CC BY
50
УДК 531/534: [57+61]
ПОВЕДЕНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ КОЖНОГО КРОВОТОКА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ
НАГРЕВЕ ПОВЕРХНОСТИ КОЖИ
И.А. Мизева1, Д.В. Ветрова2
1 Лаборатория физической гидродинамики Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, Россия, 614013, Пермь, ул. акад. Королева, 1, e-mail: [email protected]
2 Кафедра общей физики Пермского государственного национального исследовательского университета, Россия, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15, e-mail: [email protected]
Аннотация. Нарушение системы микроциркуляции играет важную роль при развитии различных заболеваний. Разработка методов диагностики и выявления динамики нарушений представляет собой актуальную задачу, решаемую в рамках междисциплинарных физико-медицинских исследований. При этом значительное внимание уделяется неинвазивным методам оценки функционального состояния микрососудов in vivo. В работе представлены результаты экспериментального исследования реакции микроциркуляторной системы кожи человека на локальный нагрев, полученные при помощи лазерного допплеровского флоуметра. Часовой протокол исследования, выполняемый при помощи стандартного программного обеспечения комплекса для изучения микроциркуляции крови человека Moor Instruments, включал в себя непрерывную запись кровотока: базального (10 мин), при нагреве 42 °С (40 мин) и после снятия нагрузки (10 мин). Запись кровотока проводилась на предплечье, в исследовании приняли участие 12 здоровых добровольцев. При помощи оргинальных алгоритмов вейвлет-анализа было проведено исследование записей, полученных при экспериментальном исследовании. Выявлено достоверное увеличение мощности пульсаций кровотока при нагреве в пяти частотных диапазонах, связанных с факторами регуляции течения крови в микрососудах. Воспроизведен известный результат, связанный с тем, что при продолжительном нагреве (40 мин и более) на графиках сигналов лазерной допплеровской флоуметрии существуют две области увеличения кровотока, вызванного разными физиологическими механизмами. Показано, что пульсации кровотока во время второй фазы, вызванной синтезом оксида азота NO в эндотелии, остаются практически неизменными.
Ключевые слова: лазерная допплеровская флоуметрия, микроциркуляция крови, вейвлет-анализ.
Введение
Известно, что нарушение системы микроциркуляции крови играет значительную роль при различных заболеваниях [7]. Под микрогемоциркуляцией понимают кровообращение в сосудах диаметром меньше 100 мкм. Для описания поведения микроциркуляторного русла традиционно привлекается понятие «сосудистый тонус». Факторы регуляции сосудистого тонуса вызывают сложные непериодические изменения перфузии (прохождения крови через ткань). Эти изменения могут быть зарегистрированы с использованием различных исследовательских методик [6]. В последние годы все больше внимания привлекает метод лазерной допплеровской
© Мизева И.А., Ветрова Д.В., 2014
Мизева Ирина Андреевна, к.ф.-м.н., н.с. лаборатории физической гидродинамики, Пермь Ветрова Дарья Владимировна, студент 4-го курса, Пермь
флоуметрии [19], который позволяет проводить in vivo исследование системы микрогемоциркуляции [1]. Метод лазерной допплеровской флоуметрии основан на регистрации допплеровского сдвига частоты лазерного излучения, возникающего при отражении от движущихся эритроцитов в микрососудах.
Существует два подхода изучения сигналов, полученных с лазерного допплеровского флоуметра, с целью установления свойств микроциркуляторного звена. Первый подход основан на определении средних показателей перфузии кожи и их изменения в ответ на физиологические нагрузки [13, 15]. Достаточно подробно изучен вопрос об изменении перфузии кожи в ответ на локальный нагрев [1, 11]. Реакция микрокровотока на повышение температуры зависит от режима нагрева (скорости, интенсивности, максимальной величины нагрева), что обусловлено влиянием разных физиологических механизмов. В данной работе авторы рассматривают реакцию кровотока на так называемый безболезненный нагрев до 42 °С со скоростью 1° (за 10-15 секунд). Известно, что в ответ на такой физиологический тест на кривой зависимости перфузии от времени (рис. 1) можно выделить несколько фаз. В первые несколько минут после нагрева происходит резкое увеличение кровотока, которое связано с аксон-рефлексом [18] - кратковременной рефлекторной реакцией, осуществляющейся без участия центральных нервных механизмов. Сама по себе эта реакция вызывает интерес исследователей и имеет диагностическую ценность для определения резерва микроциркуляторного русла [9].
