Analysis of time derivative of the temperature response of fingers on the brachial occlusion and its relationship with hemodynamic parameters

Objective. The aim of the study was to analyze the time derivative of temperature response of finger phalanges to brachial occlusion and to establish the relationship between the parameters of temperature dynamics and hemodynamic parameters. Materials and methods. To analyze the response to the occlusion, the methods of dynamic thermography and photoplethysmography (PPG) were used. The parameters of the temperature reaction on occlusion in a group of 60 healthy subjects were analyzed. The Shitzer model was used to establish the relationship between temperature dynamics and peripheral hemodynamics. Results. Parameters describing the temperature response of the fingers on occlusion were introduced. It is shown that the time to reach the maximum of the temperature derivative during post-occlusion corresponds to the maximum of the volumetric blood flow. A coefficient of symmetry is proposed that characterizes the curve of the hemodynamic response of the extremity vessels to a sharp restoration of blood flow after removal of the occlusion. The parameters of temperature dynamics paralleled to the changes in hemodynamic parameters. Conclusions. To compare the results of temperature measurements and results of optical methods of blood flow estimation it is advisable to use not the temperature signal but its first derivative. The use of temperature parameters, expressed in degrees, creates the conditions for the development of a quantitative approach to the description of the hemodynamic response to occlusion. The results of the study contribute to the development of noninvasive methods of diagnosing endothelial dysfunction as a harbinger of atherosclerosis.

окклюзионная проба, фотоплетизмография, термография, модель Шитцера, временная производная, параметры гемодинамики, occlusion test, photoplethysmography, thermal imaging, Shitzer model, time derivative, hemodynamic parameters

1. Азизов Г. А. Функциональные пробы в оценке степени нарушений микроциркуляции при заболеваниях сосудов нижних конечностей // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2006. Т. 5. № 1. С. 37-43.

2. Воловик М. Г., Киселев Д. В., Полевая С. А. и др. Влияние многократной локальной ишемии на температурный режим и микроциркуляцию кожи кисти у человека // Физиология человека. 2015. Т. 41. № 4. С. 100-109.

3. Дунаев А. В. и др. Исследование возможностей тепловидения и методов неинвазивной медицинской спектрофотометрии в функциональной диагностике // Фундамент. и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. Т. 2. № 6. 284 с.

4. Жарких Е. В., Жеребцова А. И., Маковик И. Н. и др. Возможности исследования изменений амплитуд колебаний кожного кровотока с помощью адаптивного вейвлетанализа при проведении окклюзионных проб // Фундамент. и прикладные проблемы техники и технологии. 2015. Т. 314. № 6. С. 114-121.

5. Крупаткин А. И., Сидоров В. В. Лазерная доплеровская флоуметрия микроциркуляции крови. М.: Медицина, 2005. 256 с.

6. Попечителев Е. П., Чащин А. В. Исследование процессов периферического кровообращения верхней конечности //Вестник новых мед. технол. 2006. № 1.

7. Протопопов А. А., Усанов Д. А., Аверьянов А. П. и др. Состояние микроциркуляторного русла у детей с сахарным диабетом 1-го типа //Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2012. № 2. С. 22-27.

8. Сагайдачный А. А., Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Фомин А. В. Электротепловая аналогия свойств кожи и фильтра низких частот: взаимосвязь колебаний температуры и кожного кровотока в области конечностей // Математ. биол. и биоинформатика. 2014. Т. 9. № 2. С. 309-318.

9. Сагайдачный А. А., Скрипаль А. В., Фомин А. В., Усанов Д. А. Восстановление спектра колебаний кровотока из спектра колебаний температуры пальцев рук, дисперсия температурного сигнала в биоткани // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2013. № 1. С. 76-82.

10. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Возрастные особенности динамики амплитуд колебаний кровотока кожи в процессе постокклюзионной реактивной гиперемии // Физиол. человека. 2010. Т. 35. № 2. С. 114-120.

11. Тихонова И. В., Танканаг А. В., Чемерис Н. К. Динамика амплитуд колебаний периферического кровотока в процессе развития постокклюзионной реактивной гиперемии у условно-здоровых добровольцев // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2009. Т. 1. № 29. С. 31-35.

12. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Протопопов А. А., Сагайдачный А. А. и др. Оценка функционального состояния кровеносных сосудов по анализу температурной реакции на окклюзионную пробу // Саратов. науч.-мед. журн. 2009. № 4. С. 554-558.

13. Федорович А. А. Неинвазивная оценка вазомоторной и метаболической функции микрососудистого эндотелия в коже человека // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2013. Т. 12. № 2. С. 15-25.

14. Abdul Ghani S. et al. Remote ischemic preconditioning triggers changes in autonomic nervous system activity: implications for cardioprotection // Physiological Reports. 2017. Vol. 5. № 3. P. E13085.

15. Ahmadi N., Hajsadeghi F., Gul K. et al. Vascular function measured by fingertip thermal reactivity is impaired in patients with metabolic syndrome and diabetes mellitus // The Journal of Clinical Hypertension. 2009. Vol. 11. № 11. P. 678-684.

16. Akhtar M. W., Kleis S. J., Metcalfe R. W., Naghavi M. Sensitivity of digital thermal monitoring parameters to reactive hyperemia // J. of Biomechanical Engineering. 2010. Vol. 132. № 5. P. 051005.

17. Celermajer D. S., Sorensen K. E., Gooch V. M. et al. Non-invasive detection of endothelial dysfunction in children and adults at risk of atherosclerosis // The Lancet. 1992. Vol. 340. № 8828. P. 1111-1115.

18. Fronek A., Johansen K., Dilley R. B. & Bernstein E. F. Ultrasonographically monitored postocclusive reactive hyperemia in the diagnosis of peripheral arterial occlusive disease // Circulation. 1973. Vol. 48. № 1. P. 149-152.

19. Gorbach A. M., Wang H., Wiedenbeck B. et al. Functional Assessment of Hand Vasculature Using Infrared and Laser Speckle Imaging // Proc. SPIE. 2009. 7169 7169191-19.

20. Gul K. M., Ahmadi N., Wang Z. et al. Digital thermal monitoring of vascular function: a novel tool to improve cardiovascular risk assessment // Vascular Medicine. 2009. Vol. 14. № 2. P. 143-148.

21. Ley O., Dhindsa M., Sommerlad S. M. et al. Use of temperature alterations to characterize vascular reactivity // Clin. physiology andfunctional imaging. 2011. Vol. 31. № 1. P. 66-72.

22. Naghavi M., Yen A. A., Lin A. W. New Indices of Endothelial Function Measured by Digital Thermal Monitoring of Vascular Reactivity: Data from 6084 Patients Registry // Int. journ. of vascular medicine. 2016.

23. Roustit M., Blaise S., Millet C. & Cracowski J. L. Reproducibility and methodological issues of skin post-occlusive and thermal hyperemia assessed by single-point laser Doppler flowmetry // Microvascular research. 2010. Vol. 79. № 2. Р. 102-108.

24. Sagaidachnyi A. A., Usanov D. A., Skripal A. V., Fomin A. V. Skin blood flow as the first time derivative of the temperature: spectral approach to the bloodflow estimation in hands // Proc. SPIE 9031, Saratov Fall Meeting 2013: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XV; and Laser Physics and Photonics XV, 903108. Jan. 30, 2014.

25. Sagaidachnyi А. А., Skripal A. V., Fomin A. V., Usanov D. A. Determination of the amplitude and phase relationships between oscillations in skin temperature and photoplethysmography - measured bloodflow in fingertips // Physiological measurement. 2014. Vol. 35. № 2. P. 153-166.

26. Shitzer A., Stroschein L. A., Gonzalez R. R., Pandolf K. B. Lumped-parameter tissue temperature-blood perfusion model of a cold-stressed fingertip // Journ. of Appl. Physiol. 1996. Vol. 80. P. 1829-1834.

27. Thijssen D. H., Black M. A., Pyke K. E. et al. Assessment of flow-mediated dilation in humans: a methodological and physiological guideline // Am. Journ. of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2011. Vol. 300. № 1. Р. H2-H12.

28. Tikhonova I. V., Tankanag A. V., Chemeris N. K. Time-amplitude analysis of skin blood flow oscillations during the post-occlusive reactive hyperemia in human // Microvascular. Research. 2010. Vol. 80. № 1. Р. 58-64.

29. Vainer B. G., Markel A. L. Systemic vascular response to brachial arteries crossclamping may prognosticate the outcome of remote ischemic preconditioning // Medical hypotheses. 2015. Vol. 84. № 4. Р. 298-300.

30. Webb R. C., Bonifas A. P., Behnaz A. et al. Ultrathin conformal devices for precise and continuous thermal characterization ofhuman skin // Nature Materials. 2013. Vol. 12. P. 938-944.

31. Yvonne-Tee G. B., Rasool A. H., Halim A. S., Rahman A. R. Reproducibility of different laser Doppler fluximetry parameters of postocclusive reactive hyperemia in human forearm skin // J. Pharmacol. Toxicol. Methods. 2005. Vol. 52. P. 286-292.