Фотоплетизмография

Фотоплетизмография — это неинвазивный оптический метод регистрации изменений кровенаполнения (объёма) сосудов микроциркуляторного русла в тканях организма, основанный на измерении интенсивности отражённого или прошедшего через ткань света. Метод используется для оценки пульсовых волн, частоты сердечных сокращений, насыщения крови кислородом (сатурации) и других параметров гемодинамики.

История

Первые работы по фотоплетизмографии были выполнены в 1930-х годах. В 1937 году американский физиолог А. Б. Герцман (A. B. Hertzman) опубликовал статью, в которой описал метод измерения объёмного пульса пальца с помощью фотоэлемента. Однако практическое распространение метод получил лишь во второй половине XX века с развитием полупроводниковой электроники и появлением компактных источников света (светодиодов) и фотодетекторов.

В 1970-х годах японский инженер Такуо Аояги (Takuo Aoyagi) разработал принцип пульсоксиметрии — клинического применения фотоплетизмографии для неинвазивного измерения сатурации кислорода в артериальной крови. Это стало одним из важнейших достижений в анестезиологии и интенсивной терапии.

С конца XX века метод активно развивается в направлении носимой электроники (фитнес-браслеты, смарт-часы) и мобильной диагностики, где фотоплетизмография используется для мониторинга пульса, вариабельности сердечного ритма, артериального давления и других показателей.

Физические основы метода

Фотоплетизмография основана на законах поглощения и рассеяния света в биологических тканях. Основной физический принцип — закон Бугера — Ламберта — Бера, описывающий ослабление света при прохождении через поглощающую среду.

Свет определённой длины волны (обычно красный — 660 нм и инфракрасный — 940 нм) направляется на участок кожи. Часть света поглощается тканями, часть рассеивается, часть отражается или проходит насквозь. Кровь, содержащая гемоглобин, является основным поглотителем света в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

В момент систолы (сокращения сердца) артериолы расширяются, объём крови в микроциркуляторном русле увеличивается, что приводит к усилению поглощения света и уменьшению интенсивности отражённого или прошедшего сигнала. В диастолу объём крови уменьшается, и сигнал возрастает. Таким образом, фотоплетизмографический сигнал представляет собой пульсирующую волну, синхронизированную с сердечным циклом.

Типы фотоплетизмографии

По способу регистрации

• Пропускающая (трансмиссионная) фотоплетизмография — источник света и фотодетектор располагаются с противоположных сторон исследуемого участка тела (например, на мочке уха или пальце). Свет проходит через ткань насквозь. Используется в пульсоксиметрах, закрепляемых на пальце.
• Отражательная (рефлекторная) фотоплетизмография — источник и детектор находятся на одной стороне (например, на запястье, груди, лбу). Свет проникает в ткань, частично отражается от внутренних структур и регистрируется детектором. Этот тип применяется в носимых устройствах (фитнес-трекерах, смарт-часах).

По спектральному составу

• Одноволновая — используется свет одной длины волны (например, 940 нм). Позволяет измерять только пульсовую волну и частоту сердечных сокращений.
• Двухволновая — применяются два источника света (красный и инфракрасный). Позволяет вычислять сатурацию кислорода (SpO₂) по соотношению поглощения на разных длинах волн.
• Многоволновая — используются несколько длин волн для оценки концентрации различных форм гемоглобина (оксигемоглобин, дезоксигемоглобин, карбоксигемоглобин, метгемоглобин) и других хромофоров.

По режиму работы

• Постоянная (DC) фотоплетизмография — регистрирует медленные изменения кровенаполнения (например, при венозном застое или дыхательных движениях).
• Переменная (AC) фотоплетизмография — регистрирует пульсовые колебания, связанные с сердечными сокращениями.

Устройство и компоненты

Типичная фотоплетизмографическая система включает:

1. Источник света — светодиоды (LED) с длиной волны в диапазоне от 500 до 1000 нм. Наиболее распространены красный (660 нм) и инфракрасный (940 нм) светодиоды.
2. Фотодетектор — фотодиод или фототранзистор, преобразующий оптический сигнал в электрический ток.
3. Оптическая система — линзы, световоды или окна для направления света на ткань и сбора отражённого/прошедшего излучения.
4. Усилитель и фильтр — электронные схемы для усиления слабого сигнала и подавления шумов (например, от движения или внешнего освещения).
5. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует аналоговый сигнал в цифровой для обработки микроконтроллером или компьютером.
6. Алгоритмы обработки — программное обеспечение для выделения пульсовой волны, вычисления частоты сердечных сокращений, сатурации и других параметров.

Применение

Медицина

• Пульсоксиметрия — основной метод неинвазивного контроля сатурации кислорода в артериальной крови (SpO₂) и частоты пульса. Широко применяется в анестезиологии, реанимации, неонатологии, при лечении COVID-19 и хронических заболеваний лёгких.
• Оценка вариабельности сердечного ритма (ВСР) — анализ временных интервалов между пульсовыми волнами для диагностики вегетативной нервной системы, стресса, риска сердечно-сосудистых заболеваний.
• Измерение артериального давления — существуют алгоритмы оценки систолического и диастолического давления по форме фотоплетизмографической волны (например, метод времени распространения пульсовой волны — PTT).
• Диагностика сосудистых нарушений — оценка эндотелиальной функции, выявление атеросклероза, диабетической ангиопатии, варикозной болезни.
• Мониторинг дыхания — фотоплетизмография позволяет регистрировать дыхательные движения по модуляции амплитуды пульсовой волны.

Спорт и фитнес

• Фитнес-браслеты и смарт-часы (например, Apple Watch, Fitbit, Garmin) используют отражательную фотоплетизмографию для непрерывного мониторинга пульса во время тренировок и в покое.
• Оценка уровня стресса, качества сна, восстановления после нагрузок.

Психология и нейронауки

• Измерение физиологических реакций (например, изменения пульса и амплитуды пульсовой волны) в ответ на эмоциональные стимулы, когнитивные нагрузки.

Безопасность и биометрия

• Идентификация личности по фотоплетизмографическому сигналу (пульсовая биометрия) — перспективное направление для систем аутентификации.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Неинвазивность — не требует прокола кожи или введения датчиков внутрь организма.
• Простота и компактность — датчики могут быть встроены в наручные устройства, клипсы на палец, наклейки на кожу.
• Низкая стоимость — по сравнению с инвазивными методами (катетеризация, внутриартериальное давление).
• Возможность непрерывного мониторинга в реальном времени.
• Безопасность — не использует ионизирующее излучение.

Недостатки

• Чувствительность к движениям — артефакты движения (тремор, ходьба, бег) искажают сигнал.
• Зависимость от индивидуальных особенностей — толщина кожи, пигментация, наличие волос, отёки, периферический спазм сосудов влияют на качество сигнала.
• Ограниченная глубина проникновения света — метод эффективен для поверхностных тканей (кожа, слизистые, ногтевое ложе), но не подходит для глубоких органов.
• Влияние внешнего освещения — яркий солнечный свет или искусственное освещение могут создавать помехи.
• Необходимость калибровки — для точного измерения сатурации или давления требуется калибровка по референтному методу.

Интересные факты

• Первые пульсоксиметры, разработанные в 1970-х годах, были громоздкими и дорогими (стоимостью несколько тысяч долларов). Современные датчики стоят менее 10 долларов.
• Во время пандемии COVID-19 в 2020 году спрос на пульсоксиметры резко вырос, и они стали одним из самых распространённых медицинских устройств для домашнего мониторинга.
• Фотоплетизмография используется не только у людей, но и в ветеринарии — для мониторинга пульса и сатурации у собак, кошек, лошадей и других животных.
• В некоторых исследованиях фотоплетизмографический сигнал используется для оценки уровня глюкозы в крови, однако этот метод пока не получил клинического одобрения из-за недостаточной точности.

Источники

• Hertzman A. B. Photoelectric plethysmography of the fingers and toes in man. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 1937.
• Aoyagi T., Fuse M., Kobayashi N., et al. Multiwavelength pulse oximetry: theory for the future. Anesthesia & Analgesia, 2007.
• Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiological Measurement, 2007.
• Shelley K. H. Photoplethysmography: beyond the calculation of arterial oxygen saturation and heart rate. Anesthesia & Analgesia, 2007.
• Webster J. G. Design of Pulse Oximeters. CRC Press, 1997.
• Sun Y., Thakor N. V. Photoplethysmography revisited: from contact to noncontact and from point to imaging. IEEE Reviews in Biomedical Engineering, 2016.