СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КРОВОСНАБЖЕНИЯ В ТКАНЯХ МОЗГА Российский патент 2004 года по МПК A61B5/02 A61B5/26 

Изобретение относится к биологии, а конкретно к медицине и ветеринарии, и предназначено для оценки уровня кровоснабжения микроучастков тканей организма со значительными различиями по уровню метаболической активности.

Известен способ исследования микроциркуляции тканей (авт. свид. СССР №1703060, А 61 В 5/02, 10/00), основанный на методе фотоплетизмографии, позволяющий определить степень кровоснабжения в ткани.

Недостатком способа является то, что он, показывая уровень кровообращения ткани в соответствии с размерами датчика и длиной волны используемого излучения, не дает представления о состоянии кровоснабжения в отдельных клетках и микробассейнах. Кроме этого, способ не учитывает конкретных особенностей структуры изучаемого объекта. В то же время известно, что близкие усредненные величины микроциркуляции могут сопровождать совершенно различные особенности распределения микрососудов, а микроучастки с высоким уровнем кровоснабжения могут соседствовать с ишемизированными зонами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оценки кровоснабжения тканей мозга, описанный в книге Фолков Б., Нил Э. Кровообращение, М., 1976, с.346-350.

Сущность способа, описанного Фолковым Б. и Нилом Э., заключается в том, что обследуемый дышит газовой смесью, содержащей N₂О. Затем определяют артериовенозную разницу N₂О, рассчитывают включение вещества на единицу массы ткани мозга, после чего пользуются принципом Фика для измерения среднего мозгового кровотока на единицу объема мозга (удельной объемной скорости кровотока). Используя сведения о количестве сосудов в белом и сером веществе головного мозга, косвенно судят об особенностях их кровоснабжения.

Недостатком этого способа, взятого в качестве прототипа, является то, что он рассматривает только усредненные показатели кровообращения, не рассматривая ее качественных особенностей (взаимное расположение артериол, венул, прекапилляров и посткапилляров). Прототип также не определяет особенности пространственной организации различных элементов системы микроциркуляции, что необходимо, например, в оценке трофического обеспечения сложных по строению и степени метаболизма структурах (нервная система, мышцы, некоторые внутренние органы).

Задачей изобретения является определение параметров (показателей) микроциркуляции в микроучастках внутренних органов, в которых невозможны или крайне затруднены прямые прижизненные (in vivo) исследования кровообращения, например в центральной нервной системе, сердце и некоторых других внутренних органах, и выяснение уровня изменений кровоснабжения, при которых возникает нарушение кровоснабжения.

Технический результат достигается тем, что согласно способу диагностики кровоснабжения в тканях мозга определяют количество микрососудов и общий объем исследуемого участка, в исследуемом участке определяют выносящие и приносящие сосуды, вычисляют общую длину микрососудов, площадь поверхности всех сосудов, объем крови в исследуемой области, вычисляют линейную и объемную скорости кровотока в отдельных участках микрососудов, общую и удельную объемные скорости кровотока, линейную скорость кровотока в каждом из микрососудов по формулам В.И. Георгиевского, причем коэффициент вязкости выбирают отдельно для каждого микрососуда в зависимости от его радиуса, и при снижении линейной скорости кровотока менее 0,08 мм/с и удельной объемной скорости кровотока менее 4,2·10^-3 мм³/с·мм³) диагностируют нарушение кровоснабжения мозга в данном локальном его участке.

Использование заявленного изобретения позволит прогнозировать компенсаторные возможности кровоснабжения мозга в различных физиологических и патологических состояниях с учетом изменений системного артериального давления в отдельных сосудистых микробассейнах, вокруг отдельных клеток или групп. Способ не требует значительных капитальных вложений и может быть применен с использованием имеющихся программ математической обработки данных, например Excel, на базе персональных компьютеров.

Способ может быть использован как для прогноза компенсаторных возможностей микроциркуляции в норме и при различном уровне системных нарушений кровообращения мозга, так и в комплексе экспериментальных и лабораторно-клинических исследований для более точного анализа и описания механизмов повреждений мозга при нарушении его кровообращения.

Положительный эффект от изобретения состоит в том, что оно позволяет определить распределение микрососудов в структуре изучаемого органа и моделирует гемодинамику в реальных микрообъектах, предварительно реконструированных путем объемно-пространственной их реконструкции. При этом учитываются следующие факторы: распределение микрососудов в тканях, диагностика типа сосуда (артериола, капилляр, венула), форма капиллярных петель, распределение микрососудов по отношению к структурам органа, особенности гемодинамики и направление движения крови по микрососудам.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена объемно-пространственная реконструкция микропрепарата части двигательного ядра тройничного нерва собаки. Обозначения приведены ниже.

Способ реализуют следующим образом.

Перед забоем животного осуществляют измерение системного артериального давления путем его измерения в плечевой артерии. Соотносят его к границам нормы. При понижении артериального давления соотносят его снижение к среднему артериальному давлению (например, при измеренном давлении 70/40 мм рт.ст. среднее давление составило 55 мм рт.ст., а средняя граница составляет 130/30 мм рт.ст., то есть 80 мм рт.ст.). В результате соотносим эти давления. Получаем, что уровень системного артериального давления ниже нормальных показателей в 1,45 раза. В результате давление в артериолярном конце капилляра уменьшаем в 1,45 и получаем вместо 35 мм рт.ст. в артериальном конце капилляра в норме показатель, равный 24,1 мм рт.ст. В случае повышения артериального давления с учетом резистивности сосудов показатель в артериальном конце считаем неизменным.

Осуществляют гистологический забор материала. Основными требованиями к материалу является максимальная сохранность микроархитектоники сосудистого русла. Наиболее адекватным, например, для мелких животных является декапитация наркотизированных животных, либо транскардиальное введение препаратов, вызывающих острую остановку сердечной деятельности (2%-ного раствор глютарового альдегида). При этом в зависимости от целей исследования будут отличаться способы фиксации материала или его окрашивание. Если ведущим является выявление активно функционирующих микрососудов, то осуществляют окрашивание бензидиновым методом либо прижизненно вводят некоторые прижизненные красители (например, Эванса голубой предварительно связанный с альбумином). Для выяснения максимального содержания всех микрососудов проводят их наливку тушью или колларголом при манометрическом контроле давления, с которым водят препарат. Серийные срезы делают толщиной от 5 до 100 мкм в зависимости от целей исследования. Важно, чтобы срезы были одинаковой толщины. Препараты докрашивают гематоксилином, метиленовым или толуидиновым синим. После изготовления серийных срезов и окрашивания препарата выбирают интересующую исследователя область. Проводят пространственную реконструкцию выбранного участка нервного центра с помощью рисовального аппарата РО-2 или программы автоматизированной обработки изображений. Полученную реконструкцию разбивают на участки (например, объемом 1, 27, 125 мкм³). В реконструируемом участке определяют выносящие и приносящие сосуды. Для более точного определения принадлежности микрососуда выясняют степень развития мышечной оболочки, особенности ветвлений сосуда. После выяснения принадлежности микрососуда и направления движения крови можно определить абсолютные и относительные показателе микроциркуляции в рассматриваемой структуре. Для определения линейной и объемной скорости кровотока используют формулу Пуазейля. Для последовательно лежащих микрососудов используют законы параллельно-последовательного соединений. Коэффициент вязкости крови, применяемый в данной формуле, вводят отдельно для каждого микрососуда. Для сосудов радиусом от 2 до 10 мкм коэффициент вязкости вводят согласно эффекту Фарадея - Линдсквиста при гематокрите 40-50% (Иванов К.П., Кисляков Ю.Я. Энергетические потребности и кислородное обеспечение головного мозга. Л:. Наука, с.89). Радиус каждого из микрососудов описывают через средний показатель.

Динамика различий парциального давления, степени расширения кровеносных сосудов находится в непосредственной связи с изменением пульсовой волны, что наиболее выражено в приносящих сосудах, но на уровне системы микроциркуляции эти различия не столь существенны, и при моделировании движения крови в системе не учитывались. Показатели гидростатического давления в артериолах и венулах вводятся согласно известным физиологическим константам. Градиенты же давления между микрососудами рассматриваются в соответствии с вводимыми крайними величинами и уровнем сопротивления движению крови, зависимого от вязкости крови, длины микрососуда и радиуса его поперечного сечения. После нахождения объемной скорости кровотока в отдельных микрососудах определяют удельную объемную скорость кровотока в микрососудах пространственной реконструкции, вычисляют линейную скорость кровотока в каждом из микрососудов и при снижении линейной скорости кровотока в капиллярах менее 0,08 мм/с и удельной объемной скорости кровотока менее 4,2·10^-3 мм³/с·мм³) диагностируют нарушение кровоснабжения мозга в данном локальном его участке.

Пример 1 реализации способа.

Взята собака 3 лет беспородная, массой 5,2 кг. Перед забоем у собаки измерили артериальное давление в плечевой артерии, которое составило 135/35 мм рт.ст., что приближается к средней норме. В результате считаем уровень гидростатического давления в артериальном конце капилляра равным 35 мм рт.ст.

Забой осуществили под тиопенталовым наркозом. Внутрисердечно ввели 5 мл 1%-ного глютарового альдегида, чем вызвали остановку сердца. После этого сосудистое русло промыли физраствором, подогретым до 38°С. После физраствора ввели подогретый до этой же температуры раствор туши с 10%-ным раствором желатина (1:1). Животное декапитировали. Выделили двигательное ядро тройничного нерва. Кусочек с интересующей зоной подвергли импрегнации по Гольджи в модификации Бюбенета. Полученные препараты заключили в парафин. Сделали серийные срезы толщиной 10 мкм. Срезы докрасили метиленовым синим (для наиболее полного выявления нейронов). Под микроскопом отобрали зону для стреологической реконструкции. С помощью рисовального аппарата РО-2 проводили пространственную реконструкцию выбранного участка. При этом идентифицировали тип каждого микрососуда. Для этого отслеживали по ходу препарата особенности мышечной стенки и особенности ветвлений микрососудов. В результате получили объемно-пространственную реконструкцию препарата с двигательного ядра тройничного нерва (чертеж), в котором идентифицировали следующие структуры: н - тела нейронов, аст - тело и отростки протоплазматического астроцита, а - артериолярный конец микрососуда, в - венулярный конец микрососуда к_(1,2,3,4) - участки последовательной системы микрососудов, в которых в приведенном примере рассматриваются линейная и объемная скорость кровотока. В предложенной модели кровь направляется от артериолы к венуле.

В результате вычислений получено: общая (абсолютная) длина микрососудов в рассматриваемой реконструкции составила 29 мм, абсолютная площадь контактной поверхности всех сосудов составила 5,64·10^-3 мм², абсолютный объем крови в органе составил 1,27·10^-3 мм³. Общий объем реконструкции 0,08 мм³. Таким образом, относительные показатели, полученные путем деления абсолютных показателей на объем реконструируемого объекта, соответственно составили 3,62·10^-2 мм/мм³, 7,05·10^-2 мм²/мм³, 1,59·10^-2 мм³/мм³.

Гидростатическое давление в артериолярном конце входящего в структуру модели сосуда примем равным 35 мм рт.ст., в венулярном конце - 20 мм рт.ст. (Иванов К.П., Кисляков Ю.Я. Энергетические потребности и кислородное обеспечение головного мозга. Л:. Наука, с.91).

