ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-1-14-20ntv-312Research ArticleИЗБРАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ XXXII ШКОЛЫ ПО ГОЛОГРАФИИ. ЧАСТЬ IIIPROCEEDINGS OF THE XXXII SCHOOL ON HOLOGRAPHY. PART IIIИсследование реакции кровеносных сосудов на локальный нагрев методом визуализирующей фотоплетизмографииStudy of blood vessels reaction to local heating by imaging photoplethysmographyhttps://orcid.org/0000-0001-8218-6766БелавенцеваА. В.BelaventsevaA. V.

Белавенцева Анжелика Вадимовна - младший научный сотрудник

Владивосток, 690041

Anzhelika V. Belaventseva - Junior Researcher

Vladivostok, 690041

ange202@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2108-4376ПодолянН. П.PodolyanN. P.

Подолян Наталья Петровна - кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник

Владивосток, 690041

Natalia P. Podolyan - PhD (Physics & Mathematics), Junior Researcher

Vladivostok, 690041

podolian@iacp.dvo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1679-4450ВолынскийМ. А.VolynskyM. A.

Волынский Максим Александрович - кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник; доцент

Владивосток, 690041

Санкт-Петербург, 197101

Maxim A. Volynsky - PhD (Technical science), Associate Professor, Leading Researcher; Associate Professor

Vladivostok, 690041

Saint Petersburg, 197101

maxim.volynsky@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3366-8376ЗайцевВ. В.ZaytsevV. V.

Зайцев Валерий Викторович - младший научный сотрудник; младший научный сотрудник

Владивосток, 690041

Санкт-Петербург, 197341

Valery V. Zaytsev - Junior Researcher, Institute of Automation and Control Processes; Junior Researcher

Vladivostok, 690041

Saint Petersburg, 197341

zaytsevphoto@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4077-9739СаковскаяА. В.SakovskaiaA. V.

Саковская Анастасия Владимировна - кандидат медицинских наук, младший научный сотрудник; доцент

Владивосток, 690041

Владивосток, 690002

Anastasiia V. Sakovskaia - PhD (Medicine), Junior Researcher; Associate Professor

Vladivostok, 690041

Vladivostok, 690002

sakovska86@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3063-439XМамонтовО. В.MamontovO. V.

Мамонтов Олег Викторович - доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник; старший научный сотрудник

Владивосток, 690041

Санкт-Петербург, 197022

Oleg V. Mamontov - D.Sc. (Medicine), Leading Researcher, Institute of Automation and Control Processes; Senior Researcher

Vladivostok, 690041

Saint Petersburg, 197022

mamontoffoleg@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0869-0993РомашкоР. В.RomashkoR. V.

Ромашко Роман Владимирович - доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, руководитель лаборатории

Владивосток, 690041

Roman V. Romashko - D.Sc. (Physics & Mathematics), Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Head of Laboratory

Vladivostok, 690041

romashko@dvo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2506-9736КамшилинА. А.KamshilinA. A.

Камшилин Алексей Александрович - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник

Владивосток, 690041

Alexei A. Kamshilin - D.Sc. (Physics & Mathematics), Senior Researcher, Chief Researcher

Vladivostok, 690041

alexei.kamshilin@yandex.ruИнститут автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences; ITMO UniversityRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук; Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова Минздрава РоссииРоссияInstitute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences; Almazov National Medical Research CentreRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук; Тихоокеанский государственный медицинский университет, ВладивостокРоссияInstitute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences; Pacific State Medical UniversityRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук; Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова Минздрава РоссииРоссияInstitute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences; Pavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityRussian Federation2023171220242311420Copyright © Белавенцева А.В., Подолян Н.П., Волынский М.А., Зайцев В.В., Саковская А.В., Мамонтов О.В., Ромашко Р.В., Камшилин А.А., 20242024Белавенцева А.В., Подолян Н.П., Волынский М.А., Зайцев В.В., Саковская А.В., Мамонтов О.В., Ромашко Р.В., Камшилин А.А.Belaventseva A.V., Podolyan N.P., Volynsky M.A., Zaytsev V.V., Sakovskaia A.V., Mamontov O.V., Romashko R.V., Kamshilin A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/312

Предмет исследования. Исследована возможность применения нового бесконтактного метода визуализирующей фотоплетизмографии для исследования терморегуляторной вазодилатации сосудов.Метод. Реакция перфузии в области внешнего предплечья в ответ на локальный нагрев до 41 ± 1 °С была оценена у шести добровольцев в возрасте 39–52 лет с помощью видеозаписи исследуемой области, синхронизованной с электрокардиограммой, и последующей корреляционной обработкой полученных данных.Основные результаты. Показано, что изменение перфузии при локальном нагреве носит двухфазный характер и обусловлено откликом нервной системы, опосредованным аксон-рефлексом в первой фазе вазодилатации, и синтезом оксида азота в клетках эндотелия во второй фазе. Установлено, что многократный рост перфузии в первой фазе нагрева зависит как от начальной температуры кожи, так и от разницы температуры ее нагрева. Обнаружено, что для существенного развития сосудистой реакции на гипертермию, связанную с активацией эндотелиальной функции, необходим нагрев тканей длительностью более 15 мин.Практическая значимость. Подтверждено, что метод визуализирующей фотоплетизмографии достоверно отражает работу механизмов регуляции периферического сосудистого сопротивления, что имеет большое прогностическое значение для выявления первичных признаков сердечно-сосудистых заболеваний.

