Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Работы на данном этапе проекта были посвящены продолжению фундаментальных исследований взаимодействия света с живой биологической тканью и разработке на их основе новых неинвазивных методов оценки параметров микроциркуляции кровотока. На предыдущем этапе проекта (2017 г.) при исследовании реакции кожного кровотока на аппликацию перцового пластыря нами было обнаружено, что содержащийся в пластыре капсаицин приводит к возрастанию амплитуды пульсаций крови (АПК) в капиллярном слое, причём это возрастание более, чем в 20 раз превышает сопутствующее и хорошо известное покраснение кожи. Данные наблюдения не находят объяснений в рамках существующих теорий, описывающих взаимодействие света с микро-сосудистым руслом. Тем не менее, сам факт значительного изменения АПК при функциональном тесте демонстрирует его значимость как нового параметра, способного описать изменения перфузии крови в капиллярного русле. С целью дальнейшего выяснения связи АПК с параметрами перфузии крови был проведён комплекс исследований по измерению отклика пространственной ФПГ системы на различные физиологические тесты. Была разработана новая лабораторная установка для исследования параметров микроциркуляции методом высокоскоростной видеокапилляроскопии при одновременном измерении параметров ФПГ сигнала на микроуровне. Сопоставление данных капилляроскопии и пространственной ФПГ позволило обнаружить модулирующее влияние пульсации скорости эритроцитов на формирование ФПГ сигнала, что даёт толчок к разработке новой модели взаимодействия света с живой тканью. С помощью разработанной установки проведены предварительные исследования влияния локального нагрева кожи на параметры циркуляции крови в капиллярах ногтевого ложа. Показано, что нагрев кожи всего на 3 градуса приводит как к увеличению средней скорости эритроцитов в капиллярах, так и к большей амплитуде модуляции скорости на частоте сердцебиений. При этом наблюдался рост амплитуды переменной составляющей ФПГ сигнала, который хорошо коррелировал с ростом средней скорости эритроцитов в капиллярах, что подтверждает взаимосвязь АПК и основного параметра кровотока в капиллярах. Параллельно были проведены исследования влияния локального нагрева на параметры капиллярного кровотока в области лба у 22 здоровых добровольцев. Было обнаружено, что наложение прозрачного теплового компресса, приводящего к увеличению температуры кожи лба на 4 – 5 градусов, увеличивает АПК в 2 – 3 раза. При этом у всех испытуемых за резким первоначальным возрастанием АПК следовало его значительное уменьшение в последующие 1 – 2 минуты несмотря на постоянство температуры кожи, измеряемой контактной термопарой. Данный эксперимент показывает, что значение амплитуды сигнала ФПГ зависит от температуры кожи, но эта зависимость является неоднозначной и нелинейной. Мы предполагаем, что наблюдаемая динамика АПК отражает процессы терморегуляции в коже. На 13 добровольцах проведены сравнительные измерения реактивности скорости объёмного кровотока и параметров ФПГ сигнала во время венозной окклюзии при тесте на общую гипотермию. На основе полученных данных уточнена модель формирования ФПГ сигнала на предплечье во время венозной окклюзии. Выдвинуто предположение, что сигнал ФПГ формируется за счёт увеличения поглощения зеленого света в послекапиллярных сосудах и венулах, расположенных в поверхностных слоях кожи, вследствие развития венозной гиперемии из-за прекращения венозного оттока при создании окклюзии. Величина этого сигнала линейно увеличивается во времени, и скорость его увеличения пропорциональна объемной скорости кровотока в поверхностном слое дермы. Высокая корреляция сигналов, получаемых разработанным нами оптическим методом и стандартным методом окклюзионной плетизмографии с использованием воздушного онкометра делает возможным разработку бесконтактного устройства, которое может использоваться как для оценки сосудистого компонента нейрогенной регуляции кровообращения, так и состояния сосудов верхних и нижних конечностей при таких социально значимых заболеваниях как сахарный диабет, облитерирующий атеросклероз и варикозная болезнь вен нижних конечностей. Для проведения экспериментов, нацеленных на выяснение факторов, влияющих на время распространения пульсовой волны по кровеносным сосудам, была разработана и изготовлена новая усовершенствованная система ФПГ, работающая на двух длинах волн (525 и 750 нм). В отличии от предыдущих версий, данная система позволяет непрерывную (до нескольких часов) запись информации с обеих камер с покадровой синхронизацией между камерами и с сигналами ЭКГ. С использованием разработанной системы ФПГ продолжено обследование пациентов с гипертонической болезнью на разных стадиях заболевания. Всего было обследовано 60 пациентов с гипертонической болезнью и 109 человек без заболеваний