1.2. Обзор аппаратного и программного обеспечения для измерения чсс
1.2.1. Измерение пульса по электрокардиосигналу
В конце XIX века была обнаружена электрическая активность сердца. После этого появилась техническая возможность ее зарегистрировать. В 1902 году с помощью струнного гальванометра первым это сделал ВиллемЭйнтховен. Он реализовал доступ к медицинским данным, осуществив передачу ЭКГ по телефонному кабелю из больницы в лабораторию. В 1924 году Эйнтховен был удостоен Нобелевской премии. Именно Эйнтховен впервые получил реальную электрокардиограмму; разработал систему отведений; ввел названия сегментов ЭКС. Самым известным является QRS комплекс. Он определяет момент электрического возбуждения желудочков.
В современной клинической практике для регистрации ЭКС используют различные системы отведений: грудные отведения в различных конфигурациях, отведения с конечностей, ортогональные отведения. С точки зрения измерения пульса можно использовать любые отведения, так как на всех отведениях присутствует зубец R. Именно зубец R наиболее выраженный по своим временным и частотным свойствам.
На основе измерения кардиосигнала были разработаны спортивные нагрудные датчики пульса. При проектировании различных спортивных тренажеров и носимых гаджетов система отведений упрощена до двух точек-электродов. Самым известным вариантом реализации такого подхода являются спортивные нагрудные мониторы в виде ремешка-кардиомонитора – HRM band или HRM strap. Электроды выполнены в виде двух полосок из проводящего материала. Как правило, ремешок может быть частью устройства, либо пристегиваться к нему на клипсы. Значения пульса передаются по Bluetooth, протоколу ANT+ или Smart на смартфон или спортивные часы.
Еще одним вариантом реализации двух электродной системы является разнесение электродов на две руки пациента без постоянного подключения одной из них. В таких устройствах один электрод закрепляется на запястье, который выполнен в виде задней стенки браслета или часов, а другой выносится на лицевую часть устройства. Чтобы измерить пульс, нужно коснуться другой рукой лицевого электрода и подождать некоторое количество секунд, обычно от 5 до 10. [15,16]
1.2.2. Измерение пульса на основе плетизмографии
Метод плетизмографии основан на регистрации изменения объемов кровенаполнения органа. Результатом такой регистрации является пульсовая волна. Определение пульса на основе плетизмографии может быть реализовано двумя основными способами: импедансным и оптическим. «Импедансная плетизмография - это метод исследования и регистрации пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов различных органов и тканей, основанный на регистрации изменений полного (омического и емкостного) электрического сопротивления переменному току высокой частоты. В настоящее время методология способа основана на двух или четырехточечной схеме измерения объемного удельного сопротивления». Само исследование происходит следующим образом: через исследуемый орган с помощью двух электродов пропускается сигнал с частотой от 20 до 150 кГц (в зависимости от исследуемых тканей), главное условие, которое предъявляется к генератору сигнала это постоянство тока, обычно его значение выбирают не более 10-15 мкА. При прохождении сигнала через ткань пациента его амплитуда модулируется изменением кровенаполнения. Вторая система электродов снимает модулированный сигнал. Далее сигнал усиливается и из него изымается несущая частота, устраняется постоянная составляющая и остается дельта. Как говорилось ранее, определение пульса может быть реализовано двумя основными способами: импедансным и оптическим. [15,16]
Оптическая плетизмография или фотоплетизмография является самым распространённым способом измерения пульса. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника.
Рис. 1. Принцип работы плетизмографии
Наиболее современными устройствами для измерения пульса, основанным на фотоплетизмографии являются ушные клипсы и наушники со встроенными датчиками. Уникальность такого оборудования заключается в том, что при выполнении физических нагрузок руки спортсмена остаются свободными, а пульс регистрируется с помощью технологии in-ear-sensor - на основе внутриушного давления, однако функциональность аналогична HRM ремешкам. Данные устройства разработаны для продвинутых спортсменов-профессионалов.
Рис.2. Наушники Jabra Sport PulseTMWireless и Glow Headphones
Еще одним нестандартным способом регистрации пульса человека является измерение пульса по видеоизображению лица. Развитие этого способа связано с переосмыслением функционала оптического датчика и технологическими возможностями современных носимых устройств. Видеоизображения обрабатываются в реальном времени.
Рис.3. Регистрация пульса человека по видеоизображению лица.
Из рисунка видно, что пульс субъекта №3 около 100 уд/мин. Предположим, субъект под номером 3 в данный момент находится на важном мероприятии (например, сдача экзамена). Из графика видно, что субъект №2 менее волнителен (возможно, субъект №2 - преподаватель); субъект №1 вовсе не волнуется.
Принцип определения пульса, по видеоизображению следующий: на кадрах выделяются фрагменты лица, изображение разворачивается по временной шкале (RGB trace) и раскладывается на три цветовых канала. Выделение пульсовой волны основано на разложении изображения методом анализа независимых компонент (ICA) и выделения частотной составляющей, связанной с модуляцией яркости пикселей под действием пульсации крови.