CC BY
25
Доклады БГУИР
2018, № 7 (117) УДК 621.383:615.47
Doklady BGUIR
2018, No. 7 (117)
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНОГО СВЕТОДИОДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИНАМИКИ КРОВОТОКА И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МЫЩЦ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ
!Л.А. ВАСИЛЕВСКАЯ, 2М.М. САЛИМИ ЗАДЕХ
1 Республиканский научно-практический центр неврологии и нейрохирургии, Республика Беларусь 2Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь
Поступила в редакцию 15 ноября 2018
Аннотация. С использованием спекл-оптического метода исследованы кровоток в кожных покровах височной области и функциональное состояние мышц. Показано, что спекл-оптический метод может применяться для объективизации кожного кровотока и оценки сосудистой реактивности при задержке дыхания и гипервентиляции. Полученные объективные данные тонического состояния передней большеберцовой мышцы здоровых людей могут быть использованы в клинике в качестве показателей нормы при сравнения с результатами обследования пациентов с заболеваниями двигательной сферы и патологией нервно-мышечного аппарата, а также в спортивной медицине.
Ключевые слова: спекл, микрогемодинамика, кровоток, функциональная активность мышц, передняя большеберцовая мышца, спекл-оптика.
Abstract. The blood flow in the skin of the temporal region and the functional state of the muscles were investigated using the speckle-optical method. It is shown that the speckle-optical method can be used to objectify the skin blood flow and to evaluate vascular reactivity during breath-holding and hyperventilation. Obtained objective data of the tonic state of the anterior tibial muscle of healthy people can be used as indicators of the norm in the clinic for comparison with the results of examinations of patients with diseases of the motor sphere and the pathology of the neuromuscular apparatus, as well as in sports medicine.
Keywords: speckle, microgeodynamics, blood flow, functional muscle activity, anterior tibialis muscle, speckle-optics.
Doklady BGUIR. 2018, Vol. 117, ]Чо. 7, pp. 133-138 Optical system on the basis of a laser LED for control of the dynamics of the blood flow and functional state of the muscles in biological tissues L.A. Vasilevskaya, M.M. Salimi Zadeh
Введение
Для определения информативных параметров спектра флуктуации интенсивности динамических спекл-картин, позволяющих оценить состояние кровотока в биоткани, была использована лазерная спекл-оптическая система контроля микроциркуляции крови [1, 2].
Расходимость лазерного излучения а на выходе одномодового световода, определенная экспериментально, составила ~ 6°. Торец освещающего одномодового световода размещался на расстоянии S2 от исследуемой поверхности биологического объекта (БО). Это расстояние равно 7 мм. В зависимости от степени освещенности исследуемой зоны поверхности одинаковые колебания приводят к различающимся изменениям сигнала, что вызывает погрешности при проведении исследования. Для предотвращения подобных неточностей применена схема усилителя с нормировкой входного сигнала.
Рис. 1. Оптическая схема датчика: ЛИ -лазерный источник; ИМ - измерительный модуль;
ИОВ - излучающее оптическое волокно; ПОВ - приемное оптическое волокно; Д - датчик;
БО - биологический объект
Основным требованием к компоновке модулей системы является минимизация уровня их помех, воздействующих на фотоприемник. Разработанное программное обеспечение комплекса обеспечивает не только регистрацию данных, но также Фурье-анализ и статистическую обработку полученных результатов. В системе предусмотрен программный выбор частотной полосы, в которой снимается сигнал, а также воспроизведение данных, снятых и сохраненных ранее, для просмотра и обработки. После выполнения Фурье-анализа сигнала предусмотрена возможность усреднения заданного числа спектров и работа с усредненными результатами. Имеется возможность фильтрации или сглаживания по заданному числу точек, вывода и расчета параметров для заданного частотного интервала, нормировки по площади или по максимальной амплитуде в заданном диапазоне частот, сравнения различных измерений между собой.
Рис. 2. Внешний вид макетного образца лазерной спекл-оптической системы контроля микроциркуляции
Целью работы является создание спекл-оптических методик для контроля динамики кровотока, оценки эффективности лечения при фотодинамической терапии, диагностики ряда заболеваний в клинической практике.
Методика использования спекл-оптической характеристики микрогемодинамики кожных покровов височной области у пациентов с артериальными аневризмами
Функциональное состояние кожной микрогемодинамики (МГД) изучали неинвазивным спекл-оптическим методом с использованием устройства 8реск1е-8СЛМ, представляющего собой лазерную спекл-оптическую систему контроля микроциркуляции крови [2].
Статистическую обработку полученных результатов исследований проводили с применением пакета прикладных программ 81аЙ8йса 10.0. Данные обрабатывались с помощью непараметрических методов исследования. Результаты представлялись в виде медианы и интерквартильного интервала (Ме (250/оо; 750/оо). Учитывались абсолютные числа и относительные величины в процентах (%). Статистически значимыми считались значенияр < 0,05.
Спекл-оптическое исследование сосудистой реактивности в условиях ЗД и ГВ проведено у 21 пациента с неразорвавшимися АА, диагностированными с помощью компьютерной томографической ангиографии. У пациентов с АА адекватная вазодилататорная реакция сосудов микрогемоциркуляторного русла кожных покровов височной области интактной стороны в условиях выполнения теста с ЗД зарегистрирована в 10 случаях (48 %). При этом в 94 % случаев наблюдаемые реакции были своевременными и развивались в течение 2 мин после восстановления дыхания (табл. 1).
Таблица 1. Динамика показателей кожной МГД в области висков на интактной стороне у пациентов с АА с адекватными реакциями при выполнении пробы с ЗД (медиана и квартили), п = 16
Показа- До ЗД Период восстановления дыхания
тели МГД (ф°н) 1 мин 2 мин 3 мин 4 мин 5 мин
5, отн. ед. 10116 6178-18794 14427 10454-24820 р = 0,007 10251 6353-22612 р = 0,07 7943 3474-13915 5864 3998-13477 6412 3055-11922
</>, Гц 139,5 135-155 139 136-143 145 129-157 149 130-163 149 135-162 141 140-156
къ, отн. ед. 0,25 0,22-0,27 0,21 0,20-0,25 р = 0,05 0,24 0,22-0,27 0,28 0,24-0,33 0,31 0,23-0,36 0,28 0,22-0,32
Примечание: здесь и в табл. 2-5 р - значения статистически значимы по сравнению с фоном
Выявлена тенденция к возрастанию средней частоты спектра кривой кожной МГД в этих условиях на 2 и 5 % соответственно на 2-й и 3-й мин после окончания ЗД по сравнению с фоном. При исследовании динамики спекл-оптических показателей на контралатеральной стороне с диагностированными аневризмами в 76 % случаев (16 чел.) зарегистрированы адекватные реакции сосудов микрогемоциркуляторного русла кожных покровов виска на гиперкапнию, что статистически не отличалось от количества адекватных сосудистых реакций пациентов этой же группы на противоположной здоровой стороне, р = 0,06 (табл. 2.).
Таблица 2. Динамика показателей кожной МГД в области висков на стороне с АА у пациентов в условиях выполнения пробы с ЗД (медиана и квартили), п = 16
Показа- До ЗД Период восстановления дыхания
тели МГД (фон) 1 мин 2 мин 3 мин 4 мин 5 мин
5, отн. ед. 9073 7211-17596 12903 9658-19115 р = 0,039 8550 6483-21393 9460 5326-15615 8897 5477-19726 9036 5661-16584
</>, Гц 138,5 138 145 141 142 135
128-149 138-130 129-160 129-148 134-156 129-148
къ, 0,23 0,22 0,25 0,24 0,23 0,25
отн. ед. 0,215-0,27 0,197-0,26 0,217-0,29 0,219-0,29 0,214-0,30 0,20-0,31
В табл. 3 представлена динамика спекл-оптических показателей адекватной сосудистой реактивности на ГВ на интактной стороне. Установлено снижение мощности спектра в течение 1-й, 2-й и 3-й мин на 26 % (р = 0,033), 33 % (р = 0,019) и 19 % (р = 0,039) соответственно с последующей ее нормализацией в постгипервентиляционном периоде. Направленность изменений средней частоты спектра и полосового коэффициента спектра носила противоположный характер с преимущественным статистически не значимым увеличением значений в период восстановления дыхания после окончания ГВ.
