Пульсова діагностика та засоби візуалізації і обробки пульсової хвилі

Пульсова діагностика застосовується для вимірю­вання насичення крові киснем, артеріального тиску та серцевого викиду, оцінки вегетативної функції, а також виявлення захворювань перифе­ричних судин. Особливості та засоби цієї діагности­ки розглядаються у цій публікації.

В. Лаврентьєв, О. Вороненко

Останніми роками спостерігається зростання ін­тересу до техніки фотоплетизмографії, зумовлене попитом на низьку вартість, просту та портативну технологію з однієї сторони, а з іншої фотоплетиз- мограма, яка вимірюється неінвазивно, може дати цінну та корисну інформацію про роботу серцево- судинної системи. Ця технологія застосовується для вимірювання насичення крові киснем, артеріально­го тиску та серцевого викиду, оцінки вегетативної функції, а також виявлення захворювань перифе­ричних судин . Наприклад, швидкість пульсової хвилі визнана як маркер для виявлення можливих катастрофічних змін у серцево-судинній системі. Внаслідок цього контроль швидкості пульсової хвилі занесений з 2007 року у регламент Європейської ліги з артеріальної гіпертензії . Це відбувається, незважаючи на те, що форма та характеристики пульсової хвилі досі не повністю вивчені.

На сьогодні у сфері використання і аналізу пуль­сової хвилі спостерігаються два напрямки. Перший, суто фізіологічний, коли у формі кривої пульсової хвилі знаходять параметри, які відповідають або мо­жуть відповідати відомим параметрам функціону­вання серцево-судинної системи з медичної точки зору.

Наприклад, у наведений прототип пульсової хвилі здорової людини, показано, які параметри пульсової хвилі вимірюються, параметри, які на ос­нові виміряних потім обчислюються, а також наво­диться їх інтерпретація (рис.1). Розрізняють три хвилі, які відповідають наступному: перша – викид крові з лівого шлуночка серця, друга з’являється, коли хвиля доходить до стінки артерії і відбивається, і третя хвиля, яка генерується, коли аортальний сер­цевий клапан закритий. Для аналізу вимірюються максимальні або мінімальні амплітуди хвиль та мо­менти їх досягнення, на основі яких обчислюються такі параметри,як нахил h1/t1, що вказує на виконан­ня серцем функції викиду крові.

Параметр або відношення h3/h1 пов’язане з ела­стичністю артеріальної системи. Використовують також точку мінімуму на схилі пульсової хвилі. Цей параметр (мінімум h4) пов’язують з периферичним опором системи, а відношення h4/h 1 – з його відхи­лення.

Але якщо проаналізувати наведений на рис. 1 приклад, то, по-перше, відбитих хвиль повинно бути декілька, а по-друге, максимуми сумарної хвилі та декількох компонентів в часі не завжди співпадають з максимумами самих компонентів, що може приве­сти до недостовірних результатів аналізу.

Рис. 1.  Приклад пульсової хвилі здорової людини

Можна навести також інші приклади аналізу пульсових хвиль з більшою або меншою кількістю використаних параметрів, але основна ідея, яка по­лягає в тому, що пульсова хвиля переважно розгля­дається як сума прямої пульсової хвилі і відбитої ли­шається базовою. На рис. 2. показані чотири типи форми пульсової хвилі, які зустрічаються на практи­ці . Існує загальна інтерпретація форми пульсової хвилі, залежної від вікових змін. Навіть в пульсовій хвилі 4-го типу, де відбита хвиля практично злива­ється з прямою, це пояснюється значною жорсткі­стю стінок аорти, що також можна віднести до віко­вих змін серцево-судинної системи.

Рис. 2. Різні типи пульсових хвиль

Але очевидно, що візуально виділити і отримати параметри відбитої хвилі принаймні у наведених прикладах двох останніх типів хвиль немає можли­вості, що унеможливлює проведення прийнятного аналізу пульсової хвилі з точки зору діагностики серцево-судинної системи.

Другий, суто математичний підхід до аналізу пульсової хвилі, полягає в тому, що її форму розгля­дають з точки зору математичної обробки сигналів. Для прикладу можна вказати використання деком- позиції Гільберта-Хуанга , методу фазової пло­щини , методів нелінійного аналізу часових рядів та детермінований нелінійний прогноз на базі математичного моделювання процесів проходжен­ня гемодинамічного імпульсу вздовж кровоносних судин . В останній роботі показано, від чого в ідеалі залежить відбивна хвиля для різних так званих точок біфуркації, що необхідно враховувати при ана­лізі реальних процесів. Тому необхідно мати алго­ритм обробки сигналів пульсових хвиль, який доз­воляє отримати потрібний результат незалежно від форми кривої. Такий алгоритм нами пропонується.

По-перше, послідовність сигналу пульсової хви­лі, яку отримано в результаті вимірювання, оброб­ляється за допомогою модифікації перетворення Гільберта-Хуанга. В результаті чого послідовність фільтрується від високочастотного шуму, якщо та­кий є, а також від низькочастотних складових, які обумовлені наявністю нестаціонарних коливань в самій судинній системі і присутністю в організмі пацієнта інших фізіологічних процесів – дихання, ско­рочення м’язів і т.п.

В основі алгоритму декомпозиції покладене при­пущення, яке полягає у тому, що відбитих хвиль може бути більше ніж одна. Тому далі будемо роз­глядати пульсову хвилю як суму прямого імпульсу та одного або декількох відбитих імпульсів. Алгоритм декомпозиції розглядається на прикладі однієї пуль­сової хвилі P. Спочатку знаходяться моменти почат­ку пульсової хвилі t0 і кінця tmax. Далі визначається максимальна амплітуда А1 і момент t1 цього макси­муму.

На основі цих даних визначається форма сигналу прямого імпульсу P1. Від сигналу пульсової хвилі P віднімається сигнал P1 прямого імпульсу. Далі ви­значається максимальна амплітуда А2 отриманої різниці R1 і момент часу t2 цього максимуму. Якщо вважати, що моментом початку сигналу різниці R1 є момент t1, то ми маємо дані для визначення форми сигналу першого відбитого імпульсу P2.

Далі від різниці R1 віднімається сигнал першого відбитого імпульсу P2 і отримується різниця R2, сиг­нал якої зростає від нульового значення в момент часу t2 до максимуму А3 в момент t3. Таким чином, ми отримуємо дані для визначення форми сигналу другого відбитого імпульсу P3.

Аналогічним чином процес повторюється до от­римання різниці близької до нуля або до кінця пуль­сової хвилі – моменту часу tmax.

На рис. 3 показані результати декомпозиції пуль­сових хвиль різного типу. Неважко побачити, що кожна пульсова хвиля розкладається на прямий ім­пульс та декілька відбитих імпульсів, причому одно­значно. Отримані значення максимальних амплітуд і моментів часу максимумів можуть слугувати даними для аналізу та діагностики.

Рис. 3. Декомпозиція різних форм пульсових хвиль

На рис. 4 наведені результати декомпозиції двадцяти пульсових хвиль двох типів: з явним мак­симумом на спаді пульсової хвилі і без такого. Кож­на точка відповідає відносній амплітуді (Аі/А1) та від­носному часу (tj – t1)/(tmax – t1) перших та других відбитих імпульсів.

Рис. 4. Відносні амплітуди перших та других відбитих імпульсів різних пульсових хвиль

Виділені області 1 і 2 відповідають першому і другому відбитому імпульсу пульсових хвиль типу є, ж, з на рис.4, а області 3 і 4 відповідають першому і другому відбитому імпульсу пульсових хвиль типу а, б, в на рис.4.

Це дає підстави вважати, що за результатами декомпозиції можливо визначити окремі типи пульсо­вих хвиль і пов’язати їх з медичними та фізіологічни­ми параметрами. Йдеться про можливість створення бази даних, де форма пульсової хвилі пов’язу­ється з параметрами як здорової серцево-судинної системи, так і враженої різними захворюваннями.

Створення такої бази даних пропонується в . Основою такої бази є набір еталонних форм, які від­повідають тому чи іншому стану серцево-судинної системи (рис. 5). Аналіз пульсової хвилі спочатку зводиться до порівняння з еталонними значеннями і визначенням умовної групи, до якої її можливо віднести. Але такий аналіз не завжди може дати досто­вірний результат. Так, на рис. 4. наведені приклади пульсових хвиль для пацієнтів з різними захворю­ваннями: розширена кардіоміопатія (верхня зліва), шлуночкова аневризма (верхня справа), застарілий інфаркт міокарда (нижня зліва) та дегенеративна хвороба клапанів та типова форма хвилі застарілого інфаркту міокарда (нижня справа).

Рис.  5. Пульсові хвилі у пацієнтів з різними захворюваннями

Якщо дві верхні пульсові хвилі ще можливо від­різнити одну від одної і визначити найбільш схожий еталон, то з двома нижніми можуть виникнути не­однозначні або суперечливі висновки. В тій же робо­ті пропонується створення моніторингової си­стеми для побудови бази даних для кожного окре­мого пацієнта та відслідковувати зміну параметрів вимірювань пульсової хвилі на протязі певного часу, тому що тривалий у часі моніторинг може дати біль­ше інформації ніж окреме вимірювання, не пов’яза­не з попередніми.

Тобто лінії трендів параметрів стану серцево-су­динної системи є набагато більш цінними для ліку­вання. У нашому випадку це ще більш показово, тому що в результаті декомпозиції ми отримуємо точні параметри відбитих імпульсів і таким чином порівняння вимірювань буде більш інформативним. Насамкінець необхідно зазначити, що сигнали пуль­сових хвиль, що використані нами, виміряні на ре­альних пацієнтах за допомогою інформаційно-вимі­рювального комплексу пульсової діагностики .

