Оцінювання функціонального стану мікроциркуляції крові в тканинах людини методами спекл-метрії і допплерівської флоуметрії

Abstract

На основі аналітичної методики оцінювання параметрів спекл-структури, що формується багато­кратно розсіяним світлом в багатошаровій біологічній тканині типу шкіри людини на довжинах хвиль видимого — ближнього ІЧ діапазону спектра, використання відомих розв’язків рівняння переносу випромінювання в біологічній тканині і зв’язку теорії поширення світла в розсіювальних середовищах з теорією когерентності побудована математична модель поширення лазерного випромінювання у біологічній тканині. Використовуючи механіку багатофазних середовищ, кров для математичного моделювання початково вважали двофазною в’язкою суспензією, що складається з таких фаз: пристінкового і приосьового шарів плазми з еритроцитами. Моделювання руху крові по судинах проводилося з урахуванням низки аномальних ефектів (реологічних властивостей) течії крові: ефекту Фареуса, безеритроцитного пристінкового шару плазми, ефекту Фареуса–Ліндквіста і тупого профілю швидкості крові. Характеристики мікроциркуляції крові в тканинах людини досліджували неінвазивним спекл-оптичним методом з використанням апарата «Speckle-Scan». У частотному діапазоні 40…1000 Гц визначали потужність спектра, середню частоту спектра і середньоквадратичну швидкість руху частинок. Одночасно досліджували шкірну мікрогемодинаміку за допомогою ультразвукової допплерографії (УЗДГ) з використанням приладу «Мінімакс-Допплер-К». За кривою середньої швидкості визначали середню лінійну і середню об’ємну швидкості кровотоку. Дані, отримані УЗДГ і апаратом «Speckle-Scan», порівнювались між собою і математичною моделлю поширення лазерного випромінювання в мікрогемоциркуляторному руслі. Встановлено, що параметр «середня частота спектра» більшою мірою відображає перфузію, а величина площі під спектральною кривою — ємність капілярного русла. Встановлено, що усереднена потужність спектра флуктуацій інтенсивності розсіяного випромінювання після декомпресії судини збільшується приблизно на 15 % у порівнянні з нормальним станом. Отримано автокореляційні функції флуктуацій поля при розсіюванні назад частинок за різної величини тисків після декомпресії плечової артерії у різні часові відрізки реєстрації змін. Нахил автокореляційної функції, що залежить від тиску, можна використовувати для діагностики тонусу (еластичності) судин. Запропоновано методич­ні підходи для оцінювання отриманих даних з метою верифікації спекл-вимірювань за допомогою широко поширеної методики допплерівської флоуметрії.

Based on an analytical method for estimating parameters of a speckle structure formed by multiple scattered light in multilayer biological tissue such as human skin at visible wavelengths - the near-IR range, using known solutions of the radiation transfer equation in biological tissue and linking the theory of light propagation in a scattering medium to coherence theory built a mathematical model of the propagation of laser radiation in biological tissue. Using the mechanics of multiphase media, blood for mathematical modeling was initially considered a two-phase viscous suspension consisting of two phases: a parietal and an axial plasma layer with erythrocytes. The blood flow through vessels was modeled taking into account a number of anomalous effects (rheological properties) of blood flow: the Farus effect, the non-erythrocyte parietal plasma layer, the Farus — Lindquist effect, and the blunt blood velocity profile. The characteristics of microcirculation in human tissues were investigated by a non-invasive speckle-optical method using the Speckle-Scan device. In the frequency range of 40-1000 Hz, the power of the spectrum, the average frequency of the spectrum, and the root-mean-square velocity of the particles were determined. At the same time, skin microhemodynamics was investigated using Doppler ultrasound (USDG) using the Minimax-Doppler-K device. The mean linear and average volumetric blood flow rates were determined from the average velocity curve. The data obtained by the USDG and the Speckle-Scan devices were compared with each other and with a mathematical model of the propagation of laser radiation in the microcirculation channel. It was established that the parameter “average frequency of the spectrum” largely reflects the perfusion, and the area under the spectral curve reflects the capacity of the capillary bed. It has been established that the average power of the spectrum of fluctuations of the intensity of scattered radiation after decompression of a vessel increases by about 15 % in comparison with the normal state. The autocorrelation functions of the field fluctuations are obtained when the particles are scattered back at different pressures after decompression of the brachial artery into a difference in the time periods for registering changes. The slope of the autocorrelation function, depending on pressure, can be used to diagnose the tone (elasticity) of blood vessels. Methodical approaches are proposed for evaluating the obtained data in order to verify speckle measurements using the widely used Doppler flowmetry technique.

На основе аналитической методики оценки параметров спекл-структуры, формируемой многократно рассеянным светом в многослойной биологической ткани типа кожи человека на длинах волн видимого — ближнего ИК диапазона спектра, использования известных решений уравнения переноса излучения в биоткани и связи теории распространения света в рассеивающей среде с теорией когерентности построена математическая модель распространения лазерного излучения в биоткани. Используя механику многофазных сред, кровь для математического моделирования исходно считали двухфазной вязкой суспензией, состоящей из двух фаз: пристеночного и приосевого слоев плазмы с эритроцитами. Моделирование движения крови по сосудам проводилось с учетом ряда аномальных эффектов (реологических свойств) течения крови: эффекта Фареуса, безэритроцитного пристеночного слоя плазмы, эффекта Фареуса–Линдквиста и тупого профиля скорости крови. Характеристики микроциркуляции крови в тканях человека исследовали неинвазивным спекл-оптическим методом с использованием аппарата «Speckle-Scan». В частотном диапазоне 40…1000 Гц определяли мощность спектра, среднюю частоту спектра и среднеквадратическую скорость движения частиц. Одновременно исследовали кожную микрогемодинамику с помощью ультразвуковой допплерографии (УЗДГ) с использованием прибора «Минимакс-Допплер-К». По кривой средней скорости определяли среднюю линейную и среднюю объемную скорости кровотока. Данные, полученные УЗДГ и аппаратом «Speckle-Scan», сопоставлялись между собой и математической моделью распространения лазерного излучения в микрогемоциркуляторном русле. Установлено, что параметр «средняя частота спектра» в большей степени отражает перфузию, а величина площади под спектральной кривой — емкость капиллярного русла. Установлено, что усредненная мощность спектра флуктуаций интенсивности рассеянного излучения после декомпрессии сосуда увеличивается примерно на 15 % в сравнении с нормальным состоянием. Получены автокорреляционные функции флуктуаций поля при рассеянии назад частиц с различной величиной давления после декомпрессии плечевой артерии в различные временные отрезки регистрации изменений. Наклон автокорреляционной функции, зависящей от давления, можно использовать для диагностики тонуса (эластичности) сосудов. Предложены методические подходы для оценки полученных данных с целью верификации спекл-измерений с помощью широко используемой методики допплеровской флоуметрии