Введение

Разработка отечественных инновационных методов исследования и их внедрение в практическое здравоохранение для увеличения качества и доступности медицинской помощи, в том числе высокотехнологичной, обеспечивающей сохранение здоровья и повышение качества жизни населения, является одной из наиболее приоритетных задач отечественного здравоохранения.

Последние достижения современной науки в развитии компьютерных технологий и микроэлектроники привели к значительному увеличению возможностей функциональной диагностики. Примером может служить метод бесконтактной фотоплетизмографии (ФПГ). Возможность применения метода функциональной диагностики, интегрированного в мобильное устройство, не требующего дополнительных датчиков и стационарных условий для измерения, представляет большой интерес для формирования персонализированной, пациент-центрированной медицины и ее использования в различных клинических ситуациях [1, 2].

Цель описательного обзора — актуализировать представления об инновационной трансформации метода ФПГ (дистанционной версии) и представить возможные варианты его применения в реальной клинической практике.

Поиск информации проведен в электронных библиографических базах биомедицинских исследований PubMed, РИНЦ, КиберЛенинка. Проанализировано 514 источников литературы за период 2003—2023 гг. Поиск осуществлялся по ключевым словам: «веб-капиллярография», «веб-фотоплетизмография», «визуализирующая фотоплетизмография», «анализ видеоизображений лица», «pulse wave extraction», «remote photoplethysmography» и включал систематические обзоры, опубликованные и неопубликованные описания рандомизированных контролируемых исследований и репрезентативных контролируемых наблюдательных исследований, в которых сообщалось о скорректированных оценках эффекта. По результатам поиска отобрано 38 источников литературы, соответствующих указанным критериям.

Исторические предпосылки появления дистанционной фотоплетизмографии

Впервые метод ФПГ описал A. Hertzman в 1938 г., отметивший изменение потока света в красном и инфракрасном диапазонах после прохождения его через живую ткань. Автор установил, что кривая пульсации света, полученная с помощью фотопреобразователя, коррелирует с пульсацией крови в микрососудах. Суть метода состоит в том, что кровь отличается от остальной ткани своей оптической плотностью. Это отличие приводит к изменению интенсивности проходящего через этот участок света. На основе данного явления с помощью преобразователя строится график, отражающий пульсацию крови в сосуде [3].

Дальнейшие исследования привели к открытию в 1975 г. T. Aoyagi и соавт. пульсоксиметрии — простого и неинвазивного метода измерения оксигенации крови, который в настоящее время широко используется в клинической практике врачами по всему миру [4].

Бурное развитие микроэлектроники во второй половине XX века способствовало дальнейшей трансформации метода. С 1996 г. начались исследования возможностей проведения ФПГ с применением видеокамеры. Представлены результаты измерений сатурации крови, первые измерения двухмерного сигнала ФПГ на основе анализа видеоизображения кожи лица, измерение частоты сердечных сокращений (ЧСС) методом слепого разделения источников с помощью независимого компонентного анализа [5]. Последующий переход от громоздких видеокамер и источников освещения к веб-камерам ноутбуков и телефонов стал предпосылкой для дальнейшего использования метода дистанционной ФПГ в качестве скринингового [6].

Многие проблемы, связанные с ограничениями традиционной ФПГ, решает ее дистанционная версия, которая сосредоточена на анализе видеоизображений. Бесконтактная методика возможна при суточном мониторинге в различных условиях, позволяет проводить оценку таких показателей, как компенсация движений во время тренировки [7], отслеживание показателей нескольких человек [8] и анализ пространственной перфузии [9]. При этом нет необходимости в дополнительном оборудовании. Особо эффективными являются измерения, проведенные в зеленом спектре световых излучений, нежели в синем или красном [10]. Сравнительная характеристика контактной и дистанционной ФПГ представлена в таблице.

Сравнительная характеристика контактной и дистанционной фотоплетизмографии

Внешние факторы, такие как освещение, тень и микродвижения, создают многочисленные артефакты или шумы, достоверно снижающие точность результатов, полученных при применении дистанционной ФПГ. Нивелировать их влияние позволил переход от применения классического преобразования Фурье к вейвлет-анализу. Он основан на разложении сигнала функции, локализованной по времени и частоте, что позволяет воспринимать время и частоту как независимые переменные. Подобный подход повышает достоверность оценки характеристик объектов, постоянно меняющихся во времени [11].

Опыт применения дистанционной фотоплетизмографии в кардиологии

ФПГ — это оптический метод изучения плотности ткани и определения объема крови в микрососудистом русле [12]. В первую очередь ФПГ представляет большой интерес для применения у пациентов с различными заболеваниями сердечно-сосудистой системы (ССС). Для выполнения большинства методов измерения функций жизнедеятельности организма человека требуется много дополнительных устройств, комплектаций или обновлений. Это является большим минусом при их использовании в течение нескольких часов или суток. Применение ФПГ чаще всего осуществимо с помощью уже имеющегося оборудования и дополнительного приложения на личном мобильном устройстве пациента [13].

Нарушения ритма вносят большой вклад в смертность пациентов с болезнями системы кровообращения, влияя на количество сердечно-сосудистых осложнений. В связи с этим внедрение методик, обеспечивающих раннюю диагностику новых эпизодов аритмий, представляется важной клинической задачей. Применение ФПГ дает возможность регистрировать нарушения ритма с помощью устройств, широко распространенных в обществе. Технология регистрации пульсовой волны с кончиков пальцев или мочки уха совместима со смартфонами, планшетами или ноутбуками. Современные методы анализа регистрируемых данных позволяют избегать влияния внешних факторов на результаты, делая их достоверность выше, чем при использовании носимых датчиков электрокардиографии (ЭКГ) [14]. В 2019 г. M. Perez и соавт. проведено исследование возможности применения приложения Apple Heart Study для выявления изменений сердечного ритма методом ФПГ с помощью «умных» часов. В исследовании приняли участие более 400 тыс. человек. В результате более 80% случаев выявления нерегулярного ритма и фибрилляции предсердий (ФП) с помощью ФПГ, интегрированной в «умные» часы, подтверждено при последующей регистрации ЭКГ носимыми датчиками. Это доказывает высокую степень корреляции между данными ФПГ и носимых датчиков ЭКГ при диагностике эпизодов ФП [15].

Приложения для смартфонов на базе ФПГ являются многообещающими инструментами для раннего выявления аритмий и последующего наблюдения за ними, что показано в исследовании M. Lamberigts и соавт. [16], целью которого были использование приложения для смартфонов на базе ФПГ для получения более полного представления о распространенности ФП и других нарушений ритма при выписке домой после кардиохирургической операции и оценка внедрения этого приложения в рутинную клиническую помощь. В этом проспективном одноцентровом исследовании пациентов, выписывающихся из стационара после операции на сердце, просили регистрировать свой сердечный ритм 3 раза в день с помощью приложения на основе ФПГ в течение 30 или 60 дней. Авторы включили в исследование 24 пациентов (средний возраст 60,2 года, 65% мужчин), перенесших аортокоронарное шунтирование и/или операцию на клапане. Во время госпитализации у 39% пациентов наблюдалась послеоперационная ФП. После выписки приложение на основе ФПГ сообщило о ФП или трепетании у 5 пациентов. Сообщение о трепетании у 1 пациента явилось ложноположительным результатом, поскольку приложение выявило атриовентрикулярную блокаду 2-й степени 2:1 как показание к установке постоянного кардиостимулятора. ФП подтверждена у 4 (17%) пациентов и, что интересно, связана с основным послеоперационным осложнением у 2 участников (пневмония n=1, тампонада перикарда n=1). Значительное увеличение доли измерений, указывающих на синусовый ритм, наблюдалось при сравнении данных 1-го и 2-го месяцев наблюдения (p=0,001). На 2-м месяце наблюдения соответствие было значительно ниже — 2,2 измерения в день по сравнению с 3,0 измерениями в день в течение 1-го месяца (p=0,002). Большинство (74%) участников, а также опрошенные врачи первичного звена высказали положительное мнение от использования приложения, поскольку чувствовали себя более вовлеченными в послеоперационную реабилитацию. Авторы пришли к выводу, что внедрение технологии ФПГ на базе смартфона позволяет выявлять ФП и другие связанные с ритмом осложнения после кардиохирургических вмешательств. Связь между выявлением ФП и основным осложнением обнаружена у 2 пациентов. Таким образом, технология ФПГ на базе смартфона может дополнять реабилитацию после кардиохирургических вмешательств, выступая в качестве сигнализатора основных осложнений, связанных с ритмом сердца.

Большинство заболеваний сердца сопровождается изменением ЧСС и ее колебаний при нагрузке и в покое. В 2017 г. M. Alafeef разработал приложение для смартфона, позволяющее регистрировать ЧСС по видеозаписи с кончика пальца. Система производит обработку полученного с камеры смартфона видео и с помощью ФПГ отраженного света производит анализ полученного сигнала. В испытании приняли участие 19 пациентов, а точность метода составила 99,7% по сравнению с фактической ЧСС. В ходе исследования установлено, что приложение позволяет эффективно контролировать работу сердца в течение суток, а также проводить регистрацию степени изменения ЧСС при нагрузке и скорость ее восстановления в покое. Данные показатели являются высокоинформативными для оценки состояния ССС [17].

Еще одним способом регистрации ЧСС с помощью дистанционной ФПГ является анализ изображения видеозаписи лица пациента. В рамках исследования, выполненного И.П. Семчуком и соавт., проведен анализ эффективности методов выделения областей интереса на лице для последующей ФПГ. В результате исследования доказано, что наибольшая точность результатов достигалась при применении алгоритма независимого анализа отдельных участков лица. Самая высокая эффективность измерений достигалась при изучении средней трети лица, в частности подглазничной области, носогубной складки и верхней части ротовой области [18].

Точность бесконтактной ФПГ является наиболее важной проблемой метода. Наличие большого количества микродвижений пациента, несистематизированного сочетания релевантных (пульсирующих или несущих информацию) и нерелевантных пикселей снижает информативность анализа. Один из вариантов решения данной проблемы предложили в 2016 г. Z. Marcinkevics и соавт. с помощью системы слияния сигналов FusionPPG. В данной системе используются метод наименьших квадратов и новая вероятная модель пульсации, включающая спектральные и пространственные формы сигнала для получения характеристик пульсации в анализируемом видеоряде. В ходе проведенного исследования группы из 24 человек полученные данные были недостоверными у 1 участника с самым высоким содержанием жира в организме. Выявлено, что наличие складок и толстых слоев ткани является препятствием для применения все трех методов исследования. ЧСС и форма пульса, полученные с использованием системы FusionPPG, показали высокую степень корреляции с эталонными измерениями контактными методами и были статистически более точными, чем методы сравнения FaceMeanPPG (p<0,001) и DistancePPG (p<0,001). Ограничением для применения данного метода стало процентное содержание жировой ткани в теле пациента. Таким образом, модель FusionPPG является высокоперспективной для выявления различных ССЗ и проведения длительного мониторинга в амбулаторных условиях [19].

E. Jonathan и M. Leahy представили результаты исследования визуализации посредством ФПГ с отражением видимого света с помощью мобильного сотового телефона, работающего в режиме видеоизображения. Компоненты сигнала ФПГ около 0,1 Гц, относящиеся к симпатическому компоненту ЧСС, 1 Гц как истинная ЧСС и 2 Гц как гармоника высокого порядка ЧСС количественно определены на указательном пальце здорового добровольца. Зеленый канал сообщал о сигналах ФПГ по всей исследуемой области. Синий и красный каналы передавали информацию, но уровень сигнала сильно зависел от местоположения. Результаты, полученные с использованием сотового телефона в качестве устройства сбора данных, обнадеживают, особенно в широком контексте персонального или домашнего ухода и роли технологии сотовых телефонов в медицинской визуализации [20].

Возможности дистанционной фотоплетизмографии в неврологии

Важное преимущество бесконтактной ФПГ перед контактными датчиками заключается в более обширных диагностических возможностях. Одним из информативных показателей жизнеспособности коры головного мозга является церебральная гемодинамика. Исследование возможности применения дистанционной ФПГ для ее оценки проведено в 2019 г. О.А. Любашиной и соавт. Исследование проводилось на самцах крыс на открытом мозге с рассеченной и нерассеченной твердой мозговой оболочкой. Одновременно проводились измерение ЭКГ, уровня системного АД на бедренной артерии и анализ видеоизображения мозга в зеленом световом спектре при соматических и висцеральных болевых импульсах посредством дистанционной ФПГ. Установлено, что амплитуда пульсирующего компонента сигнала ФПГ коррелирует с изменением тонуса сосудов головного мозга. Полученные результаты показали высокую точность показателей при применении бесконтактной ФПГ с транскраниальной ультразвуковой допплерографией, ПЭТ и другими эталонными методами оценки церебральной гемодинамики. Важным преимуществом дистанционной ФПГ стало отсутствие необходимости в дорогом и громоздком оборудовании, которое значительно снижает возможность применения перечисленных методов в рутинной исследовательской и клинической практике. Дистанционная ФПГ может стать эффективным способом мониторинга церебральной гемодинамики при нейрохирургических вмешательствах, а также важным диагностическим методом при заболеваниях, сопровождающихся хроническим болевым синдромом [21]. Более того, дальнейшее изучение перфузии головы показало высокую степень корреляции между кровоснабжением области лица и мигренью. Так, у пациентов без патологии и головной боли кровь синхронно поступает к обеим половинам лица. Однако у людей с мигренью и даже у людей с семейным анамнезом данного заболевания наблюдаются возрастание амплитуды перфузионных волн, возникновение поперечных волн и латеральный тип кровоснабжения. Выявление асинхронной перфузии лица при дальнейшем изучении может не только улучшить наше понимание патофизиологии мигрени, но и стать легкодоступным маркером данного заболевания [22].

Перспективы применения дистанционной фотоплетизмографии в пульмонологии

Эффективна бесконтактная ФПГ при заболеваниях дыхательной системы. В 2003 г. в проведенном A. Johansson исследовании доказана возможность точной оценки частоты дыхания (ЧД) и насыщения крови кислородом с помощью контактной ФПГ. Производились извлечение дыхательной синусовой аритмии, амплитуды модуляции сердечного пульса и изменение интенсивности дыхательного импульса из сигнала ФПГ. В ходе проведенного исследования разработана и оценена эффективность нейронной сети для выявления ЧСС и сатурации крови при проведении анализа сигнала ФПГ. Компонентом, передающим наиболее точную информацию о функции дыхания, стала амплитуда дыхательного пульса, при котором частота ошибок составила 9,9%. Применение нейронной сети и объединение информации всех изучаемых компонентов сигнала ФПГ лишь немного снизили данный показатель до 9,5—9,6% [23]. В дальнейшем во французской университетской больнице Nancy проведено исследование применения дистанционной ФПГ для оценки функции дыхания на 1045 участниках. Результаты показали высокий доверительный интервал 95%, а погрешность измерений составила ±6,9 промилле. Доказано также, что записи продолжительностью 30 с достаточно для эффективной оценки интервала RR и получения достоверных результатов. Таким образом, выявлено, что данный метод может быть применен для диагностики болезней дыхательной системы, таких как бронхиальная астма или хроническая обструктивная болезнь легких, а также при выполнении измерений немедицинскими работниками и при проведении телемедицинских консультаций [24].

Датчики ФПГ все чаще используются для дистанционного мониторинга пациентов, что было особенно важным во время пандемии COVID-19, а также для лечения хронических заболеваний и неврологических расстройств. В недавнем систематическом обзоре рассматриваются современные области применения носимых датчиков ФПГ с акцентом на исследования, в которых эти датчики использовались для мониторинга различных параметров здоровья [25]. Основная цель обзора заключалась в выявлении точности датчиков ФПГ как в реальных условиях, так и в условиях клиники. Авторы отобрали следующие параметры здоровья и нарушения: ЧСС, вариабельность сердечного ритма, наличие ФП, уровень артериального давления (АД), обструктивное апноэ во сне, уровень глюкозы в крови, сердечную недостаточность и ЧД. Выполнен обзор используемых алгоритмов и их ограничений. Авторы пришли к выводу, что некоторые из барьеров, выявленных при оценке точности нескольких типов носимых устройств, включают отсутствие стандартных показателей точности и общую нехватку исследований с большим объемом объектов в реальных условиях, особенно для таких параметров, как АД, что означает необходимость дальнейшего изучения проблемы применения дистанционной ФПГ.

Иные возможности дистанционной фотоплетизмографии в клинической практике

Падающий непрерывный свет может отражаться от поверхности кожи, а также проникать в ее эпидермальный и дермальный слои, где может поглощаться и/или рассеиваться. Часть отраженных фотонов проходит через дермальный слой кожи, в котором объем артериальной крови периодически изменяется с приходом каждого ударного объема сердца. Как следствие, также изменяется общее поглощение крови с каждым сердечным сокращением и модулируется интенсивность рассеянного назад света. Регистрируемый сигнал так называемой ремиссионной ФПГ содержит относительно стабильную составляющую постоянного тока, определяемую поглощением «статических» структур кожи, и пульсирующую составляющую переменного тока, вызванную периодически изменяющимся всасыванием в кровь [26]. Пульсирующие сигналы ФПГ могут быть обнаружены не только с помощью специально разработанных кожных контактных зондов [27], но и дистанционно, например с помощью видеоизображения кожи с последующей обработкой сигнала [28]. Этот метод называется ФПГ-визуализацией, или удаленной ФПГ. Захваченные видеосигналы состоят из нескольких кадров изображения, снятых с определенной частотой кадров, например 20 кадров в 1 с. Следовательно, в течение одного цикла сердечной деятельности (~1 с) получается 20 изображений кожи, каждое в разной фазе подкожной пульсовой волны. При сравнении последовательных кадров интенсивность передаваемого кожей света, обнаруживаемая в фиксированной области, увеличивается и уменьшается со временем, формируя периодический сигнал ФПГ. Специальное программное обеспечение позволяет извлекать артериальные пульсации из видеосигнала по всей изображаемой области кожи. Амплитуда пиков ФПГ может отличаться в разных пикселях изображения из-за разницы кровенаполнения тканей кожи — особенно при ожогах или другом повреждении кожного покрова. После обработки изображений могут быть построены параметрические карты распределения амплитуды сигнала ФПГ.

