Способ оценки числа функционирующих кровеносных капилляров у человека (варианты)

Изобретение относится к области медицины, а именно к сердечно-сосудистым заболеваниям, физиологии, спортивной медицине.

Чаще всего в клинической практике оценивается не число капилляров в биоптатах ткани, взятых у пациента по медицинским показаниям, а их плотность. Такие оценки оказываются существенно заниженными, что следует из работы [McGuire B.J., Secomb T.W. Estimation of capillary density in human skeletal muscle based on maximal oxygen consumption rates // Am. J. Physiol. Heart Ciec. Physiol. 2003 Dec; 285(6): H. 2382 - 91. См. abstract и стр. H2389, второй столбец сверху.]. Кроме этого недостатка получаемые такими методами оценки не могут быть сравнены как с ретроспективными, так и с проспективными оценками числа функционирующих кровеносных капилляров у одного и того же обследуемого пациента.

В тех случаях, когда используется медицинская технология трансплантации сосудистых стволовых клеток сердца, возникает проблема оценки эффекта трансплантации, которая не решается измерением функциональных параметров миокардиального кровотока, зависимых от многих переменных величин не связанных с трансплантируемыми клетками. Только прямой учет изменения количества структурных элементов - кровеносных капилляров доказывает надежный эффект операции трансплантации стволовых клеток.

В пионерских исследованиях капиллярного русла А. Крог (Krogh, 1919) выбрал стандартные анатомические параметры - длина крог-цилиндра оцененная примерно в 0,5-1 мм, диаметр - 28 μм [E.R. Weibel Morphometry of non- random structures related to oxygen flow in the mammalian respiratory system / Science on Form: Proceedings of the Second International Symposium for Science on Form: Edit. S. Ishizaka, pp. 1-16.], которые используются до настоящего времени [McGuire B.J., Secomb T.W. (2003). См. стр. Н2384 таб. 1, диаметр капилляра - 2,5 μм, длина - 0,5 мм].

Указанные недостатки устраняются, когда анатомические параметры функционирующего кровеносного капилляра связываются с функциональными характеристикам кровотока и газообмена, соответствующими полу, возрасту, массе тела, общему потреблению кислорода организмом, концентрации гемоглобина в крови и насыщению крови кислородом.

Задачей изобретения является создание способа оценки числа функционирующих кровеносных капилляров в различных сосудистых бассейнах у человека с учетом вышеприведенных параметров.

С этой целью у обследуемого пациента регистрируют: пол, точный возраст с учетом прожитых лет, месяцев и дней; измеряют массу тела в кг; измеряют концентрацию гемоглобина в крови в г/л; измеряют частоту сердечных сокращений, уд/мин; общее потребление кислорода организмом, мл/мин; оксигенацию артериальной крови, в %.

Вычисляют время, в течение которого происходит выброс крови в аорту из ЛЖ по формулам из [Власов Ю.А. Онтогенез кровообращения человека. - Новосибирск: Наука, 1985 г. 265 с. (Таб. 27. Стр. 93)].

Для мужчин -

Для женщин -

где - Е_(МУЖ) и Е_(ЖЕН) период изгнания крови из ЛЖ, с; у мужчин и женщин соответственно; RR - длительность сердечного сокращения, с, которую получают из ЧСС (RR=60/ЧСС).

I Число функционирующих кровеносных капилляров у человека в коронарном круге кровообращения (миокарде) определяют следующим образом.

Вычисляют парциальное напряжение кислорода в крови на артериальном конце капилляра (_РО_2(АРТ)), используя уравнение из [Общий и шунтирующий поток крови в центральной гемодинамике человека // Физиология человека, 2009, т. 35, №5, с. 116-126. Рис. 4.] и уравнения [1] и [2] -

для мужчин -

для женщин -

где _РО_2(АРТ)М и _РО_2(АРТ)Ж напряжение кислорода в крови в артериолах большого круга кровообращения у мужчин и женщин соответственно,

вычисляют насыщение крови O₂ в артериолах большого круга (S_O2APT) кровообращения, используя преобразование напряжения кислорода в крови (в мм рт.ст.) в соответствующую величину насыщения крови кислородом (в %) по уравнению [Kelman G.R. Digital computer subroutine for the cjnversion of oxygen tension into saturation // J. Appl. Physiol. 21(4): 1375-1376. 1966.]

