Веб-капилляроскопия — новый метод неинвазивного исследования микроциркуляторного кровотока в коже человека

Правительством Российской Федерации 28 декабря 2012 г. была утверждена Стратегия развития медицинской науки в Российской Федерации на период до 2025 г. «Целью стратегии является развитие медицинской науки, направленное на создание высокотехнологичных инновационных продуктов, обеспечивающих на основе трансфера инновационных технологий в практическое здравоохранение сохранение и укрепление здоровья населения. Стратегия направлена на реализацию государственной политики в сфере здравоохранения, повышение качества и доступности медицинской помощи населению Российской Федерации, включая разработку инновационной продукции, освоение критически важных технологий и развитие компетенций...» (цит. по [1]).

В процессе реализации Стратегии в 2017 г. «Внедрение инновационных медицинских технологий, включая систему ранней диагностики и дистанционный мониторинг состояния здоровья пациентов» обозначено Минздравом России как одно из основных направлений деятельности для сформированных национальных медицинских исследовательских центров. Важность решения задачи «Внедрение инновационных медицинских технологий, включая систему ранней диагностики и дистанционный мониторинг состояния здоровья пациентов» (пункт 4б, 4-й абзац) в мае 2018 г. подчеркнул в своем указе и Президент Российской Федерации В.В. Путин [2].

Одним из направлений решения поставленной задачи может стать мониторинг системы микроциркуляции. Колебательный характер тканевой перфузии является фундаментальной особенностью системы микроциркуляции и обусловлен одновременным функционированием различных регуляторных механизмов на уровне артериол [3—5]. Колебательный характер микроциркуляторного кровотока в коже человека регистрируется такими неинвазивными методами исследования, как капилляроскопия [6], лазерная допплеровская флоуметрия [5, 7], термометрия [8, 9], инфракрасная спектроскопия [10, 11], плетизмография [12, 13] и другими методами исследований [14].

Для анализа колебательных процессов физиологической природы, которые в большинстве своем являются нестационарными (характеристики сигналов изменяются во времени) в настоящее время все чаще применяется вейвлет-анализ, который в ряде медицинских приложений стал альтернативой амплитудно-частотному преобразованию Фурье при анализе вариабельности сердечного ритма, энцефалографии, электрогастроэнтерографии и других физиологических методах исследований. При лазерной допплеровской флоуметрии амплитудно-частотный вейвлет-анализ колебаний кожной перфузии позволяет детализировать функциональное состояние резистивных микрососудов при самом широком спектре заболеваний — артериальной гипертензии, сахарном диабете, инфаркте миокарда, хронической сердечной недостаточности, окклюзионно-стенотическом поражении сосудистого русла нижних конечностей, ожирении, бронхиальной астме, системных заболеваниях соединительной ткани и других патологических состояниях [15].

Цель настоящей работы — демонстрация нового метода исследования микроциркуляции у человека, предварительный анализ его диагностических возможностей и перспектив применения.

В основе метода лежит разработка Российских ученых, которые для получения информации физиологического характера используют обычную веб-камеру (заявка о выдаче евразийского патента на изобретение № 201700326 от 08.07.17 «Система телеметрического контроля параметров жизненно-важных функций пациента»). Метод построен на анализе изменений контрастности пикселей при колебании кожной перфузии.

Исследование проводится следующим образом — пациент неподвижно сидит перед веб-камерой, которая ведет видеозапись (30 кадров в секунду) кожного покрова. На рис. 1 на цв. вклейке приведен пример записи с веб-камеры ноутбука. Для удобства восприятия и дальнейшего анализа информации объект исследования (в данном случае лицо) делится на четыре сектора, каждый из которых имеет определенный цвет. На рис. 1 пунктирным прямоугольником выделен сектор «Фильтрованный Cr», в котором на 10-секундном фрагменте отчетливо видно, как каждое сердечное сокращение сопровождается изменением сигнала — кровотока. Видно, что амплитуда пульсовых колебаний изменяется от цикла к циклу.

Рис. 1. Веб-капилляроскопия лица с помощью камеры ноутбука на протяжении 3 мин.

