Комп’ютерний фотоплетизмограф
Комп’ютерний фотоплетизмограф
В ході роботи було розроблено структурну схему та реалізований макет комп’ютерного фотоплетизмографа, що забезпечує реєстрацію, обробку та обчислення параметрів пульсової хвилі. Виготовлено експериментальний зразок апаратної частини фотоплетизмографа, що забезпечує первинну обробку сигналу оптичного сенсора та спряження апарату з персональним комп’ютером. Розроблено програмне забезпечення для керуючого мікроконтролера апаратної частини.
Розроблено програмне забезпечення мовою високого рівня для персонального комп’ютера, яке дозволяє проводити аналіз фотоплетизмографічного сигналу та обчислювати параметри пульсової хвилі.
Загальний вигляд пристрою
Метод дослідження
В наш час проблема швидкої, якісної та одночасно доступної діагностики та оцінки параметрів кровотоку стоїть досить суттєво. Одним із варіантів вирішення цієї проблеми став метод фотоплетизмографії, який надає протягом короткого періоду часу точну і об’єктивну інформацію про зміни параметрів кровообігу при впливі на організм різних фізичних факторів, що дозволяє використовувати його в фізіотерапії. Дослідження артеріального пульсу дає можливість отримати важливу інформацію про роботу серця і стан кровообігу.
Методика фотоплетизмографії базується на методі оптичної денситометрії з кількісною та якісною оцінкою характеру поглинання або розсіювання світла в тканинах організму. Висока чутливість, достовірність і якісна відтворюваність показників методу пальцевої фотоплетизмографії дають можливість об’єктивізувати у хворих динамічну оцінку змін функціонального стану окремих ланок і в цілому стану серцево-судинної системи і впливу на неї центральних відділів нервової і вегетативної нервової системи.
Слід пояснити, що стандартний метод пальцевої фотоплетизмографії заснований на тому, що досліджувана кінцева фаланга пальця кисті або стопи просвічується з одного боку звичайним некогерентним світлом, який після розсіювання в ній з протилежного боку надходить на фотоприймач.
Інтенсивність світла, розсіяного ділянкою досліджуваної тканини, відображає кількість крові, яка міститься в ній в реальний відрізок часу, реєструючи кількісну та якісну динаміку послідовних змін об’єму крові в досліджуваній ділянці тканини за період кожного серцевого циклу протягом усього процесу вимірювань.
Предметом вивчення при проведенні пальцевої фотоплетизмографії є пульсові хвилі. Надана ними інформація відображає на периферичному рівні гемодинаміки діяльність серцево-судинної системи.
Вид пульсової хвилі: А1 – амплітуда анакротичної частини пульсової хвилі, А2 – амплітуда дикротичної частини хвилі
Пульсова хвиля складається з двох основних частин. Перша (А1) відповідає так званому “анакротичному періоду” – фазі найбільшого скорочення серцевих м’язів, а друга (А2) – “Дикротичному періоду”. Амплітуда анакротичної складової (А1) відображає величину ударного об’єму крові, який виштовхується з серця. Дикротична складова пов’язана з тим, що при викиді крові серцем під дією підвищеного тиску аорта і великі магістральні артерії пружно розтягуються, а коли систолічний тиск йде на спад, то повертаються в початковий стан, викидаючи при цьому накопичений обсяг крові. Чим більше цей обсяг, тим вище амплітуда (А2). Тому ця амплітуда дозволяє судити про пружність аорти та магістральних артерій.
Дикротична фаза надає інформацію про тонус судин. Вершина пульсової хвилі відповідає найбільшому обсягу крові, а її протилежна частина – найменшому обсягу крові в досліджуваній ділянці тканини. Характер пульсової хвилі залежить від еластичності судинної стінки, частоти пульсу, обсягу досліджуваної ділянки тканини, ширини просвіту судин. Вважається, що частота і тривалість пульсової хвилі залежить від особливостей роботи серця, а величина і форма її піків – від стану судинної стінки.
Функціональні можливості розробленого приладу
Розроблений комп’ютерний фотоплетизмограф має широкий набір вимірюваних та обчислюваних параметрів. Програмне забезпечення складається з таких основних модулів:
- контурний аналіз пульсової хвилі;
- аналіз варіабельності серцевого ритму;
- спектральний аналіз ритмограми.
Контурний аналіз пульсової хвилі
Фотоплетизмограф забезпечує:
– Реєстрацію і візуалізацію пульсової хвилі;
– Обчислення частоти серцевих скорочень в реальному часі;
– Контурний аналіз пульсової хвилі (обчислення амплітудно-часових параметрів пульсової хвилі).
