Фотоплетизмограмма. Погрешность пульсоксиметров

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 21.12.2024

Потенциальная возможность возникновения погрешностей заложена как в самом принципе измерения SpO2 и частоты пульса, так и в его технической реализации. Вред, который они причиняют в операционных и палатах интенсивной терапии, достаточно серьезен:

• ложная информация иногда приводит к принятию неправильных решений;

• частая необоснованная активация аларма снижает доверие медперсонала к методу в целом;

• на беспокойный монитор перестают обращать внимание, и появление реальной опасности остается незамеченным; «частая ложная активация аларма провоцирует нехорошее, но вполне естественное желание отключить аларм-систему (что во многих случаях и предпринимается);

• работающий монитор становится дополнительным источником раздражающего шума.

Специальные исследования, выполненные за рубежом, показали, что пульсоксиметры являются источником более чем половины всех тревожных звуковых сигналов, раздающихся в стандартно оборудованных отделениях интенсивной терапии. При этом в 95% случаев причиной активации аларма пульсоксиметра служит не реальная опасность, а артефакты или неправильная настройка аларм-системы. Приблизительно в 60 % случаев персонал отключает ее, не пытаясь разобраться в том, почему произошло срабатывание. С одной стороны, это проблема поведения человека в атмосфере, перенасыщенной технологиями, с другой — явный намек разработчикам приборов для мониторинга.

1 Артефактами (дословно — искусственными фактами) мы будем обозначать такие показания монитора, которые обусловлены не истинными значениями параметров, а действием посторонних факторов.

Наибольшая склонность к отображению артефактной информации отмечается у простейших моделей пульсоксиметров, не имеющих специальных систем защиты от помех. Лишь в последние годы появились эффективные программы анализа сигнала, способные не только распознавать артефакты, но также выделять и отображать на дисплее достоверную информацию даже в крайне неблагоприятных условиях работы. В частности, применение технологии SET (signal extraction technology) американской фирмы MASIMO позволяет уменьшить частоту активизаций аларма на 93% по сравнению с исходной, причем исключительно за счет подавления артефактов. Эффективные программы подавления артефактов работают также в мониторах фирм BCI и CURATIVUS. Но все-таки чаще приходится работать с мониторами, реагирующими на артефакты не менее бурно, чем на реальную опасность. Поэтому анестезиолог должен знать типичные причины возникновения артефактов и уметь их распознавать.

Погрешности, связанные с освещением. При взгляде на светодиоды датчика может создаться впечатление, что они излучают непрерывный поток света. На самом деле это не так: фотодиоды по очереди мигают с высокой частотой, измеряемой сотнями герц. Согласно требованиям Международной организации стандартов (ISO) частота засветки должна быть кратной частоте электросети, чтобы мерцание электрических ламп не влияло на процесс измерения.

Каждый цикл датчика состоит из трех фаз. Сначала на тысячные доли секунды включается красный светодиод, и фотодетектор измеряет падающий на него поток красного света, а также окружающий свет, проникающий в датчик извне. Затем то же самое проделывает инфракрасный светодиод, после чего оба диода гаснут. В этот момент фотодетектор измеряет фон — окружающий свет, достигающий фотодетектора,— который исключается программой из расчета SpО2. Поэтому датчики многих пульсоксиметров можно помещать на освещенные места без ущерба для результата. Правда, несмотря на эти хитрости, свет отдельных типов ламп все же способен существенно искажать показания пульсоксиметра. Данным свойством обладают, в частности, мерцающий в физиологическом диапазоне частот свет ксеноновых ламп, а также излучение некоторых инфракрасных светильников. Пульсоксиметры различных фирм неодинаково реагируют на помехи такого рода.

Оценить погрешности своего оборудования можно, сравнив показания пульсоксиметра при освещенном и закрытом от света датчике.

Погрешности, вызванные наводкой. На точности показаний пульсоксиметра сказывается постороннее электромагнитное излучение, в океане которого работает монитор. У фотодетектора датчика электрический сигнал очень слабый, особенно в условиях нарушенной перфузии тканей, и наводка от работающей рядом электрохирургической аппаратуры может быть видна на фотоплетизмограмме (рис. 1.5). Это сильно влияет на точность измерения. Проблема обычно решается одним из двух способов — эффективным экранированием кабеля датчика и применением схем, подавляющих наводку, что позволяет сделать прибор почти нечувствительным к внешнему электромагнитному излучению (DATASCOPE, DATEX, CURATIVUS и некоторые др.),— или не решается вовсе. Мониторы фирмы OHMEDA, плохо защищенные от наводки, ведут себя, тем не менее, честно: они распознают проблему, прекращают измерение до момента ее исчезновения и сообщают об этом на дисплее. К сожалению, большинство моделей пульсоксиметров (CRITICARE, INVIVO, NELLCOR, PHYSIOCONTROL, CATALYST и др. 1 ) при появлении наводки отображают на дисплее неправильную величину сатурации, особенно при плохом периферическом кровотоке.

1 Совершенствование мониторной техники происходит очень быстрыми темпами. Каждая характеристика модели — объект острейшей конкурентной борьбы, о масштабах которой врачи обычно и не подозревают. Поэтому приведенные здесь и далее сведения, действительные во время написания книги, могут окапаться устаревшими к моменту ее публикации.

Рис. 1.5. Погрешность, вызванная электронаводкой

Датчик и его кабель должны находиться как можно дальше от кабелей электроинструмента.

Погрешности, порожденные низкой амплитудой ФПГ. Способность пульсоксиметра выделять полезный сигнал для расчета SPO2 зависит от объема пульсаций, то есть от амплитуды фотоплетизмограммы. При ослаблении периферического кровотока монитор вынужден прибегать к значительному усилению электрического сигнала, но при этом неизбежно нарастает и фоновый шум фотодетектора. При критическом снижении амплитуды ФПГ соотношение сигнал/шум становится настолько низким, что сказывается на точности расчета SpO2. Пульсоксиметры разных фирм ведут себя в этой ситуации неодинаково. "Честные" модели либо прекращают индикацию SpO2, либо предупреждают на дисплее, что не ручаются за точность данных. Остальные же не моргнув глазом показывают величину, рассчитанную зачастую не из сигнала, а из шума. Однажды нам довелось наблюдать, как пульсоксиметр "ТРИТОН" (Екатеринбург) исправно продолжал показывать вполне приличную сатурацию и нормальный пульс после окончания безуспешной реанимации (факт остановки сердца не вызывал сомнений, поскольку больному была выполнена торакотомия).

Еще один фактор, влияющий на величину SPO2, — концентрация гемоглобина в крови. При глубокой анемии, сочетающейся с расстройствами периферического кровотока, точность измерения SрO2 уменьшается на несколько процентов. Причина снижения точности очевидна: именно гемоглобин является носителем исходной информации для пульсоксиметра.

Кстати, по способности правильно измерять SрО2 даже в самых тяжелых условиях, при очень малой амплитуде ФПГ, модели пульсоксиметров различаются весьма существенно. Эта способность зависит и от алгоритмов, по которым работает прибор, и от качества элементов, из которых он изготовлен, и от программ компенсации и калибровки.

Хороший пульсоксиметр продолжает давать надежную информацию и в тех ситуациях, когда она поистине на вес золота: при лечении больных с критическими нарушениями кровообращения.

К сожалению, многие типы мониторов удовлетворительно функционируют только в льготных условиях. Как правило, рассчитывать на отличные рабочие характеристики прибора можно в тех случаях, когда он произведен известной фирмой, имеющей хорошую репутацию. При этом, несмотря на более высокую стоимость, соотношение цена/качество обычно оказывается ниже, чем у дешевых, но ненадежных приборов "третьих" фирм.

Существует простой способ проверки монитора. Зафиксируйте датчик на своем пальце, положите руку на стол и включите пульсоксиметр. На дисплее высветятся значения SрО2 и частоты пульса, измеренные в идеальных условиях. Запомните их, встаньте и поднимите руку с датчиком вверх. В результате кровенаполнение тканей пальца и амплитуда пульсаций резко уменьшатся. Пульсоксиметру потребуется несколько секунд для того, чтобы подобрать интенсивность свечения фотодиодов и новый коэффициент усиления сигнала и заново рассчитать сатурацию и частоту пульса. Данные параметры не должны отличаться от исходных: поднятие руки никак не влияет на оксигенацию крови в легких. Если пульсоксиметр показывает другие значения или вообще прекращает работать, значит, он непригоден для мониторинга больных с тяжелыми расстройствами кровообращения.

Артефакты, вызванные движением больного. Самая частая причина ошибок пульсоксиметра — движения больного. Их обнаружение и коррекция — задача достаточно сложная. Эффективность решения данной проблемы во многом определяет репутацию модели.

При движениях пациента на ФПГ образуются дополнительные волны, обусловленные не пульсацией артериальной крови, а изменением расстояния и оптической плотности структур между светодиодами и фотодетектором (рис. 1.6). Читатель может легко убедиться в этом, надев датчик на палец и помахав рукой. Возникающие изменения указанных выше показателей обычно находятся в физиологическом диапазоне, включаются в расчет SPO2 и частоты пульса и приводят к грубейшим ошибкам. С такой проблемой чаще приходится сталкиваться в палатах интенсивной терапии и при транспортировке больного, нежели в операционной. Артефакты, возникающие вследствие движения больного, обычно кратковременны, но могут наблюдаться часто. При мышечной дрожи, выраженном двигательном беспокойстве или судорогах целесообразно вообще отказаться от пульсоксиметрии, чтобы не оплачивать ложные данные расходами на покупку нового датчика взамен сломанного 1 .

1 Цена многоразового пальцевого датчика в настоящее время составляет от 150 до 400 долларов

Рис. 1.6. Артефакты, вызванные движением больного

В настоящее время применяются различные способы борьбы с артефактами, вызванными движением.

Если на дисплее монитора отражается фотоплетизмограмма, то по неправильной форме кривой нетрудно обнаружить влияние движений пациента на измерение и не принимать во внимание получаемые в этот момент данные (важный аргумент в пользу приобретения мониторов с полноценным дисплеем).

Некоторые модели допускают возможность увеличения периода усреднения данных (см. выше). При этом некорректные измерения "разбавляются" истинными, и величина ошибки уменьшается. Так работают, например, пульсоксиметр Вюх 3700е (OHMEDA), мониторы ММ200 (ARTEMA) и др. У метода есть два недостатка: ошибка до конца не устраняется (снижается лишь ее величина), а реакция прибора на внезапные события замедляется.

Другой способ — сравнение ФПГ и ЭКГ. О движениях пациента свидетельствует несоответствие волн ФПГ зубцам R на ЭКГ. Эта идея была предложена фирмой NELLCOR, названа ею C-lock 1 и реализована в пульсоксиметре N 200 и последующих моделях. В настоящее время данный принцип в той или иной модификации применяется в пульсоксиметрах различных фирм (CRITICARE, DATEX и др.).

1 Технология и само название C-lock запатентовано фирмой NELLCOR-PB Кроме того, право на использование этого названия предоставляется другим фирмам комплектующим свои мониюры пульсоксиметричсскими модулями NELLCOR.

Принцип C-lock оказался весьма эффективным. Так, еще в 1993 г. санитарная авиация Германии внесла его в стандарт оборудования вертолетов и автомобилей для транспортировки больных, обнаружив, что частота возникновения артефактов, вызванных вибрацией и тряской, при использовании этого способа снижается в 8 раз (испытывались мониторы PROPAQ 106EL американской фирмы PROTOCOL SYSTEMS INC.).

Недостаток метода состоит в том, что только ради борьбы с погрешностями приходится подключать к больному электро-кардиомонитор. Тем самым пульсоксиметрия лишается одного из основных своих преимуществ — предельной простоты процедуры. Правда, при отсутствии необходимости или желания встроенный модуль ЭКГ можно и не включать, постаравшись забыть о затратах на его приобретение. Кроме того, при мышечной дрожи наводка на ЭКГ может сделать C-lock бесполезным.

Недостаток обернулся достоинством, когда кривую ЭКГ начали выводить на экран. Мониторинг стал комплексным и более дешевым, поскольку теперь покупатели любовались электрокардиограммой, не платя за дополнительные блок питания, дисплей и корпус. Удивительно, что такой простой и естественный шаг предприняли уже другие фирмы, а не автор идеи C-lock — фирма NELLCOR, которая до последнего времени упорно рассматривала ЭКГ-сигнал только как средство для обнаружения артефактов. И, наконец, история эта получила завершение, когда фирма DATEX вывела на дисплей своей модели SATLITE PLUS частоту сердечных сокращений, рассчитанную по ЭКГ, в результате чего появилась возможность не терять этот показатель при движениях больного или критическом снижении амплитуды ФПГ, а также мониторировать дефицит пульса при мерцательной аритмии.

При использовании простейших моделей пульсоксиметров проблема артефактов, вызванных движением, остается нерешенной, в связи с чем ориентироваться на их показания можно только при неподвижном датчике.

Существуют элементарные правила, придерживаясь которых можно уменьшить эти артефакты или вовсе избежать их.

• Артефакты возникают реже, если датчик имеет небольшой вес и гибкий легкий кабель.

• Пальцевой датчик необходимо устанавливать правильно: кабель должен находиться на тыльной поверхности пальца.

• Кабель датчика можно фиксировать клейкой лентой к руке. Если кабель свисает с кровати, он — за счет своего веса — провоцирует смещение датчика. Для дополнительной фиксации кабеля к простыне пользуйтесь специальной клипсой.

• Рука подвижного пациента должна быть фиксирована к кровати, но так, чтобы при этом не нарушался кровоток. Помимо гуманных соображений здесь присутствуют еще и практические: вместо артефакта, порожденного движением, есть вероятность получить его собрата, вызванного низкой амплитудой пульса.

• Стабильности мониторинга способствует правильный выбор датчика, если фирма-производитель предоставляет такую возможность. Датчики-клипсы смещаются легко, особенно если их внутренняя поверхность выполнена из скользкого материала 1 . Более надежно при движениях больного работают гибкие датчики, которые фиксируются клейкой лентой или специальными ленточными фиксаторами. Такие датчики выпускаются разными фирмами и часто имеют собственные названия: FLEXALITE и VERSALITE (DATEX), OXISENSOR D-25 (NELLCOR-PB), Y-SENSOR (NOVAMETRIX) и др.

