Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Физика \ Механика

Взаимосвязь кислородной сатурации и кровотока для различных структурных звеньев микроцирокуляторного русла кожи человека

Взаимосвязь кислородной сатурации и кровотока для различных структурных звеньев микроцирокуляторного русла кожи человека

Автор: Красников Г.В., Мизева И.А.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 2 (104) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Важнейшей функцией кардиореспираторной системы человека является снабжение тканей кислородом, ключевую роль в решении этой задачи играет микроциркуляторное русло. На сегодняшний день физиологически важная взаимосвязь между насыщением кислородом тканей и кровотоком остается недостаточно изученной. Целью данного исследования является оценка взаимосвязи колебаний микроциркуляторного кровотока и кислородной сатурации тканей в коже в зависимости от скорости кровотока и типа микрососудов в нативных условиях и при локальном нагреве. В работе использованы измерения, опубликованные в открытой базе данных, полученные при помощи метода EPOS , в котором совмещены зонд для измерения перфузии тканей, дифференцированной по типам микрососудов, датчик определения оксигенации ткани и нагреватель. Из базы выбраны данные, собранные при проведении теста с локальным нагревом до 40°С. Получено, что, в отличие от спектров перфузии, спектры оксигенации ткани сосредоточены в низкочастотной области. Продемонстрированы особенности взаимосвязи уровня кислородной сатурации и колебаний кровотока в микрососудах кожи человека в зависимости от их типа. Сигнал оксигенации модулируется течением крови в широком диапазоне частот, при этом низкочастотные модуляции, соответствующие эндотелий зависимым, нейрогенным и миогенным колебаниям, имеют более сильную связь уровня SO2 и колебаний перфузии. Такие колебания являются функционально значимыми, связанными с процессами экстракции кислорода. Более тесная корреляция между низкочастотными колебаниями SO2 и колебаниями кровотока характерна для компонентов перфузии, ассоциируемых с капиллярным кровотоком и мелкими артериолами.

Еще

Микроциркуляция крови, оксигенация тканей, технология epos, колебания кровотока

Короткий адрес: https://sciup.org/146282979

IDR: 146282979   |   УДК: 531/534:   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.07

Relation of oxygen saturation and blood flow in different structural parts of the microvscular system of the human skin

The most important function of the human cardiorespiratory system is the supply tissues by oxygen and the microvascular system plays a key role in this process. To date, the physiologically important relationship between tissue oxygen saturation and blood flow remains insufficiently studied. The aim of this study is to estimate the relationship between blood flow fluctuations in the microvessels and tissue oxygen saturation in skin as a function of blood flow velocity and microvessel type under native conditions and during local heating. This work utilizes measurements published in an open database obtained with the EPOS method, which combines a probe for measuring tissue perfusion differentiated by microvessel type, a sensor for determining tissue oxygenation, and a heater. The data collected during the test with local heating up to 40°C were selected from the database. It was obtained that unlike perfusion spectra, tissue oxygenation spectra are concentrated in the low-frequency region. The peculiarities of the relationship between the oxygen saturation level and blood flow fluctuations in human skin microvessels depending on their type have been demonstrated. The oxygenation signal is modulated by blood flow in a wide range of frequencies, with low-frequency modulations corresponding to endothelium-dependent, neurogenic, and myogenic oscillations having a stronger relationship between SO2 level and perfusion fluctuations. Such oscillations are functionally significant, related to oxygen extraction processes. Higher correlation of low-frequency SO2 fluctuations and blood flow fluctuations is typical for perfusion components associated with capillary blood flow and small arterioles.

