10ВЛИЯНИЕ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИЧЕСКОГО ДАТЧИКА НА ВОЗМОЖНОСТЬ АНАЛИЗА НИЗКОЧАСТОТНОЙ РЕГУЛЯЦИИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ
12 12 12 2 А.В.Курбако ' , Д.Д.Кульминский ' , В.С.Хорев ' , О.М.Посненкова
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Саратовский филиал инстиута радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН E-mail: [email protected]
Аннотация: В ходе работы был сконструирован широкополосный датчик фотоплетизмограммы (ФПГ) и сравнены его характеристики со сертифицированным регистратором ФПГ. Для сравнения технических характеристик был проведен эксперимент по снятию и анализу амплитудно-частотных и спектральных характеристик датчиков. Оценка диагностических способностей датчика производилась по синхронно записанным сигналам ФПГ. Показано влияние полосы пропускания на возможность анализа низкочастотных процессов автономной регуляции.
Ключевые слова: фотоплетизмограмма, сердечно-сосудистая система, синхронизация.
Исследования сердечно-сосудистой системы (CCC) вносят большой вклад в понимание функционирования человеческого организма и привлекают все больше внимания в последнее время. Заболевания CCC в развитых странах занимают первое место среди причин смертности и инвалидизации населения в трудоспособном возрасте. Своевременная диагностика и профилактика заболеваний сердца и сосудов позволяют не допустить патологические отклонения в организме и остановить развитие заболеваний на раннем этапе. Анализ сигналов фотоплетизмограммы (ФПГ) является одним из способов изучения ССС.
Низкочастотные составляющие сигнала ФПГ демонстрируют работу системы вегетативной регуляции [1-4]. Диапазон частот от 0.05 Гц до 0.15 Гц в спектре сигнала ФПГ называют low-frequency (LF), а диапазон от 0.15 Гц до 0.4 Гц - high-frequency (HF). Составляющие сигнала в LF диапазоне отражают работу симпатического отдела вегетативной регуляции ССС, а составляющие сигнала в HF диапазоне отвечают за парасимпатический отдел. Таким образом, для анализа автономной регуляции необходимо, чтобы датчик ФПГ имел полосу пропускания, соответствующую диапазону от 0.05 до 0.4 Гц. Однако большинство представленных на рынке проборов для регистрации ФПГ не предназначены для записи сигналов в данном частотном диапазоне.
В ходе работы нами был сконструирован широкополосный датчик ФПГ с характеристиками, пригодными для анализа низкочастотных процессов автономной регуляции ССС. Датчик работает на принципе регистрации отраженного света и состоит из оптического сенсора (светодиод 940нм и фототранзистор), 24-битного аналого-цифрового
145
преобразователя (АЦП) и схемы питания (П-образный аналоговый фильтр). Измеренные значения с АЦП передаются по шине SPI [5] на регистратор (рис. 1).
Рис.1. Электрическая принципиальная схема разработанного датчика
Для регистрации сигнала ФПГ датчиком был сконструирован регистратор на базе микроконтроллера [6] и разработано программное обеспечение для передачи данных на персональный компьютер и их обработки.
В работе было проведено сопоставление полученного датчика и датчика эталонного прибора. Для этого в ходе специального эксперимента были получены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), а также оценены уровни нелинейных искажений и уровни шумов датчиков. АЧХ стандартного регистратора [7] имеет резкий спад на частотах ниже 0.15Гц, в отличие от нашего датчика, при схожих уровнях шумов и нелинейных искажений (рис. 2).
Рис. 2. а - амплитудно-частотные характеристики датчиков, Ь - спектр зарегистрированного сигнала на частоте 0.1 Гц (красной линией - разработанный датчик, черной линией - эталонный датчик)
Диагностическая способность датчиков оценивалась по сигналам ФПГ, зарегистрированным синхронно с пальцев левой руки при помощи функции когерентности, корреляции и спектрального анализа. Результаты анализа доказали, что разработанный датчик ФПГ позволяет регистрировать низкочастотные составляющие сигнала кровенаполнения, позволяя анализировать процессы автономной регуляции кровообращения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований, грант номер 20-0200702 и гранта Президента РФ № МД-2202.2019.
Библиографический список
1. Kiselev A.R., Karavaev A. S. The intensity of oscillations of the photoplethysmographic waveform variability at frequencies 0.04-0.4 Hz is effective marker of hypertension and coronary artery disease in males // Blood Pressure. 2020. V.29. Iss. 1. P. 55-62
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. V. 10. P. 2118
3. Khorev V.S., Ishbulatov Yu.M., Lapsheva E.E., Kiselev A.R., Gridnev V.I., Bezruchko B.P., Butenko A.A., Ponomarenko V.I., Karavaev A.S. Diagnostics of the directed connection of the circulatory regulation circuits according to the time series of the mathematical model of the human cardiovascular system // Information and control systems. 2018. No1. P. 42-46
4. Kiselev A.R., Karavaev A.S., Gridnev V.I., ProkhorovM.D., Ponomarenko V.I., Borovkova E.I., Shvartz V.A., Ishbulatov Y.M., Posnenkova O.M., Bezruchko B.P. Method of estimation of synchronization strength between low-frequency oscillations in heart rate variability and photoplethysmographic waveform variability // Russian Open Medical Journal. 2016. V. 5. Iss. 1. P. e0101.
5. VTI Technologies SPI Interface Specification
6. CortexTM-M3 Technical Reference Manual Copyright © 2005, 2006 ARM Limited. All rights reserved. ARM DDI 0337E
7. Registration certificate for a medical device FSR 2008/02717 electroencephalograph-analyzer EEGA-21 / 26- "Encephalan-131-03" TU 9441-01424176382-2008
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕЗАПУСКОВ В РАЗРЯДЕ ПРИ АБСАНСНОМ ЭПИЛЕПТИЧЕСКОМ СТАТУСЕ
1 2 13
А. Ю. Долинина , М. В. Сысоева , И. В. Сысоев ' 1Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.
3Саратовский филиал инстиута радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН E-mail: dolinina 13 [email protected]
Аннотация: В данной работе была исследована частотно-временная динамика и проведен количественный анализ разрядов большой длительности (12 с и более) у крыс линии WAG/Rij — генетических моделей абсансной эпилепсии. Для этого был разработан и реализован алгоритм автоматического определения начала пик-волновых разрядов на основе частотно-временной структуры. Результатом данного анализа стало подтверждение наличия перезапусков в разрядах, что существенно для понимания механизмов поддержания пик-волновых разрядов.
Ключевые слова: абсансная эпилепсия, ЭЭГ, спайк-волновые разряды, частотно-временная структура, перезапуски.
