Отследить пульсовую волну

При обычных медицинских осмотрах, а также при проведении хирургических операций врачи измеряют у пациентов не только частоту пульса и давление, но и скорость пульсовой волны. Это скорость, с которой импульс давления крови, вызванный сокращением сердца, доходит до той или иной части тела. При этом, чем более «жесткие» стенки у сосудов, тем быстрее такая волна распространяется по организму. Отслеживать скорость пульсовой волны важно, поскольку она может указать на риск инфаркта и инсульта: слишком «жесткие» стенки сосудов хуже адаптируются к перепадам давления и создают дополнительную нагрузку на сердце.

Для измерения скорости пульсовой волны обычно используют нательные датчики, однако они крайне неудобны, если речь идет о пациентах с обширными ожогами или о младенцах. Альтернативные бесконтактные оптические методы до сих пор были недостаточно точными: дыхание и малейшие движения человеческого тела создавали помехи (шумы) в сигнале.

Схема микроциркуляторных узлов и изменений их компонентов под воздействием локального нагрева

Алексей Камшилин

Электрокардиограф плюс камера

Ученые из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток) с коллегами улучшили алгоритм, с помощью которого обрабатываются данные с оптических приборов для бесконтактной оценки скорости пульсовой волны.

В исследовании также принимали участие сотрудники Института механики сплошных сред УрО РАН (Пермь), Национального медицинского исследовательского центра им. В. А. Алмазова (Санкт-Петербург), Северо-Западного окружного научно-клинического центра им. Л. Г. Соколова (Санкт-Петербург), Тихоокеанского государственного медицинского университета (Владивосток), Института человеческого мозга им. Н. П. Бехтеревой РАН (Санкт-Петербург) и Университета ИТМО (Санкт-Петербург).

Для измерений авторы использовали стандартную для этой процедуры установку: камеру с зеленым светом, с помощью которой они снимали участок кожи на предплечье пациента. Зеленый свет очень хорошо поглощается гемоглобином — красным пигментом крови, — поэтому по его яркости можно отслеживать изменение давления крови в сосудах. Так, когда пульсовая волна доходит до мелких сосудов под кожей, она сжимает капиллярную сеть, которая становится плотнее и, следовательно, поглощает больше зеленого света, а отраженный сигнал, воспринимаемый камерой, становится слабее. Таким образом, по изменению яркости камера может отследить 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.

Основная сложность измерений состояла в том, чтобы отличить реальные сигналы о движении крови от помех, вызванных движениями и дыханием человека. Это удалось благодаря новому алгоритму обработки изображений с камеры, основанному на корреляционной обработке сигналов электрокардиографа и камеры. Кроме того, алгоритм разбивал каждый кадр на множество мелких фрагментов и отдельно отслеживал смещения каждого из них во времени. Такой подход позволил с высокой точностью в каждой точке кадра измерить амплитуду пульсовой волны (разницу между систолическим и диастолическим давлением) и время ее прихода (задержку между ударом сердца и моментом, когда пульс пришел в место наблюдения).

Измерительная система, обеспечивающая синхронную запись электрокардиограммы и изображений предплечья

Алексей Камшилин

Не касаясь пациента

Авторы проверили, как работает алгоритм, измерив с его помощью скорость пульсовой волны у 47 здоровых людей. При этом у испытуемых ученые нагревали небольшой участок кожи на руке до 41 °C. Это стандартный тест, который позволяет оценить, как сосуды реагируют на повышение температуры. В норме они должны расширяться, а кровоснабжение исследуемого участка — усиливаться. Оказалось, что локальный нагрев кожи до 41 °C приводит к тому, что амплитуда пульсовой волны в предплечье увеличивается до 23 раз. Кроме того, в результате повышения температуры эта волна от сердца к руке доходит на 23% быстрее, чем в норме. При этом за пределами нагреваемого участка кожи подобных изменений не наблюдалось.

Этот эффект говорит о том, что при повышении температуры возникает явное перераспределение кровотока, большая часть которого идет в обход капиллярной сети, что и сказывается на скорости пульсовой волны. По такой реакции можно оценивать индивидуальную эффективность системы, поддерживающей температуру тела, которая чрезвычайно важна для жизнедеятельности человека. Кроме того, наблюдаемый эффект надо учитывать при оценке состояния сосудов (эластичности их стенок) которая позволяет выявлять риск сердечно-сосудистых заболеваний, например варикозного расширения вен, еще до появления серьезных симптомов.

«Предложенный метод позволяет адекватно оценить скорость распространения пульсовой волны от сердца до любой точки тела, не касаясь пациента. Это позволит использовать его в ситуациях, когда контактные датчики неприменимы, например у пациентов с ожогами, новорожденных, во время хирургических операций. Наша главная задача на будущее — превратить этот пока экспериментальный инструмент в эффективный клинический метод», — рассказывает руководитель проекта Алексей Камшилин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории функциональных материалов и систем фотоники Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.

По материалам пресс-службы РНФ