системы кровообращения, составившие группу контроля. Установлено, что с возрастом наблюдается небольшое, но достоверное нарастание амплитуды пульсации крови. Наличие же гипертонической болезни существенно увеличивает АПК, начиная со второй стадии, когда наблюдаются поражения органов мишеней и ассоциированные клинические состояния. При этом выраженность прироста амплитуды пульсаций связана со снижением диастолического давления, которое наблюдается при прогрессивном снижении комплаентности артерий. Разработанная система ФПГ была использована для исследования особенностей капиллярного кровотока у 18 пациентов с доказанной склеродермией в лимитированной и диффузной формах. Контрольную группу составили 45 здоровых добровольцев. Было обнаружено, что у больных со склеродермией наблюдаются существенные отклонения показателей ФПГ, заключающиеся в снижении АПК, повышении асимметрии этого параметра и вариабельности формы сигнала ФПГ. Кроме того, наблюдается значительное повышение вариабельности времени задержки пульсовой волны по сравнению с сопоставимой по возрасту группой контроля. Эти данные дают предпосылки для разработки новой бесконтактной технологии инструментальной экспресс-диагностики проксимальной склеродермии, не имеющей аналогов в мире. Проведён анализ однонуклеотидного полиморфизма гена, контролирующего капсаицин-чувствительные TRPV1 рецепторы, в группах из 26 больных с мигренью и 45 здоровых добровольцев. В исследование были включены 18 пациентов с диагнозом эпизодическая мигрень и 8 пациентов с диагнозом хроническая мигрень. Обнаружено, что группа больных эпизодической мигренью существенно не отличается от контрольной группы по встречаемости генотипов AA, AG и GG, а группа хронической мигрени представлена только вариантами AA и AG. Эти результаты могут свидетельствовать о разной генетической детерминированности, определяющей развитие эпизодической или хронической форм мигрени и возможной роли TRPV1 рецепторов в хронизации мигрени. В результате исследований на данном этапе проекта была разработана новая модель взаимодействия зеленого цвета с кожными покровами, позволившая усовершенствовать качество обработки данных и расширить сферу применения пространственной ФПГ, включая расширение перечня нозологических форм, где может быть применена технология, а также регионов и тканей, в которых можно бесконтактно оценивать состояние микроциркуляции. 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 2019 году
В 2019 г. были проведены работы по модернизации системы записи локальной фотоплетизмографии под микроскопом. Пилотные исследования по отладке алгоритма обработки экспериментальных данных были выполнены на здоровых добровольцах. В ходе работы над системой усовершенствованы аппаратные и цифровые методы коррекции двигательных артефактов, внедрены методы повышения прозрачности кожи, что позволило визуализировать капилляры с движущимися эритроцитами. Разработан принципиально новый алгоритм обработки данных видеосъёмки кожи под микроскопом, позволяющий визуализировать пространственное распределение функционирующих кожных капилляров в различных участках тела (на предплечье, на щеке, на лбу). Описание новой системы визуализации капилляров и примеры визуализации опубликованы в журнале Biomedical Optics Express (Q1). Разработанный метод визуализации капилляров не имеет аналогов, поскольку обеспечивает их визуализацию за пределами ногтевого ложа и сетчатки. Данная методика открывает перспективы для его использования с целью диагностики ревматологических заболеваний. В рамках проекта у пациентов с системной склеродермией (ССД) была проведена апробация пригодности метода пространственной фотоплетизмографии (ФПГ) для идентификация этой болезни в проксимальных областях. В исследование были включены 19 пациентов с ССД и 21 здоровый испытуемый, у которых оценивалось пространственное распределение, амплитудные и динамические параметры фотоплетизмограммы, а также статистические характеристики этих параметров, характеризующих состояние капиллярного кровотока в области лица пациентов. После обработки 40-секундной видеозаписи изображений лица испытуемых, записанных при зелёном поляризованном освещении, с помощью специально разработанного программного обеспечения были получены следующие результаты. У больных ССД по сравнению с контрольной группой была достоверно увеличена вариабельность времени распространения пульсовой волны: 52 ± 47 мс против 24 ± 13 мс (Р = 0,01), была больше вариабельность формы пульсовой волны: 0,13 ± 0,07% против 0,09 ± 0,02% (P < 0,001), а также достоверно большая степень асимметрии амплитуды пульсации левой и правой половины лица, чем в контрольной группе: 17,7 ± 9,7 против 7,9 ± 5,0 (Р < 0,001). При этом была обнаружена связь ряда показателей с выраженностью органных поражений. Данные исследования подтвердили возможность использования метода пространственной ФПГ для диагностики проксимальной склеродермии. Полученные данные оформлены в виде статьи и направлены в редакцию журнала Physiological Measurement (Q2). У пациентов с синдромом Рейно, ассоциированным с системной красной волчанкой и анкилозирующим спондилоартритом, обследовавшихся по тому же самому протоколу, что и пациенты с ССД, не было выявлено показателей, характеризующих изменения амплитуды или формы пульсовой волны ФПГ. Однако было обнаружено, что по сравнению с группой контроля как в группе с системной красной волчанкой, так и у больных с анкилозирующим спондилоартритом величина времени распространения пульсовой волны имела отчетливую тенденцию к снижению (175 ± 47 мс против 158 ± 42 мс; p = 0,06 и 154 ± 51 мс; p = 0,08, соответственно). Выявленная тенденция указывает на системное влияние ревматологической патологии на характеристики сосудистой стенки и требует продолжения исследований в данном направлении. После анализа проведенных нами в 2018 г. исследований реакции кровотока в предплечье на венозную окклюзию была выполнена модернизация ФПГ системы и программного обеспечения, обеспечивающие бесконтактные измерения вариаций кровотока. В модифицированной системе вместо четырёх камер кругового обзора предплечья используется всего одна камера. Это существенно позволило упростить схему, повысить мобильность и быстродействие установки. Была создана модифицированная версия программного обеспечения, позволяющая визуализировать процесс записи в режиме реального времени, а также синхронизировать запись реакции сосудов в области верхней и нижней конечности. Также был оптимизирован алгоритм обработки полученных данных, что привело к значительному увеличению отношение сигнал/шум и сокращению времени обработки. Апробация новой модификации системы бесконтактного измерения реактивности кровотока проводилась в лаборатории автономной регуляции ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова» Минздрава России. Было обследовано 24 человека в возрасте от 18 до 64 лет. Венозная окклюзия создавалась одновременно в предплечье и голени автоматическим компрессором, способным в короткий срок (менее 1 сек.) поднять давление в воздушной системе на 60 мм рт.ст. Протокол измерений включал два этапа: на первом измерялась реакция кровеносной системы на венозную окклюзию в обычном состоянии, а на втором - в условиях глобальной гипотермии (холодовая проба). Окклюзия проводилась последовательно 4 раза, а затем вычислялось среднее значение этих измерений. За меру холодовой реактивности принималась относительная динамика тангенса угла наклона кривой изменения кровотока во время аппликации пакета со льдом. Было установлено, что снижение реактивности кровотока в ответ на холодовой стресс в предплечье несколько выше, чем в голени (34 ± 18% и 21 ± 14%, соответственно, p<0.05). Измерение холодовой вазоконстрикции имеет важное значение для диагностики синдрома диабетической стопы (СДС), поскольку этот параметр может снижаться у пациентов с этой болезнью. В связи с этим в рамках проекта было выполнено изучение этого показателя у 19 пациентов с болезнью сахарный диабет тип II с СДС, средний возраст которых составил 65,1 ± 7,8 года. Длительность заболевания у этих пациентов составила 17,4 ± 5,4 года. В ходе исследования было установлено, что у пациентов с СДС выраженность холодовой вазоконстрикции была меньше, чем в группе контроля как в области предплечья: 18 ± 14% против 34 ± 18%, p < 0,005, так и в области нижних конечностей: 8 ± 17% vs. 21 ± 14%, p < 0,01. При этом было установлено, что величина холодовой вазоконстрикции у больных с СДС была меньше в голени, чем в предплечье: (p < 0,05). Кроме того, было обнаружено, что величина вазоконстрикции в верхней конечности не коррелировала с вазоконстрикцей в нижней конечности как у здоровых добровольцев (r = 16, p > 0,05), так и у пациентов с СДС (r = 11, p > 0,05). Таким образом, модифицированная бесконтактная технология измерения реактивности кровотока с использованием пространственной ФПГ позволяет оценивать вазомоторную реактивность в области как верхней, так и нежней конечности, что дает возможность оценки нейрогенной реактивности в различных регионах. Результаты данного исследования были представлены на ежегодной конференции American Autonomic Society (30th international symposium on the autonomic nervous system, November 6-9, 2019: Wyndham grand Clearwater beach, Florida). В рамках исследования особенностей кровотока в коре головного мозга крыс был разработан экспериментальный протокол, предусматривающий анализ влияния висцеральной (безболезненной и болевой) и соматической (тактильной и болевой) стимуляции на амплитуду переменной составляющей сигналов ФПГ, а также сопоставление их с непрерывной одновременной регистрацией изменений артериального давления (АД). Измерения параметров коркового