Математическая модель и устройство неинвазивной диагностики уровня фракционной сатурации крови

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.

1. Хизбуллин Р. Н. Оптический двухканальный пульсоксиметр на основе лазерных датчиков для решения актуальных задач в медицинской практике. ФОТОНИКА, (1), 144–157 (2017). https://doi.org/10.22184/1993-7296.2017.61.1.144.157

2. Федотов А. А., Акулов С. А. Измерительные преобразователи биомедицинских сигналов систем клинического мониторинга. Радио и связь, Москва (2013).

3. 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).

4. Федотов А. А., Акулов С. А. Математическое моделирование и анализ погрешностей измерительных преобразователей биомедицинских сигналов. Физматлит, Москва (2013).

5. Печень Т. М. Моделирование процесса взаимодействия электромагнитной волны оптического диапазона с кожей человека. Доклады БГУИР, (1(87)), 28–33 (2015).

6. 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).

7. Хизбуллин Р. Н. Принципы построения трехволнового двухканального лазерного пульсоксиметра. Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль, (2), 90–100 (2022). https://doi.org/10.21685/2307-5538-2022-2-11

8. Кореневский Н. А. Биотехнические системы медицинского назначения. ТНТ, Старый Оскол (2013).

9. 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).

10. Исаева Е. Е., Шамратова В. Г. Состояние кислородтранспортной системы организма юношей при табакокурении различной интенсивности. Современные проблемы науки и образования, (4), 522–529 (2014).

11. Карпман В. Л., Белоцерковский З. Б., Гудков И. А. и др. Кардиогемодинамика и физическая работоспособность у спортсменов. Советский спорт, Москва (2012).

12. 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.2019.2959113

13. 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/10.24151/1561-5405-2024-29-2-223-235

14. 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/10.18093/0869-0189-2020-30-2-151-163

15. Рогаткин Д. А. Физические основы оптической оксиметрии. Медицинская физика, (2), 97–114 (2012).

16. 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/10.21869/2223-1536-2022-12-2-98-120

17. 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).

18. Стерлин Ю. Г. Специфические проблемы разработки пульсовых оксиметров. Медицинская техника, (6), 26–30 (1993).

19. Куксенко С. П., Газизов Т. Р. Итерационные методы решения системы линейных алгебраических уравнений с плотной матрицей. Томский государственный университет, Томск (2007).

20. 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).