CC BY
5
Красников, Г.В. Взаимосвязь кислородной сатурации и кровотока для различных структурных звеньев микроцирокуляторного русла кожи человека / Г.В. Красников, И.А. Мизева // Российский журнал биомеханики. - 2024. - Т. 28, № 2. - С. 85-96. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.07
РОССИИСКИИ ЖУРНАЛ БИОМЕХАНИКИ № 2,2024
RUSSIAN JOURNAL OF BIOMECHANICS
https ://ered.pstu. ru/index.php/rjb
Научная статья
БЭТ 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.07 УДК 531/534: [57+61]
ВЗАИМОСВЯЗЬ КИСЛОРОДНОЙ САТУРАЦИИ И КРОВОТОКА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ ЗВЕНЬЕВ МИКРОЦИРОКУЛЯТОРНОГО РУСЛА КОЖИ ЧЕЛОВЕКА
Г.В. Красников1, И.А. Мизева2
1 Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, Тула, Российская Федерация
2 Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Российская Федерация
О СТАТЬЕ
АННОТАЦИЯ
Получена: 15 декабря 2023
Одобрена: 16 мая 2024
Принята к публикации: 14 июня 2024
Ключевые слова:
микроциркуляция крови, оксигенация тканей, технология EPOS, колебания кровотока
Важнейшей функцией кардиореспираторной системы человека является снабжение тканей кислородом, ключевую роль в решении этой задачи играет микроциркуляторное русло. На сегодняшний день физиологически важная взаимосвязь между насыщением кислородом тканей и кровотоком остается недостаточно изученной. Целью данного исследования является оценка взаимосвязи колебаний микроциркуляторного кровотока и кислородной сату рации тканей в коже в зависимости от скорости кровотока и типа микрососудов в нативных условиях и при локальном нагреве. В работе использованы измерения, опубликованные в открытой базе данных, полученные при помощи метода EPOS, в котором совмещены зонд для измерения перфузии тканей, дифференцированной по типам микрососудов, датчик определения оксигенации ткани и нагреватель. Из базы выбраны данные, собранные при проведении теста с локальным нагревом до 40°С. Получено, что, в отличие от спектров перфузии, спектры оксигенации ткани сосредоточены в низкочастотной области. Продемонстрированы особенности взаимосвязи уровня кислородной сатурации и колебаний кровотока в микрососудах кожи человека в зависимости от их типа. Сигнал оксигенации модулируется течением крови в широком диапазоне частот, при этом низкочастотные модуляции, соответствующие эндотелий зависимым, нейрогенным и миогенным колебаниям, имеют более сильную связь уровня SO2 и колебаний перфузии. Такие колебания являются функционально значимыми, связанными с процессами экстракции кислорода. Более тесная корреляция между низкочастотными колебаниями SO2 и колебаниями кровотока характерна для компонентов перфузии, ассоциируемых с капиллярным кровотоком и мелкими артериолами._
Введение
Снабжение тканей организма кислородом и удаление углекислого газа является важнейшей функцией кардиореспираторной системы. Ключевую роль в решении этой задачи играет система
кровообращения, в особенности ее конечное звено -микроциркуляторное русло, где непосредственно реализуется газообмен между тканями и кровью.
Основным источником кислорода для тканей являются кровеносные капилляры и артериолы [17, 33, 36]. Система микроциркуляции распределяет
© Красников Геннадий Викторович - к.б.н., доцент, e-mail: [email protected] © Мизева Ирина Андреевна - д.ф.-м.н., с.н.с., e-mail: [email protected]
0000-0003-0943-6727 0000-0002-0645-4850
Эта статья доступна в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0)
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0)
кислород от эритроцитов в окружающие ткани, где он поглощается митохондриями клеток [36]. Эритроциты являются, с одной стороны, транспортерами кислорода, с другой - сенсорами его локального градиента. В микроциркуляторном русле эритроциты распределяются посредством тонуса артериол и пассивно за счет геометрии микрососудов и деформируемости эритроцитов. Таким образом, кислородный обмен в системе микроциркуляции зависит от геометрии сосудов, гемодинамики и уровня насыщения эритроцитов кислородом. На сегодняшний день физиологически важная взаимосвязь между насыщением кислородом тканей и кровотоком остается недостаточно изученной [8].
Оценка уровня насыщения кислородом тканей SO2, определенная как отношение оксигенированного гемоглобина к уровню его полной концентрации, играет существенную роль при мониторинге жизненно важных состояний, например, при оценке сердечно-сосудистой недостаточности [17], септическом шоке [25] и ишемии головного мозга [29]. В настоящее время клиническая оценка функционального состояния сердечнососудистой системы включает мониторинг гемодинамики и уровня S02 [29]. Для оценки уровня SO2 используют методы количественной оценки в образцах in vitro, однако значительный интерес представляет оценка в условиях in vivo [13]. Среди методов in vivo можно выделить определение напряжения кислорода на уровне тканей, оцениваемого методом гашения фосфоресценции [35, 37], широко применяется оценка степени насыщения кислородом: в местах связывания гемоглобина при помощи спектрофотометрических методов, таких как спектроскопия ближнего инфракрасного отражения (NIRS) [30, 32], резонансная рамановская спектроскопия гемоглобина [13], метод спектроскопии диффузного отражения (DRS) [31, 43]. Для полного понимания механизмов транспорта кислорода, помимо уровня кислорода внутри и снаружи микрососудов, необходимо принимать во внимание их геометрию - ангиоархитектуру - и данные о микрососудистой гемодинамике, включая скорость кровотока и гематокрит [1-3, 37].
Для оценки микроциркуляторного кровотока широко используют метод лазерной допплеровской флоуметрии (LDF). В классическом варианте LDF-сигнал характеризует интегральную величину, пропорциональную скорости потока и концентрации эритроцитов в зондируемом объеме ткани, называемую перфузией и измеряемую в несистемных перфузионных единицах. Перфузия отражает кровоток интегрально в разных типах микрососудов, характеризующихся разным гематокритом и скоростью кровотока [27]. При моделировании распространения света с учетом оптических свойств ткани, свойств рассеяния эритроцитов [10, 11, 23] был создан метод оценки значения перфузии в абсолютных единицах и, что более важно, в различных отделах микроциркуляторного русла [18, 19]. В основе этого подхода лежит тот факт, что
скорость кровотока в различных типах микрососудов различна: скорость менее 1 мм/c характерна для капилляров, 1-10 мм/c для венул и мелких артериол, выше 10 мм/c - крупных артериол [32].
Оксигенация гемоглобина и концентрация эритроцитов могут быть оценены с помощью метода DRS с использованием белого света в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного, где гемоглобин имеет спектры поглощения с отчетливыми особенностями. Благодаря модели распространения света в тканях, априорных знаниях спектров поглощения гемоглобина и калибровке спектров DRS, можно определить оксигенацию и тканевую фракцию эритроцитов в абсолютных единицах [18, 33, 43].
Методы DRS и LDF впервые интегрированы в одном оптоволоконном зонде в системе Enhanced Perfusion and Oxygen Saturation (EPOS) в аппарате EPOS Perifux 6000 (Perimed AB, Швеция). Этот метод позволяет одновременно из одного объема ткани измерять перфузию с разрешением по скорости, тканевую фракцию эритроцитов и насыщение крови кислородом [32, 44]. Предыдущие исследования показали, что несмотря на то, что ответ на провокационные тесты реактивности таких параметров, как насыщение кислородом, тканевая фракция эритроцитов и перфузия, различен, между ними существует корреляция [23]. Увеличение скорости потока уменьшает время капиллярного транзита, что приводит к снижению экстракции кислорода и увеличению общего уровня сатурации крови [9, 16]. На сегодняшний день основной механизм контроля микроциркуляции, который вызывает эти различия в ответах, неясен.
Перфузия ткани может существенно изменяться под действием системных и локальных факторов, при этом она постоянно демонстрирует колебательное поведение. Колебания связаны с регуляторными процессами тонуса микрососудов, осуществляемыми за счет миогенного, нейрогенного и эндотелиального механизмов. При этом перечисленные механизмы имеют различные характерные времена протекания процессов, вследствие чего их активность может быть сопоставлена энергии колебаний различных частот. В спектрах колебаний микроциркуляторного кровотока выделяют пять частотных диапазонов и сопоставляют с ними следующие физиологические механизмы вариации тонуса сосудов: эндотелий зависимая активность (E, 0,0095-0,02 Гц), нейрогенная регуляция (N, 0,020,06 Гц), миогенный механизм (M, 0,06-0,15 Гц), а также респираторно-зависимые колебания (R, 0,15-0,4 Гц), собственно сердечные сокращения, и связанное с ним прохождение пульсовой волны (C, 0,6-1,6 Гц) [21, 38].
Исследования in vivo кожного кровотока и оксигенации показали, что сигналы колеблются в широких частотных диапазонах, с различной общей мощностью и относительным вкладом низкочастотной и высокочастотной частей спектра мощности [41, 43]. Важно, что колебательные свойства кровотока и оксигенации влияют на экстракцию кислорода [4, 20, 42].
Однако до сих пор остается неясным, имеет ли осцилляторный характер микроциркуляции
функциональное значение для доставки и обмена кислорода.
Колебания SO2 и перфузии когерентны на частоте сердечных сокращений и на частотах в диапазоне 0,010,1 Гц в поверхностных слоях кожи, при этом в более глубоких слоях колебания независимы [6]. Показано, что характеристики колебательного процесса кровотока, измеренного на различной глубине, схожи, тогда как временные спектры оксигенации имеют качественные различия, объяснения такому поведению авторы работы [6] не дают. В теоретической работе [14] показано, что осцилляции микроциркуляторного кровотока скелетных мышц в условиях гипоксии могут значительно увеличить оксигенацию тканей и уменьшить гетерогенность транспорта кислорода. Наибольший эффект наблюдался для низкочастотных (1,5-3 цикла в минуту) колебаний с высокой амплитудой. В работе [9] на основе почастотной корреляции сигналов LDF и оксигенации при дыхательной, окклюзионной и тепловой пробах показано, что в спектре колебаний оксигенации присутствуют низкочастотные колебания, обнаружена умеренная корреляция с флуктуациями кровотока.
Целью данного исследования является оценка взаимосвязи между колебаниями микроциркуляторного кровотока и кислородной сатурацией тканей в коже в зависимости от скорости кровотока и типа микрососудов в нативных условиях и при локальном нагреве.
Материалы и методы
В работе использована открытая база данных записей перфузии крови с разрешением по скорости и насыщения крови кислородом в коже человека в условиях тепловой стимуляции [39]. База содержит данные, зарегистрированные у 60 условно здоровых добровольцев в возрасте от 18 до 60 лет. Все участники исследования подписали письменное информированное согласие. Исследование было одобрено этическим комитетом Институционального совета по этике исследований в области акупунктуры и прижигания Китайской академии медицинских наук.
Регистрация сигналов осуществлялась непрерывно в течение 90 мин и включала в себя три интервала, каждый из которых 30 мин: первый в нативных условиях, второй при нагреве, третий - восстановление параметров после выключения нагревателя. Для каждого добровольца было проведено четыре записи с нагревом участка кожи до 38, 40, 42 и 44°С, порядок проведения тепловых проб для каждого испытуемых выбирался случайно. В группе контроля размещение датчиков и протокол записи были аналогичными, единственное различие заключалось в том, что нагреватель не включался.
Регистрация сигналов проводилась на предплечье правой руки у испытуемых, находящихся в положении лежа. Для измерения параметров микрогемодинамики и
Таблица 1 Сопоставление типов микрососудов _и скорости кровотока_
Обозначение Скорость мм/c Тип микрососудов
PIi <1 Капилляры
PI2 1-10 Венулы, мелкие артериолы
Ph 25 Крупные артериолы
тканевой оксигенации была использована система PeriFlux 6000 (EPOS, Perimed AB, Стокгольм, Швеция), которая совмещает методы LDF и DRS. Частота дискретизации сигналов составила 3 Гц. В результате были получены синхронные записи перфузии крови с разрешением по скорости (% RBC-mm/s) и кислородной сатурации (% SO2). Перфузию крови оценивали для трех типов микрососудов, определенных по средней скорости течения крови (табл. 1). Зонд EPOS, включает в себя LDF и термостатический датчик, что позволяло осуществлять контролируемый постоянный нагрев участка кожи под поверхностью зонда и регистрацию перфузии в зоне нагрева. Детальное описание используемых методов и протоколов дано в работах [39].
Мы проанализировали часть базы данных, содержащую записи сигналов SO2 и перфузии 29 испытуемых из группы тепловой стимуляции в условиях локального нагрева при температуре 40°С. Такой нагрев у большинства испытуемых вызывает выраженную двухфазную вазодилататорную реакцию, при этом данная температура ниже величины температурного болевого порога (~ 42°С), что позволяет избежать болевой реакции и влияния соответствующих физиологических механизмов.
Анализ спектрального состава и частотной корреляции исследуемых сигналов осуществляли на основе вейвлет-преобразования сигналов [12, 28]. Для анализа нами были выбраны три 16-минутных временных интервала со стационарными амплитудно-частотными характеристиками сигналов,
соответствующие трем состояниям
микроциркуляторного кровотока: 11-27-я мин -нативное состояние, 39-55-я мин - нагрев с температурой 40°С, и 69-86-я мин - восстановительный период после прекращения нагрева (рис. 1). В качестве анализирующего вейвлета выбран вейвлет Морле с параметром с = 1,7, применен алгоритм анализа, аналогичный описанному в работе [12]. Интегральный вейвлет-спектр рассчитан в указанных выше трех интервалах времени. Распределения полученных выборок не соответствовали нормальному, (критерий Шапиро-Уилка), поэтому результаты анализа представлены в виде медиан и квартилей. Статистическую значимость различий параметров микроциркуляции и оксигенации анализировали посредством критерия Краскела - Уоллиса и критерия Фридмана - непараметрических аналогов дисперсионного анализа для независимых и зависимых
Р 36
s"
Рис. 1. Характерные сигналы температуры (а), кислородной сатурации (б) и три компоненты перфузии с разрешением по скорости Р/х, Р12, Р13 (в). Вертикальными линиями отмечены временные интервалы интегрирования при
вычислении спектров и корреляции
Таблица 2
Медианные значения параметров SO2 и компонентов перфузии Pli, i = 1,2,3
Обозначение Нативно Нагрев Релаксация
PI1, %RBCxmm/c 0,049(0,040-0,067) 0,11 (0,09-0,15)* 0,11 (0,09-0,14)*
PI2, %RBCxmm/c 0,057(0,040-0,080) 0,43 (0,30-0,54)* 0,28 (0,24-0,43)*,**
PI3, %RBCxmm/c 0,024(0,013-0,043) 0,23 (0,15-0,44)* 0,22 (0,18-0,34)*
SO2, % 58,8(49,6-67,1) 88,6 (83,5-95,3)* 88,6 (82,5-92,1)*
а
б
в
Примечание: данные представлены как медианы и квартили (Р <0,05) различия, по сравнению с нативным состоянием, «
измерений соответственно, с последующими апостериорными тестами оценки парных различий на основе рангового варианта критерия Стьюдента -Ньюмена - Кейлса. Нулевая гипотеза отвергалась при P <0,05. Расчеты спектров мощности и вейвлет-корреляции исследуемых сигналов выполнены в среде Mathematica 7.0 (Wolfram Research, Inc., США). Статистический анализ выполнен в программе SigmaPlot 14.0 (Systat Software, Inc.).
Результаты
1. Временная динамика перфузии и кислородной сатурации при локальном нагреве
Характерный пример изменения температуры T, кислородной сатурации SO2 и перфузии с разрешением по скорости Р11 во время локального теплового теста представлен на рис.1. Кожный кровоток в ответ на локальный нагрев демонстрирует последовательное, бимодальное увеличение, обусловленное
преимущественно двумя независимыми механизмами вазодилатации: быстрореагирующим механизмом аксон-рефлекса и медленно вовлекаемыми эндотелий-
(61'63), п = 29. Символом «*» обозначены достоверные **» - по сравнению с нагревом.
зависимыми факторами [7, 27, 38]. После выключения нагрева уровень перфузии медленно снижался. Такое поведение характерно для всех трех компонентов перфузии, при этом амплитуды сигналов для компонентов скорости Р11-Р13, значимо различались. Динамика величины SO2 соответствовала динамике перфузии и также демонстрировала наличие двух последовательных фаз: быстрое нарастание уровня оксигенации и последующий спад, соответствующие началу нагрева, и последующее медленное увеличение на фоне продолжающегося нагрева до максимальных значений. Прекращение нагрева также сопровождалось медленным снижением SO2.
Усредненные в анализируемых временных интервалах значения скоростных компонентов перфузии и кислородной сатурации представлены в табл. 2. В исходном состоянии наименьший уровень перфузии наблюдался для компонента Р13. Компоненты перфузии Р11 и Р12 характеризуются достоверно более высоким уровнем по отношению к компоненту Р13 (в 2,0 и 2,4 раза соответственно, Р <0,05).
При нагревании уровень всех компонент перфузии значимо возрастал по отношению к исходному уровню:
Р11, в 2,2 раза, Р12 - в 7,5 раза и для Р13 - в 9,6 раза. При этом сохраняются достоверные различия всех трех компонентов перфузии. После прекращения нагрева перфузия медленно снижалась (рис.1), однако достоверное снижение медианы (в 1,5 раза) в анализируемом временном интервале, по сравнению с нагревом, выявлено только для компонента Р12. При этом медиана компонента Р12, оставалась существенно более высокой по сравнению с исходным уровнем (в 4.9 раза). Для компонентов Р11, и Р13, перфузия оставалась на уровне значений интервала нагрева.
Медианное значение SO2 в нативном состоянии составила приблизительно 58 %. Локальный нагрев кожи до 40°С сопровождался достоверным и существенным (в 1,5 раза) увеличением уровня оксигенации. Прекращение нагрева инициировало медленное снижение уровня оксигенации (см. рис. 1), однако усреднение в пределах анализируемого временного интервала не выявило достоверного изменения величины SO2, по сравнению с интервалом нагрева. При этом значение SO2 оставалось достоверно более высоким (в 1 ,5 раза), по сравнению с исходным состоянием.
2. Ритмическая структура сигналов перфузии и кислородной сатурации крови и их частотная корреляция в нативном состоянии
Анализ колебательных компонентов сигналов проводили на основе усреднённых по частотным диапазонам значений спектральной мощности, полученной при помощи вейвлет-разложения. В связи с тем, что мощность колебаний в разных частотных диапазонах значительно различалась, мы использовали логарифмическую шкалу.
Перфузия. Спектральная мощность компонентов перфузии в анализируемых частотных диапазонах для нативного состояния представлена на рис. 2, а.
В нативном состоянии сигналы всех трех компонентов перфузии РЦ, i = 1, 2, 3 характеризуются схожими спектрами, c концентрацией энергии в области низких частот: в диапазонах эндотелий зависимых (Е), нейрогенных (N) и миогенных (М) колебаний. В диапазоне колебаний перфузии, связанном с активностью эндотелия, обнаружено достоверное различие спектральной мощности для всех трех компонентов перфузии. При этом наибольшая мощность колебаний характерна для компонента Р12, наименьшая - для компонента Р1г (медианные значения логарифма мощности (log E) ~ -9,5, -8,0, -8,6 усл. ед. для PIt, Р12 и Р13 соответственно, Р <0,05). В нейрогенном частотном диапазоне наибольшая мощность также характерна для компонента PI2 (log E ~ -8,6 усл. ед.), что достоверно выше, по сравнению с Р1г и Р13, энергия которых значимо не различается (log E ~ -9,5 и -9,1 усл. ед.). В миогенном диапазоне достоверные различия спектральной мощности не выявлены. Диапазон респираторной активности характеризуется наименьшей энергией колебаний, различия для компонентов скорости перфузии также отсутствуют. В диапазоне кардиоритма (С) энергия пульсовых колебаний преимущественно сосредоточена в компонентах Р1г и Р13, где она достоверно выше, по сравнению с Р1г (log E ~ -12,1, -10,7, -10,5 для PIt, Р12 и Р13 соответственно).
