Проект 21-15-00265 «Исследование состояния микроциркуляторного русла и механизмов регуляции кровообращения кожных покровов, головного мозга и внутренних органов методом бесконтактной визуализирующей фотоплетизмографии».

Руководитель проекта: Доктор физико-математических наук, Главный научный сотрудник лаборатории №24 ИАПУ ДВО РАН Камшилин Алексей Александрович

Исполнители проекта:
1. К.т.н. Волынский Максим Александрович
2. Д.м.н. Мамонтов Олег Викторович
3. К.ф.-м.н. Подолян Наталья Петровна
4. Зайцев Валерий Викторович
5. Белавенцева Анжелика Вадимовна
6. К.м.н Саковская Анастасия Владимирона
7. К.т.н Маргарянц Никита Борисович

Основные результаты выполнения проекта за 2021 год:

• 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 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.
• 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.
• 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.
• Проведены пилотные исследования оценки кровотока с помощью метода визуализирующей ФПГ в области нижних конечностей у больных с окклюзирующими заболеваний 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, симметричность кровотока в пределах одной или двух конечностей может 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.
• 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) снижалось (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 его оценку при любых изменения 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.
• Были проведены пилотные исследования разработанной системы бесконтактной визуализации перфузии органов во время 4 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.

На английском языке:

• As part of the fulfillment of the first-year tasks of the project, a comparison was made of the informativeness and diagnostic value of two methods for direct assessment of vasomotor reactivity of the circulatory system during a cold test: (a) noncontact photo-optical occlusive plethysmography based on imaging photoplethysmography (PPG) and (b) air occlusive plethysmography according to Dohn. Comparison of the methods was carried out in a study of patients with diabetes mellitus with diabetic foot syndrome and in a group of healthy volunteers. Simultaneous registration of changes in blood flow by both methods has revealed that vasomotor reactions, assessed by air and photo-optical occlusive plethysmography, are in good agreement with each other. At the same time, the magnitude of the vasoconstrictive response to stress assessed in patients with diabetes mellitus using both air and photo-optical plethysmography was significantly lower than in the control group. Moreover, it was shown that magnitudes of cold vasoconstriction, measured by both methods, correlate with each other, indicating physiologically similar values of the indicators.
• We also compared the vasomotor reactivity of the upper and lower extremities with a systemic reflex response to various stimuli, which was previously an unsolved problem. The use of two imaging PPG devices made it possible to simultaneously assess the reactivity of the musculocutaneous vessels of the upper and lower extremities, while measurements were carried out both in patients with diabetes mellitus with diabetic foot syndrome and in the control group. As a result, it was shown that in both groups the cold vasoconstriction of the lower extremities is significantly lower than in the upper ones, and there is no connection between the degree of its severity either in normal conditions or in patients with impaired autonomic regulation. The obtained data, on the one hand, indicate a decrease in vasomotor reactivity in response to cold stress in patients with diabetic autonomic neuropathy, and, on the other hand, show differences in the regulation of blood circulation in the forearm and lower leg. Therefore, the usefulness and efficiency of using the method of photo-optical occlusive plethysmography based on imaging PPG for assessing vasomotor reactivity in the lower extremities became obvious.
• Along with studies of cold vasoconstriction, the applicability of the method of photo-optical occlusive plethysmography for measuring the reactivity of musculocutaneous blood flow in response to deactivation of cardiopulmonary baroreceptors was evaluated. To this end, we assessed the blood-flow dynamics in patients with terminal chronic heart failure (CHF) before and after heart transplantation, using simultaneously air- and photo-optical plethysmographic systems. Deactivation of the cardiopulmonary baroreflex was carried out in a special chamber for the lower half of the body at a reduced pressure down to 10 mm Hg. Our study has revealed that in patients with terminal CHF, there was a significant decrease in vasomotor reactivity in response to deactivation of cardiopulmonary baroreceptors according to both methods compared with the control group. Moreover, it was found that the values of the vasomotor component of CPBR, assessed using non-contact photo-optical and classical air occlusive plethysmography, are comparable and correlated with each other.
• Pilot studies were carried out to assess blood flow using the method of imaging PPG in the lower extremities in patients with occlusive vascular diseases of the lower extremities. The goal of this study was to assess possibility of using the imaging PPG method to improve the diagnostic efficiency of indications for surgical treatment in such patients in addition to clinical data and imaging methods reflecting the anatomical features of the vascular bed or based on assessment of the blood-flow velocity. The spatial distribution of temporal and amplitude indicators of the pulse wave, the symmetry of blood flow within one or two limbs may indicate regions with the maximum decrease in blood flow. During the assessment of the sensitivity of the imaging PPG for detecting hemodynamically significant vascular lesions, it was found that in patients with verified obliterating atherosclerosis of the arteries of the lower extremities, noisy PPG waveforms are observed in the distal regions, as well as a significant difference in perfusion of the right and left extremities. In contrast, in a patient after surgical treatment of thrombosis of the external iliac, common and superficial femoral arteries, comparable parameters of blood pulsations in the operated and intact lower limb were found, which allows us to conclude that the operation was successful. Therefore, our pilot study has demonstrated feasibility of imaging PPG system to distinguish between leg's regions with compromised and unhampered perfusion. Within the framework of this stage, the importance of the imaging photoplethysmography method was also shown for monitoring vascular perfusion and assessing the functional reserve of cerebral blood flow during surgery.
• To this end, we measured the dynamics of changes in PPG parameters in response to hypercapnia under conditions of open and closed skulls of animals (rats) with different durations of hypercapnia using air with 5% CO2 content. As a result of the study carried out with 21 laboratory rats, multidirectional changes in hemodynamic parameters were revealed depending on the state of the skull. On the one hand, the systemic arterial pressure (BP) and the amplitude of blood pulsations (APC) decreased in animals with open skull, which is due to systemic vasodilation in response to hypercapnia. On the other hand, in animals with closed skull, an increase in both parameters was observed within 60 seconds, which is probably due to the Cushing reflex. At the same time, in all groups of animals, the value of APC was determined by the BP magnitude, which is confirmed by a strong correlation between these parameters. At the same time, it was found that changes in APC are inversely proportional to changes in regional peripheral vascular resistance (RPVR), while a decrease in RPVR was developing independently of the state of the skull in hypercapnia. On the basis of the experiments carried out, a method for assessing the functional reserve of cortical blood flow has been developed, which allows its assessment regardless of changes in systemic arterial BP in response to hypercapnia. To assess feasibility of intraoperative monitoring of blood perfusion in abdominal organs, pilot studies were carried out using imaging PPG, including operations using laparoscopic technologies. The used laparoscopic probe integrated with imaging PPG allowed access to the abdominal cavity through standard surgical ports.
• Pilot studies of the developed non-contact organ perfusion imaging system were carried out during 4 operations for gastric cancer. The quantitative assessment of blood perfusion was carried out in the regions of the proposed resection. These experiments have demonstrated feasibility of using the laparoscopic PPG system for visualization and quantitative assessment of tissue blood supply during surgical operations, however, the system requires significant improvement. Intraoperative studies were also performed in the open abdominal cavity to study the fundamental physiological processes that affect the modulation of the optical signal. To improve image processing, we have developed a new algorithm that allows us to extract information about blood pulsations against the background of significant displacements and changes in the morphology of the tissues under study due to respiration and peristalsis. A total of 12 different surgical cases requiring reconstruction of various organs followed by anastomosis were monitored. Successful visualization and quantification of organ perfusion using the imaging PPG system was achieved in all 12 patients. At the same time, the qualitative instrumental assessment of the characteristics of these tissue areas coincided with the expert assessment of the surgeon who performed the operation: areas with a larger APC corresponded to the tissue area designated by the surgeon as healthy, and areas with a low signal level, in his opinion, were to be removed.

