Методы вейвлет-анализа в комплексном подходе к исследованию кожной микрогемодинамики как единицы сердечно-сосудистой системы
https://doi.org/10.24884/1682-6655-2018-17-3-33-41
Аннотация
Описаны методы исследования колебаний в микроциркуляторном русле на основе адаптивного вейвлет-преобразования. Показано, что разработанные методы особо актуальны при анализе низкочастотных компонент короткоживущих переходных процессов в условиях проведения функциональных проб. Кроме того, описанная методика позволяет сократить длительность регистрации сигналов, что может быть полезно при исследовании микроциркуляторного русла у пациентов с тяжелыми патологиями. Также предложен метод исследования фазовых взаимоотношений между колебаниями в системе микроциркуляции на основе оценки значений функции фазовой вейвлет-когерентности, который позволяет выявить частотные интервалы с высокой и низкой фазовой скоррелированностью колебаний скорости микроциркуляторного кровотока.
Об авторе
А. В. Танканаг
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт биофизики клетки» Российской академии наук
Россия
Россия
Список литературы
1. Кирилина Т. В., Красников Г. В., Танканаг А. В. и др. Респираторно-зависимые колебания кровотока в системе микроциркуляции кожи человека // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. - 2009. - Т. 8. - № 2. - C. 58-62. [Kirilina TV, Krasnikov GV, Tankanag AV i dr. Respiratorno-zavisimye kolebanija krovotoka v sisteme mikrocirkuljacii kozhi cheloveka. Regionarnoe krovoobrashhenie i mikrocirkuljacija. 2009;8(2):58-62. (In Russ.)].
2. Кирилина Т. В., Красников Г. В., Танканаг А. В., и др. Пространственная синхронизация колебаний кровотока в системе микроциркуляции кожи человека // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. - 2009. - Т. 8. - № 3. - С. 32-36. [Kirilina TV, Krasnikov GV, Tankanag AV i dr. Prostranstvennaja sinhronizacija kolebanij krovotoka v sisteme mikrocirkuljacii kozhi cheloveka. Regionarnoe krovoobrashhenie i mikrocirkuljacija. 2009;8(3):32-36. (In Russ.)].
3. Красников Г. В., Танканаг А. В., Коняева Т. Н. и др. Оценка изменений в системах регуляции кровотока в коже человека при локальном нагреве // Росс. физиолог. журн. им. И. М. Сеченова. - 2007. - Т 93. - № 4. - С. 394-401. [Krasnikov GV, Tankanag AV, Konyaeva TN i dr. Assessment of the changes in regulatory systems of human’s skin bloodflow during local heating. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova. 2007;93(4):394-401. (In Russ.)].
4. Красников Г. В., Тюрина М. Й., Танканаг А. В., и др. Роль симпато-вагального баланса в формировании респираторно-связанных колебаний в сердечно-сосудистой системе человека // Физиол. человека. - 2014. - Т. 40. - № 1. - С. 68-75. [Krasnikov GV, Tjurina MY, Tankanag AV i dr. Involvement of the sympatho-vagal balance in the formation of respiration-dependent oscillations in the human cardiovascular system. Human physiology. 2014;40(1):58-64. (In Russ.)]. doi: 10.1134/S0362119714010095.
5. Крупаткин А. И. Пульсовые и дыхательные осцилляции кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека // Физиол. человека. - 2008. - Т. 34. - № 3. - С. 70-76. [Krupatkin AI. Cardiac and respiratory oscillations of the blood flow in microvessels of the human skin. Human physiology. 2008;34(3):323-329. (In Russ.)]. Doi: 10.1134/S0362119708030092.
6. Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Адаптивный вейвлет анализ колебаний периферического кровотока кожи человека // Биофизика. - 2009. - Т. 54. - № 3. - С. 537-544. [Tankanag AV, Chemeris NK. Adaptive wavelet analysis of oscillations in the human peripheral bloodflow. Biophysics. 2009;54(3):375-380. (In Russ.)]. doi: 10.1134/S0006350909030221.
7. Танканаг А. В., Гриневич А. А., Тихонова И. В. и др. Фазовая синхронизация колебаний кожного кровотока человека при асимметричном локальном нагреве // Биофизика. - 2017. - Т. 62. - № 4. - С. 769-776. [Tankanag AV, Grinevich AA, Tikhonova IV i dr. Phase synchronization of skin blood flow oscillations in humans under asymmetric local heating. Biophysics. 2017;62(4):629-635. doi: 10.1134/S0006350917040212. (In Russ.)].
8. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Косякова Н. И., Чемерис Н. К. Возрастные особенности функционирования микроциркуляторного русла кожи человека // Росс. физиолог. журн. им. И. М. Сеченова. - 2005. - Т. 91. - № 10. - С. 1132-1137. [Tihonova IV, Tankanag AV, Kosjakova NI, Chemeris NK. Vozrastnye osobennosti funkcionirovanija mikrocirkuljatornogo rusla kozhi cheloveka. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova. 2005;91(10):1132-1137 (In Russ.)].
9. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Косякова Н. И., Чемерис Н. К. Оценка возрастных изменений регуляции периферического кровотока у человека // Росс. физиолог. журн. им. И. М. Сеченова. - 2005. - Т. 91. - № 11. - С. 1305-1311. [Tihonova IV, Tankanag AV, Kosjakova NI, Chemeris NK. Ocenka vozrastnyh izmenenij reguljacii perifericheskogo krovotoka u cheloveka. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova. 2005;91(11):1305-1311 (In Russ.)].
10. Тихонова И. В., Гущин А. Ю., Танканаг А. В. и др. Особенности функционирования микроциркуляторного русла у больных с заболеваниями сердечно-сосудистой и дыхательной систем // Клин. физиол. кровообращения. - 2006. - № 3. - С. 31-37. [Tihonova IV, Gushhin AYu, Tankanag AV i dr. Osobennosti funkcionirovanija mikrocirkuljatornogo rusla u bol’nyh s zabolevanijami serdechno-sosudistoj i dyhatel’noj sistem. Klinicheskaja fiziologija krovoobrashhenija. 2006;(3):31-37 (In Russ.)].
11. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Косякова Н. И., Чемерис Н. К. Исследование эндотелий-зависимых колебаний кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека // Росс. физиолог. журн. им. И. М. Сеченова. - 2006. - Т. 92. - № 12. - С. 1429-1435. [Tihonova IV, Tankanag AV, Kosjakova NI, Chemeris NK. Issledovanie jendotelij-zavisimyh kolebanij krovotoka v mikrocirkuljatornom rusle kozhi cheloveka. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova. 2006;92(12):1429-1435 (In Russ.)].
12. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Косякова Н. И., Чемерис Н. К. Изменение уровня маркеров воспаления и состояние периферического кровотока в микроциркуляторном русле кожи у больных хронической обструктивной болезнью легких // Пульмонология. - 2008. - № 1. - С. 57-61. [Tihonova IV, Tankanag AV, Kosjakova NI, Chemeris NK. Izmenenie urovnja markerov vospalenija i sostojanie perifericheskogo krovotoka v mikrocirkuljatornom rusle kozhi u bol’nyh hronicheskoj obstruktivnoj boleznju legkih. Pul’monologija. 2008;(1):57-61 (In Russ.)].
13. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Динамика амплитуд колебаний периферического кровотока в процессе развития постокклюзионной реактивной гиперемии у условно-здоровых добровольцев // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. - 2009. - Т. 8. - № 1. - С. 31-35. [Tihonova IV, Tankanag A V, Chemeris NK. Dinamika amplitud kolebanij perifericheskogo krovotoka v processe razvitija postokkljuzionnoj reaktivnoj giperemii u uslovno-zdorovyh dobrovol’cev. Regionarnoe krovoobrashhenie i mikrocirkuljacija. 2009;8(1):31-35. (In Russ.)].
14. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Возрастные особенности динамики амплитуд колебаний кровотока кожи в процессе постокклюзионной реактивной гиперемии // Физиол. человека. - 2010. - Т. 36. - № 2. - С. 114-120. [Tikhonova IV, Tankanag AV, Chemeris NK. Age-related differences in the dynamics of the skin bloodflow oscillations during postocclusive reactive hyperemia. Human Physiology. 2010;36(2):222-228 (In Russ.)]. doi: 10.1134/S0362119710020143.