Оксигенация. Спектральная мощность сигналов SO2 в нативном состоянии, при нагреве и после нагрева представлена на рис. 2, б. Поскольку процессы перфузии и оксигенации крови связаны, мы ожидали, что в сигналах оксигенации крови будут присутствовать модуляции, аналогичные таковым сигналам перфузии. В связи с этим для анализа интегральной спектральной мощности сигналов SO2 мы использовали те же частотные диапазоны, что и для сигналов перфузии.
а б в
Рис. 2. Спектральная мощность сигналов компонентов перфузии (а), Бй2 (б) и значения вейвлет-корреляции компонентов перфузии и Зй2 для нативного состояния. Данные представлены как 5, 25, 75-й и 95-й перцентили. Вертикальными линиями обозначены анализируемые частотные диапазоны (описание в тексте). Указаны статистически значимые различия в парах ^ <0,05)
В нативном состоянии сигнал оксигенации обладает заполненным спектром во всем рассматриваемом диапазоне частот. При этом распределение энергии колебаний обратно пропорционально частоте колебаний (различия медиан статистически значимы для всех диапазонов, Р <0,05). Основная спектральная мощность сосредоточена в низкочастотных диапазонах, где в порядке уменьшения распределяется от эндотелий-зависимых (E, log E ~ 4,4 усл. ед.) к нейрогенным (N, log E ~ 3,0 усл. ед.) и миогенным (M, log E ~ 1,6 усл. ед.) колебаниям кровотока. Наименьшей энергией характеризуются респираторно-зависимые (R, log E ~ 0,4 усл. ед.) и пульсовые (С, log E ~ -0,5 усл. ед.) колебания.
Корреляция. Интегральные по частотным диапазонам значения вейвлет-корреляции компонентов скорости перфузии и SO2 для нативных условий представлены на рис. 2, в.
3. Ритмическая структура сигналов перфузии и кислородной сатурации крови и их частотная корреляция при локальном нагреве
Перфузия. Изменения спектральной плотности энергии компонентов перфузии во время теплового теста представлены на рис. 3. По сравнению с нативным состоянием, нагрев до 40°С вызывал достоверное увеличение спектральной плотности энергии для всех трех компонентов PIt, i=1, 2, 3. Этот эффект характерен для всех анализируемых частотных диапазонов. Наибольшее увеличение энергии колебаний продемонстрировано для респираторно-зависимых и пульсовых колебаний.
После выключения нагрева в пределах времени эксперимента уровень колебаний во всем диапазоне частот остается достоверно выше уровня нативного состояния. Однако нами выявлены значимые изменения спектральной плотности энергии по отношению к
аналогичным характеристикам во время фазы нагрева. Так, для Р11 продемонстрировано достоверное увеличение мощности колебаний в диапазоне миогенной (М) активности. Для компонента Р12, напротив, выявлено значимое снижение спектральной мощности в диапазонах эндотелий зависимых (Е), а также респираторных (^ и пульсовых колебаний (С). Для компонента Р13 характерно достоверное увеличение мощности колебаний в миогенном диапазоне и параллельное снижение мощности респираторных и пульсовых колебаний.
В целом почастотная корреляция сигналов 8й2 и компонентов перфузии имеет высокий уровень во всем диапазоне частот с медианными значениями в пределах 0,64-0,80. Значимые различия корреляции выявлены нами в низкочастотных диапазонах модуляции кровотока: эндотелиальном, нейрогенном и миогенном. В диапазоне эндотелиальной активности корреляция 8С2 с компонентами перфузии Р11 и Р12 значимо выше, чем для Р13 (медианы 0,80, 0,79 и 0,70 соответственно, Р=0,08). В нейрогенном диапазоне более высокий уровень корреляции обнаружен для компонента Р11 (медианы 0,76, 0,73 и 0,73 соответственно, Р=0,08). Для миогенных колебаний более высокий уровень корреляции также характерен для компонента Р11, при этом для Р12 выше, чем для Р13 (медианы 0,77, 0,71 и 0,64 соответственно, Р <0,05). В респираторном и кардио диапазонах модуляции кровотока значимых различий корреляции для компонентов скорости не выявлено, медианные значения в пределах 0,65-0,69.
Оксигенация. Отметим, что к концу нагрева и сразу после выключения нагревателя уровень оксигенации достигает предельных значений, что может служить причиной уменьшения амплитуды пульсаций (см. рис. 1). Средняя спектральная мощность сигналов 8й2 в условиях нагрева и после выключения нагревателя в сравнении с нативным состоянием представлена на
а б в
Рис. 3. Спектральная мощность сигналов компонентов перфузии PI1 (а), PI2 (б), PIз (в) в нативном состоянии, при нагреве и после нагрева. Данные представлены как 5, 25, 75 и 95 перцентили. Вертикальными линиями обозначены анализируемые частотные диапазоны (описание в тексте). Указаны статистически значимые различия в парах ^ <0,05).
частотный диапазон Рис. 4. Спектральная мощность сигналов БОг в нативном состоянии, при нагреве и после нагрева. Данные представлены как 5, 25, 75 и 95 перцентили.
Вертикальными линиями обозначены анализируемые частотные диапазоны (описание в тексте). Указаны статистически значимые различия в парах (Р <0.05).
рис. 4. Локальный нагрев вызывает достоверное снижение спектральной плотности энергии сигнала во всем исследуемом частотном диапазоне. При этом наиболее существенные изменения характерны для диапазонов эндотелиальных (Е), нейрогенных (У) и миогенных (М) колебаний.
Выключение нагревателя в пределах времени эксперимента не вызывало достоверных изменений мощности колебаний, за исключением колебаний миогенного диапазона. Спектральная мощность в диапазонах Е, У, Я и С остается на уровне мощности нагрева и также достоверно ниже, по сравнению с нативным состоянием. В диапазоне миогенных колебаний наблюдается достоверное увеличение спектральной плотности энергии по сравнению с уровнем нагрева, однако при этом значение мощности остается достоверно ниже уровня нативного состояния.
Корреляция. Медианные значения модуля функции вейвлет-корреляции сигналов оксигенации и компонентов скорости перфузии в исследуемых частотных диапазонах для нативных условий, в процессе и после нагрева представлены на рис. 5. В целом наибольшие значения корреляции характерны для нативного состояния. Это справедливо для всех компонентов скорости перфузии и для всех частотных диапазонов, за исключением диапазона пульсовых колебаний (С), где достоверных отличий корреляции в условиях эксперимента не выявлено как и миогенного (М) диапазона в сигналах Р11.