The possibility of using a new contactless method of imaging photoplethysmography to assess thermoregulatory vasodilatation of blood vessels was studied. Perfusion reaction in a region of the outer forearm in response to local heating up to 41 ± 1 °C was monitored in six volunteers aged 39–52 years using a video recording of the study area, synchronized with an electrocardiogram, and subsequent correlation processing of the data obtained. It was shown that the change in perfusion during local heating has a biphasic type and is due to the response of the nervous system mediated by the axon reflex in the first phase of vasodilation and the synthesis of nitric oxide in endothelial cells in the second phase of vasodilation. It was revealed that the multiple increase in perfusion in the first phase of heating depends both on the initial temperature of the skin and on the difference in its heating temperature. It was found that for a significant development of a vascular response to hyperthermia associated with the activation of endothelial function, heating of tissues for more than 15 minutes is necessary. It was shown that the method of imaging photoplethysmography reliably reflects the work of the mechanisms of regulation of peripheral vascular resistance which is of great prognostic value for the detection of primary signs of cardiovascular diseases.

визуализирующая фотоплетизмографиямикроциркуляцияреактивность сосудовперфузиятерморегуляцияimaging photoplethysmographymicrocirculationvascular reactivityblood perfusionthermoregulationИсследование реализовано при поддержке гранта № 21-15-00265 Российского научного фонда в части разработки измерительной системы, включая программное обеспечение, и проведения экспериментов. Обработка и хранение экспериментальных данных осуществлялись с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Дальневосточный вычислительный ресурс» Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук.The research was supported by the Russian Science Foundation (Grant 21-15-00265) in terms of the development of a measuring system, including software, and carrying out experiments. Processing and storage of experimental data were carried out using the equipment of Shared Resource Center “Far Eastern Computing Resource” of the Institute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences.ReferencesGimbrone M., Garcia-Cardena G. Endothelial cell dysfunction and the pathobiology of atherosclerosis // Circulation Research. 2016. V. 118. N 4. P. 620–636. https://doi.org/10.1161/circresaha.115.306301Gimbrone M., Garcia-Cardena G. Endothelial cell dysfunction and the pathobiology of atherosclerosis. Circulation Research, 2016, vol. 118, no. 4, pp. 620–636. https://doi.org/10.1161/circresaha.115.306301Widlansky M.E., Gokce N., Keaney J.F., Vita J.A. The clinical implications of endothelial dysfunction // Journal of the American College of Cardiology. 2003. V. 42. N 7. P. 1149–1160. https://doi.org/10.1016/s0735-1097(03)00994-xWidlansky M.E., Gokce N., Keaney J.F., Vita J.A. The clinical implications of endothelial dysfunction. Journal of the American College of Cardiology, 2003, vol. 42, no. 7, pp. 1149–1160. https:// doi.org/10.1016/s0735-1097(03)00994-xDharmashankar K., Widlansky M.E. Vascular endothelial function and hypertension: insights and directions // Current Hypertension Reports. 2010. V. 12. N 6. P. 448–455. https://doi.org/10.1007/s11906-010-0150-2Dharmashankar K., Widlansky M.E. Vascular endothelial function and hypertension: insights and directions. Current Hypertension Reports, 2010, vol. 12, no. 6, pp. 448–455. https://doi.org/10.1007/s11906-010-0150-2Celermajer D.S., Sorensen K.E., Georgakopoulos D., Bull C., Thomas O., Robinson J., Deanfield J.E. Cigarette smoking is associated with dose-related and potentially reversible impairment of endothelium-dependent dilation in healthy young adults // Circulation. 1993. V. 88. N 5. P. 2149–2155. https://doi.org/10.1161/01.cir.88.5.2149Celermajer D.S., Sorensen K.E., Georgakopoulos D., Bull C., Thomas O., Robinson J., Deanfield J.E. Cigarette smoking is associated with dose-related and potentially reversible impairment of endothelium-dependent dilation in healthy young adults. Circulation, 1993, vol. 88, no. 5, pp. 2149–2155. https://doi.org/10.1161/01.cir.88.5.2149Mäkimattila S., Virkamäki A., Groop P.-H., Cockcroft J., Utriainen T., Fagerudd J., Yki-Järvinen H. Chronic hyperglycemia impairs endothelial function and insulin sensitivity via different mechanisms in insulin-dependent diabetes mellitus // Circulation. 1996. V. 94. N 6. P. 1276–1282. https://doi.org/10.1161/01.cir.94.6.1276Mäkimattila S., Virkamäki A., Groop pp.-H., Cockcroft J., Utriainen T., Fagerudd J., Yki-Järvinen H. Chronic hyperglycemia impairs endothelial function and insulin sensitivity via different mechanisms in insulin-dependent diabetes mellitus. Circulation, 1996, vol. 94, no. 6, pp. 1276–1282. https://doi.org/10.1161/01.cir.94.6.1276Williams S.B., Cusco J.A., Roddy M.A., Johnstone M.T., Creager M.A. Impaired nitric oxide-mediated vasodilation in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus // Journal of the American College of Cardiology. 1996. V. 27. N 3. P. 567–574. https://doi.org/10.1016/0735-1097(95)00522-6Williams S.B., Cusco J.A., Roddy M.A., Johnstone M.T., Creager M.A. Impaired nitric oxide-mediated vasodilation in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus. Journal of the American College of Cardiology, 1996, vol. 27, no. 3, pp. 567–574. https://doi.org/10.1016/0735-1097(95)00522-6Spieker L.E., Sudano I., Hürlimann D., Lerch P.G., Lang M.G., Binggeli C., Corti R., Ruschitzka F., Lüscher T.F., Noll G. Highd ensity lipoprotein restores endothelial functionin hypercholesterolemic men // Circulation. 2002. V. 105. N 12. P. 1399– 1402. https://doi.org/10.1161/01.cir.0000013424.28206.8fSpieker L.E., Sudano I., Hürlimann D., Lerch P.G., Lang M.G., Binggeli C., Corti R., Ruschitzka F., Lüscher T.F., Noll G. Highd ensity lipoprotein restores endothelial functionin hypercholesterolemic men // Circulation. 2002. V. 105. N 12. P. 1399– 1402. https://doi.org/10.1161/01.cir.0000013424.28206.8fMinson C.T. Thermal provocation to evaluate microvascular reactivity in human skin // Journal of Applied Physiology. 2010. V. 109. N 9. P. 1239–1246. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00414.2010Minson C.T. Thermal provocation to evaluate microvascular reactivity in human skin. Journal of Applied Physiology, 2010, vol. 109, no. 9, pp. 1239–1246. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00414.2010Minson C.T., Berry L.T., Joyner M.J. Nitric oxide and neurally mediated regulation of skin blood flow during local heating // Journal of Applied Physiology. 2001. V. 91. N 4. P. 1619–1626. https://doi.org/10.1152/jappl.2001.91.4.1619Minson C.T., Berry L.T., Joyner M.J. Nitric oxide and neurally mediated regulation of skin blood flow during local heating. Journal of Applied Physiology, 2001, vol. 91, no. 4, pp. 1619–1626. https:// doi.org/10.1152/jappl.2001.91.4.1619Wong B.J., Fieger S.M. Transient receptor potential vanilloid type-1 (TRPV-1) channels contribute to cutaneous thermal hyperaemia in humans // The Journal of Physiology. 2010. V. 588. N 21. P. 4317–4326. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2010.195511Wong B.J., Fieger S.M. Transient receptor potential vanilloid type-1 (TRPV-1) channels contribute to cutaneous thermal hyperaemia in humans. The Journal of Physiology, 2010, vol. 588, no. 21, pp. 4317–4326. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2010.195511Brunt V.E., Minson C.T. Cutaneous thermal hyperemia: more than skin deep // Journal of Applied Physiology. 2011. V. 111. N 1. P. 5–7. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00544.2011Brunt V.E., Minson C.T. Cutaneous thermal hyperemia: more than skin deep. Journal of Applied Physiology, 2011, vol. 111, no. 1, pp. 5–7. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00544.2011Kellogg D.L., Zhao J.L., Wu Y. Endothelial nitric oxide synthase control mechanisms in the cutaneous vasculature of humans in vivo // American Journal of Physiology — Heart and Circulatory Physiology. 2008. V. 295. N 1. P. H123–H129. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00082.2008Kellogg D.L., Zhao J.L., Wu Y. Endothelial nitric oxide synthase control mechanisms in the cutaneous vasculature of humans in vivo. American Journal of Physiology — Heart and Circulatory Physiology, 2008, vol. 295, no. 1, pp. H123–H129. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00082.2008Debbabi H., Bonnin Ph., Ducluzeau P.H., Leftheriotis G., Levy B.I. Noninvasive assessment of endothelial function in the skin microcirculation // American Journal of Hypertension. 2010. V. 23. N 5. P. 541–546. https://doi.org/10.1038/ajh.2010.10Debbabi H., Bonnin Ph., Ducluzeau P.H., Leftheriotis G., Levy B.I. Noninvasive assessment of endothelial function in the skin microcirculation. American Journal of Hypertension, 2010, vol. 23, no. 5, pp. 541–546. https://doi.org/10.1038/ajh.2010.10Cracowski J.-L., Minson C.T., Salvat-Melis M., Halliwill J. Methodological issues in the assessment of skin microvascular endothelial function in humans // Trends in Pharmacological Sciences. 2006. V. 27. N 9. P. 503–508. https://doi.org/10.1016/j.tips.2006.07.008Cracowski J.-L., Minson C.T., Salvat-Melis M., Halliwill J. Methodological issues in the assessment of skin microvascular endothelial function in humans. Trends in Pharmacological Sciences, 2006, vol. 27, no. 9, pp. 503–508. https://doi.org/10.1016/j.tips.2006.07.008Mamontov O.V., Shcherbinin A.V., Romashko R.V., Kamshilin A.A. Intraoperative imaging of cortical blood flow by camera-based photoplethysmography at green light // Applied Sciences. 2020. V. 10. N 18. P. 6192. https://doi.org/10.3390/app10186192Mamontov O.V., Shcherbinin A.V., Romashko R.V., Kamshilin A.A. Intraoperative imaging of cortical blood flow by camera- based photoplethysmography at green light. Applied Sciences, 2020, vol. 10, no. 18, pp. 6192. https://doi.org/10.3390/app10186192Kukel I., Trumpp A., Plötze K., Rost A., Zaunseder S., Matschke K., Rasche S. Contact-free optical assessment of changes in the chest wall perfusion after coronary artery bypass grafting by imaging photoplethysmography // Applied Sciences. 2020. V. 10. N 18. P. 6537. https://doi.org/10.3390/app10186537Kukel I., Trumpp A., Plötze K., Rost A., Zaunseder S., Matschke K., Rasche S. Contact-free optical assessment of changes in the chest wall perfusion after coronary artery bypass grafting by imaging photoplethysmography. Applied Sciences, 2020, vol. 10, no. 18, pp. 6537. https://doi.org/10.3390/app10186537Volynsky M.A., Margaryants N.B., Mamontov O.V., Kamshilin A.A. Contactless monitoring of microcirculation reaction on local temperature changes // Applied Sciences. 2019. V. 9. N 22. Р. 4947. https://doi.org/10.3390/app9224947Volynsky M.A., Margaryants N.B., Mamontov O.V., Kamshilin A.A. Contactless monitoring of microcirculation reaction on local temperature changes. Applied Sciences, 2019, vol. 9, no. 22, pp. 4947. https://doi.org/10.3390/app9224947Cui W.J., Ostrander L.E., Lee B.Y. In vivo reflectance of blood and tissue as a function of light wavelength // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1990. V. 37. N 6. P. 632–639. https://doi.org/10.1109/10.55667Cui W.J., Ostrander L.E., Lee B.Y. In vivo reflectance of blood and tissue as a function of light wavelength. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1990, vol. 37, no. 6, pp. 632–639. https:// doi.org/10.1109/10.55667Kamshilin A.A., Nippolainen E., Sidorov I.S., Vasilev P.V., Erofeev N.P., Podolian N.P., Romashko R.V. A new look at the essence of the imaging photoplethysmography // Scientific Reports. 2015. V. 5. N 1. Р. 10494. https://doi.org/10.1038/srep10494Kamshilin A.A., Nippolainen E., Sidorov I.S., Vasilev P.V., Erofeev N.P., Podolian N.P., Romashko R.V. A new look at the essence of the imaging photoplethysmography. Scientific Reports, 2015, vol. 5, no. 1. pp. 10494. https://doi.org/10.1038/srep10494Lyubashina O.A., Mamontov O., Volynsky M., Zaytsev V.V., Kamshilin A.A. Contactless assessment of cerebral autoregulation by photoplethysmographic imaging at green illumination // Frontiers in Neuroscience. 2019. V. 13. P. 1235. https://doi.org/10.3389/fnins.2019.01235Lyubashina O.A., Mamontov O., Volynsky M., Zaytsev V.V., Kamshilin A.A. Contactless assessment of cerebral autoregulation by photoplethysmographic imaging at green illumination. Frontiers in Neuroscience, 2019, vol. 13, pp. 1235. https://doi.org/10.3389/fnins.2019.01235Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement // Physiological Measurement. 2007. V. 28. N 3. P. R1–R39. https://doi.org/10.1088/0967-3334/28/3/R01Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiological Measurement, 2007, vol. 28, no. 3, pp. R1–R39. https://doi.org/10.1088/0967-3334/28/3/R01

The authors declare that there are no conflicts of interest present.