Содержание

Как можно в домашних условиях обеспечить организм кислородом

Современные жители мегаполисов сегодня во всем испытывают дефицит – во времени, в общении и даже в недостатке кислорода. Нехватка O2 или гипоксия это серьезный диагноз, который может привести к плачевным последствиям. Но если проблемы еще не перешли необратимый рубеж, то часть их можно решить в домашних условиях – изменением образа жизни или с помощью специальных аппаратов, к числу которых относится концентратор кислорода для дома.

Когда начинать бить тревогу?

Если человек постоянно испытывает сонливость, усталость, часто зевает, это будет признаками недостатка кислорода. Если симптоматика еще более усугубляется – появляются головокружение, слабость, сбой дыхания, одышка, давление постоянно держится на низких отметках, то это уже признаки гипоксии. Наличие заболевания подтвердят и результаты лабораторных исследований – уровень гемоглобина в крови упадет ниже допустимого в 96%. Пора серьезно заняться своим здоровьем, поскольку запущенное заболевание может привести даже к геморрагическому шоку.

В целом насыщение организма лечебными дозами кислорода рекомендовано по многим показаниям – при ослабленном иммунитете, повторяющихся головных болях, болезнях легких и центральной нервной системы, сердечной недостаточности. Особо рекомендованы они пожилым людям и беременным женщинам.

Способы «доставки» целебного газа

Любой здравомыслящий человек понимает, что пополнить запасы кислорода в организме можно прогулками на свежем воздухе или проветриванием квартиры. Он даже может устроить в доме зимний сад с домашними растениями, обладающими уникальными функциями фотосинтеза, или начать пить воду, насыщенную O2. Женщины сегодня пользуются кислородосодержащей косметикой или проходят курсы мезотерапии, восполняя недостаток O2 через кожу.

Все это, бесспорно, полезно, но не всем подходит в силу занятости или возраста. И уж точно таких бытовых способов будет недостаточно людям с серьезными заболеваниями.

Два способа домашней терапии

Концентратор кислорода — аппарат, выделяющий молекулы O2 из общей химической формулы воздуха, очищающий его от пыли и бактерий и подающий через диффузор непосредственно человеку. Это принцип, на котором основана домашняя процедура ингаляции.

Второе назначение оборудования – приготовление кислородных коктейлей. Пол-литра такого обогащенного пенного напитка, по утверждению медиков, вполне способны заменить двухчасовую прогулку на свежем воздухе. Вспомните, как эти коктейли были популярны на советских курортах, являясь обязательным слагаемым любого курса лечения. В домашних условия они готовятся на основе соков, травяных настоев с содержанием лекарственных растений именно по профилю заболевания. К комплектации прилагаются специальные вещества и баллончики, позволяющие получать коктейли именно в пенообразной форме.

Эти простые сеансы оксигенотерапии позволяют обогатить организм кислородом, избавиться от бессонницы, снизить проявление патологий, обеспечить силу кровотока и в целом благоприятно повлиять на текущее состояние многих заболеваний.

Купить или арендовать?

Если вы не готовы приобрести оборудование в постоянное пользование, если состояние вашего здоровья позволяет не прибегать к регулярным процедурам насыщения организма O2 , то концентратор кислорода для домашнего использования достаточно арендовать. Аппараты на отечественном рынке представлены известными европейскими брендами, рассчитаны на разный объем (от 1 до 5 литров), полностью укомплектованы сменными и абсолютно новыми наборами для персонального пользования – маской, канюлями, фильтрами для очистки и увлажнителем воздуха, емкостью с дистиллированной водой. Все это сразу входит в стоимость аренды. Медицинский концентратор кислорода удобно заказать на дом, поскольку вы получите подробную консультацию, убедитесь в полной исправности и обучитесь обращению с ним. Причем, если вы решите продлить договор аренды, вам привезут на замену и новый набор комплектующих: это прописано не только в договоре, но и в инструкции по пользованию аппаратом. Одновременно специалисты предоставят документы, подтверждающие, что оборудование прошло диагностику в сервисном центре, обработано по санитарным нормам и простерилизовано.

Стоит иметь в виду, что отсутствие ярко выраженных побочных эффектов еще не означает, что домашние процедуры оксигенотерапии вам однозначно полезны. Кислородные коктейли обычно противопоказаны при астме, гиперемии, глубокой интоксикации и еще при ряде серьезных проблем со здоровьем. Потому проконсультируйтесь с врачом до принятия решения.

Способы насыщения крови кислородом — читайте в блоге Маникюр Шоп

Восполнение кислорода

Вы чувствуете постоянную усталость? Ночной сон не приносит облегчения, снижена работоспособность, жизнь окрашена в серые тона? Одной из причин такого самочувствия может быть нехватка кислорода в крови. Кислород играет важнейшую функцию в обменных процессах, происходящих в организме человека. Его хроническая недостача в крови может стать фактором, ускоряющим процесс старения организма.

Если вы решите восполнить нехватку кислорода в крови новомодными кислородными коктейлями, или кислородной косметикой — все это не принесет желаемого результата. Кислород не впитывается посредством желудочно- кишечного тракта. Самым оптимальным способом насытить кровь кислородом является лечебное дыхание, прогулки — утренние или вечерние, занятия йогой или неспешный бег трусцой.

Кислородные подушки

Использование кислородных подушек — еще один способ насыщения крови кислородом, который применяется в экстренных случаях, при тяжелых болезнях. Их можно использовать не только в условиях стационара, но и дома. Они выдаются по рецепту врача. Объем такой кислородной подушки — от 16 до 25 литров. Перезаправку подушек производят в поликлинике. Кроме подушек применяются кислородные баллоны и генераторы.

Лечебное дыхание

Лечебное дыхание представляет собой комплекс из быстрого вдоха (одна-две секунды) через нос, и медленного, затяжного (до 9–12 секунд) выдоха через рот, со сжиманием губ в трубочку и характерным звуком, напоминающим стон.

Дыхательные тренажеры полезны тем, что улучшают значительно работу дыхательных центров человека. Создавая различные пропорции О2- СО2 в крови, тренажер позволяет приучить организм наиболее эффективно использовать поступающий с дыханием живительный кислород.

Примерно такого же эффекта можно достичь, занимаясь пранаямами — дыхательными упражнениями йогов.

Полный цикл йоговского дыхания состоит из вдоха, задержки дыхания и выдоха. Основная суть таких упражнений — добиться максимальной задержки дыхания между вдохом и выдохом. Создается гипоксический эффект, когда содержание в крови СО2 становится максимальным. Организм перестраивается таким образом, что происходит максимальное насыщение крови кислородом при минимальном объеме его поступления в процессе дыхания.

Но самая полезная и приятная профилактика гипоксии — это регулярные выезды на природу, подальше от города. Отдых на даче, прогулка по лесу или катание на лодке по озеру — самое эффективное средство насытить кровь кислородом. Для зимних прогулок используйте городские парки и скверы. И пусть неспешная ходьба в любое время года и в любую погоду на чистом воздухе станет ритуалом на каждый день.


Ученые объяснили, почему при COVID-19 падает кислород в крови

https://ria.ru/20210603/saturatsiya-1735480882.html

Ученые объяснили, почему при COVID-19 падает кислород в крови

Ученые объяснили, почему при COVID-19 падает кислород в крови — РИА Новости, 03. 06.2021

Ученые объяснили, почему при COVID-19 падает кислород в крови

Канадские биологи выяснили причину снижения уровня кислорода в крови при COVID-19. Ученые установили, что коронавирус поражает незрелые эритроциты, снижая… РИА Новости, 03.06.2021

2021-06-03T17:32

2021-06-03T17:32

2021-06-03T17:34

наука

канада

здоровье

биология

коронавирус covid-19

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/96477/32/964773222_0:45:2000:1170_1920x0_80_0_0_1756c2cf1829b686a6c9f26691de9fb5.jpg

МОСКВА, 3 июн — РИА Новости. Канадские биологи выяснили причину снижения уровня кислорода в крови при COVID-19. Ученые установили, что коронавирус поражает незрелые эритроциты, снижая перенос кислорода и ослабляя иммунный ответ. Исследование также объясняет, почему противовоспалительный препарат дексаметазон оказался эффективным средством лечения COVID-19. Статья опубликована в журнале Reports Stem Cell.Один из главных симптомов COVID-19 — cнижение уровня кислорода в крови, которое наблюдают практически у всех инфицированных, даже у тех, кто переносит заболевание в легкой форме. Гипоксия — это потенциально опасное состояние, при котором уменьшается насыщение кислородом тканей организма, и ученые пытаются понять, в чем ее причина.Ученые из Университета Альберты исследовали кровь 128 больных COVID-19, среди которых были тяжелые пациенты отделений интенсивной терапии, люди с симптомами средней тяжести и те, кто переносил болезнь в легкой форме, а в больницу обращался только для сдачи анализов.»Низкий уровень кислорода в крови — серьезная проблема пациентов с COVID-19. Поэтому мы предположили, что одним из потенциальных объяснений этого может быть то, что COVID-19 влияет на выработку красных кровяных телец», — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Шокроллаха Элахи (Shokrollah Elahi), доцента факультета медицины и стоматологии. Авторы обнаружили, что по мере усиления тяжести симптомов, у пациентов в крови становится все больше незрелых, недавно сформированных эритроцитов. У здоровых людей незрелые эритроциты находятся в костном мозге, а в крови отсутствуют или составляют менее одного процента. У тяжелых больных COVID-19 объем этих клеток в крови достигал 60 процентов.»Это указывает на то, что вирус воздействует на источник этих клеток. В результате, чтобы компенсировать истощение здоровых незрелых эритроцитов, организм вырабатывает их значительно больше, чтобы обеспечить организм достаточным количеством кислорода», — объясняет ученый.Но проблема заключается в том, что кислород переносят только зрелые эритроциты, которые живут в среднем около 120 дней. К тому же оказалось, что незрелые эритроциты очень восприимчивы к коронавирусной инфекции. Поскольку вирус атакует и разрушает незрелые эритроциты, организм не может заменить отмершие зрелые эритроциты, и способность переносить кислород в кровотоке снижается.Исследователи раскрыли молекулярный механизм того, как вирус заражает незрелые эритроциты. Они впервые продемонстрировали, что незрелые эритроциты экспрессируют рецептор ACE2 и корецептор TMPRSS2, через которые SARS-CoV-2 инфицирует их. Также ученые выяснили, что незрелые эритроциты на самом деле являются мощными иммунодепрессивными клетками — они подавляют выработку антител и подавляют Т-клеточный иммунитет против вируса, что еще больше усугубляет ситуацию.После открытия у незрелых эритроцитов рецепторов, которые позволяют им заражаться коронавирусом, ученые начали тестировать различные существующие препараты, чтобы проверить, могут ли они снизить восприимчивость незрелых эритроцитов к вирусу, и выяснили, что таким свойством обладает дексаметазон, который в течение последнего года широко используют для лечения COVID-19.»Мы попробовали противовоспалительный препарат дексаметазон, который помог снизить смертность и продолжительность заболевания у пациентов с COVID-19, и обнаружили значительное снижение инфицирования незрелых эритроцитов», — говорит Элахи.Когда команда начала изучать, почему дексаметазон оказывает такое влияние, они вскрыли два возможных механизма. Во-первых, дексаметазон подавляет реакцию рецепторов ACE2 и TMPRSS2 на SARS-CoV-2 в незрелых эритроцитах, уменьшая возможность инфицирования. Во-вторых, он увеличивает скорость созревания незрелых эритроцитов.Авторы отмечают, что это большая удача, когда не нужно создавать новый препарат, а эффективным оказалось уже проверенное лекарственное средство.

https://ria.ru/20210601/vitamin-1735106087.html

https://ria.ru/20210511/kovid-1731803216.html

канада

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/96477/32/964773222_191:0:1810:1214_1920x0_80_0_0_a347ebf3c6764cb757cae52f4fd7b9be.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

канада, здоровье, биология, коронавирус covid-19

МОСКВА, 3 июн — РИА Новости. Канадские биологи выяснили причину снижения уровня кислорода в крови при COVID-19. Ученые установили, что коронавирус поражает незрелые эритроциты, снижая перенос кислорода и ослабляя иммунный ответ. Исследование также объясняет, почему противовоспалительный препарат дексаметазон оказался эффективным средством лечения COVID-19. Статья опубликована в журнале Reports Stem Cell.

Один из главных симптомов COVID-19 — cнижение уровня кислорода в крови, которое наблюдают практически у всех инфицированных, даже у тех, кто переносит заболевание в легкой форме. Гипоксия — это потенциально опасное состояние, при котором уменьшается насыщение кислородом тканей организма, и ученые пытаются понять, в чем ее причина.

Ученые из Университета Альберты исследовали кровь 128 больных COVID-19, среди которых были тяжелые пациенты отделений интенсивной терапии, люди с симптомами средней тяжести и те, кто переносил болезнь в легкой форме, а в больницу обращался только для сдачи анализов.

«Низкий уровень кислорода в крови — серьезная проблема пациентов с COVID-19. Поэтому мы предположили, что одним из потенциальных объяснений этого может быть то, что COVID-19 влияет на выработку красных кровяных телец», — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Шокроллаха Элахи (Shokrollah Elahi), доцента факультета медицины и стоматологии.

Авторы обнаружили, что по мере усиления тяжести симптомов, у пациентов в крови становится все больше незрелых, недавно сформированных эритроцитов. У здоровых людей незрелые эритроциты находятся в костном мозге, а в крови отсутствуют или составляют менее одного процента. У тяжелых больных COVID-19 объем этих клеток в крови достигал 60 процентов.

1 июня 2021, 21:00НаукаУченые доказали, что витамин D не помогает против коронавируса

«Это указывает на то, что вирус воздействует на источник этих клеток. В результате, чтобы компенсировать истощение здоровых незрелых эритроцитов, организм вырабатывает их значительно больше, чтобы обеспечить организм достаточным количеством кислорода», — объясняет ученый.

Но проблема заключается в том, что кислород переносят только зрелые эритроциты, которые живут в среднем около 120 дней. К тому же оказалось, что незрелые эритроциты очень восприимчивы к коронавирусной инфекции. Поскольку вирус атакует и разрушает незрелые эритроциты, организм не может заменить отмершие зрелые эритроциты, и способность переносить кислород в кровотоке снижается.

Исследователи раскрыли молекулярный механизм того, как вирус заражает незрелые эритроциты. Они впервые продемонстрировали, что незрелые эритроциты экспрессируют рецептор ACE2 и корецептор TMPRSS2, через которые SARS-CoV-2 инфицирует их. Также ученые выяснили, что незрелые эритроциты на самом деле являются мощными иммунодепрессивными клетками — они подавляют выработку антител и подавляют Т-клеточный иммунитет против вируса, что еще больше усугубляет ситуацию.

После открытия у незрелых эритроцитов рецепторов, которые позволяют им заражаться коронавирусом, ученые начали тестировать различные существующие препараты, чтобы проверить, могут ли они снизить восприимчивость незрелых эритроцитов к вирусу, и выяснили, что таким свойством обладает дексаметазон, который в течение последнего года широко используют для лечения COVID-19.

«Мы попробовали противовоспалительный препарат дексаметазон, который помог снизить смертность и продолжительность заболевания у пациентов с COVID-19, и обнаружили значительное снижение инфицирования незрелых эритроцитов», — говорит Элахи.

Когда команда начала изучать, почему дексаметазон оказывает такое влияние, они вскрыли два возможных механизма. Во-первых, дексаметазон подавляет реакцию рецепторов ACE2 и TMPRSS2 на SARS-CoV-2 в незрелых эритроцитах, уменьшая возможность инфицирования. Во-вторых, он увеличивает скорость созревания незрелых эритроцитов.

Авторы отмечают, что это большая удача, когда не нужно создавать новый препарат, а эффективным оказалось уже проверенное лекарственное средство.

11 мая 2021, 18:00НаукаНазваны симптомы COVID-19, повышающие риск смерти в шесть раз

Острая нехватка воздуха. Почему возникает кислородный голод? | ЗДОРОВЬЕ

Здоровый человек делает до 20 вдохов в минуту. Этого хватает для нормальной жизнедеятельности организма. Когда кислорода недостаточно, появляется дискомфорт и одышка. Но это далеко не самое страшное, что может произойти при дыхательной недостаточности. Подробнее об этом «АиФ-Юг» рассказала терапевт Центра медпрофилактики Краснодарского края Ирина Коплик.

Уровень кислорода определит болезнь

Ольга Киселева, «АиФ-Юг»: Ирина Эдуардовна, что такое сатурация? И почему так важно её измерять, в том числе больным коронавирусной инфекцией?

Ирина Коплик: Когда мы дышим, наши лёгкие получают дозу кислорода и по кровотоку распределяют его по организму. Углекислый газ, образовавшийся в процессе дыхания, высвобождается из тканей и передаётся обратно в лёгкие, откуда выходит наружу при выдохе. Свободное место, которое осталось в клетках после выхода углекислого газа, сразу же заполняется свежим кислородом. Так происходит непрерывный газообмен.

Чтобы кислород транспортировался по кровеносным сосудам, он связывается с молекулами гемоглобина. Эта связь внутри организма называется оксигемоглобин. Он и является параметром, который отражает сатурацию, или уровень насыщенности крови кислородом. Сатурация измеряется в процентном соотношении и считается одним из показателей, по которому можно выявить патологии дыхательной системы ещё на начальных стадиях.

— Отчего может появиться дыхательная недостаточность?

— По целому ряду причин. Это и лишний вес, и анемия, и высокое артериальное давление, и нарушения работы щитовидной железы, и патология сердца, и плохое кровоснабжение, и заболевания органов дыхания, и курение, и тяжёлые травмы. Наконец, из-за коронавируса. Показатели кислорода резко снижаются при заболевании Covid-19. Когда инфекция попадает в лёгкие, она поражает их, что приводит к отёку и развитию пневмонии.

Главная опасность коронавируса в том, что при лёгких формах основных симптомов заболевания может и не быть. Температура, кашель и слабость отсутствуют. Человек чувствует себя хорошо и даже не задумывается, что вирус уже начал поражать лёгкие.

Измерение уровня кислорода в крови — один из действенных способов предупреждения тяжёлых форм болезни. Показатель сатурации поможет предупредить развитие недуга и избежать его прогрессирующей стадии, когда необходима госпитализация и подключение к аппарату искусственной вентиляции лёгких.

Принимать меры нужно уже при 94 %

— Какое значение считается нормой?

— 98 – 99 %. При определённых заболеваниях, в том числе во время коронавируса, этот показатель снижается на несколько процентов. Чтобы избежать кислородного голодания, человек должен начать принимать меры уже при 94 %.

Когда насыщенность крови кислородом опускается до 90% и ниже, повышается нагрузка на сердце, лёгкие, печень. Это состояние очень опасно и требует незамедлительного лечения.

В наиболее тяжёлых случаях сатурация может опускаться до 70 %. Тогда пациента подключают к аппарату искусственной вентиляции лёгких. Гипоксемическая кома наступает при показателях ниже 60 %.

— Как измерить сатурацию?

— Чтобы отслеживать своё состояние и избежать катастрофических последствий, надо самостоятельно контролировать уровень кислорода в крови. Для этого есть специальный прибор — пульсоксиметр. Он достаточно прост в использовании. Его можно купить в магазине медицинского оборудования или аптеке.

Сатурацию покажет и анализ крови, который делается в поликлинике по месту жительства.

Также можно в домашних условиях провести несложный тест. Несмотря на то, что его показания не считаются такими же достоверными, как при использовании прибора или сдаче анализа, тест поможет выявить нарушения в работе дыхательных органов.

Сделайте глубокий вдох. Задержите дыхание. Отсчитывайте время на протяжении 30 секунд. Абсолютно здоровые лёгкие выдержат это испытание. На основании подсчётов можно приблизительно определить уровень насыщенности кислородом: 30 секунд и более — норма, десять секунд — сниженный показатель в 93-94 %, семь секунд — экстремально низкий уровень в 90 %.

Если у вас появились малейшие проблемы с дыханием, возникла одышка, участился пульс, с большой вероятностью у вас низкий уровень кислорода. Чтобы удостовериться в своих опасениях, используйте пульсоксиметр или сдайте анализ крови. Только они дадут вам верный результат, на основании которого врач назначит лечение.

Вода, воздух, физкультура

— Можно ли повысить уровень кислорода в крови?

— Есть пять несложных способов получать большее количество кислорода.

Во-первых, дышите свежим воздухом. Откройте окна или выйдите на улицу. Это даст вам энергию и принесёт в легкие дополнительное количество кислорода.

Во-вторых, пейте больше чистой воды. Чтобы насыщать клетки кислородом и выводить углекислый газ, наши лёгкие должны гидратироваться, то есть насыщаться водой.

В-третьих, ешьте продукты, богатые железом. Оно необходимо для эритроцитов, которые переносят кровь по телу. Отличные источники железа — зелёные листовые овощи, белокочанная капуста и брокколи, фрукты, яблоки, бобовые, нежирные белки, такие как яйца, птица и рыба.

В-четвёртых, занимайтесь физическими упражнениями. При нагрузке мы получаем и используем больше кислорода. Соответственно, больше энергии способны производить наши клетки.

В-пятых, тренируйте дыхание. Медленные и глубокие вдохи и выдохи увеличивают уровень кислорода в крови, помогают снизить уровень стресса в организме.

Чем опасен дефицит кислорода и как с ним справиться: Статьи общества ➕1, 25.08.2021

Фото: Anastasia Shuraeva / Pexels

Дыхание — ключевой процесс в организме. Если без воды и еды человек может обходиться несколько дней, то без дыхания — всего несколько минут. К уровню кислорода чувствительны все клетки нашего организма, кислород для них — главный источник энергии. Красные кровяные тельца (эритроциты) забирают кислород из легких и переносят его к каждой клетке, доставляя обратно углекислый газ. Хроническая гипоксия организма чаще всего развивается у жителей городов с очень грязным воздухом. Особенно внимательно к проблеме нехватки кислорода следует относиться в период пандемии COVID-19, поражающего дыхательные пути.

Хроническое кислородное голодание может развиваться по многим причинам:

Неполноценное питание. Оно приводит к недостатку витаминов и микроэлементов, прежде всего железа и витаминов группы B, необходимых для усвоения кислорода. Железо — основной элемент гемоглобина — сложного белка крови, из которого состоят эритроциты, переносящие кислород.

Болезни дыхательных путей. Если вы тяжело болели бронхитом или пневмонией, есть вероятность, что некоторые альвеолы (пузырьки в легких, через которые кислород попадает в кровь) зарубцевались — медики называют это явление фиброзом. Так наш орган дыхания частично утрачивает способность поглощать кислород. Чтобы предотвратить фиброз, нужно долечивать воспалительные процессы и выполнять рекомендации врачей. Например, ходить на физиопроцедуры.

Плохая экологическая обстановка. Большую опасность представляет высокая концентрация в воздухе оксида углерода. При вдыхании это вещество соединяется с гемоглобином и нарушает газообмен в организме. Некоторые вредные газы (например, двуокись серы и диоксид азота) разрушают структуру легких.

Нехватка кислорода в воздухе. Это особо ощутимо в высокогорных районах или в душных, непроветриваемых помещениях.

Фото: Chris Barbalis / Unsplash

Патологические состояния. В частности, к гипоксии могут приводить астма, ожирение, сахарный диабет, анемия, перенесенные сердечно-сосудистые заболевания.

Никотиновая зависимость и злоупотребление алкоголем. Никотиновые смолы закупоривают альвеолы, а пары этанола, выходя через легкие, растворяют сурфактант — жировое вещество, которое не дает альвеолам слипаться. Обе привычки со временем уменьшают «рабочую площадь» легких.

