Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


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

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.03.2021
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 32)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182:537.86
DOI: 
10.18500/1817-3020-2021-21-1-58-68

Разработка цифрового датчика пальцевой фотоплетизмограммы

Авторы: 
Кульминский Данил Дмитриевич, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Саратовский филиал
Курбако Александр Васильевич, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Сказкина Виктория Викторовна, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Прохоров Михаил Дмитриевич, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Саратовский филиал
Пономаренко Владимир Иванович, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Саратовский филиал
Киселев Антон Робертович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Безручко Борис Петрович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Караваев Анатолий Сергеевич, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

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.

Список источников: 
  1. Cullis P. The Personalized Medicine Revolution : How Diagnosing and Treating Disease Are About to Change Forever. Vancouver : Greystone Books, 2015. 176 p.
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. Jain K. Textbook of Personalized Medicine. N.Y. : Springer-Verlag, 2015. 430 p. DOI:  https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0769-1
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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.
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. 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
Поступила в редакцию: 
22.07.2020
Принята к публикации: 
02.10.2020
Опубликована: 
31.03.2021