Проведено дослідження респіраторно-залежних коливань периферичного кровотоку людини в умовах контрольованого дихання на основі даних ФПГ і ЛДФ. Показано, що спектральна потужність респіраторних коливань кровотоку залежить від частоти дихання. Для сигналів ЛДФ залежність носить оберненопропорційна характер. У сигналах ФПГ, залежність носить колоколообразний характер з максимумом на частоті 0.10 Гц. При цьому відношення амплітуди респіраторних коливань в умовах контрольованого дихання до амплітуди коливань на відповідній частоті при спонтанному диханні залишається постійним, що дозволяє припустити загальний механізм формування респіраторно-залежних коливань в зазначених сигналах.

Анотація наукової статті за медичними технологіями, автор наукової роботи - Красніков Геннадій Вікторович, Краснікова Інна Володимирівна, Коняєва Тетяна Миколаївна, Тюріна Міглей Йорданова, Піскунова Галина Михайлівна


ANALYSIS OF RESPIRATORY-DEPENDENT OSCILLATIONS MICROCIRCULATORY BLOOD FLOW OF HUMAN SKIN ACCORDING PHOTOPLETHYSMOGRAPHY AND LASER DOPPLER FLOWMETRY

A study of respiratory-dependent fluctuations in human peripheral bloodflow in controlled respiration based on the data of PPG and LDF. It was shown that the spectral power of respiratory fluctuations in blood flow depends on the respiratory rate. For LDF signals, the dependence is inversely proportional. In the PPG signals, the dependence is bell-shaped in nature with a maximum at a frequency of 0.10 Hz. In this case, the ratio of the amplitude of respiratory oscillations under conditions of controlled respiration to the amplitude of oscillations at the corresponding frequency during spontaneous respiration remains constant, which suggests the general mechanism for the formation of respiratory-dependent oscillations in these signals.


Область наук:
  • Медичні технології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Известия Тульського державного університету. Природні науки

    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ РЕСПІРАТОРНО-ЗАЛЕЖНИХ КОЛИВАНЬ мікроциркуляторного кровотоку шкіри ЛЮДИНИ ЗА ДАНИМИ фотоплетізмографія І ЛАЗЕРНОЇ Допплерівський флоуметрия'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ РЕСПІРАТОРНО-ЗАЛЕЖНИХ КОЛИВАНЬ мікроциркуляторного кровотоку шкіри ЛЮДИНИ ЗА ДАНИМИ фотоплетізмографія І ЛАЗЕРНОЇ Допплерівський флоуметрия»

    ?УДК 57.085

    АНАЛІЗ РЕСПІРАТОРНО-ЗАЛЕЖНИХ КОЛИВАНЬ мікроциркуляторного кровотоку шкіри ЛЮДИНИ ЗА ДАНИМИ фотоплетізмографія І ЛАЗЕРНОЇ Допплерівський флоуметрия

    Г.В. Красніков, І.В. Краснікова, Т.Н. Коняєва, М.Й. Тюріна, Г.М. Піскунова

    Проведено дослідження респіраторно-залежних коливань периферичного кровотоку людини в умовах контрольованого дихання на основі даних ФПГ і ЛДФ. Показано, що спектральна потужність респіраторних коливань кровотоку залежить від частоти дихання. Для сигналів ЛДФ залежність носить назад-пропорційний характер. У сигналах ФПГ, залежність носить колоколообразний характер з максимумом на частоті 0.10 Гц. При цьому відношення амплітуди респіраторних коливань в умовах контрольованого дихання до амплітуди коливань на відповідній частоті при спонтанному диханні залишається постійним, що дозволяє припустити загальний механізм формування респіраторно-залежних коливань в зазначених сигналах.

    Ключові слова: мікроциркуляція, лазерна допплерівська флоуметрия, фотоплетізмографія, коливання кровотоку, спектральний аналіз.

    Вступ

    Один з видів осциляцій, що реєструються на рівні периферичного кровотоку за допомогою лазерної доплерівської флоуметріі (ЛДФ) і фотоплетізмографія (ФПГ), є респіраторно-залежні (дихальні) коливання. Однак, незважаючи на багато десятиліть вивчення, механізми генерації цих коливань в периферичному кровотоці до сих пір залишаються під питанням.

    В даний час розглядається кілька можливих механізмів формування респіраторно-залежних коливань на рівні системи гемомікроциркуляції. По-перше, сигнали ФПГ і ЛДФ відображають поширення пульсових коливань в периферичної судинної системи і, відповідно, модуляції, що формуються на рівні серця. При цьому частотна респіраторна модуляція серцевого ритму (респіраторно-синусовааритмія) на рівні судин трансформується в амплітудну модуляцію пульсової хвилі. Фаза вдиху супроводжується зменшенням ударного об'єму і, отже, відповідним зниженням серцевого викиду, що, в свою чергу, викликає періодичне зміна амплітуди пульсуючого компонента сигналів ФПГ і ЛДФ [1, 2].

    По-друге, дихальна модуляція кровотоку може бути обумовлена ​​модуляцією центрального венозного тиску внаслідок респіраторної динаміки тиску в грудній порожнині. цей механізм

    відомий як «дихальний насос» і є одним з механізмів венозного повернення крові до серця. Паралельно з цим будуть відбуватися зміни периферичного венозного тиску і, відповідно, перфузії тканин кров'ю (коливання обсягу і швидкості руху крові) під час дихального циклу [2]. Однак, чи є формування респіраторнозавісімих коливань кровотоку наслідком прямих впливів (через динаміку артеріального тиску внаслідок респіраторної динаміки ударного обсягу) або зворотних (через переданої респіраторної динаміки венозного тиску) неясно [3]. Є дані, що респіраторно-синхронні зміни артеріального тиску передують зміни центрального венозного тиску, і що респіраторні коливання в ФПГ-сигналі передують змінам в периферичному венозному тиску. Таким чином, респіраторні коливання в ФПГ-сигналі можуть бути коваріатнимі, а не вторинними по відношенню до зворотного передачі змін тиску в периферичної венозної системі [3].

    По-третє, існує зв'язок між дихальної активністю і активністю симпатичного відділу вегетативної нервової системи. Зокрема, патерн симпатичної активності зростає під час вдиху і досягає піку під час пізнього вдиху і початку постінспіраторние активності [4, 5]. Шкірний кровотік контролюється за допомогою вазоконстрикції, опосередкованої симпатичної нервової системою. Артеріовенозні анастомози, розташовані в акральна ділянках, мають щільну симпатичну іннервацію. Отже, периферичний кровообіг буде істотно залежати від симпатичної активності. У свою чергу, як вже говорилося вище, симпатична еферентна активність пов'язана з диханням і, таким чином, респіраторна активність через симпатичних опосередковану вазоконстрикцию може модулювати сигнали ФПГ і ЛДФ незалежно від змін, викликаних механічними проявами дихального циклу [6, 7].

    Найбільш ймовірним є паралельне участь всіх вищеописаних механізмів у формуванні респіраторно-синхронних коливань в сигналах периферичного кровотоку реєстрованих за допомогою ФПГ і ЛДФ. При цьому, переважна роль того і чи іншого механізму буде обумовлена ​​відносним внеском артеріального або венозного компонента кровотоку в сигнал і буде залежати від регіональних особливостей симпатичноїіннервації судин.

    Метою даної роботи є порівняльний аналіз респіраторно-залежних коливань мікроциркуляторного кровотоку шкіри людини за даними ЛДФ і ФПГ.

    матеріали та методи

    У дослідженні взяли участь 15 практично здорових некурящих студентів обох статей (4 юнаки і 11 дівчат) 20-22 років. Всі випробовувані давали добровільну згоду на участь в експерименті на основі повної інформованості про методи і процедурах дослідження. Під час проведення експерименту піддослідні знаходилися в положенні сидячи.

    В ході експерименту здійснювали синхронну реєстрацію зовнішнього дихання і параметрів периферичного кровотоку.

    Реєстрацію дихальних рухів (Пневмографія) здійснювали за допомогою грудного стрічкового резистивного датчика. Частота дискретизації сигналу 10 Гц. В умовах контрольованого дихання учасники дослідження управляли глибиною, частотою і патерном дихання за допомогою візуального контролю відповідності власної кривої дихання (показання з грудного пневмографіческого датчика) із заданою еталонною кривою, яку демонструють на моніторі персонального комп'ютера. Як еталон використовувалася синусоїдальна крива з задаються параметрами амплітуди і частоти.

    Реєстрацію динаміки кровонаповнення м'яких тканин здійснювали на основі палацовий фотоплетізмографія за допомогою комп'ютерного фотоплетізмографія Елдар ( «Нові медичні прилади», Росія »). Частота дискретизації сигналу 100 Гц. Датчик приладу мали на середньому пальці лівої руки.

    Реєстрацію мікроциркуляторного кровотоку шкіри здійснювали на основі методу лазерної доплерівської флоуметріі за допомогою двоканального лазерного флоуметрія ЛАКК-ОП ( «ЛАЗМА», Росія). Частота дискретизації сигналу 20 Гц. Реєстрований параметр, званий показником мікроциркуляції (ПМ), є відносною величиною і вимірюється в умовних (перфузійних) одиницях (пф.ед.). Зонд флоуметрія мали на подушечці вказівного пальця лівої руки.

    Для кожного випробуваного було проведено чотири послідовних п'ятихвилинних реєстрації зазначених сигналів: при природному диханні і контрольованому диханні з частотами 0.25, 0.10 і 0.04 Гц. Між записами випробовувані надавали п'ятихвилинні паузи для відпочинку. Амплітуда контрольованого дихання становила близько 300% від усередненої амплітуди природного дихання і була фіксованою для всіх використовуваних частот.

    Порівняльний аналіз сигналів ФПГ і ЛДФ кровотоку шкіри проводили на основі вейвлет-перетворення. Виділення загальних частотних компонент сигналів проводили на основі розрахунку взаємного спектра сигналів і оцінки їх когерентності. Крос-спектральний аналіз виконувався в програмному середовищі обчислень з відкритим вихідним

    кодом «R» версії 3.3.3 з допомогу пакетів Signal (версія 0.7-6) і WaveletComp (версія 1.0).

    Фотоплетізмограмми піддавали попередньою Ресемплінг до частоти 20 Гц для досягнення рівної частоти дискретизації з сигналами ЛДФ.

    Для аналізу достовірності відмінностей використовували критерій Стьюдента і однофакторний дисперсійний аналіз для повторних вимірів (ANOVA), з подальшим множинним парним порівнянням за критерієм Ньюмена-Кейлса. Статистично значущими вважалися відмінності при р < 0.05.

    Результати та обговорення

    На рис. 1 представлені усереднені дані взаємних вейвлет-спектрів потужності сигналів при контрольованому диханні з частотами 0.25, 0.1 і 0.04 Гц. Аналіз крос-спектрів демонструє появу в обох сигналах високоамплітудних коливань з частотою, що відповідає частоті дихального ритму. При цьому необхідно відзначити, що фактично однаковою амплітудою дихального ритму (фіксована глибина дихання була умовою дослідження), амплітуда (потужність) респіраторно-залежних коливань кровотоку достовірно різниться в залежності від частоти дихання. Так при частоті дихання 0.25 Гц амплітуда крос-спектра склала 1.00 ум. од., при 0.10 Гц - 5.82 ум. од, при 0.04 Гц - 3.69 ум. од. (Рис. 1А, В, Д, відповідно).

    Аналіз когерентності досліджуваних сигналів (рис. 1Б, Г, Е) показав високий ступінь синхронізації респіраторно-залежних коливань: 0.88, 0.93 і 0.92 ум. од. для частоти дихання 0.25, 0.10 і 0.04 відповідно.

    Частотно-залежний ефект амплітуди респіраторних коливань на рівні системи мікроциркуляції людини за даними ЛДФ був продемонстрований раніше Krasnikov et al. [8]. Було показано, що в умовах фіксованого глибини дихання амплітуда респіраторно -залежних коливань шкіри передпліччя назад-пропорційно залежить від частоти дихання.

    У зв'язку з цим нами проведений аналіз амплітуди респіраторно-залежних коливань в сигналах ЛДФ шкіри пальця і ​​ФПГ в залежності від частоти дихання. Результати аналізу представлені на рис. 2. Для порівняння, значення амплітуд респіраторних коливань наведені на тлі усереднених амплітудно-частотних спектрів відповідних сигналів, зареєстрованих в умовах спонтанного дихання. У наших умовах респіраторно-залежні коливання мікроциркуляторного кровотоку (рис. 2А) також демонструю назад-пропорційну від

    частоти дихання: 0.43, 1.13 і 1.45 ПФ. од. для частоти 0.25, 0.10 і 0.04 Гц відповідно.

    Мал. 1. Усереднена крос-спектральна потужність (А, В, Д) і когерентність (Б, Г, Е) для сигналів ЛДФ і ФПГ в умовах контрольованого дихання з частотою 0.25 Гц (А, Б), 0.1 Гц (В, Г) і 0.04 Гц (Д, Е). Вертикальної пунктирною лінією відзначено значення частоти дихання. Дані представлені як середні значення

    і стандартні помилки У сигналах фотоплетізмограмми (рис. 2Б) залежність амплітуди респіраторних коливань від частоти дихання має дзвін-образний характер: 16.44, 42.31 і 31.53 ум. од. для частоти 0.25, 0.10 і 0.04 Гц відповідно. Максимум амплітуди респіраторних вагань спостерігається на частоті 0.10 Гц.

    Незважаючи на те, що характер частотної залежності амплітуди респіраторних коливань в сигналах ЛДФ і ФПГ істотно відрізняється, порівняння цих значень з відповідним амплітудно-частотним спектром при спонтанному диханні (рис. 2), дозволяє виявити, що приріст амплітуди респіраторних коливань в умовах контрольованого дихання практично постійний відносно початкової амплітуди коливань на відповідній частоті. Усереднені дані, що підтверджують цю особливість, представлені в таблиці.

    Мал. 2. Усереднені амплітуди респіраторно-залежних коливань в сигналах ЛДФ (А) і ФПГ (Б) в залежності від частоти контрольованого дихання. Для порівняння наведено усереднені амплітудно-частотні спектри відповідних сигналів, зареєстрованих при спонтанному диханні. Символом «*» вказані достовірно розрізняються значення амплітуди (р < 0.05). Дані представлені як середні значення і стандартні помилки

    Амплітуда респіраторно-залежних коливань в умовах контрольованого дихання, в порівнянні з амплітудою коливань на відповідній частоті при спонтанному диханні

    0.25 Гц 0.10 Гц 0.04 Гц

    ЛДФспон., ПФ. од. 0.29 ± 0.03 0.82 ± 0.09 1.04 ± 0.12

    ЛДФрзк, пф. од. 0.43 ± 0.07 1.13 ± 0.15 1,49 ± 0.26

    ЛДФрзк / ЛДФспон. 1.50 ± 0.16 1.37 ± 0.17 1.28 ± 0.30

    ФПГспон., Ум. од. 8.82 ± 0.97 20.65 ± 1.67 13.81 ± 1.51

    ФПГрзк, ум. од. 16.57 ± 2.46 42.62 ± 4.80 31.90 ± 3.84

    ФПГрзк / ФПГспон. 1.95 ± 0.25 2.21 ± 0.22 2.22 ± 0.27

    Примітка: ЛДФспон. та ФПГспон. - амплітуда коливань на відповідній частоті при спонтанному диханні; ЛДФРЗК і ФПГРЗК -амплітуда респіраторно-залежних коливань в умовах контрольованого дихання.

    Так, для мікроциркуляторного кровотоку (ЛДФ) відношення амплітуди респіраторно-залежних коливань в умовах контрольованого дихання до амплітуди коливань на відповідній частоті при спонтанному диханні (ЛДФРЗК / ЛДФспон.) Достовірно не відрізняються для всіх використовуваних частот дихання і знаходиться в межах 1.28-1.50. Для сигналів ФПГ відношення зазначених амплітуд (ФПГРЗК / ФПГспон.) Також достовірно не залежить від частоти дихання і знаходиться в межах 1.95-2.22. При цьому коефіцієнт передавальної функції (відношення амплітуд) для ФПГ значимо перевищує таку величину для сигналів ЛДФ. Цей факт імовірно може бути пов'язаний з відносно більшою амплітудою респіраторно-залежних коливань в сигналах ФПГ, що в свою чергу, може бути обумовлено великим калібром судин і меншим демпфуванням хвиль тиску.

    Таким чином, проведені дослідження респіраторно-залежних коливань на рівні периферичного кровотоку на основі даних ФПГ і ЛДФ в умовах контрольованого дихання показали, що в умовах фіксованого глибини дихання крос-спектральна потужність респіраторно-залежних коливань кровотоку достовірно різниться в залежності від частоти дихання. Аналіз амплітуди респіраторно-залежних коливань в сигналах ЛДФ дозволив виявити назад-пропорційний характер залежності амплітуди коливань від частоти дихання. У сигналах ФПГ, навпаки, залежність амплітуди респіраторних коливань від частоти дихання демонструє колоколообразний характер з максимумом на частоті 0.10 Гц. Однак, незважаючи на різний характер частотної залежності для сигналів ЛДФ і ФПГ, нами показано, що відношення амплітуди респіраторних коливань в умовах контрольованого дихання до амплітуди коливань на відповідній частоті при спонтанному диханні залишається постійним, що дозволяє припустити загальний механізм формування респіраторно-залежних коливань в зазначених сигналах.

    Список літератури

    1. Taylor J.A., Eckberg D.L. Fundamental relations between short-term RR interval and arterial pressure oscillations in humans // Circulation. 199б. V. 93. P. 1527-1532.

    2. Photoplethysmographic derivation of respiratory rate: a review of relevant physiology / D.J. Meredith, D. Clifton, P. Charlton [et al]. // J Med Eng Technol. 2012. V. 36 (1). P. 1-7.

    3. Nilsson L.M. Respiration signals from photoplethysmography // Anesth Analg. 2013. V. 117 (4). P. 859-865.

    4. Increased sympathetic outflow in juvenile rats submitted to chronic intermittent hypoxia correlates with enhanced expiratory activity / D.B. Zoccal, A.E. Simms, L.G. Bonagamba [et al]. // J Physiol. 2008. V. 586. P. 3253-3265.

    5. Costa-Silva J.H., Zoccal D.B., Machado B.H. Glutamatergic antagonism in the NTS decreases postinspiratory drive and changes phrenic and sympathetic coupling during chemoreflex activation // J Neurophysiol. 2010. V. 103. P. 2095-2106.

    6. Nitzan M., Faib I., Friedman H. Respiration-induced changes in tissue blood volume distal to occluded artery, measured by photoplethysmography // J Biomed Opt. 2006. V. 11 (4). 11 (4). 040506.

    7. Macefield V.G., Wallin B.G. Respiratory and cardiac modulation of single sympathetic vasoconstrictor and sudomotor neurones to human skin. J Physiol. 1999. V. 516. P. 303-314.

    8. Analysis of heart rate variability and skin blood flow oscillations under deep controlled breathing / G.V. Krasnikov, M.Y. Tyurina, A.V. Tankanag [et al]. // Respir Physiol Neurobiol. 2013. V. 185 (3). P. 562-570.

    Красніков Геннадій Вікторович, канд. біол. наук, доц., gvkrasnikov @ gmail. com, Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Краснікова Інна Володимирівна, канд. біол. наук, доц., krasnikovaiv @, mail.org.ua, Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Коняєва Тетяна Миколаївна, канд. біол. наук, доц., Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Тюріна Міглей Йорданова канд. біол. наук, ст. науч. співр., tyurinamg @ mail. ru, Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого,

    Піскунова Галина Михайлівна канд. біол. наук, зав. лабораторією, phisiology @, tspu. tula. ru, Росія, Тула, Тульський державний педагогічний університет ім. Л.Н. Толстого

    ANALYSIS OF RESPIRATORY-DEPENDENT OSCILLATIONS MICROCIRCULATORY BLOOD FLOW OF HUMAN SKIN ACCORDING PHOTOPLETHYSMOGRAPHYAND LASER DOPPLER FLOWMETRY

    G. V. Krasnikov, I. V. Krasnikova, M. Y. Tyurina, G.M. Piskunova

    A study of respiratory-dependent fluctuations in human peripheral bloodflow in controlled respiration based on the data of PPG and LDF. It was shown that the spectral power of respiratory fluctuations in blood flow depends on the respiratory rate. For LDF signals, the dependence is inversely proportional. In the PPG signals, the dependence is bell-shaped in nature with a maximum at a frequency of 0.10 Hz. In this case, the ratio of the amplitude of respiratory oscillations under conditions of controlled respiration to the amplitude of oscillations at the corresponding frequency during spontaneous respiration remains constant, which suggests the general mechanism for the formation of respiratory-dependent oscillations in these signals.

    Key words: microcirculation, laser Doppler flowmetry, photoplethysmography, bloodflow fluctuations, spectral analysis.

    Krasnikov Gennady Viktorovich, candidate of biological sciences, docent, gvkras-nikov @ gmail. com, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

    Krasnikova Inna Vladimirovna, candidate of biological sciences, docent, krasnikovaiv a mail.org.ua, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

    Konyaeva Tatyana Nikolaevna, candidate of biological sciences, docent, conyata @ mail. ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

    Tyurina Miglena Iordanova, candidate of biological sciences, researcher, tyurinamga mail. ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

    Piskunova Galina Mikhailovna, candidate of biological sciences, manager of laboratory, phisiology a lspii. tula. ru, Russia, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University.


    Ключові слова: мікроциркуляції / Лазерна Допплерівський флоуметрия / фотоплетізмографія / КОЛИВАННЯ КРОВОТОКУ / СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ / MICROCIRCULATION / LASER DOPPLER FLOWMETRY / PHOTOPLETHYSMOGRAPHY / BLOODFLOW FLUCTUATIONS / SPECTRAL ANALYSIS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити