Photoreoplethysmography as a method for studying the regional blood supply to skin wounds

Abstract

In an experiment on pigs, the photoreoplethysmography method adapted for this purpose was used to characterize the blood supply to the granulation tissue of the bottom of skin wounds under various therapeutic effects. It has been shown that the method allows one to graphically record the state of volumetric blood flow in tissues, to carry out a comparative assessment of microcirculation in tissues due to the possibility of simultaneous registration in several places. The resulting photoreoplethysmograms make it possible to quantify the amplitude and time parameters of blood flow.

Full Text

Для выбора тактики ведения травматологических больных важное значение имеет определение жизнеспособности травмированных тканей. При исследовании воздействия лекарственных препаратов на заживление кожных повреждений также возникает необходимость в оценке локального кровотока в тканях дна раны. Наиболее распространенным методом, применяемым для этой цели, является капилляроскопия, основанная на микроскопии тканей при сильном боковом освещении [2]. Однако достаточно давно предложен другой пассивный метод, в котором используется регистрация колебаний светового потока, прошедшего сквозь слой изучаемых тканей либо рассеянного и отраженного из них,— фотореоплетиз мография, применяемая в основном с целью регистрации частоты пульса [1]. Для исследоваНИЯ микроциркуляций в эксперименте мы предприняли попытку адаптировать этот метод применительно к поставленной задаче: характеристика и сравнительная оценка кровоснабжения грануляционной ткани дна ран кожи при различных лечебных воздействиях.
Принцип метода состоит в облучении исследуемой области светом из специального излучателя; свет проникает в ткань и рассеивается в ней, часть светового потока поглощается, а часть отражается, выходит из ткани и воздействует на фотоприемник, генерируя в нем фототок.
Степень поглощения света определяется наличием в ткани целого ряда факторов, в число которых входят элементы крови, и в первую очередь эритроциты, обладающие высокой способностью поглощать лучи света инфракрасного диапазона [3].
Данный процесс описывается формулой:
Дшф — /'исх--Fpac-(.FTKH + ГэрЛ
где /’ннф — отраженный поток, улавливаемый фотоприемником; Гисх — общий излучаемый поток света; Грас — суммарная часть рассеянного света, не попавшая в область захвата фотоприемника; Гткн — часть света, поглощенная тканевыми элементами; Гэр — часть света, поглощенная элементами крови.
Так как в реальном времени из всех показателей меняется только Гэр, можно записать:
^инф = К — Fap,
где К — часть светового потока, воздействующая на фотоприемник и имеющая постоянный характер.
Таким образом, фототок, генерируемый в фотоприемнике, состоит из постоянной и переменной составляющих, последняя зависит от колебаний кровенаполнения во время сердечного цикла. При увеличении кровенаполнения фототок падает, при уменьшении возрастает. На долю переменной части приходится около 5 — 8 % общего фототока.
Выделение переменного компонента и его графическая регистрация составляют техническую основу метода фотореоплетизмографии.
Нами изготовлены специальные фотодатчики, в которых излучатель света расположен в 7 мм от фотоприемника. Конструктивно принят ряд мер для исключения прямой оптической связи излучателя и приемника. Датчики устанавливаются на исследуемую поверхность контактным способом. При подборе спектральных характеристик света мы остановились на инфракрасном диапазоне, поскольку, по имеющимся в литературе данным [31, при длине волны света 0,80 — 0,82 нм (инфракрасный диапазон) отмечается пик коэффициента поглощения для гемоглобиновой фракции крови.
Применению метода в эксперименте предшествовало детальное изучение распространения светового потока в тканях, для чего были изготовлены дискретные излучатель и приемник. Выявлены: высокая линейность оптической пары в диапазоне тока излучателя от 0,5 до 20 мА; проникновение светового потока сквозь слой комплекса тканей толщиной 30 мм (ткани пястья) при токе излучателя 10 мА, потеря мощности светового потока при этом не сказывается на достоверности регистрируемой переменной составляющей.
Поскольку планируется учет отраженного света, в нашей модели большое значение имеет закон полного отражения, согласно которому лучи света в месте соприкосновения двух сред проходят из оптически менее плотной в более плотную среду, но полностью отражаются От поверхности раздела сред в обратном направлении. Иными словами, при освещении подкожной клетчатки (в нашем случае) световой поток достигает мышечной ткани, проникает в нес, рассеивается, но обратно нс возвращается, так как оптическая плотность мышечной ткани значительно выше.. Следовательно, информация, заключенная в отраженном световом потоке, характеризует состояние кровотока именно в подкожной клетчатке в области установленного фотодатчика. Минимальная толщина изучаемой ткани при отдалении фотоприемника от излучателя на 7 мм — 1 мм.
Чтобы иметь возможность проводить исследование одновременно в нескольких точках, нами был разработан 6-канальный анализатор фототока. Каждый из каналов анализатора содержит прецизионный источник тока излучателя, оптическую пару излучатель — приемник, усилитель фототока, дифференциатор, фильтр высокой частоты, инвертирующий усилитель тока низкой частоты. Предусмотрена возможность вычитания сигнала любого канала из 5 остальных, что дает дополнительную информацию при качественной и количественной оценке реограмм. Запись производилась на 6-канальный лабораторный регистратор, скорость регистрации 50 мм/с, калибровка импульсом 300 мВ.
Схемотехническое построение тракта обработки фототока от датчика позволяет записывать свободные от наводок и шумовых составляющих реограммы в формате импедансной рсоплетизмог рафии (ИРПГ), что в свою очередь дает основание использовать при расчетах результатов элементы оценки ИРПГ.
На представленной на рисунке фотореопле тизмограмме, полученной с одной из ран, можно выделить волны первого порядка (1)— пульсовые и волны второго порядка (2)— обусловленные колебаниями кровенаполнения, связанными с изменением внутригрудного давления при дыхании.

Фотореоплетизмограмма, полученная с кожной раны свиньи. Объяснения в тексте.

Для анализа реограммы используются следующие показатели: амплитуда, характеризующая интенсивность объемного кровотока в исследуемой области; временные, параметры — время фазы
подъема и фазы спуска, отражающие целый ряд параметров локального кровотока, таких как тонус терминальных отделов сосудистой сети, энергия пульсовой волны и их соотношение.
Метод был использован нами для характеристики и сравнительной оценки кровоснабжения грануляционной ткани дна 180 кожных ран свиней при разных лечебных воздействиях. Выявлена четкая количественная корреляция между объемной скоростью кровотока на разных этапах раневого процесса, интенсивностью развития грануляционной ткани и эпителизацией раневой поверхности. Корреляция подтверждена морфологическими исследованиями.
Установлено, что метод фотореоплетизмографии позволяет графически регистрировать состояние объемного кровотока в тканях в динамике. Возможность одномоментной регистрации в нескольких местах позволяет проводить сравнительную оценку микроциркуляции в тканях. Получаемые фоторс оплетизмограммы предоставляют возможность для количественной оценки амплитудных и Бремененных показателей кровотока. Метод при относительной простоте применения обладает высокой чувствительностью и может быть рекомендован для использования как в экспериментальных исследованиях, так и для оценки регионарного кровотока в клинике травматологии и ортопедии.