Fotopletyzmogram
| Fotopletyzmografia | |
|---|---|
 Reprezentatywny PPG pobrany z pulsoksymetru dousznego. Zmienność amplitudy pochodzi od zmienności indukowanej oddychaniem.
| |
| Siatka | |
Fotopletyzmogram ( PPG ) to uzyskany optycznie pletyzmogram , który można wykorzystać do wykrywania zmian objętości krwi w łożysku mikronaczyniowym tkanki. PPG często uzyskuje się za pomocą pulsoksymetru , który oświetla skórę i mierzy zmiany w absorpcji światła. Konwencjonalny pulsoksymetr monitoruje perfuzję krwi do skóry właściwej i tkanki podskórnej.
Z każdym cyklem serca serce pompuje krew na obwód. Chociaż ten puls ciśnienia jest nieco tłumiony, zanim dotrze do skóry, wystarczy, aby rozszerzyć tętnice i tętniczki w tkance podskórnej. Jeśli pulsoksymetr jest podłączony bez uciskania skóry, impuls ciśnienia może być również widoczny ze splotu żylnego, jako mały pik wtórny.
Zmiana objętości spowodowana impulsem ciśnienia jest wykrywana poprzez oświetlanie skóry światłem z diody elektroluminescencyjnej (LED), a następnie pomiar ilości światła przepuszczonego lub odbitego do fotodiody. Każdy cykl serca pojawia się jako szczyt, jak widać na rysunku. Ponieważ przepływ krwi do skóry może być modulowany przez wiele innych układów fizjologicznych, PPG może być również używany do monitorowania oddychania, hipowolemii i innych stanów krążenia. Ponadto kształt fali PPG różni się w zależności od pacjenta i różni się w zależności od miejsca i sposobu mocowania pulsoksymetru.
Strony do pomiaru PPG
Podczas gdy pulsoksymetry są powszechnie używanymi urządzeniami medycznymi , pochodzący z nich PPG jest rzadko wyświetlany i jest nominalnie przetwarzany tylko w celu określenia częstości akcji serca. PPG można uzyskać z absorpcji transmisyjnej (jak na czubku palca) lub odbicia (jak na czole).
W warunkach ambulatoryjnych pulsoksymetry są powszechnie noszone na palcu. Jednak w przypadku wstrząsu, hipotermii itp. przepływ krwi na obwodzie może zostać zmniejszony, co skutkuje PPG bez dostrzegalnego tętna serca. W takim przypadku PPG można uzyskać z pulsoksymetru na głowie, przy czym najczęstszymi miejscami są ucho, przegroda nosowa i czoło. PPG można również skonfigurować do wielomiejscowej fotopletyzmografii (MPPG), np. dokonując jednoczesnych pomiarów z prawego i lewego płatka ucha, palca wskazującego i dużego palca u nogi, oferując dodatkowe możliwości oceny pacjentów z podejrzeniem choroby tętnic obwodowych, dysfunkcji układu autonomicznego, dysfunkcji śródbłonka i sztywności tętnic. MPPG oferuje również znaczny potencjał eksploracji danych, np. przy użyciu głębokiego uczenia, a także szeregu innych innowacyjnych technik analizy fali tętna.
Wykazano, że artefakty ruchu są czynnikiem ograniczającym, uniemożliwiającym dokładne odczyty podczas ćwiczeń i warunków swobodnego życia.
Używa
Monitorowanie tętna i cyklu pracy serca
Ponieważ skóra jest tak dobrze ukrwiona, stosunkowo łatwo jest wykryć pulsacyjną składową cyklu pracy serca. Składowa DC sygnału jest związana z masową absorpcją tkanki skórnej, podczas gdy składowa AC jest bezpośrednio związana ze zmianami objętości krwi w skórze spowodowanymi pulsacją ciśnienia w cyklu pracy serca.
Wysokość składowej AC fotopletyzmogramu jest proporcjonalna do ciśnienia tętna, różnicy między ciśnieniem skurczowym i rozkurczowym w tętnicach. Jak widać na rysunku przedstawiającym przedwczesne skurcze komorowe (PVC), impuls PPG dla cyklu serca z PVC skutkuje niższą amplitudą ciśnienia krwi i PPG. Można również wykryć częstoskurcz komorowy i migotanie komór .
Monitorowanie oddychania
Oddychanie wpływa na cykl serca poprzez zmianę ciśnienia wewnątrzopłucnowego, ciśnienia między ścianą klatki piersiowej a płucami. Ponieważ serce znajduje się w klatce piersiowej między płucami, ciśnienie cząstkowe wdechu i wydechu ma duży wpływ na ciśnienie w żyle głównej i wypełnienie prawego przedsionka.
Podczas wdechu ciśnienie wewnątrzopłucnowe spada nawet o 4 mm Hg, co powoduje rozciągnięcie prawego przedsionka, umożliwiając szybsze napełnianie żyły głównej, zwiększając napięcie wstępne komór, ale zmniejszając objętość wyrzutową. I odwrotnie, podczas wydechu serce jest ściskane, zmniejszając wydolność serca i zwiększając objętość wyrzutową. Wraz ze wzrostem częstotliwości i głębokości oddychania wzrasta powrót żylny, co prowadzi do zwiększenia pojemności minutowej serca.
Wiele badań koncentrowało się na szacowaniu częstości oddechów na podstawie fotopletyzmogramu, a także na bardziej szczegółowych pomiarach oddechu, takich jak czas wdechu.
Monitorowanie głębokości znieczulenia
Anestezjolodzy często muszą subiektywnie oceniać, czy pacjent jest wystarczająco znieczulony do zabiegu. Jak widać na rysunku, jeśli pacjent nie jest wystarczająco znieczulony, reakcja współczulnego układu nerwowego na nacięcie może wygenerować natychmiastową odpowiedź w postaci amplitudy PPG.
Monitorowanie hipo- i hiperwolemii
Szamir, Eidelman i in. zbadali interakcję między wdechem a usunięciem 10% objętości krwi pacjenta w celu przechowywania krwi przed operacją. Odkryli, że utratę krwi można wykryć zarówno na podstawie fotopletyzmogramu z pulsoksymetru, jak i cewnika tętniczego. Pacjenci wykazywali spadek amplitudy tętna serca spowodowany zmniejszonym obciążeniem wstępnym serca podczas wydechu, gdy serce jest ściskane.
Monitorowanie ciśnienia krwi
FDA zezwoliła na ciśnieniomierz bez mankietów oparty na fotopletyzmografii w sierpniu 2019 r .
Zdalna fotopletyzmografia
Konwencjonalne obrazowanie
Podczas gdy fotopletyzmografia zwykle wymaga kontaktu z ludzką skórą (np. uchem, palcem), zdalna fotopletyzmografia umożliwia określenie procesów fizjologicznych, takich jak przepływ krwi, bez kontaktu ze skórą. Osiąga się to za pomocą wideo twarzy do analizy subtelnych chwilowych zmian koloru skóry obiektu, które nie są wykrywalne dla ludzkiego oka. Taki oparty na aparacie pomiar poziomu tlenu we krwi stanowi bezkontaktową alternatywę dla konwencjonalnej fotopletyzmografii. Na przykład może być używany do monitorowania tętna noworodków lub analizowany za pomocą głębokich sieci neuronowych w celu ilościowego określenia poziomu stresu.
Holografia cyfrowa
Zdalną fotopletyzmografię można również wykonać za pomocą holografii cyfrowej , która jest wrażliwa na fazę fal świetlnych, a zatem może ujawnić ruch poza płaszczyzną o wielkości poniżej mikrona. W szczególności obrazowanie w szerokim polu ruchu pulsacyjnego wywołanego przepływem krwi można zmierzyć na kciuku za pomocą holografii cyfrowej . Wyniki są porównywalne z pulsem krwi monitorowanym za pomocą pletyzmografii podczas eksperymentu okluzyjno-reperfuzyjnego. Dużą zaletą tego systemu jest brak konieczności fizycznego kontaktu z badaną powierzchnią tkanki. Dwa główne ograniczenia tego podejścia to (i) pozaosiowa konfiguracja interferometryczna, która zmniejsza dostępną szerokość pasma przestrzennego matrycy czujników, oraz (ii) wykorzystanie analizy krótkotrwałej transformaty Fouriera (poprzez dyskretną transformatę Fouriera), która odfiltrowuje sygnały fizjologiczne .
Analiza głównych składowych hologramów cyfrowych zrekonstruowanych ze zdigitalizowanych interferogramów uzyskanych z szybkością przekraczającą ~1000 klatek na sekundę ujawnia fale powierzchniowe na dłoni. Ta metoda jest skutecznym sposobem wykonywania cyfrowej holografii z interferogramów na osi, co łagodzi zarówno przestrzenną redukcję szerokości pasma konfiguracji pozaosiowej, jak i filtrowanie sygnałów fizjologicznych. Większa przepustowość przestrzenna jest kluczowa dla większego pola widzenia obrazu.
Udoskonalenie holograficznej fotopletyzmografii, holograficzne laserowe obrazowanie Dopplera , umożliwia nieinwazyjne monitorowanie fali tętna przepływu krwi w naczyniach krwionośnych siatkówki , naczyniówki , spojówki i tęczówki . W szczególności laserowa holografia Dopplera dna oka, naczyniówka stanowi dominujący wkład w sygnał lasera Dopplera o wysokiej częstotliwości. Możliwe jest jednak obejście jego wpływu poprzez odjęcie uśrednionego przestrzennie sygnału linii bazowej i uzyskanie wysokiej rozdzielczości czasowej i możliwości obrazowania pełnego pola pulsacyjnego przepływu krwi.