Тысяча полезных мелочей    

STUDYING THE BLOOD FLOW SIGNAL USING PHOTOPLETHYSMOGRAPHY

STUDYING THE BLOOD FLOW SIGNAL USING PHOTOPLETHYSMOGRAPHY

Alekseev V.A. Hamdan S. Yuran S.I. Статья в формате PDF 361 KB There are several methods for studying cardiovascular system, as ultra sound, impedance plethysmography, electro-cardiograph and photoplethysmography, in this study we developed method photoplethysmography, that it has a small valium, it is easy to build and the out put signal doesn´t effect in the gravitation. The photoplethysmography (PPG) has used for hart-rate meter and oximetry. PPG has developed to be used for early cardiovascular diagnostics.

A sensor unit for non-invasive detection and ***ysis of the pulsating blood flow waveforms by means of the reflective single-period photoplethysmography (SPPPG) technique has been designed and clinically tested. The sensor is operated jointly with any standard PC, by connecting the sensor head to the AD-card and using a separate hard disc with the signal processing software; all circuits are feeded by the PC power supply. After processing, normalized shape of the mean SPPPG signal and its parameters are calculated and displayed; the measurement/processing time does not exceed 2 minutes. The clinically detected SPPPG signal shapes and corresponding parameters are presented and discussed. The preliminary results confirm good potential of this sensing approach for fast and patient-friendly early cardiovascular diagnostics.

1. INTRODUCTION

Photoplethysmography (PPG) is a non-invasive method for studies of the blood volume pulsations by detection and temporal ***ysis of the tissue-scattered absorbed optical radiation. Blood pumping and transport at different body locations - fingertip, earlobe, forehead, forearm, etc. - are monitored with simple and convenient PPG contact sensors.

When the tissue is illuminated by visible or near-infrared radiation, heartbeat-period changes in the transmitted and scattered optical signal levels can be recorded by means of the photoplethysmographic (PPG) sensors [1] (see Fig. 1). The PPG signals are originated by absorption of optical radiation by the pulsating blood volume, therefore they contain clinically valuable information on the blood pumping and transport conditions in living body.

Fig. 1. Placement of optical Devices

A number of transmission-type finger and earlobe PPG devices for monitoring of heartbeat rate and tissue blood supply have been designed and routinely used. Advanced designs of the back-scattering or reflection-type PPG sensors [2] are of increased interest today, mainly thanks to the their clinically more convenient one-touch operation mode. However, the reflected PPG signals are weaker and therefore more noisy, than the transmitted ones.

Full and clear clinical interpretation of all components of the PPG signals is still problematic. Qualitatively, one can assume that the initial part of the detected heartbeat signal (raising front and systolic peak) mainly reflects the heart condition and activity, while the following part of a pulse is generally determined by elasticity and other features of the vascular system (see Fig. 2).

Fig. 2. PPG signal

PPG signals are not strictly repeating and periodical, there are slight fluctuations of the signal amplitude, baseline and period [3]. Consequently, the fluctuations take place relatively to some virtually stable mean single-period PPG (SPPPG) signal. This mean signal can be identified by averaging a number of sequent PPG pulses over a time interval longer than 50 seconds (which is the longest fluctuation period [3]). In our project developed technique of the reflected PPG signal accumulation and integrated processing made possible to detect and ***yze the mean SPPPG signals with fairly good accuracy and quality [4, 5]. Following initial results, the mean SPPPG signal shape appears to be a very individual feature for each monitored person; qualitative differences in signal shapes for healthy individuals compared to those for persons with cardio-vascular disorders were observed. Obviously, the SPPPG signal shape contains certain coded information regarding the cardio-vascular state of the patient, and a detailed shape ***ysis eventually might provide clinical data for early cardio-vascular diagnostics in future. To check this opportunity in clinical environment for larger number of patients, more specific sensor design and signal processing technique had to be developed. This paper describes the design and signal processing concepts of developed PPG sensor as well as some results of clinical trials carried out with this device.

2. DESIGN OF THE UNIT

The basic design of the unit is relatively simple. It consists of optical contact probe, bio-signal amplifying/filtering circuit (both powered by a rechargeable battery) and a lap-top computer with specially developed software for AD-conversion, storage, processing and display of the PPG signals. All equipment is placed in a hand-held case .The advanced SPPPG sensor is intended for clinical use in conjunction with any standard PC. Three basic modules are needed for its operation - the sensor head (fingertip probe with amplifier), standard AD-card and a standard hard disk (preferably separate) with the signal processing software and space for storage of the recorded data. Feeding of all electronic circuits is provided by the PS power supply (see Fig.3).

  Tissue         Contact probe              Amplifier                      AD-card     Hard disc    Monitor

Fig. 3. Block-diagram of the optical PPG sensor unit

Block-diagram of the device is presented on Fig. 3. The finger contact probe - sensor head - comprises a continuously emitting diode LED (GaAs, lmax ~ 940 nm) integrated with a photodiode PD (Si, 1 cm2 active area) see Fig.3 and a pre-amplifier chip PA. The pre-amplified PD output signal was passed via a flexible cable to the broadband amplifier and further to the AD-card input. Only the ac component of the photodiode output signal was amplified and further processed; the amplifier provided about 400-fold magnification. Following results of recent study [4], frequency filtering of the remitted PPG signals may cause their shape-deformations, therefore signals of all frequencies were amplified and passed to input of the 12-byte AD-card.

 

Fig. 4. The PPG contact probe

The LED and photodiode of the fingertip probe were down-oriented during the measurements, and additional calibrated load was applied to provide equal pressure force (0.65 N) to the fingertip skin for all monitored patients. The contact probe was placed within a vertical cylindrical capsule, which served simultaneously as a finger-holder, external light shield and sliding guide for the optical probe. The 3rd (middle) finger of left arm was mainly used for the PPG signal recording, and the patients were kept in horizontal position (lying on their back) during the measurements.

3.THE SIGNAL PROCESSING

The signal processing software was stored on a separate hard disk, which served for operation of the sensor device and for storage of the measured and calculated data. The algorithm for integration and averaging of the detected PPG signals [4] was updated following our recent experience, and a service program was added. At the beginning of each trial, a window for entering the monitored patient data (name, age, pathology, etc.) was opened. Then a measurement window with instructions appeared, and after proper placing of the fingertip probe the measurements were started. The data were recorded for 60 - 80 seconds, then the whole PPG signal was stored in the HD memory and processed.

A special algorithm calculated the mean normalized SPPPG signal for the monitored person and the corresponding signal shape parameters (maxims, minims, amplitude ratios, integral area, etc.). Heartbeat rate and arrhythmia could be calculated, as well. All these data appeared on the PC monitor within less than 5 seconds, so the time necessary for the whole procedure normally did not exceed two minutes.

4.THE SOFTWARE PROGRAMING

Special software was developed for the PPG bio-signal acquisition, processing and data storage, offering the following options [5-6]:

  • Filling the first window for patient data - name, age, gender, complains, doctor´s comments, etc.;
  • Pre-setting of the measurement time schedule;
  • The PPG signal registration and display in real time;
  • Signal clean-up (special filtering algorithm) and calculation of the mean single-period PPG (SPPPG) signal shape;
  • Calculation of specific cardio-vascular parameters for the registered signals - heartbeat rate, anacrota rise-time, time delay and relative amplitude of the secondary peak (dycrotic notch), etc.;
  • Display of the corresponding PPG parameter set with subsequent cardio-vascular assessment results;
  • Storage of the measurement/assessment data.

5. THE PPG CONTACT PROBE

The optoelectronic contact probe continuously emits radiation into the under-skin tissues with blood vessels and detects the AC-component of the back-scattered radiation that reflects the blood volume pulsations.

a                                                                                  b

Fig.4. The PPG contact probe (a) and its application for the fingertip monitoring (b)

The probe comprises a GaAs emitting diode (diameter of the emitting area ~2 mm, power ~10 mW, peak wavelength ~940 nm), and a Si photodiode with square detection area ~5x5 mm). Both diodes are closely mounted on a soft plastic pillow and fixed onto the measurement site by means of a sticky band - see Fig. 4,b. The band length is adjusted to the fingertip measurements (Fig. 4, a); however, the band easily can be extended by spare bands, if necessary, so providing possibility to take PPG measurements from different locations of the body, forehead, neck, forearm, knee (Fig. 5).

Fig. 5. Application of the PPG contact probe at forehead, neck, forearm and knee

6. THE MEASUREMENT RESULTS:

SOME EXAMPLES

The developed bio-sensor unit had undergone several tests, and some interesting clinical results were obtained; they will be presented and discussed below. Most of these measurements were taken from the middle fingertip of the left hand.

We observed and recorded several abnormalities of heart function, including partial or total lack of one heartbeat in the cardiac sequence (see fig. 6). Typically, the next heartbeat after the missing one is more intensive than others in the sequence, so obviously the heart is auto-compensating the short-term lack of blood pumping. The monitored persons did not feel any discomfort during the missing heartbeat. This phenomenon was recorded several times, so there was little doubt that both persons had trouble with heart functioning, and they were recommended to visit cardiologist for further investigations.

Consequently, the PPG sensor unit appeared helpful for early warning of cardio-vascular dysfunction, so it seems to have good potential for primary cardio-vascular assessment and early screening of the risk patient groups in future.

                             a                                                                     b

Fig. 6. The observed heartbeat irregularities for two monitored persons

7. SUMMARY

  • A small-size portable PPG sensor device (44×32×9 cm, 4,1 kg, battery-powered) is designed, constructed and tested.
  • The contact probe design provides reliable pulsating blood flow measurements at different sites of the body.
  • Several interesting clinical conditions have been recorded with the device by temporal ***ysis of the PPG signals - heartbeat irregularities, arrhythmic and spasmatic responses to intensive physical exercises, right-left hand fingertip blood flow differences, etc.
  • Shapes of mean SPPPG signals recorded at various locations of the body contain valuable cardiovascular information.
  • The proposed approach and sensor design proved to be suitable for fast primary cardiovascular assessment and early screening.

REFERENCES

  1. A. B. Hertzman. "Photoelectric plethysmograph of the finger and toes in man", Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 37, pp. 1633-1637, 1937.
  2. H. Ugnell. "Phototplethysmographic Heart and Respiratory Rate Monitoring", Ph. D. Thesis No. 386, Linkoping University, 2002.
  3. M. Nitzan, H. de Boer, S. Turivnenko et al. "Power spectrum ***ysis of spontaneous fluctuations in the photoplethysmographic signal", J. Bas. Clin. Physiol. Pharmacol., 5, No. 3-4, pp. 269-276, 1994.
  4. J. Spigulis, U. Rubins. "Photoplethysmographic sensor with smoothed output signals", Proc. SPIE. 3570, 2003, pp. 195-199.
  5. M. Ozols, J. Spigulis. "Acquisition of biosignals using the PC sound card", Proc. Int. Conf. "Biomedical Engineering" (KTU, Kaunas, LT), pp. 24-27, 2001.
  6.  M. Ozols, J. Spigulis. "***og-to-digital conversion of bio-signals by means of the PC sound card", Proc. Baltic Electronics Conference BEC´2002 (TTU, Tallinn, EE), 2002.


ПРОБЛЕМЫ НЕДОБРОВОЛЬНОЙ ГОСПИТАЛИЗАЦИИ И ЛЕЧЕНИЯ БОЛЬНЫХ ШИЗОФРЕНИЕЙ

ПРОБЛЕМЫ НЕДОБРОВОЛЬНОЙ ГОСПИТАЛИЗАЦИИ И ЛЕЧЕНИЯ БОЛЬНЫХ ШИЗОФРЕНИЕЙ Обследовано 65 больных шизофренией, направленных в психиатрический стационар в недобровольном порядке. Установлено, что только 16% из них госпитализируются по Постановлению суда (что составляет 0,46% от всех поступивших больных в течение года), остальные 84% дают согласие на госпитализацию в первые дни пребывания в стационаре. У большинства больных указанного контингента наблюдается выраженная социально-трудовая дезадаптация и низкая комплаентность. Приводятся рекомендации по стратегии и тактике лечения в условиях стационара и внебольничного звена психиатрической помощи, требования к преемственности и особенности диспансерного наблюдения. ...

07 10 2026 9:35:14

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ ТЕРАПИИ РЕВМАТИЗМА

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ ТЕРАПИИ РЕВМАТИЗМА Данная статья освещает современное состояние антибактериальной терапии ревматизма,которая представляется возможной, благодаря появлению новых антибактериальных препаратов (АБП). Затронуты способы борьбы с нарастающей резистентностью микроорганизмов к АБП. ...

06 10 2026 10:34:39

МИРОВОЙ ФИНАНСОВЫЙ КРИЗИС 2008–2009 ГГ.

МИРОВОЙ ФИНАНСОВЫЙ КРИЗИС 2008–2009 ГГ. Статья в формате PDF 294 KB...

05 10 2026 10:26:20

Прогнозирование течения острого панкреатита

Прогнозирование течения острого панкреатита Статья в формате PDF 101 KB...

29 09 2026 12:25:44

ИЛЬМУШКИН ГЕОРГИЙ МАКСИМОВИЧ

ИЛЬМУШКИН ГЕОРГИЙ МАКСИМОВИЧ Статья в формате PDF 293 KB...

26 09 2026 5:41:57

ОБЩИЙ КЛИНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КРОВИ КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТСТРЕССОРНОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ

ОБЩИЙ КЛИНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КРОВИ КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТСТРЕССОРНОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ В предложенной работе экспериментально доказано, что при хроническом стрессе, при нарушенном равновесии симпатического и парасимпатического отделов нервной системы, количество клеток периферической крови, изменяясь, не выходит за пределы нормы. Вегетативный баланс хаpaктеризуется средним арифметическим границ нормальных показателей. Общий клинический анализ крови является показателем функционального состояния и может быть предложен как метод, определяющий эффективность проводимого лечения в постстрессорной реабилитации. ...

25 09 2026 12:11:38

ДИАГНОСТИКА И ЛЕЧЕНИЕ МАСТИТОВ У КОРОВ

ДИАГНОСТИКА И ЛЕЧЕНИЕ МАСТИТОВ У КОРОВ Статья в формате PDF 144 KB...

24 09 2026 8:17:58

МЕТОДИКА ВЫБОРА МЕСТ РАСПОЛОЖЕНИЯ БАНКОМАТОВ

МЕТОДИКА ВЫБОРА МЕСТ РАСПОЛОЖЕНИЯ БАНКОМАТОВ Статья в формате PDF 508 KB...

23 09 2026 17:17:57

ДИФРАКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ

ДИФРАКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ Статья в формате PDF 250 KB...

22 09 2026 3:36:28

НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ КРАНИАЛЬНЫХ БРЫЖЕЕЧНЫХ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ У БЕЛОЙ КРЫСЫ. I. CТРОМАЛЬНАЯ ЗАКЛАДКА

НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ КРАНИАЛЬНЫХ БРЫЖЕЕЧНЫХ ЛИМФАТИЧЕСКИХ УЗЛОВ У БЕЛОЙ КРЫСЫ. I. CТРОМАЛЬНАЯ ЗАКЛАДКА Стромальная закладка краниальных брыжеечных лимфатических узлов происходит у плодов белой крысы 17-18 суток в результате инвaгинации ветвей краниальной брыжеечной и подвздошно-ободочной артерий с окружающей рыхлой соединительной тканью в просвет кишечных лимфатических стволов. ...

21 09 2026 12:51:12

ZOSTERA MARINA КАК БИОНДИКАТОР МОРСКОЙ СРЕДЫ

ZOSTERA MARINA КАК БИОНДИКАТОР МОРСКОЙ СРЕДЫ Статья в формате PDF 99 KB...

19 09 2026 0:52:35

ПСИХИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ И ЭКОЛОГИЯ ЛИЧНОСТИ

ПСИХИЧЕСКОЕ ЗДОРОВЬЕ И ЭКОЛОГИЯ ЛИЧНОСТИ Рассматриваются психические, социальные и личностные компоненты здоровья. Анализируются различия между медицинской (психиатрической) и психологической моделью психического здоровья. Показано, что концепция «позитивного психического здоровья» подходит для оценки личностного здоровья. Важнейшие критерии личностного здоровья – способность выполнять социальные роли и зрелось личности. Исследование психического здоровья личности осуществляется с помощью психологических методик. ...

17 09 2026 14:38:10

ХОЛОДОВАЯ АДАПТАЦИЯ И АДРЕНОРЕЦЕПТОРЫ

ХОЛОДОВАЯ АДАПТАЦИЯ И АДРЕНОРЕЦЕПТОРЫ Получено, что на 30‒й день холодовой адаптации на низкие дозы норадреналина реактивность системного давления больше контроля, а на большие дозы меньше контроля. Реактивность артерий конечности была на все дозы норадреналина меньше контроля. Нами впервые показано, что прессорное действие норадреналина на периферические артерии уменьшается на все дозы после адаптации к холоду, что способствует большему кровотоку и усилению прогрева тканей. Из данной работы следует, что дозированное действие холодного климата может способствовать уменьшению спазма артерий на норадреналин и поэтому, дозированный холод может помогать в лечении гипертонической болезни. ...

09 09 2026 8:34:15

СТАНОВЛЕНИЕ РЕПРОДУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ НОВОРОЖДЕННЫХ

СТАНОВЛЕНИЕ РЕПРОДУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ НОВОРОЖДЕННЫХ Статья в формате PDF 145 KB...

06 09 2026 20:58:19

МЕДИЦИНСКАЯ ПИЯВКА (HIRUDO MEDICINALIS L.) В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ

МЕДИЦИНСКАЯ ПИЯВКА (HIRUDO MEDICINALIS L.) В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ Медицинская пиявка (Hirudo medicinalis L.) относится к классу пиявок (Hirudinea) подклассу настоящих пиявок (Euhirudinea) отряду челюстных пиявок (Ghathobdellidae), роду Hirudo. Более 30 веков она использовалась человеком как лечебное средство. В России велик опыт клинического применения пиявки (гирудотерапия), его расцветом считаются 18-19 века, когда по экспорту пиявки Россия занимала место, равное злаковым культурам, что являлось существенной статьей дохода государственной казны. В статье показаны оптимальные условия среды для обитания медицинской пиявки и возможные лимитирующие факторы ее распространения и численности. Сегодня основной причиной снижения численности пиявки в Краснодарском крае является антропогенный фактор. Так бpaконьерский вылов Hirudo medicinalis привел к сильному подрыву ее популяции в большинстве районов Краснодарского края, по сравнению с серединой 90-х годов, ее численность снизилась до 10 раз. В 2002 г. губернатором Краснодарского края А.Н. Ткачевым было выпущено постановление №955 «Об изучении и сохранении медицинской пиявки на территории Краснодарского края». Важным условием сохранения медицинской пиявки в нашем крае является введение запрета на ее вылов на территории Ростовской области, куда в последнее время сместились рынки нелегальной торговли пиявкой. Идеальным вариантом стал бы запрет на ловлю пиявки во всем Южном федеральном округе и принятие коллективных мер по ее охране. ...

02 09 2026 16:55:40

Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::