Глубокий

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9311 (2023) Цитировать эту статью

67 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Недавно в нескольких исследованиях были предложены методы измерения артериального давления (АД) без манжеты с использованием сигналов пальцевой фотоплетизмограммы (ППГ). В этом исследовании представлена ​​новая система оценки АД, которая измеряет сигналы ФПГ под прогрессирующим давлением пальца, что делает систему относительно устойчивой к ошибкам, вызванным положением пальца при использовании осциллометрического метода без манжеты. Чтобы уменьшить ошибки, вызванные положением пальца, мы разработали датчик, который может одновременно измерять многоканальный PPG и передавать сигналы в широком поле зрения (FOV). Мы предлагаем алгоритм, основанный на глубоком обучении, который может научиться фокусироваться на оптимальном канале PPG из многоканального PPG, используя механизм внимания. Погрешности (ME ± STD) предложенной многоканальной системы составили 0,43 ± 9,35 мм рт. ст. и 0,21 ± 7,72 мм рт. ст. для САД и ДАД соответственно. В результате обширных экспериментов мы обнаружили значительную разницу в производительности в зависимости от места измерения PPG в системе оценки АД с помощью давления пальца.

Самый точный метод измерения артериального давления (АД) предполагает использование медицинского катетера1, при котором АД измеряется непосредственно путем введения катетера в артерию. Этот метод пригоден для длительного наблюдения за изменениями АД у пациентов, поступивших в отделения интенсивной терапии (ОРИТ). Однако существует риск заражения из-за его инвазивного характера2. Неинвазивные методы измерения АД включают манжеточные3 и безманжеточные методы. В методах измерения АД с использованием манжеты используется электронный сфигмоманометр, и они широко признаны золотым стандартом, поскольку могут обеспечить относительно высокую точность. Более того, пользователи могут легко измерить АД дома без помощи медицинского персонала4. Однако есть недостатки, заключающиеся в том, что пользователь чувствует дискомфорт из-за приложенного давления. Кроме того, электронный сфигмоманометр нелегко переносить.

Недавно в нескольких исследованиях были предложены методы измерения АД без манжеты5,6, в которых АД прогнозируется с использованием различных биомедицинских сигналов, таких как фотоплетизмограмма (ФПГ) и электрокардиограмма (ЭКГ). Время прохождения импульса (PTT) или время прибытия импульса (PAT) можно рассчитать, используя одновременно измеренные сигналы PPG и ЭКГ5. Они рассчитываются с использованием разницы во времени между пиками двух сигналов, измеренных датчиком в двух разных точках артерии. Хотя в нескольких исследованиях использовалась корреляция между PTT или PAT и АД6,7 для прогнозирования АД, они не подходят для мобильных устройств, таких как смартфоны или умные часы, поскольку для измерения сигналов ФПГ и ЭКГ требуются два датчика в разных местах. Одним из способов преодоления этого недостатка является прогнозирование АД с использованием анализа пульсовой волны (PWA) на основе сигналов PPG. Сигнал PPG представляет собой периодический сигнал пульсовой волны, который коррелирует с сердечно-сосудистой системой. Поэтому некоторые исследователи извлекли искусственные характеристики, такие как высота и ширина пульсовой волны, и использовали их для прогнозирования АД8. Однако получение точных инженерных характеристик является сложной задачей, поскольку характеристики сердечно-сосудистой системы различаются у разных людей из-за таких факторов, как возраст, заболевание и принимаемые лекарства9.

Недавно Муккамала и др. предложили измерять АД на смартфоне с помощью метода давления пальца10, который оценивает АД, используя изменение оболочки ППГ во время сужения кровеносных сосудов, вызванное постепенным увеличением давления пальца на датчик ППГ. Однако, поскольку в датчике используется одноканальный PPG, на точность прогнозирования АД может существенно влиять положение пальца на датчике PPG.

В этом исследовании мы предлагаем новый подход к оценке АД без манжеты. Результаты данного исследования включают два основных аспекта. Во-первых, мы разработали датчик, который может получать многоканальные сигналы PPG с разными длинами волн, используя метод давления пальца, аналогичный тому, который использовал Муккамала и др.10. Предлагаемый датчик PPG одновременно измеряет многоканальные сигналы PPG и сигнал давления пальца, в то время как кончик пальца испытуемого постепенно подает давление на датчик в течение 40 с. Измеренные многоканальные сигналы PPG и давления в пальцах представляют характеристики прогрессивного давления и имеют характеристики, аналогичные характеристикам сигналов осциллометрических волн (OMW) и сигналов давления в манжете, используемых в методах измерения АД с использованием манжеты. Более того, ожидается, что многоканальное расширение измерения сигнала PPG уменьшит изменение положения пальца на датчике PPG. Во-вторых, мы предложили систему оценки АД на основе глубокого обучения, использующую многоканальные сигналы PPG и давления пальцев. Предлагаемая система прогнозирования АД на основе глубокого обучения состоит из двух частей. Во-первых, была разработана модель на основе сверточной нейронной сети (CNN), которая извлекает специфические для канала характеристики для оценки АД из многоканальных PPG и сигналов давления пальцев. Во-вторых, была предложена многоканальная сеть внимания для повышения точности оценки АД, которая объединила скрытые функции, полученные от одноканальных оценщиков АД, для создания новой функции, взвешенной по вниманию. Комбинированная функция впоследствии использовалась для окончательной оценки АД.