Локальный нагрев сопровождается достоверным снижением вейвлет-корреляции для всех частотных диапазонов компонентов перфузии, за исключением
диапазона кардиоритма и миогенного диапазона компонента Р13. В восстановительный период после выключения нагревателя в большинстве случаев корреляция значимо не меняется, оставаясь достоверно ниже уровня нативного состояния, либо продолжает снижаться. Достоверное уменьшение корреляции ниже уровня нагрева продемонстрировано в диапазоне эндотелий зависимых колебаний (Е) для компонентов Р12 и Р13, нейрогенном диапазоне для компонента Р1±, а также для респираторных колебаний компонента Р12.
Обсуждение
В работе впервые изучена связь колебаний кровотока в различных типах микрососудов и тканевой оксигенации крови на основе данных, полученных при помощи технологии EPOS. Метод EPOS позволяет синхронно оценивать перфузию ткани кровью, дифференцированную по скорости потока эритроцитов, и уровень кислородной сатурации крови. При помощи измерения компонентов перфузии,
дифференцированных по скорости, становится возможным анализировать кровоток в различных типах микрососудов. Для корректной интерпретации полученных результатов важно принимать во внимание следующие особенности метода EPOS. Во-первых, оценка SO2 в тканях производится с помощью метода DRS на основе количественного измерения концентрации двух хромофоров - оксигемоглобина (HbO2) и дезоксигемоглобина (Hb). Во-вторых, оценка SO2 происходит во всем зондируемом объеме ткани, по всем типам микрососудов и представляет собой среднее значение насыщение кислородом в артериолах, капиллярах и венулах. Таким образом, уровень SO2 определяется как метаболическими потребностями кожи, так и соотношением артериальной и венозной крови, которая, в свою очередь, зависит от скорости кровотока, объема крови и степени вовлеченности микрососудов разного типа.
Известно, что здоровая кожа в нормальных условиях имеет относительно низкие метаболические потребности [20]. В коже предплечья руки, по сравнению с акральными зонами (пальцы), практически отсутствуют артериоло-венулярные анастомозы [5], и собственный кожный кровоток достаточно низкий. Исходный относительно невысокий уровень оксигенации («59 %, см. табл. 2) обусловлен низкой скоростью и преобладанием капиллярного и венозного компонентов кровотока, что подтверждается большим вкладом компонентов Р1г и Р12 в общую перфузию (перфузии Р1г и Р12 сравнимы, а Р13 приблизительно в два раза меньше). Увеличение уровня оксигенации при локальном нагреве и сохранение высокого уровня после выключения нагревателя очевидно, обусловлено не столько меняющимся потреблением кислорода, сколько усилением перфузии вследствие тепловой вазодилатации и соответствующим изменением
а б в
Рис. 5. Вейвлет-корреляция сигналов компонентов перфузии Р11 (а), Р/2 (б), Р/3 (в) и SO2 в нативном состоянии, при нагреве и после нагрева. Данные представлены как 5, 25, 75-й и 95-й перцентили. Вертикальными линиями обозначены анализируемые частотные диапазоны (описание в тексте). Указаны статистически значимые различия в парах (Р <0,05)
соотношения артериального и венозного компонентов кровотока.
Увеличение перфузии может быть обусловлено возрастанием средней скорости кровотока и/или увеличением объема крови в диагностическом объеме. Полученные данные показывают, что при нагревании задействованы оба механизма при значительном преимуществе первого. Соотношение компонентов перфузии также меняется в пользу высокоскоростных: Р12 становится приблизительно в 4 раза, а Р13 в два раза больше, чем Р1г. Высокий уровень оксигенации, сохраняющийся после прекращения нагрева, обусловлен сохраняющимся высоким уровнем перфузии. Значения перфузии Р1г и Р13 остаются сопоставимыми с соответствующими значениями при нагреве, Р12 достоверно снижается в 1,5 раза, при этом оставаясь значительно (в 4,9 раза) выше, по сравнению с нативным состоянием.
Спектральный анализ сигналов SO2 и компонентов перфузии показал, что в нативном состоянии спектр сигналов оксигенации заполнен во всем исследуемом диапазоне частот 0,01-1,5 Гц. Спектральная плотность энергии сигнала SO2 преимущественно сосредоточена в низкочастотной области, соответствующей эндотелий-зависимым, нейрогенным и миогенным колебаниям тонуса сосудов, при этом относительная энергия низкочастотных диапазонов энергии спектра SO2, связанных с эндотелиальной и нейрогенной активностью, существенно выше, чем в спектрах компонентов перфузии.
Обнаружена высокая корреляций колебаний сигналов SO2 оксигенации и компонентов перфузии (0,64-0,80) во всем анализируемом частотном диапазоне. Для респираторных и пульсовых колебаний, которые слабо выражены в сигналах оксигенации и, вследствие малого периода, не являются функционально значимыми в плане экстракции кислорода, медианные значения
корреляции сигналов SO2 и перфузии составляют 0,65 и 0,73 для респираторного и кардиодиапазонов соответственно. Полученный результат объясняется тем, что почастотная корреляция дает информацию о временной взаимосвязи и подобии форм двух сигналов, независимо от их амплитуд. Наши результаты подтверждают существование пассивной модуляции уровня оксигенации посредством высокочастотных осцилляций кровотока. Учитывая это, результаты частотной корреляции сигналов целесообразно интерпретировать с учетом спектральной мощности, соответствующих частотных диапазонов сигнала SO2. Таким образом, значение корреляции
низкоамплитудных респираторных и пульсовых колебаний может служить критерием оценки функциональной значимости колебаний.
Функционально значимыми можно считать диапазоны с большей спектральной мощностью и корреляцией выше, чем для Я и С диапазонов. Такими диапазонами для компонента Р11, ассоциируемого с капиллярным кровотоком, являются эндотелиальный, нейрогенный и миогенный (частота колебаний <0,15 Гц), где корреляция достоверно выше, по сравнению с диапазоном респираторных и пульсовых колебаний (медианные значения вейвлет-корреляции 0,80, 0,77 и 0,77 для Е, N и М соответственно, Р<0,05), и эндотелиальный диапазон компонента Р12, ассоциируемого с мелкими артериолами и венулярным кровотоком (медианное значение вейвлет-корреляции 0,79, Р<0,05). Для компонента Р13, ассоциируемого с кровотоком в крупных артериолах, достоверных различий корреляции между частотными диапазонами пассивной и активной модуляции сигнала не выявлено. Высокая корреляция между низкочастотными колебаниями SO2 и кровотока в «медленных» компонентах Р11 и Р12 хорошо согласуется с известными представлениями о реализации газообменных процессов
в капиллярах и мелких артериолах в условиях медленного кровотока.
Колебания SO2, с одной стороны, могут быть следствием прямой модуляции относительной концентрации оксигенированного гемоглобина посредством осцилляций кровотока вследствие объемных изменений артериальной крови. С другой стороны, по-видимому, существуют «настоящие», связанные с экстракцией кислорода колебания концентрации оксигемоглобина, которые могут быть сложным образом опосредованно, связаны с осцилляциями кровотока. В связи с этим дополнительную информацию о функционально значимых колебаниях SO2 могут предоставлять изменения амплитуды колебаний и частотная корреляция сигналов Pli и SO2 в условиях нагрева. Тепловая вазодилатация сопровождается увеличением амплитуды спонтанных колебаний кровотока. Предполагая пассивную модуляцию SO2 колебаниями кровотока, можно ожидать, что локальный нагрев будет сопровождаться увеличением амплитуды колебаний SO2 пропорционально амплитуде колебаний перфузии. Корреляция сигналов SO2 и кровотока при этом должна оставаться неизменной или также возрастать. В нашем случае, нагревание вызывает достоверное увеличение мощности колебаний кровотока. Этот эффект характерен для всех скоростных компонентов перфузии и всех типов колебаний кровотока. В сигнале оксигенации, напротив, наблюдается достоверное уменьшение мощности колебаний во врем диапазоне частот. При этом относительное снижение мощности в диапазонах эндотелиальной, нейрогенной и миогенной активности, выражено сильнее, чем в диапазонах респираторных и пульсовых колебаний. Таким образом, можно предположить, что низкочастотные модуляции уровня SO2 имеют более сложную функциональную связь с колебаниями кровотока, обусловленную процессами экстракции кислорода. Необходимо отметить, что снижение спектральной мощности сигналов оксигенации при нагреве, помимо физиологических причин, может быть обусловлено и тем, что величина SO2 в условиях нагрева достигает максимальных значений, что уменьшает диапазон вариабельности значений.
Восстановительные процессы после прекращения нагрева демонстрируют сложную динамику SO2 и колебаний кровотока, не соответствующие предположению о пассивной природе низкочастотных модуляций сигнала SO2. На фоне снижения температуры кожи в пределах времени эксперимента наблюдается достоверное увеличение спектральной мощности колебаний компонентов перфузии Р11 и Р13, связанных с миогенным механизмом регуляции сосудистого тонуса, по сравнению с состоянием во время нагрева. При этом в остальных частотных диапазонах мощность колебаний остается на том же уровне что и во время нагрева или достоверно снижается (см. рис. 4). В сигнале SO2 мощность колебаний в миогенном диапазоне также
достоверно увеличивается, по сравнению с аналогичными характеристиками во время нагрева, оставаясь неизменной в остальных диапазонах. Нетипичное поведение миогенных колебаний кровотока после прекращения нагрева отмечено в работе [24] и, возможно, связано с пролонгированным действием вазоактивных факторов, синтезируемых эндотелием в ответ на локальный нагрев [15].
Корреляция колебаний SO2 и компонентов перфузии в условиях нагрева снижается. Достоверные изменения характерны для диапазонов эндотелиальной, нейрогенной, миогенной активности и респираторных колебаний компонентов Р11 и Р12 и эндотелиальных, нейрогенной и респираторных колебаний компонента Р13. При этом, если для компонента Р11 в нативном состоянии корреляция в диапазонах E, N и M значимо превышала корреляцию в R и C диапазонах, то в условиях нагрева корреляция в диапазонах E, N и M достоверно снижается до уровня диапазонов R и C. Для компонента Р12 более высокая корреляция, по сравнению с дыхательным и кардиодиапазонами (R и C), исходно характерна только для диапазона эндотелий зависимых колебаний (Е) и при нагреве она так же, как и в Р11, достоверно снижается до уровня колебаний R и С. Для высокоскоростного компонента Р13 корреляция, как в нативном состоянии, так и при нагреве, во всех частотных диапазонах находится на уровне корреляции респираторных и пульсовых колебаний, значения корреляции которых, по-нашему мнению, являются критериями пассивных колебаний SO2.
Выключение нагрева сопровождается достоверным дальнейшим снижением корреляции колебаний SO2 и колебаний нейрогенного диапазона компонента Р/1, эндотелиального, нейрогенного и респираторного диапазона компонента Р12 и эндотелиальных колебаний компонента Р13. При этом для всех компонентов перфузии величина корреляции снижается до значений корреляции респираторных и пульсовых колебаний, что свидетельствует о разобщении связи оксигенации и колебаний кровотока, предположительно, вследствие действия эндотелий зависимых факторов вазодилатации.
Заключение
Оценка частотной корреляции синхронных сигналов оксигенации и микроциркуляторного кровотока, полученных методом EPOS, позволила нам продемонстрировать особенности взаимосвязи уровня кислородной сатурации и колебаний кровотока в коже человека в зависимости от типа микрососудов. Сигнал оксигенации модулируется течением крови в широком диапазоне частот, при этом низкочастотные модуляции (с частотами ниже 0,15 Гц), соответствующие эндотелий зависимым, нейрогенным и миогенным колебаниям, демонстрируют признаки более тесной связи уровня SO2 и колебаний микроциркуляторного кровотока и, предположительно, являются функционально значимыми, связанными с процессами экстракции
кислорода. Высокочастотные респираторные и пульсовые колебания оксигенации, предположительно, обусловлены пассивной модуляцией со стороны кровотока. Более тесная корреляция между
Список литературы
1. Исследование структуры кровотока в персонифицированных моделях ответвления шунта от бедренной артерии / А.Д. Юхнев, А.А. Маринова, Е.М. Смирнов, Я.А. Гатаулин, Л.Г. Тихомолова, А.А. Врабий, А.А. Супрунович // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 25-39.
2. Численное моделирование течения жидкости в венозном клапане при пробе Вальсальвы / Я.А. Гатаулин, Е.Д. Никитин, А.Д. Юхнев, Д.А. Росуховский // Российский журнал биомеханики. - 2022. - № 3. - С. 78-86.
3. Шабрыкина, Н.С. Математическая модель микроциркуляции для прогнозирования реперфузионного синдрома у пациентов с сахарным диабетом / Н.С. Шабрыкина, П.С. Лукин // Российский журнал биомеханики. - 2022, № 4. - С. 89-97.
4. An association between vasomotion and oxygen extraction /
C.E. Thorn, H. Kyte, D.W. Slaff, A.C. Shore // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2011. - Vol. 301, no. 2. - P. 442-449.
5. Braverman, I.M. The cutaneous microcirculation: Ultrastructure and microanatomical organization / I.M. Braverman // Microcirculation. - 1997. - Vol. 4, no. 3. - P. 329-340.
6. Coherence of fluctuations in blood flow with those in tissue oxygen saturation / A. Bernjak, P.V.E. McClintock, A. Stefanovska, P.J. Owen-Lynch, P.B.M. Clarkson // Fluct Noise Lett. - 2022. - Vol. 11. - P. 1-12.
7. Crandall, C.G. Mechanisms and modulators of temperature regulation / C.G. Crandall, T.E. Wilson, K.C. Kregel // J Appl Physiol. - 2010. - Т. 109, no. 4. - P. 1219-1220.
8. Crandall, C.G. What is new in microcirculation and tissue oxygenation monitoring? / C.G. Crandall, T.E. Wilson, K.C. Kregel // J. Clin. Monit. Comput. - 2022. - Vol. 36, no. 2. - P. 291-299.
9. Dynamics of Microvascular Blood Flow and Oxygenation Measured Simultaneously in Human Skin / K.Z. Kuliga, E.F. McDonald, R. Gush, C. Michel, A.J. Chipperfield, G.F. Clough // Microcirculation. - 2014. - Vol. 21, no. 6. -P. 562-573.
10. Fredriksson, I. Model-based quantification of skin microcirculatory perfusion / I. Fredriksson, M. Larsson, T.Stromberg // In: Computational biophysics of the skin. 1st ed. Boca Raton: CRC Press. - 2015. - P. 395-418. Fredriksson, I. Model-based quantitative laser Doppler flowmetry in skin / I. Fredriksson // J Biomed Opt. - 2010. -Vol. 15, no. 5. - P. 12.
11. Frick, P. Skin temperature variations as a tracer of microvessel tone / P. Frick, I. Mizeva, S. Podtaev // Biomed. Signal Process Control. - 2015. - Vol. 21. - P. 085002.
12. Gibson, A.P. Recent advances in diffuse optical imaging / A.P. Gibson, J.C. Hebden, S.R. Arridge // Phys Med Biol. -2005. - Vol. 50, no. 4. - P. 1-43.
13. Goldman, D.A computational study of the effect of vasomotion on oxygen transport from capillary networks /
D. Goldman, A.S. Popel // J. Theor. Biol. - 2001. - Vol. 209, no. 2. - P. 189-199.
низкочастотными колебаниями SO2 и колебаниями кровотока характерна для компонентов перфузии, ассоциируемых с капиллярным кровотоком и мелкими артериолами.
14. Imaging photoplethysmography quantifies endothelial dysfunction in patients with risk factors for cardiovascular complications / N.P. Podolyan, I.A. Mizeva, O.V. Mamontov, V.V. Zaytsev, A.V. Belaventseva, A.V. Sakovskaia, R.V. Romashko, A.A. Kamshilin // Biomed Signal Process Control. - 2023. - Vol. 86. - P. 105168.
15. Impact of local thermal stimulation on the correlation between oxygen saturation and speed-resolved blood perfusion / G. Wang, S. Jia, M. Liu, X. Song, H. Li, X. Chang, W. Zhang // Sci. Rep. - 2020. - Vol. 10, no. 1. - P. 183.
16. Impaired cerebral oxygenation in heart failure patients at rest and during head-up tilt testing / I. Kharraziha, H. Holm, M. Magnusson, P. Wollmer, J. Molvin, A. Jujic, A. Fedorowski, E. Bachus, V. Hamrefors // ESC Heart Fail. -
2021. - Vol. 8, no. 1. - P. 586-594.
17. Improved model for myocardial diffuse reflectance spectra by including mitochondrial cytochrome aa3, methemoglobin, and inhomogenously distributed RBC / T. Lindbergh,
E. Haggblad, H. Ahn, E. Goran Salerud, M. Larsson, T. Stromberg // J. Biophotonics. - 2011. - Vol. 4, no. 4. -P. 268-276.
18. Inverse Monte Carlo in a multilayered tissue model: merging diffuse reflectance spectroscopy and laser Doppler flowmetry / I. Fredriksson, O. Burdakov, M. Larsson, T. Stromberg // J Biomed Opt. - 2013. - Vol. 18, no. 12. - P. 127004.
19. Is mean blood saturation a useful marker of tissue oxygenation? / C.E. Thorn, S.J. Matcher, I.V. Meglinski., A.C. Shore // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2009. -Vol. 296, no. 5. - P. 1289-1295.
20. Krupatkin, A.I. Cardiac and respiratory oscillations of the blood flow in microvessels of the human skin / A.I. Krupatkin // Hum. Physiol. - 2008. - Vol. 34, no. 3. - P. 323-329.
21. Large arteriolar component of oxygen delivery implies a safe margin of oxygen supply to cerebral tissue / S. Sakadzic, E.T. Mandeville, L. Gagnon, J.J. Musacchia, M.A. Yaseen, M.A. Yucel, J. Lefebvre,
F. Lesage, A.M. Dale, K. Eikermann-Haerter, C. Ayata, V.J. Srinivasan, E.H. Lo, A. Devor, D.A. Boas // Nat. Commun. - 2014. - Vol. 5. - P. 5734.
22. Liebert, A. Decomposition of a laser-Doppler spectrum for estimation of speed distribution of particles moving in an optically turbid medium: Monte Carlo validation study / A. Liebert, N. Zolek, R. Maniewski // Phys. Med. Biol. -2006. - Vol. 51, no. 22. - P. 5737.
23. Local nature of 0.1 Hz oscillations in microcirculation is confirmed by imaging photoplethysmography / I. Mizeva, N. Podolyan, O. Mamontov, A. Sakovskaia, A. Kamshilin // arxiv: 2405.18760. - 2024. - P. 25.
24. Marinova, R. Tissue oxygenation measurments in patients with sepsis compared to the lactate levels and hemodynamical monitoring / R. Marinova, V. Groudeva, P. Krastev // Comptes Rendus de L'Academie Bulgare des Sciences. -
2022. - Vol. 75, no. 8. - P. 1202-1209.
25. Minson, C.T. Nitric oxide and neurally mediated regulation of skin blood flow during local heating / C.T. Minson, L.T. Berry, M.J. Joyner // J. Appl. Physiol. - 2001. - Vol. 91, no. 4. - P. 1619-1626.
26. Minson, C.T. Thermal provocation to evaluate microvascular reactivity in human skin / C.T. Minson // J Appl Physiol. -2010. - Vol. 109, no. 4. - P. 1239-1246.
27. Mizeva, I. Relationship of oscillating and average components of laser Doppler flowmetry signal / I. Mizeva, P. Frick, S. Podtaev // J. Biomed. Opt. - 2016. - Vol. 21, no. 8. - P. 85002.
28. Monnet, X. Which haemodynamic monitoring should we chose for critically ill patients with acute circulatory failure? / X. Monnet, C. Lai // Curr. Opin. Crit. Care. - 2023. - Vol. 29, no. 3. - P. 275-280.
29. Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) for Cerebral and Tissue Oximetry: Analysis of Evolving Applications / J. Ali, J. Cody, Y. Maldonado, H. Ramakrishna // J. Cardiothorac Vasc. Anesth. - 2022. - Vol. 36, no. 8. - P. 2758-2766.
30. Normative data and the influence of age and sex on microcirculatory function in a middle-aged cohort: Results from the SCAPIS study / H. Jonasson, S. Bergstrand, I. Fredriksson, M. Larsson, C.J. Ostgren, T. Stromberg // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2020. - Vol. 318, no. 4. -P. 908-915.
31. Oxygen saturation, red blood cell tissue fraction and speed resolved perfusion - A new optical method for microcirculatory assessment / H. Jonasson, I. Fredriksson, A. Pettersson, M. Larsson, T. Stromberg // Microvasc Res. -2015. - Vol. 102. - P. 70-77.
32. Palmer, G.M. Monte Carlo-based inverse model for calculating tissue optical properties. Part I: Theory and validation on synthetic phantoms / G.M. Palmer, N. Ramanujam // Appl Opt. - 2006. - Vol. 45, no. 5. -P. 1062-1071.
33. Pittman, R.N. Oxygen transport and exchange in the microcirculation / R.N. Pittman // Microcirculation. - 2005. -Vol. 12, no. 1. - P. 59-70.
34. pO(2) measurements by phosphorescence quenching: Characteristics and applications of an automated system / H. Kerger, G. Groth, A. Kalenka, P. Vajkoczy, A.G. Tsai, M. Intaglietta // Microvasc Res. - 2003. - Vol. 65, no. 1. -P. 32-38.
35. Poole, D.C. Capillary-mitochondrial oxygen transport in muscle: Paradigm shifts / D.C. Poole, T.I. Musch // Function. - 2023. - Vol. 4, no. 3. - P. zqad013.
36. Skin microvascular endothelial dysfunction is associated with type 2 diabetes independently of microalbuminuria and arterial stiffness / H. Jonasson, S. Bergstrand, F.H. Nystrom, T. Lanne, C.J. Ostgren, N. Bjarnegard, I. Fredriksson, M. Larsson, T. Stromberg // Diab Vasc Dis Res. - 2017. -Vol. 14, no. 4. - P. 363-371.
37. Spatial heterogeneity in the time and frequency properties of skin perfusion / M. Sorelli, Z. Stoyneva, I. Mizeva, L. Bocchi // Physiol. Meas. - 2017. - Vol. 38, no. 5. - P. 860-876.
38. Speed-resolved blood perfusion and oxygen saturation in human skin response to thermal stimulation / S.Y. Wang, Y.K. Ai, Y.Y. Tian, Q.Z. Wang, S.Y. Jia, F. Xiong, X.J. Song, W.B. Zhang, G. Wang // TMR Modern Herb Med. - 2022. -Vol. 5, no. 1. - P. 2.
39. Stefanovska, A. Wavelet analysis of oscillations in the peripheral blood circulation measured by laser Doppler technique / A. Stefanovska, M. Bracic, H.D. Kvernmo // IEEE Trans Biomed Eng. - 1999. - Vol. 46, no. 10. - P. 1230-1239.
40. Thanaj, M. Analysis of microvascular blood flow and oxygenation: Discrimination between two haemodynamic steady states using nonlinear measures and multiscale analysis / M. Thanaj, A.J. Chipperfield, G.F. Clough // Comput. Biol. Med. - 2018. - Vol. 102. - P. 157-167.
41. Thorn, C.E. The role of perfusion in the oxygen extraction capability of skin and skeletal muscle / C.E. Thorn, A.C. Shore // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2016. -Vol. 310, no. 10. - P. 1277-1284.
42. Time-Dependent Behavior of Microvascular Blood Flow and Oxygenation: A Predictor of Functional Outcomes / K.Z. Kuliga, R. Gush, G.F. Clough, A. Chipperfield // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 2018. - Vol. 65, no. 5. - P. 1049-1056.
43. Vasomotion analysis of speed resolved perfusion, oxygen saturation, red blood cell tissue fraction, and vessel diameter: Novel microvascular perspectives / I. Fredriksson, M. Larsson, T. Stromberg, F. Iredahl // Skin Res. Technol. -2022. - Vol. 28, no. 1. - P. 142-152.
Финансирование. В части спектрального анализа работа выполнена в рамках темы 124012300246-9. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
RELATION OF OXYGEN SATURATION AND BLOOD FLOW IN DIFFERENT STRUCTURAL PARTS OF THE MICROVSCULAR SYSTEM OF THE HUMAN SKIN
G.V. Krasnikov1, I.A. Mizeva2
1 Tula pedagogical state university named after L.N.Tolstoy, Tula, Russian Federation
2 Institute of continuous media mechanics UrB RAS, Perm, Russian Federation
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Received: 15 December 2023 Approved: 16 May 2024 Accepted for publication: 14 June 2024
Key words:
blood microcirculation, tissue oxygenation, EPOS technology, blood flow oscillations
The most important function of the human cardiorespiratory system is the supply tissues by oxygen and the microvascular system plays a key role in this process. To date, the physiologically important relationship between tissue oxygen saturation and blood flow remains insufficiently studied. The aim of this study is to estimate the relationship between blood flow fluctuations in the microvessels and tissue oxygen saturation in skin as a function of blood flow velocity and microvessel type under native conditions and during local heating. This work utilizes measurements published in an open database obtained with the EPOS method, which combines a probe for measuring tissue perfusion differentiated by microvessel type, a sensor for determining tissue oxygenation, and a heater. The data collected during the test with local heating up to 40°C were selected from the database. It was obtained that unlike perfusion spectra, tissue oxygenation spectra are concentrated in the low-frequency region. The peculiarities of the relationship between the oxygen saturation level and blood flow fluctuations in human skin microvessels depending on their type have been demonstrated. The oxygenation signal is modulated by blood flow in a wide range of frequencies, with low-frequency modulations corresponding to endothelium-dependent, neurogenic, and myogenic oscillations having a stronger relationship between SO2 level and perfusion fluctuations. Such oscillations are functionally significant, related to oxygen extraction processes. Higher correlation of low-frequency SO2 fluctuations and blood flow fluctuations is typical for perfusion components associated with capillary blood flow and small arterioles._