Недавно представлена работа, обобщающая результаты измерения показателей жизнедеятельности путем дистанционной ФПГ с программным обеспечением Lifelight, включающей обсервационные исследования VISION-D и VISION-V. Целью исследования послужило сравнение показателей жизнедеятельности, полученных с помощью Lifelight, и стандарта оказания медицинской помощи. Авторы измеряли уровень АД, частоту пульса (ЧП) и ЧД одновременно с применением Lifelight, сфигмоманометра (АД и ЧП) и выполняли ручной подсчет ЧД. Целевые показатели точности для каждого метода определены на основе систематического обзора литературы о производительности самых современных технологий измерения жизненно важных показателей. Набор данных VISION-D (17 233 измерения от 8585 участников) соответствовал целевым показателям точности для ЧД (средняя ошибка 0,3, SD 3,6 по сравнению с целевой средней ошибкой 2,3, SD 5,0; n=7462), ЧП (средняя ошибка 0,3, SD 4,0 по сравнению со средней ошибкой 2,2, SD 9,2; n=10 214), уровня диастолического АД (средняя ошибка —0,4, SD 8,5 по сравнению со средней ошибкой 5,5, SD 8,9; n=8951). Цвет кожи не влиял на точность. Набор данных VISION-V (679 измерений от 127 участников) соответствовал всем стандартам: средняя погрешность 0,1, SD 3,4 для ЧД; средняя погрешность 1,4, SD 3,8 для ЧП; средняя погрешность 2,8, SD 14,5 для уровня систолического АД; и средняя погрешность –0,3, SD 7,0 для уровня диастолического АД. Авторы сделали вывод, что разработка Lifelight демонстрирует достаточную точность измерения жизненно важных показателей. Поскольку использование Lifelight не требует специальной подготовки или оборудования, программное обеспечение потенциально полезно для бесконтактного измерения основных показателей здоровья неклиническим персоналом в стационарах и учреждениях по уходу на дому [29].

Заключение

Простота в использовании, низкая стоимость, возможность применения самими пациентами в различных условиях, развитие компьютерных технологий, повышающих точность измерений, делают дистанционную ФПГ сопоставимой с контактным вариантом метода исследования. Доказана зависимость между точностью и анализируемой областью тела человека. Открываются большие перспективы в исследовании возможности оценки отдельных анатомических областей для получения показателей функций организма человека. Создается все больше различных систем, позволяющих нивелировать главный недостаток метода — влияние внешних факторов.

Доказана возможность применения дистанционной фотоплетизмографии при большинстве заболеваний сердечно-сосудистой системы. Данный метод представляет особый интерес при аритмиях, например при ФП. Исследована возможность применения дистанционной ФПГ при нарушениях проведения и анализа висцеральных и соматических болевых импульсов, доказана перспективность данного метода при его использовании во время нейрохирургических вмешательств, диагностике такого распространенного заболевания, как мигрень. Эффективна бесконтактная ФПГ при диагностике заболеваний органов дыхания за счет выделения и анализа дыхательных компонентов, определения сатурации и ЧД.

Бесконтактная ФПГ — перспективный метод исследования, ее развитие является одним из приоритетных направлений в современном отечественном и мировом здравоохранении.

Участие авторов: концепция и дизайн исследования — А.А. Гаранин; сбор и обработка материала — Е.О. Толкачева, П.В. Осадчая; статистическая обработка данных — В.С. Рогова, П.В. Осадчая; написание текста — В.С. Рогова, А.А. Гаранин, Е.О. Толкачева; научное редактирование — А.А. Гаранин.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.