RU2547790C1 - Method of evaluating tolerance to physical loading by measurement of autofluorescent properties of skin - Google Patents

Method of evaluating tolerance to physical loading by measurement of autofluorescent properties of skin Download PDF

Info

Publication number
RU2547790C1
RU2547790C1 RU2013146729/14A RU2013146729A RU2547790C1 RU 2547790 C1 RU2547790 C1 RU 2547790C1 RU 2013146729/14 A RU2013146729/14 A RU 2013146729/14A RU 2013146729 A RU2013146729 A RU 2013146729A RU 2547790 C1 RU2547790 C1 RU 2547790C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
skin
ifs
autofluorescence
parameter
measurement
Prior art date
Application number
RU2013146729/14A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013146729A (en
Inventor
Гарри Вазгенович Папаян
Николай Николаевич Петрищев
Михаил Михайлович Галагудза
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный Центр сердца, крови и Эндокринологии имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный Центр сердца, крови и Эндокринологии имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации, государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И.П. Павлова" Министерства здравоохранения Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный Центр сердца, крови и Эндокринологии имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Priority to RU2013146729/14A priority Critical patent/RU2547790C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2547790C1 publication Critical patent/RU2547790C1/en
Publication of RU2013146729A publication Critical patent/RU2013146729A/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to functional diagnostics, and can be applied for the evaluation of tolerance to physical loading. Skin is illuminated by exciting radiation. Signals, generated by the secondary skin irradiation, are measured by a spectrometer in two spectral areas. The first spectral area is selected from the field of excitation, the second - in the area of fluorescent NADH emission. Evaluation of the autofluorescent AF parameter is carried out in accordance with formula: AF=F(λm)/R(λx)0.85, where R(λx) is a signal, obtained from the first spectral area, F(λm) is a signal, obtained from the second spectral area. Measurement of the signals is carried out in symmetric zones of the right and left parts of the body in an initial condition of the human organism. Then, the human organism is influenced by a loading test, and the measurement of signals is performed in the same areas of the skin. The index of the functional status IFS is calculated by formula: IFS=AFo/AFp, where AFo is the parameter of autofluorescence before the influence with the loading test, AFp is the parameter of autofluorescence after the influence with the loading test. The value of AFp, maximally different from AFo is used. Tolerance to physical load is evaluated by the obtained value of IFS.
EFFECT: method makes it possible to increase the reliability of estimation of tolerance to physical loading due to the differential principle of measurement, in which only changes of the skin autofluorescence, associated with NADH changes, are traced, as well as to reduce the evaluation time.
4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике, и может быть использовано для экспресс-оценки и мониторинга функционального состояния человека в нормальных условиях, при патологических состояниях и при экстремальных условиях деятельности для выявления степени его утомления, скрытой патологии, установления резервных возможностей организма, выбора оптимальной тактики лечения, реабилитации и активизации.The invention relates to medicine, namely to functional diagnostics, and can be used for rapid assessment and monitoring of a person’s functional state under normal conditions, in pathological conditions and under extreme conditions of activity, to determine the degree of fatigue, latent pathology, and establishment of reserve capabilities of the body, choosing the optimal treatment, rehabilitation and activation tactics.

Способ основан на измерении автофлуоресценции кожи и поэтому является неинвазивным.The method is based on measuring autofluorescence of the skin and therefore is non-invasive.

Автофлуоресценция (АФ) или собственная флуоресценция биологических тканей (т.е. их способность к свечению без введения в ткань какого-либо внешнего агента), определяется наличием в них эндогенных флуорофоров, в том числе таких как пиридин нуклеотид (NAD), флавопротеины (Fp), конечные продукты гликирования (AGE) и др.Autofluorescence (AF) or intrinsic fluorescence of biological tissues (i.e. their ability to glow without introducing any external agent into the tissue) is determined by the presence of endogenous fluorophores, including pyridine nucleotide (NAD), flavoproteins (Fp) ), glycation end products (AGE), etc.

Свечение NAD и Fp зависит от нахождения их в окисленном или восстановленном состоянии. Для оценки окислительно-восстановительных процессов в органах и тканях чаще всего используется флуоресценция восстановленного пиридин нуклеотида NADH, который излучает в видимой области спектра в диапазоне 420-480 нм, при возбуждении в ультрафиолетовой области спектра в полосе поглощения 320-380 нм, отсутствующей в окисленном состоянии этого дыхательного фермента (Mayevsky A, Rogatsky G.G. Mitochondrial function in vivo evaluated by NADH fluorescence: from animal models to human studies. Am. J. Physiol. Cell 292:C615-C640, 2007).The glow of NAD and Fp depends on their being in an oxidized or reduced state. To assess the redox processes in organs and tissues, fluorescence of the reduced pyridine NADH nucleotide is most often used, which emits in the visible spectral range in the range 420-480 nm, when excited in the ultraviolet region of the spectrum in the absorption band of 320-380 nm, which is absent in the oxidized state this respiratory enzyme (Mayevsky A, Rogatsky GG Mitochondrial function in vivo evaluated by NADH fluorescence: from animal models to human studies. Am. J. Physiol. Cell 292: C615-C640, 2007).

В основе известного способа лежит явление, заключающееся в том, что при недостатке кислорода в ткани происходит накопление избыточных количеств восстановленных пиридин нуклеотидов (NADH) в результате нарушения его окисления в NAD+ через цепь митохондриального транспорта электронов. Интенсивность автофлуоресценции зависит от соотношения восстановленных и окисленных пиридин нуклеотидов, возрастая при гипоксии. Таким образом, феномен автофлуоресценции тканей может быть использован для регистрации ишемических изменений в органах и тканях.The basis of the known method is the phenomenon that, when there is a lack of oxygen in the tissue, an accumulation of excess amounts of reduced pyridine nucleotides (NADH) occurs as a result of a violation of its oxidation in NAD + through the mitochondrial electron transport chain. The intensity of autofluorescence depends on the ratio of reduced and oxidized pyridine nucleotides, increasing with hypoxia. Thus, the phenomenon of tissue autofluorescence can be used to record ischemic changes in organs and tissues.

Известно исследование с применением мультифотонной микроскопии для оценки интенсивности автофлуоресценции НАДН в клетках эпидермиса у человека при окклюзииреперфузии плечевой артерии [Balu Μ, Mazhar A, Hayakawa СК, Mittal R, Krasieva ТВ, Konig К, Venugopalan V, Tromberg BJ. In vivo multiphoton NADH fluorescence reveals depth-dependent keratinocyte metabolism in human skin. Biophys J. 2013 Jan 8; 104(l):258-67].A study using multiphoton microscopy is known to evaluate the intensity of NADH autofluorescence in human epidermal cells during occlusion of the brachial artery reperfusion [Balu Μ, Mazhar A, Hayakawa SK, Mittal R, Krasieva TV, Konig K, Venugopalan V, Tromberg BJ. In vivo multiphoton NADH fluorescence reveals depth-dependent keratinocyte metabolism in human skin. Biophys J. 2013 Jan 8; 104 (l): 258-67].

Результат оценки уровня флуоресценции сопоставлялся с уровнем окси- и дезоксигемоглобина в ткани. Было показано, что в ходе 3-минутной окклюзии артерии происходит значимое повышение уровня НАДН флуоресценции, которое авторы связывают с уменьшением интенсивности окислительного метаболизма в кератиноцитах базального слоя эпидермиса.The result of assessing the level of fluorescence was compared with the level of oxy- and deoxyhemoglobin in the tissue. It was shown that during a 3-minute occlusion of the artery there is a significant increase in the level of NADH fluorescence, which the authors attribute to a decrease in the intensity of oxidative metabolism in keratinocytes of the basal layer of the epidermis.

Явление автофлуоресценции широко используется в медицинской диагностике, в том числе путем измерения свечения кожного покрова под воздействием ультрафиолетового излучения.The phenomenon of autofluorescence is widely used in medical diagnostics, including by measuring the glow of the skin under the influence of ultraviolet radiation.

Известны способ и устройство, описанные в патенте (US 7966060. Method and apparatus for determining autofluorescence of skin tissue), которые предназначены для оценки конечных продуктов гликирования AGE путем измерения AФ участков кожи, расположенных в области предплечья пациента. Источником возбуждающего излучения служит люминесцентная лампа, излучающая в УФ области в диапазоне 300-420 нм. Сбор и регистрация излучения осуществляются с помощью спектрометра в диапазоне 420-600 нм. Для снижения влияния пигментации кожи, вводится параметр, представляющий собой отношение флуоресцентного излучения к отраженному возбуждающему излучению (285-420 нм). Измерения проводятся на участках кожи размером 0,4 см2. Данный способ позволяет осуществлять скрининговые исследования населения для выявления больных сахарным диабетом, прогнозировать осложнения при заболеваниях сердечно-сосудистой системы и при почечной недостаточности.A known method and device described in the patent (US 7966060. Method and apparatus for determining autofluorescence of skin tissue), which are designed to evaluate the final products of glycation of AGE by measuring the AF of the skin areas located in the forearm of the patient. A source of exciting radiation is a fluorescent lamp emitting in the UV region in the range of 300-420 nm. The collection and registration of radiation is carried out using a spectrometer in the range of 420-600 nm. To reduce the effect of skin pigmentation, a parameter is introduced that represents the ratio of fluorescence radiation to reflected exciting radiation (285-420 nm). Measurements are taken on skin areas with a size of 0.4 cm 2 . This method allows for screening studies of the population to identify patients with diabetes mellitus, to predict complications in diseases of the cardiovascular system and in renal failure.

Недостатком известного способа является ограниченная область его применения.The disadvantage of this method is the limited scope of its application.

Известны также способ и устройство (патент US 6697657 Method and devices for laser induced fluorescence attenuation spectroscopy), которые предназначены для определения ишемии и гипоксии биологической ткани. Работа этой системы основана на измерении спектров флуоресценции NAD в диапазоне от 470 до 490 нм при двухфотонном лазерном возбуждении. Сложность данной технологии не позволяет использовать ее в рутинной практике клинических исследований.Also known is a method and device (patent US 6697657 Method and devices for laser induced fluorescence attenuation spectroscopy), which are designed to determine ischemia and hypoxia of biological tissue. The operation of this system is based on measuring NAD fluorescence spectra in the range from 470 to 490 nm with two-photon laser excitation. The complexity of this technology does not allow its use in the routine practice of clinical research.

Недостатком известного способа является также ограниченная область применения.The disadvantage of this method is also the limited scope.

Известен способ измерения автофлуоресцентных свойств кожи для оценки функционального состояния организма, реализованный спектрометром «Skin-AGE», предназначенным для проведения флуоресцентно-отражательных медико-биологических исследований (Kang Uk; Папаян Г.В., Березин В.Б., Петрищев Н.Н., Галагудза М.М. Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований. Оптический журнал. 2013. Т. 80.. №1. С. 32-38).There is a method of measuring autofluorescence properties of the skin to assess the functional state of the body, implemented by the Skin-AGE spectrometer designed to conduct fluorescence-reflective biomedical research (Kang Uk; Papayan GV, Berezin VB, Petrishchev N.N. ., Galaguza MM Spectrometer for fluorescence-reflective biomedical research. Optical journal. 2013. V. 80 .. No. 1. P. 32-38).

Этот способ является наиболее близким к заявляемому изобретению и может служить в качестве прототипа. Он заключается в освещении кожи возбуждающим излучением от осветителя, генерирующего излучение в ближней ультрафиолетовой области с центральной длиной волны 365 нм, измерении спектрометром сигналов, вызванных вторичным излучением кожи, в двух спектральных участках, из которых первый участок выбирается в области возбуждения, а второй - в области флуоресцентной эмиссии кожи, и последующем расчете параметра автофлуоресценции, являющегося функцией двух указанных сигналов. Способ реализуется при регулярном, в течение длительного времени, эпизодическом измерении автофлуоресцентных свойств кожи определенной локализации.This method is the closest to the claimed invention and can serve as a prototype. It consists in irradiating the skin with excitation radiation from a illuminator generating radiation in the near ultraviolet region with a central wavelength of 365 nm, measuring the signals caused by secondary skin radiation in a spectrometer in two spectral regions, of which the first region is selected in the excitation region, and the second in areas of fluorescence emission of the skin, and the subsequent calculation of the autofluorescence parameter, which is a function of the two indicated signals. The method is implemented with regular, for a long time, episodic measurement of autofluorescence properties of the skin of a certain location.

Недостаток известного способа состоит в том, что такая оценка возможна только при выполнении длительных измерений, когда можно установить значения индивидуальной нормы. Она может существенно различаться у разных людей, поскольку на сигнал флуоресценции влияет не только NADH, но и свечение других веществ. При исследовании кожи это, прежде всего, AGE, кератин, коллаген, спектры возбуждения и эмиссии которых находятся в тех же областях длин волн, что и у NADH. Такое перекрытие затрудняет однозначную трактовку результатов при оценке функционального статуса известными способами. Например, более высокое значение AФ у данного человека по сравнению со средними нормальными значениями может быть связано как с состоянием гипоксии в данный момент времени, так и с повышенным содержанием AGE, которое может быть вызвано долговременным воздействием различных неблагоприятных факторов.The disadvantage of this method is that such an assessment is possible only when performing lengthy measurements, when you can set the values of the individual norm. It can vary significantly among different people, because the fluorescence signal is affected not only by NADH, but also by the luminescence of other substances. When examining the skin, these are, first of all, AGE, keratin, collagen, the excitation and emission spectra of which are in the same wavelength regions as NADH. This overlap makes it difficult to unambiguously interpret the results when assessing the functional status by known methods. For example, a higher AF value in a given person compared to average normal values can be associated with both the state of hypoxia at a given time and the increased content of AGE, which can be caused by long-term exposure to various adverse factors.

Задачей настоящего изобретения является повышение достоверности оценки толерантности к физической нагрузке и возможность ее мониторинга путем измерения NADH-флуоресценции кожи, отражающей окислительно-восстановительное состояние организма в норме, при различных патологиях и при различных видах экстремальной деятельности человека, а также сокращение времени оценки толерантности к физической нагрузке за счет применения дифференциального принципа измерения и расширение функциональных возможностей.The objective of the present invention is to increase the reliability of assessing exercise tolerance and the possibility of monitoring it by measuring the NADH fluorescence of the skin, which reflects the oxidation-reduction state of the body in normal conditions for various pathologies and various types of extreme human activity, as well as reducing the time to assess physical tolerance load due to the application of the differential principle of measurement and the expansion of functionality.

Выполнение поставленной задачи достигается тем, что в способе оценки толерантности к физической нагрузке путем измерения автофлуоресцентных свойств кожи, включающем в себя освещение кожи возбуждающим излучением, измерение с помощью спектрометра сигналов, вызванных вторичным излучением кожи, в двух спектральных участках, из которых первый участок выбирается в области возбуждения, а второй - в области флуоресцентной эмиссии NADH, расчет параметра автофлуоресценции AF в соответствии с формулой:The achievement of this task is achieved by the fact that in the method of assessing exercise tolerance by measuring the autofluorescence properties of the skin, including illumination of the skin with exciting radiation, measuring signals caused by secondary skin radiation with a spectrometer in two spectral regions, from which the first region is selected in excitation region, and the second - in the field of NADH fluorescence emission, the calculation of the autofluorescence parameter AF in accordance with the formula:

AF=F(λm)/R(λx)0.85,AF = F (λ m ) / R (λ x ) 0.85 ,

где R(λx) - сигнал, полученный из первого спектрального участка,where R (λ x ) is the signal obtained from the first spectral section,

F(λm) - сигнал, полученный из второго спектрального участка, F (λ m ) is the signal obtained from the second spectral region,

согласно изобретению упомянутое измерение сигналов производят в симметричных зонах правой и левой области тела в исходном состоянии организма человека, после чего на организм человека воздействуют нагрузочной пробой и проводят измерения сигналов в тех же участках кожи, определяют индекс функционального статуса (ИФС) по формуле:according to the invention, said measurement of signals is carried out in symmetrical zones of the right and left parts of the body in the initial state of the human body, after which the human body is exposed to a load breakdown and the signals are measured in the same skin areas, the functional status index (IFS) is determined by the formula:

ИФС=AF0/AFp,IFS = AF 0 / AF p ,

где AFo - параметр автофлуоресценции до воздействия нагрузочной пробы,where AF o - autofluorescence parameter before exposure to a load sample,

AFp - параметр автофлуоресценции после воздействия нагрузочной пробы, AF p - autofluorescence parameter after exposure to a stress test,

причем используют значение AFp, максимально отличающееся от AFo, и по полученной величине ИФС оценивают толерантность к физической нагрузке.moreover, the value of AF p is used , which differs as much as possible from AF o , and exercise tolerance is estimated from the obtained IFS value.

Заявляемый способ оценки толерантности к физической нагрузке путем измерения автофлуоресцентных свойств кожи отличается от прототипа тем, что он основан на измерении AФ кожи (АФК), не зависящей от вариации флуорофоров, которые не участвуют в процессе биологического окисления. Это достигается за счет использования дифференциального принципа измерения, при котором отслеживают только изменения АФ, связанные с изменением концентрации NADH. Изменения можно стимулировать различными нагрузочными пробами.The inventive method for assessing exercise tolerance by measuring the autofluorescence properties of the skin differs from the prototype in that it is based on the measurement of skin AF (ROS) independent of the variation of fluorophores that are not involved in the biological oxidation process. This is achieved through the use of a differential measurement principle, in which only AF changes associated with a change in NADH concentration are monitored. Changes can be stimulated by various stress tests.

Известно, что на состояние окислительно-восстановительного метаболизма организма можно влиять различными факторами: физической нагрузкой, ортостатической пробой, дыхательной пробой, электромагнитным излучением, воздействием в акупунктурных точках, гидровоздействием, температурным воздействием, медикаментозным воздействием и др. Влияние некоторых из них на АФ было проверено экспериментально. В приводимых ниже примерах показано такое воздействие.It is known that the state of the oxidation-reduction metabolism of the body can be influenced by various factors: physical activity, orthostatic breakdown, respiratory breakdown, electromagnetic radiation, exposure at acupuncture points, hydraulic effects, temperature effects, drug effects, etc. The effect of some of them on AF has been verified experimentally. The following examples show this effect.

В результате проведенных исследований способа оценки толерантности к физической нагрузке путем измерения автофлуоресцентных свойств кожи, можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение обеспечивает достижение поставленной задачи, выражающейся в повышении достоверности оценки толерантности к физической нагрузке и возможности ее мониторинга, а также в сокращении времени оценки толерантности к физической нагрузке и расширении функциональных возможностей.As a result of studies of a method for assessing exercise tolerance by measuring the autofluorescence properties of the skin, it can be concluded that the invention provides the achievement of the task, which is expressed in increasing the reliability of assessing exercise tolerance and the possibility of monitoring it, as well as in reducing assessment time exercise tolerance and enhanced functionality.

Заявляемое изобретение является новым, не известным в практике медико-биологических исследований, а совокупность отличительных признаков не следует из уровня техники. Изобретение является применимым из-за простоты методики измерения и. возможности использования существующих устройств.The claimed invention is new, not known in the practice of biomedical research, and the combination of distinctive features does not follow from the prior art. The invention is applicable due to the simplicity of the measurement method and. the possibility of using existing devices.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг. 1- представлен график ИФС у спортсменов на разных этапах эксперимента в первый день тестирования;in FIG. 1- presents a graph of IFS in athletes at different stages of the experiment on the first day of testing;

на фиг. 2 - график ИФС у спортсменов на разных этапах эксперимента через неделю после первого тестирования;in FIG. 2 is a graph of IFS in athletes at different stages of the experiment a week after the first test;

на фиг. 3 - график ИФС при физической нагрузке у здоровых испытуемых и у пациентов с сердечной недостаточностью (пунктирные кривые);in FIG. 3 is a graph of IFS during exercise in healthy subjects and in patients with heart failure (dashed curves);

на фиг. 4 - график связи между ИФС и объемом поглощенного кислорода в ходе выполнения нагрузочной пробы;in FIG. 4 is a graph of the relationship between the IFS and the amount of oxygen absorbed during a load test;

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

В качестве прибора для проведения флуоресцентно-отражательных измерений может быть использован, например, волоконный спектрометр «Skin-AGE», в котором для возбуждения флуоресценции используется длина волны 365 нм, которая подходит для возбуждения NADH. Благодаря наличию в приборе волоконного щупа место измерений кожи может быть произвольным. Оно выбирается исходя из задачи исследования, удобства измерения и однородности кожи. В частности, для оценки толерантности к физической нагрузке, измерения могут проводиться на удобной для врача и пациента медиальной поверхности кожи плеча, которая обладает минимальной волосистостью. Проводится измерение сигнала R(λx) из первого спектрального участка λx, расположенного в области возбуждения флуоресценции и сигнала F(λm) из второго спектрального участка λm, расположенного в области флуоресцентной эмиссии NADH. Для устранения влияния разброса показаний в различных точках выбранного участка кожи производится усреднение сигналов при его сканировании щупом. По полученным сигналам рассчитывают параметр автофлуоресценции AF по формуле:As a device for carrying out fluorescence-reflective measurements, for example, a Skin-AGE fiber spectrometer can be used, in which a wavelength of 365 nm is used to excite fluorescence, which is suitable for excitation of NADH. Due to the presence of a fiber probe in the device, the place of skin measurements can be arbitrary. It is selected on the basis of the research task, ease of measurement and skin uniformity. In particular, to assess exercise tolerance, measurements can be performed on the medial surface of the skin of the shoulder, which is convenient for the doctor and patient, which has minimal hairiness. The signal R (λ x ) is measured from the first spectral portion λ x located in the fluorescence excitation region and the signal F (λ m ) from the second spectral portion λ m located in the NADH fluorescence emission region. To eliminate the influence of the scatter of readings at various points of the selected skin area, the signals are averaged when it is scanned with a probe. Based on the received signals, the autofluorescence parameter AF is calculated by the formula:

AF=F(λm)/R(λx)0.85 (1)AF = F (λ m ) / R (λ x ) 0.85 (1)

где R(λx) - сигнал, полученный из первого спектрального участка,where R (λ x ) is the signal obtained from the first spectral section,

F(λm) - сигнал, полученный из второго спектрального участка, F (λ m ) is the signal obtained from the second spectral region,

а для учета возможности асимметричной реакции организма на нагрузку проводятся парные измерения в участках, которые выбираются в симметричных зонах правой и левой области тела. Для учета влияния изменений сигналов с течением времени проводятся многократные измерения в одних и тех же участках кожи.and to take into account the possibility of an asymmetric reaction of the body to the load, paired measurements are taken in areas that are selected in the symmetric zones of the right and left parts of the body. To account for the effect of signal changes over time, multiple measurements are taken in the same skin areas.

После проведенных измерений в исходном состоянии и определения по формуле (1) параметра исходной автофлуоресценции AFo, организм человека подвергают воздействию нагрузочной пробы и проводят измерения сигналов в тех же участках кожи. Вычисляют по той же формуле (1) параметр автофлуоресценции после нагрузочной пробы AFp. В результате воздействия могут быть получены различные значения AFp справа и слева. При расчете ИФС используют значение AFp, максимально отличающееся от AFo. По полученным величинам AFo и AFp по формуле:After the measurements in the initial state and determination by the formula (1) of the initial autofluorescence parameter AF o , the human body is subjected to a stress test and the signals are measured in the same areas of the skin. The autofluorescence parameter is calculated using the same formula (1) after a stress test AF p. As a result of exposure, different values of AF p can be obtained on the right and left. When calculating IFS use the value of AF p , the most different from AF o . According to the obtained values of AF o and AF p according to the formula:

ИФС=AF0/Afp (2)IFS = AF 0 / Af p (2)

где AFo - параметр автофлуоресценции до воздействия нагрузочной пробы,where AF o - autofluorescence parameter before exposure to a load sample,

AFp - параметр автофлуоресценции после воздействия нагрузочной пробы, AF p - autofluorescence parameter after exposure to a stress test,

определяют индекс функционального статуса (ИФС), по величине которого оценивают толерантности к физической нагрузке.determine the index of functional status (IFS), the value of which assesses exercise tolerance.

Способ иллюстрируется примерами проведенных исследований по воздействию различных нагрузок на испытуемых, обладающих различной физической кондицией. Исследования проводились с помощью волоконного спектрометра «Skin-AGE». Место измерений - участок диаметром 20-30 мм на медиальной поверхности кожи плеча. Число измерений - 10 (5 на левой руке, 5 на правой руке), в строго фиксированных участках, которые выбирались, в симметричных зонах правой и левой области тела. Продолжительность одного измерения 0,5 секунды. Выходной параметр AF рассчитывался по формуле (2) на длинах волн λx=380 нм и λm,=440 нм и усреднялся по всем пяти замерам на каждой стороне.The method is illustrated by examples of studies on the effects of various loads on subjects with different physical conditions. The studies were carried out using a Skin-AGE fiber spectrometer. The measurement site is a section with a diameter of 20-30 mm on the medial surface of the skin of the shoulder. The number of measurements is 10 (5 on the left hand, 5 on the right hand), in strictly fixed sections that were selected, in the symmetric zones of the right and left body regions. The duration of one measurement is 0.5 seconds. The output parameter AF was calculated by formula (2) at wavelengths λ x = 380 nm and λ m , = 440 nm and averaged over all five measurements on each side.

Пример 1. Оценка функционального статуса спортсменов в ходе выполнения физической нагрузкиExample 1. Assessment of the functional status of athletes during exercise

Контингент обследованных был представлен двумя группами спортсменов: 1) спортсмены-борцы (n=5), 2) спортсмены-легкоатлеты (n=5). Средний возраст испытуемых составил 21±1 год. Измерения функционального состояния спортсменов выполнялись в исходном состоянии (6-7 февраля 2013 г. ), а также через неделю (14 февраля 2013 г. ).The contingent of the examined was represented by two groups of athletes: 1) athletes-wrestlers (n = 5), 2) athletes-athletes (n = 5). The average age of the subjects was 21 ± 1 year. Measurements of the functional state of athletes were performed in the initial state (February 6-7, 2013), and also after a week (February 14, 2013).

Протокол выполнения нагрузки включал следующие временные периоды:The load execution protocol included the following time periods:

1) Тест 1 (вело). Выполняется на велоэргометре в течение 30 секунд при предельно возможной для данного человека интенсивности.1) Test 1 (velo). It is performed on a bicycle ergometer for 30 seconds at the maximum possible intensity for a given person.

2) Отдых 1. Выполняется в течение 30 мин после окончания нагрузки «вело».2) Rest 1. It is carried out within 30 minutes after the end of the load "led".

3) Отдых 2. Выполняется в течение 2-4 часов.3) Rest 2. It is carried out within 2-4 hours.

4) Тест 2 (тредмилл). Выполняется на беговой дорожке в течение 20-25 минут со ступенчатым увеличением скорости примерно от 5 км/час до 15 км/час. Последняя 10 ступень продолжается столько времени, сколько выдерживает спортсмен.4) Test 2 (treadmill). It is carried out on a treadmill for 20-25 minutes with a stepwise increase in speed from about 5 km / h to 15 km / h. The last 10 step lasts as long as the athlete withstands.

5) Отдых 3. Выполняется в течение 30 мин после окончания нагрузки на тредмилле.5) Rest 3. It is carried out within 30 minutes after the end of the load on the treadmill.

Результаты измерений АФ в исходном состоянии и в различные моменты тестовых испытаний представлены на Фиг. 1. При анализе полученных данных обращает на себя внимание следующее. После окончания кратковременной предельной нагрузки на велоэргометре наблюдается эффект «гиперкомпенсации», при котором ИФС в среднем составляет 103%. Отдых 1 в течение 30 минут после велоэргометра приводит к эффекту «утомления», при котором наблюдается падение ИФС в среднем до 96%. Отдых 2 в течение 2-4 часов после велоэргометра сопровождается практически полной компенсацией эффекта «утомления» Длительная нагрузка на беговой дорожке, которая сопровождается переходом от аэробного характера нагрузки к анаэробному, дает более значительный эффект «гиперкомпенсации» (ИФС повышается в среднем до уровня 109%).The results of AF measurements in the initial state and at various points in the test tests are presented in FIG. 1. When analyzing the data obtained, the following is noteworthy. After the end of the short-term ultimate load, the effect of “hypercompensation” is observed on the bicycle ergometer, at which the IFS averages 103%. Rest 1 for 30 minutes after the bicycle ergometer leads to the effect of "fatigue", in which there is a drop in the IFS to an average of 96%. Rest 2 for 2-4 hours after the bicycle ergometer is accompanied by almost complete compensation for the effect of "fatigue". Long-term load on the treadmill, which is accompanied by a transition from the aerobic nature of the load to anaerobic, gives a more significant effect of "hypercompensation" (IFS increases to an average of 109% )

Отдых 3 в течение 30 минут после беговой дорожки не приводит к эффекту «утомления» - АФ возвращается к уровню, который имел место до нагрузки на беговой дорожке. Индивидуальные различия в эффекте «гиперкомпенсации» при нагрузке на беговой дорожке в данном исследовании доходили до 30%. Так, наибольший эффект (повышение ИФС до 128%) имел место у испытуемого А. (самбо) и отсутствовал полностью (ИФС 98%) у испытуемого К. (лыжные гонки).Rest 3 for 30 minutes after the treadmill does not lead to the effect of "fatigue" - AF returns to the level that occurred before the load on the treadmill. The individual differences in the effect of "hypercompensation" under the load on the treadmill in this study reached 30%. So, the greatest effect (increase in IFS up to 128%) took place in subject A. (sambo) and was completely absent (IFS 98%) in subject K. (skiing).

Результаты измерения ИФС через неделю после исходного тестирования по той же схеме представлены на Фиг. 2. В данном случае наблюдались те же закономерности, что и при исходном тестировании.The results of measuring IFS one week after the initial testing according to the same scheme are presented in FIG. 2. In this case, the same patterns were observed as in the initial testing.

Однако у одного из испытуемых реакция была атипичной, а именно, отмечалось существенное непрерывное падение ИФС на всех этапах эксперимента, в особенности непосредственно после выполнения велоэргометрической пробы. При этом его самочувствие было плохим.However, in one of the subjects the reaction was atypical, namely, there was a significant continuous drop in the IFS at all stages of the experiment, especially immediately after performing the bicycle ergometry test. However, his health was poor.

Таким образом, результаты проведенных измерений ИФС при различных видах физической нагрузки можно подытожить следующим образом. Во-первых, на группе обследованных спортсменов подтвержден ранее обнаруженный эффект корреляции показателей АФ кожи с физиологическим состоянием организма. Изменение АФ кожи при физических нагрузках объясняется изменением степени ее оксигенации. Обнаружено новое явление - эффект «гиперкомпенсации» - которое состоит в кратковременном увеличении степени оксигенации в период наиболее интенсивной нагрузки. Можно предположить, что этот эффект имеет место только у хорошо тренированных людей. Для подтверждения этой гипотезы должна быть оценена реакция на длительные нагрузки у нетренированных индивидуумов и у людей со сниженной толерантностью к физической нагрузке. Ранее наблюдавшийся эффект «утомления» проявляется и у спортсменов, но только после кратковременной предельной нагрузки.Thus, the results of measurements of IFS with various types of physical activity can be summarized as follows. Firstly, the previously discovered effect of the correlation of skin AF parameters with the physiological state of the body was confirmed on the group of examined athletes. The change in the skin AF during exercise is explained by a change in the degree of its oxygenation. A new phenomenon has been discovered - the effect of "hypercompensation" - which consists in a short-term increase in the degree of oxygenation during the period of the most intense load. It can be assumed that this effect occurs only in well-trained people. To confirm this hypothesis, the response to prolonged exercise in untrained individuals and in people with reduced exercise tolerance should be evaluated. The previously observed effect of "fatigue" is also manifested in athletes, but only after a short-term maximum load.

Пример 2. Оценка функционального статуса у здоровых испытуемых и у пациентов с сердечной недостаточностью в ходе выполнения физической нагрузкиExample 2. Evaluation of the functional status in healthy subjects and in patients with heart failure during exercise

Нагрузка выполнялась испытуемыми на тредмилле и включала движение с начальной скоростью движения дорожки 5 км/ч при уровне подъема 0 ед. (в единицах тредмила) в течение первых 2-х минут. Каждые последующие 2 минуты осуществлялось увеличение нагрузки (скорость увеличивается на 1.6 км/ч). Работа выполняется до достижения субмаксимальной частоты сердечных сокращений. Регистрировали следующие параметры:The load was performed by the test subjects on a treadmill and included movement with an initial track speed of 5 km / h at a lift level of 0 units. (in units of treadmill) for the first 2 minutes. Every next 2 minutes, an increase in load was carried out (speed increases by 1.6 km / h). Work is performed until submaximal heart rate is reached. The following parameters were recorded:

1. VO2peak (мл/мин)1. VO 2 peak (ml / min)

2. VO2peak (мл/кг/мин)2. VO 2 peak (ml / kg / min)

3. VO2peak (% от должных максимальных величин)3. VO 2 peak (% of maximum values due)

4. Соотношение O2/HRpeak4. The ratio of O 2 / HRpeak

5. Соотношение O2/HRpeak (% от должных максимальных величин)5. The ratio of O 2 / HRpeak (% of due maximum values)

6. VE на пике нагрузки (л/мин)6. VE at peak load (l / min)

7. Дыхательный резерв (BR), %7. Respiratory reserve (BR),%

8. VE/VCO2 покоя8. VE / VCO 2 rest

9. VE/VCO2 на пике нагрузки9. VE / VCO 2 at peak load

10. Объем поглощенного кислорода (% от МДВ)10. The amount of oxygen absorbed (% of MDA)

Испытуемые были разделены на две группы: 1) практически здоровые молодые люди (n=6) в возрасте от 20 до 34 лет, 2) пациенты с кардиомиопатией и сердечной недостаточностью II-III функционального класса (n=2).The subjects were divided into two groups: 1) practically healthy young people (n = 6) aged 20 to 34 years, 2) patients with cardiomyopathy and heart failure of the II-III functional class (n = 2).

Результаты измерений параметров, характеризующих толерантность испытуемых обеих групп к физической нагрузке, даны в таблице. Из таблицы следует, что пациенты с сердечной недостаточностью были достоверно менее устойчивы к нагрузке, что подтверждается значимо меньшим значением пикового потребления кислорода. The results of measurements of parameters characterizing the tolerance of the subjects of both groups to physical activity are given in the table. From the table it follows that patients with heart failure were significantly less resistant to stress, which is confirmed by a significantly lower value of peak oxygen consumption.

Таблица. Показатели толерантности к физической нагрузке при выполнении тредмилл-теста у испытуемых

Figure 00000001
Table. Exercise tolerance indicators when performing a treadmill test in subjects
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Результаты измерения ИФС у испытуемых обеих групп представлены на Фиг. 3.The results of measuring IFS in subjects of both groups are presented in FIG. 3.

Реакция на нагрузку оказалась различной в норме и патологии. Степень изменений после нагрузки различна для правой и левой руки. У подавляющего большинства экстремальные изменения были зафиксированы на правой руке и только у одного из кардиологических больных на левой руке.The response to the load was different in norm and pathology. The degree of change after exercise is different for the right and left hand. In the vast majority, extreme changes were recorded on the right hand and only in one of the cardiological patients on the left hand.

У кардиологических больных (пунктирные кривые на Фиг. 3) ИФС составляло 91-97% (ср), 90-93% (экстр), причем у больного, готовящегося к операции, степень падения было наибольшей. У практически здоровых испытуемых ИФС наоборот увеличивается - 103-120% (ср), 106-125% (экстр).In cardiological patients (dashed curves in Fig. 3), the IFS was 91-97% (cf.), 90-93% (extr.), And in a patient preparing for surgery, the degree of decline was the greatest. In practically healthy subjects, IFS, on the contrary, increases - 103-120% (cf.), 106-125% (extr.).

Корреляционная зависимость между ИФС и объемом поглощенного кислорода приведена на Фиг. 4. Из нее следует, что функциональный статус хорошо коррелирует с таким показателем, как объем поглощенного кислорода, что позволяет рассматривать ИФС в качестве чувствительного маркера, определяющего объем резервных возможностей организма и, следовательно, максимально достижимый спортивный результат.The correlation between IFS and the amount of oxygen absorbed is shown in FIG. 4. It follows from it that the functional status correlates well with such an indicator as the amount of oxygen absorbed, which makes it possible to consider IFS as a sensitive marker that determines the amount of reserve capacity of the body and, therefore, the maximum achievable sports result.

Приведенные примеры экспериментальных исследований показывают, что динамика АФ кожи при проведении нагрузочного тестирования четко коррелирует с резервными возможностями организма и его толерантностью к физической нагрузке. Корреляция наблюдается между уровнем АФ и большинством показателей, характеризующих устойчивость организма к физической работе. У лиц со сниженной толерантностью к нагрузке (сердечная недостаточность) наблюдалось падение ИФС, тогда как у практически здоровых людей и у спортсменов отмечалось повышение ИФС. Степень повышения ИФС при выполнении стандартного нагрузочного теста может являться скрининговым методом для отбора спортсменов, обладающих в данный момент времени максимальными показателями физической трудоспособности.The above examples of experimental studies show that the dynamics of the skin AF during exercise testing clearly correlates with the reserve capabilities of the body and its tolerance to physical activity. A correlation is observed between the level of AF and most indicators characterizing the body's resistance to physical work. In individuals with reduced exercise tolerance (heart failure), a decrease in IFS was observed, while in practically healthy people and athletes, an increase in IFS was noted. The degree of increase in IFS when performing a standard load test can be a screening method for selecting athletes who have at the given time the maximum indicators of physical disability.

Способ оценки толерантности к физической нагрузке может использоваться для мониторинга не только при нормальных и экстремальных условиях деятельности человека, но также для выявления скрытой патологии и в процессе ее лечения, с целью контроля эффективности различных процедур, направленных на улучшение самочувствия и повышение физической работоспособности. Кроме того, способ может использоваться также для экспресс-оценки эффективности средств коррекции. Так, например, повторное нагрузочное тестирование со стандартной мощностью нагрузки до и после применения средства коррекции функционального статуса может указать на эффективность использованного метода коррекции и его безопасность. С учетом этих данных может производиться ускоренный выбор индивидуальных методов, средств и доз коррекции функционального состояния спортсмена.The method of assessing exercise tolerance can be used to monitor not only under normal and extreme conditions of human activity, but also to identify hidden pathology and during its treatment, in order to monitor the effectiveness of various procedures aimed at improving well-being and increasing physical performance. In addition, the method can also be used for rapid assessment of the effectiveness of correction tools. So, for example, repeated load testing with a standard load power before and after application of the functional status correction means can indicate the effectiveness of the correction method used and its safety. Based on these data, an accelerated selection of individual methods, means and doses of correction of the athlete's functional state can be made.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает достижение поставленной задачи, а именно повышает достоверность и сокращает время оценки функционального состояния организма человека, а также расширяет функциональные возможности способа.Thus, the claimed invention ensures the achievement of the task, namely, it increases the reliability and reduces the time to assess the functional state of the human body, and also extends the functionality of the method.

Claims (1)

Способ оценки толерантности к физической нагрузке путем измерения автофлуоресцентных свойств кожи, включающий в себя освещение кожи возбуждающим излучением, измерение с помощью спектрометра сигналов, вызванных вторичным излучением кожи, в двух спектральных участках, из которых первый участок выбирается в области возбуждения, а второй - в области флуоресцентной эмиссии NADH, расчет параметра автофлуоресценции (AF) в соответствии с формулой:
AF=F(λm)/R(λx)0.85,
где:
R(λx) - сигнал, полученный из первого спектрального участка,
F(λm) - сигнал, полученный из второго спектрального участка, отличающийся тем, что упомянутое измерение сигналов производят в симметричных зонах правой и левой области тела в исходном состоянии организма человека, после чего на организм человека воздействуют нагрузочной пробой и проводят измерения сигналов в тех же участках кожи, определяют индекс функционального статуса (ИФС) по формуле:
ИФС=AF0/AFp,
где:
AFo -параметр автофлуоресценции до воздействия нагрузочной пробы,
AFp - параметр автофлуоресценции после воздействия нагрузочной пробы, причем используют значение AFp, максимально отличающееся от AFo, и по полученной величине ИФС оценивают толерантность к физической нагрузке.
A method for assessing exercise tolerance by measuring the autofluorescence properties of the skin, which includes irradiating the skin with excitation radiation, measuring signals caused by secondary skin radiation using a spectrometer in two spectral regions, of which the first region is selected in the field of excitation and the second in the region NADH fluorescence emission, calculation of the autofluorescence parameter (AF) in accordance with the formula:
AF = F (λ m ) / R (λ x ) 0.85 ,
Where:
R (λ x ) is the signal obtained from the first spectral region,
F (λ m ) is a signal obtained from the second spectral region, characterized in that the said measurement of signals is carried out in symmetric zones of the right and left parts of the body in the initial state of the human body, after which a load breakdown is applied to the human body and signal measurements are carried out in those the same areas of the skin, determine the index of functional status (IFS) by the formula:
IFS = AF 0 / AF p ,
Where:
AF o - autofluorescence parameter before exposure to stress test,
AF p is the autofluorescence parameter after exposure to a stress test, and an AF p value is used that is as different as possible from AF o , and exercise tolerance is estimated from the obtained IFS value.
RU2013146729/14A 2013-10-18 2013-10-18 Method of evaluating tolerance to physical loading by measurement of autofluorescent properties of skin RU2547790C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013146729/14A RU2547790C1 (en) 2013-10-18 2013-10-18 Method of evaluating tolerance to physical loading by measurement of autofluorescent properties of skin

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013146729/14A RU2547790C1 (en) 2013-10-18 2013-10-18 Method of evaluating tolerance to physical loading by measurement of autofluorescent properties of skin

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2547790C1 true RU2547790C1 (en) 2015-04-10
RU2013146729A RU2013146729A (en) 2015-04-27

Family

ID=53282971

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013146729/14A RU2547790C1 (en) 2013-10-18 2013-10-18 Method of evaluating tolerance to physical loading by measurement of autofluorescent properties of skin

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2547790C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2609059C2 (en) * 2015-07-06 2017-01-30 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний" Method of estimating adaptive-compensatory reactions in healthy individuals to remote pre-conditioning

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2076630C1 (en) * 1994-05-10 1997-04-10 Сергеев Геннадий Александрович Device for determining the functional state of organism organs and tissues
RU2197168C2 (en) * 2000-06-29 2003-01-27 Папаян Гарри Вазгенович Method and device for performing fluorescent endoscopy examination
RU2463963C1 (en) * 2011-07-26 2012-10-20 Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН Method of diagnosing cancer and potential resistance of malignant cells to hypoxia

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2076630C1 (en) * 1994-05-10 1997-04-10 Сергеев Геннадий Александрович Device for determining the functional state of organism organs and tissues
RU2197168C2 (en) * 2000-06-29 2003-01-27 Папаян Гарри Вазгенович Method and device for performing fluorescent endoscopy examination
RU2463963C1 (en) * 2011-07-26 2012-10-20 Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН Method of diagnosing cancer and potential resistance of malignant cells to hypoxia

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KANG Uk и др. Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований. Оптический журнал, 2013г, Т.80 N1 с.32-38. *
ВАЛЕНТИНОВ Б.Г. и др. Болюсы хуато (результаты и перспективы применения). Тула-Белгород, 2012, с.308-311, 314-318 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2609059C2 (en) * 2015-07-06 2017-01-30 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний" Method of estimating adaptive-compensatory reactions in healthy individuals to remote pre-conditioning

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013146729A (en) 2015-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3094251B1 (en) Near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy device and methods
JP4486253B2 (en) Sample concentration determination device
US8133177B2 (en) System and method for assessing capillary vitality
JP5808801B2 (en) Method and apparatus for determining autofluorescence values of skin tissue
Cai et al. Evaluation of near infrared spectroscopy in monitoring postoperative regional tissue oxygen saturation for fibular flaps
JP2007509718A (en) Devices and methods for monitoring body fluid and electrolyte disorders
JP2013544588A (en) Determination of tissue oxygenation in vivo
JP4405469B2 (en) Biological information measuring device
KR100580622B1 (en) Method and apparatus for noninvasive blood constituent measurement
WO2021040878A1 (en) Non-invasive glucose monitoring by raman spectroscopy
Sujatha et al. Assessment of microcirculatory hemoglobin levels in normal and diabetic subjects using diffuse reflectance spectroscopy in the visible region—a pilot study
CA2912270A1 (en) Quantifying neutrophil concentration in blood
RU2547790C1 (en) Method of evaluating tolerance to physical loading by measurement of autofluorescent properties of skin
JP2006501906A (en) Method and apparatus for non-invasive analysis of metabolic processes
KR20090040252A (en) Device and method for examining and evaluating a biologically active and/or activatable substance
US7198756B2 (en) Non-invasive measurement of pH
Luís et al. Tissue spectroscopy and optical clearing of colorectal mucosa in the pursuit of new cancer diagnostic approaches
CN109596552B (en) Method for measuring tissue blood oxygen saturation using single range light source-detector pair
CN108007910B (en) Depth-sensitive optical fiber probe for in-situ measurement of fluorescence spectrum and back-scattered light spectrum of skin tissue
Rohrbach et al. Intraoperative optical assessment of photodynamic therapy response of superficial oral squamous cell carcinoma
Georgakoudi et al. Intrinsic fluorescence spectroscopy of biological tissue
Tajaddini et al. Laser-induced auto-fluorescence (LIAF) as a method for assessing skin stiffness preceding diabetic ulcer formation
Chaiken et al. Analyzing near infrared scattering from human skin to monitor changes in hematocrit
Makmatov-Rys et al. Optical Technology for Ultraviolet Erythema Assessment and Minimal Erythema Dose Determination in Healthy Volunteers.
Lowndes Blood interference in fluorescence spectrum: Experiment, analysis and comparison with intraoperative measurements on brain tumor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161019