Ученые Института автоматики и процессов управления ДВО РАН совместно с коллегами разработали улучшенный алгоритм обработки данных оптических приборов для бесконтактной оценки скорости пульсовой волны. Этот показатель помогает врачам оценивать риск инфаркта и инсульта во время операций и в других экстренных ситуациях. Обычно для его мониторинга используют нательные датчики, однако некоторым пациентам — например, с обширными ожогами — установить их невозможно. Визуальные методы измерения без контакта до последнего времени оставались недостаточно точными. Чтобы повысить их надежность, исследователи начали анализировать данные видеокамеры параллельно с показателями электрокардиографа.
— Предложенный метод позволяет адекватно оценивать скорость распространения пульсовой волны от сердца до любой точки тела без контакта с пациентом. Это открывает возможность применять его там, где контактные датчики использовать нельзя, — например, во время хирургических операций. Наша главная задача — превратить этот пока экспериментальный инструмент в эффективный клинический метод, — рассказал руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и систем фотоники Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Алексей Камшилин.
При обычных медицинских осмотрах и во время операций врачи измеряют не только пульс и артериальное давление, но и скорость пульсовой волны — показатель того, с какой скоростью импульс давления крови, возникающий при сокращении сердца, распространяется по сосудам. Чем жестче их стенки, тем быстрее распространяется такая волна. Поэтому этот параметр помогает оценить риск инфаркта и инсульта: жесткие сосуды хуже адаптируются к перепадам давления и создают дополнительную нагрузку на сердце.
Бесконтактные оптические методы долгое время оставались неточными, поскольку дыхание и даже небольшие движения тела создавали помехи в сигнале.
Схема микроциркуляторных узлов и изменений их компонентов под воздействием локального нагрева. Источник: Алексей КамшилинСхема микроциркуляторных узлов и изменений их компонентов под воздействием локального нагрева. Источник: Алексей Камшилин
Авторы разработки использовали стандартную установку для измерения скорости кровотока: камеру с зеленым светом, которая фиксировала участок кожи на предплечье пациента. Зеленый свет хорошо поглощается гемоглобином — красным пигментом крови, поэтому по его интенсивности можно отслеживать изменения давления в сосудах. Когда пульсовая волна достигает мелких сосудов под кожей, капиллярная сеть сжимается, становится плотнее и поглощает больше зеленого света. Отраженный сигнал, фиксируемый камерой, при этом ослабевает. Таким образом, изменение яркости позволяет регистрировать пульсовую волну.
Чтобы точно знать момент каждого удара сердца и оценить точность бесконтактного измерения, ученые параллельно использовали электрокардиограф — прибор для считывания ритма сердца — и синхронизовали во времени сигналы с него и с видеокамеры.
Главная сложность заключалась в том, чтобы отделить реальные сигналы о движении крови от помех, вызванных движением и дыханием пациента. Это удалось благодаря новому алгоритму обработки изображений с камеры, который использует корреляционную обработку сигналов электрокардиографа и видеокадров. Кроме того, он делил каждый кадр на множество мелких фрагментов и отслеживал смещение каждого из них во времени. Такой подход позволил с высокой точностью измерять амплитуду пульсовой волны и время ее прихода — задержку между ударом сердца и моментом, когда импульс достигает точки наблюдения.
Разработчики проверили работу алгоритма, успешно измерив скорость пульсовой волны у 47 здоровых добровольцев.
Одно из ключевых ограничений бесконтактных оптических методов всегда заключалось в низкой воспроизводимости измерений. Малейшие движения пациента, дыхание или изменение освещения сильно искажали сигнал. Сегодня ситуация меняется благодаря развитию методов цифровой обработки изображений и алгоритмов искусственного интеллекта, которые позволяют выделять физиологически значимый сигнал из большого объема «шума», пояснил «Известиям» руководитель центра превосходства «Персонализированная медицина» Альберт Ризванов.
— Если подобные технологии будут успешно подтверждены, они могут занять важное место в медицине мониторинга. Однако для реального внедрения потребуется несколько этапов: крупные клинические исследования на разных группах пациентов, сравнение результатов с существующими стандартными методами оценки жесткости сосудов и скорости пульсовой волны, а также разработка сертифицированных медицинских устройств на основе этой технологии, — отметил он.
Такие системы могут стать особенно востребованными в реанимации, при лечении детей с первых дней жизни и телемедицине, где крайне важен непрерывный и максимально щадящий мониторинг состояния пациента, уверен специалист.
Запись отклика кровоснабжения на локальный нагрев предплечья. Источник: Пресс-служба ИАПУ ДВО РАН
Сроки внедрения технологии в клиническую практику будут зависеть от скорости создания приборов на ее основе. В некоторых случаях она позволит более точно мониторировать состояние критически больных пациентов и улучшить подбор гемодинамически активной вазопрессорной терапии, например при шоковых состояниях, считает эксперт рынка НТИ «Хелснет», завкафедрой пропедевтической терапии с курсом кардиологии СамГМУ Дмитрий Дупляков.
— На мой взгляд, важно не только получить данные от здоровых добровольцев, но и провести исследования у пациентов в состоянии шока, поскольку централизация кровообращения в критические моменты может влиять на работу прибора. Надеюсь, коллеги продолжат изучать этот вопрос», — добавил медик.
