Формування та інформативний зміст фотоплетизмографічного сигналу в умовах контрольованої зовнішньої компресії
Вантажиться...
Дата
2022
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
Номер ISSN
Номер E-ISSN
Назва тому
Видавець
Одеський національний університет імені І. І. Мечникова
Анотація
Теоретично досліджується фізична природа та кількісні характеристики фотоплетизмографічного (ФПГ) сигналу в умовах зовнішньої компресії досліджуваної ділянки
тканини. Виявлено залежності сталої та змінної складових ФПГ сигналу від прикладеного тиску, що мають максимуми при деяких значеннях компресії. Фізична модель процесу формування ФПГ сигналу враховує оптичні та механічні властивості біологічних
тканин. Модель заснована на розгляді дифузного поширення світла у двокомпонентному розсіюючому середовищі (кров + навколишні тканини) за допомогою двострумової
теорії Кубелки – Мунка; при цьому кількість крові в тканинах визначається умовами
механічної рівноваги та законами деформації тканин.
Показано, що розвинена модель правильно описує якісні особливості ФПГ сигналу,
а процедура найкращого узгодження теоретичних та експериментальних кривих дозволяє в реальному часі визначити кількісні характеристики периферійного кровообігу
(середнє значення та амплітуда коливань тиску крові в прекапілярах, концентрація
еритроцитів, середній ступінь оксигенації крові стінок судин і т.д.). Розроблені способи визначення параметрів кровообігу можуть бути покладені в основу недорогих та
ефективних експресних методик дослідження та медичної діагностики, особливо корисних під час масових обстежень або в екологічному моніторингу.
The physical nature and quantitative characteristics of the photoplethysmographic (PPG) signal under conditions of external compression of the studied tissue area are theoretically investigated. Dependences of the constant and variable components of the PPG signal on the applied pressure are revealed, which have maxima at certain compression values. The physical model of the PPG signal formation process takes into account the optical and mechanical properties of biological tissues. The model is based on the consideration of the diffuse propagation of light in a two-component scattering medium (blood + surrounding tissues) and employs the Kubelka – Munk two-stream theory; in this case, the amount of blood in the tissues is determined by the conditions of mechanical equilibrium and the laws of tissue deformation. It is shown that the developed model correctly describes the observed qualitative features of the PPG signal, and the condition for the best agreement between theoretical and experimental curves allows real-time determination of the peripheral microcirculation quantitative characteristics (mean value and amplitude of the blood pressure fluctuations in precapillaries, erythrocyte concentration, average degree of blood oxygenation, the vessel walls elasticity, etc.). The developed methods for determining the blood circulation parameters can be used as the basis for inexpensive and effective express methods of research and medical diagnostics, which are especially useful in mass surveys or in environmental monitoring.
Теоретически исследуется физическая природа и количественные характеристики фотоплетизмографического (ФПГ) сигнала в условиях внешней компрессии исследуемого участка ткани. Выявлены зависимости постоянной и переменной составляющей ФПГ сигнала от приложенного давления, имеющие максимумы при некоторых значениях компрессии. Физическая модель процесса формирования ФПГ сигнала учитывает оптические и механические свойства биологических тканей. Модель основана на рассмотрении диффузного распространения света в двухкомпонентной рассеивающей среде (кровь + окружающие ткани) с помощью двухпотоковой теории Кубелки – Мунка; при этом количество крови в тканях определяется условиями механического равновесия и законами деформации тканей. Показано, что развитая модель правильно описывает наблюдаемые качественные особенности ФПГ сигнала, а условие наилучшего согласования теоретических и экспериментальных кривых позволяет в реальном времени определить количественные характеристики периферийного кровообращения (среднее значение и амплитуда колебаний давления крови в прекапиллярах, концентрация эритроцитов, средняя степень оксигенации крови, упругость стенок сосудов и т.д.). Разработанные способы определения параметров кровообращения могут быть положены в основу недорогих и эффективных экспрессных методик исследования и медицинской диагностики, особенно полезных при массовых обследованиях или в экологическом мониторинге.
The physical nature and quantitative characteristics of the photoplethysmographic (PPG) signal under conditions of external compression of the studied tissue area are theoretically investigated. Dependences of the constant and variable components of the PPG signal on the applied pressure are revealed, which have maxima at certain compression values. The physical model of the PPG signal formation process takes into account the optical and mechanical properties of biological tissues. The model is based on the consideration of the diffuse propagation of light in a two-component scattering medium (blood + surrounding tissues) and employs the Kubelka – Munk two-stream theory; in this case, the amount of blood in the tissues is determined by the conditions of mechanical equilibrium and the laws of tissue deformation. It is shown that the developed model correctly describes the observed qualitative features of the PPG signal, and the condition for the best agreement between theoretical and experimental curves allows real-time determination of the peripheral microcirculation quantitative characteristics (mean value and amplitude of the blood pressure fluctuations in precapillaries, erythrocyte concentration, average degree of blood oxygenation, the vessel walls elasticity, etc.). The developed methods for determining the blood circulation parameters can be used as the basis for inexpensive and effective express methods of research and medical diagnostics, which are especially useful in mass surveys or in environmental monitoring.
Теоретически исследуется физическая природа и количественные характеристики фотоплетизмографического (ФПГ) сигнала в условиях внешней компрессии исследуемого участка ткани. Выявлены зависимости постоянной и переменной составляющей ФПГ сигнала от приложенного давления, имеющие максимумы при некоторых значениях компрессии. Физическая модель процесса формирования ФПГ сигнала учитывает оптические и механические свойства биологических тканей. Модель основана на рассмотрении диффузного распространения света в двухкомпонентной рассеивающей среде (кровь + окружающие ткани) с помощью двухпотоковой теории Кубелки – Мунка; при этом количество крови в тканях определяется условиями механического равновесия и законами деформации тканей. Показано, что развитая модель правильно описывает наблюдаемые качественные особенности ФПГ сигнала, а условие наилучшего согласования теоретических и экспериментальных кривых позволяет в реальном времени определить количественные характеристики периферийного кровообращения (среднее значение и амплитуда колебаний давления крови в прекапиллярах, концентрация эритроцитов, средняя степень оксигенации крови, упругость стенок сосудов и т.д.). Разработанные способы определения параметров кровообращения могут быть положены в основу недорогих и эффективных экспрессных методик исследования и медицинской диагностики, особенно полезных при массовых обследованиях или в экологическом мониторинге.
Опис
Ключові слова
біологічні тканини, розсіювання світла, зовнішня компресія, кровонаповнення тканин, фотомеханічні ефекти, biological tissue, light scattering, external compression, tissue blood-filling, photomechanical effects, биологические ткани, рассеяние света, внешняя компрессия, кровенаполнение тканей, фотомеханические эффекты
Бібліографічний опис
Фізика аеродисперсних систем = Physics of aerodisperse systems