Ученые РФ улучшили бесконтактный способ оценки кровотока по пульсовой волне
Исследователи из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН вместе с коллегами усовершенствовали алгоритм обработки данных, получаемых с оптических приборов для бесконтактной оценки скорости пульсовой волны.
Источник: Пресс-служба ИАПУ ДВО РАН. Проведение эксперимента.
МОСКВА, 16 марта. /Новости науки/. Группа российских ученых из разных научных институтов и центров разработала алгоритм, который позволяет с высокой точностью и бесконтактно определять, за какое время пульсовая волна доходит от сердца до определенного участка тела. Новый подход может помочь врачам оценивать состояние кровообращения у пациентов, которым нельзя закрепить датчики на коже, в том числе у новорожденных и людей с ожогами, сообщает пресс-служба РНФ.
«Предложенный метод позволяет адекватно оценить скорость распространения пульсовой волны от сердца до любой точки тела, не касаясь пациента. Это позволит использовать его в ситуациях, где контактные датчики неприменимы, например у пациентов с ожогами, новорожденных, во время хирургических операций. Наша главная задача на будущее — превратить этот пока экспериментальный инструмент в эффективный клинический метод», - приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, доктора физико-математических наук, главного научного сотрудника лаборатории функциональных материалов и систем фотоники Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Алексея Камшилина.
Как отмечают авторы, при обычных осмотрах и хирургических операциях врачи измеряют не только пульс и давление, но и скорость пульсовой волны — то есть скорость, с которой импульс давления крови, вызванный сокращением сердца, распространяется по сосудам. Этот показатель важен, потому что помогает судить о жесткости сосудистых стенок и, следовательно, о риске сердечно-сосудистых осложнений, включая инфаркт и инсульт.
Обычно для таких измерений используют контактные датчики, закрепляемые на теле. Однако это неудобно или невозможно в случае пациентов с обширными ожогами, а также у младенцев. Бесконтактные оптические методы рассматривались как альтернатива, но до сих пор их точность сильно снижали дыхание и даже небольшие движения человека.
Исследователи из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН вместе с коллегами усовершенствовали алгоритм обработки данных, получаемых с оптических приборов для бесконтактной оценки скорости пульсовой волны.
Для экспериментов ученые использовали стандартную установку: камеру с зеленой подсветкой, которая снимала участок кожи на предплечье. Зеленый свет хорошо поглощается гемоглобином, поэтому по изменению яркости отраженного сигнала можно отслеживать, как пульсовая волна проходит через мелкие сосуды под кожей.
Когда волна достигает капилляров, сосудистая сеть временно уплотняется и начинает сильнее поглощать зеленый свет. Из-за этого отраженный сигнал слабеет, и камера фиксирует это изменение. Параллельно исследователи использовали электрокардиограф, чтобы точно определить момент каждого сердечного сокращения и синхронизировать его с видеоданными.
Главная трудность состояла в том, чтобы отделить реальные сигналы, связанные с движением крови, от помех, вызванных дыханием и движениями тела. Для этого авторы применили новый алгоритм корреляционной обработки сигналов с электрокардиографа и камеры. Кроме того, каждый кадр разбивался на множество мелких фрагментов, и смещение каждого из них анализировалось отдельно.
Такой подход позволил с высокой точностью определять в каждой точке кадра как амплитуду пульсовой волны — разницу между систолическим и диастолическим давлением, — так и время ее прихода, то есть задержку между ударом сердца и моментом, когда пульс достигает места наблюдения.
Работу алгоритма проверили на 47 здоровых добровольцах. Во время эксперимента у испытуемых нагревали небольшой участок кожи на руке до 41 градуса Цельсия. Такой тест используют для оценки того, как сосуды реагируют на повышение температуры: в норме они должны расширяться, а кровоснабжение участка — усиливаться.
Оказалось, что локальный нагрев приводит к резкому усилению сигнала: амплитуда пульсовой волны в предплечье возрастала до 23 раз. Кроме того, после нагрева волна доходила от сердца к руке на 23% быстрее, чем в обычных условиях. За пределами нагреваемого участка таких изменений не наблюдалось.
По мнению авторов, это указывает на заметное перераспределение кровотока при повышении температуры, когда значительная его часть начинает идти в обход капиллярной сети. Такой эффект важен не только для изучения механизмов терморегуляции, но и для более точной оценки состояния сосудов, в том числе их эластичности, что необходимо для раннего выявления сердечно-сосудистых заболеваний.