1 С целью уменьшения скольжения внутренняя поверхность датчиком выполняется из резины. Описаны случаи аллергических реакций на натуральный латекс, который нередко используется в датчиках.

Фотоплетизмограмма. Погрешность пульсоксиметров

Фотоплетизмограмма. Погрешность пульсоксиметров

Метод позволяет определить степень поглощения мощности световой волны, обусловленной увеличенным кровенаполнением ткани после завершения систолы и уменьшенным во время диастолы. А поскольку в конце систолы в микрососудах преобладает артериальная кровь, то имеются все основания утверждать, что оксиметр регистрирует сатурацию именно артериальной крови. Пульсирующая кривая, отражающая изменение кровенаполнения микрососудов, носит название фотоплетизмограммы (ФПГ).

Очевидно, что аналогичным способом можно определить и наполнение пульса для красного канала, но в силу ряда причин на практике используют для этого инфракрасный канал. Реально величина N меняется от 10% до 0.1-0.05%, причем величина 0.1%, как правило, выбирается за минимальное пороговое значение, при котором пульсоксиметр еще будет нормально работать.
Иногда сигналы пульсовых волн U1, U3 выделяют для дополнительного усиления и фильтрации.

Сигналы преобразуются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в числовые значения и используются процессором для расчета величин SpO , наполнения и частоты пульса.
Фотодиод датчика имеет нелинейную характеристику преобразования «свет-фототок», поэтому для исключения ошибок измерения, связанных с разной величиной сигналов, необходимо сигналы красного и инфракрасного света выравнивать по амплитуде. Это достигается путем регулирования излучаемой мощности по каждому каналу.

Нами описан наиболее типичный способ построения пульсоксиметра, по которому с теми или иными вариациями создается большинство приборов.
В некоторых современных пульсоксиметрах часть выше описанных функций может быть реализована в цифровом виде. Это стало возможным благодаря появлению недорогих аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности и высокопроизводительных сигнальных процессоров.

В пульсоксиметрах «Osimed 2100» использована фирменная технология Dolphin ONE™, которая позволяет устранить отдельные узлы типичного пульсоксиметра (преобразователи «сила тока/напряжение», предусилители, фильтры, аналого-цифровой преобразователь и другие компоненты, присущие традиционным пульсоксиметрам). А это позволяет существенно уменьшить размер электронных компонентов, а также снизить электропотребление.

пульсоксиметр

Резюмируя изложенные выше материалы, еще раз подчеркнем, что в современных пульсоксиметрах используется импульсная двухволновая технология. Газовый анализ обеспечивается красным и инфракрасным спектром света, различно поглощающимся оксигемоглобином и восстановленным (дезокси-) гемоглобином. Принимается допущение, что поглощение этих волн тканями, окружающими сосуд и стенки самого сосуда у конкретного человека, — величина постоянная, которая легко может быть учтена при расчетах. Поэтому разница в наполнении капилляров в начале и конце систолы (амплитуда пульсовой волны) может быть использована для расчета как сатурации крови, так и частоты сердечных сокращений.
Однако эту концепцию нельзя считать идеальной.

Во-первых, потому, что помимо окси- и дезоксигемоглобина в крови находятся, еще другие фракции гемоглобина (карбоксигемоглобин, метгемоглобин), не участвующие в кислородтранспортной функции крови, но имеющие близкие спектральные характеристики. В большинстве случаев они не оказывают существенного влияния на точность измерения сатурации крови, поскольку присутствуют в незначительных концентрациях. Однако при отравлениях окисью углерода или цианидами, а также при приеме некоторых лекарственных препаратов концентрация карбокси- и метгемоглобина может многократно возрасти и существенно повлиять на точность измерения Sp02, не говоря уже о том, что в этих ситуациях значительно страдает кислородтранспортная функция крови.

Во-вторых, имеются некоторые спектральные особенности гемоглобина в зависимости от расовой принадлежности и возраста (например, фетальный гемоглобин у младенцев).

В-третьих, в крови могут появиться другие эндогенные (билирубин) или экзогенные (метиленовая синь, индоциан зеленый) красители, которые также могут конкурировать с гемоглобином и оксигемоглобином.

Имеются и другие причины, влияющие на точность измерения:
• влияние на датчик окружающего освещения,
• наводки от действия другой электрической аппаратуры,
• малое кровенаполнение в области расположения датчика и др.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Оценка параметров дыхательной активности пациента на основе данных фотоплетизмографии Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

КЛИНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ / ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ / ЧАСТОТА ДЫХАТЕЛЬНОГО РИТМА / ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИЯ / ПУЛЬСОКСИМЕТР / АДАПТИВНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ / КОРРЕНТРОПИЯ / CLINICAL MONITORING / VITAL SIGNS / RESPIRATION RATE / PHOTOPLETHYSMOGRAPHY / PULSE OXIMETRY / ADAPTIVE FILTERING / CORRENTROPY

Аннотация научной статьи по медицинским технологиям, автор научной работы — Зарецкий А.П., Митягин К.С., Тарасов В.С., Мороз Д.Н.

Частота дыхательных движений является одним из основных индикаторов функционального состояния пациента и используется в качестве независимого предиктора внезапной остановки сердца. Метод фотоплетизмографии широко используется для неинвазивного мониторинга уровня сатурации гемоглобина крови кислородом путем измерения интенсивности поглощения света, проходящего через исследуемый участок ткани с пульсирующей кровью. В качестве клинически доказанного и эффективного метода фотоплетизмография используется для объективной оценки состояния сердечно-сосудистой и респираторной систем, а оценка параметров изменения пульсовой волны эффективно применяется для диагностики синдрома обструктивного апноэ сна. В данной работе предлагается метод расчета частоты дыхательной активности, основанный на гармоническом анализе данных фотоплетизмограммы при помощи параметрической оценки спектральной плотности функции коррентропии регистрируемого сигнала. Применение данного подхода обеспечивает улучшенное спектральное разрешение в сравнении с традиционными методами анализа Фурье и позволяет эффективно выявить модулированные паттерны фотоплетизмографического сигнала при наличии различного рода нестационарных помех.

Похожие темы научных работ по медицинским технологиям , автор научной работы — Зарецкий А.П., Митягин К.С., Тарасов В.С., Мороз Д.Н.

Анализ респираторно-зависимых колебаний микроциркуляторного кровотока кожи человека по данным фотоплетизмографии и лазерной допплеровской флоуметрии

Приборная и методическая реализация фотоплезмографического дозометрирования физиотерапевтических параметров воздействия на биологический объект

Метод диагностики синхронизованности 0,1 Гц ритмов вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы в реальном времени

The respiratory rate estimation for a patient based on photoplethysmography data

The respiratory rate (RR) is among the first vital signs to change in deteriorating patients, which is reported to be the best individual predictor of cardiac arrest in the general ward. The photoplethysmographic (PPG) signal is obtained by measuring the intensity of light penetrating through or reflected by the skin and its widespread application is the routine noninvasive monitoring of arterial oxygen saturation by pulse oximetry . However, it is generally accepted that it has potential to provide clinically useful information on the cardiovascular and respiratory system and its parametric waveform evaluation is successfully applied to detect sleep apnea. In this paper, we propose a novel algorithm for respiratory rate estimation form PPG signals, which is based on correntropy-based spectral density (CSD) calculation. This method provides an improved spectral resolution as compared to conventional techniques such as a power spectral density (PSD) and shows promise in the detection of modulated patterns of a PPG signal.

Текст научной работы на тему «Оценка параметров дыхательной активности пациента на основе данных фотоплетизмографии»

А. П. Зарецкий, К. С. Митягин, В. С. Тарасов, Д. Н. Мороз

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Оценка параметров дыхательной активности пациента на основе данных фотоплетизмографии

Частота дыхательных движений является одним из основных индикаторов функционального состояния пациента и используется в качестве независимого предиктора внезапной остановки сердца. Метод фотоплетизмографии широко используется для неинвазивного мониторинга уровня сатурации гемоглобина крови кислородом путем измерения интенсивности поглощения света, проходящего через исследуемый участок ткани с пульсирующей кровью. В качестве клинически доказанного и эффективного метода фотоплетизмография используется для объективной оценки состояния сердечнососудистой и респираторной систем, а оценка параметров изменения пульсовой волны эффективно применяется для диагностики синдрома обструктивного апноэ сна. В данной работе предлагается метод расчета частоты дыхательной активности, основанный на гармоническом анализе данных фотоплетизмограммы при помощи параметрической оценки спектральной плотности функции коррентропии регистрируемого сигнала. Применение данного подхода обеспечивает улучшенное спектральное разрешение в сравнении с традиционными методами анализа Фурье и позволяет эффективно выявить модулированные паттерны фотоплетизмографического сигнала при наличии различного рода нестационарных помех.

Ключевые слова: клинический мониторинг, физиологические показатели, частота дыхательного ритма, фотоплетизмография, пульсоксиметр, адаптивная фильтрация, коррентропия.

А. P. Zaretskiy, К. S. Mityagin, V. S. Tarasov, D. N. Moroz Moscow Institute of Physics and Technology

The respiratory rate estimation for a patient based on photoplethysmography data

The respiratory rate (RR) is among the first vital signs to change in deteriorating patients, which is reported to be the best individual predictor of cardiac arrest in the general ward. The photoplethysmographic (PPG) signal is obtained by measuring the intensity of light penetrating through or reflected by the skin and its widespread application is the routine noninvasive monitoring of arterial oxygen saturation by pulse oximetry. However, it is generally accepted that it has potential to provide clinically useful information on the cardiovascular and respiratory system and its parametric waveform evaluation is successfully-applied to detect sleep apnea. In this paper, we propose a novel algorithm for respiratory-rate estimation form PPG signals, which is based on correntropy-based spectral density (CSD) calculation. This method provides an improved spectral resolution as compared to conventional techniques such as a power spectral density- (PSD) and shows promise in the detection of modulated patterns of a PPG signal.

Key words: clinical monitoring, vital signs, respiration rate, photoplethysmography, pulse oximetry, adaptive filtering, correntropy.

© Зарецкий А. П., Митягин К. С., Тарасов В. С., Мороз Д. Н., 2019

(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2019

Современной тенденцией развития технологий клинического мониторинга, используемых в реаниматологии и отделениях интенсивной терапии, является применение интеллектуальных технических систем для анализа параметров функционального состояния пациента. Принцип реализации инструментальных средств диагностики состояния пациента основан на регистрации биологических сигналов и их последующей обработке с целью оценки ключевых физиологических показателей, характеризующих работу важнейших систем организма. Определение информативных показателей при обработке и анализе физиологических сигналов, а также результаты лабораторных тестов, наблюдений дополняют клиническую картину заболевания объективной диагностической информацией, позволяющей прогнозировать дальнейшее состояние и ход лечения пациента [1].

Непрерывный контроль состояния сердечно-сосудистой системы наряду с другими гемо-динамическими параметрами позволяет осуществить рациональный подход к мониторингу больных в критическом состоянии [2]. Одним из важнейших физиологических показателей состояния организма при длительном мониторинге пациента является частота дыхания, оценка значения которой используется для выявления разного рода аномалий органов дыхания. Многие респираторные заболевания, такие как хроническая обструктивная болезнь легких, астма и синдром апноэ сна, можно обнаружить путем выявления изменений дыхательной активности. В клинических исследованиях данный показатель часто используется для своевременного отслеживания опасных патологий дыхательных путей и других органов. Так, например, повышенная частота дыхания может указывать на дисфункцию дыхания или даже являться предиктором остановки сердца [3].

В современных приборах клинического мониторинга для исследования периферического кровотока широко используется метод фотоплетизмографии, основанный на определении объема крови в микрососудистом русле ткани. Благодаря стремительному развитию элементной базы микроэлектроники, в частности, производству недорогих излучающих светодиодов красного и инфракрасного диапазонов, а также появлению сверхчувствительных фотоприемников возникла возможность регистрации фотоплетизмографического сигнала высокого качества во всем диапазоне оптической плотности тканей, содержащих пульсирующий сосуд, как при построении датчиков, регистрирующих излучение, проходящее через исследуемый участок тканей, например, ногтевую фалангу пальца руки, так и регистрирующих отраженное излучение. Длина волны при этом подобрана таким образом, что реально измеряемая величина пропорциональна количеству эритроцитов в исследуемом объеме, т.е. регистрируется прохождение пульсовой волны в дистальных отделах кровотока [4]. Интенсивность проходящего излучения зависит от количества крови и пропорциональна количеству эритроцитов, попадающих в область находящегося между приемником и источником сигнала. Таким образом, изменение гематокрита (объемного содержания эритроцитов в единице объема крови) в течение одного измерения мало, интенсивность регистрируемого приемником света обратно пропорциональна объему крови, находящемуся в области просвета.

Обработка фотоплетизмографического (ФПГ) сигнала с последующим измерением межпульсовых интервалов позволяет осуществить длительный мониторинг работы сердечно-сосудистой системы, показатели деятельности которой позволяют оценить активность автономной регуляции со стороны нервной системы и состояние организма в целом. Регистрируемый при помощи пульсоксиметра сигнал фотоплетизмограммы представляет собой суперпозицию переменной составляющей, связанной с изменением объема крови в ткани синхронно с сердцебиением, и медленно меняющейся составляющей, связанной с дыханием и активностью симпатической нервной системы, а также протекающими процессами терморегуляции. Ряд проведенных экспериментальных исследований продемонстрировал, что оценка частоты дыхательных движений, полученная при анализе данных фотоплетизмограммы может использоваться при идентификации пневмонии и сепсиса при первичном медицинском осмотре, а также в качестве маркера гиперкапнии и легочной эм-

болии [5,6]. Целью данной работы является разработка адаптивного метода обработки и анализа фотоилетимографических сигналов для оценки частоты дыхательной активности с целью непрерывного мониторинга функционального состояния пациента в стационарных условиях.

2. Анализ морфологии ФПГ-сигналов

Фотоплетпзмографическпй сигнал представляет собой изменение во времени объема кровеносного сосуда под действием пульсовых волн. Для регистрации фотоплетизмограм-мы через исследуемый участок биологической ткани пропускается поток излучения оптического или инфракрасного диапазона. Величина сигнала измеряется как ослабление излучения, проходящего через исследуемый участок биологической ткани, содержащей кровеносный сосуд, или отраженного от участка исследуемой биологической ткани [4]. Каждый фрагмент ФПГ сигнала (рис. 1) представляет собой периферическую пульсовую волну повышенного давления, вызванную выбросом крови из левого желудочка в период сокращения сердечной мышцы (фазы систолы). Форма объемной пульсовой волны формируется в результате взаимодействия между левым желудочком и сосудами большого круга кровообращения. Первый пик пульсовой волны образуется благодаря систолической прямой волне, второй - благодаря отраженной волне, которая возникает из-за отражения объема крови, передающегося по аорте и крупным магистральным артериям к нижним конечностям и направляющегося обратно в восходящий отдел аорты. Во время расслабления сердца (диастола) растянутые во время систолы сосуды сжимаются, и кровь движется от сердца к периферии. При этом амплитуда регистрируемых колебаний зависит от разности давления в сосудах при систоле и диастол. Параметры пульсовой волны отражают эластичность и тонус сосудов, артериальное давление и другие физиологические показатели сердечно-сосудистой системы организма.

Достоинствами метода фотоплетизмографии являются удобство исследования сосудистых реакций на плоских участках тела, отсутствие непосредственных электродных контактов с кожей и каких-либо электрических воздействий на исследуемый объект. Снятие ФПГ-сигнала зачастую сопровождается появлением нестационарных помех, кроме того, форма пульсовой волны является недетрминированной и априорно неопределенной [6]. Задачу обработки данных артериальной пульсации крови также осложняет большой разброс в амплитуде фотоплетизмографического сигнала, который присутствует как между различными пациентами, что обусловлено индивидуальными особенностями оптических свойств биологических тканей, так и для одного и того же обследуемого в различные моменты

Рис. 1. Стандартная форма ФПГ-сигнала

времени, что объясняется различным сосудистым тонусом, функциональным состоянием человека, наличием или отсутствием патологий.

Двигательные артефакты, обусловленные движениями обследуемого человека при регистрации сигнала, носят случайный характер и приводят к наибольшим искажениям формы артериальной пульсации крови. Обработка сигнала артериальной пульсации крови на фоне присутствия двигательных артефактов сталкивается с рядом трудностей, заключающихся в том, что природа появления двигательных артефактов имеет случайный характер, а их частотные компоненты перекрываются с основной полосой частот сигнала артериальной пульсации крови [7]. Одним из возможных способов уменьшения влияния двигательных артефактов является использование устойчивых алгоритмов фильтрации, в том числе основанных на применении методов корреляционной обработки, использование адаптивного подавления шумов, а также вейвлет-разложение данных. Таким образом, актуальна задача уменьшения влияния артефактов при регистрации и обработке фотоплетизмограческих сигналов с использованием методов цифровой обработки сигналов, что позволит совместить задачу исключения аномальных результатов измерений с задачей параметрического описания пульсовой кривой.

В работе [8] были предложены комплексы параметров, описывающих форму пульсовой волны и проведено их количественное исследование у здоровых и больных пациентов с различными патологиями. Важно отметить, что в проведенных исследованиях была показана эффективность применения спектрального анализа пульсовых волн для оценки работы респираторной системы человека и диагностики нарушений функции дыхания. На протяжении двух последних десятилетий для помасштабного анализа сигналов различной природы широко используется вейвлет-анализ [9]. Метод был значительно развит и внедрен в практику анализа биомедицинских сигналов, в том числе для оценки состояния центральной гемодинамики и периферического кровообращения. При вейвлет-разложении влияние кратных гармоник, шума и артефактов движения значительно снижается, чем при стандартном фурье-разложении.

Недостатком классических подходов, в том числе основанных на вейвлет-разложении, является априорное предположение о наличии стационарного гауссовского шума в наюлю-даемых моделях состояния. При практическом использовании эффективность работы данных методов и алгоритмов существенно снижается при нарушении данного предположения. В связи с тем, что форма пульсовой волны может случайно меняться во времени, формирование устойчивой модели для оценки параметров частоты дыханий пациента должно выполняться на основе адаптивного алгоритма с возможностью фильтрации нестационарных помех и учета вариативности фотоплетизмографического сигнала. В данном отношении особое внимание стоит уделить появившимся недавно так называемым коррентропий-ным фильтрам [10]. Использование в качестве оптимального условия критерия максимума коррентропии способствует получению качественных и эффективных оценок параметров вектора состояния при наличии нестационарных шумов при регистрации данных.

Коррентропия определяется как статистическая мера близости между двумя случайными величинами и позволяет учитывать моменты второго и более высокого порядков. Данная метрика взаимной информации отражает нелинейные характеристики наблюдаемого процесса и содержит информацию как о временной структуре, так и о статистическом распределении данных.

Для дискретного сигнала х(п) функция коррентропии V(т) определяется как

V (т) = Е [к(х(п),х(п — т)],

где Е[-] - операция математического ожидания, к(х, у) - функция пространства ядра.

В задаче параметрической оценки состояния наиболее часто используются симметричная, положительно определенная гауссовская функция ядра с дисперсией а, которая рас-

вчитывается по формуле

7/ / ч чч 1 ( (х(п) — х(п — т))2\

к(х(п),х(п — т)) = ехр —1 1 ; ^-^) . (2)

Оценка спектральной плотности мощности сигнала рассчитывается при помощи дискретного преобразования Фурье центрированной функции коррентропии:

Фотоплетизмограмма. Погрешность пульсоксиметров

Обозначают сатурацию, определенную пульсоксиметром такими символами — SpO2 .

Норма сатурации (SpO2) – 95-98%.

Что бы правильно понять цифры сатурации можно их сравнить с парциальным давлением кислорода в крови (PaO2).

Так сатурация (SpO2) 95-98% соответствует — 80-100 мм рт. ст. (PaO2).

Сатурация (SpO2) 90% соответствует — 60 мм рт.ст.(PaO2).

Сатурация (SpO2) 75% соответствует — 40 мм рт.ст.(PaO2).

Нормой содержания кислорода для здорового человека считается не менее 95%, показания выше 98% требуют перепроверки. Пульс у взрослых считается нормальным в пределах 60-90 ударов в минуту. У новорождённых этот показатель достигает 140 ударов, с возрастом сердечный ритм замедляется и в подростковом периоде сравнивается со взрослым. Как и любой электронный прибор, пульсоксиметр может ошибаться.

Например, показания меньше 90% при нормальном самочувствии говорят о сбоях в работе аппарата, его лучше проверить на заряд. Также нельзя считать правильными данные, которые постоянно резко меняются в больших диапазонах. Если на мониторе сначала 98%, а затем 91% – прибор неисправен.

Если монитор показывает 94% – нужно срочно обратиться к доктору. Пациентам с хронической гипоксией врач даёт рекомендации по поводу мер безопасности и первой помощи. Если таковых нет, нужно позвонить в скорую. Если показания ещё ниже, во время звонка нужно сообщить о том, что нужна неотложная (не просто скорая) помощь. Лечение всегда подразумевает терапию основного заболевания, то есть устранение той проблемы, которая стала причиной нехватки О2 в организме.

Для быстрого облегчения состояния и спасения больного применяют оксигенотерапию – метод лечения кислородом. Чаще всего лечение проводят через маску или носовую канюлю, по которым поступает полезный газ.