1 – Зайцев В.В., Камшилин А.А., Кащенко В.А., Мачихин А.С. (Valery V. Zaytsev, Alexei A. Kamshilin, Viktor A. Kaschenko, Alexander S. Machikhin). Лапароскопическая фотоплетизмографическая система для оценки перфузии тканей при малоинвазивном операционном вмешательстве // Фотон-Экспресс (2021 г.)
2 – Камшилин А.А., Зайцев В.В., Лодыгин А.В., Кащенко В.А. (Alexei A. Kamshilin, Valery V. Zaytsev, Alexander V. Lodygin, Victor A. Kashchenko Imaging photoplethysmography as an easy-to-use tool for monitoring changes in tissue blood perfusion during abdominal surgery // Scientific Reports (2021 г.)
3 – Мамонтов О.В., Зайцев В.В., Камшилин А.А. Шляхто Е.В. (Oleg V. Mamontov, Valery V. Zaytsev, Alexei A. Kamshilin, and Eugeny V. Shlyakhto). Assessing vasomotor reactivity in patients with terminal heart failure after heart transplantation by contactless optical occlusive plethysmography // Clinical Autonomic Research (2021 г.)
4 – Волынский М.А., Мамонтов О.В., Осипчук А.В., Зайцев В.В., Соколов А.Ю., Камшилин А.А. (Maxim A. Volynsky, Oleg V. Mamontov, Anastasiia V. Osipchuk, Valery V. Zaytsev, Alexey Y. Sokolov, and Alexei A. Kamshilin). Study of cerebrovascular reactivity to hypercapnia by imaging photoplethysmography to develop a method for intraoperative assessment of the brain functional reserve // Biomedical Optics Express (2022 г.)

