КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-15-00400
НазваниеИсследование взаимодействия света с сосудами коры головного мозга с целью разработки метода интраоперационной оценки церебральной перфузии во время нейрохирургических вмешательств
Руководитель Камшилин Алексей Александрович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография
Ключевые слова церебральный кровоток, визуализирующая фотоплетизмография, нейрохирургия,
Код ГРНТИ76.13.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Основной задачей хирурга при проведении нейрохирургических операций является не только лечение профильного заболевания, но и профилактика интра- и послеоперационных осложнений, что обеспечивает благоприятный исход хирургической интервенции и долгосрочное повышение качества жизни пациента. Частым операционным осложнением является развитие ишемических нарушений кровотока в функционально значимых отделах головного мозга, что приводит к появлению и нарастанию неврологического дефицита и может быть причиной неоправданной инвалидизации пациента. В этом контексте критически важно оценить кровоснабжение тканей головного мозга непосредственно во время оперативного вмешательства для принятия своевременного решения о хирургической тактике и дальнейшем ведении послеоперационного периода. Однако, несмотря на свою огромную важность, количественная оценка кровоснабжения мозга в режиме реального времени все еще остается нерешенной проблемой. Известные методы прямого и косвенного контроля церебрального кровотока (ультразвуковая допплерография, оценка перфузии с помощью компьютерной или магнитно-резонансной томографии, ICG-ангиография и др.) имеют свою специфику и трудно применимы в клинической практике для решения данной задачи. В связи с этим необходима разработка новых методов и подходов к оценке церебральной перфузии и особенно динамики ее изменений, для повышения хирургических результатов и безопасности операций.
Среди разнообразных оптических методов, предложенных для оценки параметров кровотока, система визуализирующей фотоплетизмографии (ВФПГ) выгодно выделяется простотой имплементации, поскольку требует лишь использования цифровой камеры и осветителя; однако серьёзным недостатком этой системы в её типичной конфигурации является высокая чувствительность к артефактам движения. Для решения этой проблемы наша группа в 2016 г. предложила использовать мультимодальную систему ВФПГ, в которой изображения исследуемой биологической ткани записываются синхронно с электрокардиограммой (ЭКГ). Используя оригинальный алгоритм корреляционной обработки видеокадров и ЭКГ, мы первыми в мире (2020 г.) продемонстрировали возможность визуализации параметров кровотока одновременно по всей видимой области коры головного мозга во время различных нейрохирургических операций. Тем не менее, несмотря на явные преимущества мультимодальной ВФПГ+ЭКГ системы, существует ряд ещё не исследованных фундаментальных проблем по её использованию для решения конкретных задач, стоящих перед нейрохирургами во время проведения операций. При этом основной проблемой является отсутствие устоявшейся физико-физиологической модели, адекватно объясняющей соответствие параметров, измеряемых в ВФПГ+ЭКГ системе, с изменениями функциональных свойств церебральных сосудов. Именно решению этой проблемы и посвящен этот проект с акцентами на исследование формы пульсовой волны и её изменений, возможность количественной оценки которой является уникальной особенностью системы ВФПГ+ЭКГ.
Научная значимость и новизна проекта состоит в создании технического комплекса, протоколов применения и методов обработки и постобработки сигнала для интраоперационной визуализации церебральной перфузии на основе технологии ВФПГ, синхронизованной с электрокардиографией, которая предоставит хирургу уникальную возможность непрерывно получать объективную информацию о кровоснабжении головного мозга без необходимости введения пациенту контрастных препаратов и длительных перерывов на диагностические процедуры. Важной особенностью предлагаемого проекта является его актуальность с точки зрения долгосрочных научных задач и направлений. Углублённое понимание природы взаимодействия света с кровеносными сосудами также позволит существенно продвинуться в поиске и разработке совершенно новых, более эффективных методов диагностики нарушения кровообращения и последующего его мониторинга не только в нейрохирургии, но и в других направлениях медицины.
Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта будет являться разработка и методологическое обеспечение технического комплекса визуализирующей фотоплетизмографии, синхронизированной с электрокардиографией, позволяющей интраоперационно оценивать церебральную перфузию и выводить на экран монитора информацию, дающую возможность нейрохирургу диагностировать потенциально неблагоприятные перестройки кровообращения головного мозга. Результаты проекта будут превосходить мировой уровень.
В течение выполнения проекта будет достигнут ряд значимых научных результатов, которые выведут интраоперационный мониторинг церебрального кровотока на новый уровень практической применимости и эффективности:
1. Будут выявлены причинно-следственные связи между изменениями гемодинамики вследствие
функциональных воздействий (таких, как искусственная вазодилатация или механическое ограничение кровотока) с изменениями параметров, оцениваемых в системе ФВПГ+ЭКГ.
2. Будут получены конкретные характеристики изменений ВФПГ-сигнала при развитии церебральной гипо- и гиперперфузии.
3. Будут существенно расширены представления о физиологии и адаптационных возможностях
интракраниальной гемодинамики при различных стрессорных воздействиях;
4. Будут сформированы представления о патогенезе, вариантах моделирования и способах диагностики и лечения ряда сосудистых заболеваний головного мозга.
5. Будут предложены и разработаны новые алгоритмы и методы обработки сигналов системы ВФПГ+ЭКГ, позволяющие выводить на экран монитора в реальном времени наиболее важную для нейрохирурга оперативную информацию о динамике изменения кровоснабжении мозга.
6. Будет предложен новый метод предупреждения послеоперационных осложнений по сравнительному анализу картин распределения параметров, оцениваемых в системе ВФПГ+ЭКГ.
Высокая информативность метода и возможность его использования для диагностики и лечения широкого круга пациентов открывают обнадеживающие перспективы развития данного направления исследований и определяют их значимый масштаб, сочетающий фундаментальные и прикладные научные цели.
Возможность практического использования ожидаемых результатов проекта в экономике и социальной сфере:
Проект направлен на решение социально значимой проблемы – снижение смертности от осложнений после проведения нейрохирургических операций с высоким риском возникновения перестроек кровообращения. Создание системы для интраоперационной визуализации кровотока в сосудах головного мозга позволит снизить риск развития постоперационных осложнений у нейрохирургических пациентов и повысить их выживаемость, что соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках выполнения задач первого года (2025) данного проекта был разработан новый алгоритм обработки видеокадров, записанных синхронно с электрокардиограммой (ЭКГ), который позволил значительно увеличить отношение сигнал/шум при оценке амплитуды пульсовой компоненты (Amplitude of Pulsatile Component, АРС) и времени прихода пульсовой волны (РАТ) в методе визуализирующей фотоплетизмографии (ВФПГ). Алгоритм включает в себя следующие этапы: (1) цифровая стабилизация изображений в каждом сегменте кадра с помощью градиентного метода (optical flow) с расчетом градиентов интенсивности для каждого сердечного цикла; (2) оценка пространственного распределения АРС последовательно для каждого сердечного цикла, длительность которого и положение во времени определяется с помощью синхронно записанной ЭКГ; (3) вычисление параметров APC и PAT последовательно в каждом сердечном цикле для количественной оценки динамики кровоснабжения с высоким пространственным и временным разрешением. Разработанный алгоритм может быть легко адаптирован к оценке параметров кровоснабжения разных органов как у людей, так и у животных, в частности, крыс, у которых частота сердцебиения в 6-7 раз выше, чем у людей. Его апробация была проведена при расчете базы данных с записями ВФПГ на лицах 11 больных системной красной волчанкой и 13 практически здоровых добровольцев, сопоставимых по возрасту и позволила обнаружить у больных патологические изменения микроциркуляции, недоступные при общепринятом визуальном осмотре доктором. Соответственно, метод ВФПГ позволяет выявить скрытые изменения микроциркуляторного русла и может претендовать на роль объективного инструментального критерия заболевания для его ранней диагностики.
Также в рамках проекта была разработана, изготовлена, отлажена и испытана мультимодальная система измерений, обеспечивающая сбор, хранение, визуализацию и анализ информации об исследуемых физиологических параметрах во время экспериментов на животных. В частности, система обеспечивает сквозную, аппаратно-программную синхронизацию записей видео коры головного мозга, электрокардиограммы, артериального давления, концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе, и характеристик церебрального кровотока в средней мозговой артерии животных (крыс). Центральным элементом системы стал ВФПГ модуль, разработанный и реализованный силами нашей группы с учётом требований к пространственному разрешению и высокой чувствительности к малым изменениям оптической плотности исследуемой ткани. Система обладает масштабируемой архитектурой и обеспечивает устойчивую запись длительностью до 12 часов без потерь данных и со стабильной синхронизацией всех модулей. Эффективность работы системы экспериментально подтверждена в исследовании воздействия временного пережатия сонной артерии на церебральное кровоснабжение и системные параметры гемодинамики, проведённом на 9 крысах. Благодаря использованию разработанной системы синхронизации в этом исследовании были впервые идентифицированы маркеры изменения кровоснабжения головного мозга, оцениваемые с помощью бесконтактного метода ВФПГ, и объяснена их взаимосвязь с изменениями системных физиологических параметров. Впервые выявлен ВФПГ-маркер изменений кровоснабжения мозга в ответ на временное лигирование крупных артерий, который заключается в зависимом от степени суммарной блокады кровотока снижении параметра АРС в ответ на церебральную гипоперфузию и его быстром и значительном повышении при реактивной гиперперфузии. Объяснен механизм формирования изменений паттерна АРС как следствие нехватки кровенаполнения глубоких и поверхностных мозговых артерий разного калибра вследствие резкого нарушения притока крови и развития острой сосудисто-мозговой недостаточности. Доказана высокая чувствительность и информативность метода ВФПГ. Показано, что, получая оптическую информацию с видимой поверхности коры головного мозга, мы можем судить об изменениях кровотока в глубоко расположенных артериях. Это подтверждается выраженной латерализацией изменения параметра АРС во время одностороннего пережатия правой ОСА, когда на стороне окклюзии наблюдается статистически значимое уменьшение АРС, а в контралатеральном полушарии этот параметр остаётся статистически неизменным. Полученные данные могут служить экспериментальным обоснованием для будущего внедрения метода ВФПГ в нейрохирургическую практику как способа контроля церебральной перфузии при выполнении временной артериальной окклюзии.
Ссылка на интернет-страницу на сайте института автоматики и процессов управления ДВО РАН: https://iacp.dvo.ru/science/projects/2287/2288/251500400
Публикации
1. Подолян Н.П., Волынский М.А., Мамонтов О.В., Ромашко Р.В., Саковская А.В., Белавенцева А.В., Зайцев В.В., Камшилин А.А. Скрининг аутоиммунных заболеваний (на примере системной красной волчанки) с помощью метода визуализирующей фотоплетизмографии Известия Российской академии наук. Серия физическая (год публикации - 2026)
2. Камшилин, А.А., Подолян, Н.П. Оптические методы количественной оценки кровоснабжения тканей в клинических условиях: эксперимент и интерпретация Оптика и спектроскопия (год публикации - 2026)