16прогнозирования неблагоприятного исхода травмы, имеющий ряд преимуществ (объективность, мобильность (таблица может быть скопирована на смартфон) и лёгкость в использовании, надёжность), будут полезны для хирургических и травматологических клиник, научно-исследовательских институтов и лабораторий, которые занимаются изучением травматической болезни.
Библиографический список
1. Городник Г.А., Ельский В.Н., Смирнова Н.Н., Стрельченко Ю.И., Онищенко Е.В. Патогенез боевой травмы (обзор литературных данных) // Архив клинической и экспериментальной медицины. 2015. Т.24, №1. С. 51-57.
2. Ельский В.Н., Гусак В.К., Кривобок Г.К., Талалаенко А.Н., Фисталь Э.Я. Взрывная шахтная травма. Донецк; 2002. 170 с.
3. Ферстрате М. Возможности и ограничения метаанализа // Международный журнал интервенционной кардиоангиологии. 2004. №5. С. 11-15.
4. Egger M, Smith G.D. Meta-Analysis. Potentials and promise // BMJ (Clinical Research Ed.). 1997. V. 315. № 7119. P. 1371-1374.
5. Гланц С. Медико-биологическая статистика / пер. с англ. Ю.А. Данилов. -М.: Практика, 1999. - 459 с.
6. Лях Ю.Е., Гурьянов В.Г. Анализ результатов медико-биологических исследований и клинических испытаний в специализированном статистическом пакете MEDSTAT // Вестник гигиены и эпидемиологии. 2004. Т.8. №1. С. 155-167.
7. Езепов Д. Стандартная ошибка доли. https://statanaliz.info/statistica/ opisanie-dannyx/dispersiya-i-standartnaya-oshibka-doli/.
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ КОМПРЕССИИ НА ДАННЫЕ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ГЕМОДИНАМИКИ В ОБЛАСТИ ПАЛЬЦА
И.Ю. Волков, Д.ИМайское, А.В. Фомин, А.В. Скрипаль, А.А. Сагайдачный Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: volkovivan27@yandex.ru
Аннотация/ В данной работе рассматривается влияние внешней компрессии на получаемые результаты фотоплетизмографической визуализации изменения гемодинамики в области фаланги пальца. Установлено, что при давлении 90 мм.рт.ст. (1,2 г/мм2) наблюдается максимум амплитуды пульсовых колебаний. Дальнейшее увеличение давления приводит к уменьшению амплитуды пульсовых колебаний. Продемонстрированы возможности двумерной ФПГ-визуализации для изучения воздействия внешней компрессии на гемодинамику конечностей.
Ключевые слова: гемодинамика, фотоплетизмография, компрессия ткани фотоплетизмографическая визуализация.
Для изучения периферической гемодинамики широко используется метод фотоплетизмографии (ФПГ), а в последние 10 лет активно развивается метод фотоплетизмографической визуализации (ФПГ-визуализации). Технология ФПГ-визуализации использует принципы отражательной фотоплетизмографии, где вместо источника оптического
излучения используется внешний осветитель, а в качестве приемника отраженного света - светочувствительная матрица камеры. Метод позволяет производить как локальные измерения, так и пространственную визуализацию распределения амплитуды ФПГ-сигнала. Основной проблемой метода является низкое отношение сигнал/шум, что ограничивает возможности его клинического применения. Для увеличения отношения сигнал/шум используют либо различные программные алгоритмы обработки сигнала, либо применяют внешнюю механическую нагрузку на кожу [1].
Целью данных исследований является установление влияния внешней компрессии на изменение данных ФПГ-визуализации гемодинамики в области дистальной фаланги пальца.
Для оказания компрессии на кожу дистальной фаланги указательного пальца был сконструирован стенд, представляющий собой электронные весы, поверх которых располагалась пенопластовая подложка с выемкой для фаланги пальца. Палец располагался внешней стороной к объективу камеры. Давление на палец создавалось с помощью прямоугольной стеклянной пластины один край которой располагался на дистальной фаланге пальца, а другой - на опоре. Величина прикладываемого давления регулировалась с помощью прижимного винта. Значение давления оценивалась по показаниям электронных весов.
Запись последовательности кадров изображения во время эксперимента производилась с помощью монохромной ПЗС-камеры с разрешением 720^480 пикселей. Для освещения использовался кольцевой осветитель из светодиодов с центральной длиной волны 530 нм. Камера и кольцевой осветитель располагались на расстоянии 1 м от объекта съёмки. ФПГ-данные из последовательности изображений извлекались помощью разработанного программного обеспечения на языке программирования С++. Для получения изображения пространственного распределение максимальной амплитуды сигнала в программе был использован алгоритм на основе Фурье фильтрации, который подробно описан в [2]. Обработка зависимости отраженного сигнала от времени в выбранной области изображения производилась с помощью математического пакета МаШСаё 15.
Эксперимент заключался в последовательном ступенчатом наложении давления величиной 30, 90, 140 и 200 мм. рт. ст. Выбор приведенных значений прикладываемого давления обоснован в [3], где первое значение выбрано ниже нормального диастолического артериального давления (ДАД), немного выше нормального ДАД, немного выше нормального систолического артериального давления (САД) и намного выше, чем САД, соответственно. Каждая прикладываемая нагрузка выдерживалась 4 минуты, в итоге общее время эксперимента составляло 16 мин. В эксперименте участвовали трое здоровых испытуемых мужского пола в возрасте от 25 до 34 лет. До эксперимента добровольцы не употребляли алкогольных и тонизирующих напитков.
Вид фотоплетизмографического сигнала, получаемого в ходе обработки изображений с квадратной области размером 100^100 пикселей (5x5 мм) расположенной в центральной части фаланги пальца представлен на рис. 1.
100
С±
® 75
х
н
0
га 50
1 25
с
аз
0
.ьиЛЙЛ ^ 1 ■ И т1|м, .минА »ЛТ-
Л [ Г" 1 11 *
30 мм. рт. ст. 90 мм. рт. ст. 140 мм. рт. ст. 200 мм. рт. ст.
о
12
16
8 мин
Рис. 1. Пример изменения ФПГ-сигнала при воздействии ступенчатого увеличения
давления.
Для анализа изменения спектральных составляющих сигнала использовалось дискретное преобразование Фурье [4], которое вычислялось по формуле:
1 N -1 с (7 ^ £ * >
-г
N
(1)
где С (/) - коэффициенты ряда Фурье; ) - исходный фотоплетизмогафический сигнал в пространстве времени; ? - индексы отсчета времени; / - индексы отсчета частоты; N - общее количество точек.
Изменение амплитуды спектральных составляющих ФПГ-сигнала в зависимости от величины прикладываемого давления представлено на рис. 2а. Отдельно производилась оценка изменения спектральной амплитуды кардиальных составляющих ФПГ-сигнала (рис. 26).
ЗОА
Э
Е 20
о га~
5
5
ТО
10
[о- 30 мм, рт, ст. 00 мм, рт, ст. -е- 140 мм. рт. ст. рь- 200 мм. рт. ст.
0.05
0.1 Ь Гц
(а)
0.15
0.2
90 140 р, мм. рт. ст.
(б)
200
Рис. 2. Пример изменения спектра фотоплетизмографического сигнала от величины прикладываемой нагрузки - (а); зависимость изменения средней амплитуды спектра кардиальных колебаний от величины нагрузки - (б).
На рис. 3 показаны примеры фотоплетизмографической визуализации пространственного распределения амплитуды кардиальных колебаний кровотока в зависимости от прикладываемого давления.
В результате анализа спектров выявлено, что различная величины компрессии в общем случае по-разному влияет на изменение частотных составляющих сигнала. В частности, изменение низкочастотных составляющих сигнала у каждого испытуемого носят индивидуальный характер, но в основном, наблюдается увеличение амплитуды при увеличении нагрузки, как показано на рис. 2а. Наиболее выраженная закономерность наблюдается для кардиальных составляющих колебаний кровотока. Из графика на рис. 2б видно, что наибольшей амплитуды кардиальные колебания достигают при давлении 90 мм. рт. ст. (или 1,2 г/мм2), дальнейшее увеличение давления приводит к уменьшению амплитуды.
(в) (г)
Рис. 3. Пространственное распределение амплитуды кардиальных колебаний кровотока в зависимости от прикладываемого давления: (а) - для 30 мм. рт. ст., (б) -для 90 мм. рт. ст., (в) - для 140 мм. рт. ст., (в) - для 200 мм. рт. ст.
Также отмечено, что помимо изменения амплитуды, форма спектра в области кардиального диапазона существенно не изменяется от величины прикладываемого давления.
На рис. 3 для одного из испытуемых представлены примеры ФПГ-визуализации - пространственного распределения амплитуды кардиальных составляющих кровотока. Амплитуда пульсаций кодируется псевдоцветами со шкалой, показанной в правой части каждого рисунка. Максимальное значение шкалы оценивается отдельно для каждого
испытуемого и соответствует максимуму спектра в кардиальном диапазоне для всех измерений. На рис. 3а пунктирной линией для наглядности отмечен край стеклянной пластины, с помощью которой оказывалось давление на фалангу пальца, а на рис. 3в и рис. 3г пунктирной областью отмечена область с артефактами измерений. При детальном рассмотрении изображений можно отметить, что при увеличении давления меняется картина распределения кровенаполнения, а именно, при давлении 90 мм. рт. ст. наблюдается максимальная амплитуда и максимальная площадь поверхности пальца, на которой ярко выражены кардиальные колебания кровотока. При дальнейшем увеличении давления амплитуда уменьшается и увеличивается область пространства, в которой колебания кровотока вовсе отсутствуют. Из этого следует, что существенным фактором уменьшения амплитуды кардиальных колебаний кровотока при локальных измерениях является увеличение области пространства, в которой за счет давления полностью или частично кровь вытесняется из капиляров, располагающихся в поверхностных слоях дермы кожи. Полученные данные согласуются с результатами исследования влияния механического давления датчика на палец при проведении лазерной допплеровской флоуметрии [3].
В результате установлено, что увеличение внешней компрессии изменяет как спектральный состав колебаний кровотока, так и объёмное перераспределение крови в коже. Выявлено, что амплитуда кардиальных колебаний кровотока имеет максимум при нагрузке 90 мм. рт. ст. (1,2 г/мм ). Полученные результаты могут использоваться для оценки влияния давления контактных ФПГ датчиков на результаты измерений, а также при выборе оптимального прикладываемого давления прозрачной пластины с целью увеличения амплитуды кардиальных составляющих кровотока при проведении ФПГ-визуализации.
Библиографический список
1. Sidorov I.S., Volynsky M.A., Kamshilin A.A. Influence of polarization filtration on the information readout from pulsating blood vessels // Biomedical optics express. 2016. V.7. №7. P.2469-2474.
2. Wieringa F.P., Mastik F., Van der Steen A.F.W. Contactless multiple wavelength photoplethysmographic imaging: a first step toward "SpO2 Camera" technology // Annals of Biomedical Engineering. 2005. V.33. №8. P.1034-1041.
3. Mizeva, I.A., Potapova, E.V., Dremin, V.V., Zherebtsov, E.A., Mezentsev, M.A., Shuleptsov, V.V., Dunaev, A.V. Optical probe pressure effects on cutaneous blood flow // Clinical hemorheology and microcirculation. 2019. V.72. №3. P.259-267.
4. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов // Бином-Пресс. 2006. 656 с.