Еще

Список литературы Взаимосвязь кислородной сатурации и кровотока для различных структурных звеньев микроцирокуляторного русла кожи человека

  • Исследование структуры кровотока в персонифицированных моделях ответвления шунта от бедренной артерии / А.Д. Юхнев, А.А. Маринова, Е.М. Смирнов, Я.А. Гатаулин, Л.Г. Тихомолова, А.А. Врабий, А.А. Супрунович // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, № 4. - С. 25-39.
  • Численное моделирование течения жидкости в венозном клапане при пробе Вальсальвы / Я.А. Гатаулин, Е.Д. Никитин, А.Д. Юхнев, Д.А. Росуховский // Российский журнал биомеханики. - 2022. - № 3. - С. 78-86.
  • Шабрыкина, Н.С. Математическая модель микроциркуляции для прогнозирования реперфузионного синдрома у пациентов с сахарным диабетом / Н.С. Шабрыкина, П.С. Лукин // Российский журнал биомеханики. - 2022, № 4. - С. 89-97.
  • An association between vasomotion and oxygen extraction / C.E. Thorn, H. Kyte, D.W. Slaff, A.C. Shore // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2011. - Vol. 301, no. 2. - P. 442-449.
  • Braverman, I.M. The cutaneous microcirculation: Ultrastructure and microanatomical organization / I.M. Braverman // Microcirculation. - 1997. - Vol. 4, no. 3. - P. 329-340.
  • Coherence of fluctuations in blood flow with those in tissue oxygen saturation / A. Bernjak, P.V.E. McClintock, A. Stefanovska, P.J. Owen-Lynch, P.B.M. Clarkson // Fluct Noise Lett. - 2022. - Vol. 11. - P. 1-12.
  • Crandall, C.G. Mechanisms and modulators of temperature regulation / C.G. Crandall, T.E. Wilson, K.C. Kregel // J Appl Physiol. - 2010. - Т. 109, no. 4. - P. 1219-1220.
  • Crandall, C.G. What is new in microcirculation and tissue oxygenation monitoring? / C.G. Crandall, T.E. Wilson, K.C. Kregel // J. Clin. Monit. Comput. - 2022. - Vol. 36, no. 2. - P. 291-299.
  • Dynamics of Microvascular Blood Flow and Oxygenation Measured Simultaneously in Human Skin / K.Z. Kuliga, E.F. McDonald, R. Gush, C. Michel, A.J. Chipperfield, G.F. Clough // Microcirculation. - 2014. - Vol. 21, no. 6. -P. 562-573.
  • Fredriksson, I. Model-based quantification of skin microcirculatory perfusion / I. Fredriksson, M. Larsson, T.Stromberg // In: Computational biophysics of the skin. 1st ed. Boca Raton: CRC Press. - 2015. - P. 395-418. Fredriksson, I. Model-based quantitative laser Doppler flowmetry in skin / I. Fredriksson // J Biomed Opt. - 2010. -Vol. 15, no. 5. - P. 12.
  • Frick, P. Skin temperature variations as a tracer of microvessel tone / P. Frick, I. Mizeva, S. Podtaev // Biomed. Signal Process Control. - 2015. - Vol. 21. - P. 085002.
  • Gibson, A.P. Recent advances in diffuse optical imaging / A.P. Gibson, J.C. Hebden, S.R. Arridge // Phys Med Biol. -2005. - Vol. 50, no. 4. - P. 1-43.
  • Goldman, D.A computational study of the effect of vasomotion on oxygen transport from capillary networks / D. Goldman, A.S. Popel // J. Theor. Biol. - 2001. - Vol. 209, no. 2. - P. 189-199.
  • Imaging photoplethysmography quantifies endothelial dysfunction in patients with risk factors for cardiovascular complications / N.P. Podolyan, I.A. Mizeva, O.V. Mamontov, V.V. Zaytsev, A.V. Belaventseva, A.V. Sakovskaia, R.V. Romashko, A.A. Kamshilin // Biomed Signal Process Control. - 2023. - Vol. 86. - P. 105168.
  • Impact of local thermal stimulation on the correlation between oxygen saturation and speed-resolved blood perfusion / G. Wang, S. Jia, M. Liu, X. Song, H. Li, X. Chang, W. Zhang // Sci. Rep. - 2020. - Vol. 10, no. 1. - P. 183.
