CC BY
43
УДК 535.3:616-005 DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-3-266-271
ДИАГНОСТИКА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИВЫХ ТКАНЯХ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПУЛЬСАЦИЙ КРОВИ
А. В. Белавенцева1, Ю. Н. Кульчин12, Р. В. Ромашко1'2, Т. С. Запорожец3, Е. В. Персиянова3, Л. П. Ляхова2, А. А. Камшилин4
1 Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН,
690041, Владивосток, Россия E-mail: [email protected]
2 Дальневосточный федеральный университет, 690091, Владивосток, Россия 3 НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г. П. Сомова, 690028, Владивосток, Россия 4 Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия
Исследована возможность применения метода визуализации пульсаций крови для изучения процесса термической релаксации живых тканей человека. Экспериментально показано, что амплитуда пульсаций крови в ткани (Blood Pulsation Amplitude — BPA) зависит от термического воздействия на нее; установлено, что процесс охлаждения тканей приводит к падению BPA, а процесс нагревания тканей сопровождается ее ростом. Скорость увеличения BPA является индивидуальной характеристикой субъекта, которая может служить параметром вазомоторной реактивности сосудов при изменении температуры.
Ключевые слова: микроциркуляция, терморегуляция, фотоплетизмография, пульсации крови, перфузия крови
Введение. Реакция микроциркуляции крови на внешнее воздействие может указать на наличие нарушений или дисфункции нервной системы, а также сосудистых заболеваний [1, 2]. Среди оптических методов оценки перфузии тканей кровью наиболее распространенными являются лазерная доплеровская визуализация (LDI), лазерная спекловая визуализация (LSCI), фотоплетизмография (PPG) и др. [3—9]. В настоящей статье приведены данные о возможности измерения реакции тканей человеческого тела на локальное термическое воздействие с помощью метода визуализации пульсаций крови (ВПК) [10], в основе которого лежит метод фотоплетизмографии [5].
Материалы и метод исследования. Исследование проводилось в соответствии с этическими стандартами, изложенными в Хельсинкской декларации от 1964 г. В исследовании в качестве добровольцев приняли участие 7 мужчин и 2 женщины. Отсутствие сердечнососудистых заболеваний и сахарного диабета подтверждено данными анамнеза. Эксперименты проводились в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток).
Метод визуализации пульсаций крови. Схема измерительной системы, состоящей из цифровой видеокамеры (12-разрядная модель uEye UI-3360CP- NIR-GL фирмы „Imaging Development Systems GmbH", объектив TECHSPEC® VIS-NIR, серия C, f = 35 мм, NA = 0,021) и источника света, представлена на рис. 1.
В процессе измерения испытуемому было предложено положить ладонь (исследуемая область) на стеклянную пластину, с обратной стороны которой размещены два светодиода (Х= 525 нм, FWHM =40 нм, P = 5 Вт), обеспечивающие равномерное освещение ладони. Здесь же установлена видеокамера, обеспечивающая непрерывную видеозапись в течение 120 с с частотой 30 кадров/с и разрешением 1024*460 пкс в одном кадре. Видеокадры сохранялись на персональном компьютере в формате PNG. Следует отметить, что контакт ладони со стеклянной пластиной позволяет стабилизировать получаемое в процессе видеозаписи изображе-
ние и увеличить амплитуду сигнала за счет обеспечения более эффективной модуляции плотности капилляров пульсирующими артериями [11,12]. Для уменьшения влияния световых отражений от поверхностей стекла и ткани ладони был использован метод поляризационной фильтрации, посредством установки тонкопленочных поляризаторов перед каждым свето-диодом и видеокамерой [13]. Поляризаторы видеокамеры и светодиодов взаимно ортогональны.
Регистрация температуры дистальных фаланг указательного и безымянного пальцев осуществлялась посредством термопары с частотой 2 Гц синхронно с записываемыми видеокадрами. Все измерения проводились в затемненной лаборатории без внешнего освещения при температуре окружающей среды 23 °С.
Стеклянная подложка
видеокамера Рис. 1
Протокол эксперимента. На предварительной стадии дистальная фаланга указательного пальца испытуемого охлаждалась до температуры 15 °C путем погружения в смесь льда и воды при температуре 5 °C в течение 60±2 с. Остальная часть ладони температурному воздействию не подвергалась. После охлаждения пальца ладонь испытуемого размещалась на стеклянной пластине, имеющую комнатную температуру 23 °C, что приводило к росту температуры ткани. При этом запускалась видеозапись, в процессе которой испытуемый сохранял покой, молчание и равномерное дыхание. Для каждого испытуемого было проведено по 6—8 циклов „охлаждение/нагревание".
Обработка данных. Обработка потока видеокадров базируется на методе синхронного усиления сигнала на частоте сердцебиения [10, 14]. В результате обработки в каждой точке видеоизображения (усредненной по области 11*11 пкс) формируется сигнал пульсаций крови PPG (рассчитываемый как отношение переменной его составляющей — AC к постоянной — DC [10, 14, 15]). Пространственное распределение амплитуды пульсаций крови (Blood Pulsation Amplitude — BPA) по исследуемой области представлено на рис. 2, а, б, которые, в частности, позволяют определить так называемые „горячие" точки — участки с повышенной амплитудой пульсаций. Именно в таких горячих областях следует ожидать наибольшей реакции кардиоваскулярной системы на температурные воздействия.
Результаты. Динамика распределения BPA. Анализ карты распределения BPA по ладони до нагревания указательного пальца и после нагревания (см. рис. 2, а, б соответственно) показывает, что амплитуда сигнала в предварительно охлажденной фаланге постепенно увеличивается в течение первых 40 с вследствие роста температуры ткани (пунктирная линия на рис. 2 в); в отличие от этого в безымянном пальце амплитуда сигнала перестает расти уже через 3 с, так как он не был предварительно охлажден (рис. 2, г). Эволюция DC-составляющей в выбранной точке предварительно охлажденного пальца и неохлажденного показана на рис. 2, д, е соответственно.
а)
б)
... «в
—' ч ( """"" - "Л* X *х ч *
в)
РРв, о.е.
4 2 0 -2 -4
Ди-тй
24 18 12
г) РРв,
4 2 0 -2 -4
ВРА, % 4 3 2 1 0
, оС
д)
60 г„ с
60 с
БС, о.е. БС, о.е.
___ Т, оС
200 -4 30 200 1
180 180 д
160 ■ \ 24 160 \
140 1 <=\ 18 140 Л л
120 ; у 120 —и
100 1' 12 100
24 18 12
Т, ос 30
24
18
12
40
60 с
40
60 с
Рис. 2
Переменная составляющая АС — это амплитуда пульсаций крови, которая определяется работой кардиоваскулярной системы, а постоянная составляющая БС — это интенсивность отраженного света, которая зависит от поглощения света тканями. Исходя из результатов исследования, можно заключить, что составляющая АС возрастает в 7,1±2,5 раз, тогда как составляющая БС уменьшается в 2,5±0,25 раз. Следовательно, индуцированное температурой увеличение РРО-сигнала в основном обусловлено изменениями кардиоваскулярной системы.
Скорость и задержка роста ВРА. Критерием динамики ВРА в процессе терморелаксации является скорость роста этого параметра. Ожидается, что скорость роста ВРА может служить параметром вазомоторной реактивности сосудов испытуемого на изменение температуры. На рис. 3 представлена диаграмма средних значений скорости роста (V) ВРА (а) и времени задержки роста (т) ВРА (б) для всех испытуемых; вертикальными отрезками указаны значения среднеквадратических отклонений. Значения V варьируются в зависимости от испытуемого, что свидетельствует о возможном влиянии иных факторов на скорость роста ВРА, помимо температуры.
а)
V, о.е. 180
160
120
80
40
1 I*
м м м И зш^^^мЩк
1
1
б) т, с
25 20 15 10 5 0
1/1
ш
81 82 83 84 85 86 87 88 89 Испытуемый
81 82 83 84 85 86 87 88 89 Испытуемый
Рис. 3
0
0
0
0
Кроме того, установлено, что скорость роста BPA коррелирует с временем задержки роста. Взаимосвязь этих параметров, вероятно, показывает, что они определяются работой вазомоторной системы. Как и скорость роста BPA, время задержки PPG-сигнала является индивидуальным параметром, описывающим процесс терморелаксации, тогда как температура, при которой начинается увеличение PPG-сигнала, практически одинакова для всех испытуемых и составляет 15,9±0,4 °С.
Заключение. В результате выполненных исследований установлено, что параметр BPA может быть использован для описания физиологических процессов в живых тканях, связанных с изменением кровотока. Установлено также, что амплитуда пульсаций крови в охлажденной области ткани растет по мере увеличения температуры. Вариации значения BPA малы для пальца с квазипостоянной температурой кожного покрова, тогда как в предварительно охлажденном пальце BPA линейно растет и коррелирует с динамикой температуры кожи. Однако эта корреляция наблюдается не сразу после начала роста температуры кожного покрова, а с задержкой. Выявлено, что такая задержка является индивидуальной характеристикой каждого из испытуемых и изменяется в пределах от 6 до 29 с, положительно коррелируя со скоростью роста BPA.
Таким образом, высокая детализация двумерного распределения амплитуды пульсаций крови, неинвазивность и оперативность метода визуализации пульсаций крови открывают возможность для разработки новой системы изучения физиологических процессов в живых тканях при изменении параметров кровотока.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 15-15-20012).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yamamoto-Suganuma R., Aso Y. Relationship between post-occlusive forearm skin reactive hyperaemia and vascular disease in patients with Type 2 diabetes—a novel index for detecting micro- and macrovascular dysfunction using laser Doppler flowmetry // Diabetic Medicine. 2009. Vol. 26. P. 83—88. D0I:10.1111/j.1464-5491.2008.02609.x.
2. Kurvers H. A. J. M., Jacobs M. J. H. M., Beuk R. J., van den Wildenberg F. A. J. M., Kitslaar P. J. E. H. M. et al. The spinal component to skin blood flow abnormalities in reflex sympathetic dystrophy // Arch. Neurol. 1996. Vol. 53. P. 58—65.
3. Draijer M., Hondebrink E., van Leeuwen T., Steenbergen W. Review of laser speckle contrast techniques for visualizing tissue perfusion // Lasers Med. Sci. 2009. Vol. 24. P. 639—651. D0I:10.1007/s10103-008-0626-3.
4. Takano C., Ohta Y. Heart rate measurement based on a time-lapse image // Medical Eng. & Physics. 2007. Vol. 29. P. 853—857. D0I:10.1016/j.medengphy.2006.09.006/
5. Kamal A. A. R., Harness J. B., Irving G., Mearns A. J. Skin photoplethysmography — A review // Computer Methods and Programs in Biomedicine. 1989. Vol. 28. P. 257—269.
6. Shelley K. H. Photoplethysmography: beyond the calculation of arterial oxygen saturation and heart rate // Anesth. Analg. 2007. Vol. 105. P. 31—S36. DOI: 10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9.
7. Bandini A., Orlandi S., Manfredi C., Evangelisti A., Barrella M. et al. Effect of local blood flow in thermal regulation in diabetic ptient // Microvasc. Res. 2013. Vol. 88. P. 42—47. DOI: org/10.1016/j.mvr.2013.03.005.
8. Roustit M., Blaise S., Millet C., Cracowski J. L. Reproducibility and methodological issues of skin post-occlusive and thermal hyperemia assessed by single-point laser Doppler flowmetry // Microvasc. Res. 2010. Vol. 79. P. 102—108. D0I:10.1016/j.mvr.2010.01.001.
9. Daly S. M., Leahy M. J. "Go with the flow": A review of methods and advancements in blood flow imaging // J. Biophotonics. 2013. Vol. 6. P. 217—255. D0I:10.1002/jbio.201200071.
10. Kamshilin A. A., Miridonov S. V., Teplov V. Y., Saarenheimo R., Nippolainen E. Photoplethysmographic imaging of high spatial resolution // Biomed. 0pt. Express. 2011. Vol. 2. P. 996—1006.
11. Kamshilin A. A., Mamontov O. V., Koval V. T., Zayats G. A., Romashko R. V. Influence of a skin status on the light interaction with dermis // Biomed. 0pt. Express. 2015. Vol. 6. P. 4326—4334. D0I: 10.1364/B0E.6.004326.
12. Kamshilin A. A., Nippolainen E., Sidorov I. S., Vasilev P. V., Erofeev N. P., Podolian N. P., Romashko R. V. A new look at the essence of the imaging photoplethysmography // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. P.10494. DOI :10.1038/srep10494.
13. Sidorov I. S., Volynsky M. A., Kamshilin A. A. Influence of polarization filtration on the information readout from pulsating blood vessels // Biomed. Opt. Express. 2016. Vol. 7. P. 2469—2474. D0I:10.1364/B0E.7.002469.
14. Teplov V., Nippolainen E., Makarenko A. A., Giniatullin R., Kamshilin A. A. Ambiguity of mapping the relative phase of blood pulsations // Biomed. Opt. Express. 2014. Vol. 5. P. 3123—3139. DOI: 10.1364/B0E.5.003123.
15. Kyriacou P. A., Shafqat K., Pal S. K. Pilot investigation of photoplethysmographic signals and blood oxygen saturation values during blood pressure cuff-induced hypoperfusion // Measurement. 2012. Vol. 42. P. 1001—1005. DOI:10.1016/j.measurement.2009.02.005.
Сведения об авторах
— Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, отдел оптоэлектронных методов исследования газообразных и конденсированных сред; инженер; E-mail: [email protected]
— д-р физ.-мат. наук, профессор; Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, отдел оптоэлектронных методов исследования газообразных и конденсированных сред; Дальневосточный федеральный университет; директор; E-mail: [email protected]
— д-р физ.-мат. наук, профессор; Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, отдел оптоэлектронных методов исследования газообразных и конденсированных сред; Дальневосточный федеральный университет; ведущий научный сотрудник; E-mail: [email protected]
— д-р мед. наук, профессор; НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г. П. Сомова; зам. директора по научной работе; E-mail: [email protected]
— канд. биол. наук; НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г. П. Сомова, лаборатория иммунологии; ст. научный сотрудник; E-mail: [email protected]
— канд. физ.-мат. наук, доцент; Дальневосточный федеральный университет, кафедра общей и экспериментальной физики
— д-р физ.-мат. наук, профессор; Университет ИТМО, кафедра компьютерной фотоники и видеоинформатики; ст. научный сотрудник; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 18.10.18 г.
Ссылка для цитирования: Белавенцева А. В., Кульчин Ю. Н., Ромашко Р. В., Запорожец Т. С., Персиянова Е. В., Ляхова Л. П., Камшилин А. А. Диагностика физиологических процессов в живых тканях методом оптической визуализации пульсаций крови // Изв. вузов. Приборостроение. 2019. Т. 62, № 3. С. 266—271.
DIAGNOSTICS OF PHYSIOLOGICAL PROCESSES IN LIVING TISSUES BY THE METHOD OF OPTICAL VISUALIZATION OF BLOOD PULSATION
A. V. Belaventseva1, Yu. N. Kulchin1,2, R. V. Romashko1,2, T. S. Zaporozhets3, E. V. Persiyanova3, L. P. Lyakhova2, A. A. Kamshilin4
11nstitute of Automation and Control Processes, of Far Eastern Branch of the RAS, 690041, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected] 2Far Eastern Federal University, 690091, Vladivostok, Russia 3G. P. Somov Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology, 690028, Vladivostok, Russia
4 ITMO University, 197101, St. Petersburg, Russia
The possibility of using visualization of blood pulsations for studying processes of thermal relaxation in human living tissues is investigated. The blood pulsation amplitude (BPA) in a tissue is experimentally demonstrated to depend on thermal effect on the tissue: cooling a tissue leads to a drop in BPA, and
Анжелика Вадимовна Белавенцева
Юрий Николаевич Кульчин
Роман Владимирович Ромашко
Татьяна Станиславовна Запорожец
Елена Викторовна Персиянова
Людмила Павловна Ляхова Алексей Александрович Камшилин
the process of heating a tissue is accompanied by its growth. The increase in the BPA rate is shown to be an individual characteristic of the subject, and therefore can serve as a parameter of vasomotor reactivity of vessels with temperature changes.
Keywords: microcirculation, thermoregulation, photoplethysmography, blood pulsations, perfusion of blood
REFERENCES
1. Yamamoto-Suganuma R. and Aso Y. Diabetic Medicine, 2009, vol. 26, рр. 83-88. D0l:10.1111/j.1464-5491.2008.02609.x.
2. Kurvers H.A.J.M., Jacobs M.J.H.M., Beuk R. J., van den Wildenberg F.A.J.M., Kitslaar P.J.E.H.M. et al. Arch. Neurol., 1996, vol. 53, рр. 58-65.
3. Draijer M., Hondebrink E., van Leeuwen T. and Steenbergen W. Lasers Med. Sci., 2009, vol. 24, рр. 639-651. D0I:10.1007/s10103-008-0626-3.
4. Takano C. and Ohta Y. Med. Eng. Phys., 2007, vol. 29, рр. 853-857. D0I:10.1016/j.medengphy.2006.09.006.
5. Kamal A.A.R., Harness J.B., Irving G. and Mearns A.J. Comput. Methods, Programs Biomed., 1989, vol. 28, рр. 257-269.
6. Shelley K.H. Anesth. Analg., 2007, vol. 105, рр. 31-36. DOI: 10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9.
7. Bandini A., Orlandi S., Manfredi C., Evangelisti A., Barrella M. et al. Microvasc. Res., 2013, vol. 88, рр. 42-47. DOI: org/10.1016/j.mvr.2013.03.005.
8. Roustit M., Blaise S., Millet C., Cracowski J.L. Microvasc. Res., 2010, vol. 79, рр. 102-108. DOI:10.1016/j.mvr.2010.01.001.
9. Daly S.M., Leahy M.J. J. Biophotonics, 2013, vol. 6, рр. 217--255. DOI:10.1002/jbio.201200071.
10. Kamshilin A.A., Miridonov S.V., Teplov V.Y., Saarenheimo R. and Nippolainen E. Biomed. Opt. Express, 2011, vol. 2, рр. 996-1006.
11. Kamshilin A.A., Mamontov O.V., Koval V.T., Zayats G.A. and Romashko R.V. Biomed. Opt. Express, 2015, vol. 6, рр. 4326-4334. DOI: 10.1364/BOE.6.004326.
12. Kamshilin A.A., Nippolainen E., Sidorov I.S., Vasilev P.V., Erofeev N.P., Podolian N.P. and Romashko R.V. Scientific reports, 2015, vol. 5, p. 10494. DOI:10.1038/srep10494.
13. Sidorov I.S., Volynsky M.A. and Kamshilin A.A. Biomed. Opt. Express, 2016, vol. 7, рр. 2469-2474. DOI:10.1364/BOE.7.002469.
14. Teplov V., Nippolainen E., Makarenko A.A., Giniatullin R. and Kamshilin A.A. Biomed. Opt. Express, 2014, vol. 5, рр. 3123-3139. DOI: 10.1364/BOE.5.003123.
15. Kyriacou P.A., Shafqat K., Pal S.K. Measurement, 2012, vol. 42, рр. 1001-1005. DOI:10.1016/j.measurement.2009.02.005.
Data on authors
Angelica V. Belaventseva — Institute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of
the RAS, Department of Optoelectronic Methods of Investigating Gaseous and Condenses Media; Engineer; E-mail: [email protected] Yuriy N. Kulchin — Dr. Sci., Professor; Institute of Automation and Control Processes, Far
Eastern Branch of the RAS, Department of Optoelectronic Methods of Investigating Gaseous and Condenses Media; Far Eastern Federal University; Director; E-mail: [email protected] Roman V. Romashko — Dr. Sci., Professor; Institute of Automation and Control Processes, Far
Eastern Branch of the RAS, Department of Optoelectronic Methods of Investigating Gaseous and Condenses Media; Far Eastern Federal University; Leading Researcher; E-mail: [email protected] Tatyana S. Zaporozhets — Dr. Sci., Professor; G. P. Somov Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology; Deputy Director for Scientific Work; E-mail: [email protected]
Elena V. Persiyanova — PhD; G. P. Somov Scientific Research Institute of Epidemiology and
Microbiology, Laboratory of Immunology; Senior Scientist; E-mail: [email protected] Lyudmila P. Lyakhova — PhD, Associate Professor; Far Eastern Federal University, Department
of General and Experimental Physics Alexey A. Kamshilin — Dr. Sci., Professor; ITMO University, Department of Computer Photon-
ics and Video-informatics; Senior Scientist; E-mail: [email protected]
For citation: Belaventseva A.V., Kulchin Yu. N., Romashko R. V., Zaporozhets T. S., Persiyanova E. V., Lyakhova L. P., Kamshilin A. A. Diagnostics of physiological processes in living tissues by the method of optical visualization of blood pulsation. Journal of Instrument Engineering. 2019. Vol. 62, N 3. P. 266—271 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-3-266-271
