Для цитирования:
Кульминский Д. Д., Курбако А. В., Сказкина В. В., Прохоров М. Д., Пономаренко В. И., Киселев А. Р., Безручко Б. П., Караваев А. С. Разработка цифрового датчика пальцевой фотоплетизмограммы // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2021. Т. 21, вып. 1. С. 58-68. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-1-58-68, EDN: FHQUIJ
Разработка цифрового датчика пальцевой фотоплетизмограммы
Благодаря развитию методов анализа сигналов автономного контроля кровообращения, нарушения в работе сердечно-сосудистой системы могут быть диагностированы сегодня на ранних стадиях. Для персонифицированной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы и мониторинга ее показателей перспективно использовать специализированные устройства. Исследования систем автономного контроля кровообращения являются сложной проблемой как с точки зрения физиологии, так и радиофизики. Для ее решения требуется разработка методов и специализированных устройств для анализа и регистрации сигналов сердечно-сосудистой системы. Поэтому целью работы является разработка датчика фотоплетизмограммы с цифровым каналом связи и полосой пропускания аналогового сигнала от 0 до 30 Гц, регистрирующего сигналы системы автономного контроля кровообращения. Разработан и реализован прототип устройства для регистрации и анализа сигнала фотоплетизмограммы, позволяющий регистрировать сигналы контуров автономной регуляции кровообращения. Проведен сравнительный анализ разработанного устройства с серийным аналоговым датчиком, продемонстрировавший преимущества разработанного нами устройства. Разработанный широкополосный цифровой датчик пальцевой фотоплетизмограммы может быть использован для диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы на основе анализа синхронизации контуров автономной регуляции кровообращения.
- Cullis P. The Personalized Medicine Revolution : How Diagnosing and Treating Disease Are About to Change Forever. Vancouver : Greystone Books, 2015. 176 p.
- Kiselev A. R., Borovkova E. I., Shvartz V. A., Skazkina V. V., Karavaev A. S., Prokhorov M. D., Ispiryan A. Y., Mironov S. A., Bockeria O. L. Low-frequency variability in photoplethysmographic waveform and heart rate during on-pump cardiac surgery with or without cardioplegia // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. 2118. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-58196-z
- Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement // Physiological Measurement. 2007. Vol. 28. P. R1–R39. DOI: https://doi.org/10.1088/0967-3334/28/3/R01
- Nitzan M., Turivnenko S., Milston A., Babchenko A., Mahler Y. Low-frequency variability in the blood volume and in the blood volume pulse measured by photoplethysmography // Journal of Biomedical Optics. 1996. Vol. 1. P. 223–229. DOI: https://doi.org/10.1117/12.231366
- Jain K. Textbook of Personalized Medicine. N.Y. : Springer-Verlag, 2015. 430 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0769-1
- Karavaev A. S., Kiselev A. R., Gridnev V. I., Borovkova E. I., Prokhorov M. D., Posnenkova O. M., Ponomarenko V. I., Bezruchko B. P., Shvartz V. A. Phase and Frequency Locking of 0.1 Hz Oscillations in Heart Rate and Baroreflex Control of Blood Pressure by Breathing of Linearly Varying Frequency as Determined in Healthy Subjects // Human Physiology. 2013. Vol. 39, № 4. P. 416–425. DOI: https://doi.org/10.1134/S0362119713010040
- Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task Force of the European Society of Cardiology the North American Society of Pacing Electrophysiology // Circulation. 1996. Vol. 93. P. 1043‒1065. DOI: https://doi.org/10.1161/01.CIR.93.5.1043
- Orini M., Laguna P., Mainardi L.T., Bailуn R. Assessment of the dynamic interactions between heart rate and arterial pressure by the cross time–frequency analysis // Physiological Measurement. 2012. Vol. 33, № 3. P. 315‒331. DOI: https://doi.org/10.1088/0967-3334/33/3/315
- Bernardi L., Radaelli A., Solda P. L., Coats A. J. S., Reeder M., Calciati A., Garrard C. S., Sleight P. Autonomic control of skin microvessels : Assessment by power spectrum of photoplethysmographic waves // Clinical Science. 1996. Vol. 90. P. 345‒355. DOI: https://doi.org/10.1042/cs0900345
- Middleton P. M., Tang C. H., Chan G. S., Bishop S., Savkin A. V., Lovell N. H. Peripheral photoplethysmography variability analysis of sepsis patients // Med. Biol. Eng. Comput. 2011. Vol. 49. P. 337‒347. DOI: https://doi.org/10.1007/s11517-010-0713-z
- Karavaev A. S., Prokhorov M. D., Ponomarenko V. I., Kiselev A. R., Gridnev V. I., Ruban E. I., Bezruchko B. P. Synchronization of low-frequency oscillations in the human cardiovascular system // Chaos. 2009. Vol. 19. 033112. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3187794
- Karavaev A. S., Ishbulatov Yu. M., Ponomarenko V. I., Bezruchko B. P., Kiselev A. R., Prokhorov M. D. Autonomic control is a source of dynamical chaos in the cardiovascular system // Chaos. 2019. Vol. 29. 121101. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5134833.
- Kiselev A. R., Mironov S. A., Karavaev A. S., Kulminskiy D. D., Skazkina V. V., Borovkova E. I., Shvartz V. A., Роnomarenko V. I., Prokhorov M. D. A comprehensive assessment of cardiovascular autonomic control using photoplethysmograms recorded from earlobe and fingers // Physiological Measurement. 2016. Vol. 37. P. 580–595. DOI: https://doi.org/10.1088/0967-3334/37/4/580
- Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D., Karavaev A. S., Kiselev A. R., Gridnev V. I. Bezruchko B. P. Synchronization of low-frequency oscillations in the cardiovascular system : Application to medical diagnostics and treatment // The European Physical Journal Special Topics. 2013. Vol. 222. P. 2687–2696. DOI: https://doi.org/10.1140/epjst/e2013-02048-1
- Reisner A., Shaltis P. A., McCombie D., Asada H. Utility of the Photoplethysmogram in Circulatory Monitoring // Anesthesiology. 2008. Vol. 108. P. 950‒958. DOI: https://doi.org/10.1097/ALN.0b013e31816c89e1
- Elgendi M., Fletcher R., Liang Y., Howard N., Lovell N. H., Abbott D., Lim K., Ward R. The use of photoplethysmography for assessing hypertension // Digital Medicine. 2019. Vol. 2. P. 60. DOI: https://doi.org/10.1038/s41746-019-0136-7
- Bashkatov A., Genina E., Kochubey V., Tuchin V. Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 38. P. 2543. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/15/004
- Moraes J. L., Rocha M. X., Vasconcelos G. G., Vasconcelos Filho J. E., De Albuquerque V. H. C., Alexandria A. R. Advances in photopletysmography signal analysis for biomedical applications // Sensors. 2018. Vol. 18. 1894. DOI: https://doi.org/10.3390/s18061894
- Sun Y., Thakor N. Photoplethysmography revisited : from contact to noncontact, from point to imaging // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2015. Vol. 63. P. 463‒477. DOI: https://doi.org/10.1109/TBME.2015.2476337
- Tamura T., Maeda Y., Sekine M., Yoshida M. Wearable photoplethysmographic sensors ‒ past and present // Electronics. 2014. Vol. 3. P. 282‒302. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics3020282
- Brucal S. G. E., Clamor G. K. D., Pasiliao L. A. O., Soriano J. P. F., Varilla L. P. M. Portable electrocardiogram device using Android smartphone // 2016 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). Orlando, FL, USA, 2016. P. 509‒512. DOI: https://doi.org/10.1109/EMBC.2016.7590751
- Hu J., Cui X., Gong Y., Xu X., Gao B., Wen T., Lu T. J., Xu F. Portable microfluidic and smartphone-based devices for monitoring of cardiovascular diseases at the point of care // Biotechnology Advances. 2016. Vol. 34. P. 305‒320. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2016.02.008
- Sohn K., Merchant F. M., Sayadi O., Puppala D., Doddamani R., Sahani A., Singh J. P., Heist E. K., Isselbacher E. M., Armoundas A. A. A novel point-of-care smartphone based system for monitoring the cardiac and respiratory systems // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. 44946. DOI: https://doi.org/10.1038/srep44946
- Villamil C. A., Landínez S. F., López D. M., Blobel B. A mobile ECG system for the evaluation of cardiovascular risk // Stud. Health. Technol. Inform. 2016. Vol. 228. P. 210‒214. DOI: https://doi.org/10.3233/978-1-61499-678-1-210210
- Dedov V. N., Dedova I. V. Development of the internetenabled system for exercise telerehabilitation and cardiovascular training // Telemed. J. E. Health. 2015. Vol. 21. P. 575‒580. DOI: https://doi.org/10.1089/tmj.2014.0163
- Vogel S., Hulsbusch M., Hennig T., Blazek V., Leonhardt S. In-ear vital signs monitoring using a novel microoptic reflective sensor // IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed. 2009. Vol. 13. P. 882–889. DOI: https://doi.org/10.1109/TITB.2009.2033268
- Wang C. Z., Zheng Y. P. Home-telecare of the elderly living alone using an new designed ear-wearable sensor // Proc. Int. Conf. Wearable Implantable Body Sens. Netw. 2008. P. 280–283. DOI: https://doi.org/10.1109/ISSMDBS.2008.4575019
- Shin K., Kim Y., Bae S., Park K., Kim S. A Novel Headset with a Transmissive PPG Sensor for Heart Rate Measurement // 13th International Conference on Biomedical Engineering. IFMBE Proceedings. 2009. Vol. 23. P. 519–522. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-92841-6_127
- Poh M.-Z., Swenson N. C., Picard R. W. Motion-tolerant magnetic earring sensor and wireless earpiece for wearable photoplethysmography // IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed. 2010. Vol. 14. P. 786–794. DOI: https://doi.org/10.1109/TITB.2010.2042607
- Spigulis J., Erts R., Nikiforovs V., Kviesis-Kipge E. Wearable wireless photoplethysmography sensors // Proc. SPIE. 2008. Vol. 6991. P. 69912O-1–69912O-7. DOI: https://doi.org/10.1117/12.801966
- Rhee S., Yang B.-H., Asada H. H. Artifact-resistant powerefficient design of finger-ring plethysmographic sensors // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2001. Vol. 48. P. 795‒805. DOI: https://doi.org/10.1109/10.930904
- Elgendi M., Fletcher R., Liang Y., Howard N., Lovell N. H., Abbott D., Lim K., Ward R. The use of photoplethysmography for assessing hypertension // Digital Medicine. 2019. Vol. 2. P. 60. DOI: https://doi.org/10.1038/s41746-019-0136-7
- 1243 просмотра