Метод и устройство оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека на основе мультипараметрической оптической диагностики

Введение. Нарушения деятельности микроциркуляторно-тканевых систем организма человека играют ключевую роль в патогенезе осложнений различных заболеваний. Однако при неинвазивном мониторинге микроциркуляторной функции и метаболических нарушений существует ряд нерешенных методологических и инструментальных проблем, связанных с недостаточной точностью, воспроизводимостью и информативностью результатов диагностики. Предложенный в настоящей статье подход мультипараметрической оптической диагностики, при котором оптические неинвазивные технологии применяются в сочетанном виде, может стать перспективным инструментом, улучшающим чувствительность и точность выявления микроциркуляторных и метаболических нарушений на ранней стадии, что важно для диагностики и лечения заболеваний различного профиля.

Цель работы. Разработка метода и устройства для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека на основе мультипараметрической оптической диагностики и оценка их диагностического потенциала в клинической практике.

Материалы и методы. В работе использованы теории переноса излучения, прикладной математической статистики и методов клинических исследований. Приведены статистические показатели разработанных методов диагностики, описан принцип построения устройства.

Результаты. Разработан оригинальный метод и принцип построения устройства для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека на основе мультипараметрической оптической диагностики.

Заключение. В настоящей статье представлен метод и устройство для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека на основе указанного подхода. Описаны основные принципы каждого из диагностических каналов – лазерной доплеровской флоуметрии, флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения. Представлены примеры клинического применения описанного устройства в различных областях медицины (эндокринология, ревматология, мини-инвазивная хирургия). Предложенный метод и принцип построения устройства с возможностью его технической адаптации за счет разработки дополнительных зондов для конкретных задач биомедицинских исследований делает проведение оптической неинвазивной диагностики доступным и повышает ее информативность.

1. Крупаткин А. И., Сидоров В. В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: колебания, информация, нелинейность: руководство для врачей. М: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. 496 с.

2. Diabetes-associated macrovasculopathy: Pathophysiology and pathogenesis / S. Rahman, T. Rahman, A. A. S. Ismail, A. R. A. Rashid // Diabetes, Obesity and Metabolism. 2007. Vol. 9, № 6. P. 767–780. doi: 10.1111/j.1463-1326.2006.00655.x

3. Юшков П. В., Опаленов К. В. Морфогенез микроангиопатий при сахарном диабете // Сахарный диабет. 2001. № 1. doi: 10.14341/2072-0351-6109

4. Благинина И. И. Поражение системы микроциркуляции в зависимости от активности воспалительного процесса у больных ревматоидным артритом // Український ревматологічний журнал. 2008. С. 30–33.

5. Cutaneous vascular alterations in psoriatic patients treated with cyclosporine / G. Stinco, S. Lautieri, F. Valent, P. Patrone // Acta Derm. Venereol. 2007. Vol. 87, № 2. P. 152–154. doi: 10.2340/00015555-0216

6. Multiple pathogenic roles of microvasculature in inflammatory bowel disease: A jack of all trades / L. Deban, C. Correale, S. Vetrano, A. Malesci, S. Danese // American Journal of Pathology. 2008. Vol. 172, № 6. P. 1457–1466. doi: 10.2353/ajpath.2008.070593

7. Родин А. В., Плешков В. Г. Интраоперационная оценка жизнеспособности кишки при острой кишечной непроходимости // Вест. Смоленской гос. мед. академии. 2016. Т. 15, № 1.

8. Bigio I. J., Mourant J. R. Optical biopsy // Encycl. Opt. Eng. 2003. Vol. 1577. P. 1593. doi: 10.1081/E-EOE120009717

9. Мультимодальная диагностика и визуализация онкологических патологий / В. П. Захаров, И. А. Братченко, О. О. Мякинин, Д. Н. Артемьев, Д. В. Корнилин, С. В. Козлов, А. А. Морятов // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 8. С. 726–731.

10. Диагностика пигментированных кожных новообразований методами лазерно-индуцированной автофлуоресцентной и диффузной отражательной спектроскопии / Е. Борисова, П. Троянова, П. Павлова, Л. Аврамов // Квантовая электроника. 2008. Т. 38, № 6. С. 597–605. doi: 10.1070/QE2008v038n06ABEH013891

11. Early changes in the skin microcirculation and muscle metabolism of the diabetic foot / R. L. Greenman, S. Panasyuk, X. Wang, T. E. Lyons, T. Dinh, L. Longoria, J. M. Giurini, J. Freeman, L. Khaodhiar, A. Veves // Lancet. 2005. Vol. 366, № 9498. P. 1711–1717. doi: 10.1016/S0140-6736(05)67696-9

12. Early prediction of skin viability using visible diffuse reflectance spectroscopy and autofluorescence spectroscopy / C. Zhu, S. Chen, C. H. K. Chui, B. K. Tan, Q. Liu // Plast. Reconstr. Surg. 2014. Vol. 134, № 2. P. 240e-247e. doi: 10.1097/PRS.0000000000000399.

13. Fredriksson I., Fors C., Johansson J. Laser doppler flowmetry – a theoretical framework // Dep. Biomed. Eng. Linköping Univ. 2007. P. 6–7.

14. Oscillations in the human cutaneous blood perfusion signal modified by endothelium-dependent and endothelium-independent vasodilators / H. D. Kvernmo, A. Stefanovska, K. A. Kirkebøen, K. Kvernebo // Microvasc. Res. 1999. Vol. 57, № 3. P. 298–309. doi: 10.1006/mvre.1998.2139

15. Involvement of sympathetic nerve activity in skin blood flow oscillations in humans / T. Söderström, A. Stefanovska, M. Veber, H. Svensson // Am. J. Physiol. 2003. Vol. 284, № 5. P. H1638–H1646. doi: 10.1152/ajpheart.00826.2000

16. Крупаткин А. И. Влияние симпатической иннервации на тонус микрососудов и колебания кровотока кожи // Физиология человека. 2006. Т. 32, № 5. С. 584–592. doi: 10.1134/S0362119706050136

17. Крупаткин А. И. Колебания кровотока частотой около 0.1 Гц в микрососудах кожи не отражают симпатическую регуляцию их тонуса // Физиология человека. 2009. Т. 35, № 2. С. 183–191. doi: 10.1134/S036211970902008X

18. Roustit M., Cracowski J.-L. Assessment of endothelial and neurovascular function in human skin microcirculation // Trends Pharmacol. Sci. 2013. Vol. 34, № 7. P. 373–384. doi: 10.1016/j.tips.2013.05.007

19. Effect of local cold provocation on systolic blood pressure and skin blood flow in the finger / S. Bornmyr, J. Castenfors, E. Evander, G. Olsson, U. Hjortsberg, P. Wollmer // Clin. Physiol. 2001. Vol. 21, № 5. P. 570–575. doi: 10.1046/j.1365-2281.2001.00364.x

20. Сагайдачный А. А. Окклюзионная проба: методы анализа, механизмы реакции, перспективы применения // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2018. Т. 17, № 3. С. 5-22. doi: 10.24884/1682-6655-2018-17-3-5-22

21. Рогаткин Д. А. Физические основы лазерной клинической флюоресцентной спектроскопии in vivo // Медицинская физика. 2014. Т. 4, № 64. С. 78–96.

22. NAD(P)H and collagen as in vivo quantitative fluorescent biomarkers of epithelial precancerous changes / I. Georgakoudi, B. C. Jacobson, M. G. Müller, E. E. Sheets, K. Badizadegan, D. L. Carr-Locke, C. P. Crum, C. W. Boone, R. R. Dasari, J. Van Dam, M. S. Feld // Cancer Res. 2002. Vol. 62, № 3. P. 682–687.

23. In vivo native fluorescence spectroscopy and nicotinamide adinine dinucleotide/flavin adenine dinucleotide reduction and oxidation states of oral submucous fibrosis for chemopreventive drug monitoring / S. Sivabalan, C. P. Vedeswari, S. Jayachandran, D. Koteeswaran, C. Pravda, P. Aruna, S. Ganesan // J. Biomed. Opt. 2010. Vol. 15, № 1. P. 017010. doi: 10.1117/1.3324771

24. Fokkens B. T., Smit A. J. Skin fluorescence as a clinical tool for non-invasive assessment of advanced glycation and long-term complications of diabetes // Glycoconj. J. 2016. Vol. 33, № 4. P. 527–535. doi: 10.1007/s10719-016-9683-1

25. Галкина Е. М., Утц С. Р. Флуоресцентная диагностика в дерматологии // Саратовский научно-медицинский журн. 2013. Т. 9, № 3.

26. Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований / K. Uk, В. Б. Березин, Г. В. Папаян, Н. Н. Петрищев, М. М. Галагудза // Оптический журн. 2013. Т. 80, № 1. С. 56–67.

27. Тучин В. В. Оптическая биомедицинская диагностика: в 2 т.: учеб. издание. 2007. 559 с.

28. Diffuse reflectance spectroscopy for monitoring diabetic foot ulcer – A pilot study / S. Anand, N. Sujatha, V. B. Narayanamurthy, V. Seshadri, R. Poddar // Opt. Lasers Eng. 2014. Vol. 53. P. 1–5. doi: 10.1016/j.optlaseng.2013.07.020

29. Bradley R. S., Thorniley M. S. A review of attenuation correction techniques for tissue fluorescence // J. R. Soc. Interface. 2006. Vol. 3, № 6. P. 1. doi: 10.1098/rsif.2005.0066

30. Combined use of laser Doppler flowmetry and skin thermometry for functional diagnostics of intradermal finger vessels / E. A. Zherebtsov, A. I. Zherebtsova, A. Doronin, A. V. Dunaev, K. V. Podmasteryev, A. Bykov, I. Meglinski // J. Biomed. Opt. 2017. Vol. 22, № 4. P. 40502. doi: 10.1117/1.JBO.22.4.040502

31. Комплексный подход к неинвазивной оценке микроциркуляторно-тканевых нарушений в стопах пациентов с сахарным диабетом методами спектроскопии / Е. В. Потапова, В. В. Дремин, Е. А. Жеребцов, И. Н. Маковик, Е. В. Жарких, А. В. Дунаев, О. В. Пилипенко, В. В. Сидоров, А. И. Крупаткин // Оптика и спектроскопия. 2017. Т. 123, № 6. С. 946-956.

32. A new method of screening for diabetic neuropathy using laser Doppler and photoplethysmography / S. W. Kim, S. C. Kim, K. C. Nam, E. S. Kang, J. J. Im, D. W. Kim // Med Biol Eng Comput. 2008. Vol. 46, № 1. P. 61-67. doi: 10.1007/s11517-007-0257-z

33. Метод и устройство диагностики функционального состояния периферических сосудов верхних конечностей / А. И. Жеребцова, Е. А. Жеребцов, А. В. Дунаев, К. В. Подмастерьев, А. В. Коськин, О. В. Пилипенко // Мед. техника. 2017. № 1. С. 33-37.

34. Detection of angiospastic disorders in the microcirculatory bed using laser diagnostics technologies / I. N. Makovik, A. V. Dunaev, V. V. Dremin, A. I. Krupatkin, V. V. Sidorov, L. S. Khakhicheva, V. F. Muradyan, O. V. Pilipenko, I. E. Rafailov, K. S. Litvinova // J. Innov. Opt. Health Sci. 2018. Vol. 11, № 01. P. 1750016. doi: 10.1142/S179354581750016X

35. Postocclusive Hyperemia Measured with Laser Doppler Flowmetry and Transcutaneous Oxygen Tension in the Diagnosis of Primary Raynaud’s Phenomenon: A Prospective, Controlled Study / P. Maga, B. M. Henry, E. K. Kmiotek, I. Gregorczyk-Maga, P. Kaczmarczyk, K. A. Tomaszewski, R. Niżankowski // Biomed Res. Int. 2016. Vol. 2016. P. 9645705. doi: 10.1155/2016/9645705

36. Multimodal Optical Diagnostics of the Microhaemodynamics in Upper and Lower Limbs / A. I. Zherebtsova, V. V. Dremin, I. N. Makovik, E. A. Zherebtsov, A. V. Dunaev, A. Goltsov, S. G. Sokolovski, E. U. Rafailov // Front. Physiol. 2019. Vol. 10. Art. 416. doi: 10.3389/fphys.2019.00416

37. Fiber-Optic System for Intraoperative Study of Abdominal Organs during Minimally Invasive Surgical Interventions / K. Kandurova, V. Dremin, E. Zherebtsov, E. Potapova, A. Alyanov, A. Mamoshin, Y. Ivanov, A. Borsukov, A. Dunaev // Appl. Sci. 2019. Vol. 9, № 2. Art. 217. doi: 10.3390/app9020217

38. Optical fine-needle biopsy approach for intraoperative multimodal diagnostics in minimally invasive abdominal surgery / K. Kandurova, E. Potapova, V. Shupletsov, I. Kozlov, E. Seryogina, V. Dremin, E. Zherebtsov, A. Alekseyev, A. Mamoshin, A. Dunaev // Proc. SPIE. 2019. Vol. 11079. P. 1107948. doi: 10.1117/12.2526747