Фотоплетизмограмма
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2019 г. ) |
Фотоплетизмография | |
---|---|
МеШ | Д017156 |
Фотоплетизмограмма ФПГ ( полученную оптическим путем ) представляет собой плетизмограмму, , которую можно использовать для обнаружения изменений объема крови в микрососудистом русле ткани. [ 1 ] [ 2 ] PPG часто получают с помощью пульсоксиметра , который освещает кожу и измеряет изменения в поглощении света. [ 3 ] Обычный пульсоксиметр контролирует перфузию крови в дерму и подкожную клетчатку кожи.
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 прикрепляют без сдавливания кожи, пульс давления также можно увидеть со стороны венозного сплетения в виде небольшого вторичного пика.
Изменение объема, вызванное импульсом давления, обнаруживается путем освещения кожи светом светодиода ( LED) и последующего измерения количества света, переданного или отраженного фотодиодом. [ 4 ] Каждый сердечный цикл выглядит как пик, как показано на рисунке. Поскольку приток крови к коже может модулироваться множеством других физиологических систем, PPG также можно использовать для мониторинга дыхания, гиповолемии и других состояний кровообращения. [ 5 ] Кроме того, форма сигнала ФПГ различается у разных субъектов и зависит от места и способа крепления пульсоксиметра.
Хотя датчики PPG широко используются в ряде коммерческих и клинических приложений, точные механизмы, определяющие форму сигнала PPG, еще не полностью изучены. [ 6 ]
Сайты для измерения PPG
[ редактировать ]Хотя пульсоксиметры являются широко используемыми медицинскими устройствами , записываемый ими сигнал PPG редко отображается и номинально обрабатывается только для определения оксигенации крови и частоты сердечных сокращений . [ 2 ] PPG можно получить 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 ФПГ 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 многозонной фотоплетизмографии (MPPG), например, путем одновременного измерения правых и левых мочек уха, указательных и больших пальцев ног, что дает дополнительные возможности для обследования пациентов с подозрением на заболевание периферических артерий, вегетативную дисфункцию. эндотелиальная дисфункция и жесткость артерий. 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 точным показаниям во время тренировок и в условиях свободной жизни. [ 6 ]
Использование
[ редактировать ]Мониторинг сердечного ритма и сердечного цикла
[ редактировать ]Поскольку кожа очень хорошо кровоснабжается, относительно легко обнаружить пульсирующий компонент сердечного цикла. Компонент постоянного тока сигнала обусловлен объемным поглощением кожной ткани, тогда как компонент переменного тока напрямую связан с изменением объема крови в коже, вызванным импульсом давления сердечного цикла.
Высота AC-компонента фотоплетизмограммы пропорциональна пульсовому давлению, разнице между систолическим и диастолическим давлением в артериях. Как видно на рисунке, показывающем преждевременные сокращения желудочков (PVC), импульс PPG для сердечного цикла с PVC приводит к более низкой амплитуде артериального давления и PPG. желудочковая тахикардия и фибрилляция желудочков . Также могут обнаруживаться [ 12 ]
Мониторинг дыхания
[ редактировать ]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 сильно влияет на давление на полую вену и наполнение правого предсердия.
Во время вдоха внутриплевральное давление снижается до 4 мм рт. ст., что растягивает правое предсердие, обеспечивая более быстрое наполнение из полой вены, увеличивая преднагрузку желудочка, но уменьшая ударный объем. И наоборот, во время выдоха сердце сжимается, что снижает эффективность сердечной деятельности и увеличивает 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 по фотоплетизмограмме. [ 15 ] а также более подробные измерения дыхания, такие как время вдоха. [ 16 ]
Мониторинг глубины анестезии
[ редактировать ]Анестезиологам часто приходится субъективно судить о том, достаточно ли анестезирован пациент для операции. Как видно на рисунке, если пациент недостаточно анестезирован, реакция симпатической нервной системы на разрез может вызвать немедленный ответ в виде амплитуды PPG. [ 13 ]
Мониторинг гипо- и гиперволемии
[ редактировать ]Шамир, Эйдельман и др. изучали взаимодействие между вдохом и удалением 10% объема крови пациента для хранения крови перед операцией. [ 17 ] Они обнаружили, что кровопотерю можно обнаружить как по фотоплетизмограмме с пульсоксиметра, так и с помощью артериального катетера. У пациентов наблюдалось уменьшение амплитуды сердечного пульса, вызванное уменьшением преднагрузки сердца на выдохе при сжатии сердца.
Мониторинг артериального давления
[ редактировать ]предоставило Сообщается , что в августе 2019 года FDA разрешение на фотоплетизмографический прибор для измерения артериального давления без манжеты. [ 18 ]
Дистанционная фотоплетизмография
[ редактировать ]Традиционная визуализация
[ редактировать ]В то время как фотоплетизмография обычно требует некоторой формы контакта с кожей человека (например, ухом, пальцем), дистанционная фотоплетизмография позволяет определять физиологические процессы, такие как кровоток, без контакта с кожей. Это достигается за счет использования видео лица для анализа тонких мгновенных изменений цвета кожи субъекта, которые не заметны человеческому глазу. [ 19 ] [ 20 ] в крови с помощью камеры Такое измерение уровня кислорода обеспечивает бесконтактную альтернативу обычной фотоплетизмографии. Например, его можно использовать для мониторинга сердечного ритма новорожденных, [ 21 ] или анализироваться с помощью глубоких нейронных сетей для количественной оценки уровня стресса. [ 11 ]
Цифровая голография
[ редактировать ]Удаленная фотоплетизмография также может выполняться с помощью цифровой голографии , которая чувствительна к фазе световых волн и, следовательно, может выявить субмикронное движение вне плоскости. В частности, широкоугольное изображение пульсирующего движения, вызванного кровотоком, можно измерить на большом пальце с помощью цифровой голографии . Результаты сопоставимы с пульсом крови, контролируемым с помощью плетизмографии во время окклюзионно-реперфузионного эксперимента. [ 22 ] Основным преимуществом этой системы является то, что не требуется физического контакта с исследуемой поверхностью 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 (посредством дискретного преобразования Фурье ), которое фильтрует отключить физиологические сигналы.
Метод главных компонент цифровых голограмм [ 23 ] реконструированный на основе оцифрованных интерферограмм, полученных со скоростью более 1000 кадров в секунду, обнаруживает поверхностные волны на руке. Этот метод является эффективным способом выполнения цифровой голографии на основе осевых интерферограмм, который устраняет как уменьшение пространственной полосы пропускания внеосевой конфигурации, так и фильтрацию физиологических сигналов. Более высокая пространственная полоса пропускания имеет решающее значение для увеличения поля зрения изображения.
Усовершенствованная голографическая фотоплетизмография, голографическая лазерная допплеровская визуализация , позволяет неинвазивно контролировать пульсовую волну кровотока в кровеносных сосудах сетчатки , сосудистой оболочки , конъюнктивы и радужной оболочки . [ 24 ] В частности, лазерная допплеровская голография глазного дна и сосудистой оболочки вносит преобладающий вклад в высокочастотный лазерный доплеровский сигнал. Однако можно обойти его влияние путем вычитания пространственно усредненного базового сигнала и добиться высокого временного разрешения и возможности полноформатной визуализации пульсирующего кровотока.
См. также
[ редактировать ]- Клиторальный фотоплетизмограф
- Монитор сердечного ритма
- Гемодинамика
- Лазерная допплерография
- Плетизмограф
- Пульсоксиметрия § Производные измерения
- Вагинальный фотоплетизмограф
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аллен Дж. (март 2007 г.). «Фотоплетизмография и ее применение в клинических физиологических измерениях». Физиологическое измерение . 28 (3): Р1–39. дои : 10.1088/0967-3334/28/3/R01 . ПМИД 17322588 . S2CID 11450080 .
- ^ Jump up to: а б с Кириаку П.А., Аллен Дж., ред. (2021). Фотоплетизмография: технология, анализ сигналов и приложения . Эльзевир.
- ^ Шелли К., Шелли С., Лейк С (2001). «Форма пульсового оксиметра: фотоэлектрическая плетизмография». В Лейк С., Хайнс Р., Блитт С. (ред.). Клинический мониторинг . Компания WB Saunders. стр. 420–428.
- ^ Пелаес Э.А., Вильегас Э.Р. (2007). «Компромиссы по снижению мощности светодиодов для амбулаторной пульсоксиметрии». 2007 29-я ежегодная международная конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE . Том. 2007. С. 2296–2299. дои : 10.1109/IEMBS.2007.4352784 . ISBN 978-1-4244-0787-3 . ПМИД 18002450 . S2CID 34626885 .
- ^ Рейснер А., Шалтис П.А., МакКомби Д., Асада Х.Х. (май 2008 г.). «Полезность фотоплетизмограммы в мониторинге кровообращения» . Анестезиология . 108 (5): 950–958. дои : 10.1097/ALN.0b013e31816c89e1 . ПМИД 18431132 .
- ^ Jump up to: а б Чарльтон П.Х., Кириако П.А., Мант Дж., Марозас В., Човенчик П., Аластруэй Дж. (март 2022 г.). «Носимый фотоплетизмограф для сердечно-сосудистого мониторинга» . Труды IEEE. Институт инженеров электротехники и электроники . 110 (3): 355–381. дои : 10.1109/JPROC.2022.3149785 . ПМЦ 7612541 . ПМИД 35356509 .
- ^ Будида К., Кириаку П.А. (2015). «Исследование фотоплетизмографии и насыщения кислородом артериальной крови из слухового прохода и пальца в условиях искусственно вызванной гипотермии» (PDF) . 2015 37-я ежегодная международная конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE (EMBC) . Том. 2015. С. 7954–7957. дои : 10.1109/EMBC.2015.7320237 . ISBN 978-1-4244-9271-8 . ПМИД 26738137 . S2CID 4574235 .
- ^ Аллен Дж., Овербек К., Нэт А.Ф., Мюррей А., Стэнсби Дж. (апрель 2008 г.). «Проспективное сравнение двусторонней фотоплетизмографии с индексом лодыжечно-плечевого давления для выявления и количественной оценки заболеваний периферических артерий нижних конечностей» . Журнал сосудистой хирургии . 47 (4): 794–802. дои : 10.1016/j.jvs.2007.11.057 . ПМИД 18381141 .
- ^ Маккей Н.Д., Гриффитс Б., Ди Мария С., Хедли С., Мюррей А., Аллен Дж. (октябрь 2014 г.). «Новые фотоплетизмографические оценки сердечно-сосудистой системы у пациентов с феноменом Рейно и системной склеродермией: пилотное исследование». Ревматология . 53 (10): 1855–1863. doi : 10.1093/ревматология/keu196 . ПМИД 24850874 .
- ^ Мизева И., Ди Мария С., Фрик П., Подтаев С., Аллен Дж. (март 2015 г.). «Количественная оценка корреляции между фотоплетизмографией и лазерной допплеровской флоуметрией микрососудистых низкочастотных колебаний» . Журнал биомедицинской оптики . 20 (3): 037007. Бибкод : 2015JBO....20c7007M . дои : 10.1117/1.JBO.20.3.037007 . ПМИД 25764202 . S2CID 206437523 .
- ^ Jump up to: а б Аль-Джебрни А.Х., Чвил Б., Ван XY, Вонг А., Сааб Б.Дж. (01.05.2020). «Удаленная и объективная количественная оценка стресса с помощью искусственного интеллекта» . Биомедицинская обработка сигналов и контроль . 59 : 101929. doi : 10.1016/j.bspc.2020.101929 . ISSN 1746-8094 .
- ^ Алиан А.А., Шелли К.Х. (декабрь 2014 г.). «Фотоплетизмография». Лучшие практики и исследования. Клиническая анестезиология . 28 (4): 395–406. дои : 10.1016/j.bpa.2014.08.006 . ПМИД 25480769 .
- ^ Jump up to: а б Шелли К.Х. (декабрь 2007 г.). «Фотоплетизмография: помимо расчета артериальной сатурации кислорода и частоты сердечных сокращений» . Анестезия и анальгезия . 105 (6 доп.): S31–S36. дои : 10.1213/01.ane.0000269512.82836.c9 . ПМИД 18048895 . S2CID 21556782 .
- ^ Шелли К.Х., Яблонка Д.Х., Авад А.А., Стаут Р.Г., Резканна Х., Сильверман Д.Г. (август 2006 г.). «Какое место лучше всего подходит для измерения влияния вентиляции на форму волны пульсоксиметра?» . Анестезия и анальгезия . 103 (2): 372–7, оглавление. дои : 10.1213/01.ane.0000222477.67637.17 . ПМИД 16861419 . S2CID 6926327 .
- ^ Чарльтон П.Х., Бирренкотт Д.А., Бонничи Т., Пиментель М.А., Джонсон А.Е., Аластруи Дж. и др. (2018). «Оценка частоты дыхания по электрокардиограмме и фотоплетизмограмме: обзор» . Обзоры IEEE в области биомедицинской инженерии . 11 :2–20. дои : 10.1109/RBME.2017.2763681 . ПМЦ 7612521 . ПМИД 29990026 .
- ^ Дэвис Х.Дж., Бахтигер П., Уильямс И., Молино П.Л., Петерс Н.С., Мандич Д.П. (июль 2022 г.). «Носимый внутриушной PPG: подробные респираторные изменения позволяют классифицировать ХОБЛ». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 69 (7): 2390–2400. дои : 10.1109/TBME.2022.3145688 . hdl : 10044/1/96220 . ПМИД 35077352 . S2CID 246287257 .
- ^ Шамир М., Эйдельман Л.А., Фломан Ю., Каплан Л., Пизов Р. (февраль 1999 г.). «Пульсоксиметрическая плетизмографическая кривая при изменении объема крови» . Британский журнал анестезии . 82 (2): 178–81. дои : 10.1093/бья/82.2.178 . ПМИД 10364990 .
- ^ Вендлинг П. (28 августа 2019 г.). «FDA одобрило безманжетный монитор артериального давления Biobeat» . Медскейп . Проверено 5 сентября 2019 г.
- ^ Веркруйсс В., Сваасанд Л.О., Нельсон Дж.С. (декабрь 2008 г.). «Дистанционная плетизмографическая визуализация с использованием окружающего света» . Оптика Экспресс . 16 (26): 21434–21445. Бибкод : 2008OExpr..1621434V . дои : 10.1364/OE.16.021434 . ПМЦ 2717852 . ПМИД 19104573 .
- ^ Руаст П.В., Адам М.Т., Чионг Р., Корнфорт Д., Люкс Е (2018). «Дистанционное измерение сердечного ритма с использованием недорогого RGB-видео лица: обзор технической литературы». Границы информатики . 12 (5): 858–872. дои : 10.1007/s11704-016-6243-6 . S2CID 1483621 .
- ^ Пример бесконтактного мониторинга в действии . Ютуб . Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г.
- ^ Бенкте Дж., Паню П., Костас Т., Баят С., Атлан М. (июнь 2015 г.). «Голографическая лазерная допплерография пульсирующего кровотока». Журнал биомедицинской оптики . 20 (6): 066006. arXiv : 1501.05776 . Бибкод : 2015JBO....20f6006B . дои : 10.1117/1.JBO.20.6.066006 . ПМИД 26085180 . S2CID 20234484 .
- ^ Пуйо Л., Беллонне-Мотте Л., Мартин А., Те Ф., Пакес М., Атлан М. (2020). «Цифровая голография сетчатки в реальном времени методом главных компонент». arXiv : 2004.00923 [ physical.med-ph ].
- ^ Пуйо Л., Пакес М., Финк М., Сахель Х.А., Атлан М. (сентябрь 2018 г.). « in vivo Лазерная допплеровская голография сетчатки человека » . Биомедицинская оптика Экспресс . 9 (9): 4113–4129. arXiv : 1804.10066 . дои : 10.1364/BOE.9.004113 . ПМК 6157768 . ПМИД 30615709 .