Таблица 3. Динамика показателей кожной МГД в области висков на интактной стороне у пациентов с АА в условиях выполнения пробы с ГВ (медиана и квартили), п = 13
Показатели МГД До ГВ (фон) Период восстановления дыхания
1 мин 2 мин 3 мин 4 мин 5 мин
5, отн. ед. 11922 8154-30246 9356 4663-13251 р = 0,033 7929 5261-14929 р = 0,019 10592 7818-17342 р = 0,039 10362 7781-21201 11030 6504-19979
</>, Гц 136 129-141 137 128-144 140 135-143 142 132-153 142 130-160 142 130-157 р = 0,07
къ, отн. ед. 0,23 0,195-0,27 0,24 0,204-0,33 0,26 0,227-0,32 0,23 0,201-0,33 0,27 0,216-0,28 0,24 0,211-0,33
Применение спекл-оптического метода регистрации кожной МГД контралатеральных сторон височной области у пациентов с АА позволило объективизировать состояние кожного кровотока с дифференциацией реактивности сосудов головного мозга в условиях изменения газового состава крови при выполнении дыхательных проб с гипер- и гипокапнией.
Оптимизация исследования функциональной активности мышц нижней конечности с применением спекл-оптики
При клиническом обследовании пациентов с заболеваниями нервной системы, сопровождающимися поражением позвоночника или спинного мозга, а также с патологией нервно-мышечного аппарата или нарушениями в двигательной сфере актуальным является исследование функционального состояния скелетных мышц, определение их тонической активности. Объективная оценка функциональной активности мышц у этих пациентов возможна при наличии количественных показателей, установленных у здоровых людей и принятых за норму. Используемая в экспериментальных и клинических исследованиях миотонометрия недостаточно пригодна для объективизации мышечного тонуса и оценки функционального состояния мышц, поскольку является малоинформативной.
Исследовано тоническое состояние мышц 20 здоровых добровольцев, медиана возраста которых равна 48 годам (от 43 до 58 лет). Разработан алгоритм исследования биомеханических параметров мышц голени у здоровых добровольцев с применением метода спекл-оптической диагностики функциональной активности передней большеберцовой мышцы - разгибателя стопы с определением сократительных и релаксационных свойств. Исследования проводились в условиях выполнения тестов с функциональной нагрузкой различного характера (статической нагрузкой - напряжением мышц при максимальном произвольном сокращении передней большеберцовой мышцы в условиях разгибания стопы и динамической нагрузкой -измерением тонуса мышц после 20-кратного сгибания и разгибания стопы в ранний период релаксации).
Статистическая обработка полученных результатов проводилась с применением пакета прикладных программ 81ай8йса 10.0. Основной массив данных обрабатывался с помощью непараметрических методов исследования. Результаты представлялись в виде медианы и интерквартильного интервала Ме (250/00; 750/00). При сравнении зависимых выборок применялся критерий Уилкоксона. Учитывались абсолютные числа и относительные величины в процентах (%). Статистически значимыми считались значения р < 0,05. Спекл-оптические показатели функционального состояния мышц регистрировались с помощью лазерного устройства 8реск1е-8СЛК для неинвазивной оценки биохимических характеристик мышц и поверхностной микрогемодинамики [3]. При сопоставлении значений спекл-оптических показателей на правой и левой нижних конечностях у здоровых людей в покое и в условиях выполнения различных тестов асимметрии изучаемых параметров на контралатеральных конечностях не установлено. Результаты спекл-оптического исследования тонуса передней большеберцовой мышцы у здоровых лиц на обеих ногах представлены в табл. 4, а в условиях выполнения теста «сокращение с усилением» - в табл. 5.
Таблица 4. Спекл-оптические показатели тонуса передней большеберцовой мышцы в различных условиях функциональной активности, Ме (250/00; 750/00), п = 40
Функциональное состояние мышцы Спекл-оптические показатели
Мощность спектра S, отн. ед. Средняя частота спектра </>, Гц Полосовой коэффициент КЬ
1. Исходные значения (состояние покоя) 2275 1749; 3318 23,2 20,9; 25,8 0,45 0,35; 0,6
2. Сокращение мышцы со статической физической нагрузкой 2180 1740;2930 р = 0,016 24, 6 22,4; 27 р = 0,001 0,52 0,4; 0,6 р = 0,001
3. Состояние покоя после теста с динамической физической нагрузкой 2530 1820;3365 р = 0,03 23,1 20; 25 0,44 0,36; 0,56
4. Сокращение мышцы после теста с динамической физической нагрузкой 2040 1590;2500 р1 = 0,02 25 23; 27,5 р = 0,001 р1 < 0,001 0,56 0,45; 0,7 р = 0,001 р1 < 0,001
Таблица 5. Динамика спекл-оптических показателей мышечной активности (прирост, в % к исходным значениям) у здоровых лиц в условиях выполнения теста «сокращение с усилением», п = 40
Функциональное состояние мышцы Спекл-оптические показатели
Мощность спектра S, отн. ед Средняя частота спектра</>, Гц Полосовой коэффициент Kb Частота основной спектральной гармоники </>0
1. Состояние покоя 0 0 0
2. Сокращение мышцы 4 -22; 50 32 13; 54 р = 0,001 120 40; 218 р = 0,001 46 -22;210 р = 0,04
3. Состояние покоя после сокращения 29 -20; 52 30 14; 52 р = 0,001 90 42; 190 р = 0,005 207 -4; 370 р = 0,01
Заключение
Таким образом, для объективизации состояния кровотока и оценки сосудистой реактивности в различных функциональных условиях целесообразно анализировать амплитудно-частотные характеристики спектров флуктуации интенсивности динамического спекл-поля, образованного в результате рассеивания лазерного излучения кожными покровами височной области, косвенно характеризующие реактивность сосудов головного мозга в условиях гипер- и гипокапнии. Установленный паттерн спекл-оптических показателей в условиях функционального покоя и после проведения статической и динамической физической нагрузок, а также теста «сокращение с усилением» позволил выявить наиболее информативные параметры спекл-оптической миограммы, которые являются биомеханическими характеристиками тонического состояния мышц. Динамика спекл-оптических показателей в виде возрастания значений средней частоты спектра </> и полосового коэффициента КЬ свидетельствует об увеличении тонуса исследуемых мышц, что может быть применено для оценки исходного функционального состояния мышц, их сократительных свойств, а также постактивационных изменений, в частности, релаксационных и усталостных характеристик в условиях выполнения различных функциональных тестов.
Список литературы
1. Characterization of blood flow rate in dental pulp by speckle patterns of backscattered light from an in vivo tooth / S.K. Dick [et al.] // J. Biomed. Opt. 2014. Vol. 19, № 10. P. 106012-1-106012-8.
2. Дик С.К. Лазерно-оптические методы и технические средства контроля функционального состояния биообъектов. Минск: БГУИР, 2014. 235 с.
3. Ходулев В.И. Электронейромиографическая характеристика функционального состояния периферических нервов при хронической воспалительной демиелинизирующей полиневропатии // Актуальные проблемы неврологии и нейрохирургии: сб. науч. тр. 2008. Вып. 11. С. 371-382.
References
1. Characterization of blood flow rate in dental pulp by speckle patterns of backscattered light from an in vivo tooth / S.K. Dick [et al.] // J. Biomed. Opt. 2014. Vol. 19, № 10. P. 106012-1-106012-8.
2. Dik S.K. Lazerno-opticheskie metody i tehnicheskie sredstva kontrolja fUnkcional'nogo sostojanija bioob'ektov. Minsk: BGUIR, 2014. 235 s. (in Russ.)
3. Hodulev V.I. Jelektronejromiograficheskaja harakteristika funkcional'nogo sostojanija perifericheskih nervov pri hronicheskoj vospalitel'noj demielinizirujushhej polinevropatii // Aktual'nye problemy nevrologii i nejrohirurgii: sb. nauch. tr. 2008. Vyp. 11. S. 371-382. (in Russ.)
Сведения об авторах
Василевская Л.А., к.м.н., в.н.с. РНПЦ неврологии и нейрохирургии.
Салими Задех М.М., аспирант Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.
Information about the authors
Vasilevskaya L.A., PhD, leading researcher of NSPC of neurology and neurosurgery.
Salimi Zadeh M.M., PG student of Belarusian state university of informatics and radioelectronics.
Адрес для корреспонденции
220013, Республика Беларусь,
г. Минск, ул. П.Бровки, 6
Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники
тел. +375-25-516-69-57;
e -mail: mehrnoo sh. salimizadeh@gmail. com
Салими Задех Мехрнуш Махмуд
Address for correspondence
220013, Republic of Belarus,
Minsk, P. Brovki st., 6.
Belarusian state university
of informatics and radioelectronics
tel. +375-25-516-69-57;
e-mail: mehrnoosh.salimizadeh@gmail.com
Slimi Zadeh Mehrnoosh Mahmoud
