RU2731414C1 - Method for complex assessment of arterial bed state - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to a method for complex estimation of arterial bed state. Finger area is irradiated with a light signal of the red and infrared wavelength ranges. Ambient temperature and temperature of the finger area to be recorded are pre-stabilized and the clamp of the emitters and the photodetector to the finger is adjusted. Photoplethysmographic (PPG) signal is recorded for at least 5 minutes. PPG signal is contoured by signal filtration by Savitzky–Golay method with 64 ms window width and obtaining the fourth signal derivative. Direct and reflected wave of PPG signal is detected from the artery wall. Arterial stiffness is determined on the basis of time interval between direct and reflected waves and on the basis of their amplitudes. Complex continuous wavelet transformation of the PPG signal is carried out using a Morlet basis wavelet and generating a wavelet spectrum. Peak location of PPG signal power in the wavelet spectrum is determined. State of the microcirculatory bed is assessed by the arrangement of peaks in the frequency ranges corresponding to the microvascular tonus regulation mechanism.

EFFECT: invention provides accuracy, simplicity, reliability and reduced time for examination with integrated assessment of vascular bed for early diagnosis of widespread diseases - arterial hypertension and diabetes, in pathogenesis of which damage of arterial bed is of primary importance.

5 cl, 4 ex, 16 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а именно к функциональной диагностике состояния сердечнососудистой системы человека с использованием принципов фотоплетизмографии (ФПГ). Изобретение наряду с оценкой состояния крупных артерий эластического типа, с использованием контурного анализа единичной пульсовой волны, позволяет осуществлять частотный анализ последовательности пульсовых волн для изучения состояния сосудов микроциркуляции. Данный подход важен не только для целей ранней диагностики таких широко распространенных заболеваний, какими являются гипертоническая болезнь и сердечная недостаточность, но и для оценки эффективности проводимой терапии.The present invention relates to the field of medicine and medical technology, namely to functional diagnostics of the state of the human cardiovascular system using the principles of photoplethysmography (PPG). The invention, along with the assessment of the state of large elastic-type arteries, using the contour analysis of a single pulse wave, allows the frequency analysis of the pulse wave sequence to study the state of the microcirculation vessels. This approach is important not only for the purposes of early diagnosis of such widespread diseases as hypertension and heart failure, but also for evaluating the effectiveness of therapy.

Уровень техникиState of the art

Известна методика определения типов микроциркуляции крови (патент РФ 160337), включающая оптическое зондирование и снятие ЛДФ-граммы, исследование параметра микроциркуляции, среднего квадратичного отклонения, амплитуды эндотелиальных метаболических колебаний, вазомоторных, дыхательных и пульсовых, при этом снятие ЛДФ-граммы осуществляют с вентральной поверхности второго пальца правой руки, дополнительно определяют общий объемный, нутритивный и шунтовой кровоток, проводят окклюзионную пробу, вычисляют исходный параметр микроциркуляции, показатель микроциркуляции в процессе окклюзии, максимальный параметр микроциркуляции, резерв капиллярного кровотока, время полного восстановления, время полувосстановления.There is a known technique for determining the types of blood microcirculation (RF patent 160337), including optical sensing and removal of the LDF-gram, the study of the microcirculation parameter, the standard deviation, the amplitude of endothelial metabolic oscillations, vasomotor, respiratory and pulse, while the removal of the LDF-gram is carried out from the ventral surface the second finger of the right hand, additionally determine the total volumetric, nutritive and shunt blood flow, conduct an occlusion test, calculate the initial microcirculation parameter, the microcirculation index during occlusion, the maximum microcirculation parameter, capillary blood flow reserve, full recovery time, half recovery time.

В последние годы возрос интерес к ФПГ. Это связано с появлением новых оптических сенсоров и новых методов анализа сигнала. ФПГ технология широко используется в коммерчески доступных медицинских приборах для измерения насыщения гемоглобина кислородом, артериального давления и сердечного выброса, а также для оценки состояния периферического кровотока.In recent years, interest in FIGs has increased. This is due to the emergence of new optical sensors and new methods of signal analysis. FPG technology is widely used in commercially available medical devices to measure hemoglobin oxygen saturation, blood pressure and cardiac output, as well as to assess the state of peripheral blood flow.

Принципиальным отличием ФПГ является использование оптических сенсоров для регистрации изменений объема крови в микрососудах тканей. Метод ФПГ используется для неинвазивных измерений на поверхности кожи. В формировании ФПГ сигнала участвуют две составляющие: пульсирующая составляющая (АС) - определяемая механической систолой сердца, и медленно изменяющая базовая составляющая (DC), связанная с дыханием, терморегуляцией и деятельностью симпатической нервной системы. До настоящего времени природа формирования ФПГ сигнала полностью не расшифрована, но, несмотря на это, ФПГ широко применяется в клинической практике для оценки состояния сердечно -сосудистой системы.The fundamental difference between PPGs is the use of optical sensors to register changes in blood volume in tissue microvessels. PPG is used for non-invasive measurements on the skin surface. Two components are involved in the formation of the PPG signal: the pulsating component (AC), which is determined by the mechanical systole of the heart, and the slowly changing basic component (DC), associated with respiration, thermoregulation, and the activity of the sympathetic nervous system. Until now, the nature of PPG signal formation has not been fully deciphered, but, despite this, PPG is widely used in clinical practice to assess the state of the cardiovascular system.

Для регистрации ФПГ сигнала используется ИК-светодиоды в диапазоне 780-940 нм.To register the PPG signal, IR LEDs in the range of 780-940 nm are used.

Использование ИК области оптического спектра с целью регистрации ФПГ позволяет надежно регистрировать сигнал не только в режиме отражения с поверхностных слоев кожи, но и в режиме прохождения через участки тела (палец, мочка уха).The use of the IR region of the optical spectrum for the purpose of registering PPGs makes it possible to reliably record the signal not only in the mode of reflection from the surface layers of the skin, but also in the mode of passing through parts of the body (finger, earlobe).

Постоянная составляющая DC определяется поглощением света кожей, другими тканями, а также не пульсирующим объемом крови. На величину постоянной составляющей оказывает большое влияние перераспределение крови в венозном отделе циркуляции. Во многом это определяется особенностями венозной циркуляции, а именно способностью к депонированию крови и низким давлением крови. Эти особенности кровотока в венах сильно влияют на амплитуду постоянной составляющей. Амплитуда пульсовой составляющей АС определяется пульсирующим объемом артериальной крови. Исходная форма пульсовой составляющей инвертируется, что делает похожей кривую ФПГ на кривую давления. Важным параметром ФПГ сигнала является индекс перфузии. Последний является процентным отношением амплитуды АС к DC.The constant DC component is determined by the absorption of light by the skin, other tissues, and also by the non-pulsating blood volume. The value of the constant component is greatly influenced by the redistribution of blood in the venous circulation. This is largely determined by the peculiarities of venous circulation, namely the ability to deposit blood and low blood pressure. These features of blood flow in veins strongly affect the amplitude of the constant component. The amplitude of the pulse component of the AC is determined by the pulsating volume of arterial blood. The original shape of the pulse component is inverted, which makes the PPG curve similar to the pressure curve. An important parameter of the PPG signal is the perfusion index. The latter is the percentage of AC to DC amplitude.

Индекс перфузии (ИП) позволяет неинвазивно мониторировать состояние периферического кровотока. Физиологический смысл данного индекса заключается в отношении пульсирующего кровотока к не пульсирующему (статическому) объему крови в лоцируемой периферической ткани. Локальная вазоконстрикция сопровождается снижением величины этого индекса, тогда как вазодилатация приводит к увеличению ИП. Величина индекса перфузии не зависит от таких физиологических переменных как число сердечных сокращений, насыщения крови кислородом, потребления кислорода и температура. В условиях клиники этот индекс может использоваться для интегральной показатель оценки состояния кровотока, так низкие значения ИП будут свидетельствовать о неадекватности периферического кровотока. При этом чрезвычайно важно оценивать динамику изменений ИП.The perfusion index (PI) allows non-invasive monitoring of the state of peripheral blood flow. The physiological meaning of this index is the ratio of pulsating blood flow to non-pulsating (static) blood volume in the localized peripheral tissue. Local vasoconstriction is accompanied by a decrease in this index, while vasodilation leads to an increase in PI. The perfusion index is independent of physiological variables such as heart rate, oxygen saturation, oxygen consumption, and temperature. In a clinic, this index can be used for an integral indicator of assessing the state of blood flow, so low PI values will indicate inadequacy of peripheral blood flow. At the same time, it is extremely important to assess the dynamics of IP changes.

Постоянная составляющая (DC), в свою очередь подвержена влиянию низкочастотных осцилляций, определяемых оптической плотностью капиллярного русла. Мгновенная оптическая плотность микроциркуляторного зависит от активности симпатического влияния и локальной миогенной активности, а также флуктуаций венозного объема, связанного с дыханием. Тесное взаимодействие сердца и легких проявляется на ФПГ кривой в виде периодических изменений амплитуд, происходящих синхронно с дыханием. Наибольшая вариабельность амплитуды ФПГ сигнала наблюдается, когда нарушается баланс между давлением в дыхательных путях и внутрисосудистым давлением. Такие же циклические изменения, связанные с дыханием, можно видеть на кривой артериального давления. Бронхиальная астма является примером повышенного внутригрудного давления, которое сопровождается резкими циклическими изменениями амплитуды ФПГ сигнала. При этом выраженность циклических изменений амплитуд ФПГ сигнала коррелирует с тяжестью бронхиальной обструкции. Тяжелая бронхиальная астма с высоким внутригрудным давлением приводит к нарушению венозного возврата, который вызывает снижение сердечного выброса, что проявляется большой вариабельностью амплитуд ФПГ сигнала.The constant component (DC), in turn, is influenced by low-frequency oscillations, determined by the optical density of the capillary bed. The instantaneous optical density of the microcirculatory depends on the activity of sympathetic influence and local myogenic activity, as well as fluctuations in the venous volume associated with respiration. The close interaction of the heart and lungs is manifested on the PPG curve in the form of periodic changes in amplitudes that occur synchronously with breathing. The greatest variability of the PPG signal amplitude is observed when the balance between airway pressure and intravascular pressure is disturbed. The same cyclical changes associated with respiration can be seen in the blood pressure curve. Bronchial asthma is an example of increased intrathoracic pressure, which is accompanied by abrupt cyclical changes in the amplitude of the PPG signal. In this case, the severity of cyclic changes in the amplitudes of the PPG signal correlates with the severity of bronchial obstruction. Severe bronchial asthma with high intrathoracic pressure leads to impaired venous return, which causes a decrease in cardiac output, which is manifested by a large variability of the PPG signal amplitudes.