Рассмотрим далее кровоток в последовательной системе микрососудов, обозначенной на чертеже буквой к_i. В указанной последовательной системе сосудов имеется первый сосуд (отрезок прекапилляра) к₁ радиусом 3,5·10^-3 мм и длиной 3·10^-2 мм; собственно капилляр (второй сосуд) к₂ при среднем радиусе 2,6·10^-3 мм имеет длину в модели 7,2·10^-1 мм; третий отрезок к₃, соединяющий два капилляра со средним радиусом 3,8·10^-3 мм и длиной 2,4·10^-1 мм, четвертый сосуд к₄ после слияния микрососуда с новым капилляром имеет средний радиус 4,5·10^-3 мм при длине 3,4·10^-1 мм. Сопротивление на каждом из рассмотренных участков описывается формулой (Иванов К.П., Кисляков Ю.Я. Энергетические потребности и кислородное обеспечение головного мозга. Л:. Наука, с.89):

где R_k - сопротивление крови в рассматриваемом микрососуде, Па/мм²;

h_k - коэффициент кажущейся вязкости крови в микрососуде, Па·с;

1_k - длина микрососуда, мм;

r_k - средний радиус микрососуда, мм.

Коэффициент кажущейся вязкости крови в микрососуде, применяемый в данной формуле, вводят отдельно для каждого микрососуда. Для сосудов радиусом от 2 до 10 мкм коэффициент вязкости вводят согласно эффекту Фарадея - Линдсквиста при гематокрите 40-50%, который описывается формулой (Иванов К.П., Кисляков Ю.Я. Энергетические потребности и кислородное обеспечение головного мозга. Л:. Наука, с.89):

h_k=0,001(1,4+0,045·r_k), (2)

где r_k в данной формуле приводится в мкм. Таким образом, коэффициент вязкости в первом участке составляет 1,56·10^-3 Н·с/м² на втором - 1,52·10^-3 Н·с/м², на третьем - 1,57·10^-3 Н·с/м² и на четвертом - 1,6·10^-3 Н·с/м². Коэффициенты переводим на мм рт.ст./м² (для чего умножаем их на 133).

Общее сопротивление R по ходу последовательных микрососудов, имеющих сопротивление R_i, составляет:

R=R₁+R₂+R₃+R₄. (3)

Отсюда объемная скорость кровообращения по рассматриваемой системе микрососудов к₁...к₄ составит (Георгиевский В.И. Физиология сельскохозяйственных животных. М.: Агропромиздат, с.218):

где ΔР - градиент давления между артериальным и венозным концами микрососудов (Р_арт-Р_вен)=35-20=15 мм рт.ст. Таким образом, объемная скорость кровотока в терминальном участке системы рассматриваемых параллельных сосудов (участок к₂) составляет 2,86·10^-5 мм³/с.

Объемная скорость кровотока W в первом микрососуде равна сумме объемных скоростей формирующихся из него микрососудов. В сливающихся же микрососудах объемная скорость кровотока будет равна сумме сливающихся микрососудов. Таким образом, в микрососудах, не являющихся терминальными, объемная скорость кровотока будет описываться следующим образом:

где W_i - объемная скорость кровотока в каждом из рассматриваемых терминальных капилляров,

k - число сливающихся или распадающихся на рассматриваемом участке капилляров.

В нашей модели эти участки отдельно рассматривались между зонами двух вновь формируемых микрососудов или сливающихся микрососудов. Если концы капилляров не попадают в пределы рассмотренной реконструкции, то согласно данным, приведенным в (Иванов К.П., Кисляков Ю.Я. Энергетические потребности и кислородное обеспечение головного мозга. Л:. Наука, с.91), их длину принимают равной 0,64 мм.

Так, например, в первом участке

W₁=W₂+W₂', (6)

где W₂ - объемная скорость кровотока в приведенной формуле (4), W₁ составила 5,88·10^-5 мм³/c.

W₂' - объемная скорость кровотока в системе микрососудов, формируемых сосудом К₂'.

W₃=W₂+W₂", (7)

где W₂" - объемная скорость кровотока в системе микрососудов, формируемых К₂". W₃=6,25·10^-5 мм³/с.

W₄=W₃+W₂", (8)

где W₂" - объемная скорость кровотока в системе микрососудов, формируемых К₂". W₄=9,58·10^-5 мм³/с.

Линейная скорость во втором микрососудах вычисляем по формуле (Георгиевский В.И. Физиология сельскохозяйственных животных. М.: Агропромиздат, с.219):

Таким образом, линейная скорость кровотока составила V₁=1,53 мм/с, V₂=1,34 мм/с, V₃=1,38 мм/с, V₄=1,51 мм/с.

Объемная скорость кровотока в целом согласно предложенной пространственной реконструкции составила 1,69·10^-4 мм³/с, а удельная объемная скорость кровотока 8,44·10^-3 мм³/(с·мм³), что согласуется с данными экспериментальных исследований (Иванов К.П., Кисляков Ю.Я. Энергетические потребности и кислородное обеспечение головного мозга. Л:. Наука, с.83) и больше граничных значений, поэтому изменений гемодинамики мозга не установлено.

Поскольку найденные линейная скорость кровотока и удельная объемная скорость кровотока превышают граничные значения 0,08 мм/с и 4,2·10^-3 мм³/(с·мм³), диагностируют, что нарушений кровоснабжения мозга нет (считают, что на данном локальном участке кровоснабжение мозга не нарушено).

Пример 2.

Взята собака 2,8 лет беспородная, массой 4,8 кг. Собаке ввели 30 мг аминазина, что сопровождалось 80/25 мм. рт.ст. Среднее артериальное давление составило 52,5 мм рт.ст. Соотнесем к среднему давлению, то есть к 80 мм рт.ст., и получаем, что уровень системного артериального давления ниже нормальных показателей в 1,52 раза. В результате давление в артериолярном конце капилляра делим в 1,52 и получаем вместо 35 мм рт.ст. в артериальном конце капилляра в норме показатель, равный 23 мм рт.ст. Градиент давления между рассмотренными участками модели с учетом венозного давления 20 мм рт.ст., таким образом, составляет 3 мм рт.ст.

Принимаем в качестве модели для двигательного ядра тройничного нерва ядра приведенную фигуру (пространственную реконструкцию участка) в связи с близким возрастом и весом животного. В результате расчетов в аналогичных участках рассмотренной параллели сосудов (смотри предыдущий пример) объемные скорости кровотока составят W₁=1,14·10^-5 мм³/с, W₂=0,57·10^-5 мм³/с, W₁=1,25·10^-5 мм₃/с, W₁=1,92·10^-5 мм³/с.

Линейные скорости в этих же участках составила V₁=0,35 мм/с, V₂=0,25 мм/с, V₃=0,28 мм/с, V₄=0,30 мм/с.

Удельная объемная скорость кровотока в структуре мозга равна 1,69·10^-3 мм³/с·мм³).

Таким образом, линейная скорость кровотока в микрососудах низкая, но достаточная, чтобы предотвратить возможность стаза, а удельная объемная скорость кровотока существенно ниже нормы. Это соотносится с тем, что в момент исследования давления собака находилась в состоянии угнетения функций центральной нервной системы (ступор - “оглушенность”). По окончании действия препарата состояние животного восстановилось без изменений нервной системы, что позволяет предполагать обратимость нарушений кровотока.

Пример 3.

Взята собака 3,4 лет беспородная, массой 5,7 кг. Собаке внутривенно ввели изобарин, что сопровождалось снижением артериального давления до 70/25 мм рт.ст. Среднее артериальное давление составило 47,5 мм рт.ст. Соотнесем к среднему давлению, то есть к 80 мм рт.ст. Уровень системного артериального давления ниже средних показателей в 1,684 раза. В результате давление в артериолярном конце капилляра делим на соответствующую величину и получаем вместо 35 мм рт.ст. в артериальном конце капилляра в норме показатель равный 20,78 мм рт.ст. Градиент давления между рассмотренными участками модели получаем в пределах 0,78 мм рт.ст.

Принимаем в качестве модели для двигательного ядра тройничного нерва ядра приведенный чертеж (пространственную реконструкцию) в связи с близким возрастом и весом животного, полученным у собаки в первом примере. В результате расчетов в аналогичных участках рассмотренной параллели сосудов (пример 1) объемные скорости кровотока составят W₁=0,306·10^-5 мм³/с, W₂=0,149·10^-5 мм³/с, W₁=0,325·10^-5 мм³/с, W₁=0,498·10^-5 мм³/с.

Линейные скорости в этих же участках составила V₁=0,079 мм/с, V₂=0,070 мм/с, V₃=0,072 мм/с, V₄=0,079 мм/с.

Удельная объемная скорость кровотока в структуре мозга равна 0,44·10^-3 мм³/с·мм³).

Таким образом, линейная скорость кровотока снизилась до предельно низких показателей, что может вести к микротромбозам, а удельная объемная скорость кровотока фактически на порядок ниже нормы. Это соотносится с тем, что в момент исследования давления собака находилась в состоянии комы обусловленной глубоким коллапсом. Животному были оказаны интенсивные реанимационные мероприятия, но после выведения ее из комы, у животного имелись признаки диффузных нарушений нервной системы, что позволяет предполагать мелкоочаговое повреждение нервной системы, обусловленное нарушениями микроциркуляции.

Таким образом, данный способ позволяет диагностировать нарушение микроциркуляции в головном мозге на уровне отдельных микробассейнов. Пороговый уровень изменения линейной скорости менее 0,08 мм/с и удельной объемной скорости кровотока менее 4,2·10^-3 мм³/(с·мм³) является границей нарушения кровообращения, приводящей к обратимым или необратимым нарушениям мозговой деятельности.

В результате способ позволяет прогнозировать степень нарушений кровообращения в локальных участках мозга на уровне отдельных микрососудов.

Изобретение относится к медицине, кардиологии. Определяют количество микрососудов, их длину, диаметр. По полученным данным рассчитывают обменную поверхность и емкость микроциркуляторного русла. Определяют системное артериальное давление и соотносят его к нормальным показателям. Выбирают стереологическую реконструкцию необходимого объекта. Рассчитывают объемную скорость кровотока в отдельных участках микрососудов, линейную скорость кровотока в каждом из микрососудов, общую и удельную объемную скорость кровотока. Определяют уровень кровоснабжения выбранных структур мозга и диагностические критерии нарушения кровоснабжения мозга в данном локальном его участке. Способ позволяет оценивать уровень кровоснабжения микроучастков тканей организма со значительными различиями по уровню метаболической активности. 1 ил.

Способ диагностики кровоснабжения в тканях мозга, включающий определение количества микрососудов и общий объем исследуемого участка, отличающийся тем, что в исследуемом участке определяют выносящие и приносящие сосуды, вычисляют общую длину микрососудов, площадь поверхности всех сосудов, объем крови в исследуемой области, вычисляют линейную и объемную скорости кровотока в отдельных участках микрососудов, общую и удельную объемные скорости кровотока, линейную скорость кровотока в каждом из микрососудов по формулам В.И.Георгиевского, причем коэффициент вязкости выбирают отдельно для каждого микрососуда в зависимости от его радиуса, и при снижении линейной скорости кровотока менее 0,08 мм/с и удельной объемной скорости кровотока менее 4,2·10^-3 мм³/(с·мм³) диагностируют нарушение кровоснабжения мозга в данном локальном его участке.