Неинвазивный анализ кислородного обеспечения тканей человека при физической нагрузке по показателям полиселективных оптических сенсоров

Неинвазивный анализ кислородного обеспечения тканей человека при физической нагрузке по показателям полиселективных оптических сенсоров

Кисляков Юрий Яковлевич,

проф., доктор биол.наук, 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,

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

Проведенные исследования реализуют новый принцип неин-вазивной диагностики кислородного обеспечения организма человека в медико-биологических исследований с применением оптической системы контроля содержания кислорода в поверхностных областях органов и тканей человека. Его сущность состоит в применении комплекса оптических сенсоров видимой области спектра для регистрации содержания одной из форм гемоглобина- оксигемоглобина в эритроцитах. Разработана структура и создан макет аналитической системы, включающий два функциональных модуля: микропроцессорный измерительный и информационный, обеспечивающий визуальное отображение регистрируемых параметров. Разработана методика проведения неинвазивных исследований с помощью оптической системы регистрации форм гемоглобина. Проведены технические и физиологические исследования, которые свидетельствуют об эффективности используемого принципа неинвазивной диагностики кислородного обеспечения испытуемых в покое и при умеренных физических нагрузках, контролируемых кислородным анализатором с полиселективными оптическими датчиками. Ключевые слова спектральный анализатор, кислородное обеспечение тканей, функциональное состояние человека, полиселективные оптические датчики, неинвазивные методы исследования.

Введение

Здоровье и работоспособность человека во многом определяется процессами кислородного транспорта крови - основополагающего физиологического процесса, который определяет жизнедеятельность всего организма в целом. Анализ параметров кислородного обеспечения тканей является необходимой процедурой и обязательным условием для достоверной оценки текущего состояния человека и прогноза развития критических состояний в анестезиологии, реаниматологии и интенсивной терапии. Содержание производных гемоглобина в крови -один из главных параметров, характеризующих процессы кислородного транспорта крови. С изменением газового состава гемоглобина связан ряд патологических состояний организма человека. В настоящее время подавляющее большинство российских клиник из-за отсутствия необходимой методологической и приборной базы вынуждено ограничиваться определением общей концентрации гемо-глобина[1]. Настоящие исследования направлены на решение фундаментальной проблемы контроля кислородного обеспечения тканей человека на основе новых неинвазивных методов спектрального анализа.

Особенности этих методов:

1. Использование оптической системы неинва-зивного контроля содержания кислорода в поверхностных областях органов и тканей человека [2,3].

2. Оценка результатов измерений с применением математических методов визуализации об-разов[4].

Таким образом, разработки оптических систем неинвазивной регистрации форм гемоглобина довольно востребованы для диагностики здоровья и работоспособности человека.

В результате реализации проекта будет получен малогабаритный мобильный аналитический комплекс, контролирующий кислородное обеспечение тканей человека в нормальных и патологических ситуациях, включая состояния гипоксии, тромбоза органов и тканей.

П т

Т

Цель иследования

Разработка оптической системы неинвазивного контроля содержания кислорода в поверхностных

со

с <

е

со ^

0

сч

со

01

областях организма человека в нормальных и экстремальных состояниях путем неинвазивной регистрации одной из форм гемоглобина- окси-гемоглобина в эритроцитах.

Задачи проекта

1. Создание измерительного комплекса на основе модификации мобильного переносного интегрального спектрального датчика видимой области спектра.

2. Разработка оптической части и корпуса устройства, необходимой для проведения измерений на кожных покровах человека

3. Разработка программного обеспечения для обработки и интерпретации полученных в процессе исследований результатов.

4. Проведение технических и физиологических исследований разработанного макета муль-тисенсорной системы и обобщение их результатов.

Теоретическая часть

Спектрофотометрический метод, позволяющий измерять концентрации биологически важных веществ, основан на том, что большинство веществ имеют свои специфические спектры излучения и поглощения в той или иной области спектра. Привлекательность оптических сенсоров обусловлена тем, что свет способен переносить очень значительные потоки информации при малой мощности, практически не влияя на состояние объекта, не повреждая его, может проникать в объект на значительную глубину, действовать дистанционно. При прохождении света сквозь вещество его спектральный состав изменяется. По этим изменениям можно выявить присутствие контролируемого вещества, а измеряя величину изменений спектральных интенсивностей, - вычислить его концентрацию и количество[5].

Обычно в крови в значительных количествах присутствуют лишь оксигемоглобин и восстановленный гемоглобин. Сильное поглощение обеими этими формами гемоглобина фиолетового (380-450 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 (620760 нм) предопределяет разные оттенки цвета артериальной (насыщенной кислородом) и венозной крови[5].

Полученные результаты и их обсуждение

Диагностическая система состоит из шести-канального интегрального анализатора спектров, программируемого источника тока для внешних светодиодов подсветки и вычислительного ядра анализатора спектров.

При схеме измерений "на отражение" входной пучок света проникает сквозь кожу в живую ткань тела. Проходя сквозь ткань, свет рассеивается и поглощается. За счет рассеяния часть света возвращается к поверхности тела и выходит наружу. Спектральный состав света при этом изменяется в зависимости от наличия и от

концентрации разных веществ в исследуемом участке тела.

Спектрофотометрические исследования и измерения при работе "на отражение" возможны при выполнении четырёх важных условий:

1. Зондирующий световой пучок должен входить в исследуемый участок тела в виде остро направленного светового "зонда".

2. Направление светового зонда должно быть фиксировано конструкцией сенсора. Пучок света перпендикулярен к поверхности тела.

3. Для измерения спектральных интенсивностей следует выделять пучок обратно рассеянного света, выходящий на определенном расстоянии от точки входа светового зонда и в строго определенном направлении.

4. Точка отбора измеряемого пучка обратно рассеянного света должна находиться на средних расстояниях от точки зондирования (1-5 мм), когда обратно рассеянный свет не стал еще "диффузным" (равномерно распределенным по всем направлениям)[5].

Микропроцессорный измерительный модуль по командам оператора выполняет управление процедурами автоматических калибровок и измерений с заданными требованиями к допускаемой погрешности датчиков. Он сохраняет результаты калибровок и измерений, задаваемых параметров и режимов выполняемых процедур, а также осуществляет передачу данных в персональный компьютер (ПК) через USB-интерфейс и отображение их в численной форме.

Полученные результаты и их обсуждение

Диагностическая система состоит из двух блоков: 1) измерительного, включающего модули пробоподготовки, сенсорного, микропроцессорного измерительного и 2) информационного блока, включающего модули визуализации и распознавания образов.

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

Сенсорный модуль представляет собой интегральный шестиканальный анализатор спектров в видимой области, представляющий отраженный и рассеянный сигналы 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, 570, 650, 700) +/- 25 нм соответственно.

Микропроцессорный измерительный модуль регистрирует спектры и позволяет формировать визуальный образ исследуемой среды. Полученные данные статистически обрабатываются и визуально отображаются на экране компьютера в виде круговой диаграммы.

Экспериментальные исследования

Исследования были проведены на четырех испытуемых с целью оценки работоспособности ди-

агностической системы, в плане возможности получения «образов» их функционального состояния в виде комбинации численных показаний в условных единицах шести сенсоров различной длины волны видимого диапазона, отражающего кислород-транспортные свойства организма при физических нагрузках- в течение 20 минут 5 раз подъем умеренным шагом на 5 этаж и спуск с него.

Установлено, что используя систему оптической регистрации данных, полученных неинва-зивно с кожного покрова человека можно получать воспроизводимые (в большинстве случаев среднеквадратичное отклонение составляет менее 5% от полученного среднего арифметического значения) индивидуальные «образы» содержания форм гемоглобина четырех испытуемых.

Результаты численного представления «образов» кислородного статуса каждого испытуемого в точке шея в виде композиции из данных шести сенсоров до умеренной физической нагрузки представлены в табл.1, а после нее в табл. 2. Результаты численного представления «образов» кислородного статуса каждого испытуемого в точке предплечье до физической нагрузки приведены в табл. 3, а послее нее в табл. 4.

Таблица 1

Испытуемый Сенсор 1 450 пт Сенсор 2 500 пт Сенсор 3 550 пт Сенсор 4 580 пт Сенсор 5 600 пт Сенсор 6 650 пт

1. 121,25± 2,75 135,00± 3,27 585,75± 16,38 909,12± 22,90 1080,12 ± 32,00 843,37± 21,08

2. 119,90± 2,57 124,00± 3,11 565,40± 12,56 891,60± 22,49 1090,90 ± 24,18 859,90± 24,08

3. 59,20± 1,37 59,20± 1,36 241,00± 6,78 427,00± 13,4 726,20± 19,34 629,80± 15,45

4. 75,60± 1,56 82,06± 2,09 345,60± 8,67 558,60± 14,75 776,80± 20,00 629,80± 15,46

Таблица 2

Испыту-мый Сенсор 1 450 пт Сенсор 2 500 пт Сенсор 3 550 пт Сенсор 4 580 пт Сенсор 5 600 пт Сенсор 6 650 пт

1. 123,33± 2,90 122,00± 2,65 546,00± 12,84 847,50± 20,03 1093,16± 25,20 811,33± 19,78

2. 144,71± 3,56 144,85± 3,41 577,57± 14,02 891,00± 21,34 1277,71± 31,74 1072,28± 26,03

3. 66,60± 1,87 58,40± 1,45 231,00± 5,20 407,00± 9,94 648,80± 14,76 602,20± 14,20

4. 80,80± 1,69 87,20± 2,09 320,00± 7,21 571,20± 12,04 818,40± 20,52 682,00± 15,57

Таблица 3

Испытуемый Сенсор 1 450 пт Сенсор 2 500 пт Сенсор 3 550 пт Сенсор 4 580 пт Сенсор 5 600 пт Сенсор 6 650 пт

1. 204,62± 5,15 188,50± 4,90 863,50± 22,59 1330,00 ± 35,34 1550,75 ± 39,56 1055,87 ± 23,04

2. 176,12± 4,46 176,25± 5,02 767,65± 17,46 1177,00 ± 32,95 1395,62 ± 32,85 1070,25 ± 28,74

3. 80,60± 2,09 74,80± 1,49 291,20± 8,45 521,00± 13,40 778,60± 17,30 643,40± 17,08

4. 101,00± 2,49 97,20± 2,69 385,80± 10,01 671,80± 16,89 902,60± 22,57 730,20± 20,72

Визуальное отображение результатов исследования четырех испытуемых представлено на рис.1 в виде «образов»- шестигранников с луча-

ми, исходящими от центра к точкам пересечения граней. Длина луча в точках пересечения граней соответствует результату измерений выходного сигнала на соответствующем сенсоре (среднее значение для 4 испытуемых по 5 измерения в каждом).

Таблица 4

Испытуемый Сенсор 1 450 пт Сенсор 2 500 пт Сенсор 3 550 пт Сенсор 4 580 пт Сенсор 5 600 пт Сенсор 6 650 пт

1. 193,66± 4,51 190,58± 4,50 858,83± 21,13 1288,87 ± 30,21 1523,54 ± 34,99 1064,33 ± 25,08

2. 183,20± 4,29 185,00± 4,36 784,00± 6,34 1200,60 ± 28,31 1446,20 ± 25,03 1128,00 ± 23,01

3. 67,24± 1,46 69,60± 1,54 271,69± 6,32 501,84± 11,73 790,22± 18,62 643,24± 14,29

4. 103,63± 2,51 85,83± 2,03 591,47± 13,87 938,89± 22,26 1407,25 ± 33,11 737,64± 16,93

1

1600 - Г\

1100 - ч

б 600 2

г ¥ \

1, /

5 > з

а.

2

3

б.

Испытуемый №1

Испытуемый №2

Испытуемый №3

со

IZ

<

е

00 ^

0

сч

со

01

Испытуемый №4

_до физической нагрузки

-------после физической нагрузки

а.- место измерения шея

б.- место измерения предплечье

Рис. 1. Визуальное представление «образа» насыщения гемоглобином 4-х испытуемых (1- 4) в виде шестиугольников до и после физической нагрузки. По осям отложены средние арифметические значения регистируемого сигнала.

Результаты проведенных исследований показывают, что «образ» каждого из испытуемых в состоянии покоя, формируемый композицией длин волн, генерируемых шестью сенсорами на коже человека, имеет свои индивидуальные особенности. Умеренные физические нагрузки видоизменяют его. Изменения также имеют свои индивидуальные особенности. Полученные в проведенных экспериментах исследования позволили выявить особенности изменения содержания кислорода в коже предплечья при нагрузках.

1. Наиболее чувствительными к измерению содержания кислорода в крови предплечья и шеи оказывают каналы спектров в области 550, 570, 650 и 700 нм.

2. В покое содержание кислорода в предплечье у 4-х испытуемых и 2-х испытуемых в коже шеи совпадают. У двух других испытуемых в коже шеи наблюдается его более высокое содержание.

3. При нагрузках отмечаются значимые изменения содержания кислорода в коже предплечья у двух испытуемых и одного в коже шеи.

Заключение

Разработан, изготовлен и испытан измерительный комплекс на основе мобильного переносного интегрального датчика видимой области спектра. Разработана оптическая часть и корпус устройства, необходимый для проведения измерений на кожных покровах человека. Разработано программное обеспечение для обработки и интерпретации полученных в процессе исследования результатов. Экспериментально показано, что каждый испытуемый в единообразных условиях эксперимента с небольшими физическими нагрузками имеет свой индивидуальный, воспроизводимый «образ».

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о высокой эффективности нового методического подхода к решению проблем неинвазив-ного контроля здоровья и работоспособности человека. Измерительная система контроля гипоксиче-ских состояний тканей человека позволяет получить необходимый спектр сведений о разнообразной па-талогии сосудов, необходимый для ранней диагностики заболеваний и могут быть использованы при создании нового поколения диагностических систем медицинского назначения.

Литература

1. Мосур Е.Ю. Спектрофотометрический метод определения содержания основных производных гемоглобина: дис. канд. физ.-мат. наук. Омский гос. университет, Омск, 2007.

2. 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 тера-герцовой спектроскопии. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2016, том 80, № 4, с. 526-530.

3. 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.

4. 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.

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

6. Reinforcing properties of neuropeptides administered into the extended amygdala of chronically alcoholized rats / Лебедев А.А., Voevodin E.E., Andreeva L.I., Russanovsky V.V., Pavlenko V.P., Streltsov V.F., Shabanov P.D. // European Neuro-psychopharmacology. 2005. Т. 15. № S2. С. S294.

Non-invasive analysis of the oxygen supply of human tissues during exercise according to the indicators of poly-selective optical sensors

Kislyakov Yu.Ya., Zaitceva A.Yu., Kislyakova L.P. Institute for Analytical Instrumentation of the Russian Academy of Sciences

The studies carried out implement a new principle of non-invasive diagnostics of the oxygen supply of the human body in biomedical research using an optical system for monitoring the oxygen content in the surface areas of human organs and tissues. Its essence consists in the use of a complex of optical sensors in the visible region of the spectrum for detecting the content of one of the forms of hemoglobin-oxyhemoglobin in erythrocytes. Keywords: spectral analyzer, oxygen provision of tissues, human functional state, multi-selective optical sensors, noninvasive research methods References

1. Mosur E.Yu. Spektrofotometrichesky method of determination of

content of the main derivatives of hemoglobin: yew. edging. physical. - a mat. sciences. The Omsk state. university, Omsk, 2007.

2. Cherkasova O.P., Nazarov M.M., Berlovskaya E.E., Angeluts A.A., Makurenkov A.A., Shkurinov of A.P. Issledovaniye of optical properties of skin of the person and animals by method of pulse terahertz spectroscopy. NEWS of RAS. PHYSICAL SERIES, 2016, volume 80, No. 4, page 526-530.

3. 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.

4. Kislyakova L.P., Bulyanitsa A.L., Kislyakov Yu.Ya., Gulyaev of

V.I. Otsenk of a functional condition of the person at physical activities on the indicators of condensate of the exhaled air registered by polyselective electrochemical sensors with application of projective methods of the multidimensional analysis. "Scientific instrument making" 2016, t. 26, No. 2 of page 37-47.

5. Korsunsky, V. M. Intellectual sensors: studies. grant / V.M. Kor-

sunsky, I.D. Voytovich. — M.: Publishing house Binomial, Laboratory of knowledge, 2009. — 624 pages.

6. Reinforcing properties of neuropeptides administered into the extended amygdala of chronically alcoholized rats / Lebedev A.A., Voevodin E.E., Andreeva L.I., Russanovsky V.V., Pavlenko V.P., Streltsov V.F. // European Neuropsychopharmacology. 2005. V. 15. No. S2. S. S294.

n m

Т