Capabilities of photoplethysmography as a method for screening of cardiovascular system pathology

В настоящее время, несмотря на наличие большого спектра диагностических и лечебных мероприятий, патология сердечно – сосудистой системы занимает лидирующие позиции среди причин смертности населения. По данным ВОЗ, в мире ежегодно 17,9 млн. человек (31% от общей смертности) умирает от болезней системы кровообращения [1].

Наряду с привычными общеклиническими и инструментальными методами диагностики, появляется все больше исследований, направленных на выявление предикторов заболеваний системы кровообращения. К данным предикторам относят вегетативную дисфункцию, чаще всего выражающуюся в повышенной активности симпатического отдела вегетативной нервной системы и увеличении частоты сердечных сокращений (ЧСС) в покое [2-6]. Высокая ЧСС приводит к снижению времени диастолического наполнения левого желудочка, его гипертрофии и ишемии миокарда, нарушению гемодинамики, повреждению эндотелия сосудов, снижению синтеза коллагена сосудистой стенки, увеличению ее жесткости, нарастанию базального тонуса сосудов и повышению артериального давления [7-12]. Показано, что высокая жесткость артериальной стенки коррелирует с повышенным сердечно – сосудистым риском по Фрамингемской шкале [13]. В связи с этим, раннее выявление вегетативной дисфункции является перспективным направлением современной кардиологии.

В настоящее время существует два основных способа определения состояния вегетативной нервной системы: прямой (инвазивный) и косвенный (неинвазивный). К прямому способу можно отнести определение мышечной симпатической активности периферических нервов и определение количества норадреналина, выделенного симпатическими нервными окончаниями сердца и почек [14-16]. К косвенному относят определение вариабельности сердечного ритма (ВСР) и оценку кровенаполняемости капилляров периферического сосудистого русла [17-18]. Ключевым этапом непрямых методик является анализ сердечных сокращений. Оценку ВСР проводят посредством анализа кардиоинтервалограмм (последовательность RR-интервалов ЭКГ), а также пульсограмм (выделение ритма сердечных сокращений из различных сигналов, характеризующих периферический кровоток). В частности, одним из методов оценки кровенаполняемости периферического сосудистого русла является фотоплетизмография. Запись фотоплетизмограммы (ФПГ) осуществляется посредством пульсоксиметрического датчика в дистальном сосудистом русле с применением оптического метода, основанного на отражающей способности форменных элементов крови [19]. Расположение датчиков может варьироваться: на дистальных фалангах пальцев, мочке уха, на запястье, не лбу [20].

Для определения колебаний кровотока в дистальном сосудистом русле существует несколько разновидностей датчиков ФПГ. В зависимости от принципов работы датчиков ФПГ существует два типа: пропускание света через определенную часть тела или отражение от нее [21]. В зависимости от длины волны излучаемого света и его проникающей способности, в основном, применяют два типа датчиков: инфракрасный светодиод, обладающий большей проникающей способностью (используется в большей степени для определениях объема крови)  и зеленый светодиод (может применяться для расчета поглощения кислорода гемоглобином) [22-23].

Несмотря на то, что ВСР имеет большую популярность в клинической практике, при помощи данного метода возможно дать оценку лишь вегетативной регуляции деятельности сердечно – сосудистой системы. И напротив, согласно данным литературы, возможности ФПГ имеют более широкий спектр, относительно прост для технического воспроизведения, экономичен, быстр в  исполнении и эргономичен. Известно, что сигнал ФПГ состоит из двух компонентов: пульсирующий (AC – компонент) и квазипульсирующий (DC– компонент).AC – компонент сигнала ФПГ связан с изменениями объема крови внутри артерий, является синхронным с сердцебиением и позволяет судить о ЧСС. Возможность оценки ЧСС лежит в основе создания различных интеллектуальных устройств (мобильные приложения, smart-часы, фитнес-браслеты) с функцией ФПГ, способных диагностировать нарушения сердечного ритма, например, фибрилляцию предсердий [24].

DC –  компонент характеризует базальный (основной) объем крови в сосудистом русле, жесткость сосудов, дыхательные влияния, воздействие симпатической нервной системы и терморегуляцию [25-27]. Иными словами, при помощи данного метода возможно диагностировать атеросклеротическое поражение стенок артерий, изменение жесткости сосудистой стенки в связи с возрастными изменениями за счет замедления скорости пульсовой волны [28-29]. Может быть использован в качестве диагностического метода для диагностики синдрома Рейно как одного из критериев системной склеродермии [30]. Кроме того, возможно также определение уровня оксигенации крови путем спектрофотометрического анализа света, проходящего через мягкие ткани, основанного на отражающей способности гемоглобина крови [31].

Особый интерес в последние годы набирает ранняя диагностика болезней органов кровообращения среди бессимптомных пациентов. Как уже было отмечено ранее, ФПГ позволяет косвенно выявить нарушения вегетативной регуляции путем оценки спектра сигналов ФПГ. Известно, что в дистальном сосудистом русле выявляются периодические колебания различных частот: высокочастотные (HF, характеризуют преимущественно дыхательные влияния), низкочастотные (LF, отражают симпатическое воздействие)  и очень низкочастотные (VLF, отражают собственную миогенную и эндотелиальную регуляцию) [32]. Нарушение соотношений данных компонентов спектра, согласно данным литературы, может свидетельствовать о наличии вегетативной дисфункции даже у бессимптомных пациентов. Так в недавнем исследовании, посвященном оценке относительных значений низкочастотных и высокочастотных компонентов спектра ФПГ (LF% и HF % соответственно) у пациентов с артериальной гипертензией и ишемической болезнью сердца, были выявлены значимые  изменения соотношений данных показателей по сравнению со здоровыми: возрастание вклада HF%, снижение LF%, и снижение симпато - вагального индекса (LF/HF) [33].

Оценка спектральных характеристик сигнала ФПГ целесообразна у пациентов в период реабилитации, у здоровых лиц, а также у спортсменов при проведении различных функциональных проб (тилт-тест, проба Мартине – Кушелевсого). Данные пробы позволяют констатировать ряд изменений связи между LF и HF компонентами сигнала ФПГ. А именно, имеются сведения об изменениях силы и направлении связи, что характеризует динамическое взаимодействие компонентов вегетативной регуляции в условиях умеренной физической нагрузки и позволяет оценивать адаптационные резервы организма человека. [34-35].

 Диагностические возможности ФПГ не ограничиваются лишь системой кровообращения и дыхания (путем оценки сатурации крови и спектральных характеристик). Так выявляемые LF- колебания в дистальном сосудистом русле также хорошо коррелируют с сигналами электрогастроэнтерографии и отражают моторную функцию желудка [36]. Кроме того, выявленные посредством регистрации ФПГ нарушения регуляции в периферическом кровообращении показывают высокую корреляцию с развитием первичного билиарного цирроза [37].

Помимо ФПГ, общепризнанным методом оценки спектральных показателей считают лазерную доплеровскую флуометрию (ЛДФ) [38]. При вейвлет-корреляционном анализе Спирмена была показана высокая корреляция между сигналами ЛДФ и ФПГ, особенно в низких частотах, характеризующих нейрогенную, собственно миогенную и эндотелиальную функцию, и несколько ниже в частотах сердечной и дыхательной деятельности. Данный факт позволяет использовать ФПГ в качестве альтернативного более простого в воспроизведении, но не уступающего ЛДФ, метода исследования физиологических процессов, характеризуемых колебаниями в дистальном сосудистом русле [38].

Тем не менее, ФПГ является достаточно чувствительным методом к «внешним» факторам: разная жесткость сосудистой стенки, различная толщина кожи пациента, температурные условия  и т.д., что сказывается на проникающей и отражающей способности проходящего света и может влиять на результаты исследования. В связи с этим, точность выделения ритма сердца из сигнала ФПГ, а также стандартизация полученных сигналов остается нерешенным техническим вопросом [20].

Резюмируя все вышесказанное отметим, что методика ФПГ имеет широкий спектр возможностей и областей применения в практической медицине: в кардиологии, пульмонологии, гастроэнтерологии, ревматологии, сосудистой хирургии, спортивной медицине и реабилитологии.

Относительная простота технического воспроизведения, экономичность, быстрота исполнения и компактность оборудования позволяют использовать данную методику как в лечебном учреждении в качестве массового скринингового диагностического метода, так и в качестве персонального мониторинга, встроенного в интеллектуальные устройства (мобильные приложения, smart-часы, фитнес-браслеты).

Однако существуют некоторые ограничения в применении данного метода: разнообразие датчиков ФПГ,  индивидуальные особенности организма пациента. Все это создает трудности для стандартизации полученных результатов и остается открытым вопросом.

Конфликт интересов

Исследование выполнено в рамках научной работы «Разработка технологии скрининга статуса здоровья на основе оценки нелинейных биофизических свойств процессов регуляции кровообращения для мероприятий первичной профилактики хронических сердечно – сосудистых заболеваний», выполняемой в ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России в соответствии с государственным заданием Минздрава России на 2019-2021 гг. (анализ данных) и гранта Президента Российской Федерации МД-418.2019.7 (клинический эксперимент).