  • Impaired cerebral oxygenation in heart failure patients at rest and during head-up tilt testing / I. Kharraziha, H. Holm, M. Magnusson, P. Wollmer, J. Molvin, A. Jujic, A. Fedorowski, E. Bachus, V. Hamrefors // ESC Heart Fail. - 2021. - Vol. 8, no. 1. - P. 586-594.
  • Improved model for myocardial diffuse reflectance spectra by including mitochondrial cytochrome aa3, methemoglobin, and inhomogenously distributed RBC / T. Lindbergh, E. Haggblad, H. Ahn, E. Goran Salerud, M. Larsson, T. Stromberg // J. Biophotonics. - 2011. - Vol. 4, no. 4. -P. 268-276.
  • Inverse Monte Carlo in a multilayered tissue model: merging diffuse reflectance spectroscopy and laser Doppler flowmetry / I. Fredriksson, O. Burdakov, M. Larsson, T. Stromberg // J Biomed Opt. - 2013. - Vol. 18, no. 12. - P. 127004.
  • Is mean blood saturation a useful marker of tissue oxygenation? / C.E. Thorn, S.J. Matcher, I.V. Meglinski., A.C. Shore // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2009. -Vol. 296, no. 5. - P. 1289-1295.
  • Krupatkin, A.I. Cardiac and respiratory oscillations of the blood flow in microvessels of the human skin / A.I. Krupatkin // Hum. Physiol. - 2008. - Vol. 34, no. 3. - P. 323-329.
  • Large arteriolar component of oxygen delivery implies a safe margin of oxygen supply to cerebral tissue / S. Sakadzic, E.T. Mandeville, L. Gagnon, J.J. Musacchia, M.A. Yaseen, M.A. Yucel, J. Lefebvre, F. Lesage, A.M. Dale, K. Eikermann-Haerter, C. Ayata, V.J. Srinivasan, E.H. Lo, A. Devor, D.A. Boas // Nat. Commun. - 2014. - Vol. 5. - P. 5734.
  • Liebert, A. Decomposition of a laser-Doppler spectrum for estimation of speed distribution of particles moving in an optically turbid medium: Monte Carlo validation study / A. Liebert, N. Zolek, R. Maniewski // Phys. Med. Biol. -2006. - Vol. 51, no. 22. - P. 5737.
  • Local nature of 0.1 Hz oscillations in microcirculation is confirmed by imaging photoplethysmography / I. Mizeva, N. Podolyan, O. Mamontov, A. Sakovskaia, A. Kamshilin // arxiv: 2405.18760. - 2024. - P. 25.
  • Marinova, R. Tissue oxygenation measurments in patients with sepsis compared to the lactate levels and hemodynamical monitoring / R. Marinova, V. Groudeva, P. Krastev // Comptes Rendus de L'Academie Bulgare des Sciences. - 2022. - Vol. 75, no. 8. - P. 1202-1209.
  • Minson, C.T. Nitric oxide and neurally mediated regulation of skin blood flow during local heating / C.T. Minson, L.T. Berry, M.J. Joyner // J. Appl. Physiol. - 2001. - Vol. 91, no. 4. - P. 1619-1626.
  • Minson, C.T. Thermal provocation to evaluate microvascular reactivity in human skin / C.T. Minson // J Appl Physiol. -2010. - Vol. 109, no. 4. - P. 1239-1246.
  • Mizeva, I. Relationship of oscillating and average components of laser Doppler flowmetry signal / I. Mizeva, P. Frick, S. Podtaev // J. Biomed. Opt. - 2016. - Vol. 21, no. 8. - P. 85002.
  • Monnet, X. Which haemodynamic monitoring should we chose for critically ill patients with acute circulatory failure? / X. Monnet, C. Lai // Curr. Opin. Crit. Care. - 2023. - Vol. 29, no. 3. - P. 275-280.
  • Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) for Cerebral and Tissue Oximetry: Analysis of Evolving Applications / J. Ali, J. Cody, Y. Maldonado, H. Ramakrishna // J. Cardiothorac Vasc. Anesth. - 2022. - Vol. 36, no. 8. - P. 2758-2766.
  • Normative data and the influence of age and sex on microcirculatory function in a middle-aged cohort: Results from the SCAPIS study / H. Jonasson, S. Bergstrand, I. Fredriksson, M. Larsson, C.J. Ostgren, T. Stromberg // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2020. - Vol. 318, no. 4. -P. 908-915.
  • Oxygen saturation, red blood cell tissue fraction and speed resolved perfusion - A new optical method for microcirculatory assessment / H. Jonasson, I. Fredriksson, A. Pettersson, M. Larsson, T. Stromberg // Microvasc Res. -2015. - Vol. 102. - P. 70-77.
  • Palmer, G.M. Monte Carlo-based inverse model for calculating tissue optical properties. Part I: Theory and validation on synthetic phantoms / G.M. Palmer, N. Ramanujam // Appl Opt. - 2006. - Vol. 45, no. 5. -P. 1062-1071.
  • Pittman, R.N. Oxygen transport and exchange in the microcirculation / R.N. Pittman // Microcirculation. - 2005. -Vol. 12, no. 1. - P. 59-70.
  • pO(2) measurements by phosphorescence quenching: Characteristics and applications of an automated system / H. Kerger, G. Groth, A. Kalenka, P. Vajkoczy, A.G. Tsai, M. Intaglietta // Microvasc Res. - 2003. - Vol. 65, no. 1. -P. 32-38.
  • Poole, D.C. Capillary-mitochondrial oxygen transport in muscle: Paradigm shifts / D.C. Poole, T.I. Musch // Function. - 2023. - Vol. 4, no. 3. - P. zqad013.
  • Skin microvascular endothelial dysfunction is associated with type 2 diabetes independently of microalbuminuria and arterial stiffness / H. Jonasson, S. Bergstrand, F.H. Nystrom, T. Lanne, C.J. Ostgren, N. Bjarnegard, I. Fredriksson, M. Larsson, T. Stromberg // Diab Vasc Dis Res. - 2017. -Vol. 14, no. 4. - P. 363-371.
  • Spatial heterogeneity in the time and frequency properties of skin perfusion / M. Sorelli, Z. Stoyneva, I. Mizeva, L. Bocchi // Physiol. Meas. - 2017. - Vol. 38, no. 5. - P. 860-876.
  • Speed-resolved blood perfusion and oxygen saturation in human skin response to thermal stimulation / S.Y. Wang, Y.K. Ai, Y.Y. Tian, Q.Z. Wang, S.Y. Jia, F. Xiong, X.J. Song, W.B. Zhang, G. Wang // TMR Modern Herb Med. - 2022. -Vol. 5, no. 1. - P. 2.
  • Stefanovska, A. Wavelet analysis of oscillations in the peripheral blood circulation measured by laser Doppler technique / A. Stefanovska, M. Bracic, H.D. Kvernmo // IEEE Trans Biomed Eng. - 1999. - Vol. 46, no. 10. - P. 1230-1239.
  • Thanaj, M. Analysis of microvascular blood flow and oxygenation: Discrimination between two haemodynamic steady states using nonlinear measures and multiscale analysis / M. Thanaj, A.J. Chipperfield, G.F. Clough // Comput. Biol. Med. - 2018. - Vol. 102. - P. 157-167.
  • Thorn, C.E. The role of perfusion in the oxygen extraction capability of skin and skeletal muscle / C.E. Thorn, A.C. Shore // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2016. -Vol. 310, no. 10. - P. 1277-1284.
  • Time-Dependent Behavior of Microvascular Blood Flow and Oxygenation: A Predictor of Functional Outcomes / K.Z. Kuliga, R. Gush, G.F. Clough, A. Chipperfield // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 2018. - Vol. 65, no. 5. - P. 1049-1056.
  • Vasomotion analysis of speed resolved perfusion, oxygen saturation, red blood cell tissue fraction, and vessel diameter: Novel microvascular perspectives / I. Fredriksson, M. Larsson, T. Stromberg, F. Iredahl // Skin Res. Technol. -2022. - Vol. 28, no. 1. - P. 142-152.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp