stringtranslate.com

Фотоплетизмограмма

Фотоплетизмограмма ( ФПГ ) — это оптически полученная плетизмограмма , которая может использоваться для обнаружения изменений объема крови в микрососудистом русле ткани. [ 1] [2] ФПГ часто получают с помощью пульсового оксиметра , который освещает кожу и измеряет изменения в поглощении света. [3] Обычный пульсовой оксиметр контролирует перфузию крови в дерме и подкожной клетчатке кожи.

Пальцевой пульсоксиметр

С каждым сердечным циклом сердце перекачивает кровь на периферию. Хотя этот импульс давления несколько затухает к моменту достижения кожи, его достаточно, чтобы растянуть артерии и артериолы в подкожной клетчатке. Если пульсоксиметр прикрепить без сжатия кожи, можно также увидеть импульс давления от венозного сплетения в виде небольшого вторичного пика.

Изменение объема, вызванное импульсом давления, обнаруживается путем освещения кожи светом от светодиода (LED) и последующего измерения количества света, переданного или отраженного на фотодиод. [4] Каждый сердечный цикл выглядит как пик, как показано на рисунке. Поскольку приток крови к коже может модулироваться несколькими другими физиологическими системами, PPG также можно использовать для мониторинга дыхания, гиповолемии и других состояний кровообращения. [5] Кроме того, форма волны PPG отличается от субъекта к субъекту и меняется в зависимости от места и способа прикрепления пульсоксиметра.

Хотя датчики ФПГ широко используются в ряде коммерческих и клинических приложений, точные механизмы, определяющие форму волны ФПГ, еще не полностью изучены. [6]

Места для измерения PPG

Хотя пульсоксиметры являются широко используемыми медицинскими приборами , сигнал PPG, который они регистрируют, редко отображается и номинально обрабатывается только для определения оксигенации крови и частоты сердечных сокращений . [2] PPG может быть получен путем пропускающего поглощения (как на кончике пальца) или отражения (как на лбу). [2]

В амбулаторных условиях пульсоксиметры обычно носят на пальце. Однако в случаях шока, гипотермии и т. д. приток крови к периферии может быть снижен, что приводит к PPG без различимого сердечного пульса. [7] В этом случае PPG можно получить с помощью пульсоксиметра на голове, причем наиболее распространенными местами являются ухо, носовая перегородка и лоб. PPG также можно настроить для многоточечной фотоплетизмографии (MPPG), например, путем проведения одновременных измерений с правой и левой мочек уха, указательных пальцев рук и больших пальцев ног, и предлагая дополнительные возможности для оценки пациентов с подозрением на периферическое артериальное заболевание, вегетативную дисфункцию, эндотелиальную дисфункцию и артериальную жесткость. MPPG также предлагает значительный потенциал для интеллектуального анализа данных, например, с использованием глубокого обучения, а также ряда других инновационных методов анализа пульсовой волны. [8] [9] [10] [11]

Артефакты движения часто являются ограничивающим фактором, препятствующим получению точных показаний во время физических упражнений и в условиях свободной жизни. [6]

Использует

Мониторинг частоты сердечных сокращений и сердечного цикла

Преждевременное желудочковое сокращение (ЖЭС) можно увидеть на ФПГ так же, как на ЭКГ и при измерении артериального давления (АД).
На этом ФПГ отчетливо видны венозные пульсации.

Поскольку кожа так богато перфузируется, относительно легко обнаружить пульсирующий компонент сердечного цикла. Компонент постоянного тока сигнала обусловлен объемным поглощением кожной ткани, в то время как компонент переменного тока напрямую обусловлен изменением объема крови в коже, вызванным пульсом давления сердечного цикла.

Высота компонента AC фотоплетизмограммы пропорциональна пульсовому давлению, разнице между систолическим и диастолическим давлением в артериях. Как видно на рисунке, показывающем преждевременные желудочковые сокращения (PVC), импульс PPG для сердечного цикла с PVC приводит к более низкому амплитудному кровяному давлению и PPG. Также могут быть обнаружены желудочковая тахикардия и фибрилляция желудочков . [12]

Мониторинг дыхания

Эффекты нитропруссида натрия (Ниприда), периферического вазодилататора, на ППГ пальца седированного субъекта. Как и ожидалось, амплитуда ППГ увеличивается после инфузии, и, кроме того, усиливается респираторно-индуцированная вариация (RIV). [13]

Дыхание влияет на сердечный цикл, изменяя внутриплевральное давление, давление между грудной стенкой и легкими. Поскольку сердце находится в грудной полости между легкими, парциальное давление вдоха и выдоха оказывает большое влияние на давление на полую вену и наполнение правого предсердия.

Во время вдоха внутриплевральное давление уменьшается до 4 мм рт. ст., что растягивает правое предсердие, позволяя быстрее наполняться из полой вены, увеличивая преднагрузку желудочков, но уменьшая ударный объем. Наоборот, во время выдоха сердце сжимается, уменьшая сердечную эффективность и увеличивая ударный объем. Когда частота и глубина дыхания увеличиваются, венозный возврат увеличивается, что приводит к увеличению сердечного выброса. [14]

Многие исследования были сосредоточены на оценке частоты дыхания с помощью фотоплетизмограммы [15] , а также более подробных респираторных измерений, таких как время вдоха. [16]

Контроль глубины анестезии

Влияние разреза у субъекта, находящегося под общим наркозом, на фотоплетизмографию (ФПГ) и артериальное давление (АД).

Анестезиологи часто должны субъективно судить, достаточно ли анестезирован пациент для операции. Как видно на рисунке, если пациент недостаточно анестезирован, реакция симпатической нервной системы на разрез может сгенерировать немедленный ответ в амплитуде PPG. [13]

Мониторинг гипо- и гиперволемии

Шамир, Эйдельман и др. изучали взаимодействие между вдохом и удалением 10% объема крови пациента для заготовки крови перед операцией. [17] Они обнаружили, что потерю крови можно обнаружить как по фотоплетизмограмме с пульсоксиметра, так и с помощью артериального катетера. У пациентов наблюдалось снижение амплитуды сердечного пульса, вызванное снижением сердечной преднагрузки во время выдоха, когда сердце сжимается.

Мониторинг артериального давления

Сообщается , что в августе 2019 года FDA выдало разрешение на использование безманжетного тонометра на основе фотоплетизмографии. [18]

Дистанционная фотоплетизмография

Традиционная визуализация

В то время как фотоплетизмография обычно требует некоторой формы контакта с кожей человека (например, ухо, палец), удаленная фотоплетизмография позволяет определять физиологические процессы, такие как кровоток, без контакта с кожей. Это достигается с помощью видеозаписи лица для анализа едва заметных кратковременных изменений цвета кожи субъекта, которые не видны человеческому глазу. [19] [20] Такое измерение уровня кислорода в крови с помощью камеры обеспечивает бесконтактную альтернативу обычной фотоплетизмографии. Например, его можно использовать для мониторинга частоты сердечных сокращений новорожденных, [21] или анализировать с помощью глубоких нейронных сетей для количественной оценки уровня стресса. [11]

Цифровая голография

Фотоплетизмография большого пальца с помощью внеосевой цифровой голографии.
пульсирующие волны на спине лягушки, измеренные с помощью внеосевой голографической фотоплетизмографии

Удаленная фотоплетизмография также может быть выполнена с помощью цифровой голографии , которая чувствительна к фазе световых волн и, следовательно, может обнаруживать субмикронное внеплоскостное движение. В частности, широкопольное изображение пульсирующего движения, вызванного кровотоком, может быть измерено на большом пальце с помощью цифровой голографии . Результаты сопоставимы с пульсом крови, контролируемым с помощью плетизмографии во время эксперимента по окклюзии-реперфузии. [22] Основным преимуществом этой системы является то, что не требуется никакого физического контакта с исследуемой областью поверхности ткани. Двумя основными ограничениями этого подхода являются (i) внеосевая интерферометрическая конфигурация, которая уменьшает доступную пространственную полосу пропускания матрицы датчиков , и (ii) использование анализа кратковременного преобразования Фурье (через дискретное преобразование Фурье ), который отфильтровывает физиологические сигналы.

лазерная допплеровская визуализация пульсовых волн на поверхности руки методом голографической фотоплетизмографии с использованием осевой цифровой интерферометрии.

Анализ главных компонентов цифровых голограмм [23] , реконструированных из оцифрованных интерферограмм, полученных со скоростью более ~1000 кадров в секунду, выявляет поверхностные волны на руке. Этот метод является эффективным способом выполнения цифровой голографии из осевых интерферограмм, что смягчает как пространственное сокращение полосы пропускания внеосевой конфигурации, так и фильтрацию физиологических сигналов. Более высокая пространственная полоса пропускания имеет решающее значение для большего поля зрения изображения.

Усовершенствование голографической фотоплетизмографии, голографическая лазерная допплеровская визуализация , позволяет осуществлять неинвазивный мониторинг пульсовой волны кровотока в кровеносных сосудах сетчатки , сосудистой оболочки , конъюнктивы и радужной оболочки . [24] В частности, лазерная допплеровская голография глазного дна, хориоидеи вносит основной вклад в высокочастотный лазерный допплеровский сигнал. Однако можно обойти его влияние, вычитая пространственно усредненный базовый сигнал, и достичь высокого временного разрешения и возможности полномасштабной визуализации пульсирующего кровотока.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Allen J (март 2007). «Фотоплетизмография и ее применение в клинических физиологических измерениях». Physiological Measurement . 28 (3): R1–39. doi :10.1088/0967-3334/28/3/R01. PMID  17322588. S2CID  11450080.
  2. ^ abc Kyriacou PA, Allen J, ред. (2021). Фотоплетизмография: технология, анализ сигналов и приложения . Elsevier.
  3. ^ Шелли К, Шелли С, Лейк К (2001). «Форма волны пульсоксиметра: фотоэлектрическая плетизмография». В Лейк К, Хайнс Р, Блитт К (ред.). Клинический мониторинг . WB Saunders Company. стр. 420–428.
  4. ^ Pelaez EA, Villegas ER (2007). «Компромиссы снижения мощности светодиодов для амбулаторной пульсоксиметрии». 2007 29-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society . Том 2007. С. 2296–2299. doi :10.1109/IEMBS.2007.4352784. ISBN 978-1-4244-0787-3. PMID  18002450. S2CID  34626885.
  5. ^ Reisner A, Shaltis PA, McCombie D, Asada HH (май 2008 г.). «Польза фотоплетизмограммы в мониторинге кровообращения». Анестезиология . 108 (5): 950–958. doi : 10.1097/ALN.0b013e31816c89e1 . PMID  18431132.
  6. ^ ab Charlton PH, Kyriaco PA, Mant J, Marozas V, Chowienczyk P, Alastruey J (март 2022 г.). «Носимые фотоплетизмографические устройства для мониторинга сердечно-сосудистой системы». Труды IEEE. Институт инженеров по электротехнике и электронике . 110 (3): 355–381. doi :10.1109/JPROC.2022.3149785. PMC 7612541. PMID  35356509 . 
  7. ^ Budidha K, Kyriacou PA (2015). «Исследование фотоплетизмографии и насыщения артериальной крови кислородом из слухового прохода и пальца в условиях искусственно вызванной гипотермии» (PDF) . 2015 37-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . Том 2015. стр. 7954–7957. doi :10.1109/EMBC.2015.7320237. ISBN 978-1-4244-9271-8. PMID  26738137. S2CID  4574235.
  8. ^ Allen J, Overbeck K, Nath AF, Murray A, Stansby G (апрель 2008 г.). «Проспективное сравнение двусторонней фотоплетизмографии с индексом лодыжечно-плечевого давления для выявления и количественной оценки заболевания периферических артерий нижних конечностей». Журнал сосудистой хирургии . 47 (4): 794–802. doi : 10.1016/j.jvs.2007.11.057 . PMID  18381141.
  9. ^ McKay ND, Griffiths B, Di Maria C, Hedley S, Murray A, Allen J (октябрь 2014 г.). «Новые фотоплетизмографические сердечно-сосудистые оценки у пациентов с феноменом Рейно и системным склерозом: пилотное исследование». Ревматология . 53 (10): 1855–1863. doi :10.1093/rheumatology/keu196. PMID  24850874.
  10. ^ Mizeva I, Di Maria C, Frick P, Podtaev S, Allen J (март 2015 г.). «Количественная оценка корреляции между фотоплетизмографией и лазерной допплеровской флоуметрией микрососудистых низкочастотных колебаний». Журнал биомедицинской оптики . 20 (3): 037007. Bibcode : 2015JBO....20c7007M. doi : 10.1117/1.JBO.20.3.037007 . PMID  25764202. S2CID  206437523.
  11. ^ ab Al-Jebrni AH, Chwyl B, Wang XY, Wong A, Saab BJ (2020-05-01). "Дистанционная и объективная количественная оценка стресса в масштабе с использованием ИИ". Биомедицинская обработка сигналов и управление . 59 : 101929. doi : 10.1016/j.bspc.2020.101929 . ISSN  1746-8094.
  12. ^ Alian AA, Shelley KH (декабрь 2014 г.). «Фотоплетизмография». Передовая практика и исследования. Клиническая анестезиология . 28 (4): 395–406. doi :10.1016/j.bpa.2014.08.006. PMID  25480769.
  13. ^ ab Shelley KH (декабрь 2007 г.). «Фотоплетизмография: за пределами расчета насыщения артериальной крови кислородом и частоты сердечных сокращений». Анестезия и анальгезия . 105 (6 Suppl): S31–S36. doi : 10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9 . PMID  18048895. S2CID  21556782.
  14. ^ Shelley KH, Jablonka DH, Awad AA, Stout RG, Rezkanna H, Silverman DG (август 2006 г.). «Какое место лучше всего подходит для измерения эффекта вентиляции на форму волны пульсоксиметра?». Анестезия и анальгезия . 103 (2): 372–7, оглавление. doi : 10.1213/01.ane.0000222477.67637.17 . PMID  16861419. S2CID  6926327.
  15. ^ Charlton PH, Birrenkott DA, Bonnici T, Pimentel MA, Johnson AE, Alastruey J, et al. (2018). «Оценка частоты дыхания по электрокардиограмме и фотоплетизмограмме: обзор». Обзоры IEEE по биомедицинской инженерии . 11 : 2–20. doi :10.1109/RBME.2017.2763681. PMC 7612521. PMID  29990026 . 
  16. ^ Davies HJ, Bachtiger P, Williams I, Molyneaux PL, Peters NS, Mandic DP (июль 2022 г.). «Носимый внутриушной PPG: подробные респираторные изменения позволяют классифицировать ХОБЛ». Труды IEEE по биомедицинской инженерии . 69 (7): 2390–2400. doi : 10.1109/TBME.2022.3145688. hdl : 10044/1/96220 . PMID  35077352. S2CID  246287257.
  17. ^ Шамир М., Эйдельман ЛА, Фломан Й., Каплан Л., Пизов Р. (февраль 1999 г.). «Плетизмографическая форма волны пульсоксиметрии при изменении объема крови». British Journal of Anaesthesia . 82 (2): 178–81. doi : 10.1093/bja/82.2.178 . PMID  10364990.
  18. ^ Wendling P (28 августа 2019 г.). "FDA одобряет безманжетный монитор артериального давления Biobeat". Medscape . Получено 5 сентября 2019 г.
  19. ^ Verkruysse W, Svaasand LO, Nelson JS (декабрь 2008 г.). «Удаленная плетизмографическая визуализация с использованием окружающего света». Optics Express . 16 (26): 21434–21445. Bibcode : 2008OExpr..1621434V. doi : 10.1364/OE.16.021434. PMC 2717852. PMID  19104573 . 
  20. ^ Rouast PV, Adam MT, Chiong R, Cornforth D, Lux E (2018). «Дистанционное измерение частоты сердечных сокращений с использованием недорогого RGB-видео лица: обзор технической литературы». Frontiers of Computer Science . 12 (5): 858–872. doi :10.1007/s11704-016-6243-6. S2CID  1483621.
  21. ^ Пример бесконтактного мониторинга в действии. YouTube . Архивировано из оригинала 2021-12-11.
  22. ^ Bencteux J, Pagnoux P, Kostas T, Bayat S, Atlan M (июнь 2015 г.). «Голографическая лазерная допплеровская визуализация пульсирующего кровотока». Журнал биомедицинской оптики . 20 (6): 066006. arXiv : 1501.05776 . Bibcode : 2015JBO....20f6006B. doi : 10.1117/1.JBO.20.6.066006. PMID  26085180. S2CID  20234484.
  23. ^ Puyo L, Bellonnet-Mottet L, Martin A, Te F, Paques M, Atlan M (2020). «Цифровая голография сетчатки в реальном времени с помощью анализа главных компонент». arXiv : 2004.00923 [physics.med-ph].
  24. ^ Puyo L, Paques M, Fink M, Sahel JA, Atlan M (сентябрь 2018 г.). «In vivo лазерная допплеровская голография сетчатки человека». Biomedical Optics Express . 9 (9): 4113–4129. arXiv : 1804.10066 . doi : 10.1364/BOE.9.004113. PMC 6157768. PMID  30615709 .