Sirdsdarbības un asinsrites optiskā monitoringa metodes un ierīces

1. sadaļas mērījumi tika veikti Paula Stradiņa klīniskajā universitātes slimnīcā Dr. Induļa Kukuļa uzraudzībā. Mērījumi tika veikti 2 sērijās. Pirmā mērījuma sērija bija no 2007. gada 3. marta, līdz tā paša gada 1. jūnijam (neskatoties uz projekta sākuma aizkavēšanos). Otrā mērījumu sērija sākās 2007. gada 15. septembrī un turpinājās līdz 2007. gada 17. decembrim.

Pirms mērījumu veikšanas, pacients tika apsēdināts krēslā un uzlikti sensori. Pēc tam tika noskaidrota informācija par pacientu, tādā veidā ļaujot viņam nomierināties. Tālāk tika mērīts pacientam asinsspiediens ar manšeti. Kopumā pirms mērījuma sākšanas, pacientam tika dots apmērām 3 – 5 minūtes lai nomierinātos. Pēc tam sākās mērījums. Mērījumi tika veikti 3 stadijās – sēdus/stāvus/sēdus, katrā no tām pavadot 1 minūti. Pēc šīm trijām minūtēm tika veikts atkārtots mērījums. Pacienti, kuri bija tikko pēc operācija, vai arī citu iemeslu dēļ bija grūtības nostāvēt, 3 minūtes mierīgi sēdēja.

Kopumā mērījumi tika veikti 128 pacientiem, no tiem 22 bija sievietes un 106 bija vīrieši. Daži pacienti tika mērīti atkārtoti pēc operācijas. Kopumā atkārtoti mērījumi tika veikti 8 pacientiem.

Sievietes:

• Sieviešu vecums ir no 51 gada līdz 86 gadiem.
• Auguma intervāls ir 150 – 172 cm
• Svars 53 – 108 kg.

Vīrieši:

• Vecums  31 - 83 gadi
• Augums 150 – 190 cm
• Svars 52 – 120 kg.

Mērījumi tika veikti pacientiem ar dažādiem simptomiem. Dažiem pacientiem ir vairākās kaites, tapēc viņi parādās vairākās grupās.

1. Sirds konorārās slimības – 36 pacienti. Pārsvarā bija pacienti ar KSS (koronārā sirds slimība), MI (miokarda infarkts), MA (mirdzaritmija), kā arī vēl dažādas sirds kaites.
2. Oklūzijas pacienti – 81 pacienti. Galvenās problēmas ar kājām, abām. Pataloģijas ir gan iegurnī, gan cirksnī. Vairāki pacienti ir jau bijuši atkārtotu reizi slimnīcā ar šīm problēmām.
3. Kororīdās artērijas oklūzija – 12 pacienti, Pārsvarā ir Arteria carotis labajā vai kreisajā pusē, ir pacienti kam abās pusēs.
4. Asinsvadu protēzes – 4 pacienti. Ir šuntēti asinsvadi, kā arī vienam pacientam ir bijusi “bikses” protēze, tas ir aortas protēzē vēderā, kas  aiziet uz abām kājām.
5. Cukurslimība – 7 pacientiem (2 aizdomas). Šos datus sāka vākt tikai 2 mērījumu periodā (15.10..2007 – 5.11.2007).
6. Dažādi – Vienam pacientam bija amputēta kreisā kāja.

Datu uzkrāšanai un analīzei tika izstrādāta datu bāze SQL vidē. Izveidota relāciju datu bāzes struktūra saskaņā ar biosignālu datu struktūru, pacientu datu un mērījumu protokolu. Datu bāzes struktūra tika izstrādāta tā, lai būtu pielāgota klīnisko datu mērījumiem. Tā sevī iekļauj sekojošus datus:

1. Fotopletizmogrāfa iekārtas dati. Tie ir iekārtas tips, konfigurācija, vienlaicīgi mērāmo signālu skaits;
2. Pacientu personas dati – vecums, dzimums, augums, svars, pacienta tips, slimības vēsture;
3. Mērījumu veikšanas protokols. Tas ir atkarīgs no tā, kādā secība veic mērījumus, ķermeņa stāvokļa, fiziskās slodzes, zāļu saņemšanas u.c. faktoru secības;
4. Biosignāli – ciparu formāta dati, kas glabājas atsevišķos failos.
5. No biosignāliem aprēķinātie lielumi ir parametri, kas raksturo konkrēto biosignālu. Šie parametri ir atkarīgi no konkrētā indivīda asinsrites veselības stāvokļa un ir sekojoši: Augmentācijas indekss, refleksijas indekss, pulsa cikla ilgums, atstarotā viļņa izplatīšanās laiks.

Biosignālu mērījumi tika veikti sēdus/stāvus/sēdus stāvokļos, 1 minūti katrā stāvoklī. Katrā mērījumā pacienta personas dati, slimības vēsture un biosignāli tika noglabāti atsevišķos failos. Vēlāk šie dati tika importēti datu bāzē.

1.attēlā redzami divkanālu PPG biosignāli, kas mērīti vienlaicīgi no auss un rokas pirksta. 2.attēlā redzamas vienperioda PPG biosignāla formas veseliem cilvēkiem un kāju artēriju oklūziju slimniekam.

1.attēls. PPG biosignāls, kas mērīts no auss un rokas pirksta. Vesels vīrietis, 35 gadi.

2.attēls. (a) vesela cilvēka (35 gadi), (b) vesela cilvēks (66 gadi) un (c) kāju artēriju oklūziju slimnieka (65 gadi) vienperioda PPG biosignāla formas.

Tika izstrādāts speciāls algoritms, kas katram biosignālam aprēķina asinsrites parametrus. Algoritma pamatā ir PPG signāla analīze, kas balstīta uz asinsrites dinamikas likumsakarībām. Parasti vienā mērījumā biosignāls sastāv no 60-100 sirdsdarbības cikliem, un katrā sirdsdarbības ciklā tiek aprēķināti sekojoši parametri: 1)augmentācijas indekss, 2)refleksijas indekss, 3)pulsa cikla ilgums, 4)atstarotā viļņa izplatīšanās laiks. Minētie parametri katrā sirdsdarbības ciklā ir atšķirīgi. Starp šiem parametriem visā mērījumu laikā ir novērojamas likumsakarības, pie kam tās ir atšķirīgas veselo cilvēku grupām un sirds-asinsvadu slimniekiem.

3.attēlā redzami grafiki, kas attēlo korelācijas starp dažādiem asinsrites parametriem un to standartnovirzēm. Grafikos izdalītas trīs pacientu grupas. Ar zilu līniju apvilkta veselo cilvēku grupa no 18-35 g., ar zaļu līniju apvilkta veselo cilvēku grupa no 60-80 g., ar sarkanu līniju apvilkta sirds-asinsrites slimnieku grupa (kurā ietilpst 5 apakšgrupas).

3. attēls. Korelāciju analīze trijām pacientu grupām. Katrs punkts attēlo konkrētu pacientu.

(a) refleksijas indeksa atkarība no augmentācijas indeksa, (b) augmentācijas indeksa standartnovirzes atkarība no augmentācijas indeksa, (c) atstarotā viļņa izplatīšanās laika atkarība no pulsa cikla ilguma, (d) atstarotā viļņa izplatīšanās laika standartnovirzes atkarība no atstarotā viļņa izplatīšanās laika

2. sadaļas izpildē tika plānots izstrādāt fotopletizmogrāfijas ierakstīšanas metodi ierobežotā asins tilpumā apjomā laboratorijas dzīvniekiem (vardēm, žurkām) uz atsevišķā asinsvadā. Iepriekšējie eksperimenti parādīja fotopletizmogrāfijas metodes spēju fiksēt nelielas asins plūsmas izmaiņas vardes ķermeni. Tomēr ar fotopletizmogrāfu nebija iespējams fiksēt vazomocijas parametrus uz atsevišķas artērijas. Līdz ar to pašlaik tiek uzlabota iekārtās jūtība un veiktas izmaiņas programmatūras nodrošinājumā ar mērķi panākt vazomocijas pierakstu no vardes artērijas.

Tika izveidotas divas iekārtas maza apjoma asinsplūsmas reģistrācijai, izmantojot laboratorijas dzīvniekus asinsvadus. Pozicionēšanas ierīce ļauj precīzi pozicionēt diodes un uztverošās optiskās šķiedras virs dzīvnieka asinsvada. Brīvi mainot uztverošās optiskas šķiedras pozīciju, tiek nodrošināta iespēja eksperimentos izmantot dažādus laboratorijas dzīvniekus (vardes vai žurkas).

Fotopletizmogrāfijas reģistrācijas ierīce speciāli izveidota, lai pierakstītu asins plūsmas viļņveida izmaiņas atsevišķā artērijā. Šajā iekārtā tiek izmantotas lāzerdiodes ar viļņu garumiem – 635nm, 650nm un 980nm. Ienākošā signāla stabilizācijai un tā līmeņa regulācijai izveidota atbilstoša elektroniska shēma. Tika veikti asins plūsmas (pulsācijas viļņa) pieraksti vardei, kur izdevās detektēt pulsācijas vilni no maz-apasiņota ādas apgabala.

4. attēlā redzamā izgatavotā pozicionēšanas iekārta ar diodi un izveidoto elektronisko signālu pastiprināšanas shēmu.   

4. attēls. Dzīvnieku asinsrites vazomociju reģistrēšanas iekārta.

Ir sagatavota publikācija par iepriekš veikto eksperimentu iesniegšanai zinātniskā žurnālā, nosaukums „Changes of frog (Rana Temporaria) vasomotion parameters under application of Static Magnetic Field detected by video and photopletismography observation“. Šobrīd publikācija ir nodota angļu valodas korekcijai.