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   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.2.07

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
Статья научная