pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2025-16-4-395-405pimi-1007Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsСистема скрининга сосудистой системы человека с применением относительного описания фотоплетизмограммHuman Vascular System Screening System Using a Relative Description PhotoplethysmogramsАлексеевВ. А.AlekseevV. A.

ул. Студенческая, 7,г. Ижевск 426069

Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069

ЮранС. И.YuranS. I.

Адрес для переписки:Юран С.И.Удмуртский государственный аграрный университет,ул. Студенческая, 11, г. Ижевск 426069, Россия

e-mail: yuran-49@yandex.ru

Address for correspondence:Yuran S.I.Udmurt State Agrarian University,Studencheskaya str., 11, Izhevsk 426069, Russia e-mail: yuran-49@yandex.ru

yuran-49@yandex.ruУсольцевВ. П.UsoltsevV. P.

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069

Studencheskaya str., 7,Izhevsk 426069

Ижевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian FederationУдмуртский государственный аграрный университетРоссияUdmurt State Agrarian UniversityRussian Federation202524122025164395405Copyright © Алексеев В.А., Юран С.И., Усольцев В.П., 20252025Алексеев В.А., Юран С.И., Усольцев В.П.Alekseev V.A., Yuran S.I., Usoltsev V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/1007

Скрининговые исследования играют важную роль в профилактике хронических заболеваний сердечно-сосудистой системы. Одним из методов скрининговой сосудистой диагностики является метод фотоплетизмографии, широко применяемый для оценки состояния сердечно-сосудистой системы. Для повышения эффективности проведения скрининговых исследований предложено использовать алгоритм автоматизированной обработки фотоплетизмограмм, в основе которого лежит относительное описание формы пульсовой кривой, представленной в виде решётчатой функции цифрового сигнала фотоплетизмограммы. Преимуществом относительного описания цифрового представления фотоплетизмограммы является его инвариантность к линейным преобразованиям амплитуды сигнала и его временному сдвигу. Это важно при анализе пульсовых кривых в силу возможности изменения амплитудных параметров кривой, а также их временного сдвига при их регистрации. При этом анализ изменений формы фотоплетизмограммы проводится после представления её в виде матрицы отношения порядка составляющих решётчатой функции, представляющий цифровое представление фотоплетизмограммы после аналого-цифрового преобразования аналогового представления фотоплетизмограммы. При проведении скрининговых исследований осуществляется распознавание изменений формы фотоплетизмограммы путём её сравнения с эталоном матрицы отношения. Матрица отношения получена из решётчатой функции цифрового представления типичной фотоплетизмограммы пациента. Такая фотоплетизмограмма характеризует определённое заболевание сердечно-сосудистой системы. В результате сравнения матриц отношения определяется близость признаков типичной формы фотоплетизмограммы к эталонам фотоплетизмограмм, после чего устанавливается диагноз заболевания. Для осуществления предложенного алгоритма проведения исследований приведена структурная схема автоматизированной системы для скрининга сердечно-сосудистой системы. В этой схеме для представления в цифровом виде фотоплетизмограммы используется гомоморфное относительное описание. Это позволяет выявлять отдельные изменения формы фотоплетизмограммы, связанные с отклонениями от нормы состояния сердечно-сосудистой системы. Такой подход расширяет арсенал технических средств, используемых при проведении скрининга сердечно-сосудистой системы.

Screening studies play an important role in the prevention of chronic diseases of the cardiovascular system. One of the methods of screening vascular diagnostics is the method of photoplethysmography, which is widely used to assess the state of the cardiovascular system. To increase the efficiency of screening studies, it is proposed to use an algorithm for automated processing of photoplethysmograms, which is based on a relative description of the shape of the pulse curve, represented as a lattice function of the digital signal of the photoplethysmogram. The advantages of the relative description of the digital representation of a photoplethysmogram is its invariance to linear transformations of the signal amplitude and its time shift. This is important when analyzing pulse curves due to the possibility of changing the amplitude parameters of the curve, as well as their time shift during their registration. In this case, the analysis of changes in the shape of the photoplethysmogram is carried out after it is presented as a matrix of the ratio of the order of the components of the lattice function, representing the digital representation of the photoplethysmogram after the analog-to-digital conversion of the analog representation of the photoplethysmogram. During screening studies, changes in the shape of the photoplethysmogram are detected by comparing it with the standard of the ratio matrix. The ratio matrix is derived from the grid function of the digital representation of a typical photoplethysmogram of a patient. Such a photoplethysmogram characterizes a certain disease of the cardiovascular system. As a result of comparing the ratio matrices, the proximity of the features of the typical form of the photoplethysmogram to the photoplethysmogram standards is determined, after which the diagnosis of the disease is established. To implement the proposed research algorithm, a block diagram of an automated system for screening the cardiovascular system is provided. In this scheme, a homomorphic relative description is used to represent the photoplethysmogram digitally. This makes it possible to identify individual changes in the shape of the photoplethysmogram associated with abnormalities in the state of the cardiovascular system. This approach expands the arsenal of technical tools used in screening the cardiovascular system.

относительное описание сигналовсердечно-сосудистая системаскринингфотоплетизмографияrelative description of signalscardiovascular systemscreeningphotoplethysmographyReferencesСамородская И.В. Скрининг в кардиологии / И.В. Самородская // Комплексные проблемы сердечнососудистых заболеваний. – 2018. – Т. 7, № 4. – С. 92100. DOI: 10.17802/2306-1278-2018-7-4-92-100Samorodskaya IV. Screening in cardiology. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2018;7(4):92-100. DOI: 10.17802/2306-1278-2018-7-4-92-100 (In Russ.).Дикарев В.И. Метод функциональной диагностики ранних стадий сосудистой патологии как фактор медико-демографической безопасности населения / В.И. Дикарев, Н.П. Казаков, В.В. Лесничий // Технико-технологические проблемы сервиса. – 2018. – Т. 43, № 1. – С. 31–34.Dikarev VI, Kazakov NP, Lesnichy VV. Method of functional diagnostics of early stages of vascular pathology as a factor of medical and demographic safety of the population. Technical and technological problems of service. 2018;43(1):31-34. (In Russ.).Хизбуллин Р.Н. Автоматизированный медицинский аппаратный комплекс для проведения предрейсового, послерейсового осмотра водителей и машинистов общественного и городского транспорта / Р.Н. Хизбуллин, А.И. Ларюшин // Вестник НЦ БЖД. – 2016. – № 1 (27). – С. 105-114.Khizbullin RN, Laryushin AI. Automated medical hardware complex for conducting pre-trip, post-trip examination of drivers and drivers of public and urban transport. Bulletin of the National Research Center of Life Safety. 2016;(1):105-114. (In Russ.).Применение фотоплетизмографии для оценки состояния микроциркуляторного русла в качестве метода диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы / М.В. Лущик, А.В. Макеева, О.Н. Остроухова [и др.] // Вестник новых медицинских технологий. – 2022. – № 3. С. 91–95. DOI: 10.24412/1609-2163-2022-3-91-95Lushchik MV, Makeeva AV, Ostroukhova ON, Bolotskikh VI, Nagovitsin АК. The use of photoplethysmography for assessing microvascular bed as a method for diagnostic diseases of cardiovascular system. Journal of New Medical Technologies. 2022;(3):91-95. (In Russ.). DOI: 10.24412/1609-2163-2022-3-91-95Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement / J. Allen // Physiological measurements. – 2007. – Vol. 28. – № 3. – Pp. 1-39. DOI:10.1088/0967-3334/28/3/R01Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiological measurements. 2007;28(3):1-39. DOI: 10.1088/0967-3334/28/3/R01Симонян М.А. Возможности фотоплетизмографии как метода скрининга патологии сердечнососудистой системы/ М.А. Симонян, О.М. Посненкова, А.Р. Киселев // Фундаментальные исследования в кардиологии. – 2020. – Т. 7. – Вып. 1. – Статья e0102. DOI: 10.15275/cardioit.2020.0102 1/5Simonyan MA, Posnenkova OM, Kiselev AR. Possibilities of photoplethysmography as a screening method for pathology of the cardiovascular system. Fundamental research in cardiology. 2020;7(1):e0102. (In Russ.). DOI: 10.15275/cardioit.2020.0102 1/5Karimpour P. Photoplethysmography for the Assessment of Arterial Stiffness / P. Karimpour, J.M. May, P.A. Kyriacou // Sensors. – 2023. – 23(24). – 9882. DOI: 10.3390/s23249882Karimpour P, May JM, Kyriacou PA. Photoplethysmography for the Assessment of Arterial Stiffness. Sensors. 2023;23(24):9882. DOI: 10.3390/s23249882Алексеев В.А. Автоматизированный фотоплетимограф / В.А. Алексеев, С.А. Ардашев, С.И. Юран // Приборы и методы измерений. – 2013. – № 1 (6). – С. 46-51.Alekseev VA, Ardashev SA, Yuran SI. Automated photoplethysmograph. Devices and Methods of Measurements. 2013;1(6):46-51. (In Russ.).A review on wearable photoplethysmography sensors and their potential future applications in health care / D. Castaneda, E. Aibhlin, G. Mohammad [et al.] // International Journal of Biosensors & Bioelectronics. – 2018. – Vol. 4. – Issue 4. – Pp. 195–202. DOI: 10.15406/ijbsbe.2018.04.00125Castaneda D, Aibhlin E, Mohammad G, Cinna S, Homer N. A review on wearable photoplethysmography sensors and their potential future applications in health care. International Journal of Biosensors & Bioelectronics. 2018;4(4):195-202. DOI: 10.15406/ijbsbe.2018.04.00125Mobile monitoring with wearable photoplethysmographic biosensors / H.H. Asada, P. Shaltis, A. Reisner [et al.] // IEEE Engineering in Medicine and biology magazine. – 2003. – Vol. 22. – No. 3. – Pp. 28-40. DOI: 10.1109/MEMB.2003.1213624Asada HH, Shaltis P, Reisner A, Rhee S, Hutchinson RC. Mobile monitoring with wearable photoplethysmographic biosensors. IEEE Engineering in Medicine and biology magazine. 2003;22(3):28-40. DOI: 10.1109/MEMB.2003.1213624Kim K.B. Photoplethysmography in Wearable Devices: A Comprehensive Review of Technological Advances, Current Challenges, and Future Directions / K.B. Kim, H.J. Baek // Electronics. – 2023. – No. 12. – Article 2923. DOI: 10.3390/electronics12132923Kim KB, Baek HJ. Photoplethysmography in Wearable Devices: A Comprehensive Review of Technological Advances, Current Challenges, and Future Directions. Electronics. 2023;(12):Article 2923. DOI: 10.3390/electronics12132923Wearable Photoplethysmographic Sensors –Past and Present / T. Tamura, Y. Maeda, M. Sekine, M. Yoshida // Electronics. – 2014. – No. 3(2). – Pp. 282-302. DOI: 10.3390/Electronics3020282Tamura T, Maeda Y, Sekine M, Yoshida M. Wearable Photoplethysmographic Sensors –Past and Present. Electronics. 2014;3(2):282-302. DOI: 10.3390/Electronics3020282Bhowmick S. IoT Assisted Real Time PPG Monitoring System for Health Care Application / S. Bhowmick, P.K. Kundu, D.D. Mandal // IEEE Second International Conference on Control, Measurement and Instrumentation (CMI). Kolkata, India 2021. – Pp. 122-127. DOI: 10.1109/CMI50323.2021.9362852Bhowmick S, Kundu PK, Mandal DD. IoT Assisted Real Time PPG Monitoring System for Health Care Application. IEEE Second International Conference on Control, Measurement and Instrumentation (CMI). Kolkata, India. 2021:122-127. DOI: 10.1109/CMI50323.2021.9362852Sources of Inaccuracy in Photoplethysmography for Continuous Cardiovascular Monitoring / J. Fine, K.L. Branan, A.J. Rodriguez [et al.] // Biosensors (Basel). – 2021. – Apr 16; 11(4): 126. DOI: 10.3390/bios11040126.Fine J [et al.]. Sources of Inaccuracy in Photoplethysmography for Continuous Cardiovascular Monitoring. Biosensors (Basel). 2021;Apr 16;11(4):126. DOI: 10.3390/bios11040126Алексеев В.А. Снижение влияния артефактов при регистрации фотоплетизмограмм / В.А. Алексеев, С.И. Юран // Датчики и системы. – 2007. – № 6. – С. 19-22.Alekseev VA, Yuran SI. Reducing the influence of artifacts in the registration of photoplethysmograms. Sensors and systems. 2007;(6):19-22. (In Russ.).Moraes J.L. Advances in Photoplethysmography Signal Analysis for Biomedical Applications / J.L. Moraes [et al.] // Sensors. – 2018. – No. 18(6). – Article 1894. DOI: 10.3390/s18061894Moraes JL, Rocha MX, Vasconcelos GG, Vasconcelos Filho JE, De Albuquerque VHC, Alexandria AR. Advances in Photoplethysmography Signal Analysis for Biomedical Applications. Sensors. 2018;18(6):Article 1894. DOI: 10.3390/s18061894Шрейдер Ю.А. Логика знаковых систем: элементы семиотики / Ю.А. Шрейдер. – М.: Издательство Либроком, 2012. – 64 с.SHrejder YUA. Logic of sign systems: elements of semiotics. Moscow, Librocom Publ. 2012;64 p.Алексеев В.А. Классификатор пульсовых кривых с использованием матриц отношения / В.А. Алексеев, К.И. Дизендорф, С.И. Юран // Интеллектуальные системы в производстве. – 2010. – № 1(15). – С. 231-235.Alekseev VA, Diesendorf KI, Yuran SI. Classifier of pulse curves using the ratio matrix. Intelligent systems in production. 2010;1(15):231-235. (In Russ.).Кузнецов О.П. Дискретная математика для инженера / О.П. Кузнецов // СПб.: Изд-во Лань, 2004. – 400 с.Kuznetsov OP. Discrete mathematics for an engineer. St. Petersburg, Lan Publishing House. 2004;400 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.