Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В рамках проекта была разработана и изготовлена новая система визуализации кровоснабжения (ВКС), основанная на методе двумерной отражательной фотоплетизмографии (ФПГ). Система ВКС является неинвазивной и основана на цифровой обработке видеоизображений испытуемых при освещении выбранных частей тела некогерентным светом, излучаемым одним или несколькими светодиодами (работающих на одной или разных длинах волн), при синхронной записи электрокардиограмм (ЭКГ). Отличительной особенностью разработанной системы является то, что она позволяет с высоким пространственным разрешением (ограниченным только числом пикселей используемой светоприёмной матрицы) визуализировать пространственные распределения не только амплитуды пульсаций крови, но и относительной фазы этих пульсаций. С помощью системы ВКС, работающей на длине волны 0,52 мкм (зелёный свет) были исследованы 43 практически добровольца в возрасте от 18 до 74 лет на предмет визуализации кровоснабжения в кисти рук. Было обнаружено, что в обычном состоянии (когда рука ни с чем не контактирует) из 86 исследованных рук только на 47 наблюдалась хорошая корреляция (с коэффициентом значимости p < 0,05) между сигналами ЭКГ и ФПГ. В тоже время, при прижатии руки к стеклу с небольшим давлением (в среднем 35 мм рт. ст. в области контакта) наблюдалось значительное увеличение амплитуды пульсаций крови. Минимальное увеличение амплитуды пульсаций составляло 1,5 раза, а максимальное – 8,4 раз. В среднем наблюдалось четырёхкратное возрастание амплитуды сигнала. Одновременно значительно улучшалась корреляция между сигналами ФПГ и ЭКГ: только в трёх случаях из 86 корреляция была не значительна. Причём во всех трёх выпавших случаях наблюдалась классическая форма сигнала ФПГ, повторяющая эволюцию давления крови в артериях, но последовательность достижения фазы систолы по неизвестной причине не соответствовала последовательности R пиков на ЭКГ. Существенное возрастание визуализируемой амплитуды пульсаций при контакте кожи со стеклом не находит объяснений в рамках общепринятой модели взаимодействия света с живой биологической тканью, лежащей в основе фотоплетизмографии с 1937 г. С учетом проведенной серии экспериментальных наблюдений была предложена новая физиологическая модель, позволяющая объяснить не только обнаруженные особенности, но и другие известные несоответствия экспериментов с классической моделью ФПГ (такие, как наблюдения максимальной модуляции сигнала ФПГ при использовании зеленого света при том, что его глубина проникновения в биоткань не позволяет ему эффективно взаимодействовать с артериями, и наблюдения инвертированных во времени сигналов ФПГ одновременно с нормальными сигналами в смежных областях биоткани). Предлагаемая модель в отличии от классической предлагает учитывать упругие деформации капиллярного русла при формировании сигнала ФПГ: импульсные колебания трансмурального артериального давления механически деформируют компоненты соединительной ткани дермы, в результате чего периодически изменяются коэффициенты поглощения и рассеяния света в приповерхностном слое биоткани. Эти эффекты проявляются в модуляции локальной интенсивности света, вернувшегося на светочувствительную матрицу. Таким образом, можно косвенно контролировать артериальные пульсации даже с помощью света, который проникает в биологические ткани на незначительную глубину. Предложенная модель хорошо объясняет экспериментальные наблюдения, которые оставались неразгаданными в рамках общепринятой модели взаимодействия света с живой биотканью. Для выяснения возможностей использования оптической системы ВКС для объективной оценки локальных и системных механизмов вазомоторной регуляции у больных с цефалгией на данном этапе проекта были проведены исследования нейрогенных механизмов регуляции сосудистого тонуса. Эти механизмы по данным целого ряда исследователей отличаются у больных с мигренью и у контрольной группы. В проведенных экспериментах автономная нервная система изучалась в серии тестов, позволяющих всесторонне изучить кардиохронотропную и вазомоторную регуляцию системы кровообращения. Вазомоторная регуляция изучалась в ходе ортостатического стресса, динамометрической пробы, маневра Вальсальвы, анализа немедленной вариабельности артериального давления, а также динамики кожно-мышечного кровотока в ответ на холодовое воздействие. Было выявлено, что у пациентов с частой и хронической формой мигрени без артериальной гипертензии вне приступа показатели эфферентной кардиохронотропной реактивности не отличаются от значений контрольной группы, тогда как кардиохронотропный компонент артериального барорефлекса оказался ниже показателей контрольной группы. Напротив, нейрогенная вазомоторная реактивность по результатам тестов, адекватно характеризующих ее функцию, у больных с мигренью повышена. Наиболее значимые различия вазомоторной реактивности у пациентов с мигренью и здоровых людей обнаруживают такие показатели, как реактивность артериального давления в конце второй фазы маневра Вальсальвы и реакция кровотока в ответ на холодовой стресс. Полученные данные позволяют ожидать, что и разрабатываемая ВКС система позволит обнаружить различия в вазомоторной регуляции у больных с цефалгией и у здоровых людей. Информация размещена на сайте Международного научно-технического центра "Вычислительная оптика, фотоника и визуализация изображений" Университета ИТМО по ссылке: http://irc.ifmo.ru/ru/87797/res_dir/17393/

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В результате выполнения второго этапа проекта была создана новая система визуализации пульсаций крови, аналогичная разработанной на первом этапе по достижению основных функций (синхронная видеозапись выбранной части тела и электрокардиограммы), но с улучшенными возможностями многоканальной синхронной записи сигналов с различных датчиков. Проведены исследования по влиянию поляризации света на характеристики сигналов фотоплетизмограммы (ФПГ), в результате которых установлено, что, хотя поляризационная фильтрация и не оказывает влияния на характеристики ФПГ сигналов, она значительно снижает влияние артефактов движения, позволяя точнее определять параметры сердечных циклов. Проведены исследование геометрических и динамических характеристик капилляров методом видеокапилляроскопии при одновременной синхронной записи двумерных ФПГ на другой ладони и электрокардиограммы. Установлено, что скорость кровотока в капиллярах модулирована во времени с частотой сердцебиений, а геометрические размеры капилляров остаются неизменными за время измерения (порядка 30 с), что подтверждает предложенную на первом этапе проекта модель взаимодействия зеленого света с капиллярной сетью и свидетельствуют о том, что модуляция света на частоте сердцебиений является следствием механического изменения плотности капилляров под действием пульсирующих артерий, а не модуляцией объёма крови в них. С использованием разработанной системы двумерной ФПГ проведено экспериментальное исследование реакции организма на температурные изменения. Были проведены измерения влияния локального охлаждения пальца на амплитуду пульсаций крови, визуализированной ФПГ системой. Показано, что амплитуда пульсаций крови растёт пропорционально росту локальной температуры кожного покрова, причём коэффициент пропорциональности меняется от субъекта к субъекту и является параметром, характеризующим реакцию вазомоторной деятельности индивидуума на изменение температуры. Проведённые исследования показали, что амплитуда пульсаций сильно изменяется с температурой кожи, демонстрируя высокую чувствительность метода ФПГ к оценке терморегуляции человека. Проведены исследования, направленные на изучение факторов, влияющих на асимметрию местного кровотока в отдельных участках тела у здоровых добровольцев. Была предложена классификация факторов на внутренние (например, дисфункция автономной нервной системы) и внешние провоцирующие факторы, такие, как раздражение сенсорных рецепторов TRPV1, TRPA1, TRPM8 (перец, горчица, ацетон и т.д.), гравитация, температура, прочие. Были проведены эксперименты по анализу влияния гравитации на параметры микроциркуляции крови. Анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании времени задержки пика пульсаций крови в различных областях на лице, показал, что одним из основных факторов, снижающих точность измерений времени прохождения пульсовой волны от сердца до выбранной области на лице, является дикротический зубец, появление которого обусловлено в первую очередь эндогенными сердечно-сосудистыми механизмами. Для точного определения границ сердечных циклов и устранения влияния дикротического зубца был разработан новый алгоритм обработки ФПГ данных. В отличие от предыдущих алгоритмов, которые были в основном предназначены для визуализации амплитуды пульсаций крови, новый алгоритм позволяет определять начало анакротических волн давления в артериальных сосудах с достаточной точностью. Данный алгоритм значительно повышает точность измерения времени распространения пульсовой волны от сердца до локальной области измерения. С помощью этого алгоритма впервые была продемонстрирована возможность построения карт распределения задержки пульсовой волны на лице испытуемого. Следует отметить, что разработанный алгоритм может быть использован также и для измерения пространственного распределения времени прохождения пульсовой волны до других частей тела. Для проведения исследований динамики медленно меняющейся составляющей сигнала ФПГ при венозной окклюзии была разработана и изготовлена лабораторная установка, позволяющая видеозапись кругового обзора предплечья, к которому применяется венозная окклюзия. Проведенные с ее помощью эксперименты на 20 добровольцах показали, что у всех испытуемых интенсивность света, отраженного от поверхности руки, падает линейно во времени с момента начала окклюзии и восстанавливается до прежнего уровня после снятия окклюзии. Характер изменения медленно меняющейся составляющей ФПГ сигнала практически совпадает по форме с сигналами, регистрируемыми в общепринятых контактных плетизмографах, что свидетельствует о том, что скорость изменения ФПГ сигнала на линейном участке после начала окклюзии пропорциональна скорости наполнения предплечья кровью. Данное предположение поддерживается физиологической моделью, разработанной нами на первом этапе проекта, согласно которой модуляции видимого (в частности, зелёного) света с капиллярной подкожной сетью, которая деформируется под воздействием изменяющегося давления в кровеносных сосудах. Разработанная система является оптической и не имеет контакта с кожей испытуемого, что увеличивает достоверность получаемых результатов и даёт неоспоримые преимущества над существующими методами измерения параметров венозной окклюзии. Проведены исследования амплитудных и фазовых свойств локального кровотока в области лица методом двумерной ФПГ с одновременной регистрацией ЭКГ и последующим расчетом времени прохождения пульсовой волны от сердца до головы у пациентов с мигренью и другими видами головной боли, а также у здоровых добровольцев. Обнаружено, что у пациентов с мигренью по сравнению со здоровыми людьми было достоверно меньшим среднее время распространения пульсовой волны от сердца до головы. Также выявлено, что различие этого показателя между левой и правой щекой больше у больных, чем у здоровых. После нормализации групп испытуемых по возрасту, различия показателей асинхронности пульсаций стали недостоверными, тогда, как различия во времени распространения пульсовой волны сохранились. Таким образом, установлено, что в группе здоровых добровольцев также часто встречается локальная асинхронность пульсаций крови на разных сторонах лица, что в определенном диапазоне является вариантом нормы. При этом выявлены существенные различия во времени распространения пульсовой волны от сердца до головы между группой больных мигренью и группой контроля, нормализованной по возрасту. Это различие представляется неслучайным и, вероятно, имеет прямое отношение к патогенезу мигрени, в частности, может быть связано с потерей эластичности сосудов у больных цефалгией. На следующем этапе проекта предполагается провести исследования на более репрезентативной группе больных и здоровых людей. Кроме того, в ходе предварительных исследований обнаружено, что у пациентов с мигренью качественным образом отличается реакция на аппликацию низких концентраций капсаицина в области кожных покровов предплечья, выражающаяся в значительно более выраженной и длительной по времени гиперемии. Объективизация реактивности локального кровотока в ответ на аппликацию капсаицина посредством двумерной ФПГ является перспективной методикой, как для объективной диагностики мигрени, так и для подбора эффективной противомигренозной терапии. Данные исследования планируется провести на третьем этапе проекта. Проведена оценка кардиохронотропной и вазомоторной реактивности у пациентов с мигренью и в контрольной группе здоровых добровольцев. В ходе экспериментов выполнялась проба Вальсальвы, динамометрическая проба, тилт-тест и оценивалась динамика кожно-мышечного кровотока в ответ на холодовой стресс. Выявлено, что у пациентов с частой и хронической мигренью, несмотря на более низкие значения исходного артериального давления, оказалась значительно повышенной вазомоторная реактивность, проявляющаяся в повышении прироста диастолического артериального давления в ответ на динамометрическую пробу, в конце второй фазы маневра Вальсальвы. Аналогичное увеличение вазомоторной реактивности было обнаружено и в ответ на холодовую вазоконстрикцию. При этом динамика артериального давления в ортостазе в группе больных мигренью не отличалась от группы контроля. Однако при анализе больных мигренью с артериальной гипертензией обнаружено, что у этих пациентов также повышена реакция и на ортостатическую нагрузку. У пациентов с артериальной гипертензией отмечался достоверно больший прирост диастолического артериального давления при ортостатической пробе, что позволяет сделать вывод о том, что у больных с мигренью основные отличия от здоровых лиц заключаются в повышенной вазомоторной реактивности, тогда как автономная регуляция сердечного ритма у мигреников не отличается от контрольной группы. Наиболее информативными для оценки вазомоторной реактивности у пациентов с мигренью являются маневр Вальсальвы, динамометрическая проба, и холодовая вазоконстрикция. Кроме того, было выявлено, что пациенты с мигренью при нормальном уровне артериального давления чаще имеют отягощенный семейный анамнез по сердечно-сосудистой патологии. Проведен предварительный анализ влияния противомигренозных препаратов (агонист серотониновых 5-HT1-рецепторов) на вазомоторную реактивность. На 3 этапе НИР планируется проведение дополнительных исследований в указанном направлении и более детальный анализ параметров системного и локального кровотока при этом. Дополнительно был проведен детальный анализ литературы (1956-2016 гг.) о роли парасимпатической системы в разных формах цефалгии. Особый акцент сделан на роли как холинергического медиатора ацетилхолина, так и пептидных парасимпатических ко- трансмиттеров, таких, как вазоинтестинальный пептид и гипофизарный пептид, активирующих аденилатциклазу. Оба этих пептида могут регулировать местный кровоток, что важно для понимания процессов, происходящих в наших инструментальных исследованиях микроциркуляции. Полученные результаты детально отражены в 11 научных публикациях и обсуждались на 12 международных научных конференциях. Ссылка на интернет-страницу на сайте Университета ИТМО: http://irc.ifmo.ru/ru/87797/res_dir/17393/issledovaniya_osobennostey_krovosnabzheniya_na_osnove_metoda_dvumernoy_otrazhatelnoy_fotopletizmografii.htm

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения третьего этапа проекта был проведён углублённый теоретический анализ данных видео-капилляроскопии, который позволил внести важные уточнения в понимание деталей взаимодействия света с кровеносными сосудами. Было показано, что видимый свет приобретает модуляцию на частоте сердцебиений исключительно в приповерхностном капиллярном слое. С учётом выявленных особенностей взаимодействия света с капиллярами был разработан новый усовершенствованный алгоритм обработки фотоплетизмографических (ФПГ) данных, записанных синхронно с электрокардиограммой (ЭКГ), который позволил значительно увеличить точность измерения параметров кровотока в капиллярной сети. Новая система двумерной ФПГ позволяет бесконтактным образом измерять пространственные распределения параметров кровотока не только на лице, но и на других частях тела у всех без исключения испытуемых, включая больных с гипертонической болезнью или мигренью. С помощью модернизированной системы двумерной ФПГ были проведены исследования по влиянию изменения положение тела на параметры кровоснабжения головы. Эти исследования были проведены на большой группе испытуемых (80 человек) и показали, что пульсовая волна распространяется по кровеносной системе человека от сердца до головы значительно быстрее, когда он меняет позу с сидячей на лежачую. Также была выявлена статистически значимая разница в средней амплитуде пульсаций крови в лицевых капиллярах, которая оказалась выше в положении сидя, чем лёжа. Одновременно было отмечено и уменьшение частоты пульса при смене сидячей позы на лежачую, что предполагает уменьшение активности симпатической нервной системы в лежачем положении. Следует особо отметить обнаружение явно выраженной асинхронности в пульсациях крови на разных щеках испытуемого, когда он находился в лежачем положении на боку: время прохождения пульса от сердца до верхней щеки у всех испытуемых было значительно дольше, чем до нижней щеки. Одновременно наблюдалась и статистически значимая разница в амплитуде пульсаций: на верхней больше, чем на нижней. Проведённые исследования показывают эффективность использования разработанной системы двумерной ФПГ для анализа и диагностики функционирования кровеносной системы. С целью поиска специфического маркера для объективной диагностики мигрени была разработана и апробирована методика оценки реакции кожного кровотока на аппликацию перцового пластыря с 8% содержанием капсаицина. Апробация методики была проведена с использованием усовершенствованной системы двумерной ФПГ на 24 испытуемых, из которых 12 болеют мигренью, а 12 здоровых формировали контрольную группу. Обе группы были сопоставимы по возрасту, основным конституционным и гемодинамическим параметрам. Было обнаружено, что капиллярный кровоток начинает возрастать не сразу после аппликации пластыря, а с некоторой задержкой, индивидуальной для каждого испытуемого. Кроме того, было показано, что покраснение кожи под воздействием капсаицинового пластыря проявляется не у всех испытуемых и не может служить параметром, адекватно характеризующим реакцию на капсаицин. При этом возрастание капиллярного кровотока, выражающееся в росте амплитуды пульсаций крови, наблюдалось у всех без исключения испытуемых. Статистический анализ полученных данных выявил, что коэффициент вариативности скорости роста амплитуды пульсаций был значительно выше в группе пациентов с мигренью, чем в контрольной группе, а время задержки реакции на капсаицин было больше у здоровых испытуемых. На базе этих двух параметров капиллярного кровотока был предложен объективный биомаркер мигрени. Разработанная система двумерной фотоплетизмографии была также использована для исследования кровотока у 8 пациентов со склеродермией. Анализ данных по пространственному распределению времени задержки пульсовой волны на лице у данных больных продемонстрировал значительное увеличение вариабельности этого параметра по сравнению с группой контроля. Обнаруженный феномен открывает перспективы клинического использования метода двухмерной ФПГ в клинической ревматологии, а показатель вариабельности задержки пульсовой волны может быть использован, как объективный биомаркер заболевания, позволяющий более надежно диагностировать и оценивать степень морфологических расстройств у больных с системной склеродермией. Исследования пространственных распределений амплитуды пульсаций крови в лицевых капиллярах у 59 больных гипертонической болезнью и 45 здоровых испытуемых были проведены с использованием разработанной системы ФПГ. У пациентов с гипертонической болезнью было обнаружено увеличение амплитуды пульсаций, которые начинают проявляться на второй стадии заболевания, характеризующейся клиническими признаками поражения органов мишеней. Установлено, что у пациентов с ассоциированными клиническими состояниями изменения амплитуды пульсаций продолжают нарастать по мере прогрессирования заболевания. Выявленный континуум капиллярного кровотока на фоне прогрессирования гипертонической болезни подтверждает неслучайный характер изменений. Установлено, что обнаруженные особенности капиллярного кровотока у больных гипертонической болезнью напоминают изменения, показанные у пациентов с мигренью, что указывает на общность патогенеза этих заболеваний. В рамках данного этапа проекта было проведено исследование вазомоторной и кардиохронотропной регуляции у пациентов с артериальной гипертензией и мигренью. Обнаружено, что у пациентов с гипертонической болезнью и сопутствующей мигренью сохраняются некоторые черты, характерные для пациентов с изолированной гипертонической болезнью, однако, наблюдается выраженное повышение реактивности в ответ на многие стимулы, которые отсутствуют у пациентов без мигрени. Выявленные особенности согласуются с данными исследований, свидетельствующими о более тяжелом прогнозе сочетанной патологии и, очевидно, требуют коррекции прогноза риска и подбора адекватной антигипертензивной терапии. Таким образом, на основании выполненного исследования группу пациентов с сочетанием гипертонической болезни и мигрени можно выделить в целевую группу, нуждающуюся в модификации подходов к ведению и контролю заболевания. Высокая точность и надёжность измерения параметров кровотока в разработанной системе достигаются вследствие синхронизированной записи ЭКГ. С целью дальнейшего упрощения аппаратной части системы и удобства её эксплуатации была разработана новая версия, в которой информация, необходимая для корреляционной обработки видеоданных, поступала с альтернативного датчика, а именно, с пульсоксиметра на дистальной фаланге пальца испытуемого. Ключевым моментом в разработке новой системы стала программная реализация алгоритма обработки видеосигналов, потребовавшая серьёзной модификации предыдущей программы, что и было сделано на данном этапе проекта. В результате пилотных исследований альтернативной системы было показано, что она позволяет измерять пространственные распределения амплитуды пульсаций крови в капиллярной сети, а также относительные изменения времени прохождения пульсовой волны по кровеносной системе в результате отклика на физиологические или медикаментозные тесты. Тем самым была показана возможность использования этой более простой в эксплуатации системы для оценки относительных изменений параметров капиллярного кровотока. Были внесены серьёзные изменения в конструкцию и программное обеспечение разработанной на предыдущем этапе лабораторной установки для бесконтактной оценки динамики кожно-мышечного кровотока в конечностях с использованием двумерной ФПГ системы. На усовершенствованной установке были проведены испытания по сравнению отклика бесконтактной оптической системы и стандартного контактного плетизмографа при венозной окклюзии. Было продемонстрировано, что обе системы синхронно регистрируют моменты начала и конца окклюзии. При этом обе системы показали линейный рост сигнала после начала окклюзии, вероятно связанный с линейным во времени увеличением объёма крови в венах при их окклюзии. Были также проведены предварительные измерения динамики ФПГ сигнала в ответ на общую гипотермию при одновременной регистрации изменений кровотока стандартным контактным плетизмографом. Было установлено, что относительное уменьшение скорости возрастания сигналов в ответ на холодовой стресс является одинаковым. Это позволяет сделать вывод о возможности использования бесконтактной системы на основе двумерной ФПГ для измерения относительных изменений параметров сердечно-сосудистой системы человека при физиологических тестах. Ссылка на интернет-страницу на сайте Университета ИТМО: http://irc.ifmo.ru/ru/87797/res_dir/17393/issledovaniya_osobennostey_krovosnabzheniya_na_osnove_metoda_dvumernoy_otrazhatelnoy_fotopletizmografii.htm