Проходить такую терапию можно в стационаре или амбулаторно. В больницах применяют маски, специальные камеры и трубки. То же самое можно проходить дома, если есть кислородный концентратор.

Концентратор – это небольшое устройство, которое производит чистые молекулы О2 из окружающего воздуха. Эти молекулы дополнительно увлажняются, чтобы не пересушивать дыхательные пути. По желанию можно подключить его к маске или канюле, некоторые виды концентраторов даже делают кислородные коктейли. Такое портативное оборудование рекомендуется людям с хроническими заболеваниями, семьям с беременными женщинами и маленькими детьми.

Правила проведения пульсоксиметрии:

  • Нужно правильно закрепить датчик. Фиксация должна быть надежной, но без лишнего давления;
  • Датчики должны находится друг напротив друга, симметрично иначе путь между датчиками будет неравным и одна из длин волн будет «перегруженной». При этом изменение положения датчика приводит к изменению сатурации. Этот касается только трансмиссионных пульсоксиметров;
  • После прикрепления датчика к пациенту нужно немного подождать (примерно 5-20 сек), после чего прибор покажет результат;
  • Ноготь должен быть чистым (без лака). Различные загрязнения ногтя снижают процент сатурации (это не относится к рефракционным пульсоксиметрам);
  • Любые движения, дрожь искажают результат сатурации;
  • Яркий внешний свет также влияет на показания прибора;
  • Следует знать, что при отравлении угарным газом сатурация будет в пределах нормы (карбоксигемоглобин ошибочно воспринимается прибором как оксигемоглобин);
  • При анемии сатурация будет наоборот повышена (компенсаторно), потому, что она не зависит от количества гемоглобина, а от процентного соотношения оксигемоглобина ко всему гемоглобину;
  • При нарушении микроциркуляции (спазме сосудов), когда не определяется пульсовая волна на приборе — пульсоксиметр будет показывать не достоверные результаты. Если пульсоксиметр качественный он укажет, что невозможно определить результат, а если не качественный может показать сатурацию -100%;
  • Если во время определения — сатурация быстро изменяется (например с 95% на 80% и наоборот), тогда надо думать об ошибке прибора;
  • При понижении сатурации ниже 70% возрастает погрешность метода;
  • При нарушениях ритма сердца, нарушается восприятия пульсоксиметром пульсового сигнала;
  • Желтуха, темная кожа, пол, возраст на показатели пульсоксиметра практически не влияют.

Основная причина понижения сатурации это развитие артериальной гипоксемии.

Артериальная гипоксемия может иметь место:

  • При уменьшении кислорода во вдыхаемом газе. Это возможно при избыточной концентрации закиси азота во время анестезии. Также при дыхании разреженным воздухом в высокогорье;
  • При состояниях, которые ведут к гиповентиляции (апное, остановка дыхания, при интубации трахеи с применением миорелаксантов);
  • При шунтировании крови в легких (респираторный- дистресс синдром РДС);
  • При гиповентиляции отдельных легочных зон (обструкция дыхательных путей, пневмонии, макро и микроателектазы легких);
  • При нарушении диффузии кислорода через альвеолы в кровь (обширная пневмония, коллапс легкого, множественные ателектазы, тромбоэмболия легочных сосудов, отек или фиброз альвеолокапиллярной мембраны);
  • При врожденных пороках сердца, когда идет сброс крови справа на лево (тетрада Фалло), или общее смешивание крови (общий артериальный ствол, единый желудочек сердца).

Для практического врача нужно знать:

  • При сатурации менее 90% показана оксигенотерапия;
  • Цианоз возникает при SрО2 менее 85%, у новорожденных уже при SрО2- 90%;
  • При анемии даже при сатурации 70% может не быть цианоза (анемия скрывает цианоз);
  • Сатурация 80% бывает при врожденных пороках сердца, которые сопровождаются цианозом;
  • Разница сатурации между руками и ногами может указывать на обструкцию дуги аорты (в перешейке аорты);
  • При критических состояниях датчик установленный на ухо является более предпочтительным, чем датчик установленный на пальце;
  • Для проверки работы пульсоксиметра сначала определяют сатурацию в сидячем положении (рука находится на столе). Затем встают, поднимают руку и снова определяют сатурацию. Сатурация должна быть одинаковой. Если она не совпадает это значит пульсоксиметр не пригоден для мониторинга больных;
  • Если пульсоксиметр показывает 100% при дыхании пациента атмосферным воздухом, то это признак, что он не высокого качества;
  • Пульсоксиметрия характеризует только оксигенацию и не является показателем вентиляции;
  • С помощью пульсоксиметра можно определить снижение перфузии тканей (по уменьшению амплитуды пульсовой волны на фотоплетизмограмме ). При этом если нет легочной патологии — сатурация будет в норме.

Пульс

Нормальный пульс у взрослого человека составляет 60-80 ударов в 1 минуту , то, что больше, называется тахикардией, меньше – брадикардией.

А вот следующий показатель есть не на всех приборчиках. А он очень интересен и полезен. Он обозначается на экранчике как PI%

Индекс перфузии (PI) – это интенсивность объемного периферического кровотока, иными словами PI — сила пульса в месте измерения.

Величина PI измеряется в диапазоне 0,02–20,0%.

Показатель будет зависит от:

интенсивности объемного периферического кровотока;

заполнения сосудистого русла жидкостью (кровью);

количества работающих капилляров.

При показателях пульсоксиметра PI, в пределах примерно от 0,6 до 2%, это значит что просвет сосуда (капилляра) заполняется только на 1/3 или на половину. Норма PI в пределах 4–7 %. Значения PI, превышающие 7 %, расцениваются как избыточная перфузия, часто по причине затрудненного оттока крови, плохой эластичности стенок вен, сердечной недостаточности и т.д.. Чем ниже величина PI, тем меньше объемный периферический кровоток.

Снижение PI бывает при развитии периферической сосудистой вазоконстрикции (спазм сосудов), атеросклерозе (просвет сосуда сужен), гипотермии (снижения температуры тела), состоянии гиповолемического (кровотечения, понос или другие заболевания) и кардиогенного шока (инфаркт миокарда) с централизацией кровообращения, болезнях Бюргера и Рейно, одновременном наличии гиповолемии и стрессовой (сильное переживание) вазоконстрикции (сжатие сосудов).

При низкой перфузии количество света, которое получает фотоприемник, может стать чрезмерно высоким или чрезмерно низким. Чем больше разница в количестве света, полученного фотоприемником в разные фазы сердечного цикла (систола, диастола), тем более точными будут измерения. Наоборот, когда периферическая перфузия очень сильно снижена, результаты измерений становятся нестабильными.

Чем интересен этот показатель.

Показатель пульс - можно померить имея обычные часы с секундной стрелкой. Или тонометром. Сатурацию измерять часто нет смысла. Показаний там не так и много.

А вот этот показатель может быстро выявить спазм в периферическом кровообращении (частое явление, разные причины указаны выше) и принять препарат его снимающий. Вообще, если показатель PI у вас постоянно значительно выходит за пределы нормы в ту или иную сторону, то лучше показаться врачу. Особенно если есть симптомы.

Верхнюю норму этого показателя я бы считал выше (до 10 точно), но таковы данные литературы и исследований которые я нашел.

