CC BY
222
УДК 617.14-073.173-071
БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОСУДОВ КОНЕЧНОСТЕЙ ПО МЕТОДУ ОККЛЮЗИОННОЙ ПЛЕТИЗМОГРАФИИ
В.И. Кузнецов, С.А. Тараканов, Н.И. Рыжаков,
ООО «Конструкторское бюро современных технологий Санкт-Петербургского государственного университета ИТМО»
Кузнецов Владимир Игоревич - e-mail: maii@kbst-itmo.ru
Вниманию читателей предлагается окклюзионный плетизмограф на основе машинного зрения. Принцип работы плетизмографа аналогичен принципу работы механического окклюзионного плетизмографа с той лишь разницей, что рабочая измерительная среда (газ или жидкость) заменена лазерными метками, а фиксирование изменения объема производится машинным зрением с последующей компьютерной обработкой.
Ключевые слова: механическая окклюзионная плетизмография, технологии машинного зрения в медицине.
The readers attention offers the occlusal plethysmograph basis of machine vision. The principle of plethys-mograph work is similar to a principle of mechanical occlusal plethysmograph work, with that only a difference that working measuring environment (gas or liquid) is replaced with laser labels, and fixation of change of volume is made by machine vision with the subsequent computer processing.
Key words: mechanical occlusal plethysmography, technologies of machine vision in medicine.
Введение
В диагностике внутренних болезней, связанных с процессами кровенаполнения и тонусом сердечно-сосудистой системы человека, в современной медицинской практике используют методы окклюзионной плетизмографии. Окклюзионная плетизмография предназначена для измерений динамических изменений объема какой-либо части тела при перекрытии венозных сосудов (окклюзии). При этом методами окклюзионной плетизмографии можно определить такие параметры сердечно-сосудистой системы, как объемная скорость кровотока, венозная емкость, венозный тонус.
В мировой практике для измерения объема обследуемой конечности используются специальные устройства - плетизмографы, в которых для создания окклюзии применяется манжета, накладываемая на конечность ближе к центу тела. В зависимости от способа измерения объема обследуемой конечности различают четыре основных способа окклюзионной плетизмографии:
1. механическою (жидкостную или пневматическую) [1-4], при которой обследуемая часть тела помещается в герметизируемую камеру, внутри которой находится трансмиссионная среда (вода или воздух), а колебания объема регистри-
руются по уровню воды (или изменению объема воздуха) в герметичной манжете;
2. электрическую (импендансную плетизмографию или реографию) [3, 5-7], отражающую динамику электропроводности в зависимости от степени кровенаполнения;
3. тензометрическую [3, 4, 8, 9], основанную на использовании проводящей эластичной петли, охватывающей исследуемую конечность, у которой в зависимости от натяжения меняется электрическое сопротивление;
4. оптическую (фотоплетизмографию) [1, 3, 9, 12], основанную на изменении оптической плотности тканей при циркуляции крови.
К недостаткам механической жидкостной и пневматической окклюзионной плетизмографии относятся: их невысокая практичность, неудобство в работе, связанное с высокой трудоемкостью герметизации частей тела в манжете, быстрый износ, невозможность быстрого перестроения прибора для измерения объемов различных участков тела, и, самое главное, сдавливающее воздействие измерительной манжеты (газовой или водной) на исследуемую конечность, которое вносит существенную погрешность.
Электрическая, тензометрическая окклюзионная плетизмография и фотоплетизмография основаны на измерениях
Исследования по диссертационным темам
МЕДИЦИНСКИЙ
АЛЬМАНАХ
не динамических изменений объема конечности, а некоторых сопутствующих изменений, например, электрического импеданса, интенсивности отраженного и прошедшего рассеянного света, и зависят от множества факторов, таких как уровень сахара в крови, давление, оксигенация, изменение тонуса сосудов и др., что приводит к увеличению погрешности.
С развитием технологий производства светоизлучающих и фотоприемных элементов в лазерной оптике стало возможным создание принципиально нового оборудования, позволяющего проводить измерения объема конечности, объемной скорости кровотока, венозной емкости и венозного тонуса методами механической окклюзионной плетизмографии без использования герметизируемой для каждого измерения камеры. Диагностика колебаний объема в конечности может осуществляться бесконтактно лазерными маркерами машинного зрения с последующей компьютерной обработкой сигналов.
Прибор, создаваемый на основе такого метода, будет прост и удобен в эксплуатации; не требует герметизации конечности; обладает существенно меньшей погрешностью и большой чувствительностью к изменениям в объеме конечности.
Цель работы - познакомить читателей с новейшими достижениями в области технологий машинного зрения применительно к окклюзионной плетизмографии.
Объектом исследования в статье стал разработанный авторами окклюзионный плетизмограф машинного зрения.
Материалы и методы
Новейшее и, на наш взгляд, наиболее перспективное
направление окклюзионной плетизмографии основано на принципиально ином способе детектирования колебаний объема конечности - машинном зрении. Машинное зрение осуществляется цифровыми или интеллектуальными камерами с последующей компьютерной обработкой изображения. Такой способ исключает какое-либо внешнее сдавливающее воздействие на исследуемый участок конечности, что существенно увеличивает чувствительность прибора и уменьшает погрешность.
В основе предлагаемого авторами окклюзионного плетизмографа машинного зрения (рис.) следующий принцип работы. Как и при механической окклюзионной плетизмографии устройство снабжено специальной окклюзионной манжетой, сдавливающей венозные сосуды исследуемой конечности и перекрывающей отток крови. Поступление крови в конечность продолжается по артериальным сосудам.
Однако, в отличие от механических плетизмографов оптический не оказывает воздействия на исследуемую часть конечности, что минимизирует погрешность. Герметичная манжета с трансмиссионной средой в устройстве заменена лазерными диодами, установленными по всему периметру корпуса плетизмографа. Лазерные излучатели проецируют маркеры (линии, сетки и др.), которые выявляют форму диагностируемой поверхности. Далее положение маркеров регистрируется видеокамерой, и с помощью специального программного обеспечения восстанавливаются геометрические параметры исследуемой конечности. По изменению положения и размера лазерных меток вычисляется изменение объема конечности.
РИС.
Окклюзионный плетизмограф машинного зрения.
Любое изменение положения лазерных меток, вызванное изменением объема конечности при окклюзии, обрабатывается и представляется в виде плетизмограммы, отражающей параметры кровотока: объемную скорость и отток венозной крови, венозный тонус и др. Оценку изменения объема можно производить как на основании измерения параметров одной линейной лазерной метки (в этом случае измеряется площадь сечения конечности), так и на основании сетчатой структуры лазерных меток вдоль всей конечности (измеряется объем конечности).
Окклюзионный плетизмограф машинного зрения обладает следующими преимуществами:
• производятся прямые измерения динамических изменений объема конечности, позволяющие определить объемную скорость кровотока, венозную емкость, венозный тонус;
• исключается внешнее сдавливающее воздействие на исследуемый участок конечности, что существенно расширит область применения, увеличит точность и сделает процедуру исследования более комфортной для пациента;
• обеспечена возможность проведения измерений без перестроения измерительного узла для различных конечностей;
• простота и удобство в эксплуатации.
С появлением на рынке такого устройства у врачей появится возможность проводить диагностику многократно и при различных условиях, например, при внешнем воздействии на исследуемую конечность тепла, холода, физической нагрузки и т. п., для получения более полной и точной картины состояния кровеносных сосудов в динамике.
Результаты и их обсуждение
Вниманию читателей предложен разработанный авторами окклюзионный плетизмограф машинного зрения, основными достоинствами которого являются:
проведение прямых измерений объема конечности и обеспечение надежности работы и высокой точности измерений.
По мнению авторов, появление на рынке здравоохранения плетизмографа нового поколения позволит врачам получать более полную и точную картину состояния кровеносных сосудов в динамике. Способ измерения объема конечности является инновационным решением авторов и ранее нигде не публиковался. Применение технологий машинного зрения в дальнейшем возможно и для устройств плетизмографии всего тела, при исследовании функций внешнего дыхания и минутного объема кровообращения.
Выводы
В окклюзионном плетизмографе машинного зрения исключается внешнее сдавливающее воздействие на исследуемый участок конечности благодаря применению лазерных технологий. Такой подход позволит существенно расширить область применения окклюзионной плетизмографии, увеличить точность и сделать процедуру исследования более комфортной для пациента. Плетизмограф позволяет проводить измерения без перестроения измерительного узла, что значительно увеличивает оперативность работы и позволяет проводить измерения на различных конечностях. Оптический плетизмограф не требует дополнительных приспособлений и расходных материалов.
Принцип работы оптического плетизмографа аналогичен механическому, с той лишь разницей, что рабочая измерительная среда (газ или жидкость) заменена лазерными метками, а фиксирование изменения объема производится машинным зрением, с последующей компьютерной обработкой.
Исследования по диссертационным темам
ЛИТЕРАТУРА
1. Лебедев П.А. Фотоплетизмография в оценке эластических свойств и реактивности переферических артерий. / Лебедев П.А., Калакутский Л.И., Власова С.П. Горлов А.П. Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2004. № 1. С. 31-36.
2. Скардс Я.В., Витолс А.Я. Гибкий онкометр для определения объема кровотока предплечья и голени методом венозной окклюзионной плетизмографии. Физиол. журн. СССР. 1974. № 10. С. 16-18.
3.Физиология человека. Т. 2. 3-е изд. /под ред. Шмидта Р., Тевса. Г. М.: Мир, 2005. Т. 2. 314 с.
4. Щуров В.А., Долганова Т.И. Оценка периферической гемодинамики с помощью метода окклюзионной плетизмографии: Методические рекомендации. Курган: МЗРФ РНЦ «ВТО», 1990. 21 с.
5. Гуревич М.И., Соловьев А.И., Литовченко Л.П., Доломан Л.Б. Импедансная реоплетизмография. Киев: «Наукова думка», 1982. 166 с.
6. Савченко Н.Е., Сидоренко Г.И., Полонецкий Л.З. Реография (импедансная плетизмография). Минск: «Беларусь», 1978. 158 с.
7. Старшов А.М., Смирнов И.В. Реография для профессионалов. Методы исследования сосудистой системы: пособ. для врачей. М.: «БИНОМ». 2003. 80 с.
8. Hokanson D.E., Sumner D.S., Strandness D.E. An Electrically Calibrated Plethysmograph for Direct Measurement of Limb Blood Flow. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on. 1975. Vol. BME-22. Is. 1. P. 25-29.
9. Pallares L.C., Deane C.R., Baudouin S.V., Evans T.W. Strain gauge plethysmography and Doppler ultrasound in the measurement of limb blood flow. European J. Clin. Invest. 1994. № 24. P. 279-286.
10. Ройтберг Г.Е., Струтынский А.В. Внутренние болезни. Лабораторная и инструментальная диагностика. М.: ООО «МЕДпресс-информ». 2011. 800 с.
11. Hallh^ T., Mansson B., Ы^оп R. A strain gauge plethysmograph with electrical calibration. Scandinavian journal of clinical and laboratory investigation. 1970. Vol. 25. № 4. P. 413-418.
12. Zierler R.E. Doppler techniques for lower extremity arterial diagnosis. Herz. 1989. Vol. 14. № 2. P. 126-133.
03
