Фотоплетизмография (PPG)

Как всё начиналось: XIX век

В первой половине XIX века медицина фокусируется на физиологии человека. Врачей интересует не только анатомия, но и динамика процессов — в частности, как меняется кровенаполнение органов и тканей.

На этом этапе возникает ранняя плетизмография, задача которой изначально состояла в том, чтобы регистрировать изменение объёма части тела. Плетизмографы в ту пору были механическими. Например, водяными, когда конечность помещали в сосуд с водой и измеряли колебания уровней (помните Архимеда с его «Эврикой»?). Или воздушными, когда измеряли объём вытесненного воздуха. Ещё были рычажные и мембранные системы, но не суть. Главное, что появился сам принцип — анализ динамики кровенаполнения.

Новые вводные: конец XIX — середина XX века

Во второй половине XIX века становится ясно, что кровь обладает оптическими свойствами: гемоглобин поглощает свет, и степень этого поглощения зависит от наполнения кровью тканей. Учёные проводят эксперименты, в которых свет направляют на кожу и измеряют колебания интенсивности отражённых или поглощённых лучей.

В первой половине XX века появляются фотоэлементы и усилители сигнала. Плетизмография получает приставку «фото-» и используется в клинических лабораториях для исследования периферического кровотока, сосудистых реакций, венозного оттока.

Пульсоксиметрия: 1970-е

Настоящий прорыв происходит в 1970-х. На базе фотоплетизмографии создают метод оценки насыщения крови кислородом (SpO₂). В нём применяют волны двух спектров — красного и инфракрасного — и анализируют соотношение их поглощения и отражения в артериальной крови. О зелёном спектре речи пока не идёт, поскольку он не применяется в пульсоксиметрии, но оптический принцип уже реализуется.

С этого момента фотоплетизмография становится:

• клиническим стандартом;
• неотъемлемой частью анестезиологии и реанимации;
• надёжным неинвазивным методом мониторинга.

Именно благодаря пульсоксиметрии метод выходит за пределы научных лабораторий.

Цифровая эра: 1990—2000-е

Развитие электроники открывает новые перспективы:

• светодиоды заменяют лампы,
• фотодиоды становятся миниатюрными,
• цифровая обработка сигналов позволяет фильтровать шумы.

Приборы становятся компактными, более эффективными и пригодными для длительного мониторинга. В этот период начинают активно исследовать вариабельность пульса, автономную регуляцию сосудов и динамику сосудистого тонуса.

Носимые устройства: 2010-е

С появлением носимых устройств фотоплетизмография становится массовой. Однако вместе с этим возникает серьёзная интерпретационная ошибка. Метод, который даёт данные исходя из наполнения сосудов кровью, начинают преподносить как «измерение работы сердца», «кардиомониторинг» и даже замену ЭКГ.

Это неправильно. Фотоплетизмография не регистрирует электрическую активность сердца, не измеряет давление напрямую (только косвенно) и анализирует особенности тока крови, а не сердечный цикл.

Сегодня фотоплетизмография — хорошо изученный метод, который используется для:

• оценки частоты пульса,
• анализа вариабельности,
• косвенного измерения АД,
• оценки активности автономной нервной системы,
• расчёта производных показателей (стресс, сон, дыхание).

Оценка частоты пульса

Рассчитать частоту пульса по изменению объёма крови в артериолах не так уж и сложно.

Обратимся к анатомии и вспомним, что пульс — это волна растяжения стенки сосуда под давлением притока крови.

Когда сердце выбрасывает кровь из желудочков в аорту, давление в крупных артериях резко увеличивается — жидкость давит на стенки, и они растягиваются, чтобы вместить больший объём. Момент, когда сосуд максимально заполнен кровью, называется систолическим наполнением. Именно в эту фазу мы ощущаем пульсовой толчок. Кстати, систолическое (верхнее) давление тоже регистрируется в этот момент.

После систолы происходит диастолический спад. Желудочки расслабляются (эта фаза называется диастола), кровь перестаёт поступать из сердца в сосуды — в это время она течёт по артериям за счёт инерции и напряжения сосудистых стенок. Давление падает до значения, которое мы привыкли называть нижним.

Приложите палец к лучевой артерии на запястье. Чувствуете пульсацию? Это и есть резкие колебания стенки сосуда, когда он получает очередной приток крови. Здесь они такие сильные, что пульс можно ощутить тактильно или измерить механически с помощью тонометра.

Но с часами всё иначе. Они не контактируют с крупной артерией, а ориентируются по артериолам. В мелких сосудах нет выраженных колебаний стенок, поэтому сенсорные датчики использовать бессмысленно. Но даже здесь кровь течёт неравномерно. В какой-то момент она заполняет артериолу, затем объём уменьшается.

• При максимальном наполнении она поглощает больше зелёного света, а отражает — меньше;
• При минимальном — наоборот: поглощает меньше, отражает больше.

Количество отражённого света фиксирует датчик. Меньшие значения соответствуют систолической фазе, большие — диастолической. Как видите, принцип другой, а результат тот же. Прибор собирает и анализирует показатели и выдаёт итоговую цифру: например, 76 ударов в минуту.

Анализ вариабельности сердечного ритма

Сердце бьётся ритмично, но не равномерно. Мы ходим, встаём, садимся, лежим, принимаем пищу и купаемся, поднимаемся по лестнице, волнуемся, радуемся и испытываем другие эмоции. Организм — саморегулируемая система, и он постоянно приспосабливается к внешним и внутренним изменениям, в том числе за счёт тонкой настройки сердечного ритма.

Поэтому интервалы между сокращениями всегда немного различаются. Эти колебания незаметны, но именно они отражают работу механизмов автономной регуляции. Чем гибче и согласованнее реагирует нервная система, тем выше вариабельность сердечного ритма (ВСР). Напротив, монотонность интервалов может указывать на истощение адаптационных резервов и снижение способности организма справляться со стрессом.

Чтобы вычислить ВСР, нужно измерить ЧСС, затем рассчитать интервалы и сопоставить их между собой. Это чистая математика. Фотоплетизмография здесь нужна только, чтобы посчитать пульс. Всё остальное делает программа.

Активность автономной нервной системы

ВСР в свою очередь отражает баланс двух отделов автономной нервной системы — симпатическим и парасимпатическим. Симпатический активируется при нагрузке и напряжении — он делает сердечный ритм более однообразным. Парасимпатический, напротив, связан с восстановлением и требует большей вариабельности.

При анализе ВСР алгоритмы оценивают, какой вклад в текущий ритм вносит каждый из этих механизмов, и на основе этого судят о состоянии автономной регуляции. По активности вегетативной нервной системы можно понять, что сейчас происходит в большей степени — мобилизация или восстановление.

В умных часах эти расчёты обычно обозначаются как «уровень стресса». Важно понимать, что это оценка нагрузки на нервную систему, а не характеристика психологического напряжения. На показатель физиологического стресса влияют не только эмоциональные переживания, но и физическая активность, недосып, приём пищи, температура окружающей среды и общее состояние организма.

Физиологический стресс — это состояние организма, при котором активируются механизмы адаптации, приводя к изменению работы сердечно-сосудистой, дыхательной, эндокринной и вегетативной нервной систем. Это биологический, не психологический термин.

Определение фаз сна

В медицине фазы сна определяются полисомнографией, где электроэнцефалография измеряет активность мозга, электроокулография — движения глаз, электромиография — мышечный тонус. Носимые устройства не производят прямые физиологические измерения, а рассчитывают данные на основе всё тех же показателей:

• пульс и интервалы между ударами (фотоплетизмография);
• вариабельность сердечного ритма (расчёт);
• снижение двигательной активности (акселерометр);
• иногда — дыхание, температура кожи, время суток.

Фазы сна выводятся алгоритмически как вероятностные состояния.

Измерение сатурации

Что такое сатурация, теперь знают все — это показатель кислорода в крови. Уточню лишь, что речь идёт об артериальной крови, доставляющей кислород из лёгких в ткани, где переносчиком O² служит гемоглобин. И если говорить предельно точно, то сатурация — это процент гемоглобина, насыщенного кислородом, в артериальной крови.

«А в чём же разница? — спросите вы. — Показатель высокий, значит, всё хорошо. Низкий — плохо. А гемоглобин или не гемоглобин — не так уж важно». Однако разница есть, и она существенна.

В норме сатурация составляет 95–99 %. Значения ниже 92 % рассматриваются как признак кислородной недостаточности. Если уровень гемоглобина нормальный, то при сатурации 98 % кровь переносит достаточно кислорода. Но если гемоглобин снижен, ситуация меняется принципиально. При той же сатурации он остаётся насыщенным, однако общая кислородная ёмкость крови снижается — просто потому, что переносчиков O₂ гораздо меньше.

Умные часы измеряют сатурацию с помощью лучей красного и инфракрасного спектров. Принцип тот же — поглощение и отражение света. То есть, помимо зелёных светодиодов на задней панели имеются соответствующие датчики, которые включаются во время измерения SpO₂.

1. Красные и инфракрасные лучи проходят в ткани.
2. Гемоглобин поглощает их по-разному в зависимости от насыщения.
3. Рассчитывается SpO₂ по калиброванной модели.

Точность ниже, чем у медицинского пульсоксиметра, потому что на пальцах лучше перфузия — наши подушечки буквально испещрены мелкими сосудами. Но и носимые устройства обеспечивают адекватные результаты, если соблюдать неподвижность при измерении. К тому же существуют модели с пальчиковым сенсором — они обеспечивают более высокую точность. К таким моделям относятся, например, Dr. Hofner DH50 от Healthband.

Дыхательные паузы и эпизоды апноэ

Также умные часы могут выявлять признаки эпизодов обструктивного апноэ. Дело в том, что дыхание непосредственно влияет на пульс: на вдохе ЧСС слегка ускоряется, на выдохе — замедляется. Это называется дыхательная синусовая аритмия. По колебаниям сигнала, получаемого с датчиков, алгоритм воссоздаёт ритм дыхания.

При апноэ дыхание временно прекращается, падает уровень кислорода в крови, активируется симпатическая нервная система, происходит кратковременное пробуждение. Это сопровождается специфическими признаками, которые и отслеживают носимые устройства.

• Паузы в дыхании: исчезают характерные дыхательные колебания показателей пульса, нарушается регулярность вдохов и выдохов.
• Кратковременные падения сатурации — особенно значимы повторяющиеся за ночь эпизоды.
• Изменения ЧСС и ВСР: после апноэ обычно происходит резкий скачок пульса, снижается ВСР, активируется симпатика.
• Фрагментация сна — частые пробуждения увеличивают долю поверхностного сна, уменьшают глубокий и REM-сон.

По этим признакам алгоритм выявляет повторяющийся паттерн и оценивает вероятность синдрома обструктивного апноэ.

1. Зависимость от качества кровотока (перфузии)

Фотоплетизмография регистрирует пульсовые колебания крови в мелких сосудах. Если кровоток в них снижен, сигнал ухудшается. На качество измерений могут влиять:

• холод (сужение сосудов);
• низкое АД;
• обезвоживание;
• спазм периферических сосудов.

2. Влияние движения

При активных движениях датчик фиксирует не только пульсовую волну, но и смещения кожи, что искажает сигнал. Поэтому большинство устройств требуют неподвижности при измерении пульса и сатурации.

3. Особенности кожи и подкожных тканей

Оптический сигнал проходит через кожу, и её свойства напрямую влияют на результат. Точность может снижаться при сильной пигментации, выраженном подкожно-жировом слое, рубцах и татуировках в зоне датчика.

4. Давление прижатия датчика

Для корректной работы датчик должен плотно прилегать к коже, но не сдавливать ткани чрезмерно. Слишком слабый контакт ухудшает сигнал, а чрезмерное сжатие может частично перекрывать кровоток и искажать результаты.

5. Нарушения сердечного ритма

Фотоплетизмография ориентирована на регулярный ритм. При аритмиях (например, фибрилляции предсердий) форма пульсовой волны искажается, расчёт ЧСС, ВСР и АД становится менее надёжным.

Анализ пульсовой волны

По характеру кровотока можно определить не только ЧСС, но и давление крови на стенки артерий. Вы уже знаете, что когда сердце выбрасывает кровь в аорту, она не течёт равномерно, а распространяется как волна. В зависимости от жёсткости и эластичности сосудов она проходит по ним по-разному, и это влияет на показатели измерений.

Алгоритмы анализируют ряд ключевых признаков.

• Скорость распространения: по жёстким сосудам кровь бежит быстрее, по эластичным — медленнее, потому что они частично смягчают и приглушают поток.
• Крутизну подъёма волны: сердце с усилием выбрасывает кровь — она ударяет по стенкам сосудов, а те, естественно, оказывают сопротивление. Чем жёстче сосуды, тем больше сопротивление и сильнее удар.
• Вторичную (отражённую) волну: когда поток преодолевает изгиб или сужение сосуда, часть жидкости откатывается назад — получается как бы вторая волна. При жёстких стенках она более заметна.
• Временные интервалы между событиями пульсовой волны, которые показывают, как сосуды реагируют на кровоток и как они регулируют его изменением тонуса.

Иными словами, умные устройства оценивают АД не по реальному давлению на стенки, как тонометр, а по характеру пульсового кровотока и реакции сосудов на сокращения сердца. По этим данным алгоритм определяет жёсткость/эластичность сосудистых стенок. А поскольку она связана с уровнем АД, прибор может рассчитывать его ориентировочные диапазоны.

Индивидуальная калибровка показателей

Жёсткость и эластичность сосудов — характеристики индивидуальные. Они зависят от возраста и состояния стенки (атеросклеротических изменений, наличия кальцинатов, строения соединительнотканных волокон). Чтобы результаты косвенного измерения АД были точными, необходимо откалибровать устройство при первом использовании — и далее периодически проверять его.

Калибровка выполняется с помощью тонометра. Алгоритм соотносит параметры пульсовой волны с реальными значениями АД и рядом других данных, которые вводятся пользователем вручную. После этого часы могут отслеживать реальную динамику показателей.