Для правильной интерпретации получаемых данных принципиально важно понимать, от какого отдела микроциркуляторного русла (МЦР) кожи мы получаем информацию. Наиболее детальное исследование строения и пространственной организации МЦР кожи было выполнено I. Braverman [16], который на основании большого массива биопсийного материала, используя технику микротомных срезов толщиной в 1 мкм, электронную микроскопию и компьютерное моделирование, показал, что 1 мм³ сосочкового слоя кожи человека в неакральных отделах содержит типичный микрососудистый модуль. Микрососудистый модуль кожи включает в себя одну восходящую из глубины дермы питающую артериолу диаметром меньше 30 мкм, которая делится на 5 прекапиллярных артериол, формирующих сеть капилляров. Сеть капилляров переходит в посткапиллярные венулы, сливающиеся в 9 собирательных венул, которые впадают в одну нисходящую в глубину кожи дренирующую венулу диаметром меньше 50 мкм. Автор обращает внимание, что структурная организация МЦР идентична во всех препаратах, за исключением возрастных различий в количестве обменных микрососудов [16]. Ангиоархитектоника МЦР кожи такова, что до самой поверхности доходят только капилляры — из глубины восходит артериальный отдел, который у самой поверхности кожи делает поворот на 180° (переходный отдел), переходя в нисходящий венозный отдел капилляра. Ориентировочная глубина залегания переходного отдела капилляров — около 100—120 мкм от поверхности кожи.

Таким образом, самым поверхностно расположенным отделом МЦР является переходный отдел капилляров и характер кровотока при веб-капилляроскопии регистрируется именно в них. Переходный отдел капилляров в анатомическом плане представляет собой противоположный сердцу «полюс» большого круга кровообращения, где также осуществляется переход артериальной системы в венозную. С функциональной точки зрения переходный отдел является зоной равновесия между процессами фильтрации и реабсорбции, которые лежат в основе двустороннего трансэндотелиального транспорта воды, водорастворимых и низкомолекулярных веществ. Ключевыми параметрами эффективности фильтрационно-реабсорбционного механизма обмена веществ являются значения гидростатического давления на «входе» в капилляр и на «выходе».

Как было показано в работах с видеокапилляроскопией в области ногтевого ложа пальцев рук, кровоток в капиллярах кожи носит колебательный характер, что объясняется функционированием различных регуляторных механизмов на уровне мышечных микрососудов — прекапиллярных артериол [6]. Колебательный характер капиллярной гемодинамики обусловлен исключительно вазомоторной активностью прекапиллярных артериол, так как сам капилляр представляет собой монослой эндотелиальных клеток, а его влияние на гемодинамические параметры кровотока является опосредованным через процессы фильтрации и реабсорбции. Вазомоции (vasa — сосуд, motion — движение) прекапиллярных артериол обусловлены одновременным действием 3 регуляторных механизмов — миогенного, нейрогенного, эндотелиального. Эти механизмы по принципу положительных и отрицательных обратных связей непрерывно регулируют тонус и величину просвета прекапиллярных артериол, модулируя притекающий к обменному звену объем артериальной крови до оптимальных для транскапиллярного обмена значений.

На рис. 2 на цв. вклейке приведен анализ изменения сигнала при веб-капилляроскопии на протяжении 3 мин. Данные приведены для левой половины лба (синий сектор на рис. 1). При анализе видеофрагмента на всем его протяжении (3 мин) отчетливо виден колебательный характер сигнала, что является характерным признаком микроциркуляторного кровотока. Зная частоту функционирования регуляторных механизмов, можно довольно определенно выделить чередование эндотелиальных (1) и нейрогенных (2) вазомоций, которые различаются между собой как по частоте, так и по амплитуде (рис. 2).

Рис. 2. Характер перфузии на протяжении 3 минут в коже левой половины лба (синий сектор на рис. 1).

Пунктирные линии: 1 — эндотелиальные вазомоции; 2 — нейрогенные вазомоции.

Приведенные данные позволяют сделать заключение, что метод веб-капилляроскопии регистрирует изменения кровотока в переходных отделах капилляров кожи, давая возможность не только получать цифровую информацию физиологического характера, но и вне зависимости от места нахождения пациента передавать ее по различным каналам связи в медицинское учреждение для дальнейшего анализа.

Для веб-капилляроскопии доступны любые участки кожного покрова тела пациента, однако одним из перспективных является именно кожа лица, которая представляет особый интерес сразу по нескольким причинам. К первой можно отнести регионарные особенности иннервации микрососудов кожи, которая представлена в основном соматической чувствительной (афферентной) и вегетативной симпатической (эфферентной) системами регуляции. Непосредственное участие парасимпатической нервной системы в регуляции микрососудов считается доказанным только для кожи лица [17, 18]. Таким образом, исследование микроциркуляторного кровотока именно в области лица дает возможность для изучения как симпатических, так и парасимпатических механизмов нейрогенного контроля вазомоторной активности резистивных микрососудов на противоположном сердцу «полюсе» большого круга кровообращения.

Вторым важным аспектом являются особенности кровоснабжения. Известно, что кожа головы получает питание из системы наружной сонной артерии и только кожа центральной части лба кровоснабжается надблоковыми (a. supratrochlearis) и надглазничными (a. supraorbitalis) артериями, которые являются конечными ветвями глазничных артерий, входящих в систему внутренних сонных артерий (рис. 3 на цв. вклейке). Давний интерес исследователей именно к бассейну глазничной артерии обусловлен тем, что нарушения микроциркуляторного кровотока в области глаз (глазное дно и бульбарная конъюнктива) ассоциируются с различными вариантами нарушений мозгового кровообращения [19—21], а микроциркуляторное русло глаз рассматривается как «окно» в систему церебральной микроциркуляции.

Рис. 3. Система кровоснабжения кожи лицевой части черепа.

Красным цветом обозначены артерии из системы наружной сонной артерии, черным — конечные ветви глазничных артерий, входящих в систему внутренней сонной артерии. Пунктирными квадратами выделены области кожи для анализа характера церебрального микрокровотока в бассейнах правой и левой внутренних сонных артерий.

В доступной литературе было найдено единственное пилотное исследование, в котором методом лазерной допплеровской флоуметрии с вейвлет-анализом показано, что характер микроциркуляторного кровотока в коже правой и левой половины лба существенно отличается и по уровню тканевой перфузии, и по вазомоторной активности микрососудов в зависимости от стороны и объема сосудистого поражения головного мозга [22]. Авторы также отмечают существенные регионарные различия в характере микроциркуляции кожи лба в первые 3—7 сут восстановления церебрального кровотока после тромболитической терапии. Полученные результаты позволяют сделать предположение, что анализ характера перфузии в ограниченных участках кожи лба при веб-капилляроскопии (пунктирные квадраты на рис. 3) может оказаться полезным инструментом для оценки церебрального кровотока изолированно в бассейнах правой и левой внутренних сонных артерий.

Представленный новый метод мониторирования кровотока в переходных отделах капилляров кожи является перспективным направлением при решении поставленной перед национальными медицинскими исследовательскими центрами МЗ РФ задачи «Внедрение инновационных медицинских технологий, включая систему ранней диагностики и дистанционный мониторинг состояния здоровья пациентов».

Метод веб-капилляроскопии соответствует всем пунктам поставленной задачи. Оценка функционального состояния резистивных микрососудов, которые регулируют не только уровень обменных процессов, но и уровень периферического сосудистого сопротивления, может стать полезным инструментом для выявления заболеваний на ранней стадии — стадии функциональных нарушений, когда еще не сформировались структурные изменения. Широкое распространение веб-камер у населения, простота исследования и возможность дистанционной передачи данных располагает к вовлечению в динамическое наблюдение большого числа пациентов.

Для внедрения этой инновационной медицинской технологии в широкую клиническую практику необходимо выявить диагностическую ценность и клиническую значимость метода при заболеваниях различных органов и систем — сердечно-сосудистой, дыхательной, нервной (центральной и периферической), гормональной и других, что предполагает большой объем научно-исследовательских работ.

Участие авторов: написание текста — А.А. Федорович; разработка общей концепции, редактирование — О.М. Драпкина.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.