Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках выполнения задач первого года (2021) данного проекта было проведено сравнение информативности и диагностической ценности двух методов прямой оценки вазомоторной реактивности кровеносной системы во время холодового теста: (а) бесконтактной фотооптической окклюзионной плетизмографии на базе визуализирующей ФПГ и (б) воздушной окклюзионной плетизмографии по Dohn. Сравнение методов проводилось при исследовании больных сахарным диабетом с синдромом диабетической стопы и в группе здоровых добровольцев. При одновременной регистрации изменений кровотока обоими методами было выявлено, что вазомоторные реакции, оцениваемые с помощью воздушной и фотооптической окклюзионной плетизмографии, хорошо согласуются между собой. При этом значение вазоконстрикторного ответа на холодовой стресс, полученное у больных сахарным диабетом с помощью метода как воздушной, так и фотооптической плетизмографии, было достоверно ниже, чем в контрольной группе. Кроме того, было показано, что величины холодовой вазоконстрикции, измеренные обоими методами, коррелируют друг с другом, свидетельствуя о физиологически схожем значении показателей. Также было проведено сопоставление вазомоторной реактивности верхних и нижних конечностей при системном рефлекторном ответе на различные стимулы, которое ранее являлось нерешенной задачей. Использование двух установок визуализирующей ФПГ позволило провести одномоментную оценку реактивности кожно-мышечных сосудов верхних и нижних конечностей, причем измерения проводились как у больных сахарным диабетом с синдромом диабетической стопы, так и в группе контроля. В результате показано, что в обеих группах холодовая вазоконстрикция нижних конечностей существенно ниже, чем в верхних, и при этом нет связи между степенью ее выраженности ни в норме, ни у больных с нарушением автономной регуляции. Полученные данные, с одной стороны говорят о снижении вазомоторной реактивности в ответ на холодовой стресс у пациентов с диабетической автономной нейропатией, а с другой показывают различия в регуляции кровообращения в области предплечья и голени. Кроме того, стала очевидна эффективность использования метода фотооптической окклюзионной плетизмографии на базе визуализирующей ФПГ для оценки вазомоторной реактивности в области нижних конечностей. Наряду с исследованиями холодовой вазоконстрикции, была проведена оценка применимости метода фотооптической окклюзионной плетизмографии для измерения реактивности кожно-мышечного кровотока в ответ на деактивацию кардиопульмональных барорецепторов. С этой целью были проведены оценки динамики кровотока у больных с терминальной хронической сердечной недостаточностью (ХСН) до и после трансплантации сердца, используя одновременно системы воздушной и фотооптической плетизмографии. Деактивация кардиопульмонального барорефлекса проводилась в специальной камере для нижней половины туловища при разряжении до 10 мм рт. ст. Исследования показали, что у пациентов с терминальной ХСН наблюдалось значительное снижение вазомоторной реактивности в ответ на деактивацию кардиопульмональных барорецепторов по данным обеих методик по сравнению с группой контроля. Более того, было выявлено, что величины вазомоторного компонента КПБР, оцениваемого с помощью бесконтактной фотооптической и классической воздушной окклюзионной плетизмографии, сопоставимы и коррелируют между собой. На данном этапе были проведены пилотные исследования оценки кровотока с помощью метода визуализирующей ФПГ в области нижних конечностей у больных с окклюзирующими заболеваниями сосудов нижних конечностей. Целью данных исследований являлась оценка возможности использования метода визуализирующей ФПГ для повышения эффективности диагностики показаний к оперативному лечению таких больных в дополнение к клиническим данным и визуализирующим методам, отражающим анатомические особенности сосудистого русла или основанным на оценке линейной скорости кровотока. Пространственное распределение временных и амплитудных показателей пульсовой волны, а также симметричность кровотока в пределах одной или двух конечностей могут указывать на регионы с максимальным снижением кровотока. В ходе оценки чувствительности визуализирующей ФПГ для выявления гемодинамически значимого поражения сосудов было обнаружено, что у пациентов c верифицированным облитерирующим атеросклерозом артерий нижних конечностей наблюдается зашумленность формы ФПГ волны в дистальных отделах, а также существенное отличие в перфузии правой и левой конечности. С другой стороны, у пациента после оперативного лечения тромбоза наружной подвздошной, общей и поверхностной бедренных артерий, были выявлены сопоставимые характеристики кровотока в оперированной и интактной нижней конечности, что позволяет заключить об успешности проведенной операции. Таким образом, пилотные исследования продемонстрировали возможность визуализирующей ФПГ системы различать области конечности с нарушенной и сохранной перфузией. В рамках настоящего этапа также было показано важное значение метода визуализирующей фотоплетизмографии для мониторинга перфузии сосудов и оценки функционального резерва мозгового кровотока в условиях хирургического вмешательства. С этой целью измерена динамика изменений параметров ФПГ в ответ на гиперкапнию в условиях открытого и закрытого черепа животных (крыс) при различной продолжительности гиперкапнии с использованием воздуха с 5% содержанием CO2. В результате проведённых исследований были выявлены разнонаправленные изменения гемодинамических параметров в зависимости от состояния черепа. Если после трепанации черепа системное артериальное давление (АД) и амплитуда пульсаций крови (АПК) снижались (что обусловлено системной вазодилатацией в ответ на гиперкапнию), то у животных с закрытым черепом в течении 60 секунд наблюдалось повышение обоих показателей, что, вероятно, обусловлено рефлексом Кушинга. При этом во всех группах животных величина АПК определялась величиной АД, на что указывала сильная корреляционная связь между этими показателями. Вместе с тем, было найдено, что изменения АПК обратно пропорциональны изменению регионального периферического сосудистого сопротивления (РПСС), а снижение РПСС развивается в процессе гиперкапнии вне зависимости от состояния черепа. На основе проведенных исследований разработана методика оценки функционального резерва мозгового кровотока, позволяющая проводить таковую оценку при любых изменениях системного артериального давления в ответ на гиперкапнию. Для выяснения возможности интраоперационной оценки перфузии крови в органах брюшной полости были проведены пилотные исследования с использованием визуализирующей ФПГ, включая операции с применением лапароскопических технологий. Использованный лапароскопический зонд, включающий в себя элементы визуализирующей ФПГ, позволял осуществлять доступ в брюшную полость через стандартные хирургические порты. Пилотные исследования разработанной системы бесконтактной визуализации перфузии органов были проведены во время четырёх операций по поводу рака желудка. Количественная оценка перфузии крови проводилась в регионах предполагаемой резекции. Эти эксперименты продемонстрировали принципиальную возможность использования лапароскопической системы ФПГ для визуализации и количественной оценки кровоснабжения тканей во время хирургических операций, однако система требует существенной доработки. Также были проведены интраоперационные исследования на открытой брюшной полости для изучения фундаментальных физиологических процессов, влияющих на модуляцию оптического сигнала. Для обработки изображений мы разработали новый алгоритм, позволяющий извлекать информацию о пульсациях крови на фоне значительных смещений и изменений морфологии исследуемых тканей вследствие дыхания и перистальтики. В общей сложности была проведена запись 12 различных хирургических случаев, требующих реконструкции различных органов с последующим анастомозированием. Успешная визуализация и количественная оценка перфузии органов с использованием визуализирующей системы ФПГ была достигнута у всех 12 пациентов. При этом качественные оценки характеристик данных областей тканей совпадали с экспертной оценкой хирурга, проводившего операцию: областям с большей АПК соответствовала область тканей, обозначенная хирургом как здоровая, а области с низким уровнем сигнала по его мнению подлежали удалению. Ссылка на интернет-страницу на сайте института автоматики и процессов управления ДВО РАН: https://iacp.dvo.ru/resources/fileman/Uploads/results_projects/21-15-00265.pdf

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе второго (2022 г.) этапа выполнения Проекта продолжены работы по 5 направлениям исследований, выполнение которых обеспечивает достижение целей Проекта в целом. Ниже описаны проделанные работы и полученные результаты по каждому из этих направлений. 1. Изучение взаимодействия света с сосудами головного мозга и разработка методов мониторинга жизнеспособности коры головного мозга во время нейрохирургических операций. Проведены пилотные эксперименты по интраоперационной визуализации распределений кортикального кровотока с целью оценки функционального резерва сосудов головного мозга. Исследования проведены в ходе 2 операций на пациентах с атеросклеротической окклюзией внутренней сонной артерии и ишемическими инсультами. Анализ данных ВФПГ показал, что операция реваскуляризации приводит к восстановлению путей кровоснабжения мозга. Были идентифицированы 2 новых оптических маркера адекватности кровоснабжения: изменчивость формы импульса ФПГ и время прохождения пульсовой волны. Планируется продолжение работ в данном направлении. Дополнительно была выполнена валидация ВФПГ как метода, позволяющего изучать сосудистые механизмы формирования цефалгий в условиях индуцированной нитроглицерином сенсибилизации тригемино-васкулярной системы в эксперименте на животных. Выполнена серия экспериментов на 25 взрослых самцах крыс линии Вистар, 12 из которых получали терапию суматриптаном. Показано, что у группы с терапией наблюдалось снижение тонуса артериальных сосудов, тогда как в группе без терапии у 50% животных тонус повышался, а у других - понижался, хотя у всех наблюдалось стойкое снижение артериального давления. Полученные результаты показали высокий потенциал использования ВФПГ для надежных измерений отклика церебрального кровотока на функциональные воздействия. 2. Разработка и исследование методов оценки параметров кровотока в полостных органах методом ВФПГ с использованием фибро- и эндоскопии при полостных операциях. Проведены сравнительные исследования по интраоперационной визуализации и количественной оценке кровоснабжения органов желудочно-кишечного тракта системой ВФПГ и системой флуоресцентной ангиографии на базе индоцианина зелёного (ICG) во время 8 абдоминальных операций по поводу онкологических заболеваний органов брюшной полости. Показано высокое соответствие данных о распределении перфузии в области хирургического вмешательства, полученное с помощью обоих методов. Было показано, что система ВФПГ более предпочтительна в операционных условиях, чем ICG-ангиография, благодаря своей простоте, низкой стоимости и отсутствию необходимости в инъекциях каких-либо агентов. Кроме того, сравнение данных ФВПГ и ICG-ангиографии подтвердило альтернативную физико-физиологическую модель формирования сигналов ФПГ, предложенную нашей группой в 2015 году, что позволило нам продвинуться в фундаментальном понимании процессов взаимодействия света с сосудистой системой in vivo. С целью применения разработанных подходов в малоинвазивной хирургии разработан лабораторный макет лапароскопической системы визуализации перфузии в органах брюшной полости, позволяющей осуществлять регистрацию видеопоследовательностей в широком угле обзора и с увеличенной освещенностью. Проведены пилотные испытания разработанной системы во время операций, подтвердившие её работоспособность. Планируется продолжение работ по усовершенствованию конструкции лапароскопического зонда и увеличению массива экспериментальных данных. 3. Создание и исследование новых методов оценки микроциркуляции кожных покровов при различных патологиях методом ВФПГ. Разработан метод оценки сосудистой дисфункции у больных с высоким кардиометаболическим риском, основанный на анализе параметров ВФПГ сигнала (амплитуда пульсаций, время распространения и форма пульсовой волны), оцененных в ходе функционального теста с локальной гипертермией. Разработаны 2 лабораторных макета для измерения перфузии тканей в области предплечья во время контролируемого локального нагрева, включая необходимое программное обеспечение. Выполнено пилотное исследование в группе из 44 испытуемых, состоящей из 22 человек с длительным стажем курения и 22 некурящих добровольцев. Показано, что отклик амплитуды пульсаций кровотока на контролируемый нагрев является двухфазным: аксон-рефлекс и вазодилатация, обусловленная выработкой NO. Однако статистически значимая разница в энергии эндотелиальных колебаний между группами курильщиков и некурящих наблюдалась только в фазе NO-зависимой вазодилатации, что свидетельствует о снижении функции эндотелия у курильщиков. Таким образом, продемонстрирована эффективность разработанного метода для выявления и оценки эндотелиальной дисфункции. 4. Разработка и исследование нового метода микро-фотоплетизмографии (микро-ФПГ), объединяющего принципы видео-капилляроскопии и ФПГ для задач анализа состояния капиллярного русла на произвольных участках тела. Разработан и реализован лабораторный макет системы микро-ФПГ для оценки гемодинамических параметров отдельных функционирующих капилляров на произвольных участках тела, а также необходимое для него программное обеспечение. Проведены пилотные эксперименты по визуализации изменения капиллярного кровотока при различных функциональных тестах: у 5 добровольцев при гипертермическом тесте на предплечье, у 4 – при гипертермическом тесте на голени, у 1 – при венозной окклюзии на предплечье. Оценивалось количество функционирующих капилляров, его изменение в ходе теста, скорость движения эритроцитов в капиллярах, а также перфузия ткани в области наблюдения (1 кв. мм). Полученные результаты демонстрируют работоспособность созданной системы микро-ФПГ при визуализации и оценки гемодинамических параметров отдельных функционирующих капилляров. Планируется продолжение исследований в этом направлении. 5. Разработка и исследование новых методов оценки системной вазомоторной регуляции на основе оптической окклюзионной плетизмографии (ООПГ). Разработан протокол оценки нейрогенной вазомоторной регуляции кровоснабжения, включающий оценку реактивности сосудов предплечья методом ООПГ с использованием системы визуализирующей фотоплетизмографии (ВФПГ). Выполнено исследование 45 пациентов с терминальной хронической сердечной недостаточностью до и после трансплантации сердца. Для верификации получаемых результатов использовался традиционный метод воздушной окклюзионной плетизмографии. Показана корреляция результатов, полученных обоими методами, при этом метод ООПГ характеризуется достоверно меньшим количеством артефактов, т.е. является более надежным, чем традиционный метод. Также проведено пилотное исследование, направленное на разработку метода оценки функционального резерва сосудов нижних конечностей в группе здоровых добровольцев на основе ООПГ. Выполнено исследование динамики параметров, измеряемых системой ВФПГ в функциональной пробе с реактивной гиперемией, у 5 добровольцев. Показано, что разработанный метод позволяет получать однородные воспроизводимые данные при оценке кровотока голени, а проба с реактивной гиперемией продемонстрировала увеличение угла наклона плетизмографической кривой, соответствующий приросту кровотока в нижней конечности, что является эквивалентом оценки функционального резерва кровотока. Метод перспективен для диагностического применения у пациентов с окклюзирующими заболеваниями сосудов нижних конечностей для оценки функционального резерва в качестве одного из критериев принятия решения оперативного лечения. Ссылка на интернет-страницу на сайте института автоматики и процессов управления ДВО РАН: https://www.iacp.dvo.ru/science/projects/2287/2288/211500265

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе третьего (2023 г.) этапа выполнения Проекта были проведены расширенные исследования по визуализации и количественной оценке параметров церебрального кровотока во время нейрохирургических операций на головном мозге. Исследование осуществлялось с помощью лабораторного прототипа мультимодальной системы визуализирующей фотоплетизмографии (ВФПГ) в ФГБУ "Северо-Западный окружной научно-клинический центр имени Л.Г. Соколова ФМБА". Измерения параметров церебрального кровотока выполнено в ходе 27 открытых операций на головном мозге, включая 17 операций по резекции опухоли, 6 операций клипирования аневризм артерий и 4 операции по реваскуляризации сосудов головного мозга у больных с атеросклерозом. Видеозапись всей открытой области головного мозга при подсветке зеленым светом проводилась в течение 60-70 секунд не менее двух раз: после вскрытия твердой мозговой оболочки и перед наложением швов в конце основного этапа вмешательства. Расчёт пространственного распределения параметров церебрального кровотока выполнялся по окончании записи с помощью специально разработанного программного обеспечения. Были оценены нормализованная амплитуда пульсации (APC) сигнала ВФПГ и время прохождения импульса (PTT) от сердца до исследуемой области коры головного мозга. Выводы о характере перестройки регионарного кровотока делались на основе сравнения карт распределения параметров кровотока до и после хирургической манипуляции. Теоретический анализ предсказывает, что увеличение параметра APC определяется уменьшением тонуса артериальных сосудов, приводящих к увеличению объёма крови, протекающей через сосуд. Параметр PTT отражает скорость распространения пульсового колебания по сосудам и является более чувствительным маркером ишемических / перфузионных изменений в анализируемом участке мозга, чем АРС. Снижение PTT свидетельствует об ускорении кровотока вследствие перестроек локальной гемодинамики, например, закрытия шунтов или изменения коллатерального кровоснабжения. Таким образом, мы сформулировали ожидаемые изменения исследуемых параметров перфузии, измеряемых с помощью ВФПГ, в ответ на реконструктивное воздействие на кровоснабжение исследуемой области. Проведённые исследования показали, что мультимодальный метод ВФПГ позволяет надёжно регистрировать изменения кровоснабжения коры головного мозга во время нейрохирургических операций. В частности, при операциях по клипированию аневризмы в трёх случаях зарегистрировано увеличение индекса APC, а в пяти - уменьшение PTT, что ассоциируется с улучшением кровоснабжения исследуемой области. Аналогичные изменения кровотока наблюдались и у пациентов, перенесших операцию по удалению опухоли головного мозга: значимое увеличение APC в 11 случаях из 15 и снижение PTT в 8 случаях. Также установлено, что, несмотря на длительное смещение участка мозга во время доступа к аневризме или опухоли, не наблюдалось значимого ухудшения параметров перфузии головного мозга после прекращения тракции, что подтверждало относительную безопасность данной манипуляции. В ходе данного этапа проекта был разработана, изготовлена и протестирована в клинических условиях лапароскопическая визуализирующая фотоплетизмографическая система. Получены данные исследования по визуализации и количественной оценке изменения кровоснабжения органов у 9 пациентов с раком желудка или колоректальным раком, которые были прооперированы с использованием малоинвазивных методов лечения (лапароскопической резекции опухоли). При этом оценка перфузии органов внутри брюшной полости с помощью ВФПГ лапароскопа была проведена на различных этапах операции: во время подготовки участка кишечника к резекции, после наложения анастомоза или во время физиологических тестов. Во всех исследованных случаях разработанная система позволила успешно визуализировать пространственное распределение параметров кровотока тканей внутри брюшной полости и оценить их перфузию. Мы впервые продемонстрировали явление фармакологического усиления градиентов перфузии при системном введении норадреналина, что приводит к увеличению градиента между хорошо и плохо перфузируемыми участками толстой кишки, который является основным критерием, используемым хирургом при выборе линии резекции и наложения анастомоза. Кроме того, была продемонстрирована хорошая воспроизводимость визуализации и количественной оценки перфузии органов внутри брюшной полости. В рамках данного проекта был также разработан и апробирован новый метод оценки эндотелиальной функции путём измерения динамики перфузии верхней трети предплечья в ответ на локальное нагревание кожи до 42 °C. Исследования с использованием мультимодальной системы ВФПГ были проведены в частном учреждении здравоохранения «Центральная клиническая больница «РЖД-Медицина», Владивосток» и в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН у пациентов с длительным стажем курения и клинически подтверждённой артериальной гипертензией по сравнению с группой контроля. В исследование было включено 17 курящих добровольцев, 20 пациентов с гипертонической болезнью и 21 практически здоровых и некурящих мужчин сопоставимого возраста. Было выявлено, что у курильщиков наблюдается значимо меньшее (p = 0,005) возрастание колебаний кровотока, связанных с активностью эндотелия в полосе частот 0,01 – 0,02 Гц в ответ на локальное нагревание, чем в контрольной группе. У пациентов с гипертонической болезнью в ходе сравнительного анализа было выявлено достоверное различие в увеличении индекса перфузии (p = 0,04) в первой фазе отклика на нагрев по сравнению с контролем. Также было проведено исследование параметров кровотока в области лица у пациентов с аутоиммунными заболеваниями: 18 больных системной красной волчанкой (СКВ) и 10 больных системной склеродермией в сравнении с 18 здоровыми добровольцами. Все обследованные были женщинами, сопоставимыми по возрасту. Для визуализации и последующей оценки параметров кровотока использовался ВФПГ модуль, состоящий из светодиодного осветителя и видеокамеры, синхронизованной с цифровым электрокардиографом. Установлено, что РТТ значимо выше, а АРС значимо ниже у больных склеродермией, чем у здоровых. Кроме того, была подтверждена асимметричность параметров кровотока на правой и левой части лица у больных склеродермией, отмеченная в ранее выполненной нашей группой работе. Исследования показали, что перфузия различных областей лица у больных с СКВ менее равномерна, чем у здоровых добровольцев, что может объясняться наличием фиксированной эритемы. Вместе с тем было показано, что более высокая степень активности заболевания (по индексу SLEDAI) приводит к более отчетливому снижению АРС и росту РТТ. В продолжении работы по созданию методики оценки функционального резерва сосудов нижних конечностей и выбора дальнейшей тактики ведения пациентов с облитерирующими заболеваниями были проведены исследования реактивности кожно-мышечного кровотока голени методом окклюзионной плетизмографии с использованием ВФПГ у пациентов с тяжелым атеросклеротическим поражением сосудов нижних конечностей. Исследования проводились на базе ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова». Было обнаружено, что у пациентов с тяжелой окклюзией сосудов нижних конечностей наблюдаются достоверные различия реактивности кровотока по сравнению с группами здоровых добровольцев и пациентов с умеренным поражением сосудов, что имеет важное практическое значение для последующей разработки дифференцированных диагностических маркеров. Ссылка на интернет-страницу на сайте института автоматики и процессов управления ДВО РАН: https://www.iacp.dvo.ru/science/projects/2287/2288/211500265