Дифференциальная диагностика двигательной активности человека во время сна на основе пульсоксиметрии и акселерометрии Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 616.853-039.13

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕЛОВЕКА ВО ВРЕМЯ СНА НА ОСНОВЕ ПУЛЬСОКСИМЕТРИИ И АКСЕЛЕРОМЕТРИИ

© А.В. Горбунов, А.Ю. Потлов, Д.В. Ахтямов, А.А. Трубиенко

Ключевые слова: дифференциальная диагностика; пароксизмальные состояния; двигательная активность сна; симптомы приступов эпилепсии; G-сенсор; пульсоксиметр.

Представлен авторский метод мониторинга эпилепсии, основанный на анализе двигательной активности, пульса и уровня кислорода в крови пациента. Расчеты показывают, что метод применим во многих клинических случаях и позволяет повысить эффективность диагностики эпилепсии, снизив при этом расходы.

Актуальность изучения двигательной активности человека во время сна [1-2] обусловлена высокой частотой распространенности и медико-социальной значимостью пароксизмальных состояний не только для больного и его родственников, но и для общества в целом.

Для дифференциальной диагностики пароксизмальных состояний существует определенное общепризнанное разнообразие методов [3-4]. Среди них позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) даже позволяет выявлять эпилептогенные очаги в отсутствие электроэнцефалографических и структурных изменений головного мозга (ее используют в дифференциальной диагностике эпилептических и неэпилептических приступов с утратой сознания). Чувствительность и специфичность метода значительно возрастают при комбинированном применении ПЭТ с электроэнцефалографией (ЭЭГ).

Но все эти методы не слишком эффективны, т. к. целесообразен длительный мониторинг состояния пациента. Поэтому общепризнанным «золотым стандартом» нейрофизиологической диагностики пароксизмальных состояний и эпилепсии является видео ЭЭГ-мониторинг (ВЭЭГ) [5]. К неоспоримым достоинствам метода относится возможность фиксации биоэлектрических потенциалов мозга в момент двигательной активности пациента и оценки состояния пациента в момент появления эпилептических разрядов, что позволяет проводить детальный кинематический анализ ик-тальной ЭЭГ. Оценка клинической значимости эпилеп-тиформных разрядов на ЭЭГ проводится путем видеоанализа двигательной активности пациента и результатов тестирования состояния пациента при вербальном и тактильном контакте. ЭЭГ и видеозапись демонстрируются параллельно в режиме прямого времени и записываются на цифровой носитель для последующей обработки [6-7].

Однако данный метод имеет и свои недостатки: во-первых, его сложно применить в домашних условиях; во-вторых, во время приступа больной может случайно снять шлем с электродами; в-третьих, высокая стоимость оборудования является значимым ограничением для этого метода.

Целью исследования явилась разработка метода мониторинга пароксизмальных состояний двигательной активности человека во время сна на основе пуль-соксиметрии и акселерометрии в домашних условиях, отличающегося высокой эффективностью, простотой использования и относительной дешевизной.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В основе нашего метода лежит проведение мониторинга и регистрации физических характеристик организма: двигательной активности человека, пульса и насыщенности крови кислородом, которые показывают основные симптомы приступов эпилепсии. На основе этого метода мы предлагаем разработать прибор, который будет фиксировать физические характеристики организма на основе двух основных компонентов: О-сенсора и пульсоксиметра.

О-сенсор фиксирует смещение и положение предмета в пространстве. Внутри сенсора находится небольшой шарик, расположенный в сфере из огромного количества пьезоэлектрических элементов. Смешение вызывает давление на определенные пьезоэлементы, возникает электрический ток, и по его силе и месту возникновения можно судить о силе и направлении движения.

Работа пульсоксиметра основана на поглощении цвета гемоглобина. Гемоглобин, который связан с кислородом (оксигемоглобин), имеет ярко-красный цвет. Гемоглобин, не связанный с кислородом (венозный гемоглобин), имеет темно-красный цвет. Работа пуль-соксиметра базируется на способности связанного с кислородом гемоглобина больше поглощать волны инфракрасного диапазона (максимум поглощения приходится на 940 нм), а не связанного с кислородом гемоглобина - больше поглощать волны красного диапазона (максимум поглощения приходится на 660 нм). Таким образом, в пульсоксиметре используются два источника излучения (с длиной волны 660 нм и 940 нм) и два фотооптических элемента, работающих в этих диапазонах. Интенсивность излучения, измеренная фотоэлементами, зависит от многих факторов, большинство из которых постоянно. Только пульсации в

артериях происходят непрерывно и вызывают изменения в поглощающей способности тканей. Изменения в количестве света, который поглотился в тканях, соответствуют изменениям в артериях. Пульсоксиметр непрерывно вычисляет разницу между поглощением сигнала в красной и инфракрасной области спектра и на основании формулы, полученной опытным путем с использованием закона Ламберта-Бэра, рассчитывает значение сатурации. Изменение поглощающей способности тканей, вызванное пульсациями в артериях, фиксируется в виде кривой плетизмограммы. А измеряя расстояние между ее гребнями, пульсоксиметр рассчитывает частоту пульса. Измеренные значения могут быть отражены на экране, а также записаны в память прибора для дальнейшего анализа.

Режим работы нашего прибора будет зависеть от вида эпилептических припадков. Во время большого припадка у человека теряется сознание, следовательно, пульсоксиметр фиксирует слабые значения пульса. В этот же момент начинаются тонические судороги, и срабатывает датчик положения в пространстве G-сенсор. Он фиксирует колебания верхнего диапазона (т. к. судороги при большом припадке сильнее, чем при малом), также срабатывает пульсоксиметр, который фиксирует высокое содержание кислорода (т. к. в этот момент повышается тонус мышц). При клонических судорогах происходит попеременное сокращение и расслабление мышц, уменьшается тонус мышц, срабатывает датчик положения в пространстве G-сенсор и пульсоксиметр. Датчик зарегистрирует частоту колебаний верхнего диапазона, но по времени происходящих дольше, чем при тонических судорогах. Пульсоксиметр зарегистрирует низкое содержание кислорода. Когда происходит малый припадок, имеет место резкий неожиданный всплеск активности (обычно в этот момент больной внезапно вздрагивает) - пульсоксиметр фиксирует сильное учащение пульса, дальше происходит полное ослабление организма и слабые судороги, и G-сенсор регистрирует колебания нижнего диапазона.

В нашем приборе (рис. 1) датчик положения в пространстве и пульсоксиметр будут управляться с помощью микроконтроллера. Он состоит из: микропроцессора небольших частот, оперативной памяти (ОП) и

постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). На ПЗУ микроконтроллера загружается специальная программа, написанная на языке программирования Assembler. Процессор и оперативная память будут выполнять заданную программу, а данные о приступах эпилепсии (физические характеристики организма, продолжительность приступа, дата приступа) и журнал будут сохраняться на дополнительном блоке ПЗУ большей емкости.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Представленный метод мониторинга двигательной активности человека во время сна на основе пульсок-симетрии и акселерометрии в домашних условиях отличается высокой эффективностью, функциональностью, простотой использования и относительной дешевизной, а также позволит существенно уточнить и упростить дифференциальную диагностику пароксизмальных состоянии и эпилептических припадков.

Высокая эффективность достигается за счет одновременного использования показаний G-сенсора и пульсоксиметра. Таким образом, прибор способен определять практически любой тип эпилептического припадка.

Функциональность нашего прибора позволяет вести журнал, отражая полную картину приступов (дата и время приступов, данные о содержании кислорода в крови, значения пульса, частоты колебаний вовремя судорог). На жидкокристаллическом дисплее будет отображаться в режиме реального времени текущее состояние организма (пульс, содержание кислорода в крови, время и дата).

Используя разъем Micro USB, можно обновить программное обеспечение для микроконтроллера через персональный компьютер, а также выгрузить из прибора журнал приступов и передать его на изучение врачу.

Для проведения мониторинга пациенту необходимо закрепить на указательном пальце левой руки пульсок-симетр, застегнуть ремешки основного блока на руке и нажать кнопку включения: мониторинг будет проводиться в течение 24 часов.

Рис. 1. Упрощенная схема прибора

Низкая стоимость устройства достигается за счет правильного подбора необходимых компонентов. Если сравнивать наш прибор с другими вышеперечисленными системами для регистрации и мониторинга приступов эпилепсии, то расходы на изготовление и рыночная стоимость - соответственно, в разы ниже (в 15-20 раз по сравнению с ВЭЭГ).

Благодаря маленькому весу прибора менее 200 г, он не будет ощущаться на руке и мешать пациенту.

ВЫВОДЫ

1. Предложенный метод мониторинга пароксизмальных состояний и приступов эпилепсии, основанный на принципах пульсоксиметрии и акселерометрии, отличается высокой эффективностью и удобством диагностики.

2. С помощью устройств, разработанных на базе метода мониторинга пароксизмальных состоянии и приступов эпилепсии, более вероятна дифференциальная диагностика пароксизмальных состоянии и эпилептических припадков у пациентов как в медицинских учреждениях, так и в домашних условиях.

3. Благодаря низкой себестоимости производства подобных приборов, возрастают возможности на их реальное массовое практическое применение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гребенюк О.В., Алифирова В.М., Светлик М.В. Динамика показателей ЭЭГ в состояниях сна и бодрствования у взрослых пациентов с «неконтролируемой» локально-обусловленной эпилепсией

// Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2012. Т. 11. Вып. 1. С. 37-41.

2. Эпилептические припадки. ЦКЬ: http://www.medical-enc.ru/26/epi-1ер$у-1.$Мт1 (дата обращения: 17.03.13).

3. Центральный информационный портал по эпилепсии. ЦКЬ:

Ьир://шшш.ері1ер$іа365.ги/репсус1оредіа/$Ьош.Мт?ід=169 (дата

обращения: 17.03.13).

4. Позитронная эмиссионная томография. ЦКЬ: http://www.medsec-геіпеі/пеуго1о§іуа/т$ії-діа§по$ика/482-ро2ІЇгоппа]а-]еті$$іоппа]а-tomograflja (дата обращения: 22.03.2013).

5. Генералов В.О. ВЭЭГ-мониторинг в диагностике парциальных эпилептических приступов // Функциональная диагностика. 2006. № 2. С. 63-67.

6. Фролов С.В., Горбунов А.В., Потлов А.Ю. Регистрация и анализ тремора с помощью детектора движения на основе веб-камеры // Биомедицина. 2012. № 2. С. 80-83.

7. Фролов С.В., Горбунов А.В., Потлов А.Ю. Регистрация и анализ тремора с помощью веб-камеры // Фундаментальные исследования. 2012. № 6. Ч. 1. С. 185-188.

Поступила в редакцию 2 апреля 2013 г.

Gorbunov A.V., Potlov A.Y., Akhtyamov D.V., Trubiyen-ko A.A. DIFFERENTIAL DIAGNOSTICS OF MOVEMENT ACTIVITY OF HUMAN DURING SLEEPING ON THE BASE OF PULSE OXIMETRY AND ACCELEROMETRY

The author's method of monitoring epilepsy based on the analysis of physical activity, heart rate and oxygen levels in the blood is presented. Calculations show that the method can be used in many clinical situations and to improve the efficiency of diagnosis of epilepsy, while reducing costs.

Key words: differential diagnostics; paroxysmal state; motor activity of sleep; symptoms attack of epilepsy; pulse oximetry.