CC BY
21
УДК 57.085 DOI: 10.24411/2071-6176-2020-10416
ВЛИЯНИЕ СОСУДИСТЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НА СИГНАЛЫ ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО КРОВОТОКА ПРИ РАЗНОМ ПОЛОЖЕНИИ РУКИ
Е.М. Рожнов, И.Д. Жучков, Г.В. Красников
В исследовании на основе данных фотоплетизмографии и лазерной допплеров-ской флоуметрии предпринята попытка охарактеризовать изменения периферического кровотока, вызванные локальным изменением артериального и венозного давления при изменении высоты кисти руки относительно уровня сердца. Полученные результаты продемонстрировали изменения параметров сигналов в зависимости от положения руки. Гемодинамические изменения в сигналах кровотока могут быть объяснены изменением соотношения артериального и венозного компонентов кровотока в системе микроциркуляции кожи предплечья и пальца, которые обусловлены гидростатическими эффектами положения конечности относительно уровня сердца.
Ключевые слова: микроциркуляция, лазерная допплеровская флоуметрия, фотоплетизмография, колебания кровотока, спектральный анализ.
Введение
В настоящее время лазерная допплеровская флоуметрия (ЛДФ) и фотоплетизмография (ФПГ) являются стандартными технологиями для исследования состояния микроциркуляторного кровотока. ЛДФ основана на эффекте Допплера: оценке сдвига частоты зондирующего излучения, отраженного от движущихся эритроцитов. Результирующая допплеровская частота пропорциональна интегральной величине скорости и концентрации потока движущихся эритроцитов [1, 2]. ФПГ является неинвазивной оптической техникой, которая основана на оценке изменения поглощения света из-за изменений объема крови в тканях во время сердечного цикла [4]. Экспериментальные исследования [7] демонстрируют хорошую корреляцию между этими сигналами для определенных физиологических частотных диапазонов. Однако, несмотря на сходную биофизическую основу этих технологий, различие в используемых оптических частотах ведет к тому, что соответствующая информация о перфузии получается из разных глубин, что в свою очередь, приводит к тому, что характеристики сигналов кровотока, зарегистрированных ЛДФ и ФПГ, могут проявлять различия, в частности, во время приспособительных (гомеостатических) процессов [2]. Анализ этих различий, на наш взгляд, может предоставить дополнительную информацию о механизмах формирования и взаимосвязи осцилляций кровотока на уровне микроциркуляции.
Чтобы лучше понять факторы, влияющие на формирование сигналов ЛДФ и ФПГ, нами было проведено исследование с пассивным
изменением положения руки при регистрации сигналов, что предполагало изменение притока и оттока крови к пальцам. Хорошо известно, что положение конечности относительно сердца влияет на артериальный приток и венозный возврат [2, 4], что обусловлено в основном гидростатическими эффектами [2, 9]. В этой связи целью данной работы являлось исследование вклада артериального и венозного компонентов кровотока в сигналы ЛДФ и ФПГ у человека.
Материалы и методы
В исследовании приняли участие 15 студентов обоего пола (5 юношей и 10 девушек), 21-22 лет, некурящих и не имеющих жалоб на здоровье. Все испытуемые перед началом эксперимента были полностью информированы о процедурах и методах исследования и дали добровольное согласие на участие в эксперименте.
В эксперименте осуществляли синхронную запись сигналов микроциркуляторного кровотока кожи (ЛДФ) и динамику кровенаполнения подушечки пальца (ФПГ).
Запись колебаний микроциркуляторного кровотока проводили в коже руки с помощью четырехканального лазерного флоуметра ЛАКК-ОП (ЛАЗМА, Россия) с идентичными каналами (мощность излучения 0.5 мВ, длина волны 0.8 мкм). Зонды флоуметра располагали на наружной поверхности предплечья вблизи лучезапястного сустава и ладонной поверхности дистальной фаланги указательного пальца кисти правой руки. Указанные области кожи были нами выбраны как зоны с различными доминирующими механизмами регуляции сосудистого тонуса. Кожа ладонной поверхности дистальной фаланги пальца кисти богата артериоло-венулярными анастомозами и имеет выраженную адренергическую иннервацию. Кожа наружной поверхности предплечья, напротив, характеризуется малым числом анастомозов и демонстрирует преимущественно нутритивный кровоток. Регистрируемый сигнал -показатель микроциркуляции (ПМ), характеризует степень перфузии ткани кровью и измеряется в условных (перфузионных) единицах (пф. ед.). Частота дискретизации лазерной допплеровской флоуграммы (ЛДФ-граммы) составляла 20 Гц.
Регистрацию параметров центрального кровотока осуществляли на основе пальцевой фотоплетизмографии посредством двухканального компьютерного фотоплетизмографа ЭЛДАР (НПО «Новые медицинские приборы», Россия»). Частота дискретизации сигнала 100 Гц. Датчик прибора располагали на среднем пальце правой руки.
Исследование проводили в изолированном помещении в условиях психического и физического комфорта при температуре 20-24°С. Во время проведения эксперимента испытуемые находились в положении сидя. Были приняты меры для обеспечения того, чтобы субъект находился в
удобном положении, чтобы минимизировать любое напряжение или нагрузку на руки. Левая рука свободно размещалась на статической опоре. Для каждого испытуемого были последовательно проведены три 5-минутные регистрации сигналов с разным положением правой руки.
1. Регистрация параметров кровотока в среднем положении руки. Правая рука испытуемого находилась на статичной горизонтальной опоре на уровне сердца (0 см).
2. Регистрация параметров кровотока в верхнем положении руки (приблизительно на 40 см выше уровня сердца). Кисть руки опиралась на статичную поверхность для предотвращения нагрузки на мышцы руки и обеспечения относительного комфорта испытуемого.
3. Регистрация параметров кровотока в нижнем положении руки. Правая рука находилась в свободно опущенном состоянии, приблизительно на 40 см ниже уровня сердца.
Перед регистрацией сигналов кровотока рука испытуемого находилась в выбранном положении не менее 5 минут для адаптации кровотока. Между регистрациями испытуемым предоставляли 2-3 минутный перерыв, на протяжении которого испытуемых освобождали от датчиков и давали возможность двигать руками.
Для всех зарегистрированных сигналов рассчитывали амплитудно-частотные спектры на основе оригинального программного обеспечения, реализующего непрерывное адаптивное вейвлет-преобразование (Танканаг А.В., Чемерис Н.К., 2009) [3].
Для каждого испытуемого были проанализированы усредненные значения пиковых амплитуд и соответствующих частот, выделяемых в стандартных физиологических диапазонах. В спектральном анализе ЛДФ-грамм, в соответствии с классификацией, предложенной А. Stefanovska [2], принято выделять пять частотных диапазонов: Е (0.0095-0.02 Гц) -эндотелий-зависимые колебания, N (0.02-0.06 Гц) - нейрогенные колебания, М (0.06-0.15 Гц) - миогенные колебания, R (0.15-0.4 Гц) -респираторно-зависимые колебания и С (0.6-1.6 Гц) - пульсовые колебания.
Статистический анализ. В связи с тем, что распределение большинства выборок соответствовало нормальному (критерий Шапиро-Уилка), для анализа достоверности различий средних мы использовали парный вариант ^критерия Стьюдента. Статистически значимыми считались различия при р < 0.05.
Результаты и обсуждение
В наших условиях изменении положении кисти руки не вызывало достоверных изменений величины базального микроциркуляторного кровотока кожи пальца и предплечья зарегистрированного посредством ЛДФ.
Изменение положения конечности приводит к перераспределению амплитуды колебаний микроциркуляторного кровотока кожи пальца при сохранении частоты осцилляций (рис. 1). Достоверные изменения амплитуды колебаний были выявлены только при верхнем положении руки. Значимые изменения амплитуды показаны для диапазонов миогенных (М) и пульсовых (С) колебаний. Миогенные колебания кровотока достоверно уменьшались на 34 % по сравнению со средним положением. Пульсовые колебания, напротив, достоверно увеличивались в вернем положении по сравнению со средним (+26 %). Значимого изменения частоты физиологических ритмов микроциркуляторного кровотока кожи пальца в наших условиях выявлено не было. Как о тенденции можно говорить и об изменении амплитуды нейрогенных (Ы) и эндотелий-зависимых (Е) колебаний, хотя высокая индивидуальная вариабельность амплитуды этих колебаний не позволила выявить достоверные различия.