Основные результаты выполнения проекта за 2022 год:

• Изучено взаимодействие света с сосудами головного мозга и разработан метод 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.
• Проведена оценка 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.
• Создан и исследован новый метод 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.
• Разработан и исследован новый метод микро-фотоплетизмографии (микро-ФПГ), объединяющий 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. Была проведена оценка 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.

На английском языке:

• Study of the light interaction with cerebral vessels and development of methods for monitoring the viability of the cerebral cortex during neurosurgical operations. Pilot experiments on intraoperative visualization of cortical blood flow distributions were carried out aiming to develop a method of assessing the functional reserve of cerebral vessels. The studies were carried out during 2 surgeries on patients with atherosclerotic occlusion of the internal carotid artery and ischemic strokes. Analysis of the IPPG data showed that revascularization surgery leads to restoration of the blood supply pathways to the brain. Two new optical markers of the adequacy of blood supply have been identified: the variability of the PPG pulse shape and the the pulse wave travel time. We are planning to continue research in this direction. In addition, the validation of IPPG was performed as a method that allows studying the vascular mechanisms of cephalgia formation under conditions of nitroglycerin-induced sensitization of the trigeminal-vascular system in animal experiments. A series of experiments was carried out with 25 adult male Wistar rats, 12 of which received sumatriptan therapy. It was shown that in the group with therapy, there was a decrease in arterial vascular tone, whereas in the group without therapy, 50% of animals had increased tone, and in others - decreased, although all had a persistent decrease in systemic blood pressure. The results obtained have shown a high potential for the use of developed IPPG system for reliable measurements of the response of cerebral blood flow to functional tests.
• Development and research of methods for assessing the blood flow parameters in the abdominal organs by the IPPG method using fibro- and endoscopy during abdominal surgeries. Intraoperative imaging and quantitative assessment of blood supply to gastrointestinal organs was assessed by the developed IPPG system and compared with the fluorescent angiography system with indocyanine green (ICG) during 8 abdominal surgeries for oncological diseases of the abdominal cavity. The high correspondence of the data on the distribution of perfusion in the area of surgical intervention obtained using both methods is shown. It was shown that IPPG system is more advantageous than ICG angiography due to its simplicity, low cost and no need for any agent injections. Moreover, comparison of the IPPG and ICG-angiography data confirmed the alternative physico-physiological model of the PPG signals formation proposed in our group in 2015, which allowed us to advance in the fundamental understanding of the light interaction with the vascular system in-vivo. In order to apply the developed approaches in minimally invasive surgery, a laboratory model of a laparoscopic perfusion imaging system in the abdominal organs has been developed, which allows recording video sequences in a wide viewing angle and with increased illumination. Pilot tests of the developed system of a laparascope fused with IPPG were carried out during surgeries, which confirmed its operational capability. It is planned to continue work on improving the design of the laparoscopic IPPG probe.
• Development and research of new methods for assessing microcirculation of the skin in various pathologies using IPPG system. A method for assessing vascular dysfunction in patients with high cardiometabolic risk has been developed based on the analysis of the parameters of the IPPG signal (pulsation amplitude, propagation time, and pulse wave shape) evaluated during a functional test with local hyperthermia. A pilot study was carried out in a group of 44 subjects consisting of 22 people with long-term smoking experience and 22 non-smoking volunteers. It is shown that the response of the pulsation amplitude to controlled local heating is two-phase: axon reflex and vasodilation associated with the NO production. However, a statistically significant difference in the energy of endothelial oscillations between groups of smokers and non-smokers was observed only in the phase of NO-dependent vasodilation to demonstrate reduced endothelial function in smokers. By this way, the efficiency of the developed method for the detection and evaluation of endothelial dysfunction has been demonstrated.
• Development and research of a new method of microphotoplethysmography (micro-PPG), combining the principles of videocapillaroscopy and IPPG for the tasks of analyzing the state of the capillary bed in arbitrary areas of the body. A laboratory breadboard of the micro-PPG system was developed and implemented to assess the hemodynamic parameters of individual functioning capillaries in arbitrary areas of the body, as well as the necessary software for it. Pilot experiments were carried out to visualize changes in capillary blood flow due to various functional tests: five subjects with hyperthermic test on the forearm, four with hyperthermic test on the lower leg, and one with venous occlusion on the forearm. The number of functioning capillaries, its change during the test, the velocity of red blood cells in the capillaries, as well as tissue perfusion in the observation area (1 sq. mm) were evaluated. The results obtained have demonstrated the operational capability of the developed micro-PPG system for visualization and assessment of hemodynamic parameters of individual functioning capillaries. Continuing of the research in this direction is planned.
• Development and research of new methods for assessing systemic vasomotor regulation based on optical occlusal plethysmography (OOPG). A protocol for assessing neurogenic vasomotor regulation of blood supply has been developed, including assessment of the reactivity of forearm vessels by the OOPG method using a system of imaging photoplethysmography (IPPG). We studied 45 patients with terminal chronic heart failure before and after heart transplantation. To verify the results obtained, the conventional method of air-plethysmography was used. The correlation of the results obtained by both methods is shown, while the OOPG method is characterized by significantly fewer artifacts, i.e. it is more reliable than the conventional air-plethysmography method. A pilot study was also carried out aimed at developing a method for assessing the functional reserve of lower extremity vessels in a group of healthy volunteers based on OOPG. The dynamics of parameters was studied in a functional test with reactive hyperemia monitored by the IPPG system in 5 subjects. It is shown that the developed method makes it possible to obtain homogeneous reproducible data when assessing the blood flow of the lower leg. Moreover, the test with reactive hyperemia demonstrated an increase in the angle of inclination of the plethysmographic curve corresponding to an increase in blood flow in the lower limb, which is equivalent to an assessment of the functional reserve of blood flow. The method is promising for diagnostic use in patients with occlusive vascular diseases of the lower extremities to assess the functional reserve as one of the criteria for making a decision on surgical treatment.

