Мобильный оптический комплекс для контроля в экспресс-режиме состояния сердечно-сосудистой системы человека

Давыдов В.В., Зайцева А.Ю., Мазинг М.С., Давыдов Р.В., Мсукар Сухайр, Якушева М.А., Проводин Д.С., Исакова Д.Д.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Давыдов В.В., Зайцева А.Ю., Мазинг М.С., Давыдов Р.В., Мсукар С., Якушева М.А., Проводин Д.С., Исакова Д.Д. Система мобильных оптических датчиков для контроля состояния сердечно-сосудистой системы человека в экспресс-режиме // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 8. С. 107–117. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-107-117

Davydov V.V., Zaitceva A.Yu., Mazing M.S., Davydov R.V., Msukar S., Yakusheva M.A., Provodin D.S., Isakova D.D. A system of mobile optical sensors for state control of the human cardiovascular system in express mode [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 8. P. 107–117. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-08-107-117

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Кровь. На основании данных о её параметрах и скорости течения учёные и врачи определяют функциональное состояние человека. Цель работы. Разработка метода и мобильных оптических датчиков для экспресс-диагностики функционального состояния человека в реальном времени. Метод. Предложен принципиально новый метод для контроля функционального состояния человека на основе одновременной регистрации пульсовой волны и тканевой оксиметрии разработанными оптическими мобильными датчиками, которые не создают существенных проблем человеку при занятии спортом, трудовой деятельности и отдыхе. Основные результаты. Предложен новый метод контроля функционального состояния человека в реальном времени с высокой степенью достоверности полученных результатов (более 98%), которые подтверждаются клиническим обследованием пациентов. Изготовленные конструкции мобильных оптических датчиков с использованием линейки ПЗС со строчным переносом заряда для регистрации пульсовой волны и 18 длинами волн излучения (из видимого и ИК диапазона) для тканевой оксиметрии с единой системой обработки результатов с использованием новых алгоритмов. Разработана и реализована методика контроля уровня максимального потребления кислорода организмом человека при экспресс-контроле его состояния без использования эргоспирометра. Практическая значимость. Разработанный метод и мобильные оптические датчики для его реализации позволяют решить проблемы, которые ранее возникали по причине низкого отношения сигнал/шум регистрируемого сигнала и малой информативности данных при получении достоверной информации о состоянии сердечно-сосудистой системы человека в реальном времени и об аэробной производительности организма человека на основе данных о максимальном потреблении кислорода в необходимых для контроля местах и моменты времени.

Ключевые слова:

кровь, излучение, длина волны, поглощение, рассеяние, отражение, пульсовая волна, оксиметрия, отношение сигнал/шум, достоверность

Благодарность:

исследование выполнено за счёт средств гранта Российского научного фонда (проект № 24-21-00404)

Коды OCIS: 020.3690

Список источников:

1. Farley J., Brown L.A.E., Garg P. et. al. Pulmonary transit time is a predictor of outcomes in heart failure: a cardiovascular magnetic resonance first-pass perfusion study // BMC Cardiovascular Disorders. 2024. V. 24(1). P. 329. https://doi.org/10.1186/s12872-024-04003-w
2. Marusina M.Y., Fedorov A.V., Prokhorovich V.E. et. al. Development of acoustic methods of control of the stress-strain state of threaded connections // Measurement Techniques. 2018. V. 61(3). P. 297–302. https://doi.org/10.1007/s11018-018-1424-3
3. Mazing M.S., Zaitceva A.Y., Kislyakov Y.Y. et. al. Monitoring of oxygen supply of human tissues using a noninvasive optical system based on a multi-channel integrated spectrum analyzer // International Journal of Pharmaceutical Research. 2020. V. 12. P. 1974–1978. https://doi.org/10.31838/iipr/2020.SP2.355
4. Kazanskiy N.L., Butt M.A., Degtyarev S.A. et. al. Achievements in the development of plasmonic waveguide sensors for measuring the refractive index // Computer Optics. 2020. V. 44. № 3. Р. 295–318. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-743
5. Naumova V.V., Davydov V.V., Mazing M.S. et. al. New method of processing measurement results of tissue oxygen saturation abnormalities // St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2022. V. 15(S3.2) P. 206–211.
6. Муравьева С.В., Козуб К.Е., Пронин С.В. Оптические и электрофизиологические методы оценки функционального состояния нейронных сетей зрительной системы // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 12. С. 42–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-12-42-49
Murav'eva S.V., Kozub K.E., Pronin S.V. Optical and electrophysiological techniques for functional assessment of vision system neuronal networks // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88. № 12. P. 710–715. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000710
7. Davydov R., Zaitceva A., Isakova D. et. al. New methodology of human health express diagnostics based on pulse wave measurements and occlusion test // Journal of Personalized Medicine. 2023. V. 13. № 3. Р. 443. https://doi.org/10.3390/jpm13030443
8. Zhang D., Wang W., Fang A. Association between resting heart rate and coronary artery disease, stroke, sudden death and noncardiovascular diseases: a meta-analysis // Canadian Medical Association Journal. 2016. V. 188. P. E384–E392. https://doi.org/10.1503/cmaj.160050
9. Luks A.M., Swenson E. R. Pulse oximetry for monitoring patients with COVID-19 at home. Potential pitfalls and practical guidance // Annals of the American Thoracic Society. 2020. V. 17. P. 1040–1046. https://doi.org/10.1513/AnnalsATS.202005-418FR
10. Cutrim R.C., Santos-de-Araújo A.D., Anselmo-e-Silva C.I. et. al. Impact of applying different levels of thresholdbased artifact correction on the processing of heart rate variability data in individuals with temporomandibular disorder // Scientific Reports. 2024. V. 14(1). P. 24569. https://doi.org/10.1038/s41598-024-76287-z
11. Bierman A., Benner K., Rea M.S. Melanin bias in pulse oximetry explained by light source spectral bandwidth // British Journal of Anaesthesia. 2024. V. 132(5). P. 957–963. https://doi.org/10.1016/j.bja.2024.01.037
12. Rodriguez A.J., Vasudevan S., Farahmand M. et. al. Tissue mimicking materials and finger phantom design for pulse oximetry // Biomedical Optics Express. 2024. V. 15(4). P. 2308–2327. https://doi.org/10.1364/BOE.518967
13. Katan M., Pearl O., Tzroya A. et. al. A self-calibrated single wavelength biosensor for measuring oxygen saturation // Biosensors. 2024. V. 14(3). P. 132. https://doi.org/10.3390/bios14030132
14. Davydov V.V., Porfir’eva E.V., Davydov R.V. Nondestructive method for testing elasticity of walls of human veins and arteries // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2022. V. 58(9). P. 847–857. https://doi.org/10.1134/S1061830922090042
15. Fine J., McShane M.J., Coté G.L. et. al. A computational modeling and simulation workflow to investigate the impact of patient-specific and device factors on hemodynamic measurements from non-invasive photoplethysmography // Biosensors. 2022. V. 12. P. 598. https://doi.org/10.3390/bios12080598
16. Blaney G., Frias J., Tavakoli F. et. al. Dual-ratio approach to pulse oximetry and the effect of skin tone // Journal of biomedical optics. 2024. V. 29. P. S333111. https://doi.org/10.1117/1.JBO.29.S3.S33311
17. Ochoa-Gutierrez V., Guerrero-Zuñiga S., Reboud J. et. al. Eumelanin and pheomelanin modelling in optical oximetry using pulse oximetry (for 540 nm and 660 nm): DC component // Advances in experimental medicine and biology. 2024. V. 1463. P. 233–237. https://doi.org/10.1007/978-3-031-67458-7_39
18. Wu J. Hyperspectral imaging for non-invasive blood oxygen saturation assessment // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 2024. V. 45. P. 104003. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2024.104003
19. Yaqub M.A., Zanoletti M., Cortese L. et. al. Non-invasive monitoring of microvascular oxygenation and reactive hyperemia using hybrid, near-infrared diffuse optical spectroscopy for critical care // Journal of Visualized Experiments. 2024. V. 2024(207). P. e66062. https://doi.org/10.3791/66062
20. Pirzada M., Altintas Z. Recent progress in optical sensors for biomedical diagnostics // Micromachines. 2020. V. 11. № 4. P. 356. https://doi.org/10.3390/mi11040356
21. Davydov V.V., Grebenikova N.M., Smirnov K.Y. An optical method of monitoring the state of flowing media with low transparency that contain large inclusions // Measurement Techniques. 2019. V. 62(6). P. 519–526. https://doi.org/10.1007/s11018-019-01655-5
22. Jafernik K., Kubica P., Sharafan M. et. al. Phenolic compound profiling and antioxidant potential of different types of Schisandra henryi in vitro cultures // Applied Microbiology and Biotechnology. 2024. V. 108(1). P. 322. https://doi.org/10.1007/s00253-024-13159-6
23. Balkrishna A., Joshi M., Varshney Y. et. al. In-depth phytochemical profiling of Roscoea purpurea (Kakoli): Comparative UHPLC-MS/QToF and GC-MS/MS analysis of supercritical CO2 fluid and conventional solvent based extractive processes // Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 2024. V. 25115. P. 116444. https://doi.org/10.1016/j.jpba.2024.116444
24. Niu C. The application of improved DTW algorithm in sports posture recognition // Systems and Soft Computing. 2024. V. 6. P. 200163. https://doi.org/10.1016/j.sasc.2024.200163