В работе также участвовали сотрудники Института механики сплошных сред УрО РАН, Национального медицинского исследовательского центра имени В.А. Алмазова, Северо-Западного окружного научно-клинического центра имени Л.Г. Соколова, Тихоокеанского государственного медицинского университета, Института человеческого мозга имени Н.П. Бехтеревой РАН и Университета ИТМО.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Scientific Reports.
«Предложенный метод позволяет адекватно оценить скорость распространения пульсовой волны от сердца до любой точки тела, не касаясь пациента. Это позволит использовать его в ситуациях, где контактные датчики неприменимы, например у пациентов с ожогами, новорожденных, во время хирургических операций. Наша главная задача на будущее — превратить этот пока экспериментальный инструмент в эффективный клинический метод», - приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, доктора физико-математических наук, главного научного сотрудника лаборатории функциональных материалов и систем фотоники Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Алексея Камшилина.
Как отмечают авторы, при обычных осмотрах и хирургических операциях врачи измеряют не только пульс и давление, но и скорость пульсовой волны — то есть скорость, с которой импульс давления крови, вызванный сокращением сердца, распространяется по сосудам. Этот показатель важен, потому что помогает судить о жесткости сосудистых стенок и, следовательно, о риске сердечно-сосудистых осложнений, включая инфаркт и инсульт.
Обычно для таких измерений используют контактные датчики, закрепляемые на теле. Однако это неудобно или невозможно в случае пациентов с обширными ожогами, а также у младенцев. Бесконтактные оптические методы рассматривались как альтернатива, но до сих пор их точность сильно снижали дыхание и даже небольшие движения человека.
Исследователи из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН вместе с коллегами усовершенствовали алгоритм обработки данных, получаемых с оптических приборов для бесконтактной оценки скорости пульсовой волны.
Для экспериментов ученые использовали стандартную установку: камеру с зеленой подсветкой, которая снимала участок кожи на предплечье. Зеленый свет хорошо поглощается гемоглобином, поэтому по изменению яркости отраженного сигнала можно отслеживать, как пульсовая волна проходит через мелкие сосуды под кожей.
Когда волна достигает капилляров, сосудистая сеть временно уплотняется и начинает сильнее поглощать зеленый свет. Из-за этого отраженный сигнал слабеет, и камера фиксирует это изменение. Параллельно исследователи использовали электрокардиограф, чтобы точно определить момент каждого сердечного сокращения и синхронизировать его с видеоданными.
Главная трудность состояла в том, чтобы отделить реальные сигналы, связанные с движением крови, от помех, вызванных дыханием и движениями тела. Для этого авторы применили новый алгоритм корреляционной обработки сигналов с электрокардиографа и камеры. Кроме того, каждый кадр разбивался на множество мелких фрагментов, и смещение каждого из них анализировалось отдельно.
Такой подход позволил с высокой точностью определять в каждой точке кадра как амплитуду пульсовой волны — разницу между систолическим и диастолическим давлением, — так и время ее прихода, то есть задержку между ударом сердца и моментом, когда пульс достигает места наблюдения.
Работу алгоритма проверили на 47 здоровых добровольцах. Во время эксперимента у испытуемых нагревали небольшой участок кожи на руке до 41 градуса Цельсия. Такой тест используют для оценки того, как сосуды реагируют на повышение температуры: в норме они должны расширяться, а кровоснабжение участка — усиливаться.
Оказалось, что локальный нагрев приводит к резкому усилению сигнала: амплитуда пульсовой волны в предплечье возрастала до 23 раз. Кроме того, после нагрева волна доходила от сердца к руке на 23% быстрее, чем в обычных условиях. За пределами нагреваемого участка таких изменений не наблюдалось.
По мнению авторов, это указывает на заметное перераспределение кровотока при повышении температуры, когда значительная его часть начинает идти в обход капиллярной сети. Такой эффект важен не только для изучения механизмов терморегуляции, но и для более точной оценки состояния сосудов, в том числе их эластичности, что необходимо для раннего выявления сердечно-сосудистых заболеваний.
В работе также участвовали сотрудники Института механики сплошных сред УрО РАН, Национального медицинского исследовательского центра имени В.А. Алмазова, Северо-Западного окружного научно-клинического центра имени Л.Г. Соколова, Тихоокеанского государственного медицинского университета, Института человеческого мозга имени Н.П. Бехтеревой РАН и Университета ИТМО.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Scientific Reports.
