scbmtБИОМЕДИЦИНАJournal Biomed2074-59822713-0428Scientific center of biomedical technologies of Federal Medical and Biological Agency10.33647/2074-5982-18-1-8-21scbmt-1362Research ArticleМЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙMETHODS AND TECHNOLOGIES OF BIOMEDICAL RESEARCHЭлектрооптический метод диагностики нарушений кровоснабжения головного мозга человекаElectrooptical Diagnostic Method of Blood Supply Disorders in the Human BrainКовальчукМ. В.KovalchukM. V.

Ковальчук Михаил Валентинович, д.ф-м.н., проф., чл.-корр. РАН

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Mikhail V. Kovalchuk, Dr. Sci. (Phys.-Math.),Prof., Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences

123182, Moscow, Akademika Kurchatova Square, 1

Kovalchuk_MV@nrcki.ruКаркищенкоН. Н.KarkischenkoN. N.

Каркищенко Николай Николаевич, д.м.н., проф., акад. РАРАН, чл.-корр. РАН

143442, Московская обл., Красногорский р-н, п. Светлые горы, 1

Nikolay N. Karkischenko, Dr. Sci. (Med.), Prof., Academician of the Russian Academy of Rocket and Artillery Sciences, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences

143442, Moscow Region, Krasnogorsk District, Svetlye Gory Village, 1

niknik2808@yandex.ruЧайвановД. Б.ChaivanovD. B.

Чайванов Дмитрий Борисович, к.ф.-м.н.

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Dmitry B. Chaivanov*, Cand. Sci. (Phys.-Math.)

123182, Moscow, Akademika Kurchatova Square, 1

Chayvanov_DB@nrcki.ruЧудинаЮ. А.ChudinaYu. A.

Чудина Юлия Александровна

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Yulia A. Chudina, Cand. Sci. (Psych.)

123182, Moscow, Akademika Kurchatova Square, 1

Chudina_YA@nrcki.ruНиколаевА. А.NikolaevA. A.

Николаев Андрей Андреевич

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Andrey А. Nikolaev

123182, Moscow, Akademika Kurchatova Square, 1

Nikolaev-AA@nrcki.ruВартановА. А.VartanovA. A.

Вартанов Александр Александрович

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Alexander A. Vartanov

123182, Moscow, Akademika Kurchatova Square, 1

Vartanov_AA@nrcki.ruФГБУН Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»РоссияNational Research Centre “Kurchatov Institute”Russian FederationФГБУН «Научный центр биомедицинских технологий ФМБА России»РоссияScientific Center of Biomedical Technologies of the Federal Medical and Biological Agency of RussiaRussian Federation202201042022181821Copyright © Ковальчук М.В., Каркищенко Н.Н., Чайванов Д.Б., Чудина Ю.А., Николаев А.А., Вартанов А.А., 20222022Ковальчук М.В., Каркищенко Н.Н., Чайванов Д.Б., Чудина Ю.А., Николаев А.А., Вартанов А.А.Kovalchuk M.V., Karkischenko N.N., Chaivanov D.B., Chudina Y.A., Nikolaev A.A., Vartanov 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://journal.scbmt.ru/jour/article/view/1362

В настоящей работе описан новый метод диагностики нарушений кровоснабжения головного мозга, основанный на физико-математических, биомедицинских, психофизиологических методах и информационных технологиях. Предложенный метод состоит в сравнении и выявлении степени соответствия длительности сердечного цикла, регистрируемой методами электрокардиографии и фотоплетизмографии. Методом электрокардиографии сердечный цикл фиксировали в виде длительности кардиоинтервалов, которые отражают преимущественно интракардиальные регуляторные механизмы; метод фотоплетизмографии использовали для записи сердечного цикла в виде длительности пульсовых волн, которые являются отражением экстракардиальных механизмов регуляции сердечно- сосудистой системы. Первоначально значения длительности кардиоинтервалов и пульсовых волн сравнивали у здоровых добровольцев, при записи электросигнала в стандартном отведении и фотосигнала в трёх разных отведениях обнаружили наибольшее совпадение при записи фотоплетизмограммы от ушного датчика. Далее сравнение длительности кардиоинтервалов и пульсовых волн проводили на примере патологических состояний, сопровождающихся нарушениями кровоснабжения головного мозга, среди которых рассматривали синдром позвоночной артерии при остеохондрозе шейного отдела позвоночника и синдром вегетативной дисфункции. Обнаружили уменьшение степени совпадения длительности кардиоинтервалов и пульсовых волн у добровольцев с рассмотренными патологиями по сравнению с нормой. Затем определили принадлежность к группе нормы и к группам с рассмотренными патологиями. Наконец, на основе результатов дискриминантного анализа удалось выявить набор показателей, позволяющих различать три рассмотренные группы между собой.

The article describes stages in the development of an electrooptical method for diagnosing blood supply disorders in the human brain. The proposed method is based on the comparison and identification of the correspondence of cardiac cycle durations recorded by electrocardiography and photoplethysmography. Electrocardiography was used to record the cardiac cycle as the duration of cardiointervals, which reflect mainly intracardial regulatory mechanisms. Photoplethysmography was used to record the cardiac cycle as the duration of pulse waves, which reflect extracardial regulative mechanisms of the cardiovascular system. Initially, the duration of cardiointervals and pulse waves were recorded and compared in healthy volunteers. The most pronounced coincidence was observed when recording a photoplethysmogram from an ear sensor. Further, the obtained data was compared with that recorded in pathological conditions accompanied by impaired blood supply to the brain, including vertebral artery syndrome in cervical spine osteochondrosis and autonomic dysfunction syndrome. A decrease in the degree of correspondence between the durations of cardiac intervals and pulse waves was found in volunteers with the considered pathologies compared to the norm. Subsequently, based on the duration of cardiac intervals and pulse waves, the volunteers were divided into three groups: the norm group and two groups of the considered pathologies. Finally, based on the results of a discriminant analysis, a set of indicators was identified, allowing the three groups to be differentiated.

нарушения кровоснабжения головного мозгасиндром позвоночной артерии при остеохондрозе шейного отдела позвоночникасиндром вегетативной дисфункциидлительность кардиоинтерваловдлительность пульсовой волныэлектрокардиограммафотоплетизмограммаbrain blood supply disordersspinal artery syndrome in cervical spine osteochondrosisautonomic dysfunction syndromecardio interval durationpulse wave durationelectrocardiogramphotoplethysmogramReferencesАнтонен E.Г., Буркин M.M., Хяникяйнен И.В., Кручек М.М. Характеристика начальных проявлений недостаточности мозгового кровообращения на доклинической стадии у лиц трудоспособного возраста. Профилактическая и клиническая медицина. 2011;3(40):94–98.Antonen E.G., Burkin M.M., Hyanikyajnen I.V., Kruchek M.M. Harakteristika nachal’nyh proyavlenij nedostatochnosti mozgovogo krovoobrashcheniya na doklinicheskoj stadii u lic trudosposobnogo vozrasta Characteristics of the initial manifestations of cerebral circulatory insufficiency at the preclinical stage in people of working age. Profilakticheskaja i klinicheskaja medicina Preventive and Clinical Medicine. 2011;3(40): 94–98. (In Russian)Антонен Е.Г., Хяйникяйнен И.В. Соматоформная вегетативная дисфункция как предиктор хронической ишемии мозга. Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Медицинские науки. 2014;4:43–48.Antonen E.G., Hyajnikyajnen I.V. Somatoformnaya vegetativnaya disfunkciya kak prediktor hronicheskoj ishemii mozga Somatoform autonomic dysfunction as a predictor of chronic cerebral ischemia. Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. Medicinskie nauki Proceedings of Petrozavodsk State University. Medical Sciences. 2014;4:43–48. (In Russian)Антонен Е.Г., Хяникяйнен И.В. Электрофизиологическая характеристика доклинической стадии начальных проявлений недостаточности мозгового кровообращения у декретированных лиц в республике Карелия. Вестник РУДН. Серия Медицина. 2010;1:112–119.Antonen E.G., Hyanikyajnen I.V. Elektrofiziologicheskaya harakteristika doklinicheskoj stadii nachal’nyh proyavlenij nedostatochnosti mozgovogo krovoobrashcheniya u dekretirovannyh lic v respublike Kareliya Electrophysiological characteristics of the preclinical stage of initial manifestations of cerebral circulatory insufficiency in decreed persons in the Republic of Karelia. Vestnik RUDN. Seriya Medicina RUDN Journal of Medicine. 2010;1: 112–119. (In Russian)Антонов И.П., Гиткина Л.С. Вертебрально-базилярные инсульты. Минск: Беларусь, 1977:240.Antonov I.P., Gitkina L.S. Vertebral’no-bazilyarnye insul’ty Vertebrobasilar strokes. Minsk: Belarus Publ., 1977:240. (In Russian).Ацель Е.А., Газизов Р.М. Соматоформная дисфункция вегетативной нервной системы у подростков: особенности диагностики и лечения. Практическая медицина. 2008;4(28):65–67.Atsel E.A., Gazizov R.M. Somatoformnaya disfunkciya vegetativnoj nervnoj sistemy u podrostkov: osobennosti diagnostiki i lecheniya Somatoform dysfunction of the autonomic nervous system in adolescents: features of diagnosis and treatment. Prakticheskaja medicina Practical Medicine. 2008;4(28):65–67. (In Russian).Бабченко Н.В. Начальные проявления недостаточности кровоснабжения головного мозга: патоморфология, клиника, диагностика, принципы терапии. Медицинские новости. 2004;1:17–20.Babchenko N.V. Nachal’nye proyavleniya nedostatochnosti krovosnabzheniya golovnogo mozga: patomorfologiya, klinika, diagnostika, principy terapii Initial manifestations of insufficiency of blood supply to the brain: pathomorphology, clinic, diagnosis, principles of therapy. Medicinskie novosti Medical News. 2004;1:17–20. (In Russian).Бокерия Л.А., Бокерия О.Л., Волковская И.В. Вариабельность сердечного ритма: методы измерения, интерпретация, клиническое использование. Анналы аритмологии. 2009;4:21–32.Bokeriya L.A., Bokeriya O.L., Volkovskaya I.V. Variabel’nost’ serdechnogo ritma: metody izmereniya, interpretaciya, klinicheskoe ispol’zovanie Heart rate variability: measurement methods, interpretation, clinical use. Annaly aritmologii Annals of Arrhythmology. 2009;4:21–32. (In Russian).Вартанов А.А., Николаев А.А., Чайванов Д.Б., Чудина Ю.А. Показатели согласованности и рассогласования временных характеристик ЭКГ и ФПГ у лиц с особенностями кровоснабжения головного мозга, обусловленными сужением кровеносных сосудов вследствие потери их эластичности. Вестник психофизиологии. 2018;3:91–100.Vartanov A.A., Nikolaev A.A., Chajvanov D.B., Chudina Yu.A. Pokazateli soglasovannosti i rassoglasovaniya vremennyh harakteristik EKG i FPG u lic s osobennostyami krovosnabzheniya golovnogo mozga, obuslovlennymi suzheniem krovenosnyh sosudov vsledstvie poteri ih elastichnosti Indicators of consistency and mismatch of temporal characteristics of ECG and FPG in persons with peculiarities of blood supply to the brain caused by narrowing of blood vessels due to loss of their elasticity. Vestnik psihofiziologii Psychophysiology News. 2018;3:91–100. (In Russian).Вегетативные расстройства: клиника, лечение, диагностика / Под ред. А.М. Вейна. М.: Медицинское информационное агентство, 2000:752.Vegetative disorders: clinic, treatment, diagnosis. Ed. by A.M. Veyn. Moscow: Medicinskoe informacionnoe agentstvo Publ., 2000:752. In Russian).Верещагин Н.П. Патология вертебрально-базилярной системы и нарушения мозгового кровообращения. М.: Медицина, 1980:312.Vereshchagin N.P. Patologiya vertebral’no-bazilyarnoj sistemy i narusheniya mozgovogo krovoobrashcheniya Pathology of the vertebral-basilar system and disorders of cerebral circulation. Moscow: Medicina Publ., 1980:312. (In Russian).Ермолаева А.И., Баранова Г.А., Коврыгин С.И. Особенности диагностики вегетативно-сосудистых расстройств при вертеброгенной патологии. Вестник новых медицинских технологий. 2018;1:66–69. DOI: 10.24411/2075-4094-2018-15891Ermolaeva A.I., Baranova G.A., Kovrygin S.I. Osobennosti diagnostiki vegetativno-sosudistyh rasstrojstv pri vertebrogennoj patologii Particularities of diagnosis of vegetative-vascular disorders in patients with vertebrogenic pathology. Vestnik novyh medicinskih tekhnologij Journal of New Medical Technologies. 2018;1:66–69. (In Russian). DOI: 10.24411/2075-4094-2018-15891.Захарова Е.М. Современные представления о цереброваскулярных заболеваниях. Медицинский альманах. 2010;2(11):42–47.Zakharova E.M. Sovremennye predstavleniya o cerebrovaskulyarnyh zabolevaniyah Modern ideas about cerebrovascular diseases.. Medicinskij al’manah Medical Almanac. 2010;2(11):42–47. (In Russian).Каркищенко Н.Н., Николаев А.А., Чудина Ю.А., Чайванов Д.Б., Вартанов А.А. Показатели согласованной работы сердца и сосудов при сосудистой патологии вертеброгенной и невертеброгенной природы. Биомедицина. 2020;16(2):47–59. DOI: 10.33647/2074-5982-16-2-47-59.Karkischenko N.N., Nikolaev A.A., Chudina Yu.A., Chaivanov D.B., Vartanov A.A. Pokazateli soglasovannoj raboty serdca i sosudov pri sosudistoj patologii vertebrogennoj i nevertebrogennoj prirody Indicators of coordinated work of the heart and blood vessels in vascular pathology of vertebrogenic and non-vertebrogenic nature. Biomedicina Journal Biomed. 2020;16(2):47–59. (In Russian). DOI: 10.33647/2074-5982-16-2-47-59.Каркищенко Н.Н., Чайванов Д.Б., Чудина Ю.А., Вартанов А.А., Николаев А.А. Дискриминантный анализ показателей согласованной работы сердца и сосудов в норме и при патологиях сосудов. Биомедицина. 2021;17(2):8–21. DOI: 10.33647/2074-5982-17-2-8-21.Karkischenko N.N., Chaivanov D.B., Chudina Yu.A., Vartanov A.A., Nikolaev A.A. Diskriminantnyj analiz pokazatelej soglasovannoj raboty serdca i sosudov v norme i pri patologiyah sosudov Discriminant analysis of indicators of coordinated work of the heart and blood vessels in normal and vascular pathologies. Biomedicina Journal Biomed. 2021;17(2):8–21. (In Russian). DOI: 10.33647/2074-5982-17-2-8-21.Мамонова Е.Ю. Клинико-гемодинамические нарушения у подростков с вертеброгенным синдромом позвоночной артерии. Хирургия позвоночника. 2006;3: 68–70.Mamonova E.Yu. Kliniko-gemodinamicheskie narusheniya u podrostkov s vertebrogennym sindromom pozvonochnoj arterii Clinical and hemodynamic disorders in adolescents with vertebrogenic vertebral artery syndrome.. Hirurgiya pozvonochnika Spine Surgery. 2006;3:68–70. (In Russian).Мамонова Е.Ю., Калинина М.Ю. Гемодинамические нарушения при шейном остеохондрозе у нефтяников Западной Сибири. Сибирский медицинский журнал. 2008;2(3):69–72.Mamonova E.Yu., Kalinina M.Yu. Gemodinamicheskie narusheniya pri shejnom osteohondroze u neftyanikov Zapadnoj Sibiri Hemodynamic disorders in cervical osteochondrosis in oilmen of Western Siberia. Sibirskij medicinskij zhurnal Siberian Medical Journal. 2008;2(3):69–72. (In Russian).Мошкевич В.С. Фотоплетизмография. М.: Медицина, 1970:154.Moshkevich V.S. Photoplethysmography. Moscow: Medicina Publ., 1970:154. (In Russian).Мугерман Б.И., Багманова Р.Г. Механизмы нарушения вертебробазилярного кровообращения у лиц среднего возраста, страдающих остеохондрозом. Педагогико-психологические и медико-биологические проблемы физической культуры и спорта. 2007;3(2):80–85.Mugerman B.I., Bagmanova R.G. Mekhanizmy narusheniya vertebrobazilyarnogo krovoobrashcheniya u lic srednego vozrasta, stradayushchih osteohondrozom Mechanisms of violation of vertebrobasilar circulation in middle-aged people suffering from osteochondrosis. Pedagogikopsihologicheskie i mediko-biologicheskie problemy fizicheskoj kul’tury i sporta Russian Journal of Physical Education and Sport. 2007;3(2):80–85. (In Russian).Стригина М.И., Чайванов Д.Б., Чудина Ю.А. Исследования погрешностей данных фотоплетизмограммы для анализа вариабельности сердечного ритма. Биомедицина. 2013;4:139–148.Strigina M.I., Chaivanov D.B., Chudina Yu.A. Issledovaniya pogreshnostej dannyh fotopletizmogrammy dlya analiza variabel’nosti serdechnogo ritma Studies of errors in photoplethysmogram data for the analysis of heart rate variability. Biomedicina Journal Biomed.. 2013;4:139–148. (In Russian).Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Вагарин А.Ю., Рытик А.П. Методы и аппаратура для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы по характеристикам пульсовой волны. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009:96.Usanov D.A., Skripal’ A.V., Vagarin A.Yu., Rytik A.P. Metody i apparatura dlya diagnostiki sostoyaniya serdechnososudistoj sistemy po harakteristikam pul’sovoj volny Methods and equipment for diagnosing the state of the cardiovascular system by pulse wave characteristics. Saratov: Saratov University Publ., 2009:96. (In Russian).Черноротов В.А. Экспертно-реабилитационная диагностика больных с вертебробазилярной недостаточностью при остеохондрозе шейного отдела позвоночника. Вестник физиотерапии и курортологии. 2014:51–56.Chernorotov V.A. Ekspertnoreabilitacionnaya diagnostika bol’nyh s vertebrobazilyarnoj nedostatochnost’yu pri osteohondroze shejnogo otdela pozvonochnika Expert rehabilitation diagnostics of patients with vertebrobasilar insufficiency in osteochondrosis of the cervical spine. Vestnik fizioterapii i kurortologii Bulletin of Physiotherapy and Balneology. 2014:51–56. (In Russian).Чутко Л.С. Соматоформные расстройства. Медицинский совет. 2011;1-2:84–87.Chutko L.S. Somatoformnye rasstrojstva Somatoform disorders. Medicinskij sovet Medical Council. 2011;1-2:84–87. (In Russian).Шурыгин И.А. Мониторинг дыхания: пульсоксиметрия, капнография, оксиметрия. СПб.: Невский Диалект; М.: Изд-во БИНОМ, 2000:301.Shurygin I.A. Monitoring dyhaniya: pul’soksimetriya, kapnografiya, oksimetriya Respiratory monitoring: pulse oximetry, capnography, oximetry. St. Petersburg: Nevskij Dialekt Publ.; Moscow: BINOM Publ., 2000:301. (In Russian).Provenzale J.M., Barboriak D.P. Brain infarction in young adults: etiology and imaging findings. Am. J. Roentgenol. 1997;169(4):1161–1168.Provenzale J.M., Barboriak D.P. Brain infarction in young adults: etiology and imaging findings. Am. J. Roentgenol. 1997;169(4):1161–1168.

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