Фотоэлектрическая сфигмография с применением модуля E14-140

Внедрение: 2017 г.

Специалистами из двух харьковских университетов была создана экспериментальная установка на основе модуля АЦП E14‑140, реализующая классический способ получения сфигмограммы, о чём свидетельствует статья [1], опубликованная в международном научно-практическом журнале «Фотобиiологiя та фотомедицина». Ниже приводим фрагменты этой статьи. 

Фотоэлектрическая сфигмография – это графическая регистрация пульсовых колебаний сосудов с помощью оптико-электрической пары светодиод-фотодиод, установленной на участках тела с отчетливо выраженной пульсацией артерий. Сигнал формируется благодаря изменению объема крови в месте индикации, которое сопровождается изменением оптической плотности измеряемого участка. Оптический сенсор обычно работает в красной и ближней инфракрасной области спектра – полосе прозрачности биологической ткани. Наиболее удобное место для расположения датчика – палец руки (рисунок 1). Форма пульсовой волны (рисунок 2), которую регистрирует оптический датчик, определяется сократительной способностью левого желудочка сердца и вязко-эластичными свойствами крупных артерий. Максимальное влияние на формирование сигнала оказывают эластичные свойства аорты.

Рисунок 1. Схема расположения пальца в оптическом датчике.

Импульсная сердечная нагрузка и наличие точек ветвления сосудов (бифуркаций) обусловливают специфику внутрисосудистой гемодинамики. В точках бифуркации скачкообразно изменяется гидравлическое сопротивление сосудов, и формируются отраженные волны, которые накладываются на прямую волну. На рисунке 3 (верхний график) представлена схема суперпозиции прямой и отраженной волн для эластичных артерий, а на рисунке 3 (нижний график) – для ригидных артерий (со сниженной эластичностью стенок). В последнем случае систолическое артериальное давление, сформированное левым желудочком, получает дополнительную прибавку (аугментацию), которая ярко проявляется у лиц пожилого возраста.

Анализ сфигмограммы включает временной анализ отдельных элементов сфигмограммы и описание формы кривой, которая бывает весьма характерна при некоторых заболеваниях. В основе классификации заложена величина временного интервала между прямой и отраженной волной. Варианты кривых сфигмограммы можно разделить на 4 типа (рисунок 4). Эти факторы являются предпосылкой для использования сфигмограмм при определении биологического возраста человека, а также распознавания патологий на основе анализа отличий сфигмограммы обследуемого объекта от нормальной сфигмограммы.

Рисунок 4. Типы пульсовых волн: 1‑го типа, регистрируемая у молодых людей; 2‑3 типа – у старших возрастных групп людей; 4‑го типа – большой жесткости стенок аорты.

В экспериментальной установке реализован классический способ получения сфигмограммы с помощью пары светодиод-фотодиод. Блок-схема экспериментальной установки показана на рисунке 5. Большой, указательный или средний палец руки помещается между светодиодом СД и фотодиодом ФД.

Рисунок 5. Блок-схема экспериментальной установки: СД – светодиод, БП – блок питания светодиода, ФД – фотодиод, АЦП – аналого-цифровой преобразователь E14‑140, ПК – персональный компьютер.

Наиболее подходящие для получения сфигмограммы области спектра – оранжевая и красная. Здесь глубина проникновения излучения в ткань – около 10 мм. Излучение проходит через весь объект. Поглощение его существенное, так что изменения оптической плотности объекта, связанные с изменениями объемной скорости крови, заметно сказываются на интенсивности прошедшего света. В установке использовался красный светодиод с мощностью излучения около 10 мВт. При такой мощности амплитуда сигнала с фотодиода составляла несколько милливольт. Сигнал регистрировался АЦП E14‑140 и вводился в компьютер. Общий вид установки показан на рисунке 6.

Рисунок 6. Экспериментальная установка: 1 – светодиод, 2 – фотодиод, 3 – аналого-цифровой преобразователь E14‑140, 4 – компьютер.

Первичная обработка сигнала проводится с помощью программы PowerGraph. Дальнейшая математическая обработка сигнала проводится с помощью программы Mathcad. Определение координат характерных точек сфигмограммы и расстояний между этими точками производится с помощью функции Trace. На рисунке 7 показано окно программы Mathcad и перекрестие функции Trace, которое находится в одном из максимумов сфигмограммы (верхний график). График производной du(t)/dt (нижний график) помогает точнее определить положение максимума.

Рисунок 7. Окно программы Mathcad.

Для тестирования алгоритма был проведен анализ двух объектов; объект 1 – девушка в возрасте 23 года, объект 2 – мужчина в возрасте 77 лет. Видны характерные качественные различия между графиками. На сфигмограмме объекта 1 сигнал возрастает быстро, максимум острый, есть два вторичных максимума. На сфигмограмме объекта 2 изменения сигнала более медленные. Это объясняется тем, что с увеличением возраста стенки кровеносных сосудов становятся более жесткими и меньше деформируются под действием давления крови.

Рисунок 8. Сфигмограммы исследуемых объектов (красным цветом): а – объект 1 (возраст 23 года), б – объект 2 (возраст 77 лет). Синим цветом – графики производных. По оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат – величина сигнала в милливольтах (две клетки – 1 мВ).

Выводы:

1. С помощью пары светодиод-фотодиод получен сигнал сфигмограммы, который наряду с сигналами электрокардиограммы и кардиоинтервалограммы дает информацию о физическом состоянии исследуемого объекта и его биологическом возрасте.
2. Разработан алгоритм обработки сигналов сфигмограммы, основанный на измерении геометрических характеристик импульса. Для реализации алгоритма использованы программы PowerGraph и Mathcad. Работоспособность алгоритма проверена на анализе сфигмограмм двух человек.
3. Достоинствами метода является простота его аппаратурного обеспечения и математического аппарата обработки при большом объеме получаемой информации.

Источник:
Кокодий Н.Г., Шапошникова А.В., Кайдаш М.В., Тиманюк В.А. Математический анализ сфигмограммы // Фотобиiологiя та фотомедицина. – 2017. – Том 14, № 1, 2. – С. 87‑94.

Разработчик: Кокодий Н.Г., Шапошникова А.В. (Харьковск. национ. ун-т), Кайдаш М.В., Тиманюк В.А. (Национ. фармацевтический ун-т, г. Харьков)