Величина перфузионного индекса отражает состояние объемного капиллярного кровотока. Она зависит от состояния сердечного выброса, сосудистого тонуса, объема циркулирующей сосудистой жидкости. Стрессовые воздействия, ассоциированные с увеличением активности симпатической нервной системы, сердечная слабость, сосудистая недостаточность, сочетающаяся со снижением производительности сердца, гиповолемия приводят к снижению PI. Перфузия улучшается в условиях симпатической блокады, стабилизации гемодинамики на фоне повышения системного АД, устранения дефицита внутрисосудистой жидкости, увеличения производительности сердца, сочетающейся с вазодилатацией. Таким образом, PI представляет собой дополнительный диагностический инструмент, позволяющий объективизировать состояние периферического кровотока и своевременно задействовать другие диагностические мероприятия и средства интенсивной терапии для улучшения состояния пациента.

1. Методика пульсовой оксиметрии

Предложенная в 70-х годах методика пульсовой оксиметрии основана на использовании принципов фотоплетизмографии, позволяющих выделить артериальную составляющую абсорбции света для определения оксигенации артериальной крови.

Измерение этой составляющей дает возможность использовать спектрофотометрию для неинвазивного чрескожного мониторинга сатурации артериальной крови кислородом. В соответствии с методикой фотоплетизмографии участок тканей, в котором исследуется кровоток, располагается на пути луча света между источником излучения и фотоприемником датчика (рис. 1).


исследовании кровотока в пальце руки

Согласно законам физики, величина абсорбции света пропорциональна толщине слоя поглощающего вещества, т.е. при

исследовании кровоток определяется размером сосуда или объемом крови, проходящим через исследуемый участок тканей. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника.

получаемая после усиления и обработки сигнала фотоприемника (рис.2) характеризует состояние кровотока в месте расположения датчика. В частности, когда давление крови повышается или возникает вазодилятация сосудов, амплитуда ФПГ возрастает, при снижении давления или вазоконстрикции сосудов амплитуда падает (Н. Н. Савицкий, 1974).


Рис. 2. Фотоплетизмограмма периферического пульса

Для неинвазивного определения оксигенации крови в “поле зрения” фотоплетизмографического датчика помещается участок тканей, содержащий артериальные сосуды. В этом случае сигнал с выхода датчика, пропорциональный абсорбции света, проходящего через ткани, включает две составляющие: пульсирующую компоненту, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, и постоянную “базовую” составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, венозной и капиллярной крови и других тканей исследуемого участка (рис.З).


Рис. 3. Распределение абсорбции света в тканях

Путем анализа формы сигнала ФПГ можно выделить его фрагменты, соответствующие моментам систолического выброса. Именно в эти короткие промежутки времени на вершине систолы удается наиболее точно определить сатурацию артериальной крови кислородом.

Для определения сатурации используется методика двухлучевой спектрофотометрии. Измерение абсорбции света производится в моменты систолического выброса, то есть в моменты максимума амплитуды сигнала датчика (рис.З) для двух длин волн излучения. Для этой цели в датчике используются два источника излучения с различными спектральными

Для получения наибольшей чувствительности определения сатурации кислорода, длины волн излучения источников необходимо выбирать в участках спектра с наибольшей разницей в поглощении света оксигемоглобином и гемоглобином. Этому условию удовлетворяют красная и ближняя инфракрасная области спектра излучения.

При длине волны излучения 660 нм (красная область) гемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин, а на волне 940 нм (инфракрасная область) - поглощение оксигемоглобина больше, чем гемоглобина.

Для повышения точности определения сатурации методом пульсовой оксиметрии используется нормирование сигналов поглощения света, для чего измеряется постоянная составляющая в моменты диастолы А= и находится отношение амплитуды пульсирующей составляющей А» к величине А=(рис. 3):

Эта процедура выполняется для каждой длины волны излучения. Нормированная величина поглощения не зависит от интенсивности излучения светодиодов, а определяется только оптическими свойствами живой ткани.

Для получения значений сатурации рассчитывают отношение нормированных величин поглощения света для двух выбранных длин волн:

R = (А» / А =) кр

где индекс кр - относится к абсорбции в красной области спектра, инф - в инфракрасной области спектра.

Величина R эмпирически связана со значениями сатурации калибровочной зависимостью, полученной в процессе градуировки прибора (рис.4). Отношение R изменяется от 0,4 для 100% сатурации до 3,4 при 0% сатурации. Отношение, равное 1, соответствует сатурации 85%. Ход кривой определяется теоретической зависимостью, основанной на соотношениях для поглощения света. Однако для точного определения сатурации необходимо уточнение калибровочной зависимости по экспериментальным данным, полученным, например, с помощью кюветного оксиметра

Следует отметить, что величина отношения R не зависит от оптических характеристик кожи, подлежащих тканей, а определяется оптическими свойствами артериального выброса крови, что определяет высокую точность измерения сатурации в пульсоксиметрии.


Рис. 4. Калибровочная кривая пульсоксиметра

Фотоплетизмографический датчик пульсоксиметра содержит два светоизлучающих диода, работающих один в “красной”, другой - в “инфракрасной” области спектра, а также широкополосный фотоприемник. Конструктивно датчик выполняется таким образом, что при его расположении на поверхности тела человека на фотоприемник поступает свет излучателей, ослабленный участком тканей, содержащим артериальный сосуд.

На практике используются два типа датчиков, первый, анализирующий излучение светодиодов, проходящих через ткани, и второй - излучение, отраженное от исследуемых тканей.

Датчики проходящего излучения (рис. 1) укрепляются на кончике пальца руки или ноги, мочке уха пациентов, у детей датчик часто закрепляется на стопе в области большого пальца или на ладони.

Датчики, регистрирующие рассеянное тканями излучение, размещаются на поверхности тела в проекции сонной или височной артерии. Расположение отражательного датчика на головке плода позволяет осуществить фетальный мониторинг сатурации и ЧСС в родах (Л.М.Коган, Ю.П.Андреев, С.А.Бурд,1992).

Для датчиков пульсоксиметров используются специально разработанные бескорпусные светодиоды красного и инфракрасного диапазонов, размещенные на одной подложке для совмещения оптических осей излучения (S.Ackerman, P.Weith,1995).

В качестве фотоприемников в датчиках пульсоксиметров используются кремниевые фотодиоды, обладающие высокой чувствительностью в области “красного” и “инфракрасного” диапазонов излучения, быстродействием и низким уровнем шума.

Структурная схема пульсоксиметра показана на рис. 5. Фотоприемник преобразует интенсивность ослабленного тканями “красного” и “инфракрасного” излучения в электрический сигнал, поступающий в тракт усиления. Излучатели датчика включаются поочередно, т.е. коммутируются с частотой порядка 1000 Гц, что позволяет использовать для регистрации излучения один коммутируемый фотоприемник. Далее в усилительном тракте сигналы “красного” и “инфракрасного” излучения разделяются на два канала с помощью импульсов управления коммутатора, переключающих светодиоды. В каждом канале производится измерение двух составляющих ФПГ сигнала, обусловленных постоянной и пульсирующей составляющими абсорбции, необходимых для вычисления величины R и определения сатурации по калибровочной кривой.