15. Тихонова И. В., Косякова Н. И., Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Влияние обструкции верхних дыхательных путей на микроциркуляцию кожи у больных бронхиальной астмой // Вестн. РАМН. - 2016. - Т. 71. - № 3. - С. 233-239. [Tihonova IV, Kosjakova NI, Tankanag AV, Chemeris NK. Effects of the Airway Obstruction on the Skin Microcirculation in Patients with Bronchial Asthma. Vestnik RAMN. 2016;71(3):233-239. (In Russ.)]. doi: 10.15690/vramn661.
16. Тюрина М. Й., Красников Г. В., Танканаг А. В., и др. Спектры девиации частоты сердечных сокращений человека при контролируемом дыхании // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. - 2011. - T. 10. - № 2. - C. 64-70. [Tjurina MY, Krasnikov GV, Tankanag AV i dr. Spektry deviacii chastoty serdechnyh sokrashhenij cheloveka pri kontroliruemom dyhanii. Regionarnoe krovoobrashhenie i mikrocirkuljacija. 2011;10(2):64-70 (In Russ.)].
17. Тюрина М. Й., Красников Г. В., Танканаг А. В. и др. Формирование респираторнозависимых колебаний скорости кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека в условиях контролируемого дыхания // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. - 2011. - T. 10. - № 3. - C. 31-37. [Tjurina MY, Krasnikov GV, Tankanag AV i dr. Formirovanie respiratornozavisimyh kolebanij skorosti krovotoka v mikrocirkuljatornom rusle kozhi cheloveka v uslovijah kontroliruemogo dyhanija. Regionarnoe krovoobrashhenie i mikrocirkuljacija. 2011;10(3):31-37 (In Russ.)].
18. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем. Колебания, информация, нелинейность: рук-во для врачей / под ред. А. И. Крупаткина, В. В. Сидорова. - М.: Либроком, 2013. [Krupatkin AI, Sidorov VV, editors. Funkcional’naja diagnostika sostojanija mikrocirkuljatorno-tkanevyh sistem. Kolebanija, informacija, nelinejnost’. Rukovodstvo dlja vrachej. Moscow: Librokom, 2013 (In Russ.)].
19. Bandrivskyy A, Bernjak A, McClintock P, et al. Wavelet phase coherence analysis: Application to skin temperature and bloodflow. Cardiovascular Engineering. 2004;4(1):89-93. doi: 10.1023/b:care.0000025126.63253.43.
20. Beiser GD, Zelis R, Epstein SE, et al. The role of skin and muscle resistance vessels in reflexes mediated by the baroreceptor system. J Clin Invest. 1970;49(2):225-231. doi: 10.1172/jci106231.
21. Bernjak A, Clarkson PB, McClintock PV, et al. Low-frequency bloodflow oscillations in congestive heart failure and after beta1-blockade treatment. Microvasc Res. 2008;76(3):224-232. doi: 10.1016/j.mvr.2008.07.006.
22. Bertuglia S, Colantuoni A, Intaglietta M. Effects of L-NMMA and indomethacin on arteriolar vasomotion in skeletal muscle microcirculation of conscious and anesthetized hamsters. Microvasc Res. 1994;48(1):68-84. doi: 10.1006/mvre.1994.1039.
23. Bollinger A, Yanar A, Hoffmann U, et al. Is high-frequency fluxmotion due to respiration or to vasomotion activity? In: Messmer K, editor. Progress in Applied Microcirculation. Basel: Karger, 1993:52-58. doi: 10.1159/000422452.
24. Bracic M, Stefanovska A. Wavelet-based analysis of human blood-flow dynamics. Bull Math Biol. 1998;60(5):919-935. doi: 10.1006/bulm.1998.0047.
25. Burch GE, DePasquale N. Relation of arterial pressure to spontaneous variations in digital volume. Journal of Applied Physiology. 1960;15(1):23-24. doi: 10.1152/jappl.1960.15.1.23.
26. Cracowski JL, Minson CT, Salvat-Melis M, et al. Methodological issues in the assessment of skin microvascular endothelial function in humans. Trends Pharmacol Sci. 2006;27(9):503-508. doi: 10.1016/j.tips.2006.07.008.
27. Frick P, Baliunas SL, Galyagin D, et al. Wavelet analysis of stellar chromospheric activity variations. Astrophys J. 1997;483:426-434. doi: 10.1086/304206.
28. Frick P, Grossmann A, Tchamitchian P. Wavelet analysis of signals with gaps. J Math Phys. 1998;38:4091-4107. doi: 10.1063/1.532485.
29. Heistad DD, Abboud FM, Mark AL, et al. Interaction of thermal and baroreceptor reflexes in man. Journal of Applied Physiology. 1973;35(5):581-586.
30. Humeau A, Koitka A, Abraham P, et al. Time-frequency analysis of laser Doppler flowmetry signals recorded in response to a progressive pressure applied locally on anaesthetized healthy rats. Phys Med Biol. 2004;49(5):843-857. doi: 10.1088/0031-9155/49/5/014.
31. Johnson JM. Non thermoregulatory control of human skin bloodflow. Journal of Applied Physiology. 1986;61(5):1613-1622. doi: 10.1152/jappl.1986.61.5.1613.
32. Kastrup J, Bulow J, Lassen NA. Vasomotion in human skin before and after local heating recorded with laser Doppler flowmetry. A method for induction of vasomotion. Int J Microcirc Clin Exp. 1989;8(2):205-215.
33. Krasnikov GV, Tyurina MY, Tankanag AV, et al. Analysis of heart rate variability and skin blood flow oscillations under deep controlled breathing. Respir Physiol Neurobiol. 2013;185(3):562-570. doi: 10.1016/j.resp.2012.11.007.
34. Kvandal P Landsverk SA, Bernjak A, et al. Low-frequency oscillations of the laser Doppler perfusion signal in human skin. Microvasc Res. 2006;72(3):120-127. doi: 10.1016/j.mvr.2006.05.006.
35. Landsverk SA, Kvandal P, Bernjak A, et al. The effects of general anesthesia on human skin microcirculation evaluated by wavelet transform. Anesth Analg. 2007;105(4):1012-1019. doi: 10.1213/01.ane.0000281932.09660.96.
36. Landsverk SA, Kvandal P, Kjelstrup T, et al. Human skin microcirculation after brachial plexus block evaluated by wavelet transform of the laser Doppler flowmetry signal. Anesthesiology. 2006;105(3):478-484. doi: 10.1097/00000542-200609000-00010.
37. Liu X, Zeng B, Fan C, et al. Spectral analysis of blood perfusion in the free latissimus dorsi myocutaneous flap and in normal skin. Phys Med Biol. 2006;51(1):173-183. doi: 10.1088/0031-9155/51/1/013.
38. Meyer JU, Borgstrom P, Lindbom L, et al. Vasomotion patterns in skeletal muscle arterioles during changes in arterial pressure. Microvasc Res. 1988;35(2):193-203. doi: 10.1016/0026-2862(88)90062-3.
39. Mizeva I, Di Maria C, Frick P, et al. Quantifying the correlation between photoplethysmography and laser Doppler flowmetry microvascular low-frequency oscillations. J Biomed Opt. 2015;20(3):037007. doi: 10.1117/1Jbo.20.3.037007.
40. Mizeva IA. Phase coherence of 0.1 Hz microvascular tone oscillations during the local heating. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing; 2017;208:012027. doi: 10.1088/1757-899x/208/1/012027.
41. Muck-Weymann ME, Albrecht HP, Hager D, et al. Respiratory-dependent laser-Doppler flux motion in different skin areas and its meaning to autonomic nervous control of the vessels of the skin. Microvasc Res. 1996;52(1):69-78. doi: 10.1006/mvre.1996.0044.
42. Rossi M, Carpi A, Di MC, et al. Spectral analysis of laser Doppler skin bloodflow oscillations in human essential arterial hypertension. Microvasc Res. 2006;72(1-2):34-41. doi: 10.1016/j.mvr.2006.04.001.
43. Rowell LB, Wyss CR, Brengelmann GL. Sustained human skin and muscle vasoconstriction with reduced baroreceptor activity. Journal of Applied Physiology. 1973;34(5):639-643. doi: 10.1152/jappl.1973.34.5.639.
44. Salerud EG, Tenland T, Nilsson GE, et al. Rhythmical variations in human skin bloodflow. Int J Microcirc Clin Exp. 1983;2(2):91-102.
45. Scheffer A, Rieger H. Spontaneous oscillations of laser Doppler skin blood flux in peripheral arterial occlusive disease. Int J Microcirc Clin Exp. 1992;11(3):249-261.
46. Schmidt JA, Borgstrom P Firestone GP, et al. Periodic hemodynamics (flow motion) in peripheral arterial occlusive disease. J Vasc Surg. 1993;18(2):207-215. doi: 10.1016/0741-5214(93)90600-q.
47. Schreiber T, Schmitz A. Surrogate time series. Physica D. 2000;142(3-4):346-382. doi: 10.1016/s0167-2789(00)00043-9.
48. Sheppard LW, Stefanovska A, McClintock PV Testing for time-localized coherence in bivariate data. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 2012;85(4 Pt 2):046205. doi: 10.1103/physreve.85.046205.
49. Soderstrom T, Stefanovska A, Veber M, et al. Involvement of sympathetic nerve activity in skin bloodflow oscillations in humans. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2003;284(5):H1638-H1646. doi: 10.1152/ajpheart.00826.2000.
50. Staxrud LE, Jakobsson A, Kvernebo K, et al. Spatial and temporal evaluation of locally induced skin trauma recorded with laser Doppler techniques. Microvasc Res. 1996;51(1):69-79. doi: 10.1006/mvre.1996.0008.
51. Stefanovska A, Bracic M, Kvernmo HD. Wavelet analysis of oscillations in the peripheral blood circulation measured by laser Doppler technique. IEEE Trans Biomed Eng. 1999;46(10):1230-1239. doi: 10.1109/10.790500.
52. Stewart JM, Taneja I, Goligorsky MS, et al. Noninvasive measure of microvascular nitric oxide function in humans using very low-frequency cutaneous laser Doppler flow spectra. Microcirculation. 2007;14(3):169-180. doi: 10.1080/10739680601139179.
53. Tankanag A, Chemeris N. Application of the adaptive wavelet transform for analysis of blood flow oscillations in the human skin. Phys Med Biol. 2008;53(21)5967-5976. doi: 10.1088/0031-9155/53/21/005.
54. Tankanag AV. Applications of the adaptive wavelet transform for analyzing peripheral blood flow oscillations in the human skin. In: Balcerzyk M, editor. Medical Physics. NY: Nova Science Publishers; 2013:85-104.
55. Tankanag AV, Chemeris NK. A method of adaptive wavelet filtering of the peripheral blood flow oscillations under stationary and non-stationary conditions. Phys Med Biol. 2009;54(19)5935-5948. doi: 10.1088/0031-9155/54/19/018.
56. Tankanag AV, Grinevich AA, Kirilina TV, et al. Wavelet phase coherence analysis of the skin bloodflow oscillations in human. Microvasc Res. 2014;95:53-59. doi: 10.1016/j.mvr.2014.07.003.
57. Theiler J, Eubank S, Longtin A, et al. Testing for Nonlinearity in Time-Series - the Method of Surrogate Data. Physica D. 1992;58(1-4):77-94. doi: 10.1016/0167-2789(92)90102-s.
58. Tikhonova IV, Tankanag AV, Chemeris NK. Time-amplitude analysis of skin blood flow oscillations during the post-occlusive reactive hyperemia in human. Microvasc Res. 2010;80(1):58-64. doi: 10.1016/j.mvr.2010.03.010.
59. Tikhonova IV, Tankanag AV, Chemeris NK. Age-related changes of skin blood flow during postocclusive reactive hyperemia in human. Skin Res Technol. 2013;19(1):e174-e181. doi: 10.1111/j.1600-0846.2012.00624.x.
60. Tikhonova IV, Tankanag AV, Chemeris NK. Oscillations of Skin Microvascular Blood Flow in Patients with Asthma. Microcirculation. 2016;23(1):33-43. doi: 10.1111/micc.12252.
Рецензия
Для цитирования:
Танканаг А.В. Методы вейвлет-анализа в комплексном подходе к исследованию кожной микрогемодинамики как единицы сердечно-сосудистой системы. Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2018;17(3):33-41. https://doi.org/10.24884/1682-6655-2018-17-3-33-41
For citation:
Tankanag A.V. Wavelet analysis methods in the comprehensive study approach of skin microhemodynamics as a cardiovascular unit. Regional blood circulation and microcirculation. 2018;17(3):33-41. (In Russ.) https://doi.org/10.24884/1682-6655-2018-17-3-33-41
Просмотров:
1073
Послать статью по эл. почте 
