Приборная и методическая реализация фотоплезмографического дозометрирования физиотерапевтических параметров воздействия на биологический объект Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 616-085.849.20

ПРИБОРНАЯ И МЕТОДИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИЧЕСКОГО ДОЗОМЕТРИРОВАНИЯ ФИЗИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ

А.И. ЛАРЮШИН*, М.А. ГАЛКИН**, В.А. НОВИКОВ***

* ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха, г. Москва ** МГТУ им. Н.Э. Баумана *** ОАО «1СЬ-КПО ВС», г. Казань

Представлены результаты исследования и разработки нового фотоплетизмографического дозиметра для физиотерапии. Обсуждается возможность использования функциональной зависимости между совокупностью терапевтических параметров воздействия и соотносимыми параметрами фотоплетизмограммы в качестве биологической обратной связи для оптимизации терапевтических параметров. Для создания фотодатчиков использованы лазерные излучатели ЮЬ-805-50Б и фотодиоды ФД-9К. Разработанный двухканальный (двухпальцевый) лазерный фотоплетизмографический дозиметр позволяет использовать фотоплетизмограмму для диагностики заболеваний, оперативного контроля лечения и как корректора терапевтических параметров с компьютера с целью исключения передозировки воздействия.

Ключевые слова: биообъект, физиотерапевтические параметры, реакция биообъекта, орган-«мишень», электро-лазерная стимуляция,

фотоплетизмограмма, фотоплетизмографический сигнал, «изобетическая точка».

Плетизмография (греч. р1еШузшо8 - наполнение, увеличение + grapho -изображать, писать) - метод исследования сосудистого тонуса и кровотока в сосудах мелкого калибра, основанный на графической регистрации пульсовых колебаний объема какой-либо части тела, связанных с динамикой кровенаполнения сосудов.

Фотоплетизмография - это тоже метод исследования сосудистого тонуса и кровотока на основании изменений объема крови, только регистрируемых оптическим способом: на фотоэлемент направляется свет либо прошедший через исследуемый орган (например, ухо, палец), либо отраженный от этого органа.

Проблема физиотерапии - регистрация функции «воздействие - ответная реакция органа» - приобретает особую актуальность. Определение набора параметров ответных реакций организма на внешнее воздействие является основой для решения задач контроля параметров воздействия, а именно:

1) определения функциональной зависимости между параметрами воздействия и параметрами ответной реакции;

2) использования функциональной зависимости для управления самим воздействием.

Терапевтические процедуры всегда тесно связаны с понятием количества воздействия на биообъект и индивидуальным контролем достаточности воспринятого количества воздействия организмом. Например, при проведении электростимуляции предстательной железы можно применять фотоплетизмограф в качестве регистратора динамики кровенаполнения. При терапии воздействие

© А.И. Ларюшин, М.А. Галкин, В.А. Новиков Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

направлено на конкретный орган-«мишень». Однако орган является частью организма и изменение его состояния отражается на изменении всего организма. Регистрируя изменения, можно оценить эффективность терапии и регулировать ее параметры.

Актуальность исследований состоит в реализации закономерных связей оптимальных терапевтических параметров воздействия с фотоплетизмограммой, с помощью которой возможно выделить набор терапевтических параметров для количественной оценки ответной реакции организма [5].

Фотоплетизмограф - прибор, регистрирующий оптическим способом пульсовое наполнение исследуемой части организма. Сигнал, который

зарегистрировал прибор, называется фотоплетизмограммой. Так как фотоплетизмограмма отражает пульсовое кровенаполнение, то ее амплитуда может выступать в качестве фактора, определяющего уровень периферического кровообращения в исследуемом участке организма. Авторами разработан двухканальный двухпальцевый лазерный фотоплетизмограф (ФИПК-2К) (рис. 1) [13, 8].

Рис. 1. Внешний вид фотоплетизмографа Прибор обеспечивает совместимость

двух датчиков, регистрирующих пульсовые

волны артериол - мелких сосудов подушечек пальцев (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид лазерных датчиков: 1) первая рука; 2) датчик; 3) вторая рука

Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера величина абсорбции света пропорциональна толщине слоя поглощающего вещества, т.е. при исследовании кровотока она определяется объемом крови, проходящим через палец [6].

Фотоплетизмографический сигнал после усиления и обработки фотоприемника теоретически должен характеризовать состояние кровотока в пальце (рис. 3).

0 1 2 3 4 5 Рис. 3. Виды фотоплетизмографических сигналов (ФПГ): 1 — идеальный — теоретический; 2 — нормируемый (со второй руки); 3 — опорный (с первой руки) При проведении процедуры на второй руке происходит изменение сигнала, в которое входит не только локальное воздействие, но и общее состояние организма, для исключения которого производится нормировка сигнала (2) относительно опорного (3). В результате появляется относительное значение амплитуды сигнала

- А

оты

(1):

юты

_ анор в к

аоп '

(1)

где К - коэффициент, учитывающий неидентичность установки датчиков, который автоматически вычисляется таким образом, чтобы при умножении его на ФПГ-сигнал амплитуды АНоР и АоП были равны. В итоге процедура состоит в регистрации ФПГ-сигналов с обеих рук и определении нормированного ФПГ-сигнала по указанной формуле. График изменения соответствующих амплитуд показан на рис. 4.

Рис. 4. Графики изменения амплитуд ФПГ-сигнала © Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

Дальнейшему анализу подвергается график относительной амплитуды АОТН, как наиболее значимый и отражающий результат локального терапевтического воздействия.

Метод двухканальной двухпальцевой фотоплетизмографии с применением в качестве излучателей лазерных диодов с к ~ 805 нм (ГОЬ-805-508) позволяет:

1) реализовать условия регистрации ФПГ-сигнала в «изобетической точке» 805 нм, в которой поглощение света основными информативными составляющими крови, разными по своему составу и содержанию кислорода окси- и дезооксигемоглобином, одинаково, с целью исключения «физиологических помех»;

2) использовать второй фотолазерный канал как опорный, и нормировать оптический сигнал с первого канала относительно опорного с целью обеспечения качества, информативности и адекватности ФПГ-сигнала с допустимой точностью до 10% регистрации кривой ФПГ.

Приборная реализация двухканального лазерного фотоплетизмографа класса точности 2.5, обеспечивающего регистрацию параметров гемодинамики крови, позволяет использовать фотоплетизмограмму в качестве биологической обратной связи [6].

Фотоплетизмографический дозиметр - это медицинский прибор, предназначенный для косвенного измерения воздействия определенного энергетического фактора на организм человека посредством измерения амплитуды сигнала фотоплетизмограммы, которая отражает интенсивность кровоснабжения исследуемого участка организма.

При проведении терапевтической процедуры возможно изменение периферического кровообращения. В качестве дозирующего параметра возможно применить сигнал фотоплетизмограммы. Для этого необходимо зарегистрировать фотоплетизмограмму до начала терапевтической процедуры. На зарегистрированном сигнале нужно выделить амплитуду фотоплетизмограммы и усреднить полученное значение по времени:

N

£ л,

<2)

Затем необходимо начать терапевтическую процедуру. При этом нужно регистрировать сигнал фотоплетизмограммы и в режиме реального времени вычислять значения амплитуды сигнала. Полученные значения нужно нормировать относительно вычисленного предварительно среднего значения амплитуды:

лмовы (0 - А= . (3)

л

Затем полученную нормированную величину можно интегрировать по времени и получать параметр интегральной амплитудной фотоплетизмографической дозы:

г

лтт\1}= ¿.^овы (г). (4)

к-1

Результирующая величина интегральной дозы будет равна © Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

л™* = лтт (и),

(5)

где М — суммарное количество зарегистрированных во время терапевтической процедуры амплитуд. Таким образом возможно ввести дозирующий ограничивающий время процедуры фактор, как интегральная фотоплетизмографическая доза, вычисляемый через амплитуду фотоплетизмограммы. В методике по применению конкретного терапевтического прибора может быть указана величина такой дозы. При проведении процедуры для каждого нового значения интегральной фотоплетизмографической дозы будет проводиться сравнение с ограничивающей процедуру величиной. В случае превышения этого порога процедура будет считаться завершённой. Этот подход позволит сделать терапевтическую процедуру адаптивной под каждого конкретного пациента.

С точки зрения измерения, фотоплетизмографический дозиметр - это интегрирующий фотоплетизмограф.

Принципиальным отличием фотоплетизмографического дозиметра от стандартного фотоплетизмографа является замкнутость системы фотоплетизмограф - терапевтический аппарат (рис 5).

Оптический датчик

к к

Фотоплетизмограф

Программный модуль обработки сигнала

Модуль отображения

^ Пациент Врач

Терапевтический аппарат

Модуль связи с внешним устройством

Модуль интегрирования сигнала фотоплетизмограммы и управления

Рис. 5. Структурная схема фотоплетизмографического дозиметра

Сигнал с фотоплетизмографа регистрируется, обрабатывается программным модулем и поступает на модуль интегрирования. В модуле интегрирования происходит вычисление интегральной

фотоплетизмографической дозы и строится графическая зависимость дозы

от номера сердцебиения Л^т ((). Результат интегрирования отображается на

экране с помощью соответствующего модуля отображения. Врач, анализируя информацию, может корректировать работу модуля интегрирования и наблюдать за динамикой процесса изменения дозы. Затем, в зависимости от уровня дозы, возможна корректировка уровня воздействия, оказываемого на пациента терапевтическим аппаратом. После достижения дозы установленного заранее значения процедура прекращается.

Рассмотрим примерный вид получаемых графических изображений. Сначала для каждого сердцебиения вычисляется амплитуда фотоплетизмограммы. Примерный график изменения амплитуды фотоплетизмограммы от времени показан на рис. 6 (А). График нормирован на заранее вычисленное среднее значение амплитуды, полученное за время регистрации. По оси абсцисс указано время в отсчётах сердцебиений. График интерполирован параболой по методу наименьших квадратов по 5-ти точкам, поэтому он непрерывный.

Далее нормированный сигнал амплитуды интегрировался по номерам сердцебиений. Полученный вид результирующего графика показан на рис. 6 (Б). Данный график также был интерполирован параболой по методу наименьших квадратов по 5-ти точкам, поэтому имеет непрерывный вид.

Горизонтальной линией В на рис. 6 указана величина установленной дозы. Точка пересечения двух графиков, округлённая до целого числа сердцебиений в большую сторону, имеет координату по оси абсцисс, равную 79. Это означает, что через 79 сердечных сокращений у данного конкретного пациента процедуру терапевтического воздействия можно прекратить.

Фотоплетизмографическая дозиметрия в настоящий момент - мало изученная область. Необходимо провести ещё множество исследований как медицинского, так и технического характера для внедрения этого подхода в медицинскую практику. Данный материал призван показать, что фотоплетизмограф может применяться в дозиметрии с целью косвенного контроля уровня терапевтического воздействия на организм. Введение такого контроля позволит сделать терапевтическую процедуру адаптивной под каждого конкретного пациента сразу же (непосредственно) при выполнении самой процедуры [4, 7].

.......| ......I .......I..._■ ■_ ■■■■I_ 5 ........1......'.....1........1 ■ ■ ■ 1_

О 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Время, с Время, с

Рис. 6. Графики изменения: нормируемой амплитуды фотоплетизмограммы (А); интегральной амплитудной фотоплетизмографической дозы (Б); установленной дозы (В)

Выводы

1. Фотоплетизмографический дозиметр (термоинтегрирующий фотоплетизмограф) - это медицинский прибор, предназначенный для косвенного измерения воздействия какого-либо энергетического фактора на организм человека посредством измерения амплитуды сигнала фотоплетизмограммы, которая отражает интенсивность кровоснабжения исследуемого участка организма.

2. Метод двухканальной двухпальцевой лазерной фотоплетизмографической дозометрии с использованием лазерных диодов с к ~ 805 нм в качестве излучателей:

1) обеспечивает использование пересечения спектральных характеристик окси- и дезооксигемоглобина, являющихся основными информативными составляющими крови, различными по содержанию кислорода, в «изобетической точке» к ~ 805 нм и устраняет «физиологические помехи»;

2) повышает качество, информативность, адекватность и допустимую точность до 10% регистрации кривой ФПГ за счет использования второго канала

как опорного и нормирования оптического сигнала с первого канала относительно опорного;

3) нормирует оба ФПГ-сигнала при чередовании локального воздействия на конечности, выявляет наличие движения у пациента во время процедуры и корректирует данные анализа; регистрирует сигналы на различных участках тела (сонная артерия - плечо) для диагностики ранних заболеваний (инсульта); регистрирует параметры гемодинамики крови и использует ФПГ в качестве биологической обратной связи в аппаратах, воздействие которых изменяет гемодинамику, и, как корректор, управляет величиной воздействия; исключает передозировку и травмирование пациента.

Summary

The results of study and development of the new photoplethysmosgraphical dosimeter for physiotherapy are presented. The possibility of the use of a functional dependence between a set of the therapeutic parametres of influence and the correlative parametres of photoplethysmosgram and its use as a biological feedback for optimization of the therapeutic parametres is discussed. The IDL-805-50S laser diodes and the FD-9K photodiodes have been used to create the photosensors. The obtained two-channel (two-finger) laser photoplethysmosgraphical dosimeter allows the use of the photoplethysmosgram for diagnostics of diseases, operative control of treatment and as a corrector of the therapeutic parametres from a computer for the purpose of elimating an overdose of influence.

Key words: bioobject, physiotherapeutic parametres, bioobject reaction, body — "target", electro-laser stimulation, photoplethysmosgram, photoplethysmosgraphical signal.

Литература

1. Johansson A, Oberg PA. Estimation of respiratory volumes from the photoplethysmographic signal. Part 2: a model study. // Med Biol Eng Comput 1999; 37:48-53.

2. Nitzan M, Babchenko A, Khanokh B, Landau D. The variability of the photoplethysmographic signal - a potential method for the evaluation of the autonomic nervous system // Physiol Meas 1998; 19:93-102.

3. Webster J.G. Design of pulse oximeters. // Taylor & Francis Group, 1997.

4. Баранов В.Н., Малиновский Е.Л., Новиков В.А., Баимова Т.В., Хизбуллин Р.Н. Повышение эффективности применения лазерного терапевтического аппарата «АГИН-01» в гинекологии с помощью пальцевой фотоплетизмографии // Казанский медицинский журнал. 2010. Т.91. №4. С. 555-560.

5. Галкин М.А., Змиевской Г.Н., Ларюшин А.И., Новиков В.А. Кардиодиагностика на основе фотоплетизмограмм с помощью двухканального плетизмографа // Научно-технический журнал «Фотоника». 2008. №3. С.30-35.

6. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Хизбуллин Р.Н., Новиков В.А. Двухканальный лазерный фотоплетизмограф // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». 2010. №7. С. 22-28.

7. Ларюшин А.И., Галкин М.А., Мишанин Е.А. и др. Применение двухканального лазерного фотоплетизмографа в урологии // Метрологический научно-технический журнал «Мир измерений». 2010. №9. С. 28-33.

8. Мошкевич В.С. Фотоплетизмография. М.: Медицина. 1970. 154 с.

Поступила в редакцию 07 февраля 2010 г.

Новиков Владимир Анатольевич - ведущий инженер ОАО «ICL-КПО ВС» г. Казань. E-mail: [email protected].

Ларюшин Александр Иванович - д-р техн. наук, профессор, заместитель директора по производству, заместитель директора по лазерной медицинской технике ФГУП НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха. Тел.: 8 (495) 330-03-38. E-mail: [email protected].

Галкин Максим Анатольевич - аспирант, инженер первой категории лаборатории оптико-голографических систем НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Тел.: 8 (499) 263-67-12. E-mail: [email protected].