Существующая волновая теория распространения и отражения пульсовых волн объясняет изменение формы пульсовой волны по мере ее продвижения по артериальной системе, таким образом, анализируя форму пульсовой волны, можно определять жесткость крупных артерий и величину сосудистого тонуса. ФПГ сигнал, зарегистрированный с концевой фаланги пальца кисти, обладает достаточной первичной информацией для проведения анализа состояния вязко-эластических свойств артериальной стенки.The existing wave theory of the propagation and reflection of pulse waves explains the change in the shape of the pulse wave as it moves through the arterial system, thus, by analyzing the shape of the pulse wave, it is possible to determine the stiffness of large arteries and the magnitude of the vascular tone. The PPG signal recorded from the terminal phalanx of the finger has sufficient primary information to analyze the state of the viscoelastic properties of the arterial wall.

Этому посвящен патент РФ 118534, где раскрыто устройство, реализующее способ оценки артериальной функции, включающее средство для регистрации пульсовой волны, схему обработки и средство для оценки артериальной функции, представляющее собой контроллер, связанный с дисплеем для отображения результатов оценки, средство для регистрации пульсовой волны представляет собой оптический датчик, включающий инфракрасный светодиод и фотодетектор, светодиод и фотодетектор установлены в корпусе, выполненном с возможностью крепления на концевой фаланге пальца обследуемого. Однако этот способ не позволяет оценить состояние микроциркуляторного русла.This is the subject of RF patent 118534, which discloses a device that implements a method for assessing arterial function, including means for registering a pulse wave, a processing circuit and means for assessing arterial function, which is a controller associated with a display for displaying assessment results, means for registering a pulse wave is is an optical sensor including an infrared light-emitting diode and a photodetector, the light-emitting diode and a photodetector are installed in a housing designed to be attached to the end phalanx of the subject's finger. However, this method does not allow assessing the state of the microvasculature.

В клинической практике широко используется прибор Pulse Trace для регистрации пульсовой волны объема компании Micromedical Device (Великобритания). Для регистрации пульсовой волны он использует оптический сенсор, работающий в ближнем ИК диапазоне 940 нм. Для оцифровки сигнала используется 12-разрядный АЦП. Скорость вывода 100 выборок в секунду. Протокол регистрации предусматривает 10 секундная запись «сырого» сигнала, после чего проводится процедура усреднения формы пульсовых волн для получения «репрезентативной» пульсовой волны с целью последующего контурного анализа. Программное обеспечение прибора осуществляет анализ формы пульсовой волны для определения двух показателей: индекса жесткости и индекса отражения. Индекс жесткости (SI) - показатель, коррелирующий со скоростью распространения пульсовой волны. SI рассчитывается как отношение роста испытуемого ко времени распространения пульсовой волны от нижней части тела до пальца руки. Индекс отражения (RI) - показатель, оценивающий состояние сосудистого тонуса. Индекс отражения рассчитывается как % отношения амплитуды диастолического пика (Y) к амплитуде систолического пика (X) пульса. При этом для определения временной задержки между этими пиками используется первая производная исходного сигнала.In clinical practice, the Pulse Trace device is widely used to record the volume pulse wave from Micromedical Device (UK). To register the pulse wave, it uses an optical sensor operating in the near-infrared range of 940 nm. A 12-bit ADC is used to digitize the signal. Output rate 100 samples per second. The registration protocol provides for a 10-second recording of the "raw" signal, after which the procedure of averaging the shape of the pulse waves is carried out to obtain a "representative" pulse wave for the purpose of subsequent contour analysis. The instrument software analyzes the pulse waveform to determine two parameters: the stiffness index and the reflection index. Stiffness Index (SI) is an indicator that correlates with the speed of propagation of the pulse wave. SI is calculated as the ratio of the subject's height to the time the pulse wave propagates from the lower body to the finger. Reflection index (RI) is an indicator that evaluates the state of vascular tone. Reflectance index is calculated as a% of the ratio of the amplitude of the diastolic peak (Y) to the amplitude of the systolic peak (X) of the pulse. In this case, the first derivative of the original signal is used to determine the time delay between these peaks.

Установлено, что использование первой производной для нахождения максимума диастолического пика надежно работает только с пульсовыми волнами, где диастолический пик хорошо выражен и на исходном ФПГ сигнале, Фиг. 1. При этом для нахождения точек, соответствующих максимальным значениям пиков, используются моменты перехода через ноль. Неоднозначное определение момента диастолического пика на кривых со сглаженными пиками приводит к серьезным ошибкам жесткости. В ряде таких случаев устройство выдает сообщение о невозможности определения из-за выраженной жесткости артерий. Определенный вклад в эту ситуацию создает и низкая частота оцифровки исходного сигнала, равная 100 Гц, так как 10 мс интервал между двумя смежными точками отсчета аналого-цифрового преобразователя может приходиться на эту область интереса.It was found that the use of the first derivative to find the maximum of the diastolic peak works reliably only with pulse waves, where the diastolic peak is well expressed on the initial PPG signal, Fig. 1. In this case, to find the points corresponding to the maximum values of the peaks, the zero crossing times are used. The ambiguous determination of the moment of the diastolic peak on the curves with smoothed peaks leads to serious errors in stiffness. In a number of such cases, the device issues a message about the impossibility of determining due to pronounced stiffness of the arteries. A certain contribution to this situation is also created by the low sampling frequency of the original signal, equal to 100 Hz, since the 10 ms interval between two adjacent sampling points of the analog-to-digital converter can fall on this region of interest.

Оценка второй производной для целей анализа ФПГ сигнала предложена японским исследователем K. Takazawa. На кривой второй производной ФПГ определялись пять реперных точек (а, b с, d, е), который использовались для оценки характеристик жесткости артериальной стенки. Данный подход к оценке ФПГ сигнала используется в устройстве Meridian Digital Arterial Pulse-wave Analyzer (Южная Корея). Исходная ФПГ (верхняя часть рисунка) и ее вторая производная используемыми реперными точками, Фиг. 2.The estimation of the second derivative for the analysis of PPG signal was proposed by the Japanese researcher K. Takazawa. On the curve of the second derivative of PPG, five reference points (a, bc, d, e) were determined, which were used to assess the characteristics of the stiffness of the arterial wall. This approach to PPG signal assessment is used in the Meridian Digital Arterial Pulse-wave Analyzer (South Korea). The original PPG (upper part of the figure) and its second derivative with the used reference points, Fig. 2.

До недавнего времени не существовало единой методики, которая бы одновременно с использованием одного устройства позволяла оценить состояние как крупных, так и мелких сосудов.Until recently, there was no single technique that would simultaneously use one device to assess the state of both large and small vessels.

Защищен способ оценки состояния сосудистого русла (патент РФ 2508900, публ. 27.05.2019), который заключается в проведении контурного анализа пульсовой волны, зарегистрированной методом ФПГ, и оценивает структурные изменения стенки крупных сосудов на основании параметра индекса жесткости, одновременно проводят компьютерную капилляроскопию околоногтевого ложа и кожи дорсальной поверхности пальца для определения структурных изменений микрососудов на уровне капилляров, в ходе которой на основании параметра ремоделирования капилляров судят об отсутствии структурных изменений микрососудов или о наличии структурных изменений микрососудов. Затем выполняют ФПГ с окклюзионной пробой для оценки функциональных изменений крупных сосудов и сосудов микроциркуляторного русла на основании параметров сдвига фаз и индекса окклюзии. Этот способ трудоемок, продолжителен, осуществляется с помощью сложной и многочисленной аппаратуры, реализует по сути два метода - ФПГ и капилляроскопию. Основной его недостаток - низкая точность, зависящая от субъективных факторов, определяемых состоянием сосудов. При высокой жесткости стенок сосудов метод вообще неприменим.A method for assessing the state of the vascular bed is protected (RF patent 2508900, publ. 05/27/2019), which consists in conducting a contour analysis of the pulse wave recorded by the PPG method, and evaluating the structural changes in the wall of large vessels based on the parameter of the stiffness index, at the same time performing computer capillaroscopy of the periungual bed and the skin of the dorsal surface of the finger to determine the structural changes of microvessels at the capillary level, during which, based on the capillary remodeling parameter, it is judged that there are no structural changes in microvessels or the presence of structural changes in microvessels. Then PPG is performed with occlusion test to assess functional changes in large vessels and vessels of the microvasculature based on the parameters of the phase shift and the occlusion index. This method is laborious, time-consuming, carried out with the help of complex and numerous equipment, and essentially implements two methods - PPG and capillaroscopy. Its main drawback is low accuracy, which depends on subjective factors determined by the state of the vessels. With high rigidity of the vessel walls, the method is generally inapplicable.

Таким образом, существует потребность в разработке способа комплексной оценки состояния артериального русла, позволяющего одновременно просто, быстро и точно оценивать, как состояние крупных артерий, так и сосудов микроциркуляции. Решение этой задачи позволит иметь информацию о состояние жесткости артериальной стенки магистральных артерий эластического типа, для чего используется контурный анализ пульсовой волны. Для оценки микроциркуляторного проводится непрерывный вейвлет анализ временной последовательности ряда пульсовых волн в низкочастотном диапазоне от 0.01 до 2,0 Гц.Thus, there is a need to develop a method for a comprehensive assessment of the state of the arterial bed, which allows at the same time to simply, quickly and accurately assess both the state of large arteries and microcirculation vessels. The solution to this problem will provide information about the stiffness of the arterial wall of the main arteries of the elastic type, for which the contour analysis of the pulse wave is used. To assess the microcirculatory, continuous wavelet analysis of the time sequence of a series of pulse waves in the low-frequency range from 0.01 to 2.0 Hz is performed.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задача настоящего изобретения сводится к разработке способа оценки комплексного состояния артериального русла человека, основанного на регистрации ФПГ сигнала, применимого при обследовании широких слоев населения.The objective of the present invention is to develop a method for assessing the complex state of the human arterial bed, based on the registration of the PPG signal, which is applicable for examining the general population.

Технический результат заключается в обеспечении точности, простоты, надежности и снижения времени на обследование при комплексной оценке состояния сосудистого русла для ранней диагностики широко распространенных заболеваний - артериальной гипертензий и диабета, в патогенезе которых поражение артериального русла имеет главенствующее значение.The technical result consists in ensuring accuracy, simplicity, reliability and reducing the time for examination in a comprehensive assessment of the state of the vascular bed for early diagnosis of widespread diseases - arterial hypertension and diabetes, in the pathogenesis of which the lesion of the arterial bed is of paramount importance.

Технический результат достигается за счет того, что в способе комплексной оценки состояния артериального русла, заключающемся в том, что облучают палец руки световым сигналом красного и инфракрасного диапазона длин волн, предварительно стабилизируют температуру среды и участка пальца руки, на котором будет проводиться регистрация, и регулируют прижим излучателей и фотоприемника к пальцу, регистрируют ФПГ сигнал в течение не менее 5 минут, фильтруют сигнал методом Савицкого-Голея с шириной окна 64 мс, получают четвертую производную регистрируемого фильтрованного ФПГ сигнала, определяют временной интервал между прямой и отраженной от стенки артерии волнами ФПГ сигнала и амплитуды его на пульсовых волнах, жесткость артериальных стенок, по которому судят о состоянии крупных артерий, производят комплексное непрерывное вейвлет-преобразование регистрируемого ФПГ сигнала с использованием базисного вейвлета Морле и получением вейвлет-спектра, в вейвлет-спектре определяют расположение пиков мощности преобразованного ФПГ сигнала, и по расположению пиков в частотных диапазонах, соответствующих определенному механизму регуляции и калибровочному сигналу, оценивают состояние сосудов микроциркуляции.The technical result is achieved due to the fact that in the method for a comprehensive assessment of the state of the arterial bed, which consists in the fact that the finger is irradiated with a light signal of the red and infrared wavelength range, the temperature of the medium and the part of the finger on which the registration will be carried out is preliminarily stabilized, and pressing the emitters and the photodetector to the finger, register the PPG signal for at least 5 minutes, filter the signal by the Savitsky-Golay method with a window width of 64 ms, obtain the fourth derivative of the recorded filtered PPG signal, determine the time interval between the direct and reflected from the artery wall PPG signal waves and its amplitude on pulse waves, the stiffness of the arterial walls, by which the state of large arteries is judged, a complex continuous wavelet transformation of the recorded PPG signal is performed using the Morlet base wavelet and obtaining a wavelet spectrum, the location of the power peaks is determined in the wavelet spectrum spine of the converted PPG signal, and by the location of the peaks in the frequency ranges corresponding to a certain regulation mechanism and the calibration signal, the state of the microcirculation vessels is assessed.

Стабилизацию температуры участка пальца руки осуществляют с помощью термостата, стабилизирующего температуру на уровне 35°С.Stabilization of the temperature of the part of the finger is carried out using a thermostat that stabilizes the temperature at 35 ° C.

Прижим излучателей и фотоприемника к пальцу осуществляют с помощью устройства, корпус которого выполнен в виде прищепки, и на котором с одной стороны прищепки размещены излучатели в виде источников света с длиной волны 650-700 нм и 780-950 нм, а с другой - фотоприемник, позволяющий регистрировать оптический сигнал в полосе частот 0-30 Гц.Pressing the emitters and the photodetector to the finger is carried out using a device, the body of which is made in the form of a clothespin, and on which, on one side of the clothespin, there are emitters in the form of light sources with a wavelength of 650-700 nm and 780-950 nm, and on the other - a photodetector, allowing to register an optical signal in the frequency range 0-30 Hz.

Облучение пальца руки оптическими сигналами проводят 500 сек для оптимизации проведения вейвлет-преобразования.Irradiation of a finger with optical signals is carried out for 500 seconds to optimize the wavelet transform.

Для оценки микроциркуляторного русла используют следующие частотные диапазоны, учитывающие влияние механизмов регуляции, диапазон 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц нейрогенной или симпатической адренергической активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной или гладкомышечной активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма.To assess the microcirculatory bed, the following frequency ranges are used, taking into account the influence of regulatory mechanisms, the range 0.01-0.017 Hz is the range of endothelial activity; 0.023-0.046 Hz of neurogenic or sympathetic adrenergic activity; 0.06-0.15 Hz - the range of myogenic or smooth muscle activity; 0.21-0.6 Hz - respiratory rate range; 0.7-1.6 Hz - cardiac rhythm range.

Краткое описание фигур чертежейBrief Description of the Drawing Figures

Изобретение далее подробно иллюстрируется с использованием фигур чертежей, на которых изображено:The invention is further illustrated in detail using the figures of the drawings, which depict:

на Фиг. 1 иллюстрируется использование первой производной ФПГ сигнала для определения индекса жесткости и отражения (уровень техники),in FIG. 1 illustrates the use of the first derivative of the PPG signal to determine the stiffness and reflection index (prior art),

Фиг. 2 иллюстрирует исходную ФПГ (верхняя часть) и вторую производную (нижняя часть) с используемыми реперными точками (уровень техники),FIG. 2 illustrates the original PPG (upper part) and the second derivative (lower part) with the reference points used (prior art),

Фиг. 3 иллюстрирует контурный анализ ФПГ с использованием четвертой производной для нахождения прямой и отраженной волн, а также временного интервала между их максимумами,FIG. 3 illustrates a PPG contour analysis using the fourth derivative to find the forward and reflected waves, as well as the time interval between their maxima,

на Фиг. 4 показана спектр исходного ФПГ сигнала (верхняя часть) и спектр четвертой производной (нижняя часть),in FIG. 4 shows the spectrum of the original PPG signal (upper part) and the spectrum of the fourth derivative (lower part),

Фиг. 5 представляет электрическую схему сенсорного блока, используемого для осуществления способа устройства,FIG. 5 is an electrical diagram of a sensor unit used to implement the device method,

Фиг. 6 - иллюстрирует контурный анализ ФПГ, исходная кривая - обозначена пунктиром, четвертая производная - непрерывной линией,FIG. 6 - illustrates the contour analysis of PPG, the original curve is indicated by a dotted line, the fourth derivative is a continuous line,

Фиг. 7 показывает зарегистрированный в течение 500 секунд ФПГ сигнал и его первую производную, получаемую непрерывно,FIG. 7 shows the PPG signal recorded for 500 seconds and its first derivative obtained continuously,

Фиг. 8 показывает базисный вейвлет Морле,FIG. 8 shows the basic Morlet wavelet,

Фиг. 9 показывает амплитудно-частотный спектр калибровочного сигнала, состоящего из набора следующих частот - 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц,FIG. 9 shows the amplitude-frequency spectrum of a calibration signal consisting of a set of the following frequencies - 0.05 Hz, 0.1 Hz, 0.15 Hz and 0.2 Hz,

Фиг. 10 - амплитудно-частотный спектр физиологической ситуации, когда снижено давление в капиллярном русле,FIG. 10 - amplitude-frequency spectrum of the physiological situation, when the pressure in the capillary bed is reduced,

Фиг. 11 - схематическое представление циркуляции в микроциркуляторном русле при снижении давления,FIG. 11 is a schematic representation of the circulation in the microvasculature with a decrease in pressure,

Фиг. 12 - амплитудно-частотный спектр физиологической ситуации, когда увеличено капиллярное давление,FIG. 12 - amplitude-frequency spectrum of the physiological situation, when the capillary pressure is increased,

Фиг. 13 - схематическое представление циркуляции в микроциркуляторном русле при увеличении давления,FIG. 13 - a schematic representation of circulation in the microvasculature with increasing pressure,

на Фиг. 14 показан экран монитора с наглядными результатами оценки микроциркуляторного русла, которые удобны для использования при диагностике,in FIG. 14 shows the monitor screen with visual results of the assessment of the microvasculature, which are convenient for use in diagnostics,

На Фиг. 15 - амплитудно-частотный спектр пациента с гипертонической болезнью П-ст.,FIG. 15 - amplitude-frequency spectrum of a patient with hypertension P-st.,

На Фиг. 16 - амплитудно-частотный спектр пациента с диастолической дисфункцией.FIG. 16 - amplitude-frequency spectrum of a patient with diastolic dysfunction.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Необходимо отметить, что предложенная комплексная оценка состояния сосудистого русла проводится с учетом современных теоретических воззрений и практических исследований оценки механизмов кровотока.It should be noted that the proposed comprehensive assessment of the state of the vascular bed is carried out taking into account modern theoretical views and practical studies of the assessment of blood flow mechanisms.

В ходе исследований изобретателями неожиданно было установлено, что для точного нахождения прямой и отраженной волн особенно подходит четвертая производная регистрируемого ФПГ сигнала, при использовании фильтрации по Савицкого-Голея {см. например, А.В.Никонов и др. Фильтрация методом Савицкого-Голея спектральных характеристик чувствительности матричных фотоприемных устройств. Успехи прикладной физики, 2016, том 4, №2, стр. 198-203) и с окном, равным 64 мс, а также частоте оцифровки сигнала 1000 Гц. Данный прием позволяет надежно определять временные интервалы между прямой и отраженной волнами, а также их амплитуды на всех пульсовых волнах. Физический смысл его состоит в подавлении основной гармоники и увеличении энергии высокочастотных составляющих ФПГ сигнала.In the course of research, the inventors unexpectedly found that the fourth derivative of the recorded PPG signal is especially suitable for accurately finding the direct and reflected waves, when using Savitsky-Golay filtering {see. for example, AVNikonov et al. Filtration by the Savitsky-Golay method of spectral characteristics of the sensitivity of matrix photodetectors. Successes of Applied Physics, 2016, volume 4, No. 2, pp. 198-203) and with a window equal to 64 ms, as well as a signal sampling frequency of 1000 Hz. This technique allows you to reliably determine the time intervals between the direct and reflected waves, as well as their amplitudes at all pulse waves. Its physical meaning consists in suppressing the fundamental harmonic and increasing the energy of the high-frequency components of the PPG signal.

Изобретатели также установили, что для определения индексов жесткости и отражения необходимо определять вклад отраженной волны в период систолы. Для этого проводится оценка временного интервала между прямой и отраженной волнами. Соответственно, для определения индекса отражения рассчитывается амплитудное отношение.The inventors have also found that in order to determine the stiffness and reflection indices, it is necessary to determine the contribution of the reflected wave during systole. For this, the time interval between the direct and reflected waves is estimated. Accordingly, the amplitude ratio is calculated to determine the reflection index.

Изобретатели установили и подтвердили на практике, что точность оценки кровотока повышается при стабилизации температуры лоцируемого участка и температуры окружающей среды.The inventors have established and confirmed in practice that the accuracy of assessing blood flow increases when the temperature of the target area and the ambient temperature are stabilized.

Изобретатели обнаружили, что постоянный и плотный прижим излучателей и фотоприемника повышает точность измерений и результатов оценки кровотока.The inventors have found that constant and tight pressing of the emitters and photodetector improves the accuracy of measurements and results of assessing blood flow.

Анализ ФПГ сигнала позволяет проводить оценку формы пульсовой волны по ее временным и амплитудным составляющим. В тоже время чрезвычайно важно иметь представление о низкочастотных осцилляциях постоянной составляющей ФПГ сигнала.The analysis of the PPG signal makes it possible to evaluate the shape of the pulse wave by its time and amplitude components. At the same time, it is extremely important to have an idea of the low-frequency oscillations of the constant component of the PPG signal.

До недавнего времени для количественной оценки характеристик низкочастотных колебаний ФПГ сигнала использовался спектральный анализ на основе Фурье - преобразования. В отличие от Фурье преобразования, вейвлет-анализ позволяет определить не только частотные составляющие анализируемого сигнала, но и выявлять его характерные временные особенности.Until recently, spectral analysis based on Fourier transform was used to quantify the characteristics of low-frequency oscillations of the PPG signal. Unlike Fourier transform, wavelet analysis allows you to determine not only the frequency components of the analyzed signal, but also to reveal its characteristic temporal features.

В настоящее время установлено, что в полосе частот 0.01-2 Гц имеется несколько неперекрывающихся частотных диапазонов, характеризующих состояние кровотока в микроциркуляторном русле (Stefanovska A, Bracic М, Kvernmo HD. Wavelet analysis of oscillations in peripheral blood circulation measured by Doppler technique. IEEE Trans Biomed Eng 1999; 46 (10): 1230-9). Для каждого из диапазонов характерны свои центральные частоты и частотные границы. Исторически эта градация частот была предложена при использовании лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ). Изобретатели использовали этот подход для спектрального анализа ФПГ сигнала.It has now been established that in the 0.01-2 Hz frequency band there are several non-overlapping frequency ranges characterizing the state of blood flow in the microvasculature (Stefanovska A, Bracic M, Kvernmo HD. Wavelet analysis of oscillations in peripheral blood circulation measured by Doppler technique. IEEE Trans Biomed Eng 1999; 46 (10): 1230-9). Each of the bands has its own center frequencies and frequency boundaries. Historically, this frequency gradation has been proposed using laser Doppler flowmetry (LDF). The inventors used this approach for spectral analysis of the PPG signal.

Декомпозиция подготовленного для анализа ФПГ сигнала с использованием прямого вейвлет-преобразования преобразует исследуемую функцию f(x) в набор вейвлет- коэффициентов W_ψ (а, в) f согласно правилу свертки исследуемого сигнала с некоторой базисной вейвлет - функцией анализирующим вейвлетом)Decomposition of the signal prepared for PPG analysis using the direct wavelet transform transforms the investigated function f (x) into a set of wavelet coefficients W _ψ (a, b) f according to the convolution rule of the signal under investigation with some basic wavelet function, the analyzing wavelet)

где а и b - параметры, определяющие соответственно масштаб и смещение функции ψ называемой анализирующим вейвлетом, С_ψ - нормирующий множитель.where a and b are parameters that determine, respectively, the scale and shift of the function ψ, called the analyzing wavelet, C _ψ is the normalizing factor.

Интегрирование ведется по всей числовой оси. В отличие от оконного преобразования Фурье, вейвлет-преобразование, при аналогичных дискретных значениях сдвигов b, дает семейства спектров масштабных коэффициентов, а сжатия-растяжения W_ψ (а, в) f, определяемых выражением (1). Многоразмерное временное окно вейвлет-преобразования позволяет одинаково хорошо выявлять и низкочастотные, и высокочастотные спектральные составляющие ФПГ с одновременным определением их локализации во времени. Применение метода требует оптимизации выбора базисных функций. Исследования проводились с использованием базисных вейвлетов (функций) Морле.Integration is carried out along the entire number axis. In contrast to the windowed Fourier transform, the wavelet transform, with similar discrete values of the shifts b, gives the families of the scale coefficient spectra, and the compression-expansion W _ψ (a, b) f, determined by expression (1). The multidimensional time window of the wavelet transform makes it possible to equally well identify both low-frequency and high-frequency spectral components of the PPG with a simultaneous determination of their localization in time. Application of the method requires optimization of the choice of basis functions. The studies were carried out using basic Morlet wavelets (functions).

Важным моментом правильной интерпретации результатов спектрального анализа ФПГ сигнала является понимание функционирования микрососудов в области установки оптического сенсора. При проведении контурного анализа ФПГ сигнала лоцируемая область рассматривается однородной, в которой происходят изменения объема крови, связанные с прохождением пульсовой волны давления. Максимум объема крови приходится на момент систолы, при которой просвет артериальных сосудов увеличивается. Для анализа низкочастотных составляющих ФПГ сигнала необходимо знание функционирования системы микроциркуляции кожи в месте расположения сенсора.An important point in the correct interpretation of the results of spectral analysis of PPG signal is understanding the functioning of microvessels in the area of the optical sensor installation. When carrying out a contour analysis of the PPG signal, the target area is considered homogeneous, in which changes in blood volume occur, associated with the passage of the pressure pulse wave. The maximum blood volume occurs at the time of systole, at which the lumen of the arterial vessels increases. To analyze the low-frequency components of the PPG signal, it is necessary to know the functioning of the skin microcirculation system at the location of the sensor.

Учитывая микроструктуру сосудов кожи и длину волн красного и инфракрасного светодиодов, которые позволяют проникать в ткани на большую глубину (более 10 мм), следует, что в зондируемый объем попадают терминальные артериолы и метартериолы, капилляры, безмышечные посткапиллярные и собирательные венулы из обоих венозных сплетений, а также артериоло-венулярные анастомозы. Из всех микрососудов данной области, в своей структуре гладкомышечный компонент, с преимущественно гуморальным механизмом регуляции тонуса, имеют артериолы/метартериолы, а также артериоло-венулярные анастомозы, где доминирует нейрогенный механизм регуляции тонуса.Taking into account the microstructure of skin vessels and the wavelength of red and infrared LEDs, which allow penetration into tissues to a great depth (more than 10 mm), it follows that terminal arterioles and metarterioles, capillaries, muscleless postcapillary and collecting venules from both venous plexuses enter the volume being probed, as well as arterio-venular anastomoses. Of all the microvessels in this area, in its structure, the smooth muscle component, with a predominantly humoral mechanism for regulating tone, has arterioles / metarterioles, as well as arterio-venular anastomoses, where the neurogenic mechanism of tone regulation dominates.

Кровоток в системе микроциркуляции подвержен колебаниям, которые отражают текущее функциональное состояние систем его регуляции. Разнонаправленные влияния со стороны сердечно-сосудистой, дыхательной, нервной и других систем на состояние периферического кровотока отражаются в ритмической структуре колебаний кровотока.The blood flow in the microcirculation system is subject to fluctuations, which reflect the current functional state of its regulation systems. Multidirectional influences from the cardiovascular, respiratory, nervous and other systems on the state of peripheral blood flow are reflected in the rhythmic structure of blood flow fluctuations.

Среди звеньев регуляции выделяют «пассивные» и «активные» механизмы, которые в полосе частот от 0,01 до 2 Гц формируют пять неперекрывающихся частотных диапазонов: 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц - диапазон нейрогенной (симпатической адренергической) активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной (гладкомышечной) активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма. Регистрируемая форма ФПГ является результатом комбинации этих процессов, обусловленных одновременным функционированием «активных» и «пассивных» механизмов.Among the links of regulation are "passive" and "active" mechanisms, which in the frequency band from 0.01 to 2 Hz form five non-overlapping frequency ranges: 0.01-0.017 Hz - the range of endothelial activity; 0.023-0.046 Hz - the range of neurogenic (sympathetic adrenergic) activity; 0.06-0.15 Hz - the range of myogenic (smooth muscle) activity; 0.21-0.6 Hz - respiratory rate range; 0.7-1.6 Hz - cardiac rhythm range. The registered form of PPG is the result of a combination of these processes due to the simultaneous functioning of "active" and "passive" mechanisms.

К «пассивным» механизмам относят внешние факторы, находящиеся вне микроциркуляции, - пульсовая волна со стороны артерий (кардиальный ритм на «входе» в микроциркуляцию) и присасывающее действие «дыхательного насоса» со стороны вен (респираторный ритм на «выходе» из микроциркуляции). «Пассивные» механизмы создают продольные колебания кровотока, выражающиеся в периодическом изменении объема крови в микрососудистом ложе. «Активные» факторы воздействуют непосредственно на микрососуды путем периодического изменения сопротивления сосудов потоку крови посредством вазомоций. Данные факторы модулируют поток крови со стороны сосудистой стенки, создавая поперечные колебания, и реализуются через ее мышечную составляющую, являясь, таким образом, тонус-формирующими механизмами на уровне резистивного звена сосудистого русла. Вазомоций осуществляются не только за счет синхронизированных спонтанных осцилляций миогенных элементов сосудов, которые обладают собственной пейсмейкерной активностью, но и за счет их модуляции как со стороны симпатической нервной регуляции, так и эндотелий-зависимых механизмов.The "passive" mechanisms include external factors outside the microcirculation - a pulse wave from the side of the arteries (cardiac rhythm at the "entrance" to the microcirculation) and the suction action of the "breathing pump" from the veins (respiratory rhythm at the "exit" from the microcirculation). "Passive" mechanisms create longitudinal fluctuations in blood flow, which are expressed in a periodic change in blood volume in the microvascular bed. "Active" factors act directly on microvessels by periodically changing the resistance of blood vessels to blood flow through vasomotions. These factors modulate the blood flow from the side of the vascular wall, creating transverse vibrations, and are realized through its muscular component, thus being tone-forming mechanisms at the level of the resistive link of the vascular bed. Vasomotions are carried out not only due to synchronized spontaneous oscillations of the myogenic elements of the vessels, which have their own pacemaker activity, but also due to their modulation from both sympathetic nervous regulation and endothelium-dependent mechanisms.

В результате чередования сокращения и расслабления гладкомышечного аппарата сосудистой стенки происходит модулирование периодически изменяющегося объема крови, что, в конечном итоге, и формирует оптимальные микрогемодинамические параметры для эффективного транскапиллярного обмена. Увеличение амплитуды «активных» звеньев частотного спектра свидетельствует об усилении модуляции кровотока со стороны данных механизмов регуляции и расценивается как снижение тонуса. В норме, вклад каждого звена в суммарную спектральную мощность ФПГ сигнала приблизительно можно оценить следующим образом: эндотелиальный компонент ≈10%; нейрогенный ≈20%; миогенный ≈20%; респираторный ≈20%; кардиальный ≈30%. Здесь необходимо отметить, что эти соотношения соблюдаются при температуре окружающей среды 22-24С° и соответственно, «нормальной» температуры на поверхности кожи, колеблющейся в диапазоне 28-35С°. Это связано с тем, что кожа активно участвует в процессах терморегуляции организма.As a result of alternating contraction and relaxation of the smooth muscle apparatus of the vascular wall, the periodically changing blood volume is modulated, which ultimately forms the optimal microhemodynamic parameters for effective transcapillary metabolism. An increase in the amplitude of the "active" links of the frequency spectrum indicates an increase in the modulation of blood flow by these regulatory mechanisms and is regarded as a decrease in tone. Normally, the contribution of each link to the total spectral power of the PPG signal can be approximately estimated as follows: endothelial component ≈10%; neurogenic ≈20%; myogenic ≈20%; respiratory ≈20%; cardiac ≈30%. It should be noted here that these ratios are observed at an ambient temperature of 22-24C ° and, accordingly, a "normal" temperature on the skin surface, fluctuating in the range of 28-35C °. This is due to the fact that the skin is actively involved in the processes of thermoregulation of the body.

Анализ амплитудно-частотного спектра ФПГ сигнала с использованием математического аппарата вейвлет-преобразования позволяет оценивать изолированно вклад каждого звена микроциркуляции, принимающего участие в модуляции микрокровотока.Analysis of the amplitude-frequency spectrum of the PPG signal using the mathematical apparatus of the wavelet transform makes it possible to evaluate in isolation the contribution of each link of the microcirculation participating in the modulation of the microcirculation.

Для оценки состояния сосудов важно иметь представление о состоянии тонуса гладкомышечного слоя артериальной стенки, который определяется влиянием симпатической нервной системы. Артерии, артериолы и артериоло-венулярные анастомозы, имеющие мышечный слой в строении стенки, в отличие от капилляров, имеют двойную иннервацию: симпатическими норадренергическими вазоконстрикторными нервами и симпатическими вазодилататорными нервами. Сложная иннервация сосудов микроциркуляции объясняется также участием кровотока кожи в терморегуляции организма. Данный факт указывает на важность проведения теста, комплексной оценки состояния артериального русла, при температуре помещения 21-23С°, при которой нейрогенное влияние на результаты теста минимально.To assess the state of the vessels, it is important to have an idea of the state of the tone of the smooth muscle layer of the arterial wall, which is determined by the influence of the sympathetic nervous system. Arteries, arterioles, and arterio-venular anastomoses, which have a muscular layer in the structure of the wall, in contrast to capillaries, have double innervation: sympathetic noradrenergic vasoconstrictor nerves and sympathetic vasodilator nerves. The complex innervation of microcirculation vessels is also explained by the participation of skin blood flow in the thermoregulation of the body. This fact indicates the importance of the test, a comprehensive assessment of the state of the arterial bed, at a room temperature of 21-23C °, at which the neurogenic effect on the test results is minimal.

На результаты теста оценки артериального русла оказывает мощное влияние функция эндотелия. Эндотелиальные клетки продуцируют оксид азота, который влияет на тонус гладкомышечного слоя артериального русла и принимает участие в регуляции артериального давления. Эксперименты с веществами, которые блокируют синтез оксида азота, продемонстрировали сужение просвета артерий с одновременным повышением величин артериального давления. Также имеются убедительные данные о том, что продукты перекисного окисления, находящиеся в кровотоке, взаимодействуя с оксидом азота разрушают его и это приводит к опосредованному нарушению функции эндотелия.The results of the arterial bed assessment test are strongly influenced by endothelial function. Endothelial cells produce nitric oxide, which affects the tone of the smooth muscle layer of the arterial bed and takes part in the regulation of blood pressure. Experiments with substances that block the synthesis of nitric oxide have demonstrated a narrowing of the lumen of the arteries with a simultaneous increase in blood pressure values. There is also convincing evidence that the products of peroxidation in the bloodstream, interacting with nitric oxide, destroy it and this leads to an indirect impairment of endothelial function.

Состояние тонуса артериальной стенки также периодически меняется при вазомоций, связанной с волнами Майера, которые участвуют в регуляции артериального давления. При прохождении волн Майера артериальное давление кратковременно изменяется на 10-20 мм.рт.ст. Периодичность их возникновения колеблется от 10 до 20 секунд и оказывает мощное влияние на состояние артериальной стенки.The state of the tone of the arterial wall also periodically changes during vasomotion associated with Mayer waves, which are involved in the regulation of blood pressure. During the passage of Mayer's waves, blood pressure changes for a short time by 10-20 mm Hg. The frequency of their occurrence ranges from 10 to 20 seconds and has a powerful effect on the condition of the arterial wall.

Дыхание также оказывает свое влияние на тонус сосудов микроциркуляции. Это влияние связано с повышением внутригрудного давления во время вдоха, что приводит к снижению систолического выброса и соответственно артериального давления. Даже небольшого изменения артериального давления в пределах 3-5 мм.рт.ст. достаточно для изменения тонуса артериальной стенки.Breathing also influences the vascular tone of the microcirculation. This effect is associated with an increase in intrathoracic pressure during inspiration, which leads to a decrease in systolic output and, accordingly, blood pressure. Even a small change in blood pressure within 3-5 mm Hg. enough to change the tone of the arterial wall.

Перечисленные выше феномены, оказывая свое влияние на гладкомышечный тонус артериальной стенки, в большей или меньшей степени изменяют вязко-эластичные свойства артерий, что делают временные и амплитудные показатели ФПГ вариабельными во времени и трудно поддающимися учету. Попытки найти репрезентативную ФПГ кривую, свойственную данному индивидууму не увенчались успехом - вариабельность не позволяла это сделать. Использование подхода с усреднением по времени ФПГ сигнала, превышающим по времени периодичность дыхания и прохождения волн Майера (более 20 секунд) сопровождалось нивелированием диагностических особенностей.The phenomena listed above, exerting their influence on the smooth muscle tone of the arterial wall, to a greater or lesser extent change the viscoelastic properties of the arteries, which makes the temporal and amplitude indices of PPG variable in time and difficult to account for. Attempts to find a representative PPG curve characteristic of a given individual were unsuccessful - the variability did not allow it to be done. The use of the approach with the time averaging of the PPG signal exceeding in time the frequency of breathing and the passage of Mayer waves (more than 20 seconds) was accompanied by the leveling of diagnostic features.

Согласно современным взглядам на формирование артериальной гипертензии, период увеличения жесткости артериальной стенки предшествует моменту развития периода стойкого повышения артериального давления. У больных диабетом поражение микрососудистого русла почек, сетчатки глаза, нижних конечностей являются основными осложнениями этого заболевания. Наряду с возможностью проведения ранней диагностики этих заболеваний, контроль за эффективностью проводимой терапии не менее значим.According to modern views on the formation of arterial hypertension, the period of increased stiffness of the arterial wall precedes the development of a period of persistent increase in blood pressure. In diabetic patients, damage to the microvascular bed of the kidneys, retina, and lower extremities are the main complications of this disease. Along with the possibility of early diagnosis of these diseases, monitoring the effectiveness of the therapy is no less important.

Распространено представление о том, что ФПГ сигнал формируется в артериолах. В этом месте кровообращения происходит преобразование резко выраженного пульсирующего потока крови в относительно гладкое движение эритроцитов в капиллярах.It is widely believed that the PPG signal is generated in arterioles. In this place of blood circulation, a pronounced pulsating blood flow is converted into a relatively smooth movement of red blood cells in the capillaries.

Имеются также исследования, в которых обсуждается гипотеза формирования ФПГ сигнала в открытых артериоловенулярных анастомозах кожи. Важно также отметить особенность иннервации артериальной сети кожи пальца. Эта сосудистая область имеет большое число а-адренорецепторов, что делает ее чувствительной к повышению тонуса симпатической нервной системы.There are also studies that discuss the hypothesis of PPG signal formation in open arteriovenular skin anastomoses. It is also important to note the peculiarity of the innervation of the arterial network of the skin of the finger. This vascular area has a large number of α-adrenergic receptors, which makes it sensitive to an increase in the tone of the sympathetic nervous system.

ФПГ внешне сходна с пульсовой волной давления. В отличие от пульсовой волны давления, которую возможно зарегистрировать только инвазивно, размещая датчик давления непосредственно в просвете артерии, ФПГ позволяет получать информацию с помощью датчика, размещенного на поверхности кожи испытуемого.PPG is outwardly similar to a pulse pressure wave. In contrast to the pulse pressure wave, which can only be recorded invasively by placing a pressure sensor directly in the lumen of the artery, PPG allows information to be obtained using a sensor placed on the surface of the subject's skin.

Сигнал регистрируется либо в режиме прохождения фотонов через ткань от источника света к фотоприемнику, либо в режиме отражения - свет отражается от ткани назад в направление фотоприемника. Сенсор, работающий в режиме прохождения света, имеет лучшее соотношение сигнал/шум и наиболее часто используется в пульсоксиметрах. Отражательный сенсор имеет два основных достоинства: нет ограничений по месту установки, практически отсутствует сдавливание участка ткани. В тех случаях, когда необходимо мониторировать сигнал в течении длительного времени (наблюдение за пациентом в палате интенсивного наблюдения) отражательный сенсор имеет преимущества. В случаях кратковременных (несколько минут) измерений сенсоры, работающие в режиме прохождения света наиболее оптимальны. Амплитуда ФПГ сигнала, зарегистрированного в режиме прохождения, существенно нарастала, а амплитуда отраженного сигнала падала, при увеличении приложенного усилия в точке измерения. Это явление можно объяснить влиянием трансмурального давления на мелкие резистивные артерии. Отраженный сигнал формируется преимущественно артериями, располагающимися более поверхностно, в то время как сигнал с сенсора, работающего на прохождение, определяется артериальным руслом по всей глубине.The signal is registered either in the mode of passage of photons through the tissue from the light source to the photodetector, or in the reflection mode - light is reflected from the tissue back to the direction of the photodetector. The sensor operating in light transmission mode has the best signal-to-noise ratio and is most commonly used in pulse oximeters. The reflective sensor has two main advantages: there are no restrictions on the place of installation, there is practically no compression of the tissue area. In cases where it is necessary to monitor the signal for a long time (monitoring the patient in the intensive care unit), the reflective sensor has advantages. In cases of short-term (several minutes) measurements, sensors operating in the light transmission mode are most optimal. The amplitude of the PPG signal recorded in the transmission mode increased significantly, while the amplitude of the reflected signal decreased with an increase in the applied force at the measurement point. This phenomenon can be explained by the influence of transmural pressure on small resistive arteries. The reflected signal is formed predominantly by the arteries located more superficially, while the signal from the transmissive sensor is determined by the arterial bed along the entire depth.

Способ осуществляется с использованием устройства для комплексной оценки артериального русла, основанного на регистрации ФПГ сигнала с концевой фаланги пальца руки, включающего сенсорный блок (Фиг. 5), в состав которого входят два источника света и кремниевый фотоприемник, источники работают в красном (650-700 нм) и инфракрасном диапазоне (780-950 нм). В изобретении используются источники на 660 нм и 880 нм соответственно. Корпус устройства выполнен в виде прищепки. На одной стороне прищепки размещены источники света, на другой - фотоприемник. Как альтернативный вариант может использоваться устройство с размещением источника и фотоприемника на одной стороне прищепки. Использование таких длин волн источников позволяет зарегистрировать ФПГ и оценить насыщение гемоглобина кислородом.The method is carried out using a device for a comprehensive assessment of the arterial bed, based on the registration of PPG signal from the terminal phalanx of the finger, including a sensor unit (Fig. 5), which includes two light sources and a silicon photodetector, the sources operate in red (650-700 nm) and infrared range (780-950 nm). The invention uses sources at 660 nm and 880 nm, respectively. The body of the device is made in the form of a clothespin. There are light sources on one side of the clothespin, and a photodetector on the other. Alternatively, a device with the source and the photodetector on one side of the clothespin can be used. The use of such wavelengths of sources makes it possible to register PPGs and estimate the saturation of hemoglobin with oxygen.

В состав сенсорного блока включена схема компенсации внешней засветки, которая позволяет блокировать паразитный фототок величиной до 200 мкА. Аналого-цифровой преобразователь выполняет непрерывную дискретизацию, используя сигма-дельта конвертор с 18-битным разрешением. Скорость вывода данных запрограммирована в диапазоне 50-2000 выборок в секунду. Встроенный датчик температуры служит для подстройки величины тока красного светодиода, что компенсирует ошибки при измерении сатурации, возникающие при изменении температуры. Для управления светодиодами применяются драйверы, которые управляют как длительностью импульса, так и величиной тока в диапазоне от 0 до 50 мА. Сенсорный блок устройства включает средство для поддержания заданной температуры лоцируемого участка тела, выполненное в виде термостата, обеспечивающего постоянную температуру исследуемого участка тела на уровне 35°С. Устройство содержит датчик усилия, который измеряет усилие прижима оптопары к лоцируемого участку тела, прижим может регулироваться с помощью регулировочного винта по показаниям этого датчика.The sensor unit includes an external illumination compensation circuit, which allows blocking a parasitic photocurrent of up to 200 μA. The A / D converter performs continuous sampling using a sigma-delta converter with 18-bit resolution. The data output rate is programmed in the range of 50-2000 samples per second. The built-in temperature sensor is used to adjust the current value of the red LED, which compensates for errors in the saturation measurement that occur when the temperature changes. Drivers are used to control the LEDs, which control both the pulse duration and the current value in the range from 0 to 50 mA. The sensor unit of the device includes a means for maintaining a predetermined temperature of the located body area, made in the form of a thermostat that ensures a constant temperature of the investigated body area at 35 ° C. The device contains a force sensor that measures the pressing force of the optocoupler to the target area of the body, the clamp can be adjusted using an adjusting screw according to the readings of this sensor.

В ходе оценки состояние сосудистого русла проводят регистрацию сигнала сенсорного блока. Время регистрации определяют низкочастотным диапазоном колебаний кровотока в микрососудах кожи, равным 0,01 Гц, или периодом равным 100 секундам. Установлено, что для оптимального проведения вейвлет анализа необходимо 5 циклов с этим периодом, т.е. 500 сек, Фиг. 7.During the assessment of the state of the vascular bed, the signal of the sensor unit is recorded. The registration time is determined by the low-frequency range of fluctuations in blood flow in the microvessels of the skin, equal to 0.01 Hz, or a period equal to 100 seconds. It was found that for optimal wavelet analysis, 5 cycles with this period are required, i.e. 500 sec, Fig. 7.

Состояние артерий эластического типа оценивают с использованием разделения пульсовой волны на составляющие - прямую и отраженные волны. Полученные результаты обрабатывают микропроцессором. Для проведения контурного анализа пульсовой волны с целью выявления прямой и отраженных волн используют 4-ую производную исходного ФПГ сигнала. С этой целью проводят процедуру фильтрования Савицкого-Голея с окном равным 64 мс.Проведение контурного анализа ФПГ с использованием 4-ой производной, Фиг. 6, позволяет надежно определять прямую и отраженную волны и на основании их амплитуд и временного интервала между ними проводить оценку жесткости артериальной стенки. По полученным данным жесткости судят о состоянии крупных артерий.The condition of the elastic-type arteries is assessed using the division of the pulse wave into its components - direct and reflected waves. The results obtained are processed by a microprocessor. For the contour analysis of the pulse wave in order to identify the direct and reflected waves, the 4th derivative of the original PPG signal is used. For this purpose, a Savitsky-Golay filtering procedure is carried out with a window equal to 64 ms. Contour analysis of PPG using the 4th derivative, Fig. 6, makes it possible to reliably determine the direct and reflected waves and, based on their amplitudes and the time interval between them, to assess the stiffness of the arterial wall. According to the obtained stiffness data, the state of large arteries is judged.

Определяют временные интервалы между прямой и отраженной волной, а также амплитуды на всех пульсовых волнах. Зарегистрированный исходный ФПГ сигнал перед проведением вейвлет анализа дифференцируют с окном 64 мс при частоте оцифровки исходного сигнала 1000 Гц.The time intervals between the direct and reflected waves, as well as the amplitudes on all pulse waves, are determined. The recorded initial PPG signal is differentiated with a window of 64 ms before the wavelet analysis is carried out at a sampling frequency of the original signal of 1000 Hz.

Для проведения комплексного непрерывного вейвлет-преобразования используют базисный вейвлет Морле, Фиг. 8.To carry out a complex continuous wavelet transform, a basic Morlet wavelet is used, Fig. 8.

Физический смысл данной процедуры состоит в подавлении основной гармоники и увеличении энергии высокочастотных составляющих ФПГ сигнала.The physical meaning of this procedure is to suppress the fundamental harmonic and increase the energy of the high-frequency components of the PPG signal.

Проводят комплексное непрерывное вейвлет-преобразование регистрируемого ФПГ сигнала с использованием базисного вейвлета Морле и получением вейвлет-спектра. В вейвлет-спектре определяют расположение пиков мощности преобразованного ФПГ сигнала, по расположению пиков в частотных диапазонах, соответствующих определенному механизму регуляции, оценивают состояние сосудов микроциркуляции.A complex continuous wavelet transformation of the recorded PPG signal is carried out using the Morlet basic wavelet and obtaining a wavelet spectrum. In the wavelet spectrum, the location of the power peaks of the converted PPG signal is determined; by the location of the peaks in the frequency ranges corresponding to a certain regulatory mechanism, the state of the microcirculation vessels is assessed.

Стабилизацию температуры участка пальца руки осуществляют с помощью термостата, стабилизирующего температуру на уровне 35°С.Stabilization of the temperature of the part of the finger is carried out using a thermostat that stabilizes the temperature at 35 ° C.

Прижим излучателей и фотоприемника к пальцу осуществляют с помощью устройства, корпус которого выполнен в виде прищепки, и на котором с одной стороны прищепки размещены излучатели в виде источников света с длиной волны 650-700 нм и 780-950 нм, а с другой - фотоприемник, позволяющий регистрировать оптический сигнал в полосе частот 0-30 Гц.Pressing the emitters and the photodetector to the finger is carried out using a device, the body of which is made in the form of a clothespin, and on which, on one side of the clothespin, there are emitters in the form of light sources with a wavelength of 650-700 nm and 780-950 nm, and on the other - a photodetector, allowing to register an optical signal in the frequency range 0-30 Hz.

Облучение пальца руки оптическими сигналами проводят 500 сек. Для оценки микроциркуляторного русла используют следующие частотные диапазоны, учитывающие влияние механизмов регуляции, диапазон 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц нейрогенной или симпатической адренергической активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной или гладкомышечной активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма.Irradiation of a finger with optical signals is carried out for 500 seconds. To assess the microcirculatory bed, the following frequency ranges are used, taking into account the influence of regulatory mechanisms, the range 0.01-0.017 Hz is the range of endothelial activity; 0.023-0.046 Hz of neurogenic or sympathetic adrenergic activity; 0.06-0.15 Hz - the range of myogenic or smooth muscle activity; 0.21-0.6 Hz - respiratory rate range; 0.7-1.6 Hz - cardiac rhythm range.

Тонус гладкомышечного слоя артериальной стенки определяется влиянием симпатической нервной системы. Артерии, артериолы и артериовенозный анастомозы, имеющие мышечный слой в строении стенки, в отличие от капилляров, имеют двойную иннервацию: симпатическими норадренергическими вазоконстрикторными нервами и симпатическими вазодилататорными нервами. Сложная иннервация сосудов микроциркуляции объясняется также участием кровотока кожи в терморегуляции организма. Данный факт указывает на важность проведения теста комплексной оценки состояния артериального русла при температуре помещения 21-23С°, при которой нейрогенное влияние на результаты теста минимально.The tone of the smooth muscle layer of the arterial wall is determined by the influence of the sympathetic nervous system. Arteries, arterioles, and arteriovenous anastomoses, which have a muscular layer in the structure of the wall, in contrast to capillaries, have double innervation: sympathetic noradrenergic vasoconstrictor nerves and sympathetic vasodilator nerves. The complex innervation of microcirculation vessels is also explained by the participation of skin blood flow in the thermoregulation of the body. This fact indicates the importance of carrying out the test for a comprehensive assessment of the state of the arterial bed at a room temperature of 21-23 ° C, at which the neurogenic effect on the test results is minimal.

Функция эндотелия оказывает мощное влияние на результаты теста оценки артериального русла. Эндотелиальные клетки продуцируют оксид азота, который влияет на тонус гладкомышечного слоя артериального русла и принимает участие в регуляции артериального давления. Эксперименты с веществами, которые блокируют синтез оксида азота, продемонстрировали сужение просвета артерий с одновременным повышением величин артериального давления. Также имеются убедительные данные о том, что продукты перекисного окисления, находящиеся в кровотоке, взаимодействуя с оксидом азота разрушают его и это приводит к опосредованному нарушению функции эндотелия.Endothelial function has a powerful influence on the results of the arterial bed assessment test. Endothelial cells produce nitric oxide, which affects the tone of the smooth muscle layer of the arterial bed and takes part in the regulation of blood pressure. Experiments with substances that block the synthesis of nitric oxide have demonstrated a narrowing of the lumen of the arteries with a simultaneous increase in blood pressure values. There is also convincing evidence that the products of peroxidation in the bloodstream, interacting with nitric oxide, destroy it and this leads to an indirect impairment of endothelial function.

Состояние тонуса артериальной стенки периодически меняется при вазомоций, связанной с волнами Майера, которые участвуют в регуляции артериального давления. При прохождении волн Майера артериальное давление кратковременно изменяется на 10-20 мм.рт.ст. Периодичность их возникновения колеблется от 10 до 20 секунд и оказывает мощное влияние на состояние артериальной стенки.The state of the tone of the arterial wall periodically changes during vasomotions associated with Mayer's waves, which are involved in the regulation of blood pressure. During the passage of Mayer's waves, blood pressure changes for a short time by 10-20 mm Hg. The frequency of their occurrence ranges from 10 to 20 seconds and has a powerful effect on the condition of the arterial wall.

Дыхание также оказывает свое влияние на тонус сосудов микроциркуляции. Это влияние связано с повышением внутригрудного давления во время вдоха, что приводит к снижению систолического выброса и соответственно артериального давления. Даже небольшого изменения артериального давления в пределах 3-5 мм.рт.ст. достаточно для изменения тонуса артериальной стенки.Breathing also influences the vascular tone of the microcirculation. This effect is associated with an increase in intrathoracic pressure during inspiration, which leads to a decrease in systolic output and, accordingly, blood pressure. Even a small change in blood pressure within 3-5 mm Hg. enough to change the tone of the arterial wall.

Перечисленные выше феномены, оказывая свое влияние на гладкомышечный тонус артериальной стенки, в большей или меньшей степени изменяют вязко-эластичные свойства артерий.The above phenomena, exerting their influence on the smooth muscle tone of the arterial wall, to a greater or lesser extent change the visco-elastic properties of the arteries.

Изобретатели предложили для выявления феноменов, влияющих на состояние артериального русла, частотный анализ временного ряда пульсовых волн. Наиболее адекватным для такого сигнала является непрерывный вейвлет анализ ФПГ сигнала. Данный подход с успехом используется для оценки результатов лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ). В основе метода находится регистрация сигнала допплеровского сдвига частоты, пропорциональной скорости движения эритроцитов в микрососудистом русле кожи, освещенном монохроматическим излучением лазера в диапазоне красного или ближнего инфракрасного спектра. Использование вейвлет анализа для ЛДФ сигнала позволило перейти от практически описательного характера частоты и амплитуды «флаксов», к количественным характеристикам мощности спектра сигнала в диапазоне от 0,01 до 2,0 Гц. Данный подход к анализу сигнала позволил выявить несколько частотных диапазонов колебаний кровотока микроциркуляторного русла. При анализе индивидуальных вейвлет-спектров принадлежность колебаний к конкретному диапазону определяется по максимальной пиковой частоте.The inventors proposed frequency analysis of the time series of pulse waves to identify the phenomena that affect the state of the arterial bed. The most adequate for such a signal is continuous wavelet analysis of the PPG signal. This approach has been successfully used to evaluate the results of laser Doppler flowmetry (LDF). The method is based on the registration of a Doppler frequency shift signal proportional to the speed of movement of erythrocytes in the microvascular bed of the skin illuminated by monochromatic laser radiation in the red or near infrared range. The use of wavelet analysis for the LDF signal made it possible to move from a practically descriptive nature of the frequency and amplitude of "fluxes" to quantitative characteristics of the signal spectrum power in the range from 0.01 to 2.0 Hz. This approach to signal analysis made it possible to identify several frequency ranges of fluctuations in the blood flow of the microcirculatory bed. When analyzing individual wavelet spectra, the belonging of oscillations to a specific range is determined by the maximum peak frequency.

Следует отметить, что лазерные допплеровские флоуметры представляют собой крупногабаритные, дорогостоящие устройства, включающие монохроматический одномодовый лазер с оптоволоконным узлом доставки света к поверхности кожи и блоком регистрации допплеровского сдвига частот. Использование оптического волокна для регистрации допплеровского сдвига частот и его фиксация на поверхности подвержено воздействию помех, связанных с микроперемещениями зонда. Также необходимо указать на чрезмерно малый объем зондируемого объема кожного кровотока равного 1 мм³, что приводит к феномену пространственной гетерогенности, при котором две близко размещенные области зондирования дают сильно различающие мощности спектров. Малый размер объема зондирования может регистрировать гетерогенность плотности структур микроциркуляторного русла.It should be noted that laser Doppler flowmeters are large, expensive devices including a monochromatic single-mode laser with a fiber-optic unit for delivering light to the skin surface and a Doppler frequency shift recording unit. Using optical fiber to register the Doppler frequency shift and fixing it to the surface is susceptible to interference associated with micromovement of the probe. It is also necessary to point out the excessively small volume of the probed volume of cutaneous blood flow equal to 1 mm ³ , which leads to the phenomenon of spatial heterogeneity, in which two closely spaced probing regions give strongly differing spectral powers. The small size of the probing volume can record the heterogeneity of the density of the structures of the microvasculature.

Представленный способ проведения комплексной оценки состояния крпуных сосудов и микроциркуляторного русла основан на частотном анализе ФПГ сигнала. В течение 500 сек (или по меньшей мере 5 минут) проводится регистрация ФПГ сигнала. Это минимальное время необходимо для того, чтобы была возможность проводить корректную оценку самого низкочастотного сигнала равного 0,01 Гц. После чего, проводиться процедура дифференцирования исходного ФПГ сигнала. На Фиг. 7 показан исходный ФПГ сигнал (вверху) и его первая производная (внизу). После чего проводится вейвлет анализ с использованием базисного вейвлета, представленного на Фиг. 8.The presented method for a comprehensive assessment of the state of large vessels and microvasculature is based on the frequency analysis of the PPG signal. The FPG signal is recorded for 500 seconds (or at least 5 minutes). This minimum time is necessary in order to be able to correctly estimate the lowest frequency signal equal to 0.01 Hz. After that, the procedure for differentiating the initial PPG signal is carried out. FIG. 7 shows the original PPG signal (top) and its first derivative (bottom). After that, a wavelet analysis is performed using the basic wavelet shown in FIG. 8.

Примеры осуществления изобретенияExamples of implementation of the invention

Пример 1Example 1

Для проверки эффективности работы данного вейвлета, был сгенерирован сигнал, состоящий из комбинации частот 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц. Результаты анализа представлены на Фиг. 9. Для проверки алгоритма работы устройства по разделению частот на составляющие с помощью генератора частот был создан искусственный сигнал, состоящий из комбинации частот 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц. После чего он был подан на вход устройство. Результаты анализа представлены на Фиг. 9.To test the efficiency of this wavelet, a signal was generated consisting of a combination of frequencies of 0.05 Hz, 0.1 Hz, 0.15 Hz and 0.2 Hz. The analysis results are shown in FIG. 9. To check the operation algorithm of the device for dividing frequencies into components using a frequency generator, an artificial signal was created, consisting of a combination of frequencies of 0.05 Hz, 0.1 Hz, 0.15 Hz and 0.2 Hz. After which it was fed to the input device. The analysis results are shown in FIG. nine.

Пример 2Example 2

На Фиг. 8 представлен сигнал, зарегистрированный с концевой фаланги указательного пальца правой руки здорового испытуемого. Максимум мощности спектра приходится на область частотного диапазона, определяемой респираторной активностью с пиковой частотой равной 0,38 Гц. Пик с частотой 0,055 Гц соответствует колебаниям кровотока пептидэргического генеза. Высокоамплитудные осцилляции в частотном диапазоне 0,047-0,069 Гц, как правило, сосуществуют с ритмами эндотелиального диапазона 0,01-0,02 Гц, что мы наблюдаем на этом графике амплитудно-частотного спектра. Максимум амплитуды частоты эндотелиального ритма приходится на 0,017 Гц. При такой комбинации частот, отмечается снижение осцилляций симпатического генеза частотой 0,02-0,046 Гц. Присутствие на данном спектре полосы частот с максимумом 0,091 Гц, что соответствует собственно миогенной активности.FIG. 8 shows the signal recorded from the end phalanx of the index finger of the right hand of a healthy subject. The maximum power of the spectrum falls on the region of the frequency range determined by respiratory activity with a peak frequency of 0.38 Hz. The peak with a frequency of 0.055 Hz corresponds to fluctuations in the blood flow of peptidergic genesis. High-amplitude oscillations in the frequency range of 0.047-0.069 Hz, as a rule, coexist with the rhythms of the endothelial range of 0.01-0.02 Hz, which we observe in this graph of the amplitude-frequency spectrum. The maximum amplitude of the frequency of the endothelial rhythm is at 0.017 Hz. With such a combination of frequencies, there is a decrease in oscillations of sympathetic genesis with a frequency of 0.02-0.046 Hz. The presence in this spectrum of a frequency band with a maximum of 0.091 Hz, which corresponds to the actual myogenic activity.

С позиций физиологической значимости известно, что вазомоции служат фактором снижения сопротивления микрососудов, в том числе прекапилляров. Они способствуют улучшению транспорта кислорода в ткани, который может происходить и на прекапиллярном уровне.From the standpoint of physiological significance, it is known that vasomotions are a factor in reducing the resistance of microvessels, including precapillaries. They contribute to the improvement of oxygen transport in the tissue, which can also occur at the precapillary level.

Пример 3Example 3

На Фиг. 10 представлен амплитудно-частотный спектр, соответствующий физиологической ситуации, когда происходит снижение давления в капиллярном русле, увеличивается диаметр артериол, снижается прекапиллярное сопротивление, но наряду с этим происходит сужение вен, увеличивается посткапиллярное сопротивление, а также снижается поток через артериоло-венулярный анастомоз (Фиг. 11). Такая картина имеет место в начальной стадии сердечной недостаточности.FIG. 10 shows the amplitude-frequency spectrum corresponding to the physiological situation, when the pressure in the capillary bed decreases, the diameter of the arterioles increases, the precapillary resistance decreases, but along with this, the veins narrow, the postcapillary resistance increases, and the flow through the arterio-venular anastomosis also decreases (Fig. . eleven). This picture takes place in the initial stage of heart failure.

Пример 4Example 4

На Фиг. 12 приведен амплитудно-частотный спектр, на котором присутствует один максимум с частотой 0,36 Гц, который соответствует респираторной активности. Этот спектр зарегистрирован у молодого пациента в начальной стадии гипертонической болезни. Наличие практически одного пика в респираторном диапазоне, простирающимся от 0,2 до 0,4 Гц, свидетельствует о преимуществе осцилляций кровотока, которые распространяются со стороны оттока крови и регистрируются в венулах. Увеличенная амплитуда осцилляций в этом диапазоне свидетельствует об увеличение капиллярного давления, сужении просвета артериол, что сопровождается ростом прекапиллярного сопротивления (Фиг. 13). При этом наряду с увеличением диаметра вен, происходит увеличение кровотока через артериоло-венулярный анастомоз.FIG. 12 shows the amplitude-frequency spectrum, in which there is one maximum with a frequency of 0.36 Hz, which corresponds to respiratory activity. This spectrum was registered in a young patient at the initial stage of hypertension. The presence of practically one peak in the respiratory range, extending from 0.2 to 0.4 Hz, indicates the advantage of blood flow oscillations, which propagate from the side of the blood outflow and are recorded in the venules. The increased amplitude of oscillations in this range indicates an increase in capillary pressure, narrowing of the lumen of arterioles, which is accompanied by an increase in precapillary resistance (Fig. 13). In this case, along with an increase in the diameter of the veins, there is an increase in blood flow through the arteriovenular anastomosis.

На Фиг. 14 показан экран монитора с результатами оценки микроциркуляторного русла в более наглядной и удобной для работы диагноста форме.FIG. 14 shows the monitor screen with the results of the assessment of the microvasculature in a more visual and convenient form for the diagnostician.

Представленный способ имеет следующие преимущества:The presented method has the following advantages:

- позволяет оценить состояние крупных сосудов и микроциркуляторного русла,- allows you to assess the state of large vessels and microvasculature,

- способствует ранней диагностике гипертонической болезни и сердечной недостаточности,- contributes to early diagnosis of hypertension and heart failure,

- позволяет оценить эффективность проводимой терапии, являясь простым, доступным, непродолжительным и мало затратным,- allows you to evaluate the effectiveness of the therapy, being simple, affordable, short-lived and low cost,

- позволяет точно определить параметры прямого и отраженного сигналов, и точно определить жесткость артерий,- allows you to accurately determine the parameters of direct and reflected signals, and accurately determine the stiffness of the arteries,

- применим при обследовании широких слоев населения.- applicable when examining the general population.

Claims (11)

1. Способ комплексной оценки состояния артериального русла, заключающийся в том, что участок пальца руки облучают световым сигналом красного и инфракрасного диапазона длин волн, отличающийся тем, что1. A method for a comprehensive assessment of the state of the arterial bed, which consists in the fact that a portion of a finger is irradiated with a light signal of the red and infrared wavelength range, characterized in that предварительно стабилизируют температуру окружающей среды и температуру участка пальца руки, на котором будет проводиться регистрация, и регулируют прижим излучателей и фотоприемника к пальцу,preliminarily stabilize the ambient temperature and the temperature of the finger section on which the registration will be carried out, and regulate the pressing of the emitters and the photodetector to the finger, регистрируют фотоплетизмографический (ФПГ) сигнал в течение не менее 5 минут,record a photoplethysmographic (PPG) signal for at least 5 minutes, проводят контурный анализ ФПГ сигнала, для этого фильтруют сигнал методом Савицкого-Голея с шириной окна 64 мс и получают четвертую производную сигнала,a contour analysis of the PPG signal is carried out, for this the signal is filtered by the Savitsky-Golay method with a window width of 64 ms and the fourth derivative of the signal is obtained, выявляют прямую и отраженную от стенки артерии волны ФПГ сигнала и определяют жесткость артериальной стенки на основании временного интервала между прямой и отраженной волнами и на основании их амплитуд,direct and reflected from the wall of the artery PPG signal waves are detected and the stiffness of the arterial wall is determined based on the time interval between the direct and reflected waves and based on their amplitudes, проводят комплексное непрерывное вейвлет-преобразование ФПГ сигнала с использованием базисного вейвлета Морле и получением вейвлет-спектра,carry out a complex continuous wavelet transformation of the PPG signal using the Morlet basic wavelet and obtaining a wavelet spectrum, в вейвлет-спектре определяют расположение пиков мощности ФПГ сигнала, и по расположению пиков в частотных диапазонах, соответствующих механизму регуляции тонуса микрососудов, оценивают состояние микроциркуляторного русла.in the wavelet spectrum, the location of the peaks of the PPG signal power is determined, and the state of the microvasculature is assessed by the location of the peaks in the frequency ranges corresponding to the mechanism of regulation of the tone of microvessels. 2. Способ по п. 1, в котором стабилизацию температуры участка пальца руки осуществляют с помощью термостата, стабилизирующего температуру на уровне 35°С.2. The method according to claim 1, wherein the temperature stabilization of the finger portion is performed using a thermostat that stabilizes the temperature at 35 ° C. 3. Способ по п. 1, в котором стабилизацию температуры окружающей среды осуществляют на уровне на уровне 22-24°С.3. The method according to claim 1, wherein the ambient temperature is stabilized at a level of 22-24 ° C. 4. Способ по п. 1, в котором прижим излучателей и фотоприемника к пальцу осуществляют с помощью устройства, корпус которого выполнен в виде прищепки, при этом с одной стороны прищепки размещены излучатели, а с другой - фотоприемник.4. The method according to claim 1, in which the pressing of the emitters and the photodetector to the finger is carried out using a device, the body of which is made in the form of a clothespin, while on one side of the clothespin there are emitters, and on the other - a photodetector. 5. Способ по п. 1, в котором используют следующие частотные диапазоны колебаний кровотока микроциркуляторного русла, учитывающие влияние механизмов регуляции: 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц - диапазон нейрогенной или симпатической адренергической активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной или гладкомышечной активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма.5. The method according to p. 1, which uses the following frequency ranges of fluctuations in the blood flow of the microvasculature, taking into account the influence of regulation mechanisms: 0.01-0.017 Hz - the range of endothelial activity; 0.023-0.046 Hz - the range of neurogenic or sympathetic adrenergic activity; 0.06-0.15 Hz - the range of myogenic or smooth muscle activity; 0.21-0.6 Hz - respiratory rate range; 0.7-1.6 Hz - cardiac rhythm range.

Images