При продолжении нагрева с той же температурой на записи сигнала, полученного с лазерного допплеровского флоуметра, появляется локальный минимум, после которого следует фаза увеличения микрокровотока, вызванная другим физиологическим механизмом - локальным синтезом вазодилататора оксида азота NO [4]. На кривой зависимости кровотока от времени эта фаза отличается длительным плато, уровень кровотока сравним с максимальным кровотоком во время аксон-рефлекса. Изучение кровотока в этой фазе представляет собой интерес с точки зрения определения функции эндотелия - слоя клеток, выстилающих кровеносные сосуды, который в ответ на сдвиговое напряжение, вызванное течением крови, синтезирует оксид азота NO. Таким образом, в основе первого подхода оценки резерва системы микроциркуляции лежит анализ абсолютных показателей микрокровотока при нагреве.
Второе направление, развивающееся параллельно, - исследование пульсаций потока крови в микрососудах. В работе [17] показано, что на регуляцию кровотока в микроциркуляторном русле оказывает влияние ряд физиологических механизмов,
Рис. 1. Реакция микрокровотока на локальный нагрев
которые обеспечивают колебательный характер течения крови [14]. В работе [12] были выделены 5 диапазонов частот, связанных с механизмами регуляции кровотока. Область высоких частот соотносят с частотой сокращений сердца (0,8-1,6 Гц), дыханием (0,15-0,4 Гц). В области низких частот выделяют миогенный (0,07-0,15 Гц), нейрогенный (0,02-0,052) и эндотелиальный (0,01-0,02) ритмы [2]. Таким образом, можно предположить, что изменение активности синтеза NO эндотелием должно привести к изменению спектрального состава сигналов лазерной допплеровской флоуметрии в области низких частот.
В настоящее время разработаны методы, позволяющие оценить активность тех или иных механизмов по энергии колебаний в определенных диапазонах частот, но спектральный подход, несмотря на простоту, до сих пор не нашел широкого применения в клинических исследованиях. Более того, вопрос о применимости такого метода подвергается сомнениям, доказательством чего может быть дискуссия [5, 17], развернувшаяся после публикации в журнале «Microvascular Research» [16]. В качестве недостатков спектрального подхода упоминается низкая воспроизводимость, возникающая вследствие негетерогенности микрососудистого русла, и необходимость длительного времени мониторирования [15]. Действительно, для корректного спектрального анализа при частотах порядка 0,01 Гц необходимы стационарные сигналы длительностью более 20 мин. При условии, что стационарным состояние становится через 10-15 мин, минимальное время проведения одного теплового теста должно быть порядка 40 мин.
Целью данной статьи является спектральное исследование колебаний кожного кровотока при локальном нагреве. В работе предпринята попытка связать перечисленные выше подходы к изучению сигналов лазерной допплеровской флоуметрии. На сегодняшний день существует единственное исследование подобного рода [10], в котором показано, что при длительном нагреве увеличивается амплитуда колебаний во всех частотных диапазонах и динамика изменения кровотока различна для людей двух старших возрастных групп.
Материалы и методы
В обследовании приняли участие 12 здоровых некурящих добровольцев. Из рациона за 12 ч до исследования были исключены кофеиносодержащие продукты. За 2 ч до обследования были исключены приемы пищи. В течение 15 мин испытуемые находились в комфортных условиях в лаборатории.
Для исследования потока крови на нагретом участке кожи использовался двухканальный лазерный допплеровский флоуметр VMS-LDF (производства Moor Instruments, Великобритания). На предплечье левой руки при помощи двустороннего адгезионного диска прикреплялся стандартный нагревательный элемент прибора moorVMS-Heat. Температура нагревательного элемента фиксировалась с точностью 0,1 °С. В отверстие в нагревательном элементе был вставлен датчик лазерного допплеровского флоуметра. Управление экспериментом осуществлялось при помощи стандартного программного обеспечения мониторов Moor Instruments. Запись температуры и лазерной допплеровской флоуметрии проводилась непрерывно, при этом в первые 10 мин эксперимента нагреватель был отключен и регистрировался базальный кровоток. На 11-й мин включался нагреватель (нагрев до 40° С проводился плавно в течение 1 мин по 1 °С за 15 с). Далее при фиксированной температуре 40 °С проводилась запись перфузии в течение 40 мин. На 50-й мин эксперимента нагреватель отключался, и в течение 15 мин проводилась запись охлаждения.
Под спектральным анализом сигнала, как правило, подразумевают разложение сигнала в ряд Фурье по гармоническим функциям. Гармонические функции определенны от -то до +то, а при анализе реальных сигналов мы имеем дело с конечными реализациями. Выбрав ограниченную в пространстве анализирующую функцию, получаем обобщение анализа Фурье - вейвлет-анализ [3], который традиционно применяется в задачах, связанных с изучением спектрального состава колебаний кровотока [1, 12]. Это вызвано тем, что рассматриваемые сигналы зашумлены, нестационарны и исследуемые ряды данных составляют всего несколько периодов колебаний интересующего авторов диапазона частот.
При помощи непрерывного вейвлет-преобразования функция одной переменной (времени в нашем случае) /(г) может быть представлена в двумерном пространстве времени и частоты:
да
Ж(V, т) = V | /(г)V* (( - т) у) ) (1)
—да
где г - время; * - комплексное сопряжение; т - временной сдвиг; у - частота; ) -некоторая функция, называемая анализирующим вейвлетом, форма которой определяется типом сигнала и целью проводимого исследования сигнала. В данной работе мы используем комплексный вейвлет Морле у (г) = ехр(2га'г )ехр(-г2/а2) [8] с параметром затухания а = 2. Графическое представление функции двух переменных Ж (у, т) (вейвлет-плоскость) позволяет проанализировать изменение спектральных свойств со временем, а интегральная характеристика
г+Лг
М(у) = | \Ж(у, т)| Жт (2)
несет информацию о пульсациях всех частот на интервале времени (г, г + Лг) и является аналогом спектральной плотности энергии сигнала. При вейвлет-разложении мы используем диапазон частот от 0,01 до 2 Гц, разбитый логарифмически на 100 интервалов.
Дополнительные сложности при анализе сигналов вызывают границы и переходные процессы. При достаточно длинных (длительность сигнала больше нескольких десятков наибольшего исследуемого периода) можно исключить границы из рассмотрения. В случае же коротких нестационарных сигналов при таком подходе не будет использовано значительное количество информации [20]. Кроме того, в рассматриваемом случае интересны колебания микрокровотока вблизи переходных процессов после нагрева. Учитывая все приведенные выше факторы, авторы исключили крупномасштабный тренд лазерной допплеровской флоуметрии, а именно, в период роста кровотока была подобрана аппроксимирующая функция вида
0(г) = а + Ь а Щ(а + Ж). (3)
Вычисление коэффициентов а, Ь, с, Ж проводилось путем минимизации квадратичного отклонения. В период отключения нагревателя на большинстве записей присутствовал линейный тренд, который также не учитывался при анализе сигнала.
Для количественного анализа изменения спектрального состава колебаний микрокровотока со временем было проведено вычисление спектральных характеристик сигналов лазерной допплеровской флоуметрии за промежутки времени Лг = 10 мин.
При выборе временного интервала принималась во внимание характерная длительность самых медленных из рассматриваемых физиологических процессов. Для статистического анализа результатов вейвлет-разложения были вычислены медианные значения мощности пульсаций MJ в заданном диапазоне частот V за заданный интервал времени ti. Полученные выборки были проанализированы при помощи
статистического непараметрического теста Вилкоксона для зависимых выборок. Вся обработка данных, включая спектральный и статистический анализы, была проведена при помощи оригинальных алгоритмов, созданных при помощи пакета Mathematica 8.0.
Пример записи сигнала лазерной допплеровской флоуметрии приведен на рис. 2. В области локального нагрева наблюдается значительное увеличение перфузии ткани кровью через 4-7 с после включения нагревателя. Задержка вызвана, по всей видимости, прогревом эпидермиса. В течение 20 с после нагрева перфузия достигает локального максимума, за которым следует небольшой спад. Далее лазерная допплеровская флоуметрия снова плавно нарастает в течение 100 с, после чего среднее значение остается постоянным, на графике можно выделить плато.
При анализе вейвлет-плоскости (рис. 3, a) видно, что при нагреве происходит увеличение интенсивности пульсаций во всем диапазоне частот. Появление на 12-й мин выраженной белой полосы на частоте, близкой к 1 Гц (частоте сердечных сокращений), свидетельствует о нарастании амплитуды пульсаций локального кровотока, связанного с активностью сердца. Важно отметить, что сама частота сердечных сокращений остается без изменений. Сравнивая вейвлет-плоскости исходного сигнала и сигнала с вычтенным крупномасштабным трендом (рис. 3, б), можно установить, что имеющийся тренд влияет на спектральный состав в момент времени t = 10 мин и на границах.
Диаграмма изменения мощности пульсаций MV в 5 различных диапазонах
частот V в 5 временных интервалах ti представлена на рис. 4, медианные значения
мощности и коэффициенты достоверности приведены в таблице. Амплитуда пульсаций достоверно нарастает в первые 10 мин после нагрева во всех исследуемых частотных диапазонах. При продолжении нагрева динамика поведения пульсаций различна.
Результаты
F, усл. ед.
400
300
200
100
10
20
30
40
50
60
t, c
Рис. 2. Пример записи лазерной допплеровской флоуметрии (вертикальными штриховыми линиями обозначено время локального нагрева поверхности кожи)
Частота v, Гц
t, мин а
Частота v, Гц
t, мин б
Рис. 3 Вейвлет-плоскость сигнала (рис. 2), полученного при помощи лазерного допплеровского флоуметра: а - исходный сигнал; б - после вычета крупномасштабного тренда. Интенсивность цвета характеризует модуль вейвлет-коэффициента: синий - минимальное значение, красный - максимальное
Изменение спектральной мощности со временем в 5 частотных диапазонах
Частотный диапазон Временной интервал
1 2 3 4 5
Сердечный 0,6 6,7 P12 = 0,009 8,4 P23 = 0,009 9,2 P34 = NS 9,3 P45 = 0,03
Дыхательный 0,9 5,8 P12 = 0,009 8,2 P23 = 0,009 8,2 P34 = NS 8,9 P54 = NS
Миогенный 3,2 10,1 P12 = 0,009 12,8 P23 = 0,009 16,3 P34 = 0,05 16,5 P45 = NS
Нейрогенный 5,7 17,0 P12 = 0,009 18,9 P23 = 0,009 16,9 P34 = NS 20,1 P45 = NS
Эндотелиальный 8,0 20,6 P12 = 0,009 23,9 p23 = NS p13 = 0,009 18,17 P43 = NS 25,4 P54 = NS
Примечание. В таблице приведены медианные значения мощности спектра в выбранных частотных диапазонах в 5 временных интервалах. 1 - до включения нагрева (1-10-я мин записи), 2 - первые 10 мин после нагрева, время аксон-рефлекса (10-20-я мин записи), 3, 4, 5 - интервалы в области плато (20-30-я, 30-40-я, 40-50-я мин записи соответственно).
« . -
К -а
CÖ О Л
с
Л
н
о .
о
X
3 о
Сердечны
к
а -■
CÖ -О
н
8 У.
X
I; 2 :
12 3 4
Временной интервал
2 3 4
Временной интервал
Миогенный
! i
Временной интервал
Временной интервал
Временной интервал
Рис. 4. Диаграмма изменения мощности пульсаций в 5 частотных диапазонах (сердечном, дыхательном, миогенном, нейрогенном, эндотелиальном) со временем
Так, на частоте сокращений сердца наблюдается достоверный рост пульсаций практически на протяжении всего нагрева, при этом в области «плато» отличия мощности пульсаций небольшие. В диапазоне частот, соответствующих миогенному и нейрогенному механизмам регуляции сосудистого тонуса, также происходит нарастание мощности пульсаций в 1-й и 2-й временные интервалы и далее в области плато пульсации остаются практически на том же уровне. Наиболее интересным с точки зрения диагностики функции эндотелия является диапазон частот 0,01-0,02 Гц. В этом диапазоне частот достоверное увеличение мощности пульсаций обнаружено только сразу после нагрева, и далее сохраняется тенденция к увеличению мощности, при этом отличия носят недостоверный характер.
Заключение
В работе изучена реакция микрокровотока кожи предплечья на локальный нагрев. В исследовании был использован достаточно хорошо описанный в литературе протокол безболезненного нагрева и проведен частотный анализ сигналов лазерной допплеровской флоуметрии. В работе показано, что в первые 10 мин увеличение мощности пульсаций достоверно во всех 5 исследуемых частотных диапазонах, в области плато изменения мощности пульсаций остаются практически без изменения и поддерживаются на одном и том же уровне за счет действия локальных механизмов регуляции сосудистого тонуса. Важно отметить, что увеличение мощности пульсаций после нагрева в частотном диапазоне 0,01-0,02 Гц связано, по всей видимости, не с активностью эндотелия, а с аксон-рефлексом (этот процесс протекает со временем, характерным для эндотелиальных колебаний, соответственно, также влияет на спектральный состав).
При продолжительном нагреве (область плато) колебания во всех исследуемых частотных диапазонах достоверно выше, чем в отсутствие нагрева, при этом они остаются практически на одном и том же уровне, начиная с двадцатой минуты после включения нагрева, и остаются без изменений вплоть до конца проведения эксперимента.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Российского научного фонда 14-15-00809.
Список литературы
1. Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Лазерная допплеровская флоуметрия микроциркуляции крови. - М.: Медицина, 2005.
2. Подтаев С.Ю., Смирнова Е.Н., Мизева И.А. Диагностика функционального состояния системы микроциркуляции на основе термометрии высокого разрешения // Вестник Пермского научного центра. - 2012. - № 3-4. - С. 11-20.
3. Фрик П.Г. Турбулентность, модели и подходы. - 2-е изд. - М.-Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2010. - 342 с.
4. Bruning R.S., Santhanam L., Stanhewicz A.E., Smith C.J., Berkowitz D.E., Kenney W.L., Holowatz L.A. Endothelial nitric oxide synthase mediates cutaneous vasodilation during local heating and is attenuated in middle-aged human skin // Journal of Applied Physiology. - 2012. - Vol. 112, № 12. - P. 2019-2026.
5. Cracowski J.-L., Roustit M. Reproducibility of LDF blood flow measurements: Dynamical characterization versus averaging. A response to the letter from Stefanovska // Microvascular Research. - 2012. - Vol. 83. -P. 97.
6. Daly S.M., Leahy M.J. "Go with flow": a review of methods and advancements in blood flow imaging // J. Biophotonics. - 2012. - Vol. 6, № 3. - P. 217-255.
7. Fagrell B., Intaglietta M. Microcirculation: its significance in clinical and molecular medicine // J. Int. Med. - 1997. - Vol. 241. - P. 349-362.
8. Goupillaud P., Grossman A., Morlet J. Cycle-octave and related transforms in seismic signal analysis // Geoexploration. - 1984. - Vol. 23. - P. 85-102.
9. Hamdy O., Abou-Elenin K., LoGerfo F.W., Horton E.S., Veves A. Contribution of nerve-axon reflex-related vasodilation to the total skin vasodilation in diabetic patients with and without neuropathy // Diabetes Care. - 2001. - Vol. 24, № 2. - P. 344-349.
10. Jan Y.-K., Struck B.D., Foreman R.D., Robinson C. Wavelet analysis of sacral skin blood flow oscillation to assess soft tissue viability in older adult // Microvascular Research. - 2009. - Vol. 78, № 2. - P. 162-168.
11. Johson M.J., Kellog D.L. Local thermal control of human cutaneous circulation // J. Appl. Phys. - 2010. -Vol. 109, № 4. - P. 1229-1238.
12. Kvernmo H.D., Stefanovska A., Bracic M., Kirkeboen K.A., Kvernebo K. Spectral analisis of the laser Doppler perfusion signal in human skin before ans after exercise // Microvascular Research. - 1998. -Vol. 56, is. 3. - P. 173-182.
13. Montero D., Walther G., Vinet A. The association between dynamical and averaging characterization of LDF skin blood flow: an integrated approach // Microvascular Research. - 2013. - Vol. 89. - P. 156-160.
14. Rossi M., Carpi A., Di Maria C., Galetta F., Santoro G. Spectral analysis of laser Doppler skin blood flow oscillations in human essential arterial hypertension // Microvascular Research. - 2006. - Vol. 72. -P. 34-41.
15. Roustit M., Cracowski J.L. Non-invasive assessment of skin microvascular function in humans: an insight into methods // Microcirculation. - 2012. - Vol. 19, № 1. - P. 47-64.
16. Roustit M., Blaise S., Millet C., Cracowski J.L. Reproducibility and methodological issues of skin postocclusive and thermal hyperemia assessed by single-point laser Doppler flowmetry // Microvascular Research. - 2010. - Vol. 79. - P. 102-108.
17. Stefanovska A., Sheppard L.W., Stankovski T., McClintock P.V.E. Reproducibility of LDF blood flow measurements: Dynamical characterization versus averaging // Microvascular Research. - 2011. - Vol. 82. -P. 274-276.
18. Stephens D.P., Aoki K., Kosiba W.A., Johson nonnoradrengenic mechanizm of reflex cutaneous vasoconstriction in men // Am. J. Physiol. Heart Physiol. - 2001. - Vol. 280. - P. H1496-H1504.
19. Stern M.D. In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering // Nature. - 1975. -Vol. 254. - P. 56-58.
20. Tankanag A., Chemeris N. Application of the adaptive wavelet transform for analysis of blood flow oscillations in the human skin // Phys. Med. Biol. - 2008. - Vol. 53. - P. 5967-5976.
PULSATIONS OF CUTANEOUS BLOOD FLOW DURING LOCAL HEATING
I.A. Mizeva, D.V. Vetrova (Perm, Russia)
Abnormalities in microcirculation play a significant role in the progression of various diseases. The development of tools for the diagnosis and detection of the dynamics of abnormalities is a topical problem, which is currently examined in the framework of interdisciplinary physical and medical studies. Much attention is given to non-invasive methods for in vivo assessment of the functional state of microvessels. This paper presents the results of experiments examining the human skin microcirculatory response to local heating obtained by laser Doppler flowmetry. A standard software (Moor Instruments) for blood microcirculation analysis was used to perform the one-hour study protocol, which included the continuous recording of blood flow: basal (10 min), during heating at 42°C (40 min), and after switching off the heater (10 min). Forearm flow recordings were taken in 12 healthy volunteers. The original algorithms of the wavelet analysis (in Mathematica 8.0) were used to analyze the laser Doppler flowmetry measurements. A significant increase in the power of flow pulsations during heating in the five frequency bands associated with the factors regulating blood flow in microvessels was found. In the paper, we reproduce the known finding related to the fact that during prolonged heating (for 40 minutes or more) on the laser Doppler flowmetry signals there are two areas where the blood flow increases due to different physiological mechanisms. It is shown that blood flow pulsation in the second phase, caused by the synthesis of nitric oxide NO in the endothelium, remains virtually unchanged.
Key words: laser Doppler flowmetry, blood microcirculation, wavelet-analisys.
Получено 15 октября 2014
