Введение

Диаграмма изменений объема крови в тканях

Фотоплетизмограмма (ФПГ) – это оптически полученная плетизмограмма, которую можно использовать для регистрации изменений объема крови в микрососудистом русле ткани. ФПГ часто получают с помощью пульсоксиметра, который освещает кожу и измеряет изменения в поглощении света. Стандартный пульсоксиметр контролирует кровоснабжение дермы и подкожной ткани кожи. С каждым сердечным циклом сердце перекачивает кровь к периферии. Хотя этот пульсовой толчок несколько ослабевает к моменту достижения кожи, его достаточно для расширения артерий и артериол в подкожной ткани. Если пульсоксиметр прикреплен без сжатия кожи, можно также увидеть пульсацию венозного сплетения в виде небольшого вторичного пика. Изменение объема, вызванное пульсовым толчком, регистрируется путем освещения кожи светом от светодиода (LED) и последующего измерения количества света, прошедшего сквозь ткани или отраженного от них на фотодиоде. Каждый сердечный цикл отображается в виде пика, как показано на рисунке. Поскольку кровоток в коже может модулироваться множеством других физиологических систем, ФПГ также может использоваться для мониторинга дыхания, гиповолемии и других нарушений кровообращения. Кроме того, форма волны ФПГ различается у разных людей и меняется в зависимости от места и способа крепления пульсоксиметра. Несмотря на широкое использование датчиков ФПГ в различных коммерческих и клинических приложениях, точные механизмы, определяющие форму волны ФПГ, до сих пор не полностью изучены.

Места для измерения ППГ

В то время как пульсоксиметры являются широко используемыми медицинскими устройствами, регистрируемый ими сигнал фотоплетизмографии (PPG) редко отображается и, как правило, обрабатывается исключительно для определения насыщения крови кислородом и частоты сердечных сокращений. В данном случае, сигнал PPG можно получить с помощью пульсоксиметра, размещенного на голове, при этом наиболее распространенными точками измерения являются ухо, носовая перегородка и лоб. Фотоплетизмография может быть также настроена для мультисайтовой фотоплетизмографии (MPPG), например, путем одновременного измерения показателей с правой и левой мочек уха, указательных пальцев и больших пальцев ног, что открывает дополнительные возможности для оценки пациентов с подозрением на заболевание периферических артерий, дисфункцию автономной нервной системы, эндотелиальную дисфункцию и повышенную жесткость артерий. MPPG также обладает значительным потенциалом для анализа данных, например, с применением глубокого обучения, а также для разработки ряда других инновационных методов анализа пульсовой волны. Двигательные артефакты часто являются ограничивающим фактором, мешающим получению точных показаний во время физических упражнений и в условиях обычной жизнедеятельности.

Контроль дыхания

[[Изображение:NiprideEffectOnPPG большие. png|thumb|left|300px|Влияние нитропруссида натрия (Ниприд), периферического вазодилататора, на фотоплетизмограмму пальца пациента, находящегося под седацией. Как и ожидалось, амплитуда фотоплетизмограммы увеличивается после инфузии, а также усиливается вариабельность, вызванная дыханием (RIV). Многие исследования были посвящены оценке частоты дыхания по фотоплетизмограмме, а также более детальным измерениям дыхания, таким как время вдоха.

Мониторинг глубины анестезии

Эффекты разреза на испытуемом под общей анестезией, отображенные на фотоплетизмограмме (ППГ) и графике артериального давления (АД). Анестезиологам часто приходится субъективно оценивать, достаточно ли пациент находится под анестезией для проведения операции. Как видно на рисунке, если пациент недостаточно анестезирован, реакция симпатической нервной системы на разрез может вызвать немедленное изменение амплитуды ППГ.

Мониторинг гипо- и гиперволемии

Шамир, Эйдельман и др. исследовали взаимодействие между вдохновением и удалением 10% объема крови пациента для хранения крови перед операцией. Они обнаружили, что потерю крови можно было обнаружить как по фотоплетизмограмме с пульсоксиметра, так и по показаниям артериального катетера. У пациентов наблюдалось уменьшение амплитуды сердечного импульса, вызванное снижением преднагрузки сердца во время выдоха, когда сердце подвергается сжатию.

Контроль артериального давления

FDA, по сообщениям, выдало разрешение на использование бесконтактного монитора артериального давления, основанного на фотоплетизмографии, в августе 2019 года.

Обычная визуализация

В то время как фотоплетизмография обычно требует некоторого контакта с кожей человека (например, ухо, палец), дистанционная фотоплетизмография позволяет определять физиологические процессы, такие как кровоток, без контакта с кожей. Это достигается с помощью видеозаписи лица для анализа незначительных, мимолетных изменений цвета кожи, незаметных для человеческого глаза. Такой способ измерения уровня кислорода в крови с помощью камеры представляет собой бесконтактную альтернативу традиционной фотоплетизмографии. Например, его можно использовать для мониторинга сердечного ритма новорожденных или анализировать с помощью глубоких нейронных сетей для количественной оценки уровня стресса. Основное преимущество этой системы заключается в отсутствии необходимости физического контакта с исследуемой поверхностью ткани. Два основных ограничения этого подхода – (i) внеосевая интерферометрическая конфигурация, которая снижает доступную пространственную полосу пропускания сенсорного массива, и (ii) использование анализа кратковременного преобразования Фурье (через дискретное преобразование Фурье), которое подавляет физиологические сигналы. Анализ главных компонент цифровых голограмм, реконструированных из оцифрованных интерферограмм, полученных с частотой более ~1000 кадров в секунду, выявляет поверхностные волны на руке. Этот метод является эффективным способом выполнения цифровой голографии на основе интерферограмм, полученных по оси, что устраняет как снижение пространственной полосы пропускания внеосевой конфигурации, так и подавление физиологических сигналов. Более высокая пространственная полоса пропускания критически важна для большего поля зрения изображения. Усовершенствование голографической фотоплетизмографии – голографическая лазерная допплеровская визуализация – позволяет неинвазивно отслеживать пульсовую волну кровотока в кровеносных сосудах сетчатки, хориоидеи, конъюнктивы и радужной оболочки глаза. В частности, при лазерной допплеровской голографии глазного дна хориоидея вносит преобладающий вклад в высокочастотный лазерный допплеровский сигнал. Однако возможно обойти это влияние, вычитая пространственно усредненный базовый сигнал, и добиться высокого временного разрешения и возможности полнопольной визуализации пульсирующего кровотока.