СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО РУСЛА
METHOD FOR COMPLEX ASSESSMENT OF ARTERIAL BED STATE

Настоящее изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а именно к функциональной диагностике состояния сердечнососудистой системы человека с использованием принципов фотоплетизмографии (ФПГ). Изобретение наряду с оценкой состояния крупных артерий эластического типа, с использованием контурного анализа единичной пульсовой волны, позволяет осуществлять частотный анализ последовательности пульсовых волн для изучения состояния сосудов микроциркуляции. Данный подход важен не только для целей ранней диагностики таких широко распространенных заболеваний, какими являются гипертоническая болезнь и сердечная недостаточность, но и для оценки эффективности проводимой терапии.
Уровень техники
Известна методика определения типов микроциркуляции крови (патент РФ 160337), включающая оптическое зондирование и снятие ЛДФ-граммы, исследование параметра микроциркуляции, среднего квадратичного отклонения, амплитуды эндотелиальных метаболических колебаний, вазомоторных, дыхательных и пульсовых, при этом снятие ЛДФ-граммы осуществляют с вентральной поверхности второго пальца правой руки, дополнительно определяют общий объемный, нутритивный и шунтовой кровоток, проводят окклюзионную пробу, вычисляют исходный параметр микроциркуляции, показатель микроциркуляции в процессе окклюзии, максимальный параметр микроциркуляции, резерв капиллярного кровотока, время полного восстановления, время полувосстановления.
В последние годы возрос интерес к ФПГ. Это связано с появлением новых оптических сенсоров и новых методов анализа сигнала. ФПГ технология широко используется в коммерчески доступных медицинских приборах для измерения насыщения гемоглобина кислородом, артериального давления и сердечного выброса, а также для оценки состояния периферического кровотока.
Принципиальным отличием ФПГ является использование оптических сенсоров для регистрации изменений объема крови в микрососудах тканей. Метод ФПГ используется для неинвазивных измерений на поверхности кожи. В формировании ФПГ сигнала участвуют две составляющие: пульсирующая составляющая (АС) - определяемая механической систолой сердца, и медленно изменяющая базовая составляющая (DC), связанная с дыханием, терморегуляцией и деятельностью симпатической нервной системы. До настоящего времени природа формирования ФПГ сигнала полностью не расшифрована, но, несмотря на это, ФПГ широко применяется в клинической практике для оценки состояния сердечно -сосудистой системы.
Для регистрации ФПГ сигнала используется ИК-светодиоды в диапазоне 780-940 нм.
Использование ИК области оптического спектра с целью регистрации ФПГ позволяет надежно регистрировать сигнал не только в режиме отражения с поверхностных слоев кожи, но и в режиме прохождения через участки тела (палец, мочка уха).
Постоянная составляющая DC определяется поглощением света кожей, другими тканями, а также не пульсирующим объемом крови. На величину постоянной составляющей оказывает большое влияние перераспределение крови в венозном отделе циркуляции. Во многом это определяется особенностями венозной циркуляции, а именно способностью к депонированию крови и низким давлением крови. Эти особенности кровотока в венах сильно влияют на амплитуду постоянной составляющей. Амплитуда пульсовой составляющей АС определяется пульсирующим объемом артериальной крови. Исходная форма пульсовой составляющей инвертируется, что делает похожей кривую ФПГ на кривую давления. Важным параметром ФПГ сигнала является индекс перфузии. Последний является процентным отношением амплитуды АС к DC.
Индекс перфузии (ИП) позволяет неинвазивно мониторировать состояние периферического кровотока. Физиологический смысл данного индекса заключается в отношении пульсирующего кровотока к не пульсирующему (статическому) объему крови в лоцируемой периферической ткани. Локальная вазоконстрикция сопровождается снижением величины этого индекса, тогда как вазодилатация приводит к увеличению ИП. Величина индекса перфузии не зависит от таких физиологических переменных как число сердечных сокращений, насыщения крови кислородом, потребления кислорода и температура. В условиях клиники этот индекс может использоваться для интегральной показатель оценки состояния кровотока, так низкие значения ИП будут свидетельствовать о неадекватности периферического кровотока. При этом чрезвычайно важно оценивать динамику изменений ИП.
Постоянная составляющая (DC), в свою очередь подвержена влиянию низкочастотных осцилляций, определяемых оптической плотностью капиллярного русла. Мгновенная оптическая плотность микроциркуляторного зависит от активности симпатического влияния и локальной миогенной активности, а также флуктуаций венозного объема, связанного с дыханием. Тесное взаимодействие сердца и легких проявляется на ФПГ кривой в виде периодических изменений амплитуд, происходящих синхронно с дыханием. Наибольшая вариабельность амплитуды ФПГ сигнала наблюдается, когда нарушается баланс между давлением в дыхательных путях и внутрисосудистым давлением. Такие же циклические изменения, связанные с дыханием, можно видеть на кривой артериального давления. Бронхиальная астма является примером повышенного внутригрудного давления, которое сопровождается резкими циклическими изменениями амплитуды ФПГ сигнала. При этом выраженность циклических изменений амплитуд ФПГ сигнала коррелирует с тяжестью бронхиальной обструкции. Тяжелая бронхиальная астма с высоким внутригрудным давлением приводит к нарушению венозного возврата, который вызывает снижение сердечного выброса, что проявляется большой вариабельностью амплитуд ФПГ сигнала.
Существующая волновая теория распространения и отражения пульсовых волн объясняет изменение формы пульсовой волны по мере ее продвижения по артериальной системе, таким образом, анализируя форму пульсовой волны, можно определять жесткость крупных артерий и величину сосудистого тонуса. ФПГ сигнал, зарегистрированный с концевой фаланги пальца кисти, обладает достаточной первичной информацией для проведения анализа состояния вязко-эластических свойств артериальной стенки.
Этому посвящен патент РФ 118534, где раскрыто устройство, реализующее способ оценки артериальной функции, включающее средство для регистрации пульсовой волны, схему обработки и средство для оценки артериальной функции, представляющее собой контроллер, связанный с дисплеем для отображения результатов оценки, средство для регистрации пульсовой волны представляет собой оптический датчик, включающий инфракрасный светодиод и фотодетектор, светодиод и фотодетектор установлены в корпусе, выполненном с возможностью крепления на концевой фаланге пальца обследуемого. Однако этот способ не позволяет оценить состояние микроциркуляторного русла.
В клинической практике широко используется прибор Pulse Trace для регистрации пульсовой волны объема компании Micromedical Device (Великобритания). Для регистрации пульсовой волны он использует оптический сенсор, работающий в ближнем ИК диапазоне 940 нм. Для оцифровки сигнала используется 12-разрядный АЦП. Скорость вывода 100 выборок в секунду. Протокол регистрации предусматривает 10 секундная запись «сырого» сигнала, после чего проводится процедура усреднения формы пульсовых волн для получения «репрезентативной» пульсовой волны с целью последующего контурного анализа. Программное обеспечение прибора осуществляет анализ формы пульсовой волны для определения двух показателей: индекса жесткости и индекса отражения. Индекс жесткости (SI) - показатель, коррелирующий со скоростью распространения пульсовой волны. SI рассчитывается как отношение роста испытуемого ко времени распространения пульсовой волны от нижней части тела до пальца руки. Индекс отражения (RI) - показатель, оценивающий состояние сосудистого тонуса. Индекс отражения рассчитывается как % отношения амплитуды диастолического пика (Y) к амплитуде систолического пика (X) пульса. При этом для определения временной задержки между этими пиками используется первая производная исходного сигнала.
Установлено, что использование первой производной для нахождения максимума диастолического пика надежно работает только с пульсовыми волнами, где диастолический пик хорошо выражен и на исходном ФПГ сигнале, Фиг. 1. При этом для нахождения точек, соответствующих максимальным значениям пиков, используются моменты перехода через ноль. Неоднозначное определение момента диастолического пика на кривых со сглаженными пиками приводит к серьезным ошибкам жесткости. В ряде таких случаев устройство выдает сообщение о невозможности определения из-за выраженной жесткости артерий. Определенный вклад в эту ситуацию создает и низкая частота оцифровки исходного сигнала, равная 100 Гц, так как 10 мс интервал между двумя смежными точками отсчета аналого-цифрового преобразователя может приходиться на эту область интереса.
Оценка второй производной для целей анализа ФПГ сигнала предложена японским исследователем K. Takazawa. На кривой второй производной ФПГ определялись пять реперных точек (а, b с, d, е), который использовались для оценки характеристик жесткости артериальной стенки. Данный подход к оценке ФПГ сигнала используется в устройстве Meridian Digital Arterial Pulse-wave Analyzer (Южная Корея). Исходная ФПГ (верхняя часть рисунка) и ее вторая производная используемыми реперными точками, Фиг. 2.
До недавнего времени не существовало единой методики, которая бы одновременно с использованием одного устройства позволяла оценить состояние как крупных, так и мелких сосудов.
Защищен способ оценки состояния сосудистого русла (патент РФ 2508900, публ. 27.05.2019), который заключается в проведении контурного анализа пульсовой волны, зарегистрированной методом ФПГ, и оценивает структурные изменения стенки крупных сосудов на основании параметра индекса жесткости, одновременно проводят компьютерную капилляроскопию околоногтевого ложа и кожи дорсальной поверхности пальца для определения структурных изменений микрососудов на уровне капилляров, в ходе которой на основании параметра ремоделирования капилляров судят об отсутствии структурных изменений микрососудов или о наличии структурных изменений микрососудов. Затем выполняют ФПГ с окклюзионной пробой для оценки функциональных изменений крупных сосудов и сосудов микроциркуляторного русла на основании параметров сдвига фаз и индекса окклюзии. Этот способ трудоемок, продолжителен, осуществляется с помощью сложной и многочисленной аппаратуры, реализует по сути два метода - ФПГ и капилляроскопию. Основной его недостаток - низкая точность, зависящая от субъективных факторов, определяемых состоянием сосудов. При высокой жесткости стенок сосудов метод вообще неприменим.
Таким образом, существует потребность в разработке способа комплексной оценки состояния артериального русла, позволяющего одновременно просто, быстро и точно оценивать, как состояние крупных артерий, так и сосудов микроциркуляции. Решение этой задачи позволит иметь информацию о состояние жесткости артериальной стенки магистральных артерий эластического типа, для чего используется контурный анализ пульсовой волны. Для оценки микроциркуляторного проводится непрерывный вейвлет анализ временной последовательности ряда пульсовых волн в низкочастотном диапазоне от 0.01 до 2,0 Гц.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения сводится к разработке способа оценки комплексного состояния артериального русла человека, основанного на регистрации ФПГ сигнала, применимого при обследовании широких слоев населения.
Технический результат заключается в обеспечении точности, простоты, надежности и снижения времени на обследование при комплексной оценке состояния сосудистого русла для ранней диагностики широко распространенных заболеваний - артериальной гипертензий и диабета, в патогенезе которых поражение артериального русла имеет главенствующее значение.
Технический результат достигается за счет того, что в способе комплексной оценки состояния артериального русла, заключающемся в том, что облучают палец руки световым сигналом красного и инфракрасного диапазона длин волн, предварительно стабилизируют температуру среды и участка пальца руки, на котором будет проводиться регистрация, и регулируют прижим излучателей и фотоприемника к пальцу, регистрируют ФПГ сигнал в течение не менее 5 минут, фильтруют сигнал методом Савицкого-Голея с шириной окна 64 мс, получают четвертую производную регистрируемого фильтрованного ФПГ сигнала, определяют временной интервал между прямой и отраженной от стенки артерии волнами ФПГ сигнала и амплитуды его на пульсовых волнах, жесткость артериальных стенок, по которому судят о состоянии крупных артерий, производят комплексное непрерывное вейвлет-преобразование регистрируемого ФПГ сигнала с использованием базисного вейвлета Морле и получением вейвлет-спектра, в вейвлет-спектре определяют расположение пиков мощности преобразованного ФПГ сигнала, и по расположению пиков в частотных диапазонах, соответствующих определенному механизму регуляции и калибровочному сигналу, оценивают состояние сосудов микроциркуляции.
Стабилизацию температуры участка пальца руки осуществляют с помощью термостата, стабилизирующего температуру на уровне 35°С.
Прижим излучателей и фотоприемника к пальцу осуществляют с помощью устройства, корпус которого выполнен в виде прищепки, и на котором с одной стороны прищепки размещены излучатели в виде источников света с длиной волны 650-700 нм и 780-950 нм, а с другой - фотоприемник, позволяющий регистрировать оптический сигнал в полосе частот 0-30 Гц.
Облучение пальца руки оптическими сигналами проводят 500 сек для оптимизации проведения вейвлет-преобразования.
Для оценки микроциркуляторного русла используют следующие частотные диапазоны, учитывающие влияние механизмов регуляции, диапазон 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц нейрогенной или симпатической адренергической активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной или гладкомышечной активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма.
Краткое описание фигур чертежей
Изобретение далее подробно иллюстрируется с использованием фигур чертежей, на которых изображено:
на Фиг. 1 иллюстрируется использование первой производной ФПГ сигнала для определения индекса жесткости и отражения (уровень техники),
Фиг. 2 иллюстрирует исходную ФПГ (верхняя часть) и вторую производную (нижняя часть) с используемыми реперными точками (уровень техники),
Фиг. 3 иллюстрирует контурный анализ ФПГ с использованием четвертой производной для нахождения прямой и отраженной волн, а также временного интервала между их максимумами,
на Фиг. 4 показана спектр исходного ФПГ сигнала (верхняя часть) и спектр четвертой производной (нижняя часть),
Фиг. 5 представляет электрическую схему сенсорного блока, используемого для осуществления способа устройства,
Фиг. 6 - иллюстрирует контурный анализ ФПГ, исходная кривая - обозначена пунктиром, четвертая производная - непрерывной линией,
Фиг. 7 показывает зарегистрированный в течение 500 секунд ФПГ сигнал и его первую производную, получаемую непрерывно,
Фиг. 8 показывает базисный вейвлет Морле,
Фиг. 9 показывает амплитудно-частотный спектр калибровочного сигнала, состоящего из набора следующих частот - 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц,
Фиг. 10 - амплитудно-частотный спектр физиологической ситуации, когда снижено давление в капиллярном русле,
Фиг. 11 - схематическое представление циркуляции в микроциркуляторном русле при снижении давления,
Фиг. 12 - амплитудно-частотный спектр физиологической ситуации, когда увеличено капиллярное давление,
Фиг. 13 - схематическое представление циркуляции в микроциркуляторном русле при увеличении давления,
на Фиг. 14 показан экран монитора с наглядными результатами оценки микроциркуляторного русла, которые удобны для использования при диагностике,
На Фиг. 15 - амплитудно-частотный спектр пациента с гипертонической болезнью П-ст.,
На Фиг. 16 - амплитудно-частотный спектр пациента с диастолической дисфункцией.
Осуществление изобретения
Необходимо отметить, что предложенная комплексная оценка состояния сосудистого русла проводится с учетом современных теоретических воззрений и практических исследований оценки механизмов кровотока.
В ходе исследований изобретателями неожиданно было установлено, что для точного нахождения прямой и отраженной волн особенно подходит четвертая производная регистрируемого ФПГ сигнала, при использовании фильтрации по Савицкого-Голея {см. например, А.В.Никонов и др. Фильтрация методом Савицкого-Голея спектральных характеристик чувствительности матричных фотоприемных устройств. Успехи прикладной физики, 2016, том 4, №2, стр. 198-203) и с окном, равным 64 мс, а также частоте оцифровки сигнала 1000 Гц. Данный прием позволяет надежно определять временные интервалы между прямой и отраженной волнами, а также их амплитуды на всех пульсовых волнах. Физический смысл его состоит в подавлении основной гармоники и увеличении энергии высокочастотных составляющих ФПГ сигнала.
Изобретатели также установили, что для определения индексов жесткости и отражения необходимо определять вклад отраженной волны в период систолы. Для этого проводится оценка временного интервала между прямой и отраженной волнами. Соответственно, для определения индекса отражения рассчитывается амплитудное отношение.
Изобретатели установили и подтвердили на практике, что точность оценки кровотока повышается при стабилизации температуры лоцируемого участка и температуры окружающей среды.
Изобретатели обнаружили, что постоянный и плотный прижим излучателей и фотоприемника повышает точность измерений и результатов оценки кровотока.
Анализ ФПГ сигнала позволяет проводить оценку формы пульсовой волны по ее временным и амплитудным составляющим. В тоже время чрезвычайно важно иметь представление о низкочастотных осцилляциях постоянной составляющей ФПГ сигнала.
До недавнего времени для количественной оценки характеристик низкочастотных колебаний ФПГ сигнала использовался спектральный анализ на основе Фурье - преобразования. В отличие от Фурье преобразования, вейвлет-анализ позволяет определить не только частотные составляющие анализируемого сигнала, но и выявлять его характерные временные особенности.
В настоящее время установлено, что в полосе частот 0.01-2 Гц имеется несколько неперекрывающихся частотных диапазонов, характеризующих состояние кровотока в микроциркуляторном русле (Stefanovska A, Bracic М, Kvernmo HD. Wavelet analysis of oscillations in peripheral blood circulation measured by Doppler technique. IEEE Trans Biomed Eng 1999; 46 (10): 1230-9). Для каждого из диапазонов характерны свои центральные частоты и частотные границы. Исторически эта градация частот была предложена при использовании лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ). Изобретатели использовали этот подход для спектрального анализа ФПГ сигнала.
ψ
Декомпозиция подготовленного для анализа ФПГ сигнала с использованием прямого вейвлет-преобразования преобразует исследуемую функцию f(x) в набор вейвлет- коэффициентов W (а, в) f согласно правилу свертки исследуемого сигнала с некоторой базисной вейвлет - функцией анализирующим вейвлетом)
ψ
где а и b - параметры, определяющие соответственно масштаб и смещение функции ψ называемой анализирующим вейвлетом, С - нормирующий множитель.
ψ
Интегрирование ведется по всей числовой оси. В отличие от оконного преобразования Фурье, вейвлет-преобразование, при аналогичных дискретных значениях сдвигов b, дает семейства спектров масштабных коэффициентов, а сжатия-растяжения W (а, в) f, определяемых выражением (1). Многоразмерное временное окно вейвлет-преобразования позволяет одинаково хорошо выявлять и низкочастотные, и высокочастотные спектральные составляющие ФПГ с одновременным определением их локализации во времени. Применение метода требует оптимизации выбора базисных функций. Исследования проводились с использованием базисных вейвлетов (функций) Морле.
Важным моментом правильной интерпретации результатов спектрального анализа ФПГ сигнала является понимание функционирования микрососудов в области установки оптического сенсора. При проведении контурного анализа ФПГ сигнала лоцируемая область рассматривается однородной, в которой происходят изменения объема крови, связанные с прохождением пульсовой волны давления. Максимум объема крови приходится на момент систолы, при которой просвет артериальных сосудов увеличивается. Для анализа низкочастотных составляющих ФПГ сигнала необходимо знание функционирования системы микроциркуляции кожи в месте расположения сенсора.
Учитывая микроструктуру сосудов кожи и длину волн красного и инфракрасного светодиодов, которые позволяют проникать в ткани на большую глубину (более 10 мм), следует, что в зондируемый объем попадают терминальные артериолы и метартериолы, капилляры, безмышечные посткапиллярные и собирательные венулы из обоих венозных сплетений, а также артериоло-венулярные анастомозы. Из всех микрососудов данной области, в своей структуре гладкомышечный компонент, с преимущественно гуморальным механизмом регуляции тонуса, имеют артериолы/метартериолы, а также артериоло-венулярные анастомозы, где доминирует нейрогенный механизм регуляции тонуса.
Кровоток в системе микроциркуляции подвержен колебаниям, которые отражают текущее функциональное состояние систем его регуляции. Разнонаправленные влияния со стороны сердечно-сосудистой, дыхательной, нервной и других систем на состояние периферического кровотока отражаются в ритмической структуре колебаний кровотока.
Среди звеньев регуляции выделяют «пассивные» и «активные» механизмы, которые в полосе частот от 0,01 до 2 Гц формируют пять неперекрывающихся частотных диапазонов: 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц - диапазон нейрогенной (симпатической адренергической) активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной (гладкомышечной) активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма. Регистрируемая форма ФПГ является результатом комбинации этих процессов, обусловленных одновременным функционированием «активных» и «пассивных» механизмов.
К «пассивным» механизмам относят внешние факторы, находящиеся вне микроциркуляции, - пульсовая волна со стороны артерий (кардиальный ритм на «входе» в микроциркуляцию) и присасывающее действие «дыхательного насоса» со стороны вен (респираторный ритм на «выходе» из микроциркуляции). «Пассивные» механизмы создают продольные колебания кровотока, выражающиеся в периодическом изменении объема крови в микрососудистом ложе. «Активные» факторы воздействуют непосредственно на микрососуды путем периодического изменения сопротивления сосудов потоку крови посредством вазомоций. Данные факторы модулируют поток крови со стороны сосудистой стенки, создавая поперечные колебания, и реализуются через ее мышечную составляющую, являясь, таким образом, тонус-формирующими механизмами на уровне резистивного звена сосудистого русла. Вазомоций осуществляются не только за счет синхронизированных спонтанных осцилляций миогенных элементов сосудов, которые обладают собственной пейсмейкерной активностью, но и за счет их модуляции как со стороны симпатической нервной регуляции, так и эндотелий-зависимых механизмов.
В результате чередования сокращения и расслабления гладкомышечного аппарата сосудистой стенки происходит модулирование периодически изменяющегося объема крови, что, в конечном итоге, и формирует оптимальные микрогемодинамические параметры для эффективного транскапиллярного обмена. Увеличение амплитуды «активных» звеньев частотного спектра свидетельствует об усилении модуляции кровотока со стороны данных механизмов регуляции и расценивается как снижение тонуса. В норме, вклад каждого звена в суммарную спектральную мощность ФПГ сигнала приблизительно можно оценить следующим образом: эндотелиальный компонент ≈10%; нейрогенный ≈20%; миогенный ≈20%; респираторный ≈20%; кардиальный ≈30%. Здесь необходимо отметить, что эти соотношения соблюдаются при температуре окружающей среды 22-24С° и соответственно, «нормальной» температуры на поверхности кожи, колеблющейся в диапазоне 28-35С°. Это связано с тем, что кожа активно участвует в процессах терморегуляции организма.
Анализ амплитудно-частотного спектра ФПГ сигнала с использованием математического аппарата вейвлет-преобразования позволяет оценивать изолированно вклад каждого звена микроциркуляции, принимающего участие в модуляции микрокровотока.
Для оценки состояния сосудов важно иметь представление о состоянии тонуса гладкомышечного слоя артериальной стенки, который определяется влиянием симпатической нервной системы. Артерии, артериолы и артериоло-венулярные анастомозы, имеющие мышечный слой в строении стенки, в отличие от капилляров, имеют двойную иннервацию: симпатическими норадренергическими вазоконстрикторными нервами и симпатическими вазодилататорными нервами. Сложная иннервация сосудов микроциркуляции объясняется также участием кровотока кожи в терморегуляции организма. Данный факт указывает на важность проведения теста, комплексной оценки состояния артериального русла, при температуре помещения 21-23С°, при которой нейрогенное влияние на результаты теста минимально.
На результаты теста оценки артериального русла оказывает мощное влияние функция эндотелия. Эндотелиальные клетки продуцируют оксид азота, который влияет на тонус гладкомышечного слоя артериального русла и принимает участие в регуляции артериального давления. Эксперименты с веществами, которые блокируют синтез оксида азота, продемонстрировали сужение просвета артерий с одновременным повышением величин артериального давления. Также имеются убедительные данные о том, что продукты перекисного окисления, находящиеся в кровотоке, взаимодействуя с оксидом азота разрушают его и это приводит к опосредованному нарушению функции эндотелия.
Состояние тонуса артериальной стенки также периодически меняется при вазомоций, связанной с волнами Майера, которые участвуют в регуляции артериального давления. При прохождении волн Майера артериальное давление кратковременно изменяется на 10-20 мм.рт.ст. Периодичность их возникновения колеблется от 10 до 20 секунд и оказывает мощное влияние на состояние артериальной стенки.
Дыхание также оказывает свое влияние на тонус сосудов микроциркуляции. Это влияние связано с повышением внутригрудного давления во время вдоха, что приводит к снижению систолического выброса и соответственно артериального давления. Даже небольшого изменения артериального давления в пределах 3-5 мм.рт.ст. достаточно для изменения тонуса артериальной стенки.
Перечисленные выше феномены, оказывая свое влияние на гладкомышечный тонус артериальной стенки, в большей или меньшей степени изменяют вязко-эластичные свойства артерий, что делают временные и амплитудные показатели ФПГ вариабельными во времени и трудно поддающимися учету. Попытки найти репрезентативную ФПГ кривую, свойственную данному индивидууму не увенчались успехом - вариабельность не позволяла это сделать. Использование подхода с усреднением по времени ФПГ сигнала, превышающим по времени периодичность дыхания и прохождения волн Майера (более 20 секунд) сопровождалось нивелированием диагностических особенностей.
Согласно современным взглядам на формирование артериальной гипертензии, период увеличения жесткости артериальной стенки предшествует моменту развития периода стойкого повышения артериального давления. У больных диабетом поражение микрососудистого русла почек, сетчатки глаза, нижних конечностей являются основными осложнениями этого заболевания. Наряду с возможностью проведения ранней диагностики этих заболеваний, контроль за эффективностью проводимой терапии не менее значим.
Распространено представление о том, что ФПГ сигнал формируется в артериолах. В этом месте кровообращения происходит преобразование резко выраженного пульсирующего потока крови в относительно гладкое движение эритроцитов в капиллярах.
Имеются также исследования, в которых обсуждается гипотеза формирования ФПГ сигнала в открытых артериоловенулярных анастомозах кожи. Важно также отметить особенность иннервации артериальной сети кожи пальца. Эта сосудистая область имеет большое число а-адренорецепторов, что делает ее чувствительной к повышению тонуса симпатической нервной системы.
ФПГ внешне сходна с пульсовой волной давления. В отличие от пульсовой волны давления, которую возможно зарегистрировать только инвазивно, размещая датчик давления непосредственно в просвете артерии, ФПГ позволяет получать информацию с помощью датчика, размещенного на поверхности кожи испытуемого.
Сигнал регистрируется либо в режиме прохождения фотонов через ткань от источника света к фотоприемнику, либо в режиме отражения - свет отражается от ткани назад в направление фотоприемника. Сенсор, работающий в режиме прохождения света, имеет лучшее соотношение сигнал/шум и наиболее часто используется в пульсоксиметрах. Отражательный сенсор имеет два основных достоинства: нет ограничений по месту установки, практически отсутствует сдавливание участка ткани. В тех случаях, когда необходимо мониторировать сигнал в течении длительного времени (наблюдение за пациентом в палате интенсивного наблюдения) отражательный сенсор имеет преимущества. В случаях кратковременных (несколько минут) измерений сенсоры, работающие в режиме прохождения света наиболее оптимальны. Амплитуда ФПГ сигнала, зарегистрированного в режиме прохождения, существенно нарастала, а амплитуда отраженного сигнала падала, при увеличении приложенного усилия в точке измерения. Это явление можно объяснить влиянием трансмурального давления на мелкие резистивные артерии. Отраженный сигнал формируется преимущественно артериями, располагающимися более поверхностно, в то время как сигнал с сенсора, работающего на прохождение, определяется артериальным руслом по всей глубине.
Способ осуществляется с использованием устройства для комплексной оценки артериального русла, основанного на регистрации ФПГ сигнала с концевой фаланги пальца руки, включающего сенсорный блок (Фиг. 5), в состав которого входят два источника света и кремниевый фотоприемник, источники работают в красном (650-700 нм) и инфракрасном диапазоне (780-950 нм). В изобретении используются источники на 660 нм и 880 нм соответственно. Корпус устройства выполнен в виде прищепки. На одной стороне прищепки размещены источники света, на другой - фотоприемник. Как альтернативный вариант может использоваться устройство с размещением источника и фотоприемника на одной стороне прищепки. Использование таких длин волн источников позволяет зарегистрировать ФПГ и оценить насыщение гемоглобина кислородом.
В состав сенсорного блока включена схема компенсации внешней засветки, которая позволяет блокировать паразитный фототок величиной до 200 мкА. Аналого-цифровой преобразователь выполняет непрерывную дискретизацию, используя сигма-дельта конвертор с 18-битным разрешением. Скорость вывода данных запрограммирована в диапазоне 50-2000 выборок в секунду. Встроенный датчик температуры служит для подстройки величины тока красного светодиода, что компенсирует ошибки при измерении сатурации, возникающие при изменении температуры. Для управления светодиодами применяются драйверы, которые управляют как длительностью импульса, так и величиной тока в диапазоне от 0 до 50 мА. Сенсорный блок устройства включает средство для поддержания заданной температуры лоцируемого участка тела, выполненное в виде термостата, обеспечивающего постоянную температуру исследуемого участка тела на уровне 35°С. Устройство содержит датчик усилия, который измеряет усилие прижима оптопары к лоцируемого участку тела, прижим может регулироваться с помощью регулировочного винта по показаниям этого датчика.
В ходе оценки состояние сосудистого русла проводят регистрацию сигнала сенсорного блока. Время регистрации определяют низкочастотным диапазоном колебаний кровотока в микрососудах кожи, равным 0,01 Гц, или периодом равным 100 секундам. Установлено, что для оптимального проведения вейвлет анализа необходимо 5 циклов с этим периодом, т.е. 500 сек, Фиг. 7.
Состояние артерий эластического типа оценивают с использованием разделения пульсовой волны на составляющие - прямую и отраженные волны. Полученные результаты обрабатывают микропроцессором. Для проведения контурного анализа пульсовой волны с целью выявления прямой и отраженных волн используют 4-ую производную исходного ФПГ сигнала. С этой целью проводят процедуру фильтрования Савицкого-Голея с окном равным 64 мс.Проведение контурного анализа ФПГ с использованием 4-ой производной, Фиг. 6, позволяет надежно определять прямую и отраженную волны и на основании их амплитуд и временного интервала между ними проводить оценку жесткости артериальной стенки. По полученным данным жесткости судят о состоянии крупных артерий.
Определяют временные интервалы между прямой и отраженной волной, а также амплитуды на всех пульсовых волнах. Зарегистрированный исходный ФПГ сигнал перед проведением вейвлет анализа дифференцируют с окном 64 мс при частоте оцифровки исходного сигнала 1000 Гц.
Для проведения комплексного непрерывного вейвлет-преобразования используют базисный вейвлет Морле, Фиг. 8.
Физический смысл данной процедуры состоит в подавлении основной гармоники и увеличении энергии высокочастотных составляющих ФПГ сигнала.
Проводят комплексное непрерывное вейвлет-преобразование регистрируемого ФПГ сигнала с использованием базисного вейвлета Морле и получением вейвлет-спектра. В вейвлет-спектре определяют расположение пиков мощности преобразованного ФПГ сигнала, по расположению пиков в частотных диапазонах, соответствующих определенному механизму регуляции, оценивают состояние сосудов микроциркуляции.
Стабилизацию температуры участка пальца руки осуществляют с помощью термостата, стабилизирующего температуру на уровне 35°С.
Прижим излучателей и фотоприемника к пальцу осуществляют с помощью устройства, корпус которого выполнен в виде прищепки, и на котором с одной стороны прищепки размещены излучатели в виде источников света с длиной волны 650-700 нм и 780-950 нм, а с другой - фотоприемник, позволяющий регистрировать оптический сигнал в полосе частот 0-30 Гц.
Облучение пальца руки оптическими сигналами проводят 500 сек. Для оценки микроциркуляторного русла используют следующие частотные диапазоны, учитывающие влияние механизмов регуляции, диапазон 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц нейрогенной или симпатической адренергической активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной или гладкомышечной активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма.
Тонус гладкомышечного слоя артериальной стенки определяется влиянием симпатической нервной системы. Артерии, артериолы и артериовенозный анастомозы, имеющие мышечный слой в строении стенки, в отличие от капилляров, имеют двойную иннервацию: симпатическими норадренергическими вазоконстрикторными нервами и симпатическими вазодилататорными нервами. Сложная иннервация сосудов микроциркуляции объясняется также участием кровотока кожи в терморегуляции организма. Данный факт указывает на важность проведения теста комплексной оценки состояния артериального русла при температуре помещения 21-23С°, при которой нейрогенное влияние на результаты теста минимально.
Функция эндотелия оказывает мощное влияние на результаты теста оценки артериального русла. Эндотелиальные клетки продуцируют оксид азота, который влияет на тонус гладкомышечного слоя артериального русла и принимает участие в регуляции артериального давления. Эксперименты с веществами, которые блокируют синтез оксида азота, продемонстрировали сужение просвета артерий с одновременным повышением величин артериального давления. Также имеются убедительные данные о том, что продукты перекисного окисления, находящиеся в кровотоке, взаимодействуя с оксидом азота разрушают его и это приводит к опосредованному нарушению функции эндотелия.
Состояние тонуса артериальной стенки периодически меняется при вазомоций, связанной с волнами Майера, которые участвуют в регуляции артериального давления. При прохождении волн Майера артериальное давление кратковременно изменяется на 10-20 мм.рт.ст. Периодичность их возникновения колеблется от 10 до 20 секунд и оказывает мощное влияние на состояние артериальной стенки.
Дыхание также оказывает свое влияние на тонус сосудов микроциркуляции. Это влияние связано с повышением внутригрудного давления во время вдоха, что приводит к снижению систолического выброса и соответственно артериального давления. Даже небольшого изменения артериального давления в пределах 3-5 мм.рт.ст. достаточно для изменения тонуса артериальной стенки.
Перечисленные выше феномены, оказывая свое влияние на гладкомышечный тонус артериальной стенки, в большей или меньшей степени изменяют вязко-эластичные свойства артерий.
Изобретатели предложили для выявления феноменов, влияющих на состояние артериального русла, частотный анализ временного ряда пульсовых волн. Наиболее адекватным для такого сигнала является непрерывный вейвлет анализ ФПГ сигнала. Данный подход с успехом используется для оценки результатов лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ). В основе метода находится регистрация сигнала допплеровского сдвига частоты, пропорциональной скорости движения эритроцитов в микрососудистом русле кожи, освещенном монохроматическим излучением лазера в диапазоне красного или ближнего инфракрасного спектра. Использование вейвлет анализа для ЛДФ сигнала позволило перейти от практически описательного характера частоты и амплитуды «флаксов», к количественным характеристикам мощности спектра сигнала в диапазоне от 0,01 до 2,0 Гц. Данный подход к анализу сигнала позволил выявить несколько частотных диапазонов колебаний кровотока микроциркуляторного русла. При анализе индивидуальных вейвлет-спектров принадлежность колебаний к конкретному диапазону определяется по максимальной пиковой частоте.
3
Следует отметить, что лазерные допплеровские флоуметры представляют собой крупногабаритные, дорогостоящие устройства, включающие монохроматический одномодовый лазер с оптоволоконным узлом доставки света к поверхности кожи и блоком регистрации допплеровского сдвига частот. Использование оптического волокна для регистрации допплеровского сдвига частот и его фиксация на поверхности подвержено воздействию помех, связанных с микроперемещениями зонда. Также необходимо указать на чрезмерно малый объем зондируемого объема кожного кровотока равного 1 мм, что приводит к феномену пространственной гетерогенности, при котором две близко размещенные области зондирования дают сильно различающие мощности спектров. Малый размер объема зондирования может регистрировать гетерогенность плотности структур микроциркуляторного русла.
Представленный способ проведения комплексной оценки состояния крпуных сосудов и микроциркуляторного русла основан на частотном анализе ФПГ сигнала. В течение 500 сек (или по меньшей мере 5 минут) проводится регистрация ФПГ сигнала. Это минимальное время необходимо для того, чтобы была возможность проводить корректную оценку самого низкочастотного сигнала равного 0,01 Гц. После чего, проводиться процедура дифференцирования исходного ФПГ сигнала. На Фиг. 7 показан исходный ФПГ сигнал (вверху) и его первая производная (внизу). После чего проводится вейвлет анализ с использованием базисного вейвлета, представленного на Фиг. 8.
Примеры осуществления изобретения
Пример 1
Для проверки эффективности работы данного вейвлета, был сгенерирован сигнал, состоящий из комбинации частот 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц. Результаты анализа представлены на Фиг. 9. Для проверки алгоритма работы устройства по разделению частот на составляющие с помощью генератора частот был создан искусственный сигнал, состоящий из комбинации частот 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц. После чего он был подан на вход устройство. Результаты анализа представлены на Фиг. 9.
Пример 2
На Фиг. 8 представлен сигнал, зарегистрированный с концевой фаланги указательного пальца правой руки здорового испытуемого. Максимум мощности спектра приходится на область частотного диапазона, определяемой респираторной активностью с пиковой частотой равной 0,38 Гц. Пик с частотой 0,055 Гц соответствует колебаниям кровотока пептидэргического генеза. Высокоамплитудные осцилляции в частотном диапазоне 0,047-0,069 Гц, как правило, сосуществуют с ритмами эндотелиального диапазона 0,01-0,02 Гц, что мы наблюдаем на этом графике амплитудно-частотного спектра. Максимум амплитуды частоты эндотелиального ритма приходится на 0,017 Гц. При такой комбинации частот, отмечается снижение осцилляций симпатического генеза частотой 0,02-0,046 Гц. Присутствие на данном спектре полосы частот с максимумом 0,091 Гц, что соответствует собственно миогенной активности.
С позиций физиологической значимости известно, что вазомоции служат фактором снижения сопротивления микрососудов, в том числе прекапилляров. Они способствуют улучшению транспорта кислорода в ткани, который может происходить и на прекапиллярном уровне.
Пример 3
На Фиг. 10 представлен амплитудно-частотный спектр, соответствующий физиологической ситуации, когда происходит снижение давления в капиллярном русле, увеличивается диаметр артериол, снижается прекапиллярное сопротивление, но наряду с этим происходит сужение вен, увеличивается посткапиллярное сопротивление, а также снижается поток через артериоло-венулярный анастомоз (Фиг. 11). Такая картина имеет место в начальной стадии сердечной недостаточности.
Пример 4
На Фиг. 12 приведен амплитудно-частотный спектр, на котором присутствует один максимум с частотой 0,36 Гц, который соответствует респираторной активности. Этот спектр зарегистрирован у молодого пациента в начальной стадии гипертонической болезни. Наличие практически одного пика в респираторном диапазоне, простирающимся от 0,2 до 0,4 Гц, свидетельствует о преимуществе осцилляций кровотока, которые распространяются со стороны оттока крови и регистрируются в венулах. Увеличенная амплитуда осцилляций в этом диапазоне свидетельствует об увеличение капиллярного давления, сужении просвета артериол, что сопровождается ростом прекапиллярного сопротивления (Фиг. 13). При этом наряду с увеличением диаметра вен, происходит увеличение кровотока через артериоло-венулярный анастомоз.
На Фиг. 14 показан экран монитора с результатами оценки микроциркуляторного русла в более наглядной и удобной для работы диагноста форме.
Представленный способ имеет следующие преимущества:
- позволяет оценить состояние крупных сосудов и микроциркуляторного русла,
- способствует ранней диагностике гипертонической болезни и сердечной недостаточности,
- позволяет оценить эффективность проводимой терапии, являясь простым, доступным, непродолжительным и мало затратным,
- позволяет точно определить параметры прямого и отраженного сигналов, и точно определить жесткость артерий,
- применим при обследовании широких слоев населения.