1 – Кащенко В.А., Зайцев В.В., Ратников В.А., Камшилин А.А. (Victor A. Kashchenko, Valeriy V. Zaytsev, Vyacheslav A. Ratnikov, Alexei A. Kamshilin). Intraoperative visualization and quantitative assessment of tissue perfusion by imaging photoplethysmography: comparison with ICG fluorescence angiography // Biomedical Optics Express (2022 г.)
2 – Камшилин А.А., Зайцев В.В., Белавенцева А.В., Подолян Н.П., Волынский М.А., Саковская А.В., Ромашко Р.В., Мамонтов О.В. (Alexei A. Kamshilin, Valeriy V. Zaytsev, Anzhelika V. Belaventseva, Natalia P. Podolyan, Maxim A. Volynsky, Anastasiia V. Sakovskaia, Roman V. Romashko, Oleg V. Mamontov). Novel Method to Assess Endothelial Function via Monitoring of Perfusion Response to Local Heating by Imaging Photoplethysmography // Sensors (2022 г.)
3 – Белавенцева А.В., Подолян Н.П., Волынский М.А., Зайцев В.В., Саковская А.В., Мамонтов О.В., Ромашко Р.В., Камшилин А.А. (Anzhelika V. Belaventseva, Natalia P. Podolyan, Maxim A. Volynsky, Valery V. Zaytsev, Anastasiia V. Sakovskaia, Oleg V. Mamontov, Roman V. Romashko, Alexei A. Kamshilin). Исследование реакции кровеносных сосудов на локальный нагрев методом визуализирующей фотоплетизмографии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики (2023 г.)
4 – Камшилин А.А. (A.A. Kamshilin). Imaging photoplethysmography as a reliable tool for monitoring tissue perfusion during open brain and abdominal surgeries // Известия Российской академии наук. Серия физическая (2022 г.)
5 – Зайцев В.В., Подолян Н.П., Белавенцева А.В., Волынский М.А., Саковская А.В., Ромашков Р.В., Мамонтов О.В., Камшилин А.А. (Valery V. Zaytsev, Natalia P. Podolyan, Anzhelika V. Belaventseva, Maxim A. Volynsky, Anastasiia V. Sakovskaia, Roman V. Romashko, Oleg V. Mamontov, Alexei A. Kamshilin). Imaging Photoplethysmography for Monitoring of Vascular Response to Local Heating // IEEE Xplore (2022 г.)
6 – Потапенко А.В., Волынский М.А., Мамонтов О.В., Зайцев В.В., Соколов А.Ю., Камшилин А.А. (Anastasiia V. Potapenko, MaximA. Volynsky, Oleg V. Mamontov, Valery V. Zaytsev, Alexey Y. Sokolov, Alexei A. Kamshilin). Amplitude of the Pulsatile Component of a Photoplethysmographic Waveform as an Optical Marker of Cerebrovascular Reactivity: Experimental Verification in Animal Model // Biophotonics Congress: Biomedical Optics 2022 (Translational, Microscopy, OCT, OTS, BRAIN). Technical Digest Series (Optica Publishing Group) (2022 г.)

1. "Видеорепортаж Елены Штылиной «Да будет свет»: Уникальную диагностическую лабораторию создали приморские ученые." ФГУП ВГТРК "ГТРК "Владивосток", Вести: Приморье от 16.09.2021.
Ссылка на адрес в сети Интернет: