Целью данной публикации является ознакомление читателей с новейшими достижениями в области машинного зрения, примененных к окклюзионной плетизмографии.
В отличие от традиционных механических окклюзионных плетизмографов, где измерение объема производится с помощью рабочей измерительной среды (газа или жидкости), данный метод использует лазерные метки для регистрации изменений объема. Фиксация и анализ этих изменений осуществляется с помощью технологий машинного зрения и последующей компьютерной обработки.
Использование лазерных технологий машинного зрения в окклюзионной плетизмографии открывает новые перспективы для диагностики. Оно позволит проводить многократные измерения в различных условиях, включая воздействие на исследуемую конечность теплом, холодом, физической нагрузкой и т.д. Это, в свою очередь, обеспечит более полное и точное представление о состоянии кровеносных сосудов в динамике.
В современной медицинской практике для диагностики внутренних заболеваний, связанных с кровообращением и тонусом сердечно-сосудистой системы, широко используются методы окклюзионной плетизмографии.
Данный метод предназначен для измерения динамических изменений объёма исследуемой части тела при перекрытии венозного оттока (окклюзии). С помощью окклюзионной плетизмографии можно определить такие параметры сердечно-сосудистой системы, как объемная скорость кровотока, венозная емкость и венозный тонус.
Для измерения объема исследуемой конечности в мировой практике используются специальные устройства – плетизмографы. В них для создания окклюзии применяется манжета, накладываемая на конечность ближе к центру тела. Существуют четыре основных способа окклюзионной плетизмографии, которые различаются по методу измерения объема исследуемой конечности:
- механический (жидкостный или пневматический), при котором исследуемая часть тела помещается в герметичную камеру, а колебания объема регистрируются по уровню воды или изменению объема воздуха в герметичной манжете;
- электрический (импендансная плетизмография или реография), отражающий динамику электропроводности в зависимости от степени кровенаполнения;
- тензометрический, основанный на использовании проводящей эластичной петли, охватывающей исследуемую конечность, у которой в зависимости от натяжения меняется электрическое сопротивление;
- оптический (фотоплетизмография), основанный на изменении оптической плотности тканей при циркуляции крови.
Несмотря на широкое применение в медицине, механическая, жидкостная и пневматическая окклюзионная плетизмография имеют ряд существенных недостатков. К ним относятся:
- Низкая практичность и трудоемкость работы, обусловленные необходимостью герметизации исследуемой области тела манжетой.
- Быстрый износ прибора и невозможность быстрого перенастройки для измерения объемов различных участков тела.
- Сдавливающее воздействие измерительной манжеты, которое вносит значительную погрешность в результаты.
Электрическая, тензометрическая окклюзионная плетизмография и фотоплетизмография, измеряющие не динамические изменения объема конечности, а сопутствующие параметры (например, электрический импеданс или интенсивность света), также характеризуются повышенной погрешностью из-за зависимости результатов от множества факторов (уровень сахара в крови, давление, оксигенация, тонус сосудов и др.).
Развитие технологий производства светоизлучающих и фотоприемных элементов в лазерной оптике позволило создать новое оборудование для измерения объема конечности, объемной скорости кровотока, венозной емкости и венозного тонуса методами механической окклюзионной плетизмографии без использования герметизируемой камеры. Диагностика колебаний объема в конечности может осуществляться бесконтактно с помощью лазерных маркеров машинного зрения и последующей компьютерной обработкой сигналов.
Авторы работы разработали окклюзионный плетизмограф, основанный на машинном зрении. Данный подход представляет собой перспективное направление в окклюзионной плетизмографии, отличающееся принципиально новым способом детекции колебаний объема конечности. Вместо механического сдавливания используется цифровая или интеллектуальная камера с последующей компьютерной обработкой изображения.
Такая методика обладает рядом преимуществ:
- Простота и удобство эксплуатации.
- Отсутствие необходимости герметизации конечности.
- Существенное снижение погрешности измерений.
- Повышенная чувствительность к изменениям объема конечности.
В основе предлагаемого окклюзионного плетизмографа машинного зрения лежит принцип работы, аналогичный механической окклюзионной плетизмографии. Устройство оснащено специальной окклюзионной манжетой, которая сдавливает венозные сосуды исследуемой конечности, перекрывая отток крови. При этом поступление крови в конечность продолжается по артериальным сосудам.
Таким образом, использование машинного зрения в окклюзионной плетизмографии открывает новые возможности для более точных и удобных измерений объема конечностей.
В отличие от механических плетизмографов, оптические модели не оказывают воздействия на исследуемую область конечности, что способствует минимизации погрешностей измерений.
Герметичная манжета с трансмиссионной средой, характерная для механических плетизмографов, заменена в оптической конструкции лазерными диодами, расположенными по всему периметру корпуса прибора. Лазерные излучатели проецируют маркеры (линии, сетки и др.) на поверхность исследуемой конечности, позволяя определить её геометрическую форму.
Положение этих маркеров регистрируется видеокамерой, а специализированное программное обеспечение восстанавливает геометрические параметры конечности. Изменения положения и размеров лазерных меток используются для расчета изменений объёма конечности.
Окклюзионный плетизмограф машинного зрения
При изменении объема конечности, вызванном окклюзией, система лазерных меток фиксирует эти изменения и преобразует их в плетизмограмму. Данная плетизмограмма отображает ключевые параметры кровотока, такие как объемная скорость, венозный отток, венозный тонус и другие показатели. Оценка изменений объема может проводиться как путем измерения площади сечения конечности с помощью одной линейной лазерной метки, так и путем измерения объема всей конечности с использованием сетчатой структуры лазерных меток.
Разработанный окклюзионный плетизмограф машинного зрения обладает рядом преимуществ:
- Прямые измерения динамических изменений объема конечности, что позволяет определить объемную скорость кровотока, венозную емкость и венозный тонус.
- Отсутствие внешнего сдавливания исследуемого участка конечности, что расширяет область применения данного метода, повышает точность измерений и делает процедуру более комфортной для пациента.
- Возможность проведения измерений без перенастройки для различных конечностей.
- Простота и удобство эксплуатации.
Применение такого устройства предоставляет врачам возможность проводить диагностику многократно в различных условиях (например, при воздействии тепла, холода или физической нагрузки), что позволяет получить более полную и точную картину состояния кровеносных сосудов в динамике.
Авторы предлагают вниманию читателей разработанный ими окклюзионный плетизмограф машинного зрения, который характеризуется прямыми измерениями объема конечности, надежностью работы и высокой точностью измерений.
Появление на рынке медицинских устройств плетизмографов нового поколения открывает перед врачами новые возможности для получения детальной и точной информации о состоянии кровеносных сосудов в динамике. Разработанный метод измерения объема конечности представляет собой инновационное решение, не имеющее аналогов в мировой практике.
Применение технологий машинного зрения в плетизмографии может быть расширено на устройства для исследования всего тела, а также использовано при анализе функций внешнего дыхания и minute volume кровообращения.
В окклюзионном плетизмографе с использованием машинного зрения исключается необходимость механического сдавливания исследуемого участка конечности. Это достигается за счет применения лазерных технологий, что позволяет существенно расширить область применения окклюзионной плетизмографии, повысить точность измерений и сделать процедуру более комфортной для пациента.
Оптический плетизмограф не требует перенастройки измерительного узла, что обеспечивает оперативность работы и возможность проведения исследований на различных конечностях. В отличие от механических аналогов, оптический плетизмограф не нуждается в дополнительных приспособлениях и расходных материалах.
Принцип работы оптического плетизмографа аналогичен механическому, за исключением того, что рабочая измерительная среда (газ или жидкость) заменена лазерными метками. Фиксация изменений объема производится с помощью машинного зрения и последующей компьютерной обработки данных.
Литература
- Лебедев П.А., Калакутский Л.И., Власова С.П. Гор- лов А.П. Фотоплетизмография в оценке эластических свойств и реактивности переферических артерий // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. № 1. С. 31–36.
- Гуревич М.И., Соловьев А.И., Литовченко Л.П., Доломан Л.Б. Импедансная реоплетизмография. Киев: Наукова думка, 1982. 166 с.
- Ройтберг Г.Е., Струтынский А.В. Внутренние болезни. Лабораторная и инструментальная диагностика. М.: МЕДпресс-информ, 2011. 800 с.
- Савченко Н.Е., Сидоренко Г.И., Полонецкий Л.З. Реогра- фия (импедансная плетизмография). Минск: Беларусь, 1978. 158 с.
- Скардс Я.В., Витолс А.Я. Гибкий онкометр для определения объема кровотока предплечья и голени методом венозной окклюзионной плетизмографии // Физиол. журн. СССР. 1974. № 10. С. 16–18.
- Старшов А.М., Смирнов И.В. Реография для профессионалов. Методы исследования сосудистой системы: пособие для врачей. М.: БИНОМ, 2003. 80 с.
- Физиология человека. 3-е изд. / под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. М.: Мир, 2005. Т. 2. 314 с.
- Щуров В.А., Долганова Т.И. Оценка периферической гемодинамики с помощью метода окклюзионной плетизмографии: методические рекомендации. Курган: МЗРФ РНЦ «ВТО», 1990. 21 с.
- Hallböök T., Mansson B., Nilsén R. A strain gauge plethysmograph with electrical calibration // Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation. Vol. 25, № 4. P. 413–418.
- Hokanson D.E., Sumner D.S., Strandness D.E. An Electrical- ly Calibrated Plethysmograph for Direct Measurement of Limb Blood Flow // Biomedical Engineering, IEEE Transac- tions on. 1975. BME-22. Is. 1. P. 25–29.
- Pallares L.C., Deane C.R., Baudouin S.V., Evans T.W. Strain gauge plethysmography and Doppler ultrasound in the measurement of limb blood flow // European J. Clin. 1994. № 24. P. 279–286.
- Zierler R.E. Doppler techniques for lower extremity arterial diagnosis // Herz. 1989. 14, № 2. P. 126–133.
