Биологические науки/11.Биоинженерия и биоинформатика

Михайлова П. А.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»

Решение задачи оптимальной фильтрации фотоплетизмографического сигнала

Метод фотоплетизмографии используется при диагностике состояния периферического кровообращения. Фотоплетизмография позволяет измерить уровень кровенаполнения, артериальное и венозное давление, объемный пульс [1], а также другие диагностические индексы (более 16-ти).

В приборы клинического мониторинга в последние годы всё чаще добавляют фотоплетизмографический канал. Мощность излучения современных светодиодов оказалась достаточной для регистрации фотоплетизмографического сигнала с высоким соотношением сигнал/шум во всем диапазоне оптической плотности тканей, содержащих пульсирующий сосуд. [2] Преимуществом данного метода, по сравнению с другими методами неинвазивной диагностики состояния сосудов, является простота и скорость проведения измерений. Фотоплетизмография даёт возможность исследовать как крупные, так и периферических сосуды. Недостатком фотоплетизмографии является отсутствие единственных технические требования к отдельным узлам современных фотоплетизмографов [1] и непосредственно к фильтрационному блоку прибора.

Задача выбора оптимальной схемы фильтрации стоит перед каждым разработчиком медицинского оборудования. Биологические сигналы имеют разную форму, частоту и меняются в зависимости от состояния организма. Индивидуальность многих показателей биологического объекта и влияние на регистрируемый сигнал артефактов различной природы (движение биологического объекта, оптические препятствие, состояние поверхности биотканей) ограничивают технические возможности диагностических приборов. Для получения качественного сигнала, который можно использовать при диагностированиии, разработчики приборов уже на стадии получения первичной информации исключают и ослабляют артефакты на определенных частотах. [3] Вместе с тем теряется и сглаживается часть сигнала, что содержит полезные при диагностике компоненты. Поэтому при некачественной фильтрации понижается точность полученной диагностической информации.

При проектировании оптимальной схемы фильтрации необходимо определить форму и характер поведения сигнала. Фотоплетизмографический сигнал представляет собой изменение во времени объема кровеносного сосуда под действием пульсовых волн. Величина сигнала измеряется как ослабление оптического или инфракрасного излучения, проходящего сквозь или отраженного от исследуемого участка, который содержит кровеносный сосуд. Амплитуда полученного сигнала составляет не менее 0,1 мВ [4].

Фотоплетизмографический сигнал содержит переменную, а также постоянную составляющую, которая зависит от структуры тканей, костей и кожного покрова. Переменная составляющая демонстрирует изменение объема крови, что происходит между систолической и диастолической фазами сердечного цикла. [5] В переменной составляющей сигнала выделяют волны первого порядка - пульсовые волны - синхронизированы с сокращениями сердца и волны второго порядка, синхронизированные с ритмом дыхания человека. [6] В связи с тем, что соотношение постоянная/переменная составляющая сигнала очень велико, от постоянной составляющей избавляются с помощью фильтров высоких частот, которые вносят искажения в полосе пропускания сигнала и влияют на соотношение амплитуд прямой и отраженной волн фотоплетизмографического сигнала. При этом значительно меняется рассчитываемый индекс жесткости, который характеризует тонус мелких мышечных артерий. [7] Поэтому предлагается использовать фильтры низких частот и вычитать постоянную составляющую из сигнала в аналоговом виде с помощью дифференциального усилителя.

Нижнюю частоту полосы пропускания фотоплетизмографа необходимо выбирать исходя из поставленных задач. Методом моделирования были получены следующие частоты: для вычитания постоянной составляющей достаточно обеспечить нижнюю сопрягающую частоту полосы пропускания фотоплетизмографа 30 мГц. В данном случае на сигнале останется наложенный сигнал дыхания, что так же можно использовать в диагностике. При повышении нижней сопрягающей частоты до 200 мГц можно добиться полного подавления кривой дыхания в сигнале и выделить часть сигнала, зависящую непосредственно только от кровенаполнения и пульсации сосудов.

Частота фотоплетизмографического сигнала связана с частотой сердечных сокращений. Поэтому верхнюю сопрягающую частоту предлагается выбирать из расчета адекватного отображения фотоплетизмографического сигнала вплоть до его третьей гармоники. Верхняя сопрягающая частота 12 Гц позволяет подавить все высокочастотные артефакты и отобразить все необходимые компоненты сигнала.

Для обеспечения наименьшего искажения сигнала предлагается использование в фильтрационном блоке фильтров Баттерворта, которые имеют очень пологую амплитудо-частотную характеристику на частотах полосы пропускания, что является необходимым условием в пределах проектирования медицинских приборов.

Предложенные решения были проверены на фотоплетизмографическом сигнал, смоделированный в программе для схемотехнического моделирования Micro-Cap 9 методом подбора необходимых частотных составляющих сигнала. Полученные результаты показали, что фильтрацию фотоплетизмографического сигнала можно обеспечить без искажения сигнала фильтром высоких частот.

Добавление фотоплетизмографического канала с качественно спроектированным фильтрационным блоком в приборы для клинического мониторинга позволяет повысить достоверность контроля и диагностирования состояния организма. При проектирования фильтром необходимо учитывать задачи, стоящие перед прибором, и проектировать фильтры исходя из наименьшего искажения сигнала во временной области. Данный подход позволит усовершенствовать методы диагностики и снизить отрицательные последствия поражения сосудов при поздней постановке диагноза.

Литература:

1. Павлов С. В. Оптико-електронні засоби діагностування патологій людини, пов'язаних із периферичним кровообігом: монографія / С. В. Павлов, Т. І. Козловська, В. Б. Василенко. – Вінниця: ВНТУ, 2014. – 140 с.

2. Калакутский Л. И. Фотоплетизмограф для клинического мониторинка сердечного ритма / Л. И. Калакутский, Е. В. Молчков, П. И. Бахтинов. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2012. – №11. – С. 87–91

3. Алексеев В. А. Автоматизованный фотоплетизмограф / В. А. Алексеев, С. А. Ардашев, С. И. Юран. // Приборы и методы измерений. – 2013. – №1. – С. 46–51.

4. Федотов А. А. Математическое моделирование и анализ погрешностей измерительных преобразователей биомедицинских сигналов / А. А. Федотов, С. А. Акулов. – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2013. – 280 с.

5. Wearable Photoplethysmographic Sensors—Past and Present / T.Toshiyo, M. Yuka, S. Masaki, Y. Masaki. // Electronics. – 2014. – №3. – С. 282–302.

6. Малиновский Е. Л. Учебно-методическое пособие по использованию пальцевой фотоплетизмографии [Електронний ресурс] : Научная библиотека диссертаций и авторефератов — 2017. – Режим доступу до ресурсу: http://www.tokranmed.ru/metod/fpg.htm.

7. Диагностический комплекс для анализа состояния сосудистой системы АнгиоСкан-01 [Електронний ресурс] // АнгиоСкан Электроникс. – 2014. – Режим доступу до ресурсу: https://www.angioscan.ru/attachments/ManualProfessional/index.html?contourparams_ri.htm.