Обчислювані показники пульсової хвилі приведені у таблиці 1:
Показники пульсової хвилі.
| Показник | Опис |
Норма |
| ІЖ, м/с | Індекс жорсткості – параметр , який явно корелює зі швидкістю поширення пульсової хвилі – маркером артеріальної жорсткості / ригідності . | 5 – 9 м/с |
| ІВ, % | Індекс відбиття – відображає переважно тонус артеріол і дрібних судин , побічно вказує на наявність атеросклеротичних відкладень (збільшення відображень) | 40 – 70 % |
| АПХ | Амплітуда пульсової хвилі ( амплітуда анакротической фази) | |
| АДХ | Амплітуда дикротичної хвилі | 0,5* АПВ |
| ВІ | Висота інцизури | (2/3)* АПВ |
| ІДХ | Індекс дикротичної хвилі | 50 – 70% |
| ТАФ, с | Тривалість анакротической фази пульсової хвилі | |
| ТДФ, с | Тривалість дикротичної фази пульсової хвилі | |
| ТФИ, с | Тривалість фази вигнання – параметр, що відображає діастолічну активність | |
| ТПВ, с | Тривалість пульсової хвилі | 0,7 – 1,1 с |
| ІВВ, % | Індекс висхідної хвилі – параметр, що відображає фазу наповнення в систолічний період серцевого циклу, відповідає відношенню тривалості висхідного сегмента анакротичної хвилі до загальної тривалості пульсової хвилі | 15 – 30% |
| ЧН, с | Час наповнення (відповідає проміжку від початку пульсової хвилі до вершини анакротичної хвилі) | 0,06 – 0,2 с |
| ТС, с | Тривалість систолічною фази серцевого циклу | 0,35 – 0,55 |
| ТД, с | Тривалість діастолічної фази серцевого циклу | 0,4 – 0,6 |
| ЧВХ | Час відображення пульсової хвилі ( відповідає часу розслаблення міокарда у протодіастолічну фазу) | 0,2 – 0,4 с |
Вигляд вікна програми для проведення контурного аналізу пульсової хвилі
Аналіз варіабельності серцевого ритму
Вигляд вікна програми для аналізу варіабельності серцевого ритму, що включає побудову ритмограми, скатерограми, гістограми та проведення автокореляційного аналізу
Спектральний аналіз римограми
Для виявлення і оцінки періодичних складових серцевого ритму більш ефективним є спектральний аналіз. При вивченні ФПГ неважко переконатися в тому, що вона має вигляд хвилі, що періодично повторюється, а точніше, кількох хвиль, які мають певну частоту іамплітуду. Внесок кожної зцих частот в структуру ритму оцінюється за допомогою аналізу Фур’є, результатом якого є побудова графіка залежності потужності коливань від їх частоти.
Таким чином, спектр серцевого ритму являє собою залежність потужності коливань (по осі ординат) від частоти коливань (по осі абсцис). Піки на спектрограмі відповідають дихальним хвилях, повільним хвилях I порядку, повільним хвилях II порядку. Залежно від вираженості дихальних і не дихальних періодичних складових відповідно змінюється і характер спектра.
–
Вигляд вікна програми для проведення спектрального аналізу
Програмна реалізація апаратної частини:
Програма мікроконтролера розроблена в середовищі IAR ARM високорівневою мовою програмування С++ і складається з наступних модулів:
-роботи з АЦП, що дозволяє змінювати частоту дискретизації;
-роботи з вбудованим універсальним асинхронним прийомо-передавачем (UART), який забезпечує безпосередній зв’язок з ПК через перетворювач інтерфейсів USB-UART (CP2102);
Технічна реалізація фотоплетизмографа
Розроблений макет фотоплетизмографа дозволяє реєструвати пульсову хвилю, обчислювати частоту серцевих скорочень, артеріальний тиск і проводити аналіз варіабельності серцевого ритму. Фотоплетизмограф забезпечує вимірювання великого набору медико-біологічних показників.
Структурна схема комп’ютерного фотоплетизмографа
Зміна кровотоку реєструється оптичним датчиком, в якості якого використовується промисловий сенсор NellcorDS-100A. З датчика сигнал поступає на вхід підсилювача фототоку. Після підсилення сигналу майже до динамічного діапазону аналогово-цифрового перетврювача сигнал квантується та обробляється програмою мікроконтролера. Обмін даними між пристроєм та комп’ютером здійснюється через інтерфейс USB. Для спряження мікроконтролера та комп’ютера застосовується перетворювач інтерфейсів USB-UART. Для забезпечення мінімізації впливу синфазної завади, використовується гальванічна розв’язка.
Важливим елементом пристрою є підсилювач сигналу фотодатчика. Підсилювач складається з трьох основних блоків: попередній диференційний підсилювач, режекторний фільтр, крайовий підсилювач і каскад зсуву нуля.
Розробка була удосконалена в рамках дипломного проекту студентом кафедри ФБМЕ і КIТ Середою Дмитром Вадимовичем під керівництвом Антоненка Євгенія Олександровича.
В ході дипломної роботи було розроблено прилад, який дозволяє реєструвати пульсову хвилю, обчислювати частоту серцевих скорочень, проводити аналіз варіабельності та спектральний аналіз серцевого ритму Фотоплетизмограф забезпечує вимірювання великого набору медико-біологічних показників. Спеціально для цього приладу було розроблено програмне забезпечення високорівневою мовою програмування С++ для керуючого мікроконтролера та персонального комп’ютера, за допомогою якого можна спостерігати за вимірюванням всих вище перечислених показників та аналізів в режимі реального часу.