PPG

PPG (от англ. pulse — пульс, beat — биение, график; в русскоязычной практике обычно произносится как «Пи-Пи-Джи») — это технология оптической фотоплетизмографии, бесконтактный или контактный метод регистрации изменений объёма кровеносных сосудов, обусловленных пульсовой волной. В основе метода лежит измерение интенсивности прошедшего или отражённого света, который поглощается, рассеивается и отражается тканями, в первую очередь кровью, в зависимости от фазы сердечного цикла. PPG широко применяется в медицинской диагностике, фитнес-трекерах, смарт-часах и пульсоксиметрах для оценки частоты сердечных сокращений, насыщения крови кислородом (SpO₂) и других гемодинамических параметров.

История

Первые описания фотоплетизмографии относятся к 1930-м годам, когда американский физиолог Альбрехт Хиршфельд (Albrecht Hirschfeld) в 1934 году предложил использовать фотоэлемент для регистрации пульса. Однако практическое развитие технологии началось в 1960-х годах с появлением компактных светодиодов и фотодиодов. В 1972 году японский инженер Такуо Ямамото (Takuo Yamamoto) разработал первый прототип пульсоксиметра, основанного на PPG-принципе, который позволял измерять сатурацию артериальной крови кислородом. В 1980-х годах пульсоксиметрия стала стандартом в анестезиологии и интенсивной терапии.

Массовое внедрение PPG в потребительскую электронику началось в 2010-х годах с выходом фитнес-браслетов и смарт-часов, таких как Fitbit (2011) и Apple Watch (2015). В России технология активно используется в медицинских приборах (например, пульсоксиметры «ЭЛВИС»), а также в устройствах для мониторинга здоровья, производимых компаниями «Яндекс» (умные колонки с функцией измерения пульса) и «СберЗдоровье» (носимые трекеры).

Принцип работы

Физическая основа

PPG основан на законе Ламберта-Бера, который описывает ослабление света при прохождении через биоткани. Кровь, особенно гемоглобин, обладает разной степенью поглощения света в зависимости от длины волны. Оксигемоглобин (HbO₂) и дезоксигемоглобин (Hb) имеют различные спектры поглощения: HbO₂ сильнее поглощает инфракрасный свет (около 940 нм), а Hb — красный свет (около 660 нм). Это позволяет оценивать сатурацию кислорода.

Схема измерения

Типичный PPG-сенсор состоит из:

• источника света (светодиод, LED) — обычно красного (660 нм) и инфракрасного (940 нм) диапазонов;
• фотодетектора (фотодиод или фототранзистор), регистрирующего отражённый или прошедший свет;
• оптического изолятора (барьера), предотвращающего прямое попадание света от источника на детектор.

Светодиод излучает свет, который проникает в кожу и подлежащие ткани. Часть света поглощается кровью в сосудах, часть рассеивается и отражается обратно. Фотодетектор фиксирует интенсивность отражённого света. Во время систолы (сокращения сердца) объём артериальной крови в сосудах увеличивается, что приводит к большему поглощению света и снижению сигнала на фотодетекторе. Во время диастолы (расслабления) объём крови уменьшается, и сигнал возрастает. Таким образом формируется пульсовая волна — PPG-сигнал, имеющий характерную форму с пиком (систола) и впадиной (диастола).

Типы PPG

• Трансмиссионный (просветный) — свет проходит через ткань (например, через палец или мочку уха). Используется в пульсоксиметрах.
• Рефлекторный (отражённый) — свет отражается от тканей. Применяется в смарт-часах и фитнес-браслетах, где датчик расположен на запястье.

Классификация

По способу регистрации

• Контактный — датчик прижимается к коже (пульсоксиметры, спортивные трекеры).
• Бесконтактный — регистрация пульса с помощью камеры или лазерного дальномера (например, системы видеоплетизмографии, используемые в телемедицине).

По длине волны

• Одноканальный — использует один светодиод (обычно инфракрасный) для измерения пульса.
• Двухканальный — использует красный и инфракрасный светодиоды для оценки SpO₂.
• Многоканальный — применяет несколько длин волн для анализа состава крови (например, определение уровня глюкозы или гемоглобина).

По области применения

• Медицинские приборы — пульсоксиметры, гемодинамические мониторы, системы для стресс-тестов.
• Потребительские устройства — смарт-часы, фитнес-браслеты, умные кольца (Oura Ring, 2020).
• Исследовательские системы — лабораторные установки для изучения вариабельности сердечного ритма (HRV).

Применение

Медицина

• Пульсоксиметрия — измерение SpO₂, стандарт в анестезиологии, реанимации и неонатологии. В России пульсоксиметры обязательны в отделениях интенсивной терапии (приказ Минздрава РФ № 974н от 2020 года).
• Мониторинг сердечного ритма — регистрация ЧСС и вариабельности сердечного ритма (HRV) для оценки вегетативной нервной системы.
• Диагностика нарушений дыхания — выявление апноэ во сне, гипоксии.
• Оценка сосудистого тонуса — анализ формы пульсовой волны для диагностики атеросклероза, гипертонии.

Фитнес и спорт

• Тренировочные зоны — контроль ЧСС во время бега, велоспорта, плавания.
• Восстановление — анализ HRV для оптимизации режимов отдыха и нагрузки.
• Сон — мониторинг фаз сна (глубокий, быстрый, поверхностный) на основе пульса и движений.

Промышленность и безопасность

• Авиация и космонавтика — контроль состояния пилотов и космонавтов (например, в скафандрах «Сокол»).
• Военные системы — мониторинг жизненных показателей солдат в полевых условиях (проект «Ратник» в РФ).
• Автомобильная промышленность — системы контроля усталости водителя (например, в автомобилях «Лада» с 2023 года).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Неинвазивность — не требует прокола кожи или введения датчиков.
• Компактность — сенсоры могут быть встроены в наручные часы, кольца, наушники.
• Низкая стоимость — массовое производство светодиодов и фотодиодов делает PPG-датчики доступными.
• Возможность непрерывного мониторинга — данные могут передаваться по Bluetooth или Wi-Fi в реальном времени.

Недостатки

• Чувствительность к движениям — артефакты движения (тряска, жесты) искажают сигнал. Для коррекции используются акселерометры и алгоритмы фильтрации.
• Влияние пигментации кожи — у людей с тёмной кожей (IV–VI типы по Фитцпатрику) поглощение света меланином снижает точность измерения SpO₂.
• Ограниченная точность при низкой перфузии — при холодных конечностях, шоке или аритмии сигнал может быть слабым.
• Зависимость от анатомии — на запястье PPG-сигнал менее точный, чем на пальце, из-за меньшей плотности сосудов.

Критика

Несмотря на широкое распространение, PPG-технология подвергается критике за недостаточную точность в некоторых клинических сценариях. Исследования 2020-х годов (например, работа группы учёных из Стэнфордского университета, 2021) показали, что пульсоксиметры на основе PPG могут давать завышенные показатели SpO₂ у пациентов с тёмной кожей, что приводило к задержкам в диагностике гипоксемии при COVID-19. В ответ на это Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) в 2022 году выпустило рекомендации по улучшению калибровки приборов для разных расовых групп.

В России также отмечались случаи некорректной работы PPG-датчиков в смарт-часах при низких температурах (ниже −15 °C) или при интенсивных физических нагрузках (например, при кроссфите). Производители, такие как Huawei и Xiaomi, в 2023 году выпустили обновления прошивок с улучшенными алгоритмами подавления шумов.

Интересные факты

• Первый коммерческий пульсоксиметр, «Nellcor N-100», был выпущен в 1983 году и стоил около 10 000 долларов США.
• В 2020 году, в разгар пандемии COVID-19, спрос на пульсоксиметры в России вырос в 15 раз, что привело к дефициту и росту цен.
• Технология PPG используется в системах распознавания лиц: некоторые смартфоны (например, Samsung Galaxy S10) анализируют пульс по камере для повышения точности идентификации.
• В 2022 году российские учёные из МФТИ разработали алгоритм, позволяющий определять уровень стресса по PPG-сигналу с точностью до 85% (исследование опубликовано в журнале «Биомедицинская радиоэлектроника»).

Источники

• Hirschfeld, A. (1934). «Photoplethysmography: A New Method for Recording the Pulse». Journal of Clinical Investigation.
• Webster, J. G. (1997). Design of Pulse Oximeters. CRC Press.
• Allen, J. (2007). «Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement». Physiological Measurement, 28(3), R1–R39.
• Приказ Минздрава РФ № 974н от 2020 года «Об утверждении стандарта оснащения отделений интенсивной терапии».
• «Пульсоксиметрия: проблемы и перспективы» (2021). Медицинская техника, № 4, с. 12–18.
• «Оценка точности PPG-датчиков в смарт-часах при низких температурах» (2023). Журнал радиоэлектроники, № 2, с. 45–52.