Малоподвижный образ жизни или чрезмерные физические нагрузки. Люди, предпочитающие сидячий образ жизни, дышат поверхностно, не получая нужного объема кислорода. Перегрузочная гипоксия развивается при нарушении его поглощения тканями на фоне повышенной активности, когда потребность в кислороде значительно превышает его реальный приток к органам.

Проблемы с сосудами. Кровь, насыщенная кислородом, должна свободно попадать ко всем клеткам организма. Атеросклеротические бляшки или варикоз мешают свободному току крови. Хронический стресс также приводит к спазму сосудов.

Фото: Ibrahim Rifath / Unsplash

Напрямую зависят от степени нехватки кислорода. Острая гипоксия развивается в течение нескольких минут либо часов под воздействием одной из названных выше причин и имеет ярко выраженные симптомы (например, при аллергическом отеке легких). Такая форма требует немедленной медицинской помощи, так как несет необратимые последствия для организма. А вот хроническая гипоксия может незаметно развиваться месяцами, иметь невыраженные симптомы. Она не менее опасна для организма! Как понять, что не хватает кислорода? Стоит быть внимательнее к своему организму и обязательно обратиться к врачу, если продолжительное время у вас наблюдается больше двух следующих симптомов:

общая слабость,

быстрая утомляемость,

головная боль,

повышенная сонливость (особенно в дневное время),

периодическое головокружение,

слабая концентрация внимания и ухудшение памяти,

бледность или синюшность кожных покровов,

частое, глубокое дыхание,

быстрое сердцебиение — тахикардия,

низкое артериальное давление,

Обратите внимание на свои руки. При хронической гипоксии ногти приобретают округлую форму, а фаланги пальцев утолщаются.

Фото: Edwin Tan / iStock

Быстро понять, связано ли плохое самочувствие с дефицитом кислорода, можно с помощью прибора — пульсоксиметра. Внешне он похож на прищепку. Наденьте пульсоксиметр на палец — и через несколько секунд на экране прибора появится показатель насыщения крови кислородом. В норме он не должен быть ниже 95%. Принцип работы прибора основан на способности гемоглобина, связанного с кислородом, поглощать больше инфракрасного излучения, чем гемоглобин без кислорода. Это и позволяет определить кислородное голодание благодаря контакту устройства с кожей.

Если на протяжении долгого времени у вас мало кислорода в организме, то нарушается работа всех его систем. Без устранения причины патологические изменения станут необратимыми. Гипоксия организма значительно ухудшает качество жизни, повышает риски инфарктов, инсультов, развития деменции и других повреждений нервной системы.

Фото: Stacey Gabrielle Koenitz Rozells / Unsplash

При недостаточном поступлении кислорода человек испытывает постоянную усталость, даже после продолжительного сна. Может наблюдаться саркопения — истощение мышечной массы, тело становится дряблым и слабым независимо от количества походов в спортзал. Причина кроется в нарушении работы митохондрий. Эти органеллы, находящиеся внутри клетки, — одни из самых важных ее составляющих: они производят энергию для всех процессов, протекающих в организме. Для полноценной работы этим маленьким энергетическим станциям требуется кислород. Митохондрии потребляют до 80% вдыхаемого кислорода, даже незначительное снижение его уровня нарушает процесс выработки энергии.

При нехватке кислорода организм начинает вырабатывать энергию из глюкозы. Мозг требует углеводов — появляется неконтролируемая тяга к сладкому и перекусам. Вероятность набрать лишний вес при хронической гипоксии очень высока.

Фото: Jojo Yuen Sharemyfoodd / Unsplash

Она страдает одной из первых. Головной мозг нуждается в 20% всего поступающего в организм кислорода. Поэтому даже при незначительном снижении его уровня в крови сразу проявляются такие симптомы, как головная боль, сонливость, заторможенность, нарушение внимания. Более тяжелая форма гипоксии ведет к дезориентации, нарушению работы сознания, отеку головного мозга и даже смерти.

Кислород — окислитель, сжигающий поступающие в организм вещества, также он нужен и для устранения вредных продуктов их распада и токсинов. Нехватка кислорода нарушает процессы детоксикации. Организм запускает альтернативную программу получения энергии — анаэробный гликолиз (расщепление углеводов без участия кислорода). В результате организм закисляется, накапливаются молочная кислота и другие опасные продукты, которые разрушают наши клетки.

Фото: Falaq Lazuardi / Unsplash

Для кислородного голодания характерны не только мигрени. При гипоксии распространены и мышечные ноющие боли из-за скопления молочной кислоты в тканях.

При отсутствии кислорода сердечная мышца (миокард) ослабевает, плохо качает кровь, со временем возникает хроническая сердечная недостаточность. Длительный недостаток кислорода может стать причиной инфаркта.

Лучшая профилактика — здоровый образ жизни. Постарайтесь свести к минимуму воздействие негативных внешних и внутренних факторов, мешающих хорошему усвоению кислорода.

Прежде всего — наладьте питание. Чтобы обеспечить кровь качественными эритроцитами, необходимо регулярное поступление витаминов и минералов. Помните о правиле «радуга на тарелке»: съедайте за день пять-семь разных видов фруктов и овощей, старайтесь подбирать овощи разного цвета. Для хорошего усвоения кислорода в легких в рационе должны присутствовать жиры. Их недостаток вызывает нехватку сурфактанта — вещества, которое не дает слипаться альвеолам. Именно жиры являются источником энергии при гипоксии. Разумеется, речь не идет о вредных трансжирах — забудьте о зажаренном до хрустящей корочки стейке. Добавьте в ежедневный рацион продукты, богатые полезными жирами, — рыбу, оливки, орехи и семена, яйца, растительные нерафинированные масла.

Фото: aldomurillo / iStock

Помните о негативном влиянии алкоголя и табака на ваши легкие. Лучше отказаться от них вообще либо свести их употребление к минимуму. Умеренные физические нагрузки помогают восполнить уровень кислорода в крови. 10 тыс. шагов в день — самый простой рецепт здоровья. Включите в ежедневную программу аэробные упражнения: бег, плавание, танцы, велосипед, скандинавская ходьба. Не зря же их называют «кислородной тренировкой»!

Дыхательная гимнастика в хорошо проветренном помещении или на свежем воздухе увеличит поступление кислорода в считанные минуты. Утром такая практика бодрит не хуже чашки кофе. В течение дня можно совершать пятиминутные сессии диафрагмального дыхания. Сядьте на стул, сделайте глубокий вдох, медленно выдохните, втянув живот и задержав дыхание (выдох должен быть дольше, чем вдох!). Так мы искусственно вызываем короткую гипоксию, после которой организм, испугавшись отсутствия воздуха, усваивает в несколько раз больше кислорода, чем обычно.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс. Дзен.

Татьяна Шаповалова, Антон Чугунов

Как воздействует недостаток кислорода на организм?

Всем нам ,живущим  в больших городах, хорошо знакомо чувство усталости, снижения работоспособности , вдруг наступающей немотивированной слабости. При этом мы испытываем не только физический, но и психологический дискомфорт. Но стоит выехать за город, как все эти неприятные ощущения проходят и даже в сильную жару ощущения дискомфорта не наступает.
  Из многих неблагоприятных факторов, воздействующих на человека главным является нехватка кислорода для дыхания. 

 Выбросы промышленных предприятий и автомобильного транспорта, накапливаясь в атмосфере, в безветренную погоду затрудняют усвоение кислорода организмом. Все это усугубляется природно-климатическими условиями средней полосы и приводит к так называемому экологическому стрессу и кислородному голоданию ( гипоксии). Недостаток кислорода приводит к ускорению процессов старения организма.
Но где взять дополнительный кислород при его недостатке в воздухе и организме? 

 

Не каждый может себе позволить дорогостоящие процедуры по поддержанию здоровья с помощью кислородной терапии , а здоровым быть очень хочется …
   

Его можно начать потреблять , например, с водой. Природная  вода абсолютно естественна для организма, имеет максимальную скорость всасывания и, в отличие от других веществ, легко проникает во все клетки тела.
Вода с повышенным содержанием кислорода – оксигенированная вода Oxylife:
-повышает жизненную активность,
— помогает восстановиться после тяжелых умственных и физических нагрузок,
-облегчает головную боль,
— снимает похмельный синдром,
-выводит токсичные вещества из организма,
— положительно влияет на спортивные результаты.
Людям, постоянно работающим за компьютером , эта вода помогает справляться с переутомлением и способствует концентрации внимания. При длительном и регулярном употреблении Oxylife  поддерживает мышечную активность и способствует очищению организма в целом.

 

В процессе производства Oxylife создается уникальная форма кислорода в воде. Благодаря этой форме почти весь кислород всасывается в кровь через желудок и кишечник. Никакой другой продукт не может обеспечить увеличение долевого соотношения кислорода в крови. Рост поступления кислорода в кровь ускоряет окислительно-восстановительные процессы в организме и повышает эффективность его работы.Чем больше кислорода, тем больше энергии на более длительное время.

 

Oxylife рекомендована всем людям , но особенно тем, кто занят напряженным физическим и умственным трудом, работает в условиях загрязненной среды, на вредных производствах, в условиях постоянного стресса, а также живущим в экологически неблагоприятных районах.  
 
 

Профилактическое лечение  позволяет надолго сохранит ясность ума, физическую и сексуальную активность.
Кислород необходим для жизнедеятельности любой клетки, вызывая окислительные процессы и поддерживая органы и ткани в нормальном состоянии. С возрастом окислительные процессы замедляются, кожа становится менее эластичной, появляются морщины, скопления жира, т.е. все признаки старения. Дополнительный кислород является клеточным катализатором и при постоянном употреблении кислородной воды , стимулирует процессы жизнедеятельности клеток, ведет к сжиганию жиров и соответственно к похуданию.

 Кожа приобретает алебастровый оттенок, на ней не видно ни морщинок, ни следов усталости. 
 

Из 100% кислорода, получаемого нами из воздуха,  97 %  существуют в виде молекул кислорода, транспортируемых с гемоглобином в клетки; а 3% существуют в растворенном виде  в  жидком компоненте крови в форме одинокого кислородного атома. Этот атом самостоятельно может проникнуть через мембраны клеток , растворяясь в плазме крови и именно эти 3% спасают мозг от голода во время физических или интеллектуальных нагрузок, когда кровь настолько быстро проходит через легкие, что не успевает насытить мозг кислородом. Благодаря этим 3% мозг насыщается кислородом в период больших нагрузок и предотвращает кислородную недостаточность и потерю сознания.  При регулярном  потреблении  кислородной воды во время тренировок и физических перегрузок этот процент повышается и следовательно Вы не будете чувствовать усталость и быстро восстановите свои силы.
По свидетельству хоккеистов НХЛ, боксеров, бейсболистов, принимающих воду с повышенным содержанием кислорода, время реакции у них сокращается.
Тренеры соглашаются с тем, что повышенное содержание  кислорода в теле атлета приводит к повышенной работоспособности во время тренировок, а также быстрее восстанавливает ткани мышц и организм не изнашивается так сильно.
Профессиональные спортсмены утверждают, что после соревнований, особенно когда они чередуются друг с другом и сопряжены частыми дальними поездками, восстановительный процесс сокращается благодаря кислородной воде. На утро они просыпаются свежими и собранными, чтобы вновь вступить в бой с полной отдачей.

При употреблении 500 мл воды на 50 кг веса человек получает в кровь от 10 до 30%  дополнительного кислорода. Эти цифры могут изменяться в зависимости от общего состояния здоровья и физической формы.

Рост уровня кислорода в крови начинается примерно через 5 минут после употребления кислородной воды, за 15-30 минут достигает своего пика.  Рекомендуется пить воду охлажденной.  

Во время разминки быстро большими глотками выпейте примерно 500мл Oxylife , чтобы к концу разминки достичь лучшего физического состояния. Во время разминки  не реже чем через каждые 20 минут продолжайте пить Oxylife.

После окончания соревнований выпивать как минимум 1 литр Oxylife.Особенно важно пить эту воду после соревнований т.к. дополнительный кислород, превращая молочную кислоту обратно в глюкозу, освобождает мышцы от усталости, предотвращает судороги и восстанавливает обычный уровень энергии в организме.
 Тем кто не занимается спортом пить воду можно в любое время.

Оксигенотерапия: зачем нашей коже кислород?

Как известно, без пищи человек погибает через несколько недель, без воды через несколько дней, и всего за несколько минут – без кислорода. Доказывать, что нашему организму необходим кислород, не приходится. Однако стоит рассмотреть, зачем он нужен нашей коже, что происходит с кожей в результате кислородного голодания и как можно использовать кислород во благо нашей кожи.

Перечислять свойства и функции кислорода для организма можно долго. Остановимся лишь на основных. Доказаны бактериостатические свойства кислорода, иными словами, благодаря ему сдерживается рост патогенных бактерий. Кислород способен инактивировать вирусы, он оказывает противотоксичное воздействие, обезвреживая попавшие в кровь ядовитые вещества. Кислород играет важнейшую роль в процессах метаболизма, а также в формировании иммунной защиты организма, способствуя ее укреплению.

Недостаток кислорода приводит к тому, что в тканях начинают преобладать анаэробные процессы ферментации, из-за чего в клетках накапливается молочная кислота и свободные радикалы, происходит смещение кислотно-щелочного баланса в сторону кислотности.

Абсолютно все процессы, протекающие в нашем организме, требуют энергии. Чтобы получить ее, происходят процессы окисления продуктов, которые мы получаем с пищей – углеводов, белков, жиров. В частности в коже происходит процесс окисления глюкозы – гликолиз, который протекает исключительно с помощью кислорода. И от концентрации кислорода зависит регуляция процесса гликолиза. Увеличение его количества благотворно влияет на метаболизм клетки и ее энергетический статус.

Биологическое окисление, которое происходит с участием кислорода, приводит к образованию СО2, воды, тепла и АТФ. Именно АТФ является тем универсальным источником энергии, который нужен организму, чтобы осуществлять синтез молекул, митоз, механическую, электрическую и осмотическую работу, транспортировку веществ.

 

Зачем нам дополнительно снабжать кожу кислородом?

Для жителей мегаполиса доступ к такому, казалось бы, очевидному и общедоступному благу для организма, как кислород, оказывается существенно затрудненным. Если общий средний уровень кислорода составляет около 20,8 процентов воздуха, то в мегаполисах это значение снижено до 15 процентов, а в крупных промышленных городах с высоким уровнем загрязнения окружающей среды процентное содержание кислорода может резко падать до критической отметки 8-9 процентов.

Автомобильные выхлопные газы, отходы промышленного производства, другие загрязняющие воздух вещества становятся причиной, по которой наш организм не может усваивать необходимое для его нормального функционирования количество кислорода. Эти и другие факторы (неправильное питание, стрессы, вредные привычки и т.п.) усиливают недостаток кислорода во всем организме, в результате возникает состояние под названием гипоксия (кислородное голодание). Гипоксия вызывает огромное количество самых разных расстройств и нарушений и является опасным состоянием, однако рассмотрим подробнее, как влияет нехватка кислорода именно на нашу кожу.

В условиях кислородного голодания организм начинает перераспределять кислород и отправлять его в те органы, в которых он жизненно необходим – мозг, сердце, почки, печень. Коже в данном случае необходимый газ достается в последнюю очередь. Коже для питания необходимо лишь 1-2 процента от общего объема кислорода, используемого организмом.

Отличие от других органов в потреблении кислорода кожей в том, что она получает его из атмосферы. Необходимое ей количество газа усваивается через кожу (всего 3-4 грамма кислорода). Однако коже могут мешать усваивать кислород должным образом различные внешние препятствия, например, пыль, пот, некачественная косметика, не позволяющая коже дышать, избыточный слой кожного жира. При этом если на организм воздействуют негативные факторы загрязнение окружающей среды, затрудняется кислородное насыщение всего организма, и кислород, как мы уже упоминали, распределяется в другие органы.

 

Как сказывается на коже недостаток кислорода?

Когда уровень кислорода снижается, организм начинает активно расходовать вещества, которые способны обеспечить выработку энергии. Их запасы, соответственно, быстро истощаются. Происходит сокращение выработки сложных белков (протеогликанов), среди которых и гиалуроновая кислота, которая, как известно, связывает молекулы воды и выполняет роль своеобразной губки, позволяющей удерживать в коже влагу. В результате в эпидермис поступает меньше влаги, кожа пересушивается, начинает шелушиться, утрачивает естественный красивый цвет, быстро истончается.

Негативные последствия усугубляются также снижением выработки церамидов – липидов рогового слоя, задача которых защищать клетки эпидермиса от негативного воздействия внешних факторов и наружного высыхания. Процессы обновления клеток эпидермального слоя также существенно замедляются, из-за чего кожа становится более грубой, что также негативно влияет на ее рельеф и цвет. Также из-за недостатка кислорода происходит накопление агрегатов коллагеновых волокон. Все эти факторы в совокупности приводят помимо перечисленных последствий к формированию морщин.

 

Хронический недостаток кислорода существенно ускоряет процессы старения организма и кожи в частности, за счет переизбытка свободных радикалов. Образование этих частиц в организме происходит постоянно, они участвуют в регуляции и активации различных биохимических процессов. Однако при нормальном функционировании организма и внешних обстоятельствах воздействие свободных радикалов нейтрализуется естественными антиоксидантами. При кислородном голодании этот хрупкий баланс нарушается, количество свободных радикалов увеличивается, и они начинают разрушать клетки. Усугубляется проблема также такими распространенными в современном обществе негативными факторами, как неправильное питание, недостаток витаминов и прочих полезных веществ в рационе питания, стрессы, вредные привычки, избыточное воздействие ультрафиолетового излучения.

Мы рассмотрели процессы, вызванные гипоксией, довольно поверхностно, не углубляясь в сложные взаимосвязи. Однако этого достаточно, чтобы понять, что недостаток кислорода приводит к недостаточной выработке строительных материалов (белков, сахаров, жиров), которые обеспечивают коже ее обновление. Именно поэтому недостаток кислорода напрямую влияет на процессы старения и внешний вид кожи.

 

Существует ли методы эффективной борьбы с гипоксией кожи и ее последствиями? Как можно использовать кислород во благо нашей коже?

Однако даже в условиях жизни в мегаполисе есть средства, которые способны насытить организм и кожу в частности столь необходимым ей кислородом. Так, немецкая компания Nora Bode Kosmetik создала косметологическое оборудование OXYJET, которое позволяет совершить двойной удар по возрастным изменениям кожи и другим недостаткам.

Во время процедуры OXYjet удается насытить кожу кислородом, благодаря чему повышается иммунная активность кожи, активизируются процессы клеточного метаболизма, улучшается циркуляция крови, кислород оказывает на кожу бактерицидное и осветляющее воздействие. Однако на этом его возможности не заканчиваются.

 

Кислород под давлением в две атмосферы в данном случае выступает в роли иглы, которая позволяет доставлять активные компоненты специально разработанных препаратов в глубокие слои эпидермиса, где их воздействие наиболее эффективно. Поверхностное нанесение косметических средств не может сравниться с подобной методикой, ведь кожа сама по себе является барьером, который не пропускает действующие веществ во внутренние слои.


BEAUTY-TOX SPLENDID Fast Response Cream

Средства подбираются индивидуально в зависимости от проблемы, которую требуется решить. Активные вещества препаратов Nora Bode имеют низкий молекулярный вес, благодаря чему вместе со струей чистого кислорода через естественные коридоры межклеточного пространства попадают точно по адресу – в базальный слой. Существует несколько линий, которые направлены на устранение разных недостатков: возрастных изменений кожи, акне, пигментации и гиперпигментации и др.

Такая кислородная терапия станет спасением для кожи практически в любом возрасте. Молодая кожа нуждается в профилактике преждевременного старения, а возрастной коже требуется устранение морщин, пигментации, восстановление упругости и влаги. И со всеми этими задачами прекрасно справиться позволяет технология кислородных инъекций OXYJET.

Важно понимать, что кислород оказывает свое благотворное воздействие на кожу благодаря технологии OXYJET даже без использования специальных косметологических препаратов.

 

Помимо кислородных инъекций под давлением аппарат OXYJET позволяет применять аэрозольную кислородную терапию – ОКСИспрей, благодаря которой кожа снабжается кислородом, а также компонентами, имеющими противовоспалительное и увлажняющее воздействие.

Такая терапия позволяет бороться с возрастными изменениями кожи, улучшать цвет кожи курильщиков, снижать чувствительность и реактивность очень чувствительной кожи, способствовать восстановлению после лазерного воздействия и агрессивных пилингов, снимать воспаление после чистки и препятствовать его появлению, лечить угревую сыпь.

 

Кислородная ароматическая ингаляция – ОКСИарома – возможность, которую дает аппарат OXYJET для насыщения организма кислородом. Ведь не только кожа нуждается в кислороде, но и каждый наш орган. Как мы уже выяснили ранее, кислородное голодание – актуальная проблема жителей крупных мегаполисов и промышленных городов. Помимо этого потребность в кислороде существенно возрастает при умственных или эмоциональных повышенных нагрузках, стрессах. В результате кислородное голодание проявляется повышенной утомляемостью, головными болями, снижением иммунной защиты организма, нервному истощению, снижению работоспособности и т.п.

Чтобы улучшить обменные процессы, повысить сопротивляемость организма, улучшить кровоснабжение и питание тканей всего организма рекомендуется использовать ингаляции ОКСИарома. Вдыхая чистый кислород, человек наполняет свое тело жизненной силой изнутри в буквальном смысле.

Ингаляции можно применять как самостоятельную терапию, а также ими можно дополнять и усиливать косметические процедуры по уходу за кожей лица, антицеллюлитные процедуры. Ингаляции ОКСИарома позволяют избежать кислородного голодания и его последствий после тренировок, а также позволяет ускорить восстановление кожи при лечении дерматологических заболеваний.

Во время процедуры ОКСИарома за 20 минут человек получает 3 литра в минуту. Процедуру можно индивидуализировать, чтобы она еще более точно отвечала потребностям конкретного пациента с помощью добавления соответствующих эфирных масел. Это дополнение позволяет совместить благотворное воздействие чистого кислорода и свойства конкретного выбранного эфирного масла.

 

Используйте целебные свойства кислорода с помощью инновационного немецкого оборудования OXYJET, которое открывает возможности для оздоровления организма, омоложения кожи, коррекции возрастных изменений, лечения кожи.

 

 

Насыщение кислородом – обзор

3.6 Пульсоксиметрия

Мониторинг периферического насыщения кислородом (SpO 2 ) с помощью пульсоксиметрии используется для оценки насыщения кислородом артериальной крови (SaO 2 ) и предоставляет важную информацию о кардиореспираторной системе пациента. функция [97]. Благодаря тому преимуществу, что он обеспечивает непрерывный мониторинг и является неинвазивным, пульсоксиметрия приобрела широкое распространение и становится все более популярной в течение последних десятилетий в широком спектре клинических приложений, таких как неотложная медицина, анестезия, послеоперационное восстановление, мониторинг апноэ во сне и неонатальная интенсивная терапия. 98].

Метод пульсовой оксиметрии использует две длины волны PPG — красную (660 нм) и инфракрасную (940 нм) — для дифференциации концентрации HbO 2 и дезоксигемоглобина (Hb) в освещенных тканях (рис. 4). Он также использует пульсацию сигнала PPG, чтобы отличить поглощение артериальной крови от других поглотителей: кожи, тканей, костей и других жидкостей (рис. 2). Для обеих длин волн пульсирующая часть сигнала ФПГ нормализуется к ее значению в конце диастолы, и вычисляется отношение обеих длин волн.Это соотношение индексов перфузии затем калибруется по инвазивному измерению SaO 2 для получения SpO 2 [99].

Первое устройство, обеспечивающее непрерывный мониторинг SpO 2 , было выпущено на рынок в начале 1980-х годов, а пульсоксиметры на кончике пальца в настоящее время повсеместно используются для мониторинга состояния пациентов. Норма ISO 80601-2-61 для оценки работы пульсоксиметров [100] требует проведения контролируемого исследования десатурации во всем диапазоне, в котором заявлена ​​точность SpO 2 . Расчетное значение SpO 2 необходимо сравнить с SaO 2 , полученным с помощью CO-оксиметра, и требуется среднеквадратическая разность ( A rms ) менее или равная 4%: A среднеквадратичное значение  ≤ 4%. FDA рекомендует типичные значения A rms , равные 3,0% для передающих пульсоксиметров и 3,5% для ушных зажимов и датчиков отражения [101]. Однако точность, заявленная обычными пульсоксиметрами, включающими передачу PPG, меньше и обычно ниже 2% ( A среднеквадратичное значение ≤ 2%) в диапазоне от 70% до 100%.

Из-за используемого двухволнового подхода пульсоксиметры могут различать HbO 2 и дезоксигемоглобин, но не могут идентифицировать карбоксигемоглобин (COHb) или метгемоглобин (MetHb). Бакли и др. [102] показали, что SpO 2 завышена при наличии повышенных уровней COHb. Чтобы устранить это ограничение, были разработаны многоволновые оксиметры, которые могут оценивать COHb и MetHb, которые оцениваются по измерениям, полученным с помощью лабораторного СО-оксиметра [103], и выпускаются компанией Masimo (Masimo Rainbow-SET Rad-57 Pulse; Masimo Corporation , Ирвин, Калифорния, США).

Пульсоксиметрические устройства на основе трансмиссионных датчиков PPG ограничены пальцами рук, ног или мочкой уха, местами, которые подвержены артефактам движения из-за движений конечностей. Пульсоксиметр отражения можно наносить практически на любую кожную поверхность тела. Одной из ключевых проблем реализаций, основанных на отражении, является более низкий уровень пульсирующего компонента, который зависит от перфузии подлежащей ткани [104].

Разница в оптическом пути между красными и инфракрасными длинами волн является еще одной проблемой для отражательной пульсоксиметрии.Пульсоксиметрия предполагает, что пути красного и инфракрасного света идентичны и однородны. Однако на практике это верно только приблизительно, особенно в реализациях, основанных на отражении. Поскольку разные длины волн имеют разную глубину проникновения, красные и инфракрасные лучи не следуют одним и тем же оптическим путям и, следовательно, могут пересекать ткани с разными оптическими свойствами. Чаттерджи и др. [105,106] разработали модель PPG с двумя длинами волн и предложили оптимальное разделение источника и детектора для отражательного датчика PPG.

Другим потенциальным источником ошибок в отражательной пульсоксиметрии является возможное влияние венозной пульсации. Для дифференциации поглощения артериальной крови от других поглотителей используют пульсацию артериальной крови. Однако в некоторых случаях может возникать венозная пульсация и нарушать оценку SpO 2 [36]. Для датчиков на лбу Geeta et al. [107] предложили подавать на датчик давление 20 мм рт. ст., чтобы уменьшить венозное влияние.

Пульсоксиметры, разработанные для лба, показали точность, аналогичную точности обычных сенсоров на кончиках пальцев [108–110], и большинство компаний, поставляющих медицинские пульсоксиметры, теперь также предлагают отражательную версию, позволяющую контролировать SpO 2 на лбу.

В последнее время браслеты или часы стали включать датчик пульсоксиметра и обеспечивать оценку SpO 2 с очевидным преимуществом ношения на запястье (например, Garmin, Oxitone и Biostrap). В недавнем исследовании Guber et al. [111] сравнивали пульсоксиметр на запястье (Oxitone-1000, Oxitone Medical) с традиционным пульсоксиметром на кончике пальца у 15 здоровых добровольцев и 23 пациентов и сообщили о A среднеквадратичных значений  < 3%. Проенса и др.[110] разработали и испытали отражательный пульсоксиметрический датчик, расположенный на груди, и получили среднеквадратичное значение A , равное 3,1%.

Последние достижения в области отражательной пульсоксиметрии позволяют проводить мониторинг SpO 2 в неинтрузивных местах, таких как запястье или грудь, с помощью простых браслетов или смарт-рубашек. Прокладывая путь к разработке клинически одобренных систем, менее чувствительных к движению пациента — проблема, имеющая особое значение в отделениях интенсивной терапии новорожденных, — можно снизить риск ложных тревог и прекращения мониторинга, тем самым повысив надежность и эффективность текущего пульса. оксиметрические растворы для непрерывного мониторинга кардиореспираторной функции.

Как супрафизиологический уровень кислорода в стандартной клеточной культуре влияет на реакции потребления кислорода

Большинство клеток тканей млекопитающих испытывают парциальное давление кислорода in vivo , эквивалентное 1–6% O 2 (т. е. физоксия). Однако в стандартной клеточной культуре уровни свободного пространства O 2 обычно активно не регулируются и в этих условиях составляют ~18%. Это вызывает гипероксию в средах для культивирования клеток, которая может влиять на широкий спектр клеточной активности и может поставить под угрозу способность моделей in vitro воспроизводить биологию in vivo .Здесь мы рассмотрим и обсудим некоторые специфические органеллы и ферменты, потребляющие O 2 , включая митохондрии, NADPH-оксидазы, окислительно-восстановительную систему трансплазматической мембраны, синтазы оксида азота, ксантиноксидазу и моноаминоксидазу в отношении их чувствительности к O 2 . уровни. Многие из них производят активные формы кислорода и/или азота (АФК/АФК) в качестве первичных конечных продуктов или побочных продуктов и очень чувствительны к уровням O 2 в диапазоне от 1% до 18%. Интересно, что многие из них также являются транскрипционными мишенями факторов, индуцируемых гипоксией (HIFs), и хронический рост клеток при физоксии по сравнению с 18% O 2 может изменять их экспрессию.Аквапорины, которые облегчают диффузию пероксида водорода в клетки и из них, также регулируются HIF, что указывает на то, что уровни O 2 могут влиять на межклеточную коммуникацию через пероксид водорода. O 2 чувствительность этих важных видов деятельности подчеркивает важность поддержания физоксии в культуре.

1. Введение

Клетки млекопитающих обычно культивируют в гипероксических условиях. В то время как большинство клеток испытывают уровни кислорода 1-6% in vivo (physioxia; таблица 1), почти все клеточные культуры млекопитающих выращивают во влажном атмосферном воздухе при 37°C с добавлением CO 2 до 5%. Хотя парофазный уровень O 2 обычно не измеряется, в этих условиях он составляет 18-19% за счет вытеснения O 2 водяным паром и CO 2 . Когда уровни O 2 , используемые в экспериментах с клеточными культурами, измеряются и регистрируются, это практически всегда уровни газа в свободном пространстве, а не среды. В частности, в метаболически активных клетках, растущих с высокой плотностью, уровни перицеллюлярной среды O 2 , которые испытывают клетки, могут быть значительно ниже, чем уровни O 2 свободного пространства [1–3], поскольку O 2 постоянно удаляется из среды митохондриальными клетками. дыхания и других O 2 клеточной деятельности.

9,5 ± 2.6

Ткань / отделение рО 2 (%) Ссылка

Мозг 4,4 ± 0,3 [66]
Глиома Глиомы мозга (внутриклеточный) 4,5 ± 0,5 € € ‰
1. 1-4.6 [66, 67]
Печень 5,4 ± 0.7 [66, 68] [66, 68] [66, 68]
печень (митохондриал) 3-4 [69] [69] [69] [69] [69] [69] [69] [69] [69]
Скелетные мышцы 3,8 ± 0,2 [70]
Скелетные мышцы ) 3,4–4,8 Lanza et al. 2010
почек 9,5 ± 2.6 [66]
почек (внутриклеточный) 6.6-7.9 [71] [71]
Костный мозг 1.3-2 [72, 73] [72, 73]

o 2 участвует во многих метаболических реакциях, некоторые из которых чувствительны к уровням O 2 в диапазоне между Physixia и 18 %. Следовательно, клетки млекопитающих следует культивировать на физиологически релевантных уровнях O 2 . Если этого не сделать, важно знать о возможных последствиях для клеточных функций. Одним из возможных последствий повышенного содержания O 2 в средах для культивирования клеток является повышенное производство клетками активных форм кислорода (АФК) и азота (РНС).Это, вероятно, способствует наблюдаемым эффектам высоких уровней O 2 на клеточное старение, дифференцировку и апоптоз среди широкого спектра других менее хорошо охарактеризованных эффектов ([4–6]; Fehrer et al. 2007).

Роль уровней O 2 в клеточной биологии получает все большее признание (например, [7, 8]). Однако существует ограниченное механистическое понимание того, как супрафизиологические уровни O 2 влияют на конкретные O 2 -зависимые процессы.В этом обзоре мы рассматриваем чувствительность O 2 некоторых важных O 2 -потребляющих органелл и ферментов в клетках млекопитающих в диапазоне от physioxia до 18% O 2 (стандартные условия культивирования клеток). Мы используем константу Михаэлиса-Ментен (K m (O 2 )) для каждого фермента, потребляющего O 2 (где это значение доступно), как удобный способ сравнить чувствительность O 2 в широком диапазоне. различных органоидов и ферментов.Все значения O 2 и K m (O 2 ) из опубликованных работ были преобразованы в % O 2 при 37°C, поскольку % O 2 является единицей измерения, используемой в большинстве описаний эксперименты с клеточными культурами. В общем, более высокие значения K m (O 2 ) указывают на ферменты, которые будут более чувствительны к различиям между уровнями in vivo и in vitro O 2 . Мы обращаемся к физиологической роли метаболитов, образующихся в результате этих реакций потребления O 2 , и к чувствительности O 2 в диапазоне от физиологической до 18% O 2 этой реакции.Далее мы резюмируем интересное наблюдение, что многие из ферментов, потребляющих O 2 и продуцирующих ROS/RNS, позитивно регулируются гипоксией, в некоторых случаях конкретно индуцируемым гипоксией фактором-1 (HIF-1).

1.1. Кислородное ограничение митохондриального дыхания в клеточной культуре

Важной целью поддержания более высоких уровней O 2 в культуре является обеспечение того, чтобы митохондриальное дыхание не ограничивалось наличием O 2 . Некоторые из наиболее полных и физиологически значимых данных об уровнях O 2 , необходимых для поддержания максимальной скорости митохондриального дыхания, были предоставлены Hoffmann et al.(2009), которые измерили эти значения для изолированных митохондрий печени, систематически варьируя концентрации O 2 . Состояние 4 дыхания субстратов комплекса I или комплекса II (глутамат/малат или сукцинат соответственно) или пальмитоилкарнитина близко к максимальному при ~1% O 2 (Hoffman 2009). Марчинек и др. (2003) показали, что дыхание в скелетных мышцах не ограничивается O 2 до тех пор, пока O 2 не падает ниже ~0,5%, что аналогично наблюдению Gnaiger (2001) для изолированных митохондрий печени крысы. Чтобы понять, как это связано с достаточностью O 2 в клеточной культуре, мы можем сравнить эти значения с уровнями O 2 , присутствующими в средах непосредственно вне клеток (перицеллюлярная O 2 ) или в цитозоле (таблица 2). .

[75] 9

клеточные линии и условия 2 (%) внутриклеточные O 2 (%) Список литературы

Sharuent, монослой дифференцированных клеток РС125
HELA ~ 17 ~ 17 ~ 17 2 [75]
10 8-9
5 2-5
Недифференцированные клетки PC12 20 20 ~ 15 [76]
8 1-2 1-2
20 6-8 [76] [76]
Мышь Embration Fibroblasts 20 ~ 14 [9]
9 2-3
5 ~0. 5

Перицеллюлярный O 2 значения для адгезивных клеточных монослоев могут быть измерены в режиме реального времени с использованием различных подходов, включая платформы Luxcel и Seahorse (Agilent, США). Мы используем PreSens OxyDish (PreSens Precision Sensing GMBH, Германия), который имеет O 2 -чувствительные флуоресцентные зонды, импрегнированные в пластик чашки для тканевых культур. Для большинства клеточных линий, высеянных с типичной плотностью и выдержанных в инкубаторе с 5% CO 2 при 37 °C без контроля O 2 , уровни свободного пространства O 2 ~18% и перицеллюлярные уровни O 2 близки к этому [2]. 3].Это намного превышает то, что необходимо для поддержания максимальной скорости митохондриального дыхания. Однако когда свободное пространство O 2 поддерживается на более физиологически релевантных уровнях, перицеллюлярные и внутриклеточные уровни O 2 могут стать значительно ниже, особенно если среда меняется и/или перемешивается нечасто.

Внутриклеточный O 2 уровни могут быть измерены в культивируемых клетках с использованием различных флуоресцентных зондов (Жданов и др., 2012; [9]). Измерения с использованием этих инструментов показывают, что при более высоких уровнях O 2 (~20%), типичных для стандартной клеточной культуры, внутриклеточные уровни O 2 варьируются от 14 до 17 % в зависимости от типа клеток, состава среды (в частности, источник способствует опоре на окислительное фосфорилирование) и плотности посева (таблица 2).Условия, способствующие более быстрому потреблению O 2 , снижают эти значения, но, как правило, они являются гипероксическими. При более физиологически релевантных уровнях O 2 в свободном пространстве 5–9% внутриклеточные уровни O 2 в типичных условиях культивирования колеблются от 0,5% до 5%. Таким образом, в стандартных условиях культивирования клеток внутриклеточные уровни O 2 обычно по крайней мере в 10 раз выше, чем то, что требуется для поддержания максимальной скорости митохондриального дыхания на основе значений V max , о которых сообщают Hoffman et al. (2009) и другие. С другой стороны, клеточная культура при 5-6% свободного пространства O 2 приводит к внутриклеточным уровням O 2 , которые могут быть достаточно низкими, чтобы ограничивать дыхание, когда клетки находятся в высокой плотности или растут в среде, способствующей дыханию.

Хотя более высокий, чем физиологический уровень свободного пространства O 2 в культуре тканей помогает гарантировать, что митохондриальное дыхание не ограничивается кислородом, это может иметь непреднамеренные последствия в виде стимуляции продукции АФК и АФК из различных ферментов, которые широко экспрессируются в обычных Сотовые линии.В этих условиях следует ожидать увеличения ROS/RNS с сопутствующими эффектами на окислительно-восстановительные сигнальные события и потенциально окислительным макромолекулярным повреждением, и они действительно наблюдаются. Поэтому важно понять взаимосвязь между уровнями кислорода и скоростью продукции ROS/RNS в культивируемых клетках. В клетках млекопитающих АФК/РНС продуцируются широким спектром органелл и ферментов, включая митохондрии, НАДФН-оксидазу (Nox), синтазу оксида азота (NOS), моноаминоксидазу (МАО), ксантиноксидазу/оксидоредуктазу (XO/XOR), липоксигеназа (LOX), циклооксигеназа (COX), гемоксигеназа (HOX) и окислительно-восстановительная система трансплазматической мембраны (tPMRS).Здесь мы обсуждаем, как ожидается, что гипероксия стандартной клеточной культуры повлияет на активность и/или экспрессию всех этих органелл и ферментов. Наш список кислородзависимых ферментов не является исчерпывающим, и мы опустили некоторые ферменты, метаболизирующие кислород, для которых мы не смогли легко найти данные о чувствительности скорости реакции к кислороду.

1.2. Концентрация кислорода и митохондриальная продукция АФК

Продукция супероксида/H 2 O 2 как побочный продукт окислительного фосфорилирования хорошо изучена в изолированных митохондриях, и многие места продукции, хотя и в нефизиологических условиях, были идентифицированы (рис. 1).Конкретные места производства митохондриального супероксида были недавно рассмотрены (например, [10]) и не будут здесь подробно описываться. Супероксид, продуцируемый в различных местах митохондрий, высвобождается либо в матрикс, либо в IMS-сторону внутренней мембраны. H 2 O 2 возникающие из супероксида в митохондриальном матриксе, могут диффундировать из матрикса.


Хотя часто утверждается, что митохондрии ответственны за большую часть клеточной продукции АФК, это не было продемонстрировано [11] и действительно кажется маловероятным, чтобы быть универсальным, учитывая, что общий объем клетки, занимаемый митохондриями, варьируется от нескольких процентов в клетках с низкой скоростью метаболизма до 30% в кардиомиоцитах [12].Точно так же относительные уровни других продуцентов ROS и RNS, таких как Nox и NOS, сильно различаются между типами клеток и физиологическим состоянием. Поэтому, хотя митохондрии могут быть важнейшими местами продукции АФК в некоторых типах клеток, их может и не быть в других. Тем не менее важно учитывать чувствительность митохондриальной продукции АФК к уровню кислорода, преобладающему в клетках в культуре.

Хоффман и др. (2007; 2009) предоставили подробные измерения и расчеты продукции H 2 O 2 (происходящей как супероксид) из изолированных митохондрий печени, дышащих в состоянии 4 на различных субстратах при 37°C (таблица 3).Измерения проводились в диапазоне уровней O 2 с различными респираторными ядами и без них, что позволило рассчитать значения K m (O 2 ) для продукции H 2 O 2 , связанной с различными респираторными субстратами. и сайты ETC. Примечательно, что из сайтов, участвующих в митохондриальной продукции H 2 O 2 в культивируемых клетках, которые, вероятно, в первую очередь являются сайтом комплекса I FMN и сайтом комплекса III Q o , оба насыщены при одном и том же низком уровне O 2 уровней как дыхание. Обратите внимание, что ETFQOR, вероятно, не является основным фактором митохондриальной продукции H 2 O 2 в стандартных условиях культивирования клеток, потому что жирные кислоты не включены в качестве топлива в большинство коммерческих сред. Физиологическая значимость обратного потока комплекса I установлена ​​только при ишемии/реперфузии [13], и можно было бы ожидать, что они будут происходить в нормальной клеточной культуре только как переходы гипоксии-гипероксии во время смены среды или пассирования. Таким образом, основываясь на приведенных выше наблюдениях, скорость продукции митохондриальных АФК, вероятно, не ограничена O 2 -ограничена в большинстве стандартных условий культивирования клеток или при уровне свободного пространства O 2 всего лишь 5%, при условии, что внутриклеточно O 2 остается выше 0.5%. Таким образом, ожидается небольшая разница в продукции митохондриальных АФК между 5% (физиоксия) и 18% (стандартная клеточная культура) O 2 .



Подложки к м (O 2 ) (%) H 2 O 2 Производство (PMOL Min -1 · MG Белок −1 )

Глутамат + малат с малонатом 0.025 250
сукцинат (- ротенон) 0,179 330
сукцинат (+ ротенон) 0,070 105
Глутамат, малат и сукцинат 0,050 330
пальмитоилкарнитин (- ротенон) 0,100 290
пальмитоилкарнитин (+ ротенон) 0,398 250

Сайты
Комплекс III Q o сайт 0. 199 в 150
Комплекс I ФМН сайт 0,019 170
Комплекс I электронов обратного потока 0,090 135
ETFQOR 0,498 200

Все значения взяты из Hoffman et al. 2009 г. и измерено с помощью анализа пероксидазы Amplex Red/хрена в присутствии супероксиддисмутазы при 37°C.

1.3. НАДФН-оксидазы

Существует семь членов семейства никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН) оксидаз (Nox1–5 и Duox 1 и 2), некоторые из которых (например, Nox1, 2 и 4) довольно широко распространены среди млекопитающих. тканей и клеточных линий [14]. Noxs представляют собой мультисубъединичные трансмембранные ферменты, которые переносят электроны от NAD(P)H через биологические мембраны [15]. Хотя ферменты Nox локализуются на различных клеточных мембранах, все они могут быть обнаружены в плазматической мембране, где они транспортируют электроны к внешнему O 2 , что приводит к продукции супероксида во внеклеточном пространстве [14]. Супероксид, образующийся вне клетки и дисмутирующийся до H 2 O 2 , может диффундировать обратно в исходную клетку или в соседние клетки.

Важно отметить, что недавняя работа указывает на то, что Nox4 отличается от других изоформ Nox по нескольким важным признакам. Во-первых, Nox4 локализуется (по крайней мере, в некоторых клетках и/или некоторых физиологических состояниях) в митохондриях [16], где его активность, по-видимому, связана с дыхательным комплексом I и АТФ [17, 18]. Активность Nox4 не зависит от взаимодействия с дополнительными субъединицами.Кроме того, Nox4 преимущественно производит H 2 O 2 , а не супероксид [19]. Уровень продукции Nox4 H 2 O 2 также очень чувствителен к уровням O 2 в диапазоне от физоксиа до 18%.

Удивительно мало данных K m (O 2 ) для любой из изоформ Nox. Кроме того, есть некоторые сомнения относительно достоверности некоторых анализов активности Nox с использованием выделенных мембранных фракций [20, 21]. Тем не менее, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что активность Nox1, Nox2 и Nox4 чувствительна к уровням O 2 в диапазоне от 5% до 18% (таблица 4).Nox4 со значением K m (O 2 ) ~18% особенно чувствителен в этом диапазоне; Активность Nox4 утраивается между 3% и 12% O 2 [19]. Прямые измерения с культивируемыми клетками PC3 и C2C12 указывают на значительный вклад Nox1 и/или Nox4 в продукцию H 2 O 2 в живых клетках (измеряется как окисление Amplex Red), особенно при 18% O 2 , поскольку это значение сильно ингибируется GKT138731 (ингибитор Nox1/4; рис. 2). Точно так же в дермальных фибробластах мыши с тройным нокаутом Nox1/2/4 продукция H 2 O 2 при 18% O 2 составляет лишь около 1/10 от продукции фибробластов дикого типа, а при 5% O 2 , H 2 O 2 продукция не обнаруживается (рис. 2).Таким образом, имеющиеся данные, хотя и несколько ограниченные, указывают на то, что изоформы Nox продуцируют H 2 O 2 со скоростью, которая сильно зависит от уровней O 2 . Это, вероятно, лежит в основе наблюдений, таких как вклад Nox4 в клеточное старение в первичных клеточных линиях, поскольку эти исследования проводились при 18% O 2 . Неясно, играет ли Nox4 те же роли in vivo , где уровни O 2 в несколько раз ниже, но это необходимо учитывать.


Фермент Продукт К м (O 2 ) (%) Подробности Ссылка

Nox2 вывода 2 3.5 [77]
Nox2 О 2 3,1 [78]
Nox2 О 2 2-3 [19] [19]
o 2 O 2 2-3 [79]
Nox4 H 2 O 2 [78]
NOx4 H 2 O 2 18 19]
NOx4 H 2 O 2 16-20 16-20 [79] [79] [79] [79]
NNOS NO 23 Очищенный бычий фермент [45]
NNOS NNOS NOO / O 2 2. 2 Частично бессмысленный крысиный фермент [42, 43]
o 2 3.4 3.4 60141
NNOS 15.7 Очищенный крысиный фермент [47]
NNOS NO 39.8 Очищенный крысиный фермент [80]
NNOS NNOS NOO 28.54141 Кинетическая модель на основе RAT Enzyme Data [81, 82]
ENOS 0,8 0,8 Очищенный бычий фермент [45]
[45]
[45]
[45] [45]
enos No NO 0.3 Кинетическая модель на основе данных крысы [82, 83]
INOS 0. 63 ± 0,09 Очищенные бычий фермент [45]
Inos NO 11,0 Изолированный ферментативный анализ [84]
иОАС NO 10,6 Кинетическая модель [82]
NOS 3.1-10.8 Неуказанные Isoform [48, 85]
XO O 2 · — / H 2 O 2 2.2–6,8 Выделено из коровьего молока Fridovich et al. 1962, 1964
МАО H 2 O 2 3,4–28 Ферменты млекопитающих; различные подложки [86–88]; Отзыв в [57]
Co Co Co Co Co Co <1,5 Указанные изоформ из куриной печени [59]
Lox H 2 O 2 1–2. 6 НЕ УКАЗАНО ISOFORM [65]
COX-1 Различные 0.4-3.1 Арахидоновая кислотная подложка [63, 89-91]
COX-2 Различные 1.3-1.5 Арахидоновая кислотная подложка [63, 65]
Phd Modified Hif 41-46 41-46 [92] [92]
FIF Модифицировано HIF 4–12 Различные субстраты [92]

Nox: НАДФН-оксидаза; NOS: синтаза оксида азота; ХО: ксантиноксидаза; МАО: моноаминоксидаза; HO: гемоксигеназа; LOX: липоксигеназа; ЦОГ: циклооксигеназа; PHD: пролилгидроксилаза; FIH: фактор, ингибирующий HIF-1.

1.4. Трансплазматическая мембранная окислительно-восстановительная система

Трансплазматическая мембранная система переноса электронов (tPMET) представляет собой повсеместную систему для переноса электронов от цитозольного NAD(P)H за пределы клетки, подобно Noxs [22]. Основными компонентами системы tPMET являются NAD(P)H-хиноноксидоредуктаза (NQO1), NADH-цитохром b5 редуктаза (CytB5red), кофермент Q 10 и экто-NADH оксидаза дисульфид тиолообменник (ENox). Как NQO1, так и CytB5red распределяются во множестве внутриклеточных локализаций, в том числе в ассоциации с плазматической мембраной.

Система tPMET вносит значительный вклад в клеточное потребление O 2 во многих распространенных клеточных линиях (например, Jurkat, RAW264.7 и бета-клетках поджелудочной железы; см. [23, 24]). Система tPMET сильно активируется в клетках с дефицитом дыхания ( ρ 0 ), которые накапливают кофермент Q 10 в плазматической мембране [25]. В клетках ρ 0 tPMRS может быть преобладающим местом потребления O 2 [24].

Возможны различные внеклеточные терминальные акцепторы электронов, в том числе O 2 , которые могут подвергаться восстановлению одного электрона с образованием супероксида. Очищенный CytB5red млекопитающих напрямую продуцирует супероксид [26], хотя его избыточная экспрессия оказывает благотворное влияние в некоторых специфических контекстах [27, 28]. NQO1 связан с внутриклеточной антиоксидантной функцией (например, [29]), но способствует восстановлению внеклеточных акцепторов электронов, предположительно включая O 2 , в бета-клетках поджелудочной железы [23]. Белки ENox включают несколько изоформ — возрастной arNox может быть наиболее важным с точки зрения продукции АФК в клеточной культуре. Эта изоформа продуцирует супероксид и становится более экспрессированной в тканях старых млекопитающих и в поздних пассажах или стареющих клетках в культуре [30].

Система tPMET была измерена только в стандартной клеточной культуре O 2 (18%), и нам не известны какие-либо данные о чувствительности продукции супероксида к концентрации O 2 для системы в целом или для отдельные компоненты системы. Тем не менее, следует учитывать возможность того, что tPMRS является O 2 чувствительным в диапазоне 5–18% и что O 2 -зависимые изменения его активности могут влиять на физиологию клеток.

1.5. Роль аквапоринов в трансмембранном H
2 O 2 и газовой диффузии

tPMRS и все изоформы Nox (часть всех изоформ Nox локализуется на плазматической мембране) могут продуцировать либо супероксид, либо H 2 O 2 на внеклеточной стороне плазматической мембраны. Здесь эти АФК могут реагировать с мембранами или мембраносвязанными белками, обращенными во внеклеточное пространство исходной клетки или соседних клеток. В качестве альтернативы, H 2 O 2 , полученный либо непосредственно, либо в результате дисмутации супероксида, может проникать через клеточные мембраны, оказывая внутриклеточное действие.H 2 O 2 проницаемость фосфолипидных бислоев ограничена; действительно, H 2 O 2 менее проникает через мембрану, чем H 2 O [31]. Однако H 2 O 2 быстро уравновешивается через клеточные мембраны с помощью аквапоринов (AQP). Структурные исследования предполагают, что все AQP, транспортирующие воду, могут в некоторой степени способствовать перемещению H 2 O 2 через клеточные мембраны [32]. Однако эмпирические данные менее двусмысленны, предполагая, что hAQP3 и hAQP8 являются особенно хорошими переносчиками H 2 O 2 [31].

Интересно, что уровни O 2 модулируют экспрессию нескольких AQP. Уровни мРНК и белка AQP1 и AQP3 увеличиваются на 1% по сравнению с 20% O 2 ([33]; Hoogewijs et al. 2016), хотя экспрессия AQP5 и AQP9 снижается при более низких уровнях O 2 ([34] ; Кастро-Пароди и др., 2013). Имеются также некоторые доказательства того, что гипоксия может влиять на проницаемость AQP8 напрямую посредством посттрансляционных модификаций [35]. Недавние исследования ([36]; Zwiazek et al. 2017) также предполагают, что некоторые изоформы AQP облегчают транспорт O 2 и, следовательно, могут способствовать поглощению O 2 клетками при низких уровнях O 2 . Имеются также убедительные доказательства того, что AQP1 и AQP4 могут транспортировать другие важные ROS/RNS, такие как NO [37, 38]. Взятые вместе, эти наблюдения показывают, что уровни среды O 2 , вероятно, модулируют проницаемость H 2 O 2 , NO и O 2 клеточных мембран посредством их влияния на экспрессию и/или активность AQP. Это затрудняет понимание детальной кинетики того, как АФК/РНС и газы пересекают клеточные мембраны in vivo при проведении измерений in vitro в нефизиологических O 2 условиях.

1.6. Синтазы оксида азота

NOS представляют собой семейство ферментов, ответственных за продукцию NO и L-цитруллина из L-аргинина и O 2 [39, 40]. Были идентифицированы три изоформы NOS: эндотелиальная NOS (eNOS), нейрональная NOS (nNOS) и индуцируемая NOS (iNOS) [41]. Эти три изоформы NOS имеют примерно 50% аминокислотную идентичность [41], и все три широко экспрессируются в тканях и клеточных линиях млекопитающих. В некоторых условиях, включая временную аноксию/реоксигенацию, NOS катализирует «несвязанную» реакцию с образованием супероксида вместо NO (Stuehr et al.1991 год; [42, 43]; рассмотрен в [44]).

Первое подробное исследование чувствительности O 2 реакции NOS было проведено Ренгасами и Джонсом [45], которые рассчитали значение K m (O 2 ) от 0,63 до 2,31% O 2 для NOS. выделен из бычьего мозга и эндотелия аорты, а также макрофагов мыши RAW 264.7. Впоследствии значения K m (O 2 ) были опубликованы для различных тканей и клеточных линий, а также для конкретных очищенных изоформ NOS (табл. 4).Хотя эти значения сильно различаются, предположительно из-за различий в экспериментальных условиях, обнаружено, что O 2 сродство nNOS и iNOS относительно постоянно находится в диапазоне, который чувствителен к изменениям уровней O 2 между physioxia и 18% O 2 . Таким образом, клеточные линии с высоким уровнем этих двух изоформ будут продуцировать больше NO в стандартных условиях культивирования клеток, чем in vivo . В моделях клеточных культур ишемического/реперфузионного повреждения обычно используют период почти аноксии, за которым следует возврат к «нормоксии», где последняя составляет 18% O 2 .Активность NOS может быть разобщена в этих условиях, и скорость продукции супероксида при реоксигенации при 18% O 2 вероятно превышает скорость, которая произошла бы при возвращении к physioxia in vivo .

NO также может быть получен восстановлением нитрита, катализируемым несколькими ферментами, включая XO/XOR [46]. Эта реакция активируется при более низких уровнях O 2 и затрудняет прогнозирование влияния уровней O 2 на скорость образования NO. Таким образом, взаимосвязь между скоростью клеточного синтеза NO и уровнями O 2 будет зависеть от относительного содержания различных изоформ NOS, которые обладают разной чувствительностью к O 2 .

Помимо воздействия на синтез NO, уровни O 2 влияют на метаболизм NO ([47, 48]; рассмотрено в [49]). NO метаболизируется в клетках плохо изученными путями. Однако известно, что скорость метаболизма NO клетками выше при более высоких уровнях O 2 [50]. Таким образом, более высокие уровни O 2 будут влиять на скорость продукции NO из nNOS и iNOS, одновременно увеличивая скорость их метаболизма. Опять же, трудно предсказать, как это повлияет на установившиеся уровни NO во всех клетках.В активированных клетках RAW 264.7 в культуре максимальные скорости продукции NO наблюдались при 8% O 2 [50], хотя связь между O 2 и уровнями NO в других типах клеток неизвестна. Зависимая от O 2 скорость метаболизма NO, в свою очередь, будет влиять на его диффузионное расстояние и, следовательно, изменять подмножество белков, модифицированных в исходной клетке или соседних клетках. NO участвует во многих регуляторных посттрансляционных модификациях ключевых белков, включая те, которые управляют эпигенетическими модификациями.Учитывая эти разнообразные влияния NO на клеточные функции и влияние уровней O 2 на синтез, расстояние диффузии и метаболизм NO, существует явный потенциал для получения нефизиологически значимых результатов при нефизиологических уровнях O 2 .

1.7. Другие оксидазы

XO и МАО представляют собой две широко экспрессируемые клеточные оксидазы, продукты которых включают супероксид и H 2 O 2 . XO и его предшественник XOR экспрессируются в клетках млекопитающих, где они локализуются в цитозоле и на внешней поверхности плазматической мембраны [51].И XO, и XOR могут катализировать окисление пуринов с образованием супероксидного радикала и H 2 O 2 [52]. При некоторых условиях XO может также катализировать образование NO из нитритов и нитратов, реакция, которая благоприятна при более низких значениях O 2 [46]. Однако уровни этих последних соединений относительно низки в культуральной среде, и поэтому эта активность может иметь второстепенное значение в культуре клеток млекопитающих. Значение K m (O 2 ) бычьего XO находится в диапазоне 3–6% O 2 (таблица 4).Интересно, что относительное производство супероксида по сравнению с H 2 O 2 XO также чувствительно к уровням O 2 в диапазоне, обнаруженном в культуре клеток (1–21%), так что при уровнях O 2 ниже 5% O 2 , H 2 O 2 способствуют образованию [53]. Кроме того, высокие уровни O 2 способствуют посттрансляционным модификациям XOR, снижающим его специфическую активность [54, 55]. Таким образом, уровни O 2 в культуре могут влиять на относительную скорость продукции АФК с помощью XO/XOR, а также на относительные количества супероксида по сравнению с H 2 O 2 .

МАО встречается в виде двух изоформ, МАО-А и МАО-В. Оба широко распространены в тканях млекопитающих [56]. Они локализуются на внешней митохондриальной мембране, где катализируют деградацию биогенных и пищевых моноаминов, таких как норэпинефрин, дофамин, тирамин, серотонин, фенилэтиламин и бензиламин, в результате реакции с образованием H 2 O 2 . Сообщаемые значения K m (O 2 ) обеих изоформ сильно различаются (таблица 4) из-за сложного механизма реакции, в котором сродство O 2 сильно зависит от концентрации моноамина (обзор в [57]).Тем не менее предполагается, что активность фермента МАО будет чувствительна к O 2 в диапазоне 5–18%. Поскольку H 2 O 2 , продуцируемый МАО, находится вблизи митохондриального компартмента, аберрантная митохондриальная и цитозольная окислительно-восстановительная передача сигналов и/или повреждение макромолекул могут быть вызваны ферментами МАО в условиях O 2 , типичных для стандартной клеточной культуры.

1.8. Оксигеназы

Оксигеназы катализируют включение кислорода в органический субстрат.Гемоксигеназа (HOX), липоксигеназа (LOX) и циклооксигеназа (COX) широко экспрессируются в тканях и клеточных линиях млекопитающих. НОХ играет важную роль в процессе деградации гема, в то время как ЦОГ и ЛОГ способствуют расщеплению арахидоновой кислоты двумя отдельными путями.

HOX локализуется в эндоплазматическом ретикулуме (обзор в [58]). Существуют две изоформы, НОХ-1 и НОХ-2, с идентичностью аминокислотной последовательности >45%. В то время как НОХ-2 конститутивно экспрессируется, НОХ-1 индуцируется эндогенными и экзогенными стрессорами, такими как тяжелые металлы, фармакологические агенты, медиаторы воспаления, УФ-излучение и окислительный стресс. Ферменты НОХ окисляют гем с образованием монооксида углерода, Fe 2+ и биливердина. HOX, очищенный из куриной печени, имеет максимальную активность при уровнях O 2 всего лишь 1,5% ([59]; таблица 4), что указывает на то, что этот фермент, вероятно, насыщен O 2 даже в клетках, культивируемых в physioxia.

ЦОГ представляет собой диоксигеназу, которая катализирует первую стадию распада арахидоновой или линолевой кислоты, приводящую к образованию производных простаноидов (обзор в [60]). Ферменты ЦОГ модулируют рост клеток и сигнальные пути и участвуют в прогрессировании рака [61].Существуют две изоформы, ЦОГ-1 и ЦОГ-2, с гомологией аминокислотной последовательности ~60%. Ферменты ЦОГ локализуются на мембране эндоплазматического ретикулума и ядерной оболочке. Эти ферменты катализируют двухстадийные реакции. На первом этапе активность циклооксигеназы с использованием молекулярного кислорода приводит к образованию промежуточного соединения гидропероксида простагландина G 2 . Затем наблюдают активность пероксидазы, что приводит к образованию простагландина H 2 . Значение K m (O 2 ) окисления арахидоновой кислоты, катализируемого ЦОГ-1, варьируется от 0.4% и 3,1% О2, а значение К м 2 ) ЦОГ-2 несколько ниже (табл. 4). Активность ЦОГ-1 и ЦОГ-2 достигает насыщения примерно при 10–20% O 2 [62, 63]. Таким образом, эти ферменты также O 2 чувствительны в интересующем диапазоне, и поскольку их продукты модулируют различные клеточные активности, включая рост и дифференцировку клеток [61], возможно, что их повышенная активность при 18% O 2 влияет на исследования. физиологии клеток в культуре.

LOX катализирует деоксигенацию полиненасыщенных жирных кислот с образованием различных кислородных и липидных радикалов при некоторых условиях (обзор в [60]).Существует шесть изоформ LOX, которые широко распространены в тканях и клетках млекопитающих. Ферменты LOX продуцируют АФК и липидные радикалы, которые участвуют во внутриклеточных сигнальных путях. Уровни O 2 сложным образом влияют на липоксигеназную реакцию [64, 65], но измеренные значения K m (O 2 ) составляют 1–2,6% O 2 (табл. 4), что делает скорость реакции O 2 чувствительность в соответствующем диапазоне.

1.9. Транскрипционная регуляция ферментов, продуцирующих АФК/РНК

В дополнение к резкому влиянию на активность катализируемых ферментами реакций, уровни O 2 в клеточной культуре могут влиять на экспрессию различных ферментов и органелл, потребляющих O 2 .HIF-1 и HIF-2 представляют собой гетеродимерные факторы транскрипции, активность которых регулируется O 2 посредством деградации α -субъединиц (HIF-1 α , HIF-2 α ). Эта реакция катализируется пролилгидроксилазой (PHD), которая использует O 2 и 2-оксоглутарат для гидроксилирования субъединиц HIF- α , что приводит к их последующему убиквитинированию и деградации. Вторая реакция, гидроксилирование аспарагина в HIF-1 α , катализируемая фактором, ингибирующим HIF-1 (FIH), ингибирует транскрипционную активность HIF-1.Вместе O 2 регулирует уровни и активность HIF-1 и/или HIF-2. Обе реакции гидроксилирования O 2 чувствительны в диапазоне физоксиа до 18% O 2 . Изоформы PHD млекопитающих имеют значение K m (O 2 ) ~25% O 2 и значение FIH K m (O 2 ) ~11% (табл. 4). Кроме того, активность PHD может модулироваться ROS/RNS, продуцируемыми многими ферментами, обсуждаемыми выше, с более высокой скоростью в стандартных условиях культивирования.

Сотни генов регулируются транскрипцией с помощью HIF, и, что интересно, среди них находится большинство обсуждавшихся выше ферментов, продуцирующих АФК/РНК. В наших экспериментах относительные уровни Nox1 и Nox4 намного выше на уровне 5% по сравнению с 18% O 2 (рис. 3). Действительно, Nox4, все три изоформы NOS, LOX, COX, MAO и HOX являются транскрипционными мишенями HIF (таблица 5). Кроме того, несколько AQPs регулируются HIF, что указывает на то, что H 2 O 2 проницаемость клеточных мембран, вероятно, отличается при physioxia по сравнению с 18% O 2 .Важно отметить, что практически все данные, касающиеся HIF-регуляции этих ферментов, были собраны с использованием 18 % O 2 в качестве «нормоксии» и 1 % O 2 в качестве гипоксии, но аналогичные результаты ожидаются для 5 % по сравнению с 18 % сравнение.




Эффект Эффект Ссылка Ссылка

Nox1 Транспортная стимуляция HIF-1 Goyal et et al.2004
nox4 Транскрипциональных стимуляции [93]
нОАС Транскрипционных стимуляции [94]
Енос Транскрипционных стимуляции [95]
Стабилизации мРНКа . [100]
HO Транскрипционная стимуляция [101]
Lox Транспортная стимуляция [102] [102] [102] [102] [102] [102]
Cox Стимуляция транскрипции Demasi et al.2004 г.;
AQP1 Стимуляция транскрипции [103]
AQP3 Стимуляция транскрипции Hoogewijs et. 2016
AQP5 Транскрипционная репрессия [34]
AQP9 Неясный механизм Castro-P. 2013

Nox: НАДФН-оксидаза; NOS: синтаза оксида азота; ХО: ксантиноксидаза; МАО: моноаминоксидаза; HO: гемоксигеназа; LOX: липоксигеназа; ЦОГ: циклооксигеназа; AQP: аквапорин.

Влияние O 2 на специфическую активность (на основе значений K m (O 2 )) по сравнению с уровнями O 2 — потребление белков (на основе активации транскрипции) будет иметь тенденцию противодействовать друг другу, хотя наши измерения более высоких скоростей клеточной продукции АФК при 18% O 2 по сравнению с 5% O 2 предполагают, что они не отменяются. Неясно, в какой степени комбинированное воздействие среды O 2 на острый метаболический поток через различные пути потребления O 2 и регуляцию транскрипции посредством активации HIF-1/2 белков, входящих в их состав, повлияет на физиологию клеток.Действительно, кажется невозможным предсказать, как гипероксия клеточной культуры повлияет на многочисленные O 2 -чувствительные, O 2 -потребляющие метаболические реакции в целом, учитывая эти сопутствующие изменения специфической активности и экспрессии.

1.10. Выводы

В стандартных условиях культивирования клеток уровни среды O 2 обычно ~18% являются гипероксическими по сравнению с 1–6%, характерными для большинства клеток млекопитающих in vivo (таблица 1). Это несоответствие имеет важные последствия для точного моделирования физиологии клеток in vivo , поэтому важно иметь полное представление о том, как O 2 влияет на конкретные процессы, продуцирующие ROS/RNS. Хотя скорость образования АФК в результате митохондриального дыхания относительно нечувствительна к увеличению уровня O 2 с 5% до 18% O 2 , многие широко распространенные клеточные ферменты, потребляющие O 2 , очень чувствительны в том же диапазоне. В частности, активность Nox4, nNOS, eNOS и обеих изоформ МАО сильно индуцируется при более высоких уровнях O 2 . Таким образом, эти ферменты будут продуцировать значительно больше ROS/RNS, потенциально влияя на состояние внутриклеточных сигнальных путей и последующие события, которые они регулируют.Маловероятно, что это будет подходящей отправной точкой для наложения дополнительных стрессов и ожидания «нормальной» физиологической реакции, которая имитирует контекст in vivo .

В дополнение к острому влиянию O 2 на поток через специфические метаболические пути, есть доказательства того, что хроническое воздействие гипероксии клеточной культуры также влияет на экспрессию Nox, NOS, МАО и других O 2 — потребляющих ферменты (табл. 5). Предположительно, это гомеостатический механизм настройки этих реакций на доступность O 2 .Однако он снова устанавливает исходное состояние, которое может не точно моделировать состояние in vivo . Даже на проницаемость клеточных мембран для H 2 O 2 , NO или O 2 может влиять O 2 -опосредованная регуляция транскрипции AQP, учитывая их роль в облегчении диффузии этих молекул (табл. 5).

Специфические эффекты O 2 на клеточную продукцию ROS/RNS, описанные выше, указывают на важность культивирования клеток при физиологически соответствующих уровнях O 2 .В большинстве случаев это требует понижения уровня свободного пространства инкубатора O 2 . Однако это может вызвать перицеллюлярную и внутриклеточную гипоксию, в зависимости от плотности клеток и скорости митохондриального дыхания. Следовательно, дополнительно необходимо контролировать перицеллюлярные уровни O 2 и принимать меры для поддержания их в пределах физиологически значимого диапазона. Мы обнаружили, что постоянные градиенты O 2 от верхней части столбца среды к перицеллюлярной области присутствуют в ненарушенной клеточной культуре и что регулярное мягкое перемешивание (например,г., через коромысло) может отменить их. Наше простое решение этой проблемы будет представлено в следующей публикации.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

исследование насыщения гемоглобина кислородом за счет обратного рассеяния одиночных эритроцитов

1.

Введение

Капиллярные сети поддерживают функцию биологических тканей, снабжая их кислородом и питательными веществами и удаляя метаболические отходы.В свою очередь, метаболические потребности тканей могут вызывать ремоделирование капиллярной сети. Локальные уровни кислорода играют решающую роль в опосредовании этих взаимоотношений между капиллярами и тканями; например, неоваскуляризация сетчатки при диабетической ретинопатии и ангиогенез во время развития опухоли индуцируются локальной гипоксией. В локальной микросреде кислород выгружается из гемоглобина и свободно диффундирует из эритроцитов (эритроцитов) в ткани в соответствии с градиентом парциального давления кислорода (pO2). В капиллярах pO2 определяет насыщение кислородом (sO2) гемоглобина эритроцитов.Таким образом, измерение капиллярного sO2 может косвенно оценить локальную оксигенацию тканей и метаболическую функцию. Из-за его критической важности было разработано несколько неинвазивных и немаркированных методов для визуализации микрососудистых сетей в различных участках ткани, таких как оптическая когерентная томография (ОКТ), ангиография, 1 5 лазерная сканирующая офтальмоскопия с адаптивной оптикой ( AOLSO), 6 9 лазерная спекл-ангиография, 10 13 и однократная фотоакустическая (ФА) флоуоксиграфия эритроцитов (FOG). 14 Кроме того, ОКТ и AOLSO использовались для визуализации капилляров, а PA-FOG — для визуализации капилляров sO2. Однако полностью оптическая оксиметрия для измерения sO2 в капиллярах еще не была продемонстрирована из-за сложностей, связанных с дискретным характером клеточного потока через капилляр. До сих пор неясно, возможна ли точная безметочная оптическая оксиметрия для измерения sO2 в крови на капиллярном уровне.

Фундаментальное отличие почти всей оптической оксиметрии без меток возникает из-за различных спектров оптического поглощения оксигенированного гемоглобина (HbO2) и деоксигенированного гемоглобина (Hb).Гемоглобин заполняет эритроциты, а геометрия клеток создает разрыв показателя преломления между плазмой и гемоглобином, который рассеивает свет. Это рассеяние света зависит как от геометрии, так и от оптического поглощения на основе соотношений Крамерса – Кронига. 15 Хотя этот механизм хорошо охарактеризован и изучен для цельной крови, он далеко не ясен на капиллярном уровне, где эритроциты проходят в один ряд. 15 Спектр рассеяния от одного эритроцита сильно зависит от его геометрии, ориентации и размера. Поэтому сложно оптически точно измерить sO2 на капиллярном уровне, не зная влияния геометрии, ориентации и размера на рассеяние эритроцитов. 16

Насколько нам известно, мы впервые демонстрируем возможность безметочной оптической оксиметрии по обратно рассеянному свету эритроцитов, учитывая геометрию клеток, ориентацию и изменение размера. Мы фокусируемся на обратном рассеянии света, поскольку в большинстве методов оптической визуализации in vivo используется эпи-освещение и обнаружение сигналов в обратном направлении.Для расчета спектров обратного рассеяния эритроцитов мы применили борновское приближение первого порядка 17 из-за его простой аналитической формы и свободы реализации произвольных геометрий. Существуют и другие численные модели, имитирующие оптические свойства эритроцитов, такие как Т-матрица и временная область конечных разностей, 18 , 19 , но они ограничены в точности клеточной геометрии и вычислительной эффективности при усреднении по многим ориентациям эритроцитов. Чтобы подтвердить наш подход, мы сравнили борновское приближение первого порядка с теорией Ми для большой мягкой сферы, похожей на RBC.Далее мы экспериментально проверили нашу модель на оксигенированных и деоксигенированных эритроцитах с помощью оптической когерентной томографии в видимом свете (vis-OCT). 3 Мы пришли к выводу, что кислородзависимый контраст поглощения гемоглобина присутствует при усреднении спектров обратного рассеяния эритроцитов по ориентации и размеру клеток, и этот контраст существенно не меняется ни при изменении среднего содержания клеточного гемоглобина (MCHC), ни при изменении деформированный. Это перспективно для проведения оптической оксиметрии на основе обратного рассеяния in vivo на капиллярном уровне с использованием vis-OCT для измерения локального капиллярного sO2 для ранней диагностики, мониторинга прогрессирования и оценки лечения рака и особенно диабетической ретинопатии.В настоящее время не существует методики измерения sO2 в капиллярах сетчатки, и стандартом лечения в офтальмологии является ОКТ.

2.

Теория

2.1.

Теоретическая модель для капиллярной оптической оксиметрии

Эритроциты, или дискоциты, представляют собой двояковогнутые дисковидные клетки, содержащие гемоглобин. Комплексный показатель преломления гемоглобина, n=n’+in», зависит от sO2, как и рассеяние света, создаваемое геометрией эритроцитов. 15 Для количественного исследования спектров обратного рассеяния эритроцитов рассмотрим световую волну с единичной амплитудой, распространяющуюся в направлении s0 и встречающую эритроциты в плазме.Для любой точки r в дальней зоне процесс рассеяния порождает сферическую волну Es(r), распространяющуюся в направлении s=r/r, где r=|r|. Это можно записать следующим образом:

Ур. (1)

Es(r)=f(s,s0)eikrr, где f(s,s0) — амплитуда рассеяния. Для простоты мы предполагаем, что эритроциты в плазме находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы рассеиваться независимо, и применяем борновское приближение первого порядка, согласно которому поле внутри эритроцитов аппроксимируется таким же, как падающее поле. Затем

экв. (2)

f(s,s0)=−k24πs×[s×e(i)]∫V [n12(r′)−1]e−ik(s−s0)·r′dr′, где k волновое число в эритроците, n1=n/n0 — относительный показатель преломления в области рассеяния объемом V, E(r′)=e(i)eiks0·r′ — падающее поле (предполагается, что оно плоское) , а e(i) — единичный вектор в направлении поляризации падающего поля.

Дифференциальное сечение рассеяния определяется как

Ур. (3)

σs(s,s0)=|f(s,s0)|2.

Мы используем σs(−s0,s0) для представления спектра обратного рассеяния эритроцитов и |s×(s×e(i))|s=−s0=1. Кроме того, мы предполагаем, что эритроциты гомогенны в пределах своих границ, таким образом,

экв. (4)

σs(−s0,s0)=|f(−s0,s0)|2=|ηF{R(r)}ks=−2ks0|2, где η=k24π(n12−1), R( r) — геометрическая функция RBC, а F — преобразование Фурье.

Уравнение (4) дает спектр обратного рассеяния одной отдельной ячейки с фиксированной ориентацией.Мы предполагаем, что эритроциты имеют случайную ориентацию в крови, поэтому спектр обратного рассеяния одной случайно ориентированной клетки определяется усреднением σs(−s0,s0) по равномерно распределенным направлениям падения

Ур.

(5) σb=12π2∫02π∫0πσs(−s0,s0)dα dβ, где α — полярный угол, β — азимутальный угол, s0=(cos β sin α,sin β sin α,cos α) . Здесь s0 варьируется, чтобы охватить все ориентации ячеек, а след F{R(r)}ks представляет собой сферу с радиусом 2k, показанную на рис. 1.

Рис. 1

Расчет F{R( r)} для одного эритроцита.

Чтобы охарактеризовать внутреннюю изменчивость размеров эритроцитов, мы измерили размеры эритроцитов in vitro из коровьей крови с антикоагулянтом. Эритроциты формировали в изоволюметрических сферах с помощью 0,03% додецилсульфата натрия (SDS) в фосфатно-солевом буфере (PBS) и пипеткой наносили на предметное стекло. 20 Радиус сферических эритроцитов был количественно определен по двумерным (2-D) изображениям, полученным при помощи микроскопа в светлом поле (Leica, 40×). Подробная подготовка образца описана в гл. 3.2. Микроскопическое изображение сферических эритроцитов показано на вставке на рис.2. Радиус сферических эритроцитов крупного рогатого скота примерно соответствует распределению Гаусса со средним значением 2,63   мкм и коэффициентом вариации (CV) 5,54%. CV определяется как стандартное отклонение, деленное на среднее значение. Радиус сферических эритроцитов человека, измеренный тем же методом, также примерно соответствовал распределению Гаусса со средним значением 3,03  мкм и CV 5,26%, как показано на рис. 9 в Приложении. Поскольку сферичность эритроцитов была изоволюметрической, мы приблизились к размеру ( или объем) распределение нормальных эритроцитов, как и у сферических эритроцитов, охарактеризованных под микроскопом.

Рис. 2

Распределение по радиусу сферических бычьих эритроцитов. Синие столбцы: функция массы вероятности радиуса ячейки. Кривая: Гауссово распределение (среднее: 2,63  мкм и CV: 5,54%). Сферические эритроциты получали путем добавления в кровь 0,03% SDS (соотношение: 3∶1). Панель-вставка: микроскопическое изображение сферических эритроцитов. Масштабная линейка: 10  мкм.

Принимая во внимание размер ячейки, спектр обратного рассеяния эритроцитов определяется путем усреднения σb по размеру

Ур.

(6) σ¯b=∫0∞σb(l)dPl, где l — длина длинной оси эритроцита, а dPl≈12πσ2e−(l−l0)22σ2dl, где l0 и σ обозначают среднее значение и дисперсию соответственно.

2.2.

Геометрическая модель эритроцитов

Геометрическая функция нормальных дисковидных эритроцитов или дискоцитов основана на эллиптических функциях Якоби. 21 Для учета деформаций эритроцитов в кровотоке и особенно в капиллярах параметры геометрической функции дискоцитов были изменены для получения шести типов деформированных эритроцитов, включая стоматоциты I, стоматоциты II, стоматоциты III и сферостоматоциты в кровотока, пулевидного и парашютного типа в капиллярах. 21 Геометрия эритроцитов является входными данными для моделирования теоретической модели.

2.3.

Показатели преломления эритроцитов и плазмы

В моделировании мы использовали комплексные показатели преломления эритроцитов, оксигенированных и деоксигенированных. Мы предполагаем, что эритроциты внутренне гомогенны и заполнены раствором гемоглобина. Используя соотношение Крамерса-Кронига, мы получили комплексный показатель преломления эритроцитов в соответствии с коэффициентом поглощения гемоглобина, который рассчитывается из табличного молярного коэффициента экстинкции гемоглобина в воде. 22 Поскольку содержание гемоглобина в эритроцитах обычно составляет от 300 до 360  г/л, мы использовали 330  г/л при расчете показателей преломления эритроцитов. 23 Показатель преломления плазмы, который мы использовали, равен 1,35. 24

3.

Методы и материалы

3.1.

Система оптической когерентной томографии в видимом свете

Мы использовали спектральную ОКТ, оптическую технику, которая исследует структуру ткани с помощью обратно рассеянного света, для экспериментальной проверки нашей модели дискоцитов.Спектроскопический анализ с vis-OCT может предоставить спектральную информацию с пространственным разрешением, позволяющую извлекать спектры обратного рассеяния из отдельных эритроцитов. Самодельная виз-ОКТ, используемая в этом исследовании, включает в себя лазер суперконтинуума для широкополосного освещения и спектрометр, охватывающий диапазон длин волн от 520 до 630 нм. Поперечное и осевое разрешение системы vis-OCT составляют 15 и 1,7  мкм соответственно. Подробное описание системы vis-OCT дано в [1]. 3.

Для измерения эритроцитов использовался следующий протокол сканирования.На оси быстрого сканирования каждое изображение В-скана состояло из 512 А-линий, покрывающих длину 0,55 мм. По оси медленного сканирования требовалось 512 B-сканов, чтобы охватить диапазон 0,55 мм. Лазерное пятно перемещается вдоль оси быстрого сканирования, в то время как A-линии получаются с частотой 50 кГц, сканируя взад и вперед между соседними B-сканами, поэтому общее время завершения одного сканирования vis-OCT составляет примерно 5,24 с. Несмотря на то, что поперечное разрешение недостаточно высокое, чтобы различать мелкие детали отдельных эритроцитов с типичной длиной длинной оси около 8  мкм, мы смогли идентифицировать и извлечь спектр из отдельных эритроцитов. Это возможно по двум причинам. Во-первых, в наших экспериментах эритроциты взвешены редко. В соответствии с объемом обнаружения (0,55×0,55×3,02  мм3), концентрацией образца (1%), гематокритом (0,4) и размером эритроцитов, характеризуемым микроскопом, среднее расстояние между двумя эритроцитами в образце составляет приблизительно 26,7  мкм, что намного больше, чем разрешение изображения. Во-вторых, наш протокол сканирования имеет передискретизацию в поперечном направлении, в результате чего расстояние между соседними плоскостями сканирования составляет 1,07  мкм, чтобы плотность выборки была достаточной для различения отдельных эритроцитов.Таким образом, мы все еще можем дифференцировать отдельные эритроциты с помощью виз-ОКТ на рис. 4(b). Кроме того, для случаев in vivo из , когда эритроциты расположены ближе друг к другу, спектры обратного рассеяния, измеренные с помощью ОКТ, усредняются по множеству отдельных эритроцитов.

3.2.

Подготовка образцов

Образец сферических эритроцитов готовили для измерения распределения клеток по размерам. Образец готовили, сначала добавляя 0,03% раствор SDS PBS к бычьей крови (Quad Five) при объемном соотношении 3∶1.Затем эту смесь разбавляли до конечной концентрации 1% (кровь крупного рогатого скота составляла 1% от всего объема образца) путем добавления большего количества PBS. Каплю образца помещали на предметное стекло, а затем визуализировали с помощью светлопольного микроскопа (Leica, 40×). Радиус сферических эритроцитов определяли количественно по двумерным микроскопическим изображениям.

Оксигенированные и дезоксигенированные образцы эритроцитов помещались в стеклянные чашки Петри для измерения спектров обратного рассеяния методом виз-ОКТ. Каждая стеклянная чашка Петри содержала примерно 10 мл раствора образца.Для насыщенных кислородом образцов бычью кровь подвергали воздействию воздуха в течение 1 часа перед разбавлением до 1 % в PBS. Для дезоксигенированных образцов 10% дитионита натрия (Na2S2O4) в PBS добавляли к крови крупного рогатого скота в соотношении 3∶1 перед тем, как кровь разбавляли до 1% в PBS. Чтобы убедиться, что образцы полностью насыщены кислородом или деоксигенированы, для независимого измерения рО2 использовали коммерческий кислородный зонд (MI-730, Microelectrodes, Inc.). 25 Для диспергирования эритроцитов в суспензии каждый образец перед измерением полностью встряхивали.Для дезоксигенированных образцов каждое измерение проводилось в течение 10 минут после приготовления с Na2S2O4, чтобы избежать оксигенации из-за воздействия воздуха.

3.3.

Обработка данных

Спектры обратного рассеяния эритроцитов были получены методом обратного преобразования Фурье — краткосрочного преобразования Фурье. 26 Для каждого образца крови было получено семь независимых виз-ОКТ (0,55×0,55×3,02  мм3). В каждом сканировании vis-OCT алгоритм на основе порога использовался для сегментации областей, содержащих эритроциты, и спектры из всех этих областей усреднялись для извлечения среднего спектра.После этого каждый средний спектр был нормализован по его максимальному значению, и семь независимых средних спектров из одного и того же образца были дополнительно усреднены для получения окончательного спектра со стандартным отклонением.

4.

Результаты

4.1.

Проверка модели с помощью теории Ми

Сначала мы проверили правильность борновского приближения первого порядка, использованного при выводе этой модели. Мы сравнили спектры обратного рассеяния, рассчитанные по нашей модели и по теории Ми одиночной однородной сферы со слабым контрастом показателя преломления по отношению к фону.Радиус сферы составлял 2,25  мкм, что сравнимо с размером эритроцита. Показатели преломления шара и фона составили 1,391 и 1,35 соответственно, что близко к показателям эритроцитов и плазмы. На рис. 3(а) спектры обратного рассеяния, зависящие от геометрии, рассчитанные обоими методами, демонстрируют схожие колебательные характеристики, вызванные интерференцией света, отраженного от верхней и нижней границ одной сферы. Это сходство подтверждает борновское приближение первого порядка для расчета спектров обратного рассеяния больших мягких сфер, подобных эритроцитам.Затем мы применили комплексный показатель преломления HbO2 и Hb к сферам с одинаковым радиусом, чтобы рассчитать их спектры обратного рассеяния с помощью нашей модели и теории Ми. Подобный колебательный характер, показанный на рис. 10 в Приложении, по-прежнему преобладает в спектрах обратного рассеяния, что затрудняет различение контраста поглощения гемоглобина. Однако, когда мы усреднили спектры по размеру в соответствии с распределением Гаусса (среднее: 2,25  мкм; CV: 6%), спектры, зависящие от геометрии, сгладились, и отчетливо проявился контраст поглощения.Чтобы подтвердить этот контраст, мы также рассчитали спектры по теории Ми для сравнения. Результаты обоих методов демонстрируют схожий контраст поглощения гемоглобина на рис. 3(b), подтверждая осуществимость нашей модели и указывая на возможность получения зависимого от поглощения sO2 из обратного рассеяния на клеточном уровне.

Рис. 3

Нормированные спектры обратного рассеяния по теории Ми и нашей модели для сфер: (а) равномерный радиус: 2,25  мкм; показатель преломления: 1,391; (б) средний радиус: 2.25  мкм; CV: 6%; показатель преломления: комплексный показатель преломления HbO2 и Hb. Показатель преломления фона: 1,35.

4.2.

Проверка модели с помощью оптической когерентной томографии в видимом свете

Наша модель использовалась для моделирования спектров обратного рассеяния дискоцитов с различной оксигенацией. Затем мы использовали vis-OCT для экспериментальной проверки нашей модели дискоцитов путем измерения спектров обратного рассеяния подготовленных оксигенированных и деоксигенированных образцов крови. Двухмерное поперечное сечение и трехмерная (3D) конфигурация дискоцита показаны на рис.4(а). Предполагалось, что дискоциты имеют тот же средний объем, что и эритроциты, сферические с помощью SDS, поэтому их размеры также примерно соответствуют распределению Гаусса (средняя длина длинной оси: 7,5   мкм; CV: 6%). Результаты моделирования оксигенированных и дезоксигенированных эритроцитов показаны на рис. 4(c)–4(d), что указывает на аналогичный контраст с поглощением гемоглобина. Для проверки оксигенации образца был использован коммерческий кислородный зонд для измерения pO2 в оксигенированных и деоксигенированных образцах крови, которые составляли 147,16 ± 5,04   мм мм рт. ст. и 0.342±0,129  мм рт. ст., что соответствует значениям sO2 98,87±0,35% и приблизительно 0% соответственно. В-визуальное ОКТ-сканирование взвешенных эритроцитов показано на рис. 4(b). Спектры оксигенированных и деоксигенированных эритроцитов со стандартными отклонениями представлены на рис. 4(в)–4(г). При каждом сканировании vis-OCT от 1000 до 2000 эритроцитов сегментировали для усреднения спектров обратного рассеяния. Для сравнения показаны спектры обратного рассеяния, рассчитанные по теории Ми для сферических эритроцитов равного объема. Все результаты нормированы по их максимальным значениям соответственно.

Результаты нашей модели, теории Ми и экспериментов показывают аналогичный контраст поглощения на рис. 4(в)–4(г) без осцилляций. По сравнению с теорией Ми результаты нашей модели по величине ближе к экспериментам, особенно для деоксигенированных образцов. Хотя результаты теории Ми показывают больший контраст, особенно для насыщенных кислородом образцов, они не находятся в пределах погрешности экспериментов. Это говорит о том, что геометрия ячейки влияет на ее спектр обратного рассеяния, и наша модель может служить более точным методом для расчета спектров обратного рассеяния несферических частиц.

Рис. 4

(а) Геометрия дискоцита. (b) Псевдоцветное B-сканирование эритроцитов в PBS с помощью vis-OCT. Горизонтальные и вертикальные масштабные линейки: 100  мкм. Нормализованные спектры обратного рассеяния (c) насыщенных кислородом и (d) дезоксигенированных дискоцитов по данным vis-OCT и нашей модели (средняя длина длинной оси: 7,5  мкм, CV: 6%) и сфер равного объема по теории Ми (средний радиус: 2,625  мкм , CV: 6%).

4.3.

Моделирование эритроцитов с различным средним содержанием клеточного гемоглобина

Мы рассчитали показатели преломления эритроцитов для моделирования на основе постоянного MCHC, равного 330  г/л, но практически этот MCHC может варьироваться от 300 до 360  г/л, что приводит к вариации показателей преломления эритроцитов. 23 Таким образом, мы исследовали, как изменение MCHC влияет на спектры обратного рассеяния эритроцитов, установив MCHC равным 300, 320, 340 и 360  г/л соответственно. Спектры обратного рассеяния эритроцитов рассчитывались при различных MCHC и усреднялись по ориентации и размеру. Результаты показаны на рис. 5. Контраст оксигенации в спектрах обратного рассеяния эритроцитов сохраняется при различных MCHC, но более высокий MCHC имеет тенденцию генерировать спектры обратного рассеяния с более интенсивным контрастом оксигенации. Это демонстрирует целесообразность использования 330  г/л в качестве MCHC для всех наших симуляций.

Рис. 5

Влияние MCHC на спектры обратного рассеяния эритроцитов.

4.4.

Моделирование деформированных эритроцитов

Эритроциты в кровотоке могут деформироваться под действием упругих и электрических сил, поверхностного натяжения и осмотического или гидростатического давления. 21 В частности, эритроциты могут принимать форму пули или парашюта при прохождении через капилляры. 27 , 28 Для учета этого мы исследовали влияние деформации клеток в капиллярах на спектры обратного рассеяния. Для сравнения также исследуются четыре общие деформации эритроцитов в кровотоке. Шесть деформаций эритроцитов, включая пулевидную (l=5,35  мкм, h+=4,125  мкм, h−=1,375  мкм, m+=0,12, m−=0,35) и парашютную (l=5,525  мкм, h+=4,55  мкм, h− =0,15  мкм, m+=0 и m−=0,99) в капиллярах, а также стоматоциты I типа (l=7,8  мкм), стоматоциты II (l=6,525  мкм), стоматоциты III (l=6,025  мкм) и сферо-стоматоциты (l = 5,825  мкм) в кровотоке, 21 , которые имеют одинаковый средний объем, были входными данными для моделирования модели.Их двумерные поперечные сечения и трехмерные конфигурации показаны в левом верхнем углу рис. 6(а)–6(е). Размеры всех деформаций соответствовали распределению Гаусса (CV: 6%). Сравним их спектры обратного рассеяния на рис. 6(a)–6(f), где все кривые нормированы по максимальным значениям оксигенированных эритроцитов соответственно. Все контрасты одинаковы, что указывает на то, что спектры обратного рассеяния, показывающие контраст поглощения гемоглобина, существенно не различаются для эритроцитов с различной деформацией.

Рис. 6

Геометрия деформированных эритроцитов и их спектры обратного рассеяния, рассчитанные по нашей модели: (а) пулевидный тип, (б) парашютный тип, (в) стоматоциты I типа, (г) стоматоциты II типа, (д) стоматоцит типа III и (е) сферостоматоцит.В каждом случае выделены только кривые для геометрии в верхнем левом углу, тогда как остальные полупрозрачны.

5.

Обсуждение

Результаты моделирования спектров обратного рассеяния эритроцитов усредняются как по ориентации клеток, так и по размеру, но изменение размера клеток является ключом к выявлению контраста поглощения гемоглобина в спектрах обратного рассеяния эритроцитов. Для одного эритроцита интерференция отраженного света от его поверхностей рассеяния приводит к колебательному спектру обратного рассеяния, который зависит от эффективной толщины клетки и длины волны освещения.Эта эффективная толщина тесно связана с ориентацией и размером эритроцитов. Отдельные эритроциты с тремя различными ориентациями по отношению к падающему свету имеют разные спектры обратного рассеяния, показанные на рис. 7(а)–7(в). Когда мы берем среднее значение толщины эритроцитов по ансамблю по всем направлениям падения, колебательные спектры обратного рассеяния по-прежнему превосходят спектральный контраст оксигенации, показанный на рис. 7 (d). Однако, когда мы дополнительно усредняем спектры по размерам ячеек с гауссовым распределением с достаточно большим CV, колебательные спектры для каждого отдельного размера сглаживаются.Это сглаживание выявляет основные профили поглощения по мере усреднения колебаний, оставляя отчетливый контраст, зависящий от sO2. Влияние CV на спектры обратного рассеяния сферических эритроцитов по теории Ми показано на рис. 11 в Приложении.

Рис. 7

Спектры обратного рассеяния оксигенированных или деоксигенированных эритроцитов при различных направлениях падения света. Направление падения света параллельно плоскости диска клетки на (а), перпендикулярно плоскости диска клетки на (б) и под углом 45 градусов к плоскости диска клетки на (в).Спектры обратного рассеяния эритроцитов на (d) усреднены по всем направлениям падения. [Длина длинной оси эритроцитов в (а)–(в): 7,5  мкм; Длина длинной оси эритроцитов в (d): 7,5  мкм].

Капиллярный sO2 можно количественно определить по контрасту в спектрах обратного рассеяния эритроцитов, усредненных по ориентации и размеру клеток, но невозможно измерить оксигенацию отдельного эритроцита с помощью его оптического спектра обратного рассеяния из-за его высокой чувствительности к клеточной ориентации. На самом деле, для будущих капиллярных измерений in vivo спектры обратного рассеяния эритроцитов, измеренные с помощью vis-OCT, будут усредняться по времени для заданного местоположения и/или по заданной области, содержащей капиллярные сети, чтобы получить достоверное измерение усредненного sO2.Кроме того, sO2, определенный таким образом, более надежен для оценки местной оксигенации тканей, чем sO2 отдельных эритроцитов. Например, локальная гипоксия при диабетической ретинопатии и раке отражается sO2 локальной капиллярной сети, а не sO2 отдельных эритроцитов, проходящих через капилляр. Для необходимого среднего количества эритроцитов, чтобы показать контраст оксигенации в спектрах обратного рассеяния, мы сегментировали от 1000 до 2000 эритроцитов для каждого сканирования vis-OCT. Минимальное количество эритроцитов, которое необходимо усреднить, чтобы увидеть контраст оксигенации, составляет 147 ± 3, при условии, что значение p равно 0.05 для различения различных спектральных характеристик между оксигенированными и деоксигенированными эритроцитами. Чтобы гарантировать, что в будущем будет усреднено достаточное количество эритроцитов в капиллярных измерениях in vivo , можно многократно сканировать поперечные срезы капилляров или сканировать небольшую область, содержащую ложе капилляров с достаточным количеством клеток крови для усреднения. Принимая скорость капиллярного потока за 0,65  мм/с, 29 плотность капилляров за 112  капилляров/мм2, 30 размер эритроцитов за 8  мкм, гематокрит крови за 0.4, и 512 A-линий в каждом B-скане для диапазона 0,55 мм, получение 147 эритроцитов в слое кожи толщиной 1 мм потребует непрерывного времени сбора данных 38 с или, в качестве альтернативы, сканирование общего объема кожи 0,16× 0,16×1  мм3. Такой метод был бы экспериментально осуществим для применений in vivo .

Физиологически ориентация эритроцитов в капиллярах зависит от направления потока, поэтому мы исследовали, как ориентация клеток влияет на их спектры обратного рассеяния в капиллярах, и обнаружили, что ориентация клеток в капиллярах мало влияет на выявление контраста оксигенации гемоглобина в спектрах обратного рассеяния.В этом случае мы предполагаем, что направление капиллярного потока перпендикулярно падающему свету, а большинство ориентаций клеток осесимметричны относительно этого направления потока (± π/18). Это наиболее распространенная ориентация изображения на основе обратного рассеяния. Размеры ячеек также распределены по Гауссу (CV: 6%). Полученные спектры обратного рассеяния эритроцитов пулеобразного и парашютного типа на рис. 8 по-прежнему демонстрируют аналогичный контраст, что указывает на небольшое влияние ориентации клеток на спектры обратного рассеяния в капиллярах. Собственно, за счет капиллярной направленности и эластичности, взаимодействия эритроцитов с другими клетками крови и т. д., распределение ориентации эритроцитов в капиллярах трудно предсказать. 31 , 32 Без явного знания ориентации более расслабленное состояние (равномерно распределенные ориентации ячеек) интуитивно возможно.

Рис. 8

Двумерные сечения и трехмерные конфигурации деформированных эритроцитов в капиллярах и их спектры обратного рассеяния по нашей модели: (а) пулевидного типа и (б) парашютного типа. Спектры обратного рассеяния усредняются по одинаковым ориентациям ячеек (+/- π/18) и размерам ячеек, распределенным по Гауссу (CV: 6%).

Расхождения между измерениями vis-OCT и нашей моделью для дискоцитов можно объяснить отклонениями истинной геометрии клеток от нашей геометрической модели и исключением рассеяния более высокого порядка в борновском приближении первого порядка. Тем не менее, наш метод требует получения сигналов от эритроцитов с течением времени для данного местоположения и / или по данной области, содержащей капиллярные сети, чтобы обеспечить усреднение ансамбля по различным ориентациям и размерам, что неизбежно, поскольку эритроциты проходят через капилляр. Таким образом, наши результаты демонстрируют осуществимость оптической оксиметрии, основанной на обратном рассеянии света на капиллярном уровне. Для будущих измерений in vivo с помощью виз-ОКТ мы можем получить две калибровочные кривые, спектры обратного рассеяния оксигенированных и деоксигенированных эритроцитов с помощью виз-ОКТ и количественно определить sO2 экспериментальных спектров обратного рассеяния в соответствии с калибровочными кривыми посредством подгонки методом наименьших квадратов.

6.

Заключение

Подводя итог, мы предлагаем теоретическую модель для оксиметрии на основе обратного рассеяния на уровне одного капилляра, которая ранее не исследовалась теоретически.Эта модель была проверена теорией Ми и экспериментами с использованием виз-ОКТ. Спектры обратного рассеяния, рассчитанные с помощью этой модели, демонстрируют четкий контраст поглощения гемоглобина при учете изменений в ориентации и размере клеток, что позволяет охарактеризовать sO2 эритроцитов. Это перспективно для оптической оксиметрии in vivo на основе обратного рассеяния на уровне одного капилляра для измерения локального капиллярного sO2 для ранней диагностики, мониторинга прогрессирования и оценки лечения диабетической ретинопатии и рака.

Раскрытие информации

Все авторы заявляют об отсутствии других соответствующих конфликтов интересов в этой статье.

Приложения

Приложение

Рисунки 9–11 являются дополнительными.

Рис. 9

Распределение по радиусу сферических эритроцитов человека. Синие столбцы: функция массы вероятности радиуса ячейки. Кривая: распределение Гаусса со средним значением 3,03  мкм и CV 5,26%. Сферические эритроциты получали путем добавления 0,03% SDS (в PBS) к крови в соотношении 3∶1.Панель-вставка: микроскопическое изображение сферических эритроцитов. Масштабная линейка: 10  мкм.

Рис. 10

Сравнение нормированных спектров обратного рассеяния, рассчитанных по теории Ми и нашей модели для сфер (сферических эритроцитов) с однородным радиусом 2,25  мкм. Показатель преломления сфер: комплексный показатель преломления HbO2 и Hb. Показатель преломления фона: 1,35.

Рис. 11

Влияние CV на спектры обратного рассеяния сферических оксигенированных и дезоксигенированных эритроцитов со средним радиусом 2.3  мкм по теории Ми. CV: (а) 0,1%, (б) 0,5%, (в) 1%, (г) 1,5%, (д) ​​2% и (е) 5%.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным институтом здравоохранения в рамках грантов № R01CA183101, R01CA173745 и R01CA156186; Национальный научный фонд по грантам № CBET-1240416 и CBET-1055379; и Медицинский фонд Эванса. Мы благодарим Quyen Nguyen, Andrew J. Radosevich, Di Zhang, Aya Eid, Xiao Shu, Benjamin D. Keane, Yue Li и Adam Eshein за обсуждения и исправления.

Ссылки

3. 

С. Чен, Дж. И и Х. Ф. Чжан, «Измерение насыщения кислородом сетчатки и хориоидеи у крыс с использованием оптической когерентной томографической ангиографии в видимом свете». Биомед. Опц. Экспресс, 6 (8), 2840 –2853 (2015). http://dx.doi.org/10.1364/BOE.6.002840 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

4.

С. П. Чонг и др., «Количественное картирование микрососудистого гемоглобина с использованием спектроскопической оптической когерентной томографии видимого света». Биомед.Опц. Экспресс, 6 (4), 1429 г. –1450 (2015). http://dx.doi.org/10.1364/BOE.6.001429 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

7. 

А. Пинхас и др., «Визуализация in vivo микроциркуляторного русла сетчатки человека с использованием адаптивной оптики, сканирующей световой офтальмоскоп, флуоресцентная ангиография», Биомед. Опц. Экспресс, 4 (8), 1305 –1317 (2013). http://dx.doi.org/10.1364/BOE.4.001305 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

8.

Р. Дж.Завадски и др., «Интегрированная система оптической когерентной томографии с адаптивной оптикой и сканирующий лазерный офтальмоскоп с адаптивной оптикой для одновременного клеточного разрешения изображений сетчатки in vivo», Биомед. Опц. Экспресс, 2 (6), 1674 г. –1686 (2011). http://dx.doi.org/10.1364/BOE.2.001674 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

9.

Т. Ю. Чуи, Д. А. ВанНасдейл и С. А. Бернс, «Использование прямого рассеяния для улучшения визуализации сосудов сетчатки с помощью сканирующего лазерного офтальмоскопа с адаптивной оптикой». Биомед.Опц. Экспресс, 3 (10), 2537 –2549 (2012). http://dx.doi.org/10.1364/BOE.3.002537 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

16. 

М. Киннунен и др., «Влияние размера и формы эритроцита на свойства упругого светорассеяния на уровне одной клетки». Биомед. Опц. Экспресс, 2 (7), 1803 г. –1814 (2011). http://dx.doi.org/10.1364/BOE.2.001803 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

19. 

Дж. К. Лу, П.Ян и X.-Х. Ху, «Моделирование рассеяния света двояковогнутым эритроцитом с использованием метода конечных разностей во временной области», Дж. Биомед. Опт., 10 (2), 024022 (2005). http://dx.doi.org/10.1117/1.1897397 JBOPFO 1083-3668 Google Scholar

23. 

М. Фрибель и М. Мейнке, «Модельная функция для расчета показателя преломления нативного гемоглобина в диапазоне длин волн 250–1100 нм в зависимости от концентрации». заявл. Опт., 45 (12), 2838 –2842 (2006).http://dx.doi.org/10.1364/AO.45.002838 APOPAI 0003-6935 Google Scholar

25. 

Г. Р. Кельман, «Цифровая компьютерная подпрограмма для преобразования напряжения кислорода в насыщение». Дж. Заявл. Физиол., 21 (4), 1375 г. –1376 (1966). Google Scholar

26. 

Дж. Йи, Дж. Гонг и С. Ли, «Анализ спектров поглощения и рассеяния микроструктур с помощью спектроскопической оптической когерентной томографии», Опц. Экспресс, 17 (15), 13157 –13167 (2009).http://dx.doi.org/10.1364/OE.17.013157 OPEXFF 1094-4087 Google Scholar

29. 

Б. Фагрелль, А. Фронек и М. Интальетта, «Микроскопическая телевизионная система для изучения скорости потока в капиллярах кожи человека». Являюсь. J. Physiol.-Heart Circulatory Physiol., 233 (2), h418 –h421 (1977). Google Scholar

Биографии авторов отсутствуют.

Оценка насыщения кислородом гемоглобина микроциркуляторного русла кожи и фракции ткани эритроцитов с использованием мультиспектральной системы моментальной визуализации: проверочное исследование

1.

Введение

В тканевой микроциркуляции участвуют мельчайшие сосуды кровеносной системы: сеть капилляров, которые снабжают клетки организма кислородом и питательными веществами и одновременно удаляют продукты жизнедеятельности, образующиеся в результате клеточного дыхательного цикла. Когда доставка крови или клеточное поглощение кислорода серьезно нарушены, в пораженной области вскоре обнаруживается клеточная недостаточность. Аномалии в распределении на локальном микроциркуляторном уровне могут выявить ранние признаки болезни по таким параметрам, как уровень насыщения гемоглобина кислородом и тканевая фракция эритроцитов (эритроцитов). 1 Исходные значения могут раскрывать важную физиологическую информацию, но чаще способность системы кровообращения адаптироваться к естественным или индуцированным раздражителям оценивается в клинических условиях. Протоколы «стимул-реакция» выявляют способность микроциркуляторной системы сужать или расширять сосуды и тем самым регулировать кровоток, чтобы адаптироваться к периодам ишемии или провокации нагреванием. 2 5

Окси- и дезоксигемоглобин, обнаруженные в эритроцитах, являются сильными поглотителями в видимом диапазоне длин волн в тканях человека с уникальными спектральными отпечатками.Количество окси- и дезоксигемоглобина можно оценить с помощью спектроскопии диффузного отражения (DRS) для изучения насыщения гемоглобина кислородом и фракции ткани эритроцитов. DRS использует широкополосный источник света для облучения тканей. Фотоны, проникающие в ткани, взаимодействуют со структурами и хромофорами посредством процессов рассеяния и поглощения. Фотоны обратного рассеяния, которые обнаруживаются и разрешаются спектрально, таким образом, несут информацию о составе ткани. В зависимости от геометрии волоконно-оптического зонда или системы визуализации необходимо применять разные модели переноса фотонов, чтобы распутать эту информацию.Упрощенные однородные или слоистые модели тканей в сочетании с теорией диффузии или моделированием методом Монте-Карло можно использовать для разложения измеренного сигнала DRS. 6

Мультиспектральная визуализация (MSI) и гиперспектральная визуализация (HSI) — это методы, основанные на DRS, которые позволяют получать 2D-изображения, содержащие спектральную информацию о каждом пикселе, создавая набор 3D-данных, т. е. куб данных. Получение кубов данных обычно выполняется либо путем сканирования по измерению длины волны (спектральное сканирование), либо по пространственному измерению (пространственное сканирование).Пространственное сканирование может быть выполнено путем получения полного спектра для одного пикселя (технология веерной щетки) или для строки пикселей (технология веерной метлы), а затем сканирования интересующей области. При спектральном сканировании двумерное изображение захватывается при каждой экспозиции, что включает в себя сканирование по нескольким длинам волн. 7 В эксперименте по освобождению от окклюзии Bjorgan et al. 8 использовали систему гиперспектральной камеры с веерным сканированием на ладонной поверхности предплечья для оценки уровней насыщения кислородом на исходном уровне и через 5 минут после окклюзии.Они обнаружили систематическое различие между моделированием Монте-Карло и диффузионной моделью в оценке насыщения кислородом, подчеркнув необходимость точной модели при анализе кубов данных.

Камеры моментального снимка MSI захватывают полный куб данных (как пространственную, так и спектральную информацию) за одну экспозицию, что позволяет отслеживать временные изменения микроциркуляции. 9 Спектральная информация часто получается путем применения фильтров к отдельным элементам детектора или путем спектрального рассеивания света по детектору, что ограничивает как спектральные, так и пространственные размеры куба данных. 10 Детектор снимка MSI, используемый в этой работе, имеет массив фильтров Фабри–Перо с 16 фильтрами, распределенными в повторяющемся мозаичном узоре 4 × 4 по пикселям датчика. 11 Оба Bauer et al. 12 и Rubins et al. 13 использовал описанную фотокамеру MSI для сбора данных во время тестов на освобождение от окклюзии. Рубинс и др. измерили ладонь и сопоставили данные из 10 диапазонов длин волн с смоделированными данными с использованием модели двухслойной диффузии, в которой варьировались насыщение гемоглобина кислородом, фракция ткани эритроцитов, концентрация меланина и толщина эпидермиса. 13 , 14 Bauer et al. 12 зафиксировали данные с тыльной стороны ладони и проанализировали данные об интенсивности трех спектрально скорректированных диапазонов длин волн с использованием модифицированного выражения Бера-Ламберта.

Метод Монте-Карло для легкого транспорта считается золотым стандартом, который позволяет моделировать легкий транспорт произвольной сложной геометрии за счет вычислительного времени. 6 Поэтому мы использовали его в нашей предыдущей работе 15 , описывающей моментальную камеру MSI, оценивающую насыщение гемоглобина кислородом и долю ткани эритроцитов в микроциркуляции кожи.В этой статье мы усовершенствовали метод, изменив процедуру нормализации белого, а также спектр поглощения гемоглобина. Кроме того, метод был применен к когорте из 24 человек, прошедших стандартизированные тесты на окклюзию сосудов с большими динамическими изменениями насыщения гемоглобина кислородом (артериальная окклюзия) и фракции ткани эритроцитов (венозная окклюзия). Работа была направлена ​​на обширную проверку in-vivo способности системы MSI количественно определять насыщение гемоглобина кислородом и относительную фракцию ткани эритроцитов, сравнивая данные MSI с данными, зарегистрированными совместно с эталонной системой на основе зондов.Эталонная система анализирует данные DRS в том же спектральном диапазоне, что и система MSI. 16 , 17

2.

Материалы и методы

2.1.

Оборудование

Камера MSI моментального снимка (xiSpec MQ022HG-IM-SM4X4-VIS, XIMEA®, Германия) использовалась для получения спектральных данных диффузно рассеянного света от кожных тканей во время провокации окклюзии сосудов. Камера имеет датчик CMOS (2048 × 1088   пикселей), на который наложен массив интерференционных фильтров Фабри-Перо.Массив содержит 16 уникальных полосовых фильтров, выровненных по расположению пикселей в повторяющемся мозаичном узоре 4×4. Каждый фильтр имеет заданную спектральную характеристику в диапазоне длин волн от 450 до 650 нм, по крайней мере, с одним основным пиком в интервале от 470 до 630 нм и со значительным спектральным перекрытием между фильтрами. Камера была оснащена 16-мм объективом (объектив C Series VIS-NIR Lens, Edmund Optics Inc., Barrington).

Камера MSI была установлена ​​рядом с кольцевым фонарем (R130, Smart Vision Lights) с восемью светодиодными источниками, излучающими свет в видимом диапазоне (от 390 до 765 нм). Спектр света светодиода характеризовали с помощью спектрометра (AvaSpec-ULS2048L-RS-USB2, Avantes BV, Апелдорн, Нидерланды), откалиброванного с эталонной лампой (AvaLight-HAL-CAL-Mini, Avantes BV, Апелдорн, Нидерланды). Чтобы избежать поверхностных зеркальных отражений от освещаемой ткани, использовалась пара скрещенных поляризатор/анализатор, при этом поляризатор располагался перед кольцевым источником света, а анализатор – перед детектирующей камерой MSI.

Данные были собраны и проанализированы с помощью MATLAB (MATLAB версии 8.2.0, 2013b, компьютерное программное обеспечение, The MathWorks Inc., Натик, Массачусетс). Чтобы уменьшить шум и объем данных, камерой было сделано 16 последовательных снимков с выдержкой 20 мс каждый, а затем они были суммированы. Полученное изображение сохранялось во время записи с эффективной частотой кадров 1,4 кадра в секунду (fps).

В качестве эталона использовали прибор PF6000 EPOS на основе зонда (Perimed AB, Järfälla, Швеция). Он оценивает абсолютные значения насыщения гемоглобина кислородом (%) и фракции ткани эритроцитов (% фракции ткани) с частотой дискретизации 1 Гц. Система основана на обратном алгоритме Монте-Карло для анализа пространственно разрешенных спектров диффузного отражения, снятых при двух расстояниях между источником и детектором (0,4 и 1,2 мм) в диапазоне длин волн от 450 до 850 нм. Обратный алгоритм использует трехслойную модель ткани кожи, которая учитывает индивидуальные различия в количестве крови, насыщении крови кислородом, количестве меланина, толщине слоя и рассеянии ткани. 16 Эксперименты с фантомами показали, что система EPOS оценивает насыщение крови кислородом с точностью до 5 % (среднеквадратичное отклонение), а абсолютную долю ткани эритроцитов — с точностью до 11 % (среднеквадратичное отклонение). 18 Система EPOS была оснащена источником света AvaLight-HAL-S (Avantes, Апелдорн, Нидерланды) для 11 субъектов и заменена на AvaLight-HAL-S-Mini для последних 13 субъектов. Оба источника света излучают свет в диапазоне от 360 до 2500 нм. Наручная манжета для измерения артериального давления, используемая для окклюзии сосудов, контролировалась EPOS.

2.2.

Протоколы измерений

Для регистрации динамических изменений насыщения гемоглобина кислородом и тканевой фракции эритроцитов на ладонной поверхности предплечья здоровых добровольцев выполняли два отдельных протокола провокации (артериальная и венозная окклюзия).Левая или правая рука выбиралась случайным образом. Оба протокола были выполнены на одной руке, начиная с артериальной окклюзии. После завершения протокола артериальной окклюзии был предоставлен период отдыха продолжительностью не менее 45 минут, чтобы обеспечить минимальное влияние предыдущей провокации.

Субъект акклиматизировался в помещении в сидячем положении не менее чем за 15 минут до начала первого протокола. Рука удобно лежала на устойчивой поверхности, где вакуумная подушка (Germa Protec, AB Germa, Кристианстад, Швеция) обеспечивала поддержку и фиксацию во время измерений.Чтобы получить пространственную привязку, девять чернильных точек были помещены на ладонной поверхности предплечья, которые обозначали квадрат с четырьмя интересующими областями (ROI) размером 2×2  см (всего 4×4  см). Камера MSI располагалась на высоте 30 см над поверхностью руки, при этом точки находились в поле зрения. С помощью двойной липкой ленты датчик EPOS был зафиксирован на ладонной поверхности предплечья рядом с областью интереса, но за ее пределами, дистально по отношению к отмеченной области.

Манжета для измерения артериального давления была помещена вокруг плеча испытуемого перед началом измерений.После 5 мин исходных измерений манжету быстро надули до давления 250 мм рт.ст. (артериальная окклюзия) или 45 мм рт.ст. (венозная окклюзия) соответственно. Манжета поддерживала постоянное давление в течение 5 мин, а затем была сдута. Измерения продолжались в течение 10 минут после выпуска, чтобы зафиксировать восстановление после провокации.

2.3.

Субъекты исследования

В это исследование были включены 24 здоровых человека (11 женщин и 13 мужчин) в возрасте от 18 до 40 лет с кожей европеоидного типа, классифицированной как тип кожи от I до III (самооценка по тесту типирования кожи Фитцпатрика 19 ). Критериями исключения были известные кожные заболевания или заболевания системы кровообращения, использование лекарств, влияющих на систему кровообращения, и курение. Участников попросили воздержаться от интенсивной физической активности в течение 24 ч и кофе в течение 4 ч до измерений. От всех участников было получено письменное информированное согласие. Исследование было одобрено Региональным советом по этике в Линчепинге (D. № 2015/392-31).

2.4.

Сбор данных

Камера MSI получила данные в 1.4 кадра в секунду по всей длине каждого протокола. Система EPOS непрерывно измеряла насыщение гемоглобина кислородом и фракцию ткани эритроцитов во время тестов с частотой сбора данных 1 Гц. В системах MSI и EPOS использовались отдельные компьютеры с синхронизированными часами, что позволяло сравнивать метки времени собранных данных. В комнате было темно, за исключением светодиодного источника света, который был включен во время сбора данных. Данные калибровки в темноте при выключенном светодиодном источнике света были получены в течение трех 10-секундных периодов при t = 4, 9 и 19 минут после начала измерения для обоих протоколов окклюзии, чтобы учесть потенциальный дрейф темнового спектра во время измерения. Темные точки данных калибровки были исключены перед анализом измерений. EPOS непрерывно измерял насыщение гемоглобина кислородом и тканевую фракцию эритроцитов во время тестов.

Когда протоколы были завершены, были получены эталонные данные белого цвета для учета возможных спектральных изменений в камере и источнике света с течением времени. Белая эталонная плитка Spectralon® (Labsphere, Inc., Нью-Гемпшир) помещалась в поле зрения камеры MSI на том же расстоянии, что и поверхность предплечья.Данные были получены при включенном и выключенном источнике света на 10 с соответственно. Время интегрирования сократилось вдвое по сравнению с измерениями на ткани из-за высокой отражательной способности плитки Spectralon®.

2.5.

Предварительная обработка данных

Каждое изображение размером 2048×1088   пикселей, полученное камерой MSI, было спектрально отсортировано по 16 диапазонам/каналам длин волн, n, в результате чего был получен многоспектральный куб необработанных данных, IM(x,y,n), с 16 изображениями размером 512×272   пикселей. Обратите внимание, что IM(x,y,n) меняется со временем.Черные чернильные точки на руке использовались для отметки и отслеживания местоположения анализируемой кожи на протяжении всего протокола. На первом изображении каждой последовательности измерений приблизительное расположение точек было отмечено вручную. Затем точное местоположение для каждого записанного изображения было найдено путем маскирования области размером 16 × 16   пикселей вокруг точки и определения «центра масс» в инвертированном изображении с полосовым фильтром. Фильтрация в основном удаляла среднюю интенсивность изображения и более мелкие объекты, такие как волосы, оставляя неизменным положение точек.Найденные координаты использовались в качестве кандидатов на координаты точек в последовательном изображении, и это повторялось для всех измеренных образцов. После этого все координаты были проверены вручную и не обнаружили ложных срабатываний.

Измеренный куб данных калибровки в темноте, IdM(x,y,n), вычитался из каждого полученного куба данных. IdM(x,y,n) представлял собой линейную интерполяцию, основанную на всех трех измерениях в темноте, полученных в моменты времени t=4, 9 и 19 мин.

Данные нормализации белого были скорректированы по темноте с помощью Id,wM(x,y,n), измеренного на плитке Spectralon® при выключенном источнике света.Поскольку плитка была слишком мала, чтобы покрыть все поле зрения, данные нормализации белого от всех включенных субъектов были усреднены в один общий куб данных нормализации белого, IwM(x,y,n). Куб данных, нормализованный по белому и откалиброванный по темному, полученный из измеренных данных, INM(x,y,n), был рассчитан с использованием:

Eq. (1)

INM(x,y,n)=IM(x,y,n)−IdM(x,y,n)IwM(x,y,n)−Id,wM(x,y,n). Спектр средней интенсивности, INM(x,y,n)x,y=INM(n), был рассчитан для интересующей области размером 2×2  см, обозначенной чернильными точками.Четыре канала камеры MSI с основными пиками чувствительности ниже 500 нм были исключены из-за низкой интенсивности источника света для этих длин волн и, следовательно, высокого уровня шума. Полученный спектр использовали в обратном анализе Монте-Карло для временной оценки насыщения гемоглобина кислородом и фракции ткани эритроцитов, описанной в разд. 2.8.

2.6.

Модель ткани и моделирование методом Монте-Карло

Алгоритм, используемый для анализа данных MSI, основан на справочной таблице с предварительно смоделированными данными Монте-Карло по переносу фотонов в двухслойной модели кожи. 20 Это упрощенная модель реальной ткани кожи с однородными слоями, поэтому кровеносные сосуды или другие структуры не отображаются. Поглотители, кроме меланина и гемоглобина, также не учитываются. Модель определяется приведенным коэффициентом рассеяния µs'(λ), коэффициентом поглощения меланина µa,mel(λ) и коэффициентом поглощения кровью µa,b(λ). Коэффициенты определяются по шести параметрам: тканевое рассеяние (параметры α и β), тканевая фракция меланина (fmel), тканевая фракция эритроцитов (fRBC), насыщение гемоглобина кислородом (SO2) и толщина эпидермиса (Tepi) в соответствии с уравнениями. (25). 21 В нашем предыдущем исследовании 22 мы обнаружили, что во время оптимизации достаточно варьировать только fmel, fRBC и SO2. Поэтому параметры α, β и Tepi были установлены на фиксированные значения, как описано ниже.

мкс'(λ), определяемое уравнением (2), 21 предполагалось одинаковым для обоих смоделированных слоев. Параметры α и β были зафиксированы на уровне α=2,5  мм–1 и β=2, что сравнимо со средними значениями индивидуальных мкс’(λ), оцененных системой EPOS в этом и других исследованиях. 23 мкс(λ) описывается фазовой функцией рассеяния Хеньи–Гринштейна в уравнении(3), 21 с коэффициентом анизотропии g=0,8 для всех длин волн   λ.

Экв. (2)

мкс′(λ)=α·(λ500)−β,

ур. (3)

мкс(λ)=мкс′(λ)1−g.

Коэффициент поглощения был разным в двух слоях. Верхний эпидермальный слой имел толщину Tepi=125  мкм и содержал меланин, но не содержал крови. Коэффициент поглощения меланина определяли по уравнению. (4), 21 , где cmel может находиться в диапазоне от 0 до 0,084.

Экв. (4)

мкА,mel(λ)=fmel·51,9·(λ500)−3.

Нижний кожный слой считался бесконечно толстым и содержал кровь, но не меланин.Коэффициент поглощения крови определяли по уравнению. (5), 21 , где SO2  в диапазоне от 0 (ненасыщенный) до 1 (полностью насыщенный), fRBC в диапазоне от 0 до 0,056, µa,Hbis – коэффициент поглощения деоксигенированного гемоглобина, а µa,HbO2 – коэффициент поглощения оксигенированного гемоглобина . Последние два были получены путем объединения табличных данных Zijlstra и Prahl, как описано Fredriksson et al. 18

Экв. (5)

мкa,b(λ)=fRBC·0,15·[(1−SO2)·µa,Hb(λ)+SO2·µa,HbO2(λ)].Было выполнено

моделирования методом Монте-Карло для выбранных мкс’ и   Тепи, пока не было обнаружено 200 000 фотонов. Длина пути каждого фотона в каждом слое регистрировалась и впоследствии использовалась для добавления поглощения в соответствии с законом Бера-Ламберта (т. е. белый Монте-Карло). Полученные значения интенсивности были сохранены в справочной таблице HLUTMC(μs’, μa, mel, μa, b, Tepi). Интерполяция в наборе данных позволяет быстро генерировать смоделированные спектры диффузного отражения HMC(λ) на основе смоделированных данных со свойствами рассеяния и поглощения, изменяющимися в заданных пределах.

2.7.

Постобработка спектров, смоделированных методом Монте-Карло

Постобработка спектров, смоделированных методом Монте-Карло, необходима из-за существенного спектрального перекрытия 16 каналов длин волн камеры MSI. Ранее это было описано в Ewerlöf et al. 15 Для сравнения сгенерированного методом Монте-Карло спектра HMC(λ) с измеренным 16-канальным спектром интенсивность IMC(n), соответствующая каждому каналу, была рассчитана по уравнению. (6), где rn(λ) — чувствительность детектора камеры, указанная производителем для каждого канала, а L(λ) — выходной спектр источника света.Отклик суммируется для всех длин волн в диапазоне от 450 до 650 нм, чтобы получить общий отклик интенсивности от каждого канала. Процедура проиллюстрирована на рис. 1.

Ур. (6)

IMC(n)=  ∑λrn(λ)·L(λ)·HMC(λ).

Рис. 1

Схема, описывающая, как рассчитываются смоделированные интенсивности для 16 каналов (а). Для каждого канала смоделированная интенсивность определяется путем суммирования чувствительности детектора канала (b), спектра излучения источника света (c) и сгенерированного методом Монте-Карло спектра (d) в диапазоне длин волн, как описано в уравнении.(6). Сгенерированный методом Монте-Карло спектр находится в предварительно смоделированной справочной таблице для комбинации параметров модели.

Соответствующая нормализация белого, IwMC(n), была рассчитана по уравнению. (7), используя сгенерированный спектр HwMC(λ)=1, а затем используемый в уравнении. (8) чтобы получить ответ интенсивности нормализации белого, INMC(n), для спектра, сгенерированного методом Монте-Карло.

Экв. (7)

IwMC(n)=∑λrn(λ)·L(λ)·1,

Ур. (8)

INMC(n)=IMC(n)IwMC(n).

2.8.

Обратный алгоритм Монте-Карло

Обратный алгоритм Монте-Карло ранее был описан в ссылках. 15 и 22. Каждая измеренная характеристика интенсивности от камеры MSI, INM(n), сравнивается с данными, полученными методом Монте-Карло, INMC(n), смоделированными с известными оптическими свойствами. Штрафная функция, E [уравнение. (9)], состоит из двух частей, описываемых уравнениями. (10) и (11).

Спектры, полученные методом Монте-Карло, INMC(n), сравниваются с измеренным спектром, INM(n), с использованием уравнения (10).

Экв. (10)

EI(n)=  INMC(n)INMC(n)n/INM(n)INM(n)n−1.

Для дальнейшего повышения чувствительности к насыщению гемоглобина кислородом были выбраны четыре канала длин волн из-за их высокой чувствительности в диапазоне длин волн от 540 до 580 нм, где спектры поглощения окси- и дезоксигемоглобина имеют явные различия.Соотношение между каналами было рассчитано и умножено на 10 в штрафной функции, чтобы дать члену большое влияние на расчетную ошибку. Числа в скобках в уравнении (11) обозначают длину волны основного пика канала чувствительности детектора.

Экв. (11)

ES=INMC(557  нм)+INMC(570  нм)INMC(544  нм)+INMC(580  нм)/INM(557  нм)+INM(570  нм)INM(544  нм)+INM(544  нм)+INM(544  нм) )−1.

Наилучшее соответствие находится путем минимизации штрафной функции E в уравнении. (9) в смысле квадратичного закона с алгоритмом, отражающим область доверия, описанным уравнением.(12).

Экв. (12)

минSO2,  fRBC,    fmel∥E∥22.

2.9.

Статистические данные

Результаты были выполнены с помощью линейного регрессионного анализа и анализа Бланда-Альтмана. Все значения измерений с камеры MSI и EPOS были синхронизированы по времени путем сравнения абсолютных временных меток из каждой соответствующей системы и интерполяции данных EPOS для соответствия временным меткам данных MSI.

Значения насыщения гемоглобина кислородом из MSI и EPOS легко сравнивать, поскольку оба они измеряются в %.Измерения за временной интервал 9 минут (от 1 минуты до окклюзии до 3 минут после освобождения) сравнивали с использованием линейного регрессионного анализа. Временной интервал был выбран для выравнивания распределения значений насыщенности между высокими и низкими значениями. Значения насыщения обычно стабильны в течение исходного уровня и возвращаются к исходным значениям через несколько минут после освобождения, что приводит к чрезмерному представлению значений в этом диапазоне, если необходимо включить все измерения.

Метод Бланда-Альтмана 24 использовался для сравнения методов измерения MSI и EPOS.Анализ проводился для трех временных интервалов: исходный уровень, конец окклюзии и вскоре после освобождения. 25 Чтобы избежать измерений во время надувания окклюзионной манжеты, для базового анализа использовались значения за 55 с исходных измерений (от 60 с до 5 с до начала окклюзии). Интервал окончания окклюзии (от 60 с до 10 с до выпуска) был выбран соответствующим образом. После освобождения отчетливо выражена реперфузия. Чтобы зафиксировать максимальное насыщение в анализе Бланда-Альтмана, мы решили использовать медиану девяти выборок вокруг максимального значения в интервале от 5 с до релиза до 55 с после релиза. Среднее значение рассчитывали для каждого временного интервала для измерений MSI и EPOS соответственно. Среднее отклонение было рассчитано вместе с верхним и нижним пределами, установленными на среднее значение ± 1,96 стандартного отклонения.

Невозможно сравнить значения фракции ткани эритроцитов между MSI (относительные единицы) и EPOS (% фракции ткани) без масштабирования данных MSI. Таким образом, среднее значение тканевой фракции эритроцитов ⟨fRBC⟩, оцененное по данным, усредненным в интервале от 1 минуты до окклюзии до 3 минут после освобождения, включая всех субъектов, было рассчитано для данных MSI и EPOS отдельно.Затем данные MSI были откалиброваны путем умножения на ⟨fRBC,  EPOS⟩/⟨fRBC,MSI⟩. Для сравнения результатов был использован линейный регрессионный анализ. Анализ Бленда-Альтмана также был выполнен, как описано выше, для данных, полученных на исходном уровне и во время окклюзии. Значения тканевой фракции эритроцитов, полученные во время фазы реперфузии, не отличаются от уровней, обнаруженных во время исходного уровня и окклюзии, и поэтому не учитываются.

Чтобы найти возможные различия в чувствительности к фракции ткани эритроцитов между двумя методами, были рассчитаны отношения значений фракции ткани эритроцитов в конце окклюзии и во время исходного уровня как для артериальной, так и для венозной окклюзии.Стандартное отклонение отношения было выше для MSI, чем для EPOS, особенно во время артериальной окклюзии (таблица 2). Таким образом, отношение MSI сравнивалось с отношением EPOS с использованием непараметрического критерия знакового ранга Уилкоксона.

2.10.

Глубина проникновения для MSI и EPOS

Для проверки глубины отбора проб для систем MSI и EPOS был проведен ряд симуляций методом Монте-Карло. Значения имитации ткани для µs′(λ) и µa(λ) использовались при длинах волн 475 и 630 нм.Оптические свойства ткани, составленные на основе популяционного исследования in vivo 23 [значения µa(λ) являются предварительными и еще не опубликованы], составляли 3,20 и 1,80 (мм–1) для µs′(λ) и 0,20. и 0,01 (мм–1) для µa(λ) соответственно.

2.11.

Исключение данных

Данные трех субъектов были исключены из-за плохого сигнала EPOS (один субъект) и критериев исключения (один субъект пил кофе перед измерениями, а у одного было кожное заболевание). Еще один субъект был исключен из протокола венозной окклюзии из-за несоблюдения протокола исследования.Остальные данные, используемые для статистического анализа, были собраны у 21 субъекта во время артериальной окклюзии и 20 субъектов во время венозной окклюзии.

3.

Результаты

В таблице 1 представлены средние значения насыщения гемоглобина кислородом и фракции ткани эритроцитов, оцененные с помощью систем MSI и EPOS во время артериальной и венозной окклюзии у всех субъектов в течение трех временных интервалов, обозначенных серыми горизонтальными линиями на рис. 2( а). Субъект, используемый в качестве примера на рис. 2, 4 и 5 был выбран на основании коэффициента корреляции R2 между оценочными значениями насыщения гемоглобина кислородом MSI и EPOS, наиболее близкими к среднему значению для всех испытуемых.

Таблица 1

Насыщение гемоглобина кислородом (SO2) и тканевая фракция эритроцитов (fRBC), оцененные с помощью MSI и EPOS на исходном уровне, в конце окклюзии и в начале реперфузии (среднее (SD) и [min max] для всех включенных субъектов) . Для fRBC во второй строке представлены значения MSI, откалиброванные по данным EPOS.

Исходный уровень Конец окклюзии Реперфузия
SO2  во время артериальной окклюзии MSI (%) 16 (9.9) 1.5 (2.4) 82.4 (7.4)
[21,7 62,7] [0 9.5] [55,6 93,8]
EPO (%) 55,8 (10. 3) 1.8 (1.7) 88.2 (5.7)
[39.5 71.7] [-0,6 5.5] [69.2 96.21 [69.2 96.2]
FRBC во время венозной окклюзии MSI (-) 0,012 (0,0042) 0,044 (0,0093) 0,025 (0,0064)
[0.0050 0.021] [0,025 0,062] [0,013 0,034]
откалиброванные MSI (%) 0,28 (0,095) 0,28 (0,095) 1,00 (0.21) 0,56 (0,15)
[0,12 0,48] [0. 58 1.42] [0.29 0.77]
EPO (%) 0,46 (0,12) 0,86 (0,18) 0,86 (0,18) 0,57 (0,13)
[0,18 0,71] [0.50] 1,21] [0,32 0,80]

Рис.2

(a) Насыщение гемоглобина кислородом (SO2) во время типичной артериальной окклюзии (MSI = жирная линия, EPOS = тонкая линия). Окклюзия начинается при t=300  с и заканчивается при t=600  с. Вертикальные линии указывают временной интервал, используемый для регрессионного анализа (от 240 до 780 с). Временные интервалы, используемые для анализа Бланда-Альтмана, отмечены серым цветом для исходного уровня (от 240 до 295 с), окклюзии (от 540 до 590 с) и реперфузии (от 595 до 655 с). (б) Линейный регрессионный анализ данных в (а) (каждая 10-я точка данных). Представлены данные во время исходного уровня (квадраты), окклюзии (кружки), реперфузии (треугольники) и аппроксимированной регрессии (сплошная линия).

Изменения насыщения кислородом для выбранного субъекта во время провокации артериальной окклюзии представлены на рис. 2(а). Средний уровень насыщения кислородом на исходном уровне, оцененный по системе MSI, составляет 41,5% в первый указанный временной интервал (серые горизонтальные линии). Когда начинается окклюзия, она уменьшается, и через 5 минут окклюзии уровни насыщения кислородом снижаются всего до 2%. При снятии окклюзии насыщение кислородом достигает пика 84,7% в период гиперемии. Насыщение кислородом затем снижается до исходного уровня.

Насыщение кислородом, рассчитанное системой MSI, сравнивали с данными EPOS с помощью линейного регрессионного анализа. На рис. 2(b) представлены выборочные данные с рис. 2(a) и построенная линейная регрессия. Для этого субъекта R2 составляет 0,964, а наклон линии равен 1,05. Для всей популяции из 21 включенного субъекта среднее значение R2 составляет 0,958 со значениями в диапазоне от 0,904 до 0,993.

Анализ Бланда-Альтмана был проведен для 21 субъекта в три выбранных интервала времени, указанных на рис.2(а). Результат представлен на рис. 3. Методы MSI и EPOS дают аналогичные результаты для низкого насыщения кислородом в конце окклюзии. Среднее отклонение составляет 0,3% с верхним и нижним пределами отклонения 3,6% и -4,2% соответственно. Базовые измерения показывают большую разницу со средним отклонением 13,2% с верхним и нижним пределами 4,3% и отклонением -30,7%. Значения EPOS обычно значительно выше, чем значения MSI. Более высокие значения EPOS также обнаруживаются во время реперфузии, но не в такой степени.Среднее отклонение составляет 5,6% с верхним и нижним пределами 4,4% и отклонением -15,9% соответственно.

Рис. 3

Согласованность насыщения гемоглобина кислородом (SO2) между значениями, оцененными MSI и EPOS из анализа Бланда-Альтмана у 21 субъекта в трех отдельных временных интервалах [см. рис. 2(a)] во время артериальной окклюзии: исходный уровень ( квадраты/пунктир), окончание окклюзии (кружки/сплошные линии) и реперфузии (треугольники/штрихпунктирные линии). Средняя разница для каждой фазы представлена ​​тонкими линиями, а разница ±1.96 * стандартное отклонение (интервал предсказания 95%) жирными линиями.

На рис. 4 показаны изображения насыщения кислородом с пространственным разрешением, рассчитанные в трех разных временных точках для того же субъекта, что и на рис. 2. На исходном уровне и при окклюзии была выбрана последняя временная точка в интервалах, указанных на рис. 2(а), тогда как момент времени с пиковым насыщением кислородом был выбран в пределах реперфузионного интервала. Три куба данных интенсивности, полученные системой MSI, были проанализированы попиксельно, отображая насыщение кислородом предплечья.

Рис. 4

Насыщение кислородом с пространственным разрешением, оцененное MSI. Для исходного уровня (а) и окклюзии (б) были выбраны последние временные точки интервалов, указанных на рис. 2(а), тогда как для реперфузии (в) была выбрана временная точка с максимальным насыщением кислородом в интервале. Область интереса, используемая для усреднения данных, представленных на рис.  2, обведена белым квадратом.

Данные о фракции ткани эритроцитов, оцененные во время венозной окклюзии для того же субъекта, что и на рис. 2, представлены на рис.5(а). Уровни стабильны в исходном состоянии, но быстро увеличиваются при окклюзии руки. Во время окклюзии увеличение продолжается, но более медленными темпами. Сразу после снятия окклюзии уровни падают и вскоре снова достигают исходного уровня. Расчетные значения фракции ткани эритроцитов по EPOS составляют 0,38% в начале исследования и 0,79% в конце окклюзии. Данные MSI калибруются, как описано в разд. 2.9 до сравнения с данными EPOS.

Рис. 5

(a) Фракция ткани эритроцитов (fRBC) во время типичной венозной окклюзии (калибровка MSI = жирная линия, EPOS = тонкая линия).Для калибровки данных MSI см. разд. 2.9. Окклюзия начинается при t=300  с и заканчивается при t=600  с. Вертикальные линии указывают временной интервал, используемый для регрессионного анализа (от 240 до 780 с). Временные интервалы, используемые для анализа Бланда-Альтмана, отмечены серым цветом для базовой линии (от 240 до 295 с) и окклюзии (от 540 до 590 с). (б) Линейный регрессионный анализ данных в (а) (каждая 10-я точка данных). Представлены данные во время исходного уровня (квадраты), окклюзии (кружки), реперфузии (треугольники) и аппроксимированной регрессии (сплошная линия).

Был проведен линейный регрессионный анализ значений тканевой фракции эритроцитов при венозной окклюзии для всех 20 включенных субъектов.На рис. 5(b) представлен регрессионный анализ данных на рис. 5(a). Для этого субъекта R2 составляет 0,982, а наклон линии равен 0,61. Для всех включенных субъектов среднее значение R2 составляет 0,925 со значениями в диапазоне от 0,717 до 0,984. R2>0,9 у 75% испытуемых.

Результаты анализа Бланда-Альтмана для 20 субъектов представлены на рис. 6 для двух временных интервалов, указанных на рис. 5(а). После нормализации доля ткани эритроцитов недооценивается измерениями MSI на исходном уровне со средним отклонением -0.18, а верхний и нижний пределы 0,014 и -0,37 соответственно по сравнению с EPOS. В конце венозной окклюзии фракция ткани эритроцитов занижается MSI по сравнению с EPOS со средней погрешностью 0,14 и верхним и нижним пределами 0,49 и -0,21 соответственно.

Рис. 6

Согласованность фракции ткани эритроцитов (fRBC) между значениями, оцененными с помощью MSI (откалибровано) и EPOS из анализа Бланда-Альтмана у 20 субъектов в два разных временных интервала [см. рис. 5 (a)] во время венозной окклюзии : исходная линия (квадраты/пунктирные линии) и в конце окклюзии (кружки/сплошные линии).Средняя разница для каждой фазы представлена ​​тонкими линиями, а разница ±1,96 * стандартное отклонение (интервал прогноза 95%) — жирными линиями.

Соотношения расчетной фракции ткани эритроцитов между концом окклюзии и исходным уровнем по MSI и EPOS представлены в таблице 2 как для артериальной, так и для венозной окклюзии. Отношение было значительно выше при измерении с помощью MSI (p<0,001, артериальная и венозная окклюзия) и наиболее заметно при венозной окклюзии, когда изменение фракции ткани эритроцитов является очевидным.

Расчетная средняя максимальная глубина проникновения фотонов на двух длинах волн 475 и 630 нм составляет 0,43 и 0,79 мм с EPOS (каждое значение является средним результатом для волокна детектора источника DRS на расстояниях 0,40 и 1,20 мм) соответственно. Аналогичные значения MSI составляют 0,45 и 1,79 мм соответственно.

Таблица 2

Отношение предполагаемой фракции ткани эритроцитов между конечной окклюзией и исходным уровнем для MSI и EPOS во время артериальной и венозной окклюзии (среднее значение и (SD) для всех включенных субъектов).

92 299
MSI ЭПОС
артериальная окклюзия 2,24 (0,83) 1,26 (0,23) *
Венозный окклюзию 3,77 (1,04) 1,93 (0,41) *

4.

Обсуждение

В этом исследовании мы разработали и оценили алгоритм оценки насыщения микрососудистого гемоглобина кислородом и доли ткани эритроцитов на основе собранных данных MSI моментального снимка. Алгоритм, основанный на обратном моделировании Монте-Карло, использует шесть параметров для моделирования переноса света в ткани, при этом трем параметрам присваиваются фиксированные значения, а трем параметрам присваиваются определенные значения, относящиеся к ткани кожи. Измерения во время окклюзии вен и артерий предплечья у 24 человек показывают, что оценка насыщения гемоглобина кислородом и фракции ткани эритроцитов с помощью нашей системы и алгоритма MSI сильно коррелирует с этими измерениями с использованием эталонной системы на основе датчиков. Однако существуют систематические различия, которые можно объяснить различиями в объеме выборки.

При синхронизации по времени между MSI и EPOS реакции на окклюзию и реперфузию кажутся одновременными в обоих методах.Окклюзия плечевых сосудов влияет на всю руку в дистальном направлении, и поэтому два места измерения (MSI и EPOS) подвергаются одинаковому влиянию. Пространственные различия в тканевых соединениях между участками, например наличие мелких или крупных сосудов или других структур, могут влиять на результат на индивидуальном уровне, но усредняются в популяции.

Значения насыщения гемоглобина кислородом оцениваются и подтверждаются с помощью линейного регрессионного анализа, показывающего средний коэффициент корреляции R2=0. 956 по сравнению с эталонной системой EPOS. Применение анализа Бланда-Альтмана MSI и EPOS показывает, что согласие лучше всего в конце окклюзии, когда оксигенация низкая. Существует смещение между измерениями MSI и EPOS во время исходного уровня, где MSI показывает более низкое насыщение гемоглобина кислородом.

Поскольку значения фракции ткани эритроцитов MSI являются относительными в отличие от значений, измеренных EPOS, значения MSI калибруются по данным EPOS перед сравнением. Применение линейного регрессионного анализа показывает, что R2=0.927, в то время как анализ Бланда-Альтмана показывает, что MSI недооценивает на исходном уровне и аналогичным образом завышает значения конца окклюзии по сравнению с результатами EPOS RBC.

Дополнительное моделирование методом Монте-Карло глубины проникновения показывает, что для более длинных длин волн, когда поглощение света гемоглобином низкое, система MSI имеет объем выборки, проникающий значительно глубже в ткань (1,79 мм) по сравнению с EPOS (0,79 мм). Наиболее поверхностные вены находятся на глубине около 0.75 мм в ткани предплечья, 26 , что говорит о том, что они в основном не обнаруживаются системой EPOS. Систематические различия между значениями MSI и EPOS могут быть объяснены этой разницей в объемах выборки, что фактически делает измерения MSI более подверженными влиянию венозной крови.

В конце артериальной окклюзии как MSI, так и EPOS берут образец сосудистого русла с существенно деоксигенированным гемоглобином. Аналогичным образом, оба метода берут пробы сосудистого русла с существенно насыщенной кислородом кровью вскоре после устранения окклюзии из-за короткого времени капиллярного транзита и низкой экстракции кислорода во время гиперемии, вызванной высокой скоростью кровотока.Однако на исходном уровне разница в оксигенации между сосудистыми сплетениями более выражена, из-за чего разные объемы выборки двух модальностей сильнее влияют на показатели кислорода.

Различия в объеме пробы также могут объяснить большее изменение фракции ткани эритроцитов, измеренное MSI, чем EPOS, при сравнении исходных данных и данных в конце окклюзии в таблице  2. Это наблюдение справедливо как для артериальной, так и для венозной окклюзии, но более выражено для последней. Глубоко залегающие венозные сосуды обладают высокой емкостью и фракция ткани эритроцитов в этих сосудах увеличивается при накоплении крови при окклюзии.MSI с его более глубоким объемом отбора проб будет отбирать больше венозной крови, чем EPOS, что объясняет разницу в оценке объема крови.

Во время венозной окклюзии доля ткани эритроцитов постепенно увеличивается на протяжении всего периода окклюзии, как и ожидалось. При анализе уровней фракции ткани эритроцитов во время артериальной окклюзии (данные не представлены) доля ткани эритроцитов аналогичным образом увеличивается во время надувания манжеты, но также изменяется после того, как давление в манжете достигает уровней, значительно превышающих артериальное давление.Это можно объяснить перераспределением крови, вызванным начальной разницей давления между артериями и венами, в результате чего кровь течет из глубоких артерий, расположенных значительно ниже глубины взятия проб, в вены, расположенные глубоко, но видимые для наших измерительных систем.

Описанный алгоритм можно применить к отдельным пикселям куба данных MSI для получения результатов с пространственным разрешением, как показано на рис. 4. В этом исследовании данные MSI с площади размером 2 × 2   см были усреднены, проанализированы, и сравнивали с данными точечного измерительного зонда EPOS.Пример на рис. 4 показывает небольшие пространственные вариации насыщения кислородом в пределах области интереса, что указывает на то, что усреднение оказывает ограниченное влияние на результат. Пространственно усредненные данные MSI по сравнению с данными EPOS могут демонстрировать меньшее соответствие из-за разных мест отбора проб. Однако для всего исследования значения MSI и EPOS хорошо совпадали, особенно для насыщения гемоглобина кислородом, где значение R2 > 0,90 для всех субъектов.

Другие группы использовали камеру MSI для моментальных снимков от XIMEA для измерения насыщения тканей кожи кислородом.Бауэр и соавт. 12 описывают метод спектральной коррекции характеристик камеры XIMEA, при котором снижается нежелательная спектральная пиковая чувствительность. Это важно при использовании обратных алгоритмов, которые не полностью учитывают полную спектральную чувствительность каждого пикселя, а вместо этого анализируют данные на основе значений рассеяния и поглощения для одной длины волны (т. е. пиковой длины волны). Наш подход не страдает от этого ограничения, поскольку учитывается полное спектральное поведение как ткани кожи, так и характеристики детектора.Однако это делается за счет требовательного к вычислительным ресурсам алгоритма, основанного на моделировании методом Монте-Карло, что делает его непригодным для анализа полных изображений в реальном времени. Бауэр и соавт. применили свой алгоритм для оценки относительных изменений насыщения крови кислородом на тыльной стороне ладони, используя только 3 из 16 доступных каналов. Относительно низкая скорость сбора данных (1 кадр/с) позволяла рассчитывать значения в режиме реального времени. Для динамической оценки системы использовали артериальную окклюзию плеча.Результаты сравниваются со стандартизированной системой на основе зонда, которая измеряет в ближнем инфракрасном (БИК) режиме 27 , и объем выборки для двух систем значительно различается. 12 Bauer et al. обнаружили различия в оксигенации при окклюзии, как и мы, но сравнить расчетные значения насыщения кислородом невозможно, так как все представленные значения нормированы на диапазон [0 1] и сравниваются только формы кривых.

Рубинс и др. использовали алгоритм сегментации k-средних и двухслойную оптическую диффузную модель, чтобы связать интенсивности, измеренные камерой XIMEA со стороны ладони, с уровнями насыщения кожи кислородом.Их протокол включал окклюзию плеча до 150 мм рт. ст. в течение 10 минут. 13 Результаты нельзя сравнивать с нашими значениями, поскольку значения не являются количественными и не сравниваются с эталонным методом. Давление в манжете было значительно ниже, чем давление, используемое в нашем протоколе, и, возможно, не давало подобного ответа. Кроме того, динамический ответ в фазе реперфузии был ограничен тем же уровнем, что и значения насыщения кислородом, оцененные на исходном уровне (100%). 13

На чувствительность к спектрам поглощения гемоглобина влияют основные длины волн, и алгоритм анализа можно улучшить за счет грамотного выбора или комбинации каналов. 22 , 28 Однако эти датчики уникальны, и спектральные свойства, такие как длина волны пика, различаются между образцами. Следовательно, при разработке алгоритмов, которые должны работать не только для одной камеры, фиксированные предварительно выбранные длины волн или каналы не являются приемлемым вариантом. В этой работе мы представляем дополнительную стратегию, которая решает эту проблему. В целом, наш подход работает хорошо. Однако в нашем алгоритме нелинейной оптимизации присутствуют некоторые невязки при подгонке смоделированных данных к измеренным данным, что может объяснить некоторые различия, обнаруженные между двумя сравниваемыми модальностями.Происхождение этих остатков, скорее всего, можно найти в спектральной чувствительности, предоставленной производителем. Предварительные данные показывают, что эти спектральные чувствительности могут быть неточными при добавлении к датчику оптической линзы, что требует дальнейших калибровочных измерений.

5.

Заключение

Мы продемонстрировали, что обратный алгоритм Монте-Карло, основанный на двухслойной модели кожи с тремя свободными параметрами, может точно и последовательно моделировать спектры, полученные с помощью камеры моментальных снимков MSI со сложными характеристиками фильтра.Данные, полученные с кожи предплечья во время артериальной и венозной окклюзии, показывают, что насыщение гемоглобина кислородом и фракция ткани эритроцитов, оцененные по данным MSI, имеют высокую корреляцию со значениями, совместно зарегистрированными с помощью проверенной системы EPOS на основе зондов. Были обнаружены некоторые систематические различия, но они могут быть объяснены большим объемом выборки для системы MSI на более длинных волнах, где поглощение ткани низкое.

Раскрытие информации

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Авторы хотят поблагодарить Юстуса Хеллмана за его помощь во время проведения измерений. Мы также хотим поблагодарить Ингемара Фредрикссона за ценную помощь и советы относительно измерений системы EPOS и интерпретации данных. Это исследование было поддержано шведским агентством инноваций VINNOVA в рамках программ Swelife и MedTech5Health (гранты № 2017-01435 и 2019-01522), а также исследовательской организацией CENIIT в Университете Линчепинга (проект ID 11.02).

Ссылки

2. 

Д. А. Лоу и др., «Исторические обзоры оценки сердечно-сосудистой функции человека: опрос и понимание контроля кожного кровотока». Евро. Дж. Заявл. Физиол., 120 (1), 1 –16 (2020). https://doi.org/10.1007/s00421-019-04246-y EJAPFN 1439-6319 Академия Google

15. 

М. Эверлёф, М. Ларссон и Э. Г. Салеруд, «Оценка пространственного и временного объема крови и сатурации кожи с помощью мультиспектральной фотокамеры». проц.SPIE, 10068 1006814 (2017). https://doi.org/10.1117/12.2251928 PSISDG 0277-786X Академия Google

17. 

Х. Джонассон и др., «Насыщение кислородом, фракция ткани эритроцитов и скорость перфузии — новый оптический метод оценки микроциркуляции». Микроваск. Рез., 102 70 –77 (2015). https://doi.org/10.1016/j.mvr.2015.08.006 MIVRA6 0026-2862 Google Scholar

20. 

И. Фредрикссон, Количественная лазерная доплеровская флоуметрия, Кафедра биомедицинской инженерии, Университет Линчепинга, Линчёпинг (2009).Google Scholar

25. 

Т. Стромберг, Ф. Шоберг и С. Бергстранд, «Временная и пространственно-временная изменчивость в комплексной оценке микроциркуляции кожи предплечья во время протоколов окклюзии». Микроваск. Рез., 113 50 –55 (2017). https://doi.org/10.1016/j.mvr.2017.04.005 MIVRA6 0026-2862 Google Scholar

27. 

С. Хиттел-Соренсен и др., «Сравнение двух оксиметров NIRS (INVOS, OxyPrem) с использованием измерений на руке взрослых и голове младенцев после кесарева сечения». Биомед.Опц. Экспресс, 5 (10), 3671 –3683 (2014). https://doi.org/10.1364/BOE.5.003671 BOEICL 2156-7085 Google Scholar

Биография

Мария Эверлёф является аспиранткой, интересующейся биомедицинской оптикой, на кафедре биомедицинской инженерии Линчёпингского университета, Швеция. Ее исследования в области биомедицинской оптики (https://liu.se/en/employee/marew49) включают мультиспектральную визуализацию моментальных снимков для пространственной и временной оценки микроциркуляторных свойств ткани кожи человека.

Э. Йоран Салеруд — заместитель заведующего кафедрой биомедицинской инженерии Университета Линчепинга. Его исследования относятся к области биомедицинской оптики (https://liu.se/en/employee/gorsa75) и сосредоточены на гиперспектральной визуализации и микроскопии, исследуя пространственную и временную физиологию микроциркуляции. В трансляционной работе биомедицинской оптики участвуют здоровые субъекты с редкими заболеваниями и точки оказания помощи новым методам и технологиям.

Томас Стрёмберг — заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Линчепингского университета.Его исследования относятся к биомедицинской оптике (https://liu.se/en/employee/tomst50) с упором на моделирование переноса света в точечной и визуализирующей лазерной доплеровской флоуметрии, лазерной спекл-спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения. Работа проводится в тесном сотрудничестве с клиническими исследователями и промышленностью.

Маркус Ларссон — старший преподаватель кафедры биомедицинской инженерии Линчёпингского университета, Швеция. Его исследования сосредоточены на теоретической и прикладной биомедицинской оптике (https://liu.se/en/employee/marla29) для характеристики тканей и микроциркуляторного русла с использованием методов на основе спеклов и стационарных спектроскопических методов. Это включает совместную работу с промышленностью и клиническими исследователями.

Снижение насыщения кислородом внутренней мозговой вены у пациентов с серповидно-клеточной анемией, выявленное с помощью Qsm-MRI | Кровь

Введение:

Визуализация оксигенации головного мозга может быть мощным инструментом для оценки риска инсульта у пациентов с серповидно-клеточной анемией (SCD) и потенциально может помочь в профилактике инсульта.В настоящее время существуют разногласия в оценке доли извлечения кислорода методами, измеряющими оксигенацию тканей из глубоких структур головного мозга, и методами, измеряющими оксигенацию крови в сагиттальном синусе. Количественное картирование восприимчивости (QSM) — это метод МРТ, который может неинвазивно измерять насыщение венозной крови кислородом (S v O 2 ) в глубоких мозговых структурах на основе сдвига магнитной восприимчивости венозной крови, вызванного дезоксигемоглобином. В этом исследовании наша цель состояла в том, чтобы сравнить венозную сатурацию кислорода, измеренную с помощью QSM во внутренней церебральной вене (ICV), с венозной оксигенацией в сагиттальном синусе (SS) у пациентов с ВСС, анемией с нормальным гемоглобином и здоровым контролем.

Методы:

В исследовании приняли участие 16 пациентов с ВСС, 7 пациентов с несерповидной анемией и 11 здоровых лиц (таблица 1). Все субъекты предоставили письменное согласие на протокол, одобренный Комитетом по клиническим исследованиям (CCI № 11-00083).

Изображения были получены с помощью клинической системы Philips 3 Тл с 32-канальной радиочастотной катушкой. Последовательность трехмерных градиентных эхо-сигналов имела параметры: TR = 30 мс, α = 25°, 2 эха: TE1 = 4,94 мс, ΔTE = 5,2 мс, FOV = 210 x 190 x 120 мм, пространственное разрешение: 0.6 x 0,6 x 1,3 мм, коэффициент ускорения SENSE = 2 в направлении фазового кодирования, BW = 289 Гц/пиксель и общее время сбора данных = 6 минут 50 секунд. Компенсация потока добавлялась только в направлении считывания, которое было передне-задним (AP) направлением.

Для каждого субъекта были подобраны фазовые изображения для создания карты поля B0. Извлечение мозга и развертку фазы выполняли с использованием FSL. Фоновое поле было удалено с помощью PDF. Недостоверные фазовые воксели были идентифицированы и удалены из маски мозга для последующей обработки.L1-регуляризованная инверсия поля к восприимчивости была выполнена для получения карты восприимчивости (лямбда = 4*10 -4 ). Насыщение венозной крови кислородом рассчитывали на основе:

χ = (1 — S v O 2 do Hct + χ ow Hct [1]

, где χ — измерение восприимчивости χ до — сдвиг чувствительности на единицу гематокрита между полностью оксигенированными и полностью деоксигенированными эритроцитами, а χ ow — сдвиг чувствительности между оксигенированными клетками крови и водой.Для χ d-o и χ o-w использовались значения 0,27 ppm (единица СГС) и -0,03 ppm.

Маска области исследования ICV была выбрана вручную на основе карты восприимчивости с пороговым значением 0,1 ppm, чтобы избежать эффекта частичного объема. Был включен только сегмент, который имел угол менее 30 градусов по отношению к оси AP. Цель состояла в том, чтобы исключить области, которые были восприимчивы к артефакту потока. Рассчитывали среднее венозное насыщение кислородом внутри ROI. Групповые различия венозной сатурации кислорода оценивали с помощью t-критерия Стьюдента.

Результаты:

На рис. 2а показано линейное увеличение магнитной восприимчивости ICV с гематокритом, как это предсказывает уравнение [1]. Среднее ICV венозное насыщение кислородом в трех группах составило 73,9% в CTL, 73,6% в ACTL, по сравнению с SCD 69,3%, p<0,05 при дисперсионном анализе. На рис. 3 сравнивается насыщение кислородом ICV и SS в зависимости от концентрации гемоглобина. При нормальных значениях гемоглобина сатурация СС была ниже, чем при ИЦВ, но эта разница исчезала с увеличением тяжести анемии.После контроля уровня гемоглобина не было различий между группами пациентов в насыщении кислородом в любом месте.

Обсуждение:

У пациентов без анемии сатурация кислорода при СС была ниже, чем при ИВЛ, что потенциально отражает повышенную потребность коры головного мозга в кислороде по сравнению с глубокими структурами мозга. ICV является одной из основных глубоких кортикальных вен, и насыщение кислородом этой вены может указывать на оксигенацию глубоких структур полушарий головного мозга, включая базальные ганглии, мозолистое тело и таламус.При прогрессирующей анемии мозговой кровоток увеличивается для сохранения доставки кислорода в мозг (не показано), но способствует перфузии серого вещества за счет глубоких структур белого вещества. Это может объяснить снижение венозной сатурации гемоглобином, наблюдаемое при ИЦВ, по сравнению с повышением венозной сатурации, наблюдаемым при СС. В качестве альтернативы, глобальное увеличение кровотока может привести к гомогенизации и сокращению времени микроваскулярного транзита, выравнивая экстракцию кислорода по сосудистым территориям головного мозга.

Раскрытие информации

Coates: celgene: Консультации, гонорары, прочее: руководящий комитет клинического исследования; agios pharma: Консультации, гонорары; vifor: Консультации, Гонорары; apo pharma: Консультации, Гонорары, Бюро выступлений. Древесина: Апофарма: Консультации; Биомедицинская информатика: Консультации; Национальные институты здравоохранения: Финансирование исследований; Imago Biosciences: Консультации; WorldcareClinical: Консультации; Philips Healthcare: Финансирование исследований; BluebirdBio: Консультации; Celgene: Консультации.

Пульсоксиметрия | Американская ассоциация легких

Если у вас есть симптом одышки или известное заболевание легких или сердца, ваш врач может порекомендовать вам использовать пульсоксиметр.Пульсоксиметр, или Pulse Ox,   , представляет собой электронное устройство, измеряющее насыщение кислородом эритроцитов. Пульсоксиметры можно прикрепить к пальцам, лбу, носу, стопе, ушам или пальцам ног. После этого устройство может быть использовано повторно или утилизировано. Если вы используете это в домашних условиях, вы должны спросить своего поставщика медицинских услуг, прежде чем утилизировать устройство пульсоксиметра, так как оно может быть дорогим и многоразовым.

В феврале 2021 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов опубликовало предупреждение об ограничениях пульсоксиметров.Если у вас плохое кровообращение, темная пигментация кожи, толстая кожа, вы курите в настоящее время, температура вашей кожи прохладная, вы пользуетесь темным лаком для ногтей, длинными искусственными ногтями или если ваши пальцы грязные, пульсоксиметр может показывать неточные или противоречивые показания. Вот почему цифры пульсоксиметра не следует использовать изолированно для определения состояния вашего здоровья. Важно поделиться показаниями, которые являются ненормальными или несовместимыми с вашим лечащим врачом.

Читайте о COVID-19 и пульсоксиметрии в нашем блоге «Каждое дыхание»: Пульсоксиметрия — небольшое знание может быть опасным.

Чего ожидать?

При аккуратной работе вы можете рассчитывать на простое, быстрое и безопасное измерение уровня насыщения организма кислородом. Датчик будет установлен, и в течение нескольких секунд пульсоксиметр покажет частоту сердечных сокращений и уровень насыщения крови кислородом, как показано на рисунке выше. При оксиметрическом измерении не используются иглы и не возникает боли.В некоторых больницах также используются одноразовые ленточные зонды, которые наматываются на палец, нос или ногу.

Пульсоксиметр использует источник холодного света, который пропускает свет через кончик пальца, делая его красным. Анализируя свет от источника света, который проходит через палец, устройство может определить процентное содержание кислорода в эритроците.

Понимание результатов

Пульсоксиметр наблюдает за быстрым измерением уровня насыщения организма кислородом без использования игл или забора крови.Измеренное количество, отображаемое на экране, отражает насыщение ваших эритроцитов кислородом. Этот номер дает вашим врачам и медсестрам представление о том, каким будет ваше лечение. Уровень кислорода также может помочь определить, нужно ли вам получать дополнительный кислород. Это число сатурации (хорошее число должно быть более 90-92%) отличается от значения, называемого pO2 (хорошее число должно быть более 60-65), которое измеряется при заборе крови из артерии. Ваш врач может уточнить значение вашей ценности в вашей конкретной ситуации.

Каковы риски?

Нет никаких известных рисков или опасностей использования пульсового оксиметра, когда значения анализируются и контролируются компетентным медицинским работником.

Tissue Oxygen Saturation – обзор микроциркуляции

Локальное среднее насыщение гемоглобина кислородом во всех красных кровяных тельцах (эритроцитах) называется насыщением тканей кислородом или насыщением кислородом эритроцитов. Это важный параметр для измерения, чтобы оценить как доставку кислорода, так и его поглощение тканями.Он отличается от общеизвестной пульсоксиметрии тем, что выявляет насыщение кислородом всей крови, включая микроциркуляцию, как артериальную, так и венозную. В пульсоксиметрии выходной сигнал связан с насыщением кислородом пульсирующих артерий.

Комбинируя измерения насыщения тканей кислородом и скорости перфузии, можно получить всестороннее представление о микроциркуляции и тканевом метаболизме. Мы предлагаем прибор PeriFlux 6000 EPOS для измерения этих микроваскулярных параметров в том же объеме пробы с использованием встроенного оптоволоконного датчика и усовершенствованного анализа сигналов на основе моделей.Параметры из EPOS:

  • Насыщение эритроцитов кислородом (%)
  • Фракция ткани эритроцитов: грамм эритроцитов на 100 грамм ткани (%)
  • Оксигенированная и восстановленная концентрация гемоглобина в ткани (мкМ)
  • Перфузия с разрешением по скорости: грамм эритроцитов / 100 грамм ткани × мм/сек (% эритроцитов × мм/сек). Три различных диапазона скорости: 10 мм/сек
  • Глубина измерения (мм)

Различные протоколы провокаций, такие как локальное нагревание или окклюзия плеча, предпочтительно используются в сочетании с этими микроциркуляторными измерениями, чтобы получить больше информации о функции микроциркуляторного русла.В приборе EPOS встроена автоматическая поддержка таких провокаций.

Подпись к рисунку: Измерение постокклюзионной реактивной гиперемии на предплечье, пятиминутная окклюзия плеча между 2 и 7 минутами.

Каталожные номера:

  1. Обратный метод Монте-Карло в модели многослойной ткани: объединение спектроскопии диффузного отражения и лазерной доплеровской флоуметрии. Фредрикссон И., Бурдаков О., Ларссон М., Стрёмберг Т.Журнал биомедицинской оптики. 18(12), 2013.
  2. Насыщение кислородом, фракция ткани эритроцитов и скорость перфузии с разрешением — новый оптический метод оценки микроциркуляции. Йонассон Х., Фредрикссон И., Петтерссон А., Ларссон М., Стрёмберг Т. Исследования микрососудов. 102, 2015.
  3. Дисфункция эндотелия микрососудов кожи связана с диабетом 2 типа независимо от микроальбуминурии и жесткости артерий. Йонассон Х., Бергстранд С. и соавт. Исследование диабета и сосудистых заболеваний.14(4), 2017.
  4. Взаимосвязь между перфузией кожи предплечья с разрешением по скорости и насыщением кислородом, а также амплитудами пульсации артерий пальцев как косвенные показатели эндотелиальной функции. Бергстранд С., Моралес М.А., Коппини Г., Ларссон М., Стрёмберг Т. Микроциркуляция. 25(2), 2018.
  5. Валидация лазерной допплеровской перфузии с разрешением по скорости в мультимодальной оптической системе с использованием фантома кровотока. Йонассон Х., Фредрикссон И., Ларссон М., Стрёмберг Т., Журнал биомедицинской оптики 24(9), 2019.
  6. Нормативные данные и влияние возраста и пола на функцию микроциркуляции в когорте среднего возраста: результаты исследования SCAPIS.
    Как насытить клетки кислородом: Как можно в домашних условиях обеспечить организм кислородом

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.