Исследование влияния давления на биологическую ткань в методе оптической визуализации пульсаций крови

Белавенцева Анастасия Владимировна; Ромашко Роман Владимирович; Кульчин Юрий Николаевич; Запорожец Татьяна Станиславовна; Персиянова Елена Викторовна

28. Калинкина О.М., Перова Н.В., Зыкова В.П., Грацианский Н.А., Мелькина О.Е., Соколова М.А., Оганов Р.Г. Влияние диеты, обогащенной ю-3 полиненасыщенными жирными кислотами, на функ-

SScience for practice •

циональную активность тромбоцитов и липидо-аполипопротеиновый спектр крови при впервые возникшей стенокардии. Терапевтический архив. 1990; 62(9): 77-82.

Сведения об авторе

Кушнерова Наталья Федоровна - д.б.н., профессор, заведующая лабораторией биохимии Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, 690041. Владивосток, ул. Балтийская, д. 43; e-mail: [email protected].

Удк: 612.08:612.135

А.В. Белавенцева1, РВ. Ромашко12, Ю.Н. Кульчин12, Т.С. Запорожец3, Е.В. Персиянова3

исследование влияния давления на биологическую ткань в методе оптической визуализации пульсаций крови

1 Институт автоматики и процессов управления (ИАПУ) Дальневосточного отделения российской академии наук (ДВО РАН), Владивосток

2 Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ), Владивосток

3 Медицинское объединение Дальневосточного отделения российской академии наук (МО ДВО РАН), Владивосток

В настоящей работе с помощью метода визуализации пульсации кровиисследована зависимость амплитуды пульсации крови в тканях от дополнительной массы, которая оказывает внешнее давление на биологические ткани.Проведены экспериментальные исследования по определению оптимального давления на исследуемую ткань с целью увеличения амплитуды сигнала фотоплетизмографии.

Ключевые слова: микроциркуляция, фотоплетизмография, пульсации крови, перфузия крови.

Для цитирования: Белавенцева А.В., Ромашко Р.В., Кульчин Ю.Н., Запорожец Т.С., Персиянова Е.В. Исследование влияния давления на биологическую ткань в методе оптической визуализации пульсаций крови// Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2018; 3: 73-76. DOI: 10.5281/zenodo.1488052.

Для корреспонденции: Ромашко Р.В.,e-mail:[email protected].

Поступила 06.11.18

A.B. Belaventseva1, R.V. Romashko12, Yu.N. Kulchin12, T.S.Zaporozhets3, E.V. Persiyanova3 STUDY OF PRESSURE EFFECT ON BIOLOGICAL TISSUE IN THE BLOOD PULSATION IMAGING TECHNIQUE

1 Institute of Automation and Control Processes (IACI) of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences (FEB RAS), Vladivostok, Russia

2 Far Eastern Federal University (FEFU), Vladivostok, Russia

3 Medical Association of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, Vladivostok, Russia

In this work, we investigated the dependence of ablood pulsation amplitude in biological tissueson the additional mass, which exerts external pressure on this tissue, by the method of blood pulsation imaging. The optimal pressure on the studied tissue was determined experimentally in order to increase the amplitude of the photoplethysmography signal.

Keywords: microcirculation, photoplethysmography, blood pulsations, blood perfusion.

For citation: Belaventseva A.B., Romashko R.V, Kulchin Yu.N., Zaporozhets T.S., Persiyanova E.V. Study of pressure effect on biological tissue in the blood pulsation imaging technique. Health. Medical ecology. Science. 2018; 3: 73-76 (in Russia). DOI: 10.5281/zenodo.1488052.

For correspondence: Romashko R.V., e-mail: [email protected]. Conflict of interests. The authors are declaring absence of conflict of interests.

Financing. The research is partially supported by Far-Eastern Branch of Russian Academy of Sciences (grant № 18-5-098).

Received 06.11.18 Accepted 24.11.18

HEALTH. MEDICAL ECOLOGY. SCiENCE 3 (75) - 2018 73

Введение

В последнее десятилетие в условиях интенсивного развития электронных и оптических технологий растет число методов, позволяющих изучать кровоток как в коже, так и в других органах. К настоящему времени разработаны различные оптические неинвазивные методы исследования микроциркуляции крови, такие как:лазерная до-плеровская визуализация, лазерная спекловая визуализация и фотоплетизмография [1-4], где регистрация изменений потока крови возможна только

в одной точке исследуемого объекта. В работе [5], на основе метода фотоплетизмографии, был предложен метод визуализации пульсации крови (ВПК), позволяющий получить двумерное распределение параметров перфузии крови. На основе метода ВПК разработана и продолжает исследоваться система оптической бесконтактной визуализации в реальном времени пространственно-временных распределений амплитуды пульсации крови (ВРА) в живых тканях [6-9]. Схема установки системы ВПК представлена на рис. 1.

, Цифровая камера

Рис. 1. Схема системы оптической бесконтактной визуализации пульсации крови

В данной системе для регистрации рассеянного живыми тканями когерентного излучения используется подход, основанный на регистрации (селективной по длине волны и поляризации) изображения исследуемой области ткани фоточувствительной ПЗС матрицей с последующим построением двумерного распределения параметров перфузии крови. При этом для построения указанного распределения используется метод симплификации, основанный

на синхронном детектировании интенсивности излучения в каждой точке видеокадра, что позволяет получить информацию о параметрах пульсаций крови в условиях физиологической неустойчивости исследуемого объекта. В результате можно получить сигнал фотоплетизмографии (PPG) в каждой точке наблюдения исследуемой ткани и карту распределения амплитуды пульсации крови, пример которых показан на рис. 2.

Рис. 2. Сигнал фотоплетизмографии (а) и карта распределения амплитуды пульсации кровипо ладони субъекта (б)

Ранее в работе [9] было замечено, что при увеличении контактной силы путем дополнительного давления на исследуемую ткань амплитуда пульсаций возрастет, при этом повышается отношение сигнал/ шум. С этой целью в настоящей работе проведены экспериментальные исследования по определению

оптимального давления, позволяющего достичь наибольшую амплитуду сигнала пульсаций. В исследовании приняло участие 16 человек. Схема экспериментальной установки, с помощью которой определялось дополнительное давление, оказываемое на исследуемую ткань,показана на рис. 3.

SScience for practice

^Дополнительная масса

Стеклянный рычаг,

.атчик давления

Стеклянная подложка

Источник света

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для определения оптимального давления, оказываемого на исследуемую ткань

Методика проведения исследований заключалась в следующем. В качестве исследуемой ткани использована дистальная фаланга среднего пальца левой руки. Ткань равномерно освещалась непрерывным излучением надлине волны 525 нм. С помощью ПЗС матрицы записывался видеосигнал изображения фаланги пальца. На фалангу оказывалось дополнительное давление путем приложения дополнительной

массы (рис. 3). При этом в течение времени записи видеосигнала (360 с) величина дополнительной массы плавно изменялась от 0 до 350 г. Давление, оказываемое на фалангу, регистрировалось калиброванным тензометрическим датчиком. Путем последующей обработки записанного видеосигнала была получена зависимость сигнала фотоплетизмографии от дополнительной массы, пример которой показан на рис. 4.

Рис. 4. Карта распределения амплитуды пульсации крови по ладони для одного субъекта (а) и график зависимости сигнала фотоплетизмографии в исследуемой точке 1 от дополнительной массы (б)

Полученная зависимость амплитуды сигнала пульсаций от дополнительной массы показана на рис. 6 для четырех субъектов. Как видно из рис. 5, оптимальное значение дополнительной массы, при которой амплитуда сигнала достигает макси-

мума, составляет 150±30 г на 1,4 см2 ткани. Следовательно, для получения оптимального значения амплитуды пульсации крови со всей поверхности руки к ней необходимо прикладывать массу порядка 7 кг.

4,5

4,0-

3,5-

о4 3,0

г- 2,5-

СО

2,0-

1,5-

1,0-

0,5-

■S1 -S1 - S4

■ S4

■ S5 S5

-S8 S8

0

i

25

~50~

i

75

100 ' 125 ' 150 ' 175 ' 200 ' 225 ' 250 ' 275 300

т. КГ

Рис. 5. Зависимость амплитуды пульсаций крови от дополнительной массы

HEALTH. MEDiCAL ECOLOGY. SCiENCE 3 (75) - 2018 75

Таким образом, в настоящей работе исследована зависимость амплитуды пульсации крови от внешнего давления на биологическую ткань. Установлено, что амплитуда сигнала фотоплетизографии достигает максимума при давлении 150±30 г дополнительной массы на 1,4 см2 ткани. Полученные результаты будут использованы в последующих исследованиях процессов кровоснабжения тканей и работы нервной и кардиоваскулярной систем организма с помощью метода ВПК.

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование выполнено при финансовой поддержке ДВО РАН (грант № 18-5-098).

ЛИТЕРАТУРА

1. Draijer M., Hondebrink E., Van Leeuwen T., Steen-bergen W. Review of laser speckle contrast techniques for visualizing tissue perfusion. Lasers Med. Sci., 2009; 24: 639-651. DOI: 10.1007/s10103-008-0626-3.

2. Takano C., Ohta Y. Quantitative proteomics targeting classes of motif-containing peptides using immu-noaffinity-based mass spectrometry. Med. Eng. Phys., 2007; 29: 853-857.

3. Olsson N.P., James C.A., Borrebaeck C. Blood flow observed by time-varying laser speckle. Molecular & Cellular Proteomics. 2012; M111. 016238.

4. Kamal A.A.R., Harness J.B., Irving G., Mearns A.J. Blood flow determination by the laser speckle method. Comput. Methods, Programs Biomed, 1989; 28: 257-269.

5. Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement, Physiol. Meas. 2007; 28: 1-39.

6. Kamshilin A.A., Miridonov S.V., Teplov V.Y., Saa-renheimo R., Nippolainen E. Displacement measurement from double-exposure laser photographs. Biomed. Opt. Express, 2011, v. 2, p. 996-1006.

7. Kamshilin A.A., Belaventseva A.V., Romashko R.V., Kulchin Y.N., Mamontov O.V. Local thermal impact on microcirculation assessed by imaging photople-thysmography. Biology and Medicine, 2016; 8(7): e1000361.

8. Zaproudina N., Teplov V., Nippolainen E. Asyn-chronicity of facial blood perfusion in migraine., PLoS One 2013;8:e80189.

9. Mamontov O., Krasnikova T., Volynsky M., Shlyakhto E., Kamshilin A. Position-dependent changes of blood flow in carotid arteries assessed by camera-based photoplethysmography. Clinical Autonomic Research. 2017; 27(5): 323-324.

10. 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. Sci. Rep. 2015: 5:e10494.

Сведения об авторах

Ромашко Роман Владимирович - д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН, e-mail: [email protected]; (автор-корре спондент);

Белавенцева Анастасия Владимировна - младший научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН; Запорожец Татьяна Станиславовна - д.м.н., заместитель директора НИИЭМ имени Г.П. Сомова, e-mail: [email protected];

Персиянова Елена Викторовна - к.б.н., научный сотрудник лаборатории иммунологии НИИЭМ имени Г.П. Сомова, e-mail: [email protected].

Study of pressure effect on biological tissue in the blood pulsation imaging technique

Текст научной работы на тему «Исследование влияния давления на биологическую ткань в методе оптической визуализации пульсаций крови»