MULTIWAVELENGTH PHOTOPLETHYSMOGRAPHY SYSTEM

ISSN (e) 2663-3450, ISSN (p) 0321-2211 Прилади і системи біомедичних технологій DOI: 10.20535/1970.69(1).2025.331971 УДК 616-71 СИСТЕМА БАГАТОХВИЛЬОВОЇ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФІЇ 1,2) Велигоцький Д. В., 2)Дуга С. О., 1)Мамілов С. О. 1) Інститут магнетизму НАН України та МОН України, Київ, Україна 2) Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна E-mail: Фотоплетизмографія (ФПГ) є перспективною технологією для оцінки стану серцево-судинної системи завдяки здатності аналізувати зміни об'єму крові в мікросудинному руслі. Окрім стандартних параметрів, таких як частота серцевих скорочень і насичення крові киснем, форма пульсової хвилі сигналу ФПГ містить додаткову цінну інформацію, яку можна використовувати для оцінки варіабельності серцевого ритму, жорсткості артерій і артеріального тиску. Однак успішне використання ФПГ у повсякденній діяльності потребує надійного отримання сигналів, вільних від насичення, артефактів руху та інших завад. У цій роботі представлено сенсорну систему багатохвильової фотоплетизмографії (БХ-ФПГ), яка забезпечує безперервну реєстрацію сигналів у реальному часі. Розроблено два типи датчиків: трихвильовий пальцевий датчик ФПГ розсіяного назад світла та трихвильовий вушний датчик ФПГ прохідного світла. Система здатна записувати до восьми незалежних сигналів, а її функціонування контролюється мікроконтролером, який керує підсистемами живлення та обробки сигналів. Програмне забезпечення дозволяє задавати параметри роботи, зокрема режими підсилення сигналів та послідовність активації світлодіодів. Для оцінки якості роботи системи проведено аналіз сигналів за допомогою коєфіцієнта кореляції Пірсона (ККП). Середні значення ККП для пальцевого і вушного датчиків становлять від 0,973 до 0,995, що свідчить про високу точність і надійність розробленої системи. Найвищі значення ККП отримано для пари сигналів з довжинами хвиль 660 нм і 940 нм, тоді як нижчі показники зафіксовано для пари 568 нм і 660 нм через сильніше поглинання випромінювання тканинами на хвилі 568 нм. Результати підтверджують ефективність запропонованої системи БХ-ФПГ для вимірювання якісних фізіологічних сигналів. Ключові слова: фотоплетизмографія; ФПГ; кілька довжин хвиль; багатохвильова ФПГ; оптичний датчик; проникнення світла; обсяг крові. Вступ Фотоплетизмографія (ФПГ) є сучасним методом дослідження, який знаходить все більше застосувань у моніторингу фізіологічних параметрів людини [1, 2]. Технологія ФПГ базується на реєстрації змін об’єму крові в мікросудинному руслі тканин, які викликані пульсовими хвилями [3]. З часом ці зміни дозволяють отримувати інформацію про численні фізіологічні показники, такі як частота серцевих скорочень (ЧСС) [4], насичення крові киснем (SpO2) [5], варіабельність серцевого ритму (HRV) [6], жорсткість артерій та артеріальний тиск [7]. Ці властивості зробили ФПГ важливим інструментом у сфері моніторингу серцево-судинного здоров’я, особливо в рамках розвитку носимих пристроїв для повсякденного використання. Інтерес до фотоплетизмографії зріс завдяки її простоті, неінвазивності та широкому спектру застосувань. Зокрема, у контексті розвитку носимих технологій [8, 9], таких як фітнес-трекери та медичні монітори, ФПГ відіграє ключову роль у створенні пристроїв для відстеження фізіологічного стану в реальному часі. Проте, для надійної оцінки фізіологічних параметрів потрібні високоякісні сигнали ФПГ [10]. Це особливо важливо в умовах повсякденного використання, де можуть виникати артефа- 106 кти руху, насичення сигналів та інші завади, які впливають на точність вимірювань. Серед сучасних досліджень існує значний інтерес до впровадження багатохвильової фотоплетизмографії (БХ-ФПГ). Цей підхід полягає у використанні кількох довжин хвиль світла для зменшення впливу завад і покращення якості сигналів. Однак актуальною проблемою залишається розробка систем, які забезпечують високу якість сигналів і надійність реєстрації у реальному часі. У цій роботі представлено сенсорну систему БХ-ФПГ, що поєднує можливості трихвильового аналізу з високою якістю отриманих сигналів. У межах дослідження розроблено два типи датчиків: трихвильовий пальцевий датчик розсіяного світла та трихвильовий вушний датчик прохідного світла. Крім того, запропонована система містить апаратнопрограмний комплекс із мікроконтролером, який забезпечує безперервну реєстрацію сигналів та їх передачу на персональний комп’ютер для обробки. Особливістю системи є її гнучкість, яка дозволяє налаштовувати параметри роботи, включаючи режими активації світлодіодів та підсилення сигналів. Це дає змогу адаптувати систему до різних умов використання та забезпечити стабільний збір даних. Для оцінки якості сигналів використано коєфіцієнт Вісник КПІ. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, Вип. 69(1), 2025 ISSN (e) 2663-3450, ISSN (p) 0321-2211 Прилади і системи біомедичних технологій кореляції Пірсона (ККП), що дозволяє оцінити узгодженість між сигналами різних довжин хвиль. Отримані результати підтвердили високу точність та надійність роботи розробленої системи БХФПГ, зокрема для пар сигналів 660 нм і 940 нм, де середнє значення ККП перевищувало 0,99. Це свідчить про потенціал запропонованої системи для використання у носимих пристроях, орієнтованих на моніторинг здоров’я серцево-судинної системи. У подальшій роботі планується адаптація системи для мобільного використання та розширення її функціональних можливостей. пристрій, дешифратор, таймер, стабілізований кварцом тактовий генератор та порти введеннявиведення. Вхідний канал системи БХ-ФПГ складається з підсилювачів з колами узгодження з джерелом сигналів, комутатора входів, пристрою вибірки та зберігання сигналів і 16-розрядного АЦП. Вхідний канал працює з розділенням каналів у часі (як зображено на рис. 2). Частота опитування датчиків fоп = 348 Гц. Вихідний тракт включає в себе 10-розрядний ЦАП, формувачі імпульсів і комутатори вихідних сигналів. Архітектура системи багатохвильової фотоплетизмографії Функціональна схема системи багатохвильової фотоплетизмографії Функціональна схема системи БХ-ФПГ представлена на рис. 1. Керування роботою датчиків, отримання та передача даних забезпечуються системою БХ-ФПГ, яка з’єднана з персональним комп’ютером (ПК), що здійснює обробку інформації, виведення її на екран монітору та збереження тренду сигналів на жорсткому накопичувачі [11, 12]. ПК Рис. 2. Вихідні сигнали живлення світлодіодів Мікроконтролер АЦП ЦАП Фільтр Драйвер світлодіