характер с максимумом на частоте 0.10 Гц. Однако, несмотря на различный характер частотной зависимости для сигналов ЛДФ и ФПГ, нами показано, что отношение амплитуды респираторных колебаний в условиях контролируемого дыхания к амплитуде колебаний на соответствующей частоте при спонтанном дыхании остаётся постоянным, что позволяет предположить общий механизм формирования респираторно-зависимых колебаний в указанных сигналах.
Список литературы
1. Taylor J.A., Eckberg D.L. Fundamental relations between short-term RR interval and arterial pressure oscillations in humans // Circulation. 199б. V. 93. P. 1527-1532.
2. Photoplethysmographic derivation of respiratory rate: a review of relevant physiology / D.J. Meredith, D. Clifton, P. Charlton [et al]. // J Med Eng Technol. 2012. V. 36(1). P. 1-7.
3. Nilsson L.M. Respiration signals from photoplethysmography // Anesth Analg. 2013. V. 117(4). P. 859-865.
4. Increased sympathetic outflow in juvenile rats submitted to chronic intermittent hypoxia correlates with enhanced expiratory activity / D.B. Zoccal, A.E. Simms, L.G. Bonagamba [et al]. // J Physiol. 2008. V. 586. P. 3253-3265.
5. Costa-Silva J.H., Zoccal D.B., Machado B.H. Glutamatergic antagonism in the NTS decreases postinspiratory drive and changes phrenic and sympathetic coupling during chemoreflex activation // J Neurophysiol. 2010. V. 103. P. 2095-2106.
6. Nitzan M., Faib I., Friedman H. Respiration-induced changes in tissue blood volume distal to occluded artery, measured by photoplethysmography // J Biomed Opt. 2006. V. 11(4). 11(4). 040506.
7. Macefield V.G., Wallin B.G. Respiratory and cardiac modulation of single sympathetic vasoconstrictor and sudomotor neurones to human skin. J Physiol. 1999. V. 516. P. 303-314.
8. Analysis of heart rate variability and skin blood flow oscillations under deep controlled breathing / G.V. Krasnikov, M.Y. Tyurina, A.V. Tankanag [et al]. // Respir Physiol Neurobiol. 2013. V. 185(3). P. 562-570.
Красников Геннадий Викторович, канд. биол. наук, доц., gvkrasnikov@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Красникова Инна Владимировна, канд. биол. наук, доц., krasnikovaiv@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Коняева Татьяна Николаевна, канд. биол. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Тюрина Миглена Йорданова канд. биол. наук, ст. науч. сотр., tyurinamg@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Пискунова Галина Михайловна канд. биол. наук, зав. лабораторией, phisiology@,tspu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
ANALYSIS OF RESPIRATORY-DEPENDENT OSCILLATIONS MICROCIRCULATORY BLOOD FLOW OF HUMAN SKIN ACCORDING PHOTOPLETHYSMOGRAPHYAND LASER DOPPLER FLOWMETRY
G. V. Krasnikov, I. V. Krasnikova, M. Y. Tyurina, G.M. Piskunova
A study of respiratory-dependent fluctuations in human peripheral bloodflow in controlled respiration based on the data of PPG and LDF. It was shown that the spectral power of respiratory fluctuations in blood flow depends on the respiratory rate. For LDF signals, the dependence is inversely proportional. In the PPG signals, the dependence is bell-shaped in nature with a maximum at a frequency of 0.10 Hz. In this case, the ratio of the amplitude of respiratory oscillations under conditions of controlled respiration to the amplitude of oscillations at the corresponding frequency during spontaneous respiration remains constant, which suggests the general mechanism for the formation of respiratory-dependent oscillations in these signals.
Key words: microcirculation, laser Doppler flowmetry, photoplethysmography, bloodflow fluctuations, spectral analysis.
Krasnikov Gennady Viktorovich, candidate of biological sciences, docent, gvkras-nikov@gmail. com, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Krasnikova Inna Vladimirovna, candidate of biological sciences, docent, krasnikovaiv a mail.ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Konyaeva Tatyana Nikolaevna, candidate of biological sciences, docent, conyata@mail. ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Tyurina Miglena Iordanova, candidate of biological sciences, researcher, tyurinamga mail. ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Piskunova Galina Mikhailovna, candidate of biological sciences, manager of laboratory, phisiology a lspii. tula. ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University.
