izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-8-13-21izmertech-2178Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSМатематическая модель и устройство неинвазивной диагностики уровня фракционной сатурации кровиMathematical model and device for non-invasive diagnostics of fractional blood saturation levelhttps://orcid.org/0000-0002-7759-579XКоптевД. С.KoptevD. S.

Дмитрий Сергеевич Коптев, старший преподаватель кафедры космического приборостроения и систем связи

Курск

Kursk

d.s.koptev@mail.ruФГБОУ ВО "Юго-Западный государственный университет"РоссияSouthwest State UniversityRussian Federation2024120920247381321Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20242024ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2178

Рассмотрены особенности разработки неинвазивных диагностических устройств, основанных на взаимодействии падающего оптического излучения с исследуемой биологической средой. Показано, что существующие модели оценки уровня насыщения крови кислородом в проходящем свете недостаточно адекватно описывают процессы взаимодействия оптического излучения с биологической тканью, а именно, не учитывают поглощающую способность тех фракций крови, которые не участвуют в транспортировке кислорода. Следовательно, результаты измерений уровня фракционной сатурации крови характеризуются низкой точностью. Разработана математическая модель оценки уровня фракционной сатурации крови фотометрическим методом в проходящем свете с использованием четырёх источников оптического излучения с центральными длинами волн 660; 805; 880; 940 нм. Описан принцип выбора спектральных характеристик источников искусственного излучения. Представлена структурно-функциональная схема устройства неинвазивной диагностики уровня фракционной сатурации крови, изложены принципы его функционирования. С применением прототипа предложенного устройства и существующего пульсового оксиметра экспериментально оценены уровни фракционной сатурации крови 30 испытуемых. По результатам эксперимента относительная погрешность измерений уровня фракционной сатурации крови прототипом устройства на 0,71 % меньше погрешности измерений сертифицированным устройством, что доказывает эффективность прототипа. Полученные результаты относятся к области медицинской техники и будут полезны при проектировании устройств неинвазивной диагностики физиологических показателей здоровья.

Mathematical models describing the propagation of monochromatic radiation in biological tissues are considered. It is shown that existing models for assessing the level of blood oxygen saturation in transmitted light do not adequately describe the processes of interaction of optical radiation with biological tissue, do not take into account the absorption capacity of those blood fractions that do not participate in the transportation of oxygen, and, therefore, the obtained results are characterized by low accuracy. A mathematical model for assessing the level of fractional blood saturation by the photometric method in transmitted light using four sources of optical radiation with central wavelengths of 660, 805, 880 and 940 nm is developed. The principle of selection of spectral characteristics of artificial radiation sources is described. The structural and functional diagram of the device for assessing the level of fractional blood saturation is presented, and the principles of its operation are outlined. Using the prototype of the proposed device and an existing pulse oximeter, the levels of fractional blood saturation of 30 subjects were experimentally estimated. The results are presented showing a decrease in the relative error by 0.71 % compared to the certified device, which proves the effectiveness of the proposed prototype device. The obtained results relate to the field of medical technology and will be useful in designing devices for non-invasive diagnostics of physiological health indicators.

математическая модельбиологическая тканьисточник оптического излученияфотоплетизмографический сигналфотодетекторкоэффицент молярной экстинкциифракционная сатурацияmathematical modelbiological tissueoptical radiation sourcephotoplethysmographic signalphotodetectormolar extinction coefficientfractional saturationfunctional saturationРабота выполнена в рамках реализации программы развития ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» проекта «Приоритет-2030».The work was carried out within the framework of the implementation of the development program of the Southwest State University of the «Priority-2030» project.ReferencesХизбуллин Р. Н. Оптический двухканальный пульсоксиметр на основе лазерных датчиков для решения актуальных задач в медицинской практике. ФОТОНИКА, (1), 144–157 (2017). https://doi.org/10.22184/1993-7296.2017.61.1.144.157Khizbullin R. N., Photonics, 2017. No. 1. pp. 144–157.Федотов А. А., Акулов С. А. Измерительные преобразователи биомедицинских сигналов систем клинического мониторинга. Радио и связь, Москва (2013).Fedotov A. A., Akulov S. A. Moscow: Radio and Communications, 2013. – 250 p.Свешникова А. И., Жеребцов Е. А., Дунаев А. В. Современные подходы для моделирования процессов в оптической тканевой оксиметрии. Информационные ресурсы, системы и технологии, (2(12)), 7 (2013).Sveshnikova A. I., Zherebtsov E. A., Dunaev A. V. Information resources, systems and technologies (IRSIS) – No. 2 (12). – 2013. pp. 7.Федотов А. А., Акулов С. А. Математическое моделирование и анализ погрешностей измерительных преобразователей биомедицинских сигналов. Физматлит, Москва (2013).Fedotov A. A., Akulov S. A. Moscow: Fizmatlit, 2013. 282 p.Печень Т. М. Моделирование процесса взаимодействия электромагнитной волны оптического диапазона с кожей человека. Доклады БГУИР, (1(87)), 28–33 (2015).Pezen T. M. Reports of BSUIR. 2015. No. 1(87). pp. 28-33.Рогаткин Д. А., Быченков О. А., Поляков П. Ю. Неинвазивная медицинская спектрофотометрия в современной радиологии: вопросы точности и информативности результатов измерений. Альманах клинической медицины, XVII(1), 83–87 (2008).Rogatkin D. A., Bychenkov O. A., Polyakov P. Yu. Almanac of Clinical Medicine, T. XVII. Part 1. – M.: MONIKI, 2008. – P. 83-87.Хизбуллин Р. Н. Принципы построения трехволнового двухканального лазерного пульсоксиметра. Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль, (2), 90–100 (2022). https://doi.org/10.21685/2307-5538-2022-2-11Khizbullin R. N. Measurements. Monitoring. Control. Control. 2022. No. 2. pp. 90–100. doi:10.21685/2307-5538-2022-2-11.Кореневский Н. А. Биотехнические системы медицинского назначения. ТНТ, Старый Оскол (2013).Korenevsky N. A. Stary Oskol: TNT, 2012. – 688 p.Антипина Т. В., Исаева Е. Е., Шамратова В. Г., Усманова С. Р. Влияние курения на состояние кислородтранспортной системы крови юношей в зависимости от уровня их двигательной активности. Физическая культура, спорт – наука и практика, (1), 78–83 (2019).Antipina T.V., Isaeva E.E., Shamratova V.G., Usmanova S.R. // Physical culture, sport – science and practice. – 2019. – No. 1. – P. 78-83.Исаева Е. Е., Шамратова В. Г. Состояние кислородтранспортной системы организма юношей при табакокурении различной интенсивности. Современные проблемы науки и образования, (4), 522–529 (2014).Isaeva E. E., Shamratova V. G. Modern problems of science and education. – 2014. − No. 4. – pp. 522-529.Карпман В. Л., Белоцерковский З. Б., Гудков И. А. и др. Кардиогемодинамика и физическая работоспособность у спортсменов. Советский спорт, Москва (2012).Karpman V.L., Belotserkovsky Z.B., Gudkov I.A. [etc.]. M.: Soviet sport, 2012. 189 p.Zhang Y. T. Editorial: Health engineering for urgent challenges in cardiovascular disease. IEEE Reviews in Biomedical Engineering, (13), 3–4 (2020). https://doi.org/10.1109/RBME.2019.2959113Y. T. Zhang, IEEE Reviews in Biomedical Engineering, vol. 13., pp. 3–4, 2020, doi:10.1109/RBME.2019.2959113.Буянов Д. А., Шалаев П. В., Монахова П. А., Герасименко А. Ю. Мониторинг оксигенации гемоглобина с помощью прибора NIRS4 и разработанного алгоритма. Известия вузов. Электроника, 29(2), 223–235 (2024). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-2-223-235Buyanov D. A., Shalaev P. V., Monakhova P. A., Gerasimenko A. Yu. Izv. universities Electronics. 2024. T. 29. No. 2. pp. 223–235. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-2-223-235.Авдеев С. Н., Царева Н. А., Мержоева З. М. и др. Практические рекомендации по кислородотерапии и респираторной поддержке пациентов с COVID-19 на дореанимационном этапе. Пульмонология, 30(2), 151–163 (2020). https://doi.org/10.18093/0869-0189-2020-30-2-151-163Avdeev S. N., Tsareva N. A., Merzhoeva Z. M., Trushenko N. V., Yaroshetsky A. I. Pulmonology. 2020; 30 (2): 151–163. DOI: 10.18093/0869-0189-2020-30-2-151-163.Рогаткин Д. А. Физические основы оптической оксиметрии. Медицинская физика, (2), 97–114 (2012).Rogatkin D. A. Lecture. Medical physics. – 2012. – No. 2. – pp. 97-114.Коптев Д. С., Юдин И. С. Оценка фракционной сатурации крови у пилота воздушного судна в условиях влияния динамических полётных факторов. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение, 12(2), 98–120 (2022). https://doi.org/10.21869/2223-1536-2022-12-2-98-120Koptev D. S., Yudin I. S. News of the Southwestern State University. Series: Management, computer technology, computer science. Medical instrumentation. 2022. – 12(2). pp. 98-120. https://doi.org/10.21869/2223-1536-2022-12-2-98-120.Красников И. В., Привалов В. Е., Сетейкин А. Ю., Фотиади А. Э. Распространение оптического излучения в биологических тканях. Вестник СПбГУ, 11(4), 202–217 (2013).Krasnikov I.V., Privalov V.E., Seteykin A.Yu., Fotiadi A.E. // Bulletin of St. Petersburg State University. 2013. No. 11 (4). pp. 202-217.Стерлин Ю. Г. Специфические проблемы разработки пульсовых оксиметров. Медицинская техника, (6), 26–30 (1993).Sterlin Yu. G. Medical technology. – 1993. – No. 6. – P. 26-30.Куксенко С. П., Газизов Т. Р. Итерационные методы решения системы линейных алгебраических уравнений с плотной матрицей. Томский государственный университет, Томск (2007).Kuksenko S. P., Gazizov T. R. Tomsk: Tomsk State University, 2007. – 208 p.Мухин И. Е., Селезнев С. Л., Коптев Д. С. Цифровое устройство контроля физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна: пат. RU 2766756 С1. Изобретения. Полезные модели. № 8 (2022).I. E. Mukhin, S. L. Seleznev, D. S. Koptev // Inventions. Utility models. 2022. No. 8.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.