З метою створення бази даних сигналів пульсової хвилі для подальшого аналізу її характе­ристик та декомпозиції пульсової хвилі нами роз­роблено та створено систему збору даних та візуалізації пульсової хвилі у двох оптичних діапазонах відбиття випромінювання з використанням мініатюрного сенсору з відповідним програмним забез­печенням. Структурна схема системи наведена на рис. 6.

Рис. 6.  Структурна схема системи збору даних

Для цифровізації сигналу пульсової хвилі створе­но мініатюрний сенсор на базі ІМС MAX30102EFD+T. Це високочутливий пульсоксиметр з сенсором сер­цевого ритму для моніторингу стану здоров’я люди­ни, який призначений для використання, наприклад, у розумних годинниках та мобільних гаджетах, таких як мобільні телефони, планшетні комп’ютери і т. і. Він має такі характеристики:

• наднизьке енергоспоживання, що важливо для мобільних пристроїв;
• програмовані частота дискретизації та світло- діодний струм для економії енергії живлення;
• здійснюється моніторинг серцевого ритму з споживчою потужністю < 1 мВт;
• типовий струм у режимі спокою 0,7 мкА;
• має можливість швидкого виведення даних;
• висока частота дискретизації;
• висока стійкість до артефактів руху;
• високе відношення сигнал/шум;
• діапазон робочих температур від -40 до +85 °C.

Функціональна схема сенсора наведена на рис. 7, а зовнішній вигляд сенсора – на рис. 8.

Рис. 7. Функціональна схема сенсора

Рис. 8. Сенсор для вимірювання та цифровізації сигналів пульсової хвилі

Для вводу оцифрованої пульсової хвилі у ПК використана плата налагодження LPCXpresso51U68, зовнішній вигляд якої наведено на рис. 9.

Рис. 9. Зовнішній вигляд плати LPCXpresso51U68

Плата налагодження LPCXpresso51U68 виконує управління сенсором, а саме: задає параметри CONFIGURATION (FIFO Configuration, ModeConfigu­ration, SpO2 Configuration, LED Pulse Amplitude, Mul­ti-LED ModeControlRegisters та інші, а також задає параметри переривання для отримання оцифрова- ної пульсової хвилі; передає дані для діагностики в ПК через стандартний інтерфейс USB.

Для реалізації поставленої задачі використано програмне середовище MCUXpresso від NXP, роз­роблено програмний засіб на мові С, який заванта­жується у вбудовану FLASH пам’ять мікроконтролера LPC51U68 плати налагодження LPCXpresso51U68. З метою передачі даних у ПК користувача розроблений застосунок на мові C# в програмному середовищі Microsoft Visual компанії Microsoft, який призначався для:

• підтримки підключення плати налагодження LPCXpresso51U68 до ПК користувача з метою зчиту­вання даних пульсової хвилі з сенсора
• управління процесом вимірювання пульсової хвилі
• отримання даних вимірювання у двох оптичних діапазонах вимірювання (червоному та інфрачерво­ному)
• формування та зберігання .logфайлу вимірю­вання
• графічного відображення даних в двох оптич­нихдіапазонах
• формування та зберігання оцифрованої пуль­сової хвилі для подальшої обробки, декомпозиції та діагностики.

Приклад роботи розробленого програмного за­собу max30102.exe наведено на рис. 10.

Рис. 10. Приклад роботи програмного засобу max30102.exe

ВИСНОВКИ

Форма пульсової хвилі прийнята як маркер для виявлення можливих катастрофічних змін у серце­во-судинній системі. Внаслідок цього контроль швидкості пульсової хвилі занесений з 2007 року у регламент Європейської ліги з артеріальної гіпер­тензії. Авторами запропоновано алгоритм обробки форми пульсових хвиль і програмно-апаратні засо­би для візуалізації та обробки пульсової хвилі, які дозволяють діагностувати порушення серцево-су­динної системи у реальному часі.

ЛІТЕРАТУРА

• Chuan-YiLiu, Ching-ChuanWei, Pei-ChenLo, Variation Analysis of Sphygmogram t Assess Cardiovas­cular Systemunder Meditation. Evid Based Comple­ment Alternat Med. 2009 March; 6(1): 107-112.
• Guidelines for the management of arterial hyper­tension. The task force for the ESH, ESC /J. Hyperten- sion.-2007.- vol. 25.- P. 1105 -87.
• Кокодий Н.Г., Шапошникова А.В., Кайдаш М.В., Тиманюк В.А., Mатематический анализ сфиг­мограммы, Physicsandengineeringinphotobiologyandphotomedicine, № 1, 2, с. 87-94.
• Hemant Sharma Heart rate extraction from PPG signals using variational mode decomposition Biocy­bernetics and Biomedical Engineering Volume 39, Is­sue 1, January-March 2019, Pages 75-86.
• Омпоков В. Д., Бороноев В. В., Комплементар­ная множественная декомпозиция на эмпирические моды с адаптивным шумом ceemdanкак метод ре­шения основных проблем применения преобразо­вания Гильберта-Хуанга, Журнал радиоэлектрони­ки, ISSN1684-1719, N9, 2016, с. 1-7.