Распределение кислорода в поверхностных тканях организма человека при его вертикальном и горизонтальном положениях

Распределение кислорода в поверхностных тканях организма человека при его вертикальном и горизонтальном положениях

Кисляков Юрий Яковлевич

доктор биол.наук, проф., главный научный сотрудник, зав.лаб., ФГБУН Институт аналитического приборостроения Российской академии наук

Зайцева Анна Юрьевна

кандидат физ.-мат.наук, научный сотрудник ФГБУН Институт аналитического приборостроения Российской академии наук anna@da-24.ru

Кислякова Лариса Павловна

доктор биол. наук, проф., главный научный сотрудник, ФГБУН Институт аналитического приборостроения Российской академии наук

В результате выполнения проекта создан мобильный аналитический комплекс неинвазивного контроля кислородного обеспечения тканей организма, с использованием интегрального спектрального анализатора, позволяющего быстро определить содержание кислорода в поверхностных областях организма человека. Он был использован для исследования важной физиологической проблемы аэробного энергетического обеспечения двигательной активности человека при физических нагрузках и его отдыха, которые осуществляются нахождением организма в вертикальном и горизонтальном положениях. Экспериментальные исследования проводили на трех испытуемых на трех частях тела (голень, живот, шея). Установлено, что у всех испытуемых изменение положения тела с вертикального на горизонтальное приводит к увеличению содержания кислорода во всех исследованных частях тела, что свидетельствует об увеличении в них запасов аэробной энергии. При этом каждый участник исследования имеет индивидуальные особенности характеризующие его «энергетический образ», который при необходимости подлежит корректировке с применением небольших физических нагрузок.

Области использования - медицина, профессиональный спорт и фитнес, а также индивидуальный самоконтроль функционального состояния человека.

Ключевые слова: Кислородное обеспечение тканей, оптическая система, аэробный источник энергии, функциональное состояние человека

Введение

Энергетическое обеспечение процессов жизнедеятельности человека и животных в нормальных и экстремальных состояниях в значительной степени обеспечиваются аэробными процессами в мышечной ткани с участием кислорода. Контроль его содержания в органах и тканях человека и животных является необходимой процедурой для достоверной оценки текущего функционального состояния и работоспособности их в нормальных условиях, прогноза критических состояний в анестезиологии, реанимации и интенсивной терапии. В настоящее время она реализуется с использованием трудоемких и дорогостоящих технологий путем оперативного высокоточного определения парциальных давлений О2 в мышечной ткани с использованием трудоемких технологий их регистрации [1]. Поэтому планируемые исследования направлены на решение фундаментальных проблем контроля процессов кислородного обеспечения тканей организма с использованием новых неинвазивных оптических методов регистрации содержания О2 в ткани и информационных технологий обработки регистрируемой информации с применением современных методов мультисенсорного анализа сложных систем, включая методы визуализации получаемых данных в виде «образов» функционального состояния исследуемого объекта [2]. Такой новый аналитический подход с применением новых неинвазив-ных методов спектрального анализа позволит полнее понять механизмы кислородного обеспечения органов и тканей человека в нормальных и экстремальных ситуациях. Особенности этих методов - использование создаваемой оптической системы неинвазивного контроля содержания ок-сигемоглобина в ткани поверхностного слоя кожи человека, регистрируемого отраженным сигналом, с последующей математической обработкой полученных результатов и визуальным отображением результатов измерений [3, 4, 5].

Эффективность такого подхода была показана нами ранее при неинвазивном исследовании содержания кислорода в кожном покрове отдельных частей тела человека (руки) [6] и (шеи и предплечья) при двигательных физических нагрузках всего организма (самостоятельный подъем испытуемых с первого на пятый этаж) [2].

в У X

А

>

0-X

т

гп А

о п гп

т;

о

-С ГП

о т; О

О З

Д

о

-о О ГО

0-Я

Целью проекта является выяснение механизмов распределения кислорода в поверхностной ткани организма человека при использовании результатов измерений диагностической полиселективной оптической системой на трех частях тела (голень, живот, шея) при вертикальном и горизонтальном положениях испытуемого.

Теоретические основы использованного методического подхода.

Теоретической основой исследования является спектрофотометрический метод, позволяющий осуществлять измерения оптических свойств ткани по схеме «на отражение» - регистрировать часть рассеянного в ткани света, возвращенного к ее поверхности и выходящего наружу. При этом спектральный состав отраженного света и его интенсивность изменяются в зависимости от концентрации разных веществ в исследуемом участке ткани, в том числе и форм гемоглобина.

Обычно в крови в значительных количествах присутствуют лишь оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин. Сильное поглощение обеими этими формами гемоглобина фиолетового (380450 нм), синего (450-480 нм), голубого (480-510 нм), зеленого (510-550 нм) света придают крови красную окраску. А существенно разное поглощение оксигемоглобином и восстановленным гемоглобином красного света (620-760 нм) предопределяет разные оттенки цвета артериальной (насыщенной кислородом) и венозной крови [5].

Описание измерительной системы

Диагностическая система состоит из двух блоков: измерительного, включающего модули пробоподготовки, сенсорного, микропроцессорного измерительного и информационного блока, включающего модули визуализации и распознавания образов.

Модуль пробоподготовки содержит: 1) устройство для установки и крепления сенсорного модуля на поверхности исследуемого объекта.

Сенсорный модуль представляет собой интегральный шестиканальный анализатор спектров в видимой области (450 - 700) нм, представляющий отраженный сигнал в относительных единицах. Получаемые спектры представляли собой комбинацию колоколообразных функций с перекрестными дипазонами чувствительности и максимальными значениями для каждого из шести сесоров 450, 500, 550, 600, 650, 700 нм соотвественно.

Микропроцессорный измерительный модуль регистрирует спектры и позволяет формировать визуальный образ исследуемой среды. „ Полученные данные статистически обрабатывает ются и визуально отображаются на экране ком© пьютера в виде гистограммы. 00

о Полученные результаты и их обсуждение

^ Исследования были проведены на трех испы-

2 туемых с целью оценки распределения кислоро-

да в поверхностной ткани организма человека при его вертикальном и горизонтальном положении.

Измерения проводились в трех точках на трех частях тела (голень, живот, шея) в течение 1 минуты после изменения положения тела. Каждый эксперимент повторялся 5 раз.

Установлено, что в 3-х точках у каждого из испытуемых до и после нагрузки наблюдаются близкие значения содержания О2 (среднеквадратичное отклонение составляет менее 3% от полученного среднего арифметического значения).

Результаты численного представления «образов» кислородного статуса каждого испытуемого в виде композиции из данных шести сенсоров в положениях тела стоя и лежа представлены в табл.1- 3.

Таблица 1

Испытуемый 1 Сенсор 1 Сенсор 2 Сенсор 3 Сенсор 4 Сенсор 5 Сенсор 6

Голень стоя 110,8± 2,34 112,6± 2,64 448,8± 8,20 709,6± 13,90 972,4± 19,42 784,78± 15,46

Живот стоя 105, 45± 2,21 116,83± 2,43 390,61± 7,23 700,98± 13,71 874,65± 17,36 792,69± 15,65

Шея стоя 91,88± 1,72 84,44± 1,67 346,74± 7,25 562,02± 10,80 907,27± 18,05 763,44± 15,02

Голень лежа 117,64± 2,34 124,68± 2,51 492,83± 11,32 769,84± 15,16 1078,38 ± 21,65 859,38± 17,05

Живот лежа 131,44± 1,75 135,08± 2,76 582,90± 11,22 905,52± 19,02 1166,78 ± 23,48 876,20± 17,43

Шея лежа 96,64± 2,01 83,56± 1,65 293,65± 6,15 505,43± 10,62 796,98± 15,73 737,56± 14,47

Таблица 2

Испытуемый 2 Сенсор 1 Сенсор 2 Сенсор 3 Сенсор 4 Сенсор 5 Сенсор 6

Голень стоя 161,82± 3,02 153,68± 2,81 664,08± 11,61 1009,67 ± 18,12 1262,28 ± 22,99 892,78± 15,97

Живот стоя 172,92± 3,17 181,44± 2,44 785,64± 13,92 1202,46 ± 21,84 1472,69 ± 26,97 1110,04 ± 20,09

Шея стоя 179,66± 2,41 174,88± 2,32 760,96± 13,45 1119,21 ± 20,36 1492,76 ± 27,34 1102,06 ± 19,94

Голень лежа 159,23± 3,02 159,87± 3,05 728,65± 12,88 1078,45 ± 19,48 1312,43 ± 23,93 906,94± 16,22

Живот лежа 203,14± 2,86 202,48± 2,84 891,74± 15,93 1354,78 ± 24,74 1611,93 ± 29,63 1120,54 ± 20,28

Шея лежа 190,98± 3,65 192,47± 2,65 760,64± 13,45 1173,40 ± 21,29 1500,65 ± 27,51 1122,23 ± 20,32

Таблица 3

Испытуемый 3 Сенсор 1 Сенсор 2 Сенсор 3 Сенсор 4 Сенсор 5 Сенсор 6

Голень стоя 173,87± 3,20 171,29± 2,25 779,83± 13,81 1189,28 ± 21,59 1374,63 ± 25,11 946,47± 16,98

Живот стоя 183,57± 2,48 189,41± 2,59 876,28± 15,64 1334,65 ± 24,36 1460,40 26,74 998,29± 17,96

Шея стоя 177,02± 2,36 183,49± 2,48 825,49± 19,56 1237,46 ± 21,50 1367,81 ± 23,98 961,76± 17,27

Голень лежа 180,59± 2,43 183,87± 2,49 900,48± 16,10 1343,48 ± 24,53 1524,81 ± 27,97 1020,45 ± 18,38

Живот лежа 181,44± 2,44 183,74± 2,48 865,45± 15,44 1335,89 ± 24,38 1438,23 ± 26,32 965,91± 17,33

Шея лежа 166,80± 2,16 169,34± 2,21 756,67± 13,36 1184,25 ± 21,49 1379,26 ± 25,20 972,18± 17,48

Визуальное отображение результатов исследования трех испытуемых представлено на рис.1 в виде «образов»- гистограмм (первый столбец -положение тела стоя, второй - положение тела лежа). Высота столбца соответствует результату измерений выходного сигнала на соответствую-

щем сенсоре (среднее значение для 3 испытуемых по 5 измерения в каждом).

1400 1200

1 2 3 4 5 6

а. голень

1400 1200 1000

\ .. .. Il ll II II

12 3 4 5 6

б.живот

I... IIII (II

в.шея

Испытуемый №1

1300 1600 1400 1200

1 2 3 4 5 6

а. голень

Испытуемый №2

б.живот

6 У X

ДА

>

i 0-X

tr гп А о п m т;

о

-С

m

о т; О

О

З

Д О о О ГО 0-Я

в.шея

1800 1600 1400 1200 1000

800

1 2 3 4 5 6

в.шея

Испытуемый №3

стоя

I лежа

а.- место измерения голень

б.- место измерения живот

в.- место измерения шея

Рис. 1. Визуальное представление «образа» насыщения гемоглобином трех испытуемых (1- 3) в разных положениях тела- стоя и лежа. По осям отложены средние арифметические значения регистируемого сигнала в условных единицах

(уе).

Проведенные исследования показывают, что у испытуемых отмечается различие в количественном содержании оксигемоглобина и восстановленного НЬ в разных частях тела. Так у 1-го испытуемого оно в положении лежа на месте измерения «голень» примерно на 7 % ниже, чем у 2-го и 3-го. Кроме этого у всех испытуемых наблюдаются отличающиеся значения обеспечения тканей кислородом в различных положениях тела. Об этом свидетельствуют наблюдаемые у них отличия и изменения спектрального состава крови, наблюдаемые на различных длинах волн стоя и лежа.

Наблюдаемая разная реакция насыщения крови кислородом частей тела у разных испытуемых может зависеть от физического состояния испытуемого. Целью дальнейших исследований будет являться выяснение корреляции реакции кровоснабжения при нагрузках различных частей тела с физическим состояние испытуемого.

Заключение

Разработан, изготовлен и испытан макет аналитического комплекса неинвазивного контроля кислородного обеспечения тканей организма, с использованием интегрального спектрального м анализатора, который позволяет быстро опре-< делить содержание кислорода в поверхностных  областях организма человека. ^ Экспериментально показано, что у всех испы-

сч туемых изменение положения тела с вертикального на горизонтальное приводит к увеличению

содержания кислорода во всех исследованных частях тела, что свидетельствует об увеличении в них запасов аэробной энергии. При этом каждый участник исследования имеет индивидуальные особенности характеризующие его «энергетический образ», который при необходимости подлежит корректировке с применением небольших физических нагрузок.

Литература

1. Уездовский А.В., Малинин А.А., Шишло В.К. Кровоснабжение и кислородный режим травмированных тканей как критерий оценки их жизнеспособности // Бюллетень НЦССХ ИМ. А.Н. Бакулева РАМН Сердечно-сосудистые заболевания, 2012, т.13, стр.115.

2. Кисляков Ю.Я., Зайцева А.Ю., Кислякова Л.П. «Неинвазивный анализ кислородного обеспечения тканей человека при физической нагрузке по показателям полиселективных оптических сенсоров». // Фундаментальные аспекты психического здоровья, 2018, №3, стр. 91-95. ISBN 2499-9652.

3. Черкасова О.П., Назаров М.М., Берловская Е.Е., Ангелуц А.А., Макуренков А.А. , Шкуринов А.П. Исследование оптических свойств кожи человека и животных методом импульсной терагерцо-вой спектроскопии. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2016, том 80, № 4, с. 526-530.

4. Zwart A, Buursma A, van Kampen EJ, Zijlstra WG.Multicomponent analysis of hemoglobin derivatives with reversed-optics spectrophotometer. Clin Chem. 1984 Mar;30(3):373-9.

5. Кислякова Л.П., Буляница А.Л., Кисляков Ю.Я., Гуляев В.И. Оценка функционального состояния человека при физических нагрузках по показателям конденсата выдыхаемого воздуха, регистрируемым полиселективными электрохимическими сенсорами с применением проекционных методов многомерного анализа. «Научное приборостроение» 2016, т. 26, № 2 с. 37-47.

6. Кислякова Л.П., Зайцева А.Ю., Кисляков Ю.Я. "Неинвазивный анализ кислородного обеспечения двигательной активности руки по показателям, регистрируемым полиселективной оптической системой".// Естественные и технические науки, 2018, №12 ISSN 1684-2626

7. Корсунский, В. М. Интеллектуальные сенсоры: учеб. пособие / В.М. Корсунский, И.Д. Войтович.— М.: Изд-во Бином, Лаборатория знаний, 2009.— 624 с.

The distribution of oxygen in the surface tissues of the human body in its vertical and horizontal positions Kislyakov Yu.Ya., Zaitceva A.Yu., Kislyakova L.P.

Institute for Analytical Instrumentation of the Russian Academy of Sciences

As a result of the project, a mobile analytical complex of noninvasive oxygen monitoring of body tissues was created using an integral spectral analyzer to quickly determine the oxygen content in the surface areas of the human body. It was used to study the important physiological problems of aerobic energy support of a person's physical activity during physical exertion and his rest, which are carried out by finding the body in vertical and horizontal positions. Experimental studies were performed on three subjects on three parts of the body (shin, abdomen, neck). It has been established that in all subjects a

change in the position of the body from vertical to horizontal leads to an increase in the oxygen content in all the studied parts of the body, which indicates an increase in their aerobic energy reserves. At the same time, each research participant has individual features that characterize his "energy image", which, if necessary, is subject to adjustment with the use of slight physical exertion. Areas of use are medicine, professional sports and fitness, as well as individual self-control of a person's functional state.

Keywords: Oxygen provision of tissues, optical system, aerobic energy source, human functional state

References

1. Uezdovsky A.V., Malinin A.A., Shishlo V.K. Blood supply and

oxygen regime of injured tissues as a criterion for assessing their viability. Bulletin of the Center for Medical Sciences. A.N. Bakulev RAMS Cardiovascular diseases, 2012, v.13, p..115.

2. Kislyakov Yu.Ya., Zaitseva A.Yu., Kislyakova L.P. "Non-invasive analysis of oxygen-based provision of human tissues during exercise by indicators of polyselective optical sensors." // Fundamental aspects of mental health, 2018, No. 3, pp. 91-95. ISBN 2499-9652.

©

y

X

s

m

X

H

A

o-

X

T

m

A

o

Zl

m

T;

H

T

n

o

s

X

s

-C

m

o

T;

O

-i

o

3

G

O

TJ

O

DO

o-

20

41

3. Cherkasova, OP, Nazarov, MM, Berlovskaya, E.E., Angeluts A.A., Makurenkov A.A. , Shkurinov A.P. The study of the optical properties of human skin and animals using pulsed terahertz spectroscopy. LIMITS OF RAS. PHYSICAL SERIES, 2016, Vol. 80, No. 4, p. 526-530.

4. Zwart A, Buursma A, van Kampen EJ, Zijlstra WG. Multicompo-

nent analysis of hemoglobin derivatives with reversed-optics spectrophotometer. Clin Chem. 1984 Mar; 30 (3): 373-9.

5. Kislyakova, L.P., Bulyanitsa, A.L., Kislyakov, Yu.Y., Gulyaev, V.I.

Assessment of the functional state of a person during physical exertion according to indicators of exhaled air condensate, recorded by polyselective electro-chemical sensors using projection methods of multivariate analysis. "Scientific Instrument Making" 2016, V. 26, No. 2 p. 37-47.

6. Kislyakova, L.P., Zaitseva, A.Y., Kislyakov, Yu.Y. "Non-invasive

analysis of the oxygen-based support of the motor activity of the hand according to the indicators recorded by the polyselec-tive optical system." // Natural and Technical Sciences, 2018, No. 12 ISSN 1684-2626

7. Korsunsky, V. M. Intellectual sensors: studies. manual / V.M.

Korsunsky, I.D. Voytovich.— M .: Izd-vo Binom, Laboratory of Knowledge, 2009. 624 p.