кровотока были проведены у 11 взрослых (8-14 недель) самцов крыс линии Wistar на базе Института фармакологии им. Вальдмана Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. Павлова. У наркотизированного животного видеозапись параметров двумерной ФПГ проводилась через твердую мозговую оболочку и после ее удаления во время висцерального и соматического раздражения. Было выявлено, что в ходе болевой стимуляции наблюдался отклик АД, который сопровождался противоположно направленной реакцией амплитуды пульсаций крови, измеренной системой ФПГ. Результаты данного исследования были представлены на международной конференции "International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering," Гранада, Испания, 8-10.05.2019 и опубликованы в журнале Frontiers in Neuroscience (Q1). В рамках проекта был разработан компактный ФПГ модуль, модифицированный для измерений динамики изменений коркового кровотока в условиях проведения открытой операции на головном мозге. В ходе серии парных (в исходных условия и во время гиперкапнической пробы) 40-секундных видеозаписей коры головного мозга при зеленом освещении были получены пространственные распределения амплитудных и временных параметров коркового кровотока. Эти распределения были получены до и после оперативного лечения у пациентов подвергшихся резекции опухоли и реваскуляризации средней мозговой артерии в связи с ее окклюзией. При этом была зарегистрирована динамика показателей, характеризующая изменения свойств кровотока, связанная с изменением регуляции сосудов при гиперкапнии и под влиянием оперативного воздействия. Выявленная динамика дает основание предполагать, метод пространственной ФПГ может быть использован как для интраоперационного мониторирования жизнеспособности коры головного мозга, так и для оценки функциональных свойств корковых сосудов. Данные результаты были доложены на международных научных конференциях “Optics and Photonics Days (OPD2019),” Хельсинки, Финляндия (27-29.05.2019) и “2019 Imaging and Applied Optics Congress,” Мюнхен, Германия (24-27.06.2019). На усовершенствованной светосильной установке для видеокапилляроскопии выполнены вычисления изменения скорости капиллярного кровотока при локальном нагреве пальцев рук. При этом зарегистрировано увеличение амплитуды переменной составляющей сигнала ФПГ, которое коррелирует с изменением средней скорости эритроцитов. С использованием этой же установки проведены предварительные исследования, направленные на изучение изменения теплового состояния человека и вклада в процесс терморегуляции микроциркуляции, изменение параметров которой не учитывается в современных экспериментальных исследованиях и численных моделированиях такого состояния. Исследования проводились при внешнем локальном нагреве участка кожи человека с помощью стеклянной пластинки с резистивным покрытием. Были проведены измерения плотности визуализированных капилляров и параметров ФПГ в области предплечья и лба при нагреве на 5 градусов Цельсия. Было показано, что средняя по полю наблюдения АПК возрастала в 15 раз, и одновременно наблюдалось значительное увеличение числа визуализируемых капилляров. Сделан вывод, что у здорового добровольца локальный нагрев сопровождается изменением плотности функционирующих капилляров и увеличением АПК. Следовательно, метод двумерной ФПГ может быть использован для оценки эндотелиальной функции. В ходе выполнения настоящего этапа был разработан и создан экспериментальный макет системы на основе метода двумерной двухдлинноволновой ФПГ, позволяющий бесконтактно исследовать параметры поверхностного кровотока путем параллельной регистрации сигналов ФПГ в зеленом и инфракрасном свете. Данное дополнение играет важную роль в планировании дальнейшей работы, так как позволяет проводить изучение пульсовых колебаний не только поверхностных капилляров сосочкового слоя, но и подлежащих сосудов дермы. Сравнение взаимодействия света разных длин волн с кровеносными сосудами с применением логистической функции позволит более эффективно моделировать физиологическую составляющую оптического сигнала. В прототипе модифицированной системы предусмотрен захват видео кадров с функцией отображения усредненного по всему кадру сигнала ФПГ, позволяющий контролировать и при необходимости регулировать яркость светодиодов отдельно на каждой длине волны излучения в зависимости от условий эксперимента и особенностей организма и исследуемой зоны. Модуль нагрева даст возможность автоматизировать оценку эндотелиальной функции и расширить исследовательский диапазон установки. Все это дополнено модернизированной программой обработки данных, позволяющей получать более достоверные результаты при динамических исследованиях параметров кровотока. Все запланированные исследования выполнены полностью. Информация о проекте доступна на сайте http://рнф.рф/prjcard/?rid=18-15-18003.