CC BY
105
ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Бесконтактное измерение частоты сердечных сокращений у новорожденных
А.А. Таранов1, Д.В. Аксенов2, И.Н. Спиридонов1, Д.Н. Дегтярев2
1 ГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»
2 ФГБУ «Научный центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. акад. В.И. Кулакова» Минздрава России, Москва
Авторы разработали средство измерения частоты сердечных измерений (ЧСС), отличительной особенностью которого является отсутствие прямого контакта с телом ребенка. Принцип бесконтактного измерения ЧСС основан на цифровой обработке сигнала фотоплетизмограммы кожных покровов лица человека. Сигнал фотоплетизмограммы регистрируется посредством веб-камеры и специальной программно-алгоритмической обработки видеоизображения лица. Апробация средства измерения была проведена в отделении новорожденных отдела неонатологии и педиатрии ФГБУ «Научный центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. акад. В.И. Кулакова» Минздрава России. На основе клинического исследования была определена величина абсолютной погрешности средства измерения, которая составила 5 в минуту в диапазоне частот от 100 до 160 в минуту.
Ключевые слова:
частота сердечных
сокращений,
новорожденные,
бесконтактное
измерение
Newborn heart rate contactless measurements
A.A. Taranov1, D.V. Aksenov2, I.N. Spiridonov1, D.N. Degtyarev2
1 Bauman Moscow State Technical University
2 V.I. Kulakov Obstetrics, Gynecology and Perinatology Research Center of Ministry of Healthcare of the Russian Federation, Moscow
#
We have developed a means of measuring heart rate, the distinguishing feature of which is the Lack of direct Keywords:
contact with the body of the child. The principle of non-contact measurement of heart rate based on digital heart rate,
signal processing of photoplethysmography skin of the human face. The photoplethysmogram signal is recorded newborns,
through a webcam and special software and algorithmic processing of the video image of the face. Testing tools non-contact
for the measurement was conducted in the V.I. Kulakov Obstetrics, Gynecology and Perinatology Research Center. measurement The absolute error measurement has been determined on the basis of the experiment, and amounted to 5 beats per minute in the frequency range from 100 to 160 beats per minute.
Мониторинг частоты сердечных сокращений (ЧСС) у новорожденных чрезвычайно важен для оценки состояния организма ребенка в первые часы и дни после рождения. На практике для измерения ЧСС в динамике у новорожденных применяют исключительно контактные методы измерения. Чаще всего для решения этой задачи используют пульсоксиметры, оптические датчики которых крепятся на запястье или ступне новорожденного. В ряде случаев ЧСС измеряется на основании ЭКГ-мониторинга.
Длительный прямой контакт измерительного оборудования с кожными покровами новорожденного не является биоадекватным. Он может приводить к сдавливанию мягких тканей ребенка, нарушению тепло-, водо- и газообменных процессов в месте крепления датчика. Также не исключены грубые ошибки на этапе установки датчиков, такие как по-
НЕОНАТОЛОГИЯ: новости, мнения, обучение №3 2015
вреждение целостности кожного покрова, не соответствующая эксплуатационным требованиям локализация датчика и другие. Устранить сразу все перечисленные недостатки контактных методов измерения можно только одним способом: необходимо отказаться от прямого контакта с телом ребенка.
Разработки технологии бесконтактного измерения ЧСС ведутся с середины XX в. Известно, что значительных успехов исследователи добились только в двух направлениях: биорадиолокации и бесконтактной фотоплетизмографии. Главной проблемой обоих направлений является большая погрешность измерений (>10 в минуту), которая в основном обусловлена действием помех от естественной двигательной активности человека.
Последним значительным достижением в области борьбы с помехой движения стала идея применения программно-
69
Рис. 1. Вид главного окна программы для измерения частоты сердечных сокращений по видеоизображению лица во время проведения измерений
алгоритмической обработки видеоизображения кожных покровов лица человека. Подход основан на том, что пространственные признаки, характерные для лица человека, в сочетании со спектральными признаками, характерными для кожного покрова, позволяют отследить движения человека на видеоизображении и достоверно дифференцировать изменения светоотражения, связанные с движениями и пульсовым изменением кровенаполнения тканей.
После реализации этого подхода было доказано, что цифровое видеоизображение кожных покровов лица в формате RGB 8 бит на канал, без сжатия, с разрешением 640 на 480 пикселей, 30 кадров в секунду содержит сигнал фото-плетизмограммы [1]. Последовавшие за этим исследования доказали, что восстановленный по видеоизображению кожных покровов лица сигнал фотоплетизмограммы позволяет измерять ЧСС с абсолютной погрешностью 3 в минуту в диапазоне частот от 60 до 100 в минуту [2]. Указанные исследования, однако, ограничивались определением погрешности бесконтактного измерения ЧСС только у людей старше 18 лет.
В настоящей работе представлены результаты исследования, проведенного совместно Научным центром акушерства, гинекологии и перинатологии им. акад. В.И. Кулакова и Московским государственным техническим университетом им. Н.Э. Баумана, в ходе которого была впервые проведена апробация бесконтактного средства измерения ЧСС по видеоизображению кожных покровов лица у новорожденных.
Материал и методы
Исследование проводили в условиях отделения новорожденных Научного центра акушерства, гинекологии и перинатологии им. акад. В.И. Кулакова. В исследование были включены 10 детей (6 мальчиков и 4 девочки) первых суток жизни. В процессе измерений новорожденные находились как в открытой кроватке (4 наблюдения), так и в закрытом прозрачном кувезе (6 наблюдений). При этом видеоизображение регистрировалось непосредственно с открытых кожных покровов и через прозрачный материал кувеза (оргстекло). Исследование заключалось в одновременном измерении ЧСС новорожденных двумя методами и их последующем сравнении.
Для регистрации видеоизображения использовали стандартную веб-камеру Logitech C930e, которую устанавливали снаружи перинатального бокса или на боковой стенке ку-веза таким образом, чтобы лицо ребенка проецировалось в центр кадра. Видеоизображение регистрировалось в формате RGB 8 бит на канал, без сжатия, с пространственным разрешением 640 на 480 пикселей, 30 кадров в секунду. Регулировкой фокусного расстояния объектива веб-камеры добивались площади проекции кожного покрова лица не менее 50 000 пикселей (рис. 1). Обрабатывали видеоизображения в режиме реального времени на ноутбуке с центральным процессором Intel Core i5 3230M.
При регистрации видеоизображений не использовались осветительные приборы, лицо ребенка освещалось исключительно естественным (рассеянным солнечным) светом. Свет попадал в помещение через окна, закрытые хлопчатобумажными жалюзи. При этом освещенность предметной области не превышала 200 лк. Температура воздуха в помещении во время проведения измерений находилась в диапазоне значений от +25 до +30 °С, атмосферное давление - в диапазоне от 740 до 760 мм рт.ст. и относительная влажность не превышала 60%. В закрытом кувезе поддерживалась температура воздуха +34,5 °С
Исходные коды специального программного обеспечения, применявшегося для обработки видеоизображения и измерения ЧСС, открыты для свободного пользования и размещены по URL-адресу: https://github.com/pi-null-mezon/QPULSECAPTURE.git. Алгоритм обработки кадров видеоизображения основан на последовательном измерении изменений средней яркости изображающих кожу пикселей. Ранее было доказано, что в условиях стационарного освещения объекта видеосъемки и при неизменных характеристиках устройства видеорегистрации сигнал средней яркости зеленого цветового канала (чувствительного к свету с длиной волны от 500 до 600 нм) статистически значимо взаимосвязан с сигналом фотоплетизмограммы [2]. Поэтому далее сигнал средней яркости зеленого цветового канала мы будем называть видеоплетизмограммой. Видеоплетизмограмма, зарегистрированная при помощи 8-битной веб-камеры, визуально отличается от фотопле-тизмограммы, тем не менее оба сигнала обусловлены изменениями оптической плотности кожных покровов, поэтому между ними существует статистически значимая корреляция (рис. 2).
Измерение ЧСС было реализовано при помощи расчета дискретного преобразования Фурье от отрезка сигнала ви-деоплетизмограммы длинной 256 отсчетов (8,5 с) и поиска порядкового номера гармоники с максимальной амплитудой. Измерения ЧСС по видеоплетизмограмме проводили с интервалом 1 с.
Необходимо отметить, что помехи, вызываемые движениями новорожденных, время от времени искажали сигнал видеоплетизмограммы. В эти моменты времени измерения ЧСС становились недостоверными. Для распознавания таких событий и отбора достоверных измерений был применен алгоритм постобработки. Суть его заключалась в расчете отношения суммы квадратов амплитуд 5 гармоник дискретного преобразования Фурье из окрестности гармо-
70
Журнал для непрерывного медицинского образования врачей
А.А. Таранов, Д.В. Аксенов, И.Н. Спиридонов, Д.Н. Дегтярев БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ СЕРДЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ У НОВОРОЖДЕННЫХ
Видеоплетизмограмма Фотоплетизмограмма
4 5 6
Время, с
Рис. 2. Сравнение двух сигналов, отражающих процесс пульсового кровотока в кожных покровах лица
160 154 148 142 £ 136 1 130
СО
Р 124 118 112 106 100
Л.
W ^ >^3
Л
^ЬЬ V Ль
мУ •. 4г р
Л ы /Г
J ¡х>аоо
№
/f j^-i l^3 I I—К. ir
/ Л—Г^ч-к^н-к?
-ь-ы- ID1 бесконтактные
-ь-ы- ID1 референсные
♦-♦-♦ ID4 бесконтактные
♦-♦-♦ ID4 референсные
0-©-© ID6 бесконтактные
0-9-е ID6 референсные
е-е-е ID9 бесконтактные ID9 референсные
Л
л
л
л
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
Время, с
Ф
Рис. 3. Временные последовательности измерений частоты сердечных сокращений для 4 испытуемых
ники с максимальной амплитудой к сумме квадратов всех прочих гармоник. Если рассчитанное значение превышало порог 2,0 дБ, то измерение ЧСС признавалось достоверным, в противном случае значение частоты не обновлялось. Таким образом, когда сигнал видеоплетизмограммы искажался помехой, обновление значений ЧСС останавливалось до тех пор, пока помеха не прекращала своего действия. При темпе обновления измерений, равном 1 с, такой подход позволил отсеять большинство недостоверных измерений.
В качестве референсного средства измерения ЧСС использовали монитор PHILIPS IntelliVue MP20 с контактным пульсоксиметрическим датчиком, закрепляемым на запястье или ступне ребенка. Погрешность референсного средства измерения, согласно паспорту устройства, не превышает 5% в диапазоне частот от 90 до 170 в минуту. Показания референсного средства измерения фиксировались для каждого ребенка в течение 7 мин с интервалом 4 с.
НЕОНАТОЛОГИЯ: новости, мнения, обучение №3 2015
В ходе проведения измерений было замечено, что измерения референсного средства измерения отстают от измерений бесконтактным методом, при этом временная задержка между измерениями составляла в среднем 7 с. Различия во времени измерения связаны с тем, что сравниваемые средства измерения используют разные алгоритмы для расчета значения ЧСС. На этапе обработки экспериментальных данных временная задержка была учтена и векторы данных были предварительно выровнены (рис. 3).
Результаты и обсуждение
В результате эксперимента были получены данные, приведенные в таблице. Статистическая проверка корреляции между измерениями во всех случаях показала наличие значимой взаимосвязи (по критерию Стьюдента). Таким образом, было доказано, что по видеоизображению лица новорожденного можно бесконтактно измерять ЧСС.
71
о о т-
12 10 8 6 4 2
I 0 I '2
£ '4
5 -6 -8 -10 -12
90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170
Полусумма измерений в минуту
Рис. 4. Диаграмма Бланда-Алтмана, построенная по объединенным для всех испытуемых данным, общий объем выборки 840 измерений
1 • • • ID1
... D2 D3 о •
• • •
О О О ID5 в О в ID6 • • • ID7 - О О О ID8 о о о ID9 ... ID10 о о о •
О О • о о о о • о • • • • • • • • о о о • .......m +"2""SkO
О • • • О О • • • О О «о
О О о о о о о о о ® ® ® ООО • о о о о • • • • • • • • • • • о о • • • •
о ® • • • о о О «о • •ООО • •
-2-ske
о о о о о • О О
С' о • • •
• •
Результаты эксперимента
Пол Расположение N Kr Значимость корреляции Разность измерений в минуту
(а, %) M S
1 6 Кувез 107 0,87 Значима (0,1) -0,6 1,5
2 6 Кувез 45 0,81 Значима (0,1) -0,4 3,3
3 6 Кувез 73 0,63 Значима (0,1) -0,9 2,7
4 6 Кровать 103 0,85 Значима (0,1) 0,0 2,7
5 6 Кровать 94 0,90 Значима (0,1) -0,6 2,7
6 6 Кровать 79 0,83 Значима (0,1) 0,0 1,8
Кровать 79 0,80 Значима (0,1) -0,2 1,3
8 ? Кувез 91 0,79 Значима (0,1) 0,0 1,7
9 Кувез 96 0,78 Значима (0,1) 0,0 1,6
10 ? Кувез 73 0,89 Значима (0,1) -0,2 2,1
Объединенные измерения 840 0,99 Значима (0,1) -0,3 2,2
Примечание. N - число измерений; Кг - коэффициент корреляции; М - выборочное среднее; Б - выборочное среднеквадратиче-ское отклонение; а - вероятность ошибки первого рода.
Для определения величины абсолютной погрешности измерения ЧСС по видеоизображению лица новорожденного был использован метод Бланда-Алтмана. Соответствующая диаграмма измерений приведена на рис. 4. Как видно, полученные в ходе исследования данные позволяют построить выборочную оценку 95% доверительного интервала для разности измерений. Его полуширина составила 5 в минуту. Эта величина является выборочной оценкой абсолютной погрешности измерения для разработанного нами средства измерения. Такое заключение распространяется только на диапазон частот от 100 до 160 в минуту, так как в ходе эксперимента измерения не выходили за эти пределы. Тем не менее для детей обоих полов в возрасте до 1 года ЧСС в покое находится с 95% вероятностью в интервале от 99 до 162 в минуту [3]. Таким образом, разработанное нами средство измерения удовлетворяет необходимым требованиям по точности и диапазону измерений для непрерывного мониторинга ЧСС у новорожденных.
72
Заключение
Разработано средство измерения ЧСС, отличительной особенностью которого является отсутствие прямого контакта с телом ребенка. Доказано, что величина абсолютной погрешности средства измерения составляет 5 в минуту в диапазоне частот от 100 до 160 в минуту. В качестве референсного средства измерения ЧСС использовался монитор PHILIPS InteLLiVue MP20 с контактным пуль-соксиметрическим датчиком, закрепляемым на запястье или ступне ребенка.
Наши дальнейшие исследования будут направлены на поиск возможности измерения по сигналу видеопле-тизмограммы еще 2 параметров жизнедеятельности организма: частоты дыхания и степени насыщения крови кислородом. Доказательство возможности измерения этих параметров по видеоизображению откроет перспективу создания медицинских приборов нового поколения, отличительными особенностями которых станет отсутствие прямого контакта с телом человека и прове-
Журнал для непрерывного медицинского образования врачей
А.А. Таранов, Д.В. Аксенов, И.Н. Спиридонов, Д.Н. Дегтярев БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ СЕРДЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ У НОВОРОЖДЕННЫХ
дение измерений без дополнительного направленного воздействия на организм. Эти качества позволят решить проблему биоадекватности измерений при долговременном мониторинге жизненно важных функций организма.
Конфликт интересов
Авторы исследования заявляют об отсутствии конфликта финансовых интересов в связи с подготовкой и проведением данного исследования, а также об отсутствии какой-либо финансовой поддержки в ходе исследования.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Аксенов Денис Валериевич - врач-неонатолог, заведующий по клинической работе отделения новорожденных отдела нео-натологии и педиатрии ФГБУ «Научный центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. акад. В.И. Кулакова» Минздрава России, Москва
Е-таН: d_aksenov@oparina4.ru, aksens77@maiL.ru
Дегтярев Дмитрий Николаевич - доктор медицинских наук, профессор, заместитель директора по научной работе ФГБУ «Научный центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И. Кулакова» Минздрава России, заведующий кафедрой неонатологии ГБОУ ВПО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России
Спиридонов Игорь Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Биомедицинские технические системы» ГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»
Таранов Александр Александрович - аспирант, научный сотрудник ГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана» E-maiL: pi-nuLL-mezon@yandex.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Verkruysse W., Svaasand L.O., Nelson J.S. Remote plethysmography imaging using ambient light // Optics Express. 2008. Vol. 16, N 26. P. 21434-21445.
2. Таранов А.А., Спиридонов И.Н. Регистрация фотоплетизмограммы и измерение частоты артериального пульса при помощи вебкамеры // Биомед. радиоэлектроника. 2014. № 10. С. 71-80.
3. Ostchega Y., Porter K.S., Hughes J., Dillon Ch.F. et al. Resting Pulse Rate Reference Data for Children, Adolescents, and Adults: United States, 1999-2008 // National Health Statistics Reports. 2011. N 41.
4. Philips IntelliVue MP20 MP30 Монитор пациента Руководство по обслуживанию.
REFERENCES
1. Verkruysse W., Svaasand L.O., Nelson J.S. Remote plethysmography imaging using ambient light. Optics Express. 2008; Vol. 16 (26): 21434-45.
2. Taranov A.A., Spiridonov I.N. Non-contact heart rate monitoring in newborns. Biomedmtsinskaya radioelektronika [Non-contact heart rate monitoring in newborns]. 2014; 10: 71-80. (in Russian)
3. Ostchega Y., Porter K.S., Hughes J., Dillon Ch.F. et al. Resting Pulse Rate Reference Data for Children, Adolescents, and Adults: United States, 1999-2008 // National Health Statistics Reports. 2011. N 41.
4. Philips IntelliVue MP20 MP30 Patient Monitor Service Manual. (in Russian)
НЕОНАТОЛОГИЯ: новости, мнения, обучение №3 2015
73
НМО_Неонатолошя_3_2015_правкалпаа 73 Щй- 24.09.2015 11:11:01