1.0 -
0.8 -
ф 0.6 -
4
^ 0.4 -а
0.2 -
0.0
Рис. 1. Усредненные амплитудно-частотные спектры ЛДФ-грамм кожи пальца, зарегистрированных при различном положении руки (M±m, п=15). Пунктирными линиями указаны границы анализируемых физиологических частотных диапазонов сигнала
Изменение положения предплечья по отношению к уровню сердца, также как и для кровотока кожи пальца, приводит к перераспределению амплитуды колебаний без изменения частоты осцилляций (рис. 2). Достоверные изменения амплитуды колебаний показаны для всех анализируемых частотных диапазонов, за исключением диапазона миогенных колебаний (М). Пульсовые колебания (С) достоверно увеличивались в приподнятом и опущенном положении предплечья (+19 и +45 % для нижнего и верхнего положения соответственно). Респираторно-
частота, Гц
зависимые колебания (Д), напротив, достоверно увеличивались только в нижнем положении руки (+87 %). Поднятие предплечья выше уровня сердца не вызывало значимых изменений амплитуды указанных колебаний. Изменение амплитуды в диапазоне нейрогенных колебаний (Ы) по характеру было сходно с пульсовыми колебаниями: колебания увеличивались как в верхнем, так и в нижнем положении руки (+44 % в обоих случаях). Как тенденцию можно отметить сходную с нейрогенными, реакцию для эндотелий-зависимых колебаний. В верхнем и нижнем положении амплитуда указанных колебаний возрастала на 28-32 % по сравнению со средним положением конечности.
0.15 частота, Гц
Рис. 2. Усредненные амплитудно-частотные спектры сигналов ЛДФ кожи предплечья, зарегистрированных при различном положении руки (M±m, п=15). Пунктирными линиями указаны границы анализируемых физиологических частотных диапазонов сигнала
Изменение положения руки по отношению к уровню сердца существенным образом меняло базовый уровень и амплитуду фотоплетизмографического сигнала. На рис. 3 в одинаковом масштабе приведены фрагменты ФПГ одного из испытуемых, зарегистрированные в разных положениях руки. В наших условиях нижнее положение кисти вызывало сильное снижение амплитуды сигнала приблизительно на 67 %. В верхнем положении кисти амплитуда сигнала значимо возрастала (~29 %). При этом, вне зависимости от положения руки, отсутствовали значимые изменения соотношения анакротической и дикротической фаз сигнала. Длительность фаз сигнала также значимо не менялась.
Рис. 3. Оригинальные фрагменты сигналов ФПГ среднего пальца правой руки одного испытуемого, зарегистрированные в среднем (0 см), нижнем (-40 см) и верхнем положении руки (+40 см). Длительность фрагмента соответствует одному сердечному циклу
Усредненные амплитудные спектры фотоплетизмограмм пальца в разных положениях руки приведены на рис. 4. Для сопоставления эффектов с сигналами ЛДФ на оси частоты указаны границы физиологических диапазонов, традиционно используемые при анализе ЛДФ-грамм. Несмотря на то, что единой общепринятой классификации диапазонов для ФПГ и ЛДФ сигналов пока не выработано, сходство биофизических принципов, лежащих в основе обоих методов, по-нашему мнению и мнению других исследователей [7-9], позволяет использовать этот подход.
Расположение кисти ниже уровня сердца, приводило к снижению амплитуды колебаний во всех частотных диапазонах, за исключение диапазона респираторных колебаний Достоверное снижение
амплитуды в наших условиях было зафиксировано для пульсовых (С) колебаний (-41 %) и миогенных (М) колебаний на частоте 0.08 Гц (-41 %).
При фиксированном положении кисти на 40 см выше уровня сердца нами были выявлены следующие изменения. На 54 % достоверно возросла амплитуда пульсовых колебаний. В диапазоне нейрогенных колебаний (Ы) прирост амплитуды составил 49 %, при этом в спектре формируется отчетливый пик на частоте 0.03 Гц. Также происходило значимое увеличение амплитуды эндотелий-зависимых колебаний (Е), где на частоте 0.01 Гц прирост амплитуды составил 69 %. Амплитуда респираторно-
зависимых и миогенных колебаний (диапазоны R и М) значимо не менялась.
частота,
Рис. 4. Усредненные амплитудно-частотные спектры сигналов ФПГ пальца, зарегистрированных в разном положении руки (M±m, п=15). Пунктирными линиями указаны границы анализируемых физиологических частотных диапазонов сигнала.
Влияние положения конечности относительно сердца на венозный кровоток и венозный возврат хорошо известно [5, 6, 9] и обусловлено, главным образом, гидростатическим эффектом [9]. В опущенном положении конечности (ниже уровня сердца) венозный возврат затруднен из-за гравитационных эффектов, в то время как в поднятом положении венозный возврат усиливается. Однако в такой сложной системе, как сердечно-сосудистая, очевидно, что венозный кровоток не может быть изменен независимо от артериального. В этой связи, полученные нами результаты необходимо рассматривать не только с точки зрения изменения венозного, но и артериального кровотока [9].
Изменение амплитуды фотоплетизмографического сигнала в зависимости от положения кисти преимущественно связано с венозным кровотоком: объемом венозной крови и параметрами венозного возврата в конечности. В наших условиях амплитуда сигнала уменьшалась при опускании руки ниже уровня сердца (рис. 3). Поскольку сигнал ФПГ в значительной степени представлен постоянным, не пульсирующим компонентом, можно сделать вывод, что уменьшение амплитуды ФПГ, вследствие большего поглощения света, связано с увеличением объема венозной крови, так как ее возврат к сердцу затруднен гравитацией. Поднятие руки до высоты 40 см над уровнем сердца, напротив, приводит к
увеличению амплитуды сигнала и, следовательно, к увеличению венозного возврата.
Снижение амплитуды пульсаций, отражающих артериальный кровоток, в нижнем положении руки, позволяет предположить локальное сужение артерий в пальце [5, 6, 9]. В опущенной ниже уровня сердца руке затрудняется венозный возврат и, вследствие увеличения объема венозной крови, вены расширяются. Это, в свою очередь, вызывает ассоциированное сужение артерий, называемое вено-артериальным рефлексом [10]. Другим механизмом, который может способствовать этой локальной вазоконстрикции, является миогенный ответ или эффект Бейлисса. Артерии и артериолы, демонстрируют сильный миогенный ответ, приводящий к сокращению гладких мышц сосудистой стенки при повышении трансмурального давления [5, 6, 9].
При подъеме руки выше уровня сердца амплитуда пульсации сигнала ФПГ увеличивалась по сравнению с положением на уровне сердца (рис. 3), что может свидетельствовать о расширении артерий. Некоторые исследователи предполагают, что снижение венозного давления при подъеме руки может приводить к выключению вено-артериального рефлекса и способствовать большей артериальной вазодилатации [6, 9]. Миогенный ответ также мог бы вызвать расслабление стенок артерии, поскольку трансмуральное давление при этом падает [6, 9].
Анализ амплитудных спектров сигналов ФПГ предоставляет возможность оценить изменение ритмической структуры колебаний кровотока в зависимости от соотношения артериального и венозного компонентов кровотока (рис. 4). Изменение амплитуды пульсовых колебаний, очевидно, отражает изменения вклада артериального компонента. В этой связи снижение амплитуды при опускании руки и увеличение при поднимании, соответственно демонстрирует снижение и увеличение артериального компонента в сигнале.
Достоверное снижение амплитуды миогенных и тенденция к снижению нейрогенных и эндотелий-зависимых колебаний для ФПГ сигналов пальца в опущенном положении, может быть объяснено снижением амплитуды сигнала в целом. Кроме того, снижение миогенной активности может быть отражением прямого миогенного ответа на повышение сосудистого трансмурального давления при опускании руки
[9].
Увеличение амплитуды нейрогенных, симпатических колебаний при поднимании руки, предположительно отражает увеличение симпатической активности в отношении контроля тонуса сосудов артериального звена при возрастающем артериальном кровотоке [2]. Усиление пульсаций артериального кровотока вызывает увеличение напряжение сдвига и, как следствие, эндотелиальную активность, что
проявляется в увеличении эндотелий-зависимых колебаний на спектре ФПГ сигнала.
В отличие от ФПГ, развивающееся в опущенном положении руки сужение артериальных сосудов, очевидно, не препятствует микроциркуляторному кровотоку в коже пальца и предплечья. Данные ЛДФ демонстрируют, что базальный уровень кровотока значимо не менялся при изменении положения руки относительно сердца. Предполагается, что эта особенность микроциркуляторного кровотока может быть связана с наличием артериоло-венулярных анастомозов (АВА).
Отсутствие снижения кровотока в коже пальца при опускании руки может быть связано с увеличением потока через АВА в пульпу пальца. При повышении капиллярного давления в опущенной ниже уровня сердца конечности, уменьшается диаметр прекапиллярных артериол и кровь будет перенаправляться непосредственно в посткапиллярные венулы через АВА, что будет приводить к снижению капиллярного давления [2, 9]. И, наоборот, в поднятой конечности капиллярное давление уменьшается и кровь не течет через АВА, поскольку она направлена напрямую в капилляры с целью повышения капиллярного давления [10].
Кровоток кожи пальца в наших условиях демонстрировал изменения только в приподнятом положении руки. Выявленное увеличение амплитуды пульсовых колебаний, сопровождаемое снижением амплитуды миогенных колебаний, может отражать дилатацию сосудов артериального звена системы микроциркуляции в ответ на снижение трансмурального давления и увеличение артериального кровотока по механизму миогенного ответа (см. рис. 1).
Реакция микроциркуляторного кровотока кожи предплечья вызывает интерес, поскольку различается в зависимости от положения конечности (см. рис. 2). Амплитуда пульсовых, а также нейрогенных и эндотелий-зависимых колебаний, увеличивается, как при опускании, так и при поднимании руки. Величина эффекта при этом практически одинакова. Как известно [2], пульсовые колебания формируются в артериальной части системы микроциркуляции и их амплитуда отражает характеристики артериального кровотока. Увеличение амплитуды пульсовых колебаний в приподнятом предплечье обусловлено тем же механизмом, что и в кровотоке кожи пальца: снижением артерио-венозного градиента давления и дилатацией артериол. Увеличение амплитуды нейрогенных и эндотелий-зависимых колебаний, в данном случае, возможно, спровоцировано усилившимся артериальным притоком и отражает работу активных локальных механизмов дилатации артериол.
В опущенном положении руки при затрудненном венозном оттоке следовало ожидать снижения амплитуды пульсовых колебаний (в случае кожи пальца такая недостоверная тенденция проявляется). Однако в нашем
случае амплитуда этих колебаний, напротив, значимо возрастает. По-видимому, в коже предплечья, не смотря на гравитационное препятствие венозному оттоку, по каким-то причинам не формируется большого градиента трансмурального давления и артериальный кровоток усиливается. Можно предположить, что «промежуточное» расположение предплечья, по сравнению с «конечным» положением пальцев и меньшая величина гравитационной нагрузки, компенсирует увеличение артерио-венозного градиента давления и даже противодействует ему. Однако возможные механизмы этого эффекта нам не известны. Предположительно, эти механизмы могут иметь нейрогенную (симпатическую) и эндотелий-зависимую природу, так как амплитуда колебаний в диапазонах этой активности также значимо увеличивается.
Таким образом, нами предпринята попытка охарактеризовать изменения периферического кровотока вызванные локальным изменением артериального и венозного давления при изменении высоты кисти руки относительно уровня сердца. Полученные результаты продемонстрировали изменения параметров сигналов в зависимости от положения руки. Предполагается, что гемодинамические изменения в сигналах ФПГ и ЛДФ, показанные в этом исследовании, могут быть объяснены изменением соотношения артериального и венозного кровотока в системе микроциркуляции кожи предплечья и пальца обусловленным гидростатическими эффектами изменения положения конечности относительно уровня сердца. Результаты могут дополнить представление о взаимодействии механизмов регуляции в периферической сосудистой системе.
Условия низкого венозного наполнения и затруднённого венозного возврата существенным образом влияют на формирование сигнала ФПГ, что следует учитывать в исследованиях. ЛДФ продемонстрировала большую надежность для индикации изменений кровотока независимо от положения конечности и степени венозного наполнения.
Список литературы
1. Козлов В.И., Корси Л.В., Соколов В.Г. Биофизические принципы лазерной доплеровской флоуметрии // Материалы II Всероссийского симпозиума «Применение лазерной допплеровской флоуметрии в медицинской практике», Москва. 1998. 17-26 с.
2. Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: Колебания, информация, нелинейность (руководство для врачей). М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. 497 с.
3. Танканаг А.В., Чемерис Н.К. Адаптивный вейвлет-анализ колебаний периферического кровотока кожи человека // Биофизика. 2009. Т. 54. № 3. С. 538-546.
4. Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement // Physiol Meas. 2007. V. 28(3). P. 1-39.
5. Hickey M., Phillips J.P., Kyriacou P.A. Investigation of peripheral photo-plethysmographic morphology changes induced during a hand-elevation study // J Clin Monit Comput. 2016. V. 30(5). P. 727-736.
6. Hickey M., Phillips J..P, Kyriacou P.A. The effect of vascular changes on the photoplethysmographic signal at different hand elevations // Physiol Meas. 2015. V. 36(3). P. 425-440.
7. Mizeva I., Di Maria C., Frick P., Podtaev S., Allen J. Quantifying the cor-relation between photoplethysmography and laser Doppler flowmetry microvascular low-frequency oscillations // J Biomed Opt. 2015. V. 20(3). P. 037007.
8. Nilsson L.M. Respiration signals from photoplethysmography // Anesth Analg. 2013. V. 117(4). P. 859-865.
9. The response of peripheral microcirculation to gravity-induced changes / Z. Ovadia-Blechman, A. Gritzman, M. Shuvi [et al.] // Clin Biomech (Bristol, Avon). 2018. V. 57. P. 19-25.
10. The veno-arteriolar reflex significantly reduces contralateral perfusion as part of the lower limb circulatory homeostasis in vivo / H. Silva, H.A. Ferreira, H.P. da Silva [et al.] // Front Physiol. 2018. V. 9. P. 1123.
Рожнов Евгений Михайлович, студент, tandesmanaimail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Жучков Иван Дмитриевич, студент, mr. dadfaaiyandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Красников Геннадий Викторович, канд. биол. наук, доц., gvkras-nikov'gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
INFLUENCE OF VASCULAR CHANGES ON SIGNALS OF PERIPHERAL BLOOD FLOW IN VARIOUS POSITION OF THE ARM
E.M. Rozhnov, I.D. Zhuchkov, G. V. Krasnikov
In a study based on the data of photoplethysmography and laser Doppler flowmetry, an attempt was made to characterize the changes in peripheral blood flow caused by local changes in arterial and venous pressure when the height of the hand relative to the heart level changes. The results obtained showed changes in signal parameters depending on the position of the hand. Hemodynamic changes in the blood flow signal can be explained by a change in the ratio of arterial and venous blood flow in the microcirculation system of the skin of the forearm and finger, which are caused by the hydrostatic effects of the position of the limb relative to the level of the heart.
Key words: microcirculation, laser Doppler flowmetry, photoplethysmography, blood flow fluctuations, spectral analysis.
Rozhnov Evgeny Mikhailovich, student, tandesman'amail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Zhuchkov Ivan Dmitrievich, student, tandesman'amail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Krasnikov Gennady Viktorovich, candidate of biological sciences, docent, gvkrasnikovagmail. com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