Особенностью усилительного тракта является необходимость усиления сигналов фотоприемника в достаточно большом динамическом диапазоне входных сигналов (более бОдБ). Это требование обусловлено значительным разбросом оптических характеристик кожи, подлежащих тканей, выраженности пульсаций кровотока в месте расположения датчика у различных пациентов.

Реализация требуемого динамического диапазона достигается использованием цифровой АРУ, охватывающей каскады усиления ФПГ сигнала и источника тока, питающего светодиоды. Система АРУ поддерживает выходные сигналы усилительного тракта на уровне номинального напряжения входа АЦП вычислителя с целью уменьшения шума квантования.


Рис. 5. Структурная схема пульсоксиметра

Вычислитель пульсоксиметра содержит программное обеспечение, реализующее первичную обработку ФПГ сигнала, алгоритмы выделения артериальных пульсаций по “красному” и “инфракрасному” каналам, вычисления отношения R и определения величины SpO2 по занесенной в памяти вычислителя калибровочной зависимости.

Сложность алгоритмов, используемых при обработке сигналов в пульсоксиметрах, объясняется высоким уровнем помех, сопровождающих регистрацию ФПГ, а также требованиями высокой точности и быстродействия измерений.

Требования стандартов по пульсоксиметрии устанавливают основную погрешность измерения сатурации в диапазоне (80. 99)% равную ± 2%, (50. 79)% - ± 3%, для сатурации ниже 50% погрешность обычно не нормируется. Высокая точность пульсоксиметрии для значений сатурации более 80% необходима для надежной дифференциации развития состояния гипоксемии и гипоксии. В этом диапазоне кривая диссоциации гемоглобина имеет малую крутизну (рис.4) и небольшое уменьшение сатурации означает сильное изменение напряжения кислорода в крови, что является предвестником гипоксии. Увеличение допустимой погрешности при низких уровнях оксигенации (менее 80%) является обоснованным, так как в этом диапазоне наибольшей ценностью обладает не абсолютное значение сатурации, а оценка динамики процесса, т.е. изменение сатурации в течение

Основные помехи, влияющие на точность измерения сатурации, имеют электрическую, оптическую и физиологическую природу.

Электрические помехи (“наводки”) возникают в усилительном тракте пульсоксиметра в результате влияния внешних электромагнитных полей, создаваемых, в частности, питающей сетью 50 Гц и другой аппаратурой. Подавление помех осуществляется путем частотной фильтрации сигналов. Для этой цели используются аналоговые фильтры нижних частот в усилительном тракте, а также цифровая фильтрация, дающая высокую крутизну спада частотной характеристики фильтров.

Помехи оптического происхождения возникают в случае попадания света от посторонних источников излучения (от хирургических ламп, ламп дневного света и т.п.) на фотоприемник датчика. Под действием данных помех уровень сигнала, снимаемого с фотоприемника, может изменяться, искажая сигнал, обусловленный абсорбцией излучения светодиодов в тканях. Для подавления оптических помех используют надежный метод трехфазной коммутации светодиодов датчика.

Ослабление фоновых засветок достигается также конструктивным построением датчика с использованием оптического

Помехи физиологической природы оказывают наиболее сильное влияние на показания пульсоксиметров. К таким помехам можно отнести влияние двигательных артефактов, в том числе и дыхания, непостоянство формы пульсовой волны и снижение ее амплитуды у различных пациентов. Движение конечности с закрепленным на ней датчиком вызывает, например, перераспределение объема крови, находящегося в поле зрения датчика, что дает на выходе фотоприемника помеховый сигнал. Ослабление указанных помех особенно важно при выделении максимумов артериальных пульсаций фотоплетизмографических сигналов обоих каналов.

Помехоустойчивые алгоритмы выделения артериальных пульсаций и нахождения отношения R (аргумента калибровочной зависимости БрОг) предусмотрены в современных пульсоксиметрах и основаны на обработке фотоплетизмографического сигнала во временной или частотной области (В. Ф. Волков и соавт., 1993).

Способы отображения информации, используемые в пульсоксиметрах, дают наглядное представление об измеряемых физиологических показателях. Вычисленные значения сатурации крови кислородом и ЧСС отображаются в виде соответствующих цифровых значений на дисплее прибора.

Фотоплетизмограмма, регистрируемая прибором, может быть представлена в виде кривой на графическом дисплее или в виде пульсирующего “столбика”, следящего за изменением объема артериальной крови в поле зрения датчика. Отображение ФПГ позволяет вести визуальный контроль формы сигнала и обладает диагностической ценностью. Изображение кривой на экране дисплея монитора автоматически масштабируется таким образом, чтобы размах ФПГ занимал большую часть экрана. Для оценки абсолютного значения артериальных пульсаций вводится специальный масштабный индикатор амплитуды пульсаций. Отображение ФПГ отражает состояние периферической гемодинамики, что особенно важно при проведении научных исследований и реанимационных процедур.

Пульсоксиметры позволяют производить накопление измеряемых данных длительностью до 8 часов. Результаты измерений за требуемый промежуток времени в виде трендов SpO2 и ЧСС могут выводиться на экран дисплея или могут быть распечатаны на встроенном или внешнем принтере.

Фотоплетизмограмма - не только исходный материал для расчета Sp02: она также обладает собственным диагностическим значением. Амплитуда ФПГ отражает объемную пульсацию артериол и, значит, характеризует периферический кровоток. Хорошие модели пульсоксиметров способны улавливать даже резко ослабленную пульсацию, когда величина периферического кровотока достигает лишь 4-5 % от нормальной.

Для предотвращения потери информации о реальной амплитуде ФПГ на дисплее современных моделей предусмотрен специальный индикатор. Как правило, это столбик, высота которого отражает истинную величину пиков кривой. Максимальная высота столбика присуща нормальному периферическому кровотоку; при нарушении кровоснабжения столбик

Фотоплетизмограмма по форме весьма похожа на кривую артериального давления, но, в отличие от последней, характеризует колебания объема микрососудов. Амплитуда ФПГ зависит от тонуса микрососудов и ударного объема сердца.

Микрососуды тканей пальца богато иннервированы волокнами симпатической системы и содержат большое количество рецепторов для "плавающих" катехоламинов. Поэтому активация симпатической системы, инфузия al-адреномиметиков, в2-адреноблокаторов, ангиотензина и других сосудосуживающих препаратов сопровождается снижением амплитуды ФПГ.

Второй фактор, от которого зависит форма фотоплетизмографической кривой,- ударный объем сердца, определяющий наполнение пульсовой волны. Его непосредственное влияние на амплитуду отдельных волн ФПГ прекрасно видно на экране пульсоксиметра при парадоксальном или альтернирующем пульсе. Кроме того, влияние сердечного выброса на форму ФПГ может быть и опосредованным, поскольку его снижение часто сопровождается периферической вазоконстрикцией.

Снижение амплитуды ФПГ служит признаком периферической вазоконстрикции и/или уменьшения ударного объема, а повышение амплитуды свидетельствует об обратном. Тонус сосудов - основной фактор, определяющий высоту волн фотоплетизмограммы.

В наших исследованиях применялся современный пульсоксиметр ЭЛОКС-01М, обладающий всеми вышеперечисленными качествами. Соединение пульсоксиметра с компьютерным принтером EPSON-1000 давало возможность печатать и документировать статику и динамику исследуемых показателей.

Читайте также: