Анализ вклада рассеяния и поглощения в общее затухание сигналов в лазерной доплеровской флоуметрии при различном содержании меланина

2

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

УДК 615.471+612.117.5+612.796

Л. В. Долгушина, В. В. Дрёмин, А. В. Дунаев, Е. А. Жеребцов, К. В. Подмастерьев

Анализ вклада рассеяния и поглощения в обшее затухание сигналов в лазерной доплеровской флоуметрии при различном содержании меланина

Ключевые слова: лазерная доплеровская флоуметрия, кожный пигмент меланин, этнический тип кожи, общее затухание, медико-технические требования.

Keywords: laser Doppler flowmetry, skin pigment melanin, ethnic skin type, total attenuation, medical and technical requirements.

В статье изложены результаты исследований влияния кожного хромофора меланина на регистрируемые сигналы в лазерной доплеровской флоуметрии у людей с различным уровнем меланина в коже по зарегистрированным и статистически обработанным показателям микроциркуляции. Проведено моделирование вклада рассеяния и поглощения в общее затухание зондирующего излучения на основе известных оптических свойств биотканей человека путем добавления различного содержания меланина.

Введение

Жизнедеятельность человека связана с постоянным изменением потребностей тканей и органов в кислороде и питательных веществах, что требует регуляции поступления и оттока потока крови, транскапиллярного обмена. Например, общеизвестно, что интенсивный метаболизм сопряжен с активацией нутритивного кровотока [1]. Расстройства системы микроциркуляции крови (МЦК) разнообразны как по своему патогенезу, так и по клиническим проявлениям, в связи с этим оценка состояния микрогемодинамики весьма актуальна. Особенно это важно в кардиологии, диабетологии, онкологии, дерматологии, стоматологии, хирургии и реаниматологии. Одним из методов, определяющих состояние микроциркуляторного русла, является метод лазерной доплеровской флоуметрии (ЛДФ), основанный на оптическом неинвазивном зондировании тканей лазерным излучением и анализе рассеянного и отраженного от движущихся в тканях эритроцитов излучения. Отраженный сигнал имеет две составляющие — постоянную и

переменную. Постоянный сигнал определен отражением от неподвижных структур зондируемой ткани. Переменный связан с перемещающимися частицами — эритроцитами. Частота рассеянного излучения такого сигнала отличается от частоты падающего излучения в соответствии с доплеров-ским эффектом [2].

Амплитуда отраженного сигнала складывается в результате отражения излучения от ансамбля эритроцитов, движущихся с различными скоростями и в различных направлениях, количественно распределенных в артериолах, капиллярах, вену-лах и артериоловенулярных анастомозах (АВА). Поэтому в методе ЛДФ применяется алгоритм усреднения по скоростям.

Итогом ЛДФ является конечный медико-биологический параметр (МБП) — показатель микроциркуляции Im, измеряемый в перфузионных единицах (пф. ед.) [3]:

Im = KNэрvср,

где K — коэффициент пропорциональности (приборный коэффициент); NЭI) — концентрация эритроцитов в зондируемом объеме; иср — средняя скорость эритроцитов в зондируемом объеме.

Как известно [4], кожа человека является многокомпонентной мутной поглощающей средой. Взаимодействие лазерного излучения с такой средой носит сложный характер. Поглощение излучения является одной из характеристик взаимодействия света и кожи, обусловленное наличием в тканях большого количества различных хромофоров. Причем в пределах каждого слоя кожной ткани поглощение лазерного излучения определяется несколькими доминирующими органеллами кожи.

На рис. 1 представлены спектры поглощения кожных хромофоров [4].

и н

и ф

I?

о

Ц

¡4

о н

Ен

и ф

н я н

Ню-1

т о

к

10-2

400 600 800 1000 1200 Длина волны, нм

1400

Рис. 1 \ Спектры поглощения кожных хромофоров

Таким образом, необходимо оценивать влияние различных компонент биоткани на результат измерений в ЛДФ. Кожный пигмент меланин является одним из таких поглощающих хромофоров. Находящиеся в базальном слое клетки меланоциты вырабатывают кожный пигмент меланин и передают его соседним клеткам эпидермиса — кератино-цитам, чтобы защитить их ядро от УФ-излучения. Независимо от этнической принадлежности в коже каждого человека находится одинаковое количество меланоцитов, но количество меланина, которое эти клетки производят, различно. От количества выработанного меланина зависит цвет кожи и ее чувствительность к воздействию света. У людей с различным этническим типом кожи концентрация меланина варьируется примерно в диапазоне 1,3-43 %. У слабопигментированных содержание меланина составляет 1,3-1,6 %, у среднепигменти-рованных — 11-16 %, у темнокожих — 18-43 % [5]. В связи с этим в методе ЛДФ существует проблема оценки состояния микрогемодинамики из-за различий оптических параметров светлокожих и темнокожих людей. Кроме того, данный фактор

4

н

3-

1

М = 3,2 пф. ед. а = 0,36 пф. ед.

также необходимо учитывать при разработке и обосновании медико-технических требований (МТТ) и метрологического обеспечения для приборов ЛДФ [6, 7].

Таким образом, целью нашей работы — оценить вклад рассеяния и поглощения в общее затухание сигналов в лазерной доплеровской флоуметрии при различном содержании меланина в коже.

Обсуждение и результаты

Экспериментальные исследования проводились на многофункциональном лазерном неинвазивном диагностическом комплексе ЛАКК-М (ООО НПП «ЛАЗМА», Россия) [8] с использованием канала ЛДФ, работающего по разностной схеме детектирования доплеровского сдвига частот (два приемных канала) [9]. Длина волны зондирующего излучения лазера в данном канале составляет 1064 нм. Девять условно здоровых добровольцев, различающихся этническим типом кожи (европейцы — 4 человека, арабы — 1, индийцы — 1, африканцы — 3), находившихся в условиях физического и психического покоя, участвовали в серии тестовых экспериментов. Исследования проходили в дневное время суток (приблизительно в одно и то же время — около 12.00 ч) в двух областях: на коже подушечки среднего пальца правой руки — слабо пигментированная область для всех добровольцев — и на коже предплечья (на срединной линии, в 3-4 см выше шиловидных отростков локтевой и лучевой костей) — зона с выраженными различиями в содержании меланина. Длительность базового теста — 3 мин. В результате получены ЛДФ-граммы для людей с различным этническим типом кожи (рис. 2).

Анализ ЛДФ-грамм проводился с помощью статистических средних значений размера перфузии, т. е. с помощью среднего арифметического значения М, характеризующего средний поток эри-

ф п

3

2

0 ' 20 ' 40 ' 60 ' 80 ' ю'0 ' 120 ' 140 ' 160 ' 180

^ с

0 20 ' 40 ' 60 ' 80 '100 '120 ' 140 160 180

г, с

Рис. 2 \ Типовые графики перфузии для европейского (а) и африканского (б) типа кожи в области предплечья правой руки

6

6

5

5

4

2

1

Таблица 1 | Результаты экспериментальных исследований

Область обследования Температура, °С Im, пф. ед.

Т ± s 1 ср и S, % М ± s S, %

Поверхность пальца:

европейцы (п = 92) 35,6±1,2 3,2 20,4±4,3 21,3

индийцы (п = 30) 32,1±2,3 6,4 21,1±5,1 24,4

арабы (п = 16) 27,7±4,8 17,3 11,9±8,5 71,3

африканцы (п = 4) 35,4±0,3 0,9 20,2±3,0 15,1

Предплечье:

европейцы (п = 75) 35,5±0,9 2,4 2,3±0,7 30,9

индийцы (п = 27) 34,9±1,9 5,4 3,6±1,3 36,6

арабы (п = 13) 32,6±3,4 10,3 3,2±1,1 33,1

африканцы (п = 4) 35,6±0,1 0,4 1,8±0,3 10,2

троцитов в единице объема зондируемой ткани, а также с помощью среднеквадратического отклонения ст амплитуды колебаний кровотока от М и коэффициента вариации 8. Также обработка проводилась по и-критерию Манна—Уитни с доверительной вероятностью 95 %. И-критерий Манна— Уитни — статистический критерий, используемый для оценки различий между двумя независимыми выборками по уровню какого-либо признака, измеренного количественно, а также для выявления различий в значениях параметра между малыми выборками. Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Оценивая полученные результаты в области кожи пальца, можно отметить однородность Im, что, вероятно, связано с примерно одинаковым уровнем концентрации меланина. Однако на единственном добровольце с арабским типом кожи значение !т занижено (11,9 ± 8,5 пф. ед.), что, вероятно, связано с пониженной температурой пальцев (27,7 ± 4,8 °С).

Анализируя результаты в области предплечья, можно заметить некоторое увеличение перфузии в группах людей с индийским (3,6 ± 1,3 пф. ед.) и арабским (3,2 ± 1,1 пф. ед.) типами кожи по сравнению с группой европейцев. В группе добровольцев с африканским типом кожи отмечено некоторое уменьшение сигнала по сравнению с другими группами добровольцев.

В связи с неоднозначностью экспериментальных данных было также проведено моделирование вклада рассеяния и поглощения в общее затухание зондирующего излучения на основе опубликован-

ных оптических свойств биотканей человека путем добавления различного содержания меланина.

Кожа рассматривалась как многослойная структура, коэффициенты поглощения слоев которой учитывали концентрацию крови Cbiood, содержание воды СНа0 и меланина Cmei [10]:

,, Stratum corneum \ .. H2O /л

Va (X) = CH2O Va (X) +

+

VE^™» =

VaermiS

H O

где va 2 (X) — коэффициент поглощения воды; Vm el(X) — коэффициент поглощения меланина; v^lood(X) — коэффициент поглощения крови; VbaSeline (X) — коэффициент поглощения других безводных тканей.

Параметры, используемые для расчета коэффициентов поглощения слоев, представлены в табл. 2.

Коэффициенты рассеяния слоев рассчитывали с учетом комбинации Ми и рэлеевского рассеяния, предложенной в работе [17]:

. Rayleigh

M-s

(X) = 2 • 1012X-4;

vMie(X) = 2 • 105X-1'5;

Таблица 2 ¡Параметры, используемые для расчета коэффициентов поглощения слоев

Слой Cblood CH2° Cmel vH2°

Роговой 0 0,05 0 Ист. [11, 12] Ист. [13, 14] Ист. [15] Ист. [16]

Эпидермис 0 0,2 0,01-0,43

Дерма 0,002 0,5 0

а) 1000

н к ф к а к

п о М

100

10

1

X та

б) 1000

300 400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

в)

1000

К

а к

m о М

100

10

1

300 400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

н

К щ

S

а s

п о М

100

10

1

ms

та

300 400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

г) 1000

н

к щ

S

я к

п О

М

100-

10

1

mt ms

та

300 400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

Рис. 3

Графические зависимости вклада рассеяния и поглощения в общее затухание зондирующего излучения для Сте1 = 1 %

и Rayleigh + ..Mie Ms Ms Trs

Общий коэффициент затухания рассчитывался как

. stratum corneum

и* = Иа

.epidermis + Иа

.dermis Иа

+

Иs

В итоге получены графические зависимости, поясняющие вклад рассеяния и поглощения в общее затухание зондирующего излучения для различных уровней меланина (рис. 3).

Из полученных графических зависимостей видно, что с приближением к ближнему инфракрасному диапазону основной вклад в затухание зондирующего излучения при содержании меланина порядка 10 % вносит в большей степени эффект рассеяния. При дальнейшем увеличении пигментации кожи доминирующим становится поглощение.

В настоящее время в приборах для лазерной до-плеровской флоуметрии используются различные длины волн. Так, в ЛАКК-01 использовалась длина волны 630 нм, а в более поздних модификациях приборов (ЛАКК-02, ЛАКК-ОП и ЛАКК-М) — 830 и 1064 нм. При увеличении длины волны уменьшается поглощение меланином ЛДФ-сигнала, вместе с тем увеличиваются его отражающая способность

и поглощение водой, что также необходимо учитывать при интерпретации получаемых данных.

Заключение

Экспериментальные исследования и теоретическое моделирование показывают, что повышение уровня содержания меланина в коже снижает регистрируемые показатели ЛДФ.

Дальнейшей перспективой исследования является анализ сигналов в лазерной доплеровской флоуметрии, в частности анализ ритмических составляющих кожного кровотока, при различных концентрациях меланина и длинах волн зондирования (от 630 до 1100 нм), так как имеющаяся сейчас выборка не позволяет сделать однозначного вывода. Однако уже полученные данные свидетельствуют о том, что базовые показатели ЛДФ могут существенно варьироваться у обследуемых с разным количеством меланина в коже.

Таким образом, при сравнительном тестировании состояния микроциркуляции крови у обследуемых с разным уровнем содержания меланина в коже следует выбирать те области исследования, которые помогут избежать эффекта экранирования

ЛДФ-сигнала от гиперпигментированной кожи, например вентральную поверхность кисти руки. Полученные данные необходимо учитывать как при интепретации регистрируемой методом ЛДФ диагностической информации, так и при разработке и обосновании медико-технических требований для приборов ЛДФ.

Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки РФ для ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (№ 310).

Литература

1. Крупаткин А. И., Сидоров В. В. Функциональная диагностика микроциркуляторно-тканевых систем: колебания, информация, нелинейность. М.: ЛИБРОКОМ, 2013. 496 с.

2. Investigating tissue respiration and skin microhaemocirculation under adaptive changes and the synchronization of blood flow and oxygen saturation rhythms / A. V. Dunaev, V. V. Sidorov, A. I. Krupatkin [et al.] // Physiological Measurement. 2014. Vol. 35. N 4. P. 607-621.

3. Лазерная допплеровская флоуметрия в оценке состояния и расстройств микроциркуляции крови / В. И. Козлов, Г. А. Азизов, О. А. Гурова, Ф. Б. Литвин. М.: Изд-во РУДН, 2012. 32 с.

4. Оптическая биомедицинская диагностика: в 2 т. Т. 2 / Пер. с англ. под ред. В. В. Тучина. М.: Физматлит, 2007. 368 с.

5. Jacques S. L. Optical properties of biological tissues: a review // Physics in medicine and biology. 2013. Vol. 58. P. 37-61.

6. Substantiation of medical and technical requirements for noninvasive spectrophotometric diagnostic devices / A. V. Dunaev, E. A. Zherebtsov, D. A. Rogatkin [et al.] // Journ. of Biomedical Optics. 2013. Vol. 18. N 10. P. 107009.

7. Метрологическое обеспечение биомедицинских приборов и технологий для функциональной диагностики / К. В. Под-

мастерьев, А. В. Дунаев, А. В. Козюра, Е. А. Жеребцов // Биотехносфера. 2012. № 5-6 (23-24). С. 92-96.

8. Laser reflectance oximetry and Doppler flowmetry in assessment of complex physiological parameters of cutaneous blood microcirculation / A. V. Dunaev, V. V. Sidorov, N. A. Stewart // Proc. SPIE. 2013 Vol. 8572. P. 857205.

9. Метод и устройство метрологического контроля приборов лазерной допплеровской флоуметрии / Е. А. Жеребцов, А. И. Жеребцова, А. В. Дунаев, К. В. Подмастерьев // Мед. техника. 2014. № 4. C. 18-21.

10. Human tissue color as viewed in high dynamic range optical spectral transmission measurements / G. I. Petrov, A. Doronin, H. T. Whelan [et al.] // Biomedical Optics Express. 2012. Vol. 3. N 9. P. 2154-2161.

11. Buiteveld H., Hakvoort J. M. H., Donze M. The optical properties of pure water // Proc. SPIE. 1994. Vol. 2258. P. 174-183.

12. Kou L., Labrie D., Chylek P. Refractive indices of water and ice in the 0,65- to 2,5-pm spectral range // Appl. Opt. 1993. Vol. 32. N 19. P. 3531-3540.

13. Jacques S. L., McAuliffe D. J. The melanosome: threshold temperature for explosive vaporization and internal absorption coefficient during pulsed laser irradiation // Photochem. Photobiol. 1991. Vol. 53. N 6. P. 769-775.

14. Jacques S. L., Glickman R. D., Schwartz J. A. Internal absorption coefficient and threshold for pulsed laser disruption of melanosomes isolated from retinal pigment epithelium // Proc. SPIE. 1996. Vol. 2681. P. 468-477.

15. Douven L. F. A., Lucassen G. W. Retrieval of Optical Properties of Skin from Measurement and Modelling the Diffuse Reflectance // Proc. SPIE. 2000. Vol. 3914. P. 312323.

16. Saidi I. S. Transcutaneous optical measurement of hyperbilirubinemia in neonates // Ph. D. dissertation. USA: Rice University, 1992.

17. Jacques S. L. Origins of tissue optical properties in the UVA, Visible, and NIR regions // OSA TOPS on Advances in Optical Imaging and Photon Migration. 1996. Vol. 2. P. 364-369.

(Г \

Как оформить подписку?

• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) — индекс № 45886, через агентство «Урал-Пресс».

• Через редакцию (с любого номера текущего года), отправив по факсу (812) 312-53-90 или электронной почтой gfm@polytechnics.spb.ru заполненный запрос счета на подписку.

Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»

Полное название организации_

Юридический адрес_

Банковские реквизиты. Адрес доставки_

Срок подписки Количество экземпляров

Телефон Факс e-mail

Ф.И.О. исполнителя

Стоимость одного номера журнала при подписке через редакцию — 550 руб. с добавлением стоимости доставки (простой бандеролью). К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет-фактура. Журнал выходит 6 раз в год. Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru

Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.