Основные результаты выполнения проекта

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 (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, питающих каждый отдельный участок коры. 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.

As part of the tasks of the first year (2025) of this project, a new algorithm for processing video frames recorded synchronously with an electrocardiogram (ECG) was developed, which significantly increased the signal-to-noise ratio when estimating the amplitude of the pulse component (APC) and the pulse arrival time (PAT) in the method of imaging photoplethysmography (IPPG). The algorithm includes the following steps: (1) digital image stabilization in each segment of the frame using the gradient method (optical flow) with the calculation of intensity gradients for each cardiac cycle; (2) assessment of the spatial distribution of APC during each cardiac cycle, the duration of which and their position in time are determined by R-peaks of a synchronously recorded ECG; (3) calculation of APC and PAT parameters consecutively in each cardiac cycle to quantify the dynamics of blood supply with high spatial and temporal resolution. The developed algorithm can be readily adapted to assess the parameters of blood supply to various organs in both humans and animals, in particular, rats, whose heart rate is 6-7 times higher than in humans. The algorithm was used to calculate a database with IPPG-data records on the faces of 11 patients with systemic lupus erythematosus and 13 practically healthy volunteers of comparable age. Its application allowed us to detect pathological changes in microcirculation in patients that were inaccessible during visual examination by a doctor, which is currently a generally accepted diagnostic method. Therefore, the IPPG method makes it possible to identify hidden changes in the microcirculatory bed and can claim to be an objective instrumental criterion of the disease for its early diagnosis.

Also, as part of the project, a multimodal measurement system was developed, manufactured, debugged and tested, providing the collection, storage, visualization and analysis of information about the studied physiological parameters during animal experiments. In particular, the system provides end-to-end, hardware-software synchronization of video recordings of the cerebral cortex, electrocardiogram, blood pressure, concentration of carbon dioxide in exhaled air, and blood-flow parameters in the middle cerebral artery of animals (rats). The key element of the system was the IPPG module, developed and implemented by our group, taking into account the requirements for spatial resolution and high sensitivity to small changes in the optical intensity returned from the tissue under study. The system has a scalable architecture and provides stable recording lasting up to 12 hours without data loss and with stable synchronization of all modules. Operational capability of the system was experimentally confirmed in a study of the effects of temporary clipping of the carotid artery on cerebral blood supply and systemic hemodynamic parameters, which was carried out on 9 rats. Thanks to the use of the developed synchronization system, this study was the first to identify markers of changes in cerebral blood supply assessed by the means of the contactless IPPG method and explain their relationship with changes in systemic physiological parameters. The mechanism of formation of changes in the APC pattern is explained as a result of a lack of blood supply to deep and superficial cerebral arteries of different calibers due to a sharp disruption in blood flow and the development of acute cerebrovascular insufficiency. It has been shown that by receiving optical information from the visible surface of the cerebral cortex, we can judge changes in blood flow in deeply located arteries feeding each individual area of the cortex. This is confirmed by the pronounced lateralization of change in the parameter APC during unilateral clipping of the right common cerebral artery, when a statistically significant decrease in APC is observed on the occlusion side, while this parameter remains statistically unchanged in the contralateral hemisphere. The data obtained can serve as an experimental justification for the future implementation of the IPPG method in neurosurgical practice as a method for monitoring cerebral perfusion during temporary arterial occlusion.