CC BY
39
21
Клиническая медицина
УДК 616.12.008.331-073.65.78
И. Н. Новикова, В. В. Дрёмин, А. В. Дунаев, А. И. Крупаткин, В. В. Сидоров
Возможности применения вейвлет-анализа осиилляиий параметров микроииркуляторно-тканевых систем при проведении холодовой прессорной пробы на пальцах рук
Ключевые слова: неинвазивная диагностика, лазерная доплеровская флоуметрия, оптическая тканевая оксиметрия, микроциркуляторно-тканевая система, холодовая прессорная проба, спектральный анализ, адаптивное вейвлет-пре-образование.
Keywords: non-invasive diagnostics, laser Doppler flowmetry, tissue reflectance oximetry, pulse oximetry, microcirculatory-tissue system, cold pressor test, spectral analysis, adaptive wavelet filtering.
Оценена возможность применения различных методов анализа сигналов лазерной допле-ровской флоуметрии и оптической тканевой ок-симетрии при исследовании осцилляций параметров микроциркуляторно-тканевых систем до и после проведения холодовой прессорной пробы на пальцах рук. Проведены экспериментальные исследования, оценены полученные результаты. На основании полученных данных выявлено, что применение спектрального анализа и адаптивного вейвлет-преобразования позволяет проследить динамику изменений параметров микроциркуляторно-тканевых систем и количественно оценить адаптивные изменения в системе микроциркуляции крови после проведения нагрузочных тестов в виде холодовой прессорной пробы.
Введение
В настоящее время при исследовании состояния микроциркуляторно-тканевых систем (МТС) применяют различные неинвазивные оптические методы диагностики [1], такие как лазерная доплеровская флоуметрия (ЛДФ) и оптическая тканевая оксиметрия (ОТО). Метод ЛДФ основан на зондировании биоткани лазерным излучением и анализе отраженного и рассеянного излучения от движущихся эритроцитов. Важной особенностью ЛДФ является возможность получения in vivo всего спектра ритмических процессов в микрососудах от пульсовых ритмов до циркадных, которые играют большую роль в функционировании системы ми-
кроциркуляции крови [2]. Метод ОТО основан на спектрофотометрическом анализе различных фракций гемоглобина и позволяет in vivo оценивать динамику транспорта и сатурацию крови кислородом в микрососудах [3].
Для оценки колебательных процессов в перфузии и тканевой сатурации применяют спектральный анализ [4], позволяющий получить информацию об усредненном во времени изменении амплитуд колебаний в эндотелиальном (0,0095—0,02 Гц), нейрогенном (0,021—0,046 Гц), миогенном (0,047— 0,145 Гц), дыхательном (0,2—0,4 Гц) и сердечном (0,8—1,6 Гц) диапазонах [5—7]. Однако, применяя такой анализ, нельзя оценить амплитудно-временные характеристики осцилляций, имеющие важное значение при анализе адаптивных изменений после различных провокационных воздействий. Для достижения этой цели применяют адаптивную вейвлет-фильтрацию сигнала (3Б-анализ), которая позволяет оценить изменение амплитуд осцилля-ций кровотока как по времени, так и по частоте [8, 9].
В качестве провокационных воздействий используют различные функциональные нагрузочные пробы, такие как окклюзионная, дыхательная, по-стуральная, тепловая, холодовая, которые позволяют выявлять скрытые нарушения гемодинамики и оценивать возможные реакции системы микроциркуляции крови на подобные воздействия [10—12].
Цель работы — оценить возможности применения анализа ЛДФ- и ОТО-сигналов при использовании в качестве провокационного воздействия на систему микроциркуляции крови холодовой пре-ссорной пробы (ХПП).
Клиническая медицина
27
Материалы и методы исследования
Для достижения поставленной цели проведены экспериментальные исследования, в которых приняли участие 32 условно-здоровых добровольца -16 мужчин (средний возраст — 21,7 ± 1,4 года) и 16 женщин (средний возраст — 21,6 ± 1,6 года).
Холодовая прессорная проба состоит в следующем. Испытуемый на 5 мин погружает кисти рук в емкость с холодной водой (15 °С). Такая проба создает условия для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем и выявления возможных нарушений уже на ранних стадиях.
Исследования проводили на ладонной поверхности дистальной фаланги 3-го пальца кисти правой руки, в положении сидя, правое предплечье на столе на уровне сердца, с предварительной адаптацией к температуре окружающей среды. Параметры ми-кроциркуляторно-тканевых систем регистрировали за 5 мин до начала проведения ХПП, сразу после и через 20 мин после ее окончания. Затем проводили амплитудно-частотный анализ и адаптивное вейвлет-преобразование с анализом изменения кровотока по времени и частоте.
В качестве экспериментального оборудования использовали лазерный анализатор микроциркуляции крови для врача общей практики «ЛАКК-ОП» (ООО НПП «ЛАЗМА», Москва), представленный на рис. 1, а. Лазерный анализатор предназначен для исследования состояния биологической ткани путем одновременного использования методов ЛДФ с длиной волны лазерного зондирования 1064 нм, ОТО с длинами волн зондирования 530 и 630 нм, а также пульсоксиметрии. Расположение оптических датчиков на пальцах рук во время проведения экспериментальных исследований представлено на рис. 1, б. Для частотного анализа различных механизмов регуляции микроциркуляции (эндо-телиальных, нейрогенных, миогенных, дыхатель-
ных и сердечных колебаний), зарегистрированных ЛДФ- и ОТО-грамм, применяли программу ЪБЕ 3.0.2.384, которая реализует непрерывное вейвлет-преобразование с использованием в качестве анализирующего вейвлета комплекснозначный вейвлет Морле [8].
Таким образом, в процессе проведения экспериментальных исследований регистрировали основные параметры микроциркуляторно-тканевых сиситем, а именно: показатель микроциркуляции крови Im, тканевая сатурация 8^2, уровень объемного кровенаполнения ткани Vb, сатурация артериальной крови SaO2.
Затем производили амплитудно-частотный анализ и адаптивную вейвлет-фильтрацию (3Б-анализ) ЛДФ- и ОТО-сигналов. Определяли амплитуды эн-дотелиальных Aэ, нейрогенных Aн, миогенных Aм, дыхательных Aд и сердечных Ac колебаний.
На рис. 2 представлены примеры регистрации ЛДФ- и ОТО-грамм и их амплитудно-частотные спектры до и после проведения холодовой прессор-ной пробы, на рис. 3 представлен 3Б-анализ перфузии до и после проведения ХПП.
Вследствие большого разброса результатов измерений амплитуд колебаний в ЛДФ- и ОТО-грам-мах для сравнения амплитуд осцилляций у разных испытуемых и анализа регуляторных механизмов анализировали их нормированные амплитуды на среднеквадратическое отклонение а и среднее значение показателя микроциркуляции Im и тканевой сатурации 8^2.
Так, определение вклада амплитуды колебаний определенного частотного диапазона относительно средней модуляции кровотока А/а позволяет исключить влияние нестандартных условий проведения исследований и оценить выраженность колебаний в том или ином диапазоне по отношению к среднему колебательному процессу. Определение вклада амплитуды колебаний относительно величины А/Im позволяет определить напряженность
Рис. 1
Внешний вид лазерного анализатора микроциркуляции крови для врача общей практики «ЛАКК-ОП» (а) и расположение оптических датчиков на пальцах рук добровольца во время проведения исследований (б)
биотехносфера
| № БС42)/2015
Клиническая медицина
а)
цлшм1шмшшшмм = з о„ = 74,2±6,6 % '
Е^ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ^ЕЕЕЕЕЕ!! 2= = = = = = = ! 3=ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ^ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
[¡¡¡¡¡¡N¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡1
ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
11111111111111111111111
ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
¡¡ПИШИ
Е ЕЕ Е ЕЕ Е ЕЕ^Е0=1^Ё Ё ЕЁ ЁЁЁЕ Ё Ё ЁЁ Ё Ё Ё ||||ШЕ.ЕЁ Ё = ЙЁ эН'Е'Е^Е^Ё ЁЁЁ ЁЕЁ ЁЁЁЁЕЁ1|1|ЕЕ1
ппшшшп;шиш;ишпш1шиш1шппшшмшшшнш = = = = ==:==:====:*:=:=== = = = = =
иНИЛЛиЛНиИ!!]
ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ^ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
....................
.=-19,8±1,2. пф, ::::::|||Н||:|М|
Время,с
в)
Частота, Гц
б-1
% £
!ЩУШШШ1шШ|УиШ1ШШШШ1ШШШ|и
/-. _ о 1 « + П Я :===== = = = * = = = = = = = = = :
:==::; = ;= = :; = =с = : = _ 81,6 6,8 %;:;:;=;==:; ; ::::::: :
.............. .......ПИ ¡N¡¡¡N¡¡¡[¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡N¡¡111
::::::::::::::':::::::::::::: ::::::::::::ЕЕ:::::::::::::::::::
1 = = = = = = = =М = = =« = = = = = = = == = = = = = = = = = Ш=ПИ==ЭП = = ШПП = = = =! = == = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 1=== = = 1= = = = = : = : = = = =
: ; ; 1111 =Н ряи^ЯШ! у; =11=11
Время, с
г)
Частота, Гц
Рис. 2
Примеры регистрации ЛДФ- и ОТО-грамм и их амплитудно-частотные вейвлет-спектры до (а, в) и после (б, г) проведения ХПП. Обозначены частотные диапазоны осцилляций, связанные с эндотелиальными (Э), нейрогенными симпатическими (Н), миогенными (М), дыхательными (Д), сердечными механизмами регуляции (С)
Рис. 3 I Примеры 3Ъ-анализа перфузии и тканевой сатурации до (а, в) и после (б, г) проведения ХПП
Клиническая медицина
регуляции кровотока со стороны отдельных активных регуляторных факторов или модуляции кровотока со стороны пассивных механизмов [13].
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные данные анализа осцилляций перфузии были статистически обработаны и сведены в итоговую табл. 1, а для тканевой сатурации — в табл. 2. При помощи критерия Манна—Уитни [14, 15] оценено различие значений анализируемых параметров до (БТ1) и после проведения ХПП: сразу после окончания воздействия (БТ2) и к завершению экспериментального исследования (БТ3) — через 20 мин после проведения ХПП.
В результате анализа полученных данных было выявлено, что адаптационные изменения у всех добровольцев различны. Так, сразу после проведения ХПП наблюдаются статистически значимые различия анализируемых параметров. У большинства добровольцев уменьшается показатель микроциркуляции крови, а также возрастают нормированные на среднее значение показателя микроциркуляции амплитуды колебаний эндотелиального и (или) ней-рогенного диапазонов. Например, для одного из добровольцев на фоне резкого угнетения амплитуд миогенных колебаний перфузии [до ХПП — л(1ш)м = 0,74 пф. ед.; сразу после — А(1т)м = = 0,42 пф. ед.] значения амплитуд низкочастотных колебаний составили: до ХПП — А(1т)э = = 0,77 пф. ед. и А(1т)н = 0,50 пф. ед.; сразу после ХПП — А(1т)э = 1,68 пф. ед. и А(1т)н = 0,90 пф. ед. Также изменяются амплитуды колебаний тканевой
сатурации: ХПП — А(Б<02)э = 1,03 % и А(Б<02)н = = 0,70 %, сразу после ХПП — А(Б<02)э = 3,81 % и А(Б<02)н = 1,35 %. Активация колебаний кровотока симпатического диапазона в основном происходила в результате раздражения холодовых рецепторов ткани и активации адренергических симпатических нервных волокон [16]. Рост амплитуд колебаний эндотелиального генеза может свидетельствовать об активации стимуляции синтеза эндотелием оксида азота вследствие реакции холо-довой вазодилатации, вызванной охлаждением рук, а увеличение амплитуд нейрогенных при уменьшении миогенных осцилляций являлось индикатором снижения сопротивления и активации путей ненутритивного кровотока. Через 20 мин после проведения холодовой прессорной пробы у большинства добровольцев наблюдались стабилизация низкочастотных колебаний, например для того же добровольца [А(1т)э = 0,67 пф. ед. и А(1т)н = = 0,84 пф. ед.; А^^э = 0,74 % и А^^н = = 0,41 %) и восстановление миогенных колебаний перфузии [А(1т)м = 0,96 пф. ед.], что может свидетельствовать о прекращении адаптивных изменений и восстановлении функционального состояния в исследуемой области, что также хорошо было видно по временной шкале.
Кроме того, у некоторых добровольцев наблюдались увеличение амплитуд низкочастотных колебаний и снижение амплитуд миогенных осцилляций перфузии [например, сразу после ХПП — А(1т)э = 1,15 пф. ед., А(1т)н = 1,37 пф. ед., А(1т)ш = = 0,84 пф. ед.; через 20 мин после ХПП — А(1т)э = = 2,84 пф. ед., А(1т)н = 2,61 пф. ед., А(1т)ш = = 0,35 пф. ед.], что может свидетельствовать об от-
2
Таблица 1 | Результаты оценки параметров осцилляций перфузии
Параметр Базовый тест
БТ1 БТ2 БТ3
1т, пф. ед. 18,0±4,5 12,0±6,2* 14,4±5,8*
А(1т)э, пф. ед. 1,053±0,589 1,135±0,887 1,114±0,709
А(1т)н, пф. ед. 0,929±0,445 0,951±0,499 1,223±0,602
А(^т)м, пф. ед. 0,753±0,316 0,591±0,361* 0,782±0,398
А(/т)д, пф. ед. 0,210±0,063 0,179±0,074* 0,193±0,083
А(1т)с, пф. ед. 0,310±0,124 0,249±0,093* 0,303±0,137
А(1т)э/1т, отн. ед. 0,068±0,052 0,113±0,085* 0,097±0,077*
А(1т)н/1т, отн. ед. 0,059±0,038 0,098±0,060* 0,102±0,065
АС^м/"'^ отн. ед. 0,047±0,028 0,058±0,039 0,061±0,037
А(1т)д/1т, отн. ед. 0,012±0,005 0,019±0,015* 0,015±0,010
A(Im)с/Im, отн. ед. 0,019±0,011 0,026±0,015* 0,026±0,016
А(!т)э/°, отн. ед. 0,520±0,128 0,449±0,145 0,473±0,163
А(1т)н/°, отн. ед. 0,475±0,135 0,440±0,195 0,542±0,118*
А(1т)м/°, отн. ед. 0,397±0,113 0,263±0,145* 0,372±0,169
А(!т)д/°, отн. ед. 0,127±0,072 0,088±0,049* 0,102±0,064
А(1т)с/°, отн. ед. * Статистическая значимость ствия с р < 0,05 по критерию Ма 0,175±0,086 различий значений показателе! шна—Уитни. 0,121±0,056* I после проведения ХПП по отнс 0,153±0,068 шенжю к значениям до воздей-
биотехносфера
| № Б(42)/2015
31
Клиническая медицина
Таблица 2 | Результаты оценки параметров осцилляций тканевой сатурации
Параметр Базовый тест
БТ1 БТ2 БТ3
StO2, % 72,1±6,2 71,8±10,0 71,3±6,9
Vb, % 9,7±1,8 8,3±1,8* 8,7±1,8*
A(StO2)3, % 0,819±0,456 1,105±0,863 0,973±0,685
A(StO2)H, % 0,642±0,309 0,738±0,485 0,851±0,550
A(StO2)M, % 0,407±0,169 0,354±0,208 0,464±0,281
A(StO2)fl, % 0,105±0,058 0,082±0,053* 0,092±0,072
A(StO2)c, % 0,298±0,148 0,154±0,086 0,246±0,154
A(StO2)3/StO2, отн. ед. 0,012±0,007 0,018±0,018 0,014±0,011
A^O^/S^, отн. ед. 0,009±0,005 0,011±0,009 0,013±0,009
A^O^/S^, отн. ед. 0,006±0,003 0,005±0,004 0,007±0,005
A(StO2)fl/StO2, отн. ед. 0,002±0,001 0,001±0,001 0,001±0,001
A(StO2X,/StO2, отн. ед. 0,004±0,002 0,002±0,001* 0,004±0,002
A(StO2)3/o, отн. ед. 0,531±0,143 0,505±0,165 0,556±0,157
A^O^/a, отн. ед. 0,434±0,137 0,396±0,198 0,508±0,162
A^O^/a, отн. ед. 0,296±0,124 0,200±0,121* 0,296±0,152
A(StO2ya, отн. ед. 0,083±0,060 0,054±0,046* 0,068±0,067
A(StO2X,/a, отн. ед. 0,240±0,161 0,108±0,098* 0,188±0,132
* Статистическая значимость различий значений показателей после проведения ХПП по отношению к значениям до воздействия с р < 0,05 по критерию Манна—Уитни.
сутствии восстановления функционального состояния в исследуемой области и наличии возможных нарушений микроциркуляторно-тканевых систем.
Заключение
Таким образом, анализ осцилляций перфузии и тканевой сатурации с применением спектрального анализа и адаптивного вейвлет-преобразования позволяет проследить динамику изменений параметров микроциркуляторно-тканевых систем и количественно оценить адаптивные изменения в системе микроциркуляции крови после проведения нагрузочных тестов в виде холодовой прессорной пробы.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки РФ для ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (№ 310) и внутривузовского гранта Госуниверситета-УНПК (ВК-3-2013).
Литература
1. Тучин В. В. Оптическая биомедицинская диагностика: учеб. пособие: в 2-х т. // М.: Физматлит, 2007. 559 с.
2. Laser reflectance oximetry and Doppler flowmetry in assessment of complex physiological parameters of cutaneous blood microcirculation / A. V. Dunaev, V. V. Sidorov, N. A. Stewart [et al.] // Proc. SPIE. 2013. Vol. 8572. P. 857205.
3. Rogatkin D. A., Lapaeva L. G. Prospects for development of non-invasive spectrophotometry medical diagnostics // Biomedical Engineering. 2003. Vol. 37. P. 217-222.
4. Bracic M., Stefanovska A. Wavelet-based analysis of human blood-flow dynamics // Bulletin of Mathematical Biology. 1998. Vol. 60(5). P. 919-935.
5. Kvandal P. Low frequency oscillations of the laser Doppler perfusion signal in human skin // Microvascular Research. 2006. Vol. 72(3). P. 120-127.
6. Krupatkin A. I. Cardiac and respiratory oscillations of the blood flow in microvessels of the human skin // Human Physiology. 2008. Vol. 34. P. 323-329.
7. Krupatkin A. I. Blood flow oscillations at a frequency of about 0.1 Hz in skin microvessels do not reflect the sympathetic regulation of their tone // Human Physiology. 2009. Vol. 35. P. 183-191.
8. Tankanag A., Chemeris N. Application of adaptive wavelet transform for analysis of blood flow oscillations in the human skin // Phys. Med. Biol. 2013. Vol. 53. P. 5967-5976.
9. The socially evaluated cold-pressor test (SECPT) for groups: Effects of repeated administration of a combined physiological and psychological stressor / N. Minkley, T. P. Schroder, O. T. Wolf, W. H. Kirchner // Psychoneuroendocrinology. 2014. Vol. 45. P. 119-127.
10. Investigating tissue respiration and skin microhaemocircu-lation under adaptive changes and the synchronization of blood flow and oxygen saturation rhythms / Dunaev A. V., Sidorov V. V., Krupatkin A. I. [et al.] // Physiological Measurement. 2014. Vol. 35. P. 607-621.
11. Dermal neurovascular dysfunction in type 2 diabetes / A. I. Vinik, T. Erbas, S. Park [et al.] // Diabetes Care. 2001. Vol. 24. P. 1468-1475.
12. Tikhonova I. V., Tankanag A. V., Chemeris N. K. Timeamplitude analysis of skin blood flow oscillations during the post-occlusive reactive hyperemia in human // Microvascular Research. 2010. Vol. 80(1). P. 58-64.
13. Крупаткин А. И., Сидоров В. В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: колебания, информация, нелинейность: руководство для врачей. М.: ЛИБРОКОМ, 2013. 496 с.
14. Юнкеров В. И., Григорьев С. Г. Математико-статистиче-ская обработка данных медицинских исследований. СПб.: ВМедА, 2002. 266 с.
15. The cold pressor test: pharmacological and therapeutic aspects / M. Velasco, J. Gômez, M. Blanco, I. Rodriguez // American Journal of Therapeutics. 1997. Vol. 4(1). P. 34-38.
