Д.Г. Лапитан, А.А. Глазков, Д.А. Рогаткин

Московский областной научно-исследовательский клинический институт (МОНИКИ)   им. М.Ф. Владимирского (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Фотоплетизмография (ФПГ) – оптический метод регистрации пульсовой волны (ПВ), распространяющейся по микрососудистому руслу ткани. Как правило, часто используемые при обработке ФПГ сигнала фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (Баттерворта, Бесселя и т.д.) вносят искажения в сигнал ПВ. При этом, параметры фильтрации для более точного воспроизведения ПВ до сих пор не обоснованы. 

Цель работы – изучение влияние параметров цифровой фильтрации, таких как полоса пропуская и порядок фильтра, на форму ПВ.

Результаты. В исследовании был использован цифровой полосовой фильтр Баттерворта. Нижняя частота среза фильтра менялась от 0.1 до 1 Гц, верхняя частота среза – от 2 до 10 Гц и порядок фильтра – от 2-го до 6-го. Было найдено, что увеличение нижней частоты среза полосовой фильтрации приводит к уменьшению амплитуды отраженной диастолической волны и искажению фронта прямой систолической волны. Уменьшение верхней частоты срезы приводит к демпфированию дикротической выемки и фазовому сдвигу ПВ. Увеличение порядка фильтра приводит к уменьшению амплитуды отраженной волны. Минимальные искажения ФПГ сигнала наблюдались при нижней частоте среза 0.1 Гц, верхней – 10 Гц и порядке фильтра, равным 2. Таким образом, данные параметры полосовой фильтрации могут быть рекомендованы для обработки ФПГ сигналов с целью более точного морфологического анализа ПВ. 

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют создавать приборы для анализа формы ПВ с научнообоснованными медико-техническими требованиями к параметрам фильтрации.

Лапитан Д.Г., Глазков А.А., Рогаткин Д.А. Влияние параметров цифровой фильтрации на форму пульсовой волны в фотоплетизмографии на отражение // Биомедицинская радиоэлектроника. 2021. Т. 24. № 3. С. 37–47.  DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202103-04

1. Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiological measurement. 2007. V. 28. № 3. P. R1–R39.
2. Kamal A.A.R., Harness J.B., Irving G., Mearns A.J. Skin photoplethysmography—a review. Computer methods and programs in biomedicine. 1989. V. 28. № 4. P. 257–269.
3. Allen J., Murray A. Similarity in bilateral photoplethysmographic peripheral pulse wave characteristics at the ears, thumbs and toes. Physiological measurement. 2000. V. 21. № 3. P. 369–377.
4. Elgendi M. On the analysis of fingertip photoplethysmogram signals. Current cardiology reviews. 2012. V. 8. № 1. P. 14–25.
5. Millasseau S.C., Ritter J.M., Takazawa K., Chowienczyk P.J. Contour analysis of the photoplethysmographic pulse measured at the finger. Journal of hypertension. 2006. V. 24. № 8. P. 1449–1456.
6. Millasseau S.C., Kelly R.P., Ritter J.M., Chowienczyk P.J. The vascular impact of aging andvasoactive drugs: comparison of two digital volume pulse measurements. American journal of hypertension. 2003. V. 16. № 6. P. 467–472.
7. Elgendi M., Fletcher R., Liang Y., Howard N., Lovell N.H., Abbott D., Lim K., Ward R. The use of photoplethysmography for assessing hypertension. npj Digit. Med. 2019. V. 2. P. 60.
8. Stoner L., Young J. M., Fryer S. Assessments of arterial stiffness and endothelial function using pulse wave analysis. International journal of vascular medicine. 2012. V. 2012.
9. Lindberg L.G., Oberg P.A. Photoplethysmography. Part 2. Influence of light source wavelength. Medical & Biological engineering & Computing. 1991. V. 29. № 1. P. 48–54.
10. Spigulis J., Gailite L., Lihachev A., Erts R. Simultaneous recording of skin blood pulsations at different vascular depths by multiwavelength photoplethysmography. Applied optics. 2007. V. 46. № 10. P. 1754–1759.
11. Allen J., Murray A. Age-related changes in the characteristics of the photoplethysmographic pulse shape at various body sites. Physiological measurement. 2003. V. 24. № 2. P. 297–307.
12. Лапитан Д.Г., Глазков А.А., Рогаткин Д.А. Оценка возрастных изменений эластичности стенок периферических сосудов методом фотоплетизмографии // Медицинская физика. 2020. № 3. С. 71–77.
13. Peng F., Liu H., Wang W. A comb filter based signal processing method to effectively reduce motion artifacts from photoplethysmographic signals. Physiological measurement. 2015. V. 36. № 10. P. 2159–2170.
14. Lee J. Motion artifacts reduction from PPG using cyclic moving average filter. Technology and Health Care. 2014. V. 22. № 3.  P. 409–417.
15. Fedotov A.A. A pulse wave monitor with adaptive filtering of motion artifacts. Biomedical Engineering. 2020. V. 53. № 6. P. 375–379.
16. Park C., Shin H., Lee B. Blockwise PPG enhancement based on time-variant zero-phase harmonic notch filtering. Sensors. 2017.  V. 17. № 4. P. 860.
17. Silva I., Lee J., Mark R.G. Signal quality estimation with multichannel adaptive filtering in intensive care settings. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2012. V. 59. № 9. P. 2476–2485.
18. Liang Y., Elgendi M., Chen Z., Ward R. An optimal filter for short photoplethysmogram signals. Scientific data. 2018. V. 5.  P. 180076.
19. Tan L., Jiang J. Digital signal processing: fundamentals and applications. Academic Press. 2018.
20. Nakajima K., Tamura T., Miike H. Monitoring of heart and respiratory rates by photoplethysmography using a digital filtering technique. Medical Engineering & Physics. 1996. V. 18. № 5. P. 365–372.
21. Moraes J.L., Rocha M.X., Vasconcelos G.G., Vasconcelos Filho J.E., De Albuquerque V.H.C., Alexandria A.R. Advances in photopletysmography signal analysis for biomedical applications. Sensors. 2018. V. 18. № 6. P. 1894.
22. Allen J., Murray A. Effects of filtering on multisite photoplethysmography pulse waveform characteristics. Computers in Cardiology. 2004. IEEE. 2004. P. 485–488.
23. Stuban N., Niwayama M. Optimal filter bandwidth for pulse oximetry. Review of Scientific Instruments. 2012. V. 83. № 10.  P. 104708.
24. Lapitan D., Rogatkin D. Optical incoherent technique for noninvasive assessment of blood flow in tissues: Theoretical model and experimental study. Journal of Biophotonics. 2021. V. 14. № 5. P. e202000459.
25. Lapitan D.G., Raznitsyn O.A. A Method and a Device Prototype for Noninvasive Measurements of Blood Perfusion in a Tissue. Instruments and Experimental Techniques. 2018. V. 61. № 5. P. 745–750.
26. Рогаткин Д.А. Физические основы оптической оксиметрии // Медицинская физика. 2012. № 2. С. 97–114.
27. Lapitan D.G., Tarasov A.P. Analytical Assessment of the Modulation Depth of Photoplethysmographic Signal Based on the Modified Beer-Lambert Law. 2019 IEEE 8th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL). IEEE, 2019.  P. 103–106.
28. Zumbahlen H. Phase Response in Active Filters; Part 3—The Band-Pass Response. Analog Dialogue. 2016. 50-03.
29. Anisimov A.A., Yuldashev Z.M., Bibicheva Y.G. Non-occlusion Monitoring of Arterial Pressure Dynamics from Pulsation Wave Propagation Time. Biomedical Engineering. 2014. V. 48. № 2. P. 66–69.