у мужчин -

у женщин -

где - S_O2APT(M) и S_O2APT(Ж) насыщение крови кислородом в артериолах большого круга кровообращения соответственно у мужчин и женщин, %; _PO_2(АРТ)М и _PO_2(АРТ)Ж - напряжение кислорода в крови в артериолах большого круга кровообращения у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют в коронарном круге кровообращения насыщение кислородом крови на венозном конце миокардиального капилляра (S_VК(МК)

у мужчин -

у женщин

где Hb - концентрация гемоглобина в крови, г/л;

S_VК(МК)M и S_VК(МК)Ж - насыщение кислородом крови на венозном конце миокардиального капилляра у мужчин и женщин соответственно;

S_O2ART - насыщение артериальной крови кислородом на уровне артериол;

Q_{КОРКРОВ%МОК} - капиллярный коронарный кровоток, %МОК; МОК - минутный объем кровообращения, л/мин;

ПO_2СЕРД - потребление кислорода сердцем, мл/мин.

В том случае, когда невозможно измерить капиллярный кровоток миокарда и потребление кислорода сердцем, то насыщение кислородом крови на венозном конце миокардиального капилляра вычисляют по уравнению

для мужчин при изменении S_O2APT от 0,974 до 0,948% в возрастном дипазоне от 1 года до 39 лет -

при изменении S_O2APT от 0,948 до 0,928 в диапазоне после 39 лет -

для женщин

при изменении S_O2APT от 0,974 до 0,959 в взрастном диапазоне от 1 года до 22 лет

при изменении S_O2APT 0,959 до 0,928 в диапазоне после 22 лет -

где S_VК(МК)M и S_VK(МК)(Ж) - насыщение кислородом крови на венозном конце миокардиального капилляра у мужчин и женщин соответственно, S_O2APT - насыщение артериальной крови кислородом.

Вычисляют длину миокардиального капилляра (L_К), используя величину уменьшения насыщения кислородом крови при ее движении от артериального к венозному концу капилляра согласно данным из работы [Vovenko Е.Р. Distribution of oxygen tension on the surface of arterioles, capillaries and venules of brain cortex and in tissue in normoxia: experimental study on rats // Pfluegers Arch. Band 437: 617-623, 1999.], которая составляет - 0,16S_O2/_МКМ. по уравнению:

для мужчин -

для женщин -

где - L_К(М) и L_К(Ж) длина миокардиального капилляра, μкм; S_O2APT(M) и S_O2APT(Ж) - насыщение крови кислородом в миокардиальной артериоле у мужчин и женщин соответственно; насыщение крови на венозном конце миокардиального капилляра у мужчин и женщин соответственно; S_{VК(МК)(М)} и S_VK(МК)(Ж).

Вычисляют диаметр миокрдиального капилляра (D_К) по массе тела

для мужчин -

для женщин -

где - D_К(М) и D_К(Ж) и М_Т(М) и М_Т(Ж) - диаметр миокардиального капилляра, мкм; масса тела, кг у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют объем миокардиального капилляра

у мужчин -

у женщин -

где - V_К(М,) и V_К(Ж) объем миокардиального капилляра, мкм³ у мужчин и женщин соответственно, L_К(M), и L_{К(Ж) -} длина миокардиального капилляра, мкм у мужчин и женщин соответственно; D_К(M) и D_К(Ж); диаметр миокардиального капилляра, мкм; у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют величину капиллярного кровотока в сердце (Q_К)

у мужчин

у женщин -

где - QК_(М) и QК_(Ж), капиллярный кровоток в сердце мл/мин

Hb_М и Hb_Ж содержание гемоглобина в крови г/л, S_{VК(МК)(М)}, S_{VК(МК)(Ж)} - насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра % (в долях единицы) у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют число функционирующих капилляров в миокарде (N_K))

у мужчин

где - QК_(M) и QК_(Ж) капиллярный кровоток в сердце мл/мин

N_K(M) и N_K(Ж) число капилляров в сердечной мышце; в которых осуществляется вещественный обмен между капиллярным руслом и сердечной мышцей в течение одного сердечного цикла (RR), V_К(M)), V_К(Ж) - объем миокардиального капилляра, мкм³ у мужчин и женщин.

Результаты оценки числа капилляров, участвующих в вещественном переносе в миокарде, приведены в таблице 1 и на Фиг. 1.

На Фиг. 1 по вертикали - число кровеносных капилляров, обеспечивающих одно сердечное сокращение, по горизонтали - возраст человека в годах

II. Число функционирующих кровеносных капилляров у человека в большом круге кровообращения оценивают следующим образом.

Вычисляют парциальное напряжение кислорода на уровне артериол в большом круге кровообращения (pO_2(АРТ)) по тому же уравнению, что и для миокарда [Ю.А. Власов, С.М. Смирнов, 2009] для мужчин -

для женщин -

где pO_2(APT)М и _PO_2(АРТ)Ж напряжение кислорода в крови в артериолах большого круга кровообращения у мужчин и женщин соответственно.

Пересчитывают напряжение кислорода в крови в артериолах большого круга кровообращения в насыщение крови кислородом в артериолах (S_O2(APT) (по тем же уравнениям, что и для коронарного кровотока - [Kelman G.R. 1966].

для мужчин -

для женщин -

где - S_O2(APT)M и S_O2(АРТ)Ж насыщение крови кислородом в артериолах большого круга кровообращения соответственно у мужчин и женщин, %; _РО_2(АРТ)М и _PO_2(АРТ)Ж - напряжение кислорода в крови в артериолах большого круга кровообращения у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра в большом круге кровообращения (S_VБК)

В том случае, когда отсутствуют данные о потреблении кислорода и величине капиллярного кровотока в большом круге кровообращения, S_VБК может быть выражена как функция насыщения кислородом артериальной крови в большом круге кровообращения у мужчин -

у женщин -

где - S_VБК насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра в большом круге кровообращения, %;

S_O2(APT)M и S_O2(АРТ)Ж насыщение кислородом артериальной крови в большом круге, %.

Вычисляют длину кровеносного капилляра (L_БК) по снижению насыщения гемоглобина кислородом после прохождения очередного мкм капилляра [Ellsworth M.L., Hittmann R.N. and Ellis C.G. Measurement of hemoglobin oxygen saturation in capillaries. Am J Physiol Heart Circ Physiol 252: H1031-H1040, 1987] по данным этих авторов величина снижения насыщения гемоглобина кислородом в скелетной мышце составляет - 0,051 S_O2%μм длины капилляра. Отсюда для мужчин длина капилляра в большом круге кровообращения -

для женщин -

где L_БК(М), L_БК(Ж) длина капилляра в большом круге кровообращения, мм; и S_O2(APT)M, S_O2(АРТ)Ж насыщение кислородом крови артериол в большом круге, %, S_VБК(M) и S_VКБК(Ж) насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра, %, у мужчин и женщин соответственно; 0,051 S_O2%/μм уменьшение насыщения кислородом на 1 мкм длины капилляра.

Вычисляют диаметр капилляра в большом круге кровообращения (D_БК)

для мужчин -

для женщин -

где D_БК(M), D_БК(Ж) диаметр кровеносного капилляра в большом круге, мкм, М_Т(М), М_Т(Ж) масса тела, кг, у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют объем единичного кровеносного капилляра в большом круге кровообращения (V_БК)

для мужчин -

для женщин -

где V_БК(М), V_БК(Ж), объем кровеносного капилляра в большом круге кровообращения, мкм³; и D_БК(M), D_БК(Ж) диаметр кровеносного капилляра большого круга, мкм, у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют величину капиллярного кровотока в большом круге кровообращения (Q_БК), которую составляют объемы всех кровеносных капилляров образующих русло большого круга, по известному способу [RU 2267983 С2, 20.01.2006. Бюл. №02, Власов Ю.А., Смирнов С.М., Окунева Г.Н. «Способ определения величины капиллярного кровотока и величины артериоловенулярного шунта».]

для мужчин -

для женщин -

где Q_БК(М), Q_БК(Ж) - капиллярный кровоток в большом круге, мл/мин; ПO_2(М), ПO_2(Ж) - потребление кислорода в большом круге кровообращения, мл/мин; Hb_(М), Hb_(Ж) - содержание кислорода в крови, г/л; S_VБК(М), S_VБК(Ж) - насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра, %; у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют число функционирующих кровеносных капилляров в большом круге кровообращения, используя численные оценки величины капиллярного кровотока в большом круге кровообращения (N_БК)

для мужчин -

для женщин -

где Q_БК(М), Q_БК(Ж) - капиллярный кровоток в большом круге кровообращения, мл/мин; и V_БК(M), V_БК(Ж) - объем единичного кровеносного капилляра, мкм³, ЧСС_(М), ЧСС_(Ж) частота сердечных сокращений у мужчин и женщин соответственно.

Результаты оценки числа участвующих в вещественном переносе капилляров в большом круге кровообращения приведены в таблице 2 и на Фиг. 2.

На Фиг. 2: по вертикали число кровеносных капилляров, работающих в большом круге кровообращения в течение одного сердечного цикла, по горизонтали - возраст человека в годах

III Число функционирующих кровеносных капилляров в скелетных мышцах человека оценивают следующим образом.

Вычисляют парциальное напряжение кислорода на уровне артериол в скелетных мышцах по той же формуле, что для миокарда и большого круга кровообращения [Ю.А. Власов, С.М. Смирнов, 2009] для мужчин -

для женщин -

где _PO_2(АРТ)М и _PO_2(АРТ)Ж напряжение кислорода в крови в артериолах скелетных мышц у мужчин и женщин соответственно.

Пересчитывают напряжение кислорода в артериолах скелетных мышц в насыщение крови кислородом в артериолах (S_O2(APT)) по тем же уравнениям, что для коронарного кровотока и большого круга кровобращения - [Kelman G.R. 1966].

Для мужчин -

для женщин -

где - S_O2(APT)M и S_O2(APTM)Ж насыщение крови кислородом в артериолах скелетных мышц соответственно у мужчин и женщин, %; _PO_2(СМ)М и _pO_2(СМ)Ж - напряжение кислорода в крови в артериолах скелетных мышц у мужчин и женщин соответственно, мм рт.ст.

Вычисляют насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра в скелетных мышцах S_VБК(CM), которое соответствует насыщению крови кислородом на венозном конце капилляра в большом круге кровообращения S_VБК

В том случае, когда отсутствуют данные о потреблении кислорода и величине капиллярного кровотока в большом круге кровообращения, S_VБК может быть выражена как функция насыщения кислородом артериальной крови в большом круге кровообращения у

мужчин -

у женщин -

где - S_VБК(CM)(M) и S_{VБК(CM)(Ж)} насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра, %, у мужчин и женщин соответственно; S_O2(APT)M и S_O2(APTM)Ж насыщение кислородом артериальной крови в большом круге, % у мужчин и женщин.

Вычисляют длину кровеносного капилляра в скелетных мышцах (L_CM) по скорости снижения насыщения гемоглобина кислородом [Ellsworth M.L., Hittmann R.N. and Ellis C.G. Measurement of hemoglobin oxygen saturation in capillaries. Am J Physiol Heart Circ Physiol 252: H1031-H1040, 1987] по данным этих авторов величина снижения насыщения гемоглобина кислородом в капилляре большого круга кровообращения составляет - 0,051 S_O2%/μм длины капилляра. Отсюда для мужчин длина капилляра в скелетной мышце -

для женщин -

где L_СМ(М), L_СМ(Ж) длина капилляра в скелетных мышцах мм; S_O2(APT)M, S_VБК(CM)M и S_O2(APT)(Ж), S_{VБК(СМ)Ж} насыщение кислородом крови в артериолах скелетных мышцах, %, и насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра, %, у мужчин и женщин соответственно; 0,051S_O2%/μм уменьшение насыщения кислородом на 1 мкм длины капилляра.

Вычисляют диаметр капилляра в скелетных мышцах (D_СМ), который соответствует диаметру капилляра в большом круге кровообращения для мужчин -

для женщин

где D_CM(M), D_CM(Ж) и М_(СМ)М, М_(СМ)Ж диаметр кровеносного капилляра в скелетных мышцах, мкм, масса всех скелетных мышц, кг, у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют объем единичного кровеносного капилляра в скелетных мышцах (V_CM)

для мужчин -

для женщин

где V_CM(M), V_СМ(Ж), объем кровеносного капилляра в скелетных мышцах, мкм³; и D_CM(M), D_СМ(Ж) диаметр кровеносного капилляра, мкм, у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют величину капиллярного кровотока в скелетных мышцах (Q_СК), которую составляют объемы всех кровеносных капилляров образующих капиллярное русло скелетных мышц, по известному способу [RU 2267983 С2, 20.01.2006. Бюл. №02, Власов Ю.А., Смирнов С.М., Окунева Г.Н. Способ определения величины капиллярного кровотока и величины артериоловенулярного шунта.]

для мужчин -

для женщин -

где Q_СК(M), Q_СК(Ж) - капиллярный кровоток в скелетных мышцах, мл/мин; ПO_2СК(М), ПO_2СК(Ж) - потребление кислорода собственно скелетными мышцами (т.е. учитывая, что скелетные мышцы составляют долю от массы тела), мл/мин. Определение массы скелетных мышц и возможное определение потребления кислорода скелетными мышцами (ПO_2СК) приведены ниже.

Hb_(М), Hb_(Ж) - содержание гемоглобина в крови, г/л; S_{VБК(СМ)(М)}, S_{VБК(CM)(Ж)} - насыщение крови кислородом на венозном конце капилляра, %; у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют число функционирующих кровеносных капилляров в скелетных мышцах, используя численные оценки величины капиллярного кровотока скелетных мышц и величины объема единичного кровеносного капилляра в скелетных мышцах

для мужчин -

для женщин -

Где N_СК(M) и N_СК(Ж) - число капилляров в скелетных мышцах; Q_СК(M) и Q_СК(Ж) - капиллярный кровоток в скелетных мышцах, мл/мин; и V_CM(M), V_СМ(Ж) - объем единичного кровеносного капилляра, мкм³, ЧСС_(M) и ЧСС_(Ж) частота сердечных сокращений у мужчин и женщин соответственно.

Для определения общего потребления кислорода собственно скелетными мышцами (ПO_2СК), предварительно вычисляют массу всех скелетных мышц как функцию массы тела, используя источники [Человек. Медико-биологические данные (Публикация №23 Международной комиссии по радиологической защите). Коллектив авторов. Перевод с англ. M., №23 «Медицина», 1977, 496 с., ил. (Стр. 118 V. Система скелетных мышц)] [Мешалкин Е.Н., Власов Ю.А., Окунева Г.Н. Хроническая артериальная гипоксемия человека. - Новосибирск: Наука, 1982, с. 279 (Стр. 215 12-7 строка снизу)] [Janssen, Ian, Steven В. Heymsfield, ZiMian Wang, and Robert Ross. Skeletal muscle mass and distribution in 468 men and women aged 18-88 yr.// J Appl Physiol 89: 81-88, 2000.]

Вычисляют на основе указанных источников данных процент массы скелетных мышц от общей массы тела для мужчин от 1 года до 18 лет -

для мужчин от 18 до 92 лет -

для женщин от 1 года до 20 лет -

Где М_{(СК)М%(1-18лет)} и М_{(СК)М%(20-92лет)}; М_{(СК)Ж%(1-20лет)} и М_{(СК)Ж%(20-92года)} процент массы скелетных мышц в общей массе организма в двух возрастных диапазонах у мужчин и женщин соответственно; А - возраст, лет.

Вычисляют массу скелетных мышц, умножая массу тела на процент массы скелетных мышц, по уравнениям для мужчин -

для женщин -

где М_{(СК)М(1-18лет)} и М_{(СК)М(18-92лет)}; М_ТМ(1-18л) и М_{ТМ(18-92л)}; М_{(СК)Ж(1-20л)} и М_{(СК)Ж(20-92л);} М_ТЖ(1-20л) и М_{ТЖ(20-92л)} - масса скелетных мышц (в кг) и масса тела (в кг); А - возраст, лет; в двух возрастных диапазонах у мужчин и женщин соответственно.

Вычисляют потребление кислорода скелетными мышцаами (ПO_2СК) в основном состоянии покоя по результатам прямого измерения тканевого дыхания приведенных в работе [Мешалкин Е.Н., Верещагин И.П., Власов Ю.А., Литасова Е.Е., Окунева Г.Н., Щукин B.C. Нестационарный кровоток у человека в искусственных условиях. - Новосибирск: Наука, 1984. с 228. (Таблица 33. Стр. 132.)]. По этим данным потребление кислорода скелетной мышцей в основном состоянии составляет у мужчин - 3,225926±0,076847, у женщин - 3,14805±0,108155 (M±m), мл/(кг мин).

Отсюда потребление кислорода всей скелетной мускулатурой вычисляют по уравнениям для мужчин -

для женщин -

где ПO_2СК(М) и ПO_2СК(Ж), мл/мин); М_СК(М) и М_СК(Ж), кг, - потребление кислорода скелетными мышцами и масса скелетных мышц у мужчин и женщин соответственно.

Результаты оценки числа участвующих в вещественном переносе капилляров в скелетных мышцах приведены в таблице 3 и на Фиг. 3.

На Фиг. 3 - число работающих капилляров в скелетных мышцах в течение одного сердечного цикла, по горизонтали - возраст человека в годах.

Пример

По представленным таблицам можно получить стандартную оценку числа кровеносных капилляров на любой заданный возраст пациента и тем самым оценить как проспективные, так и ретроспективные изменения числа кровеносных капилляров у стандартного человека и сравнить их с данными, полученными у конкретного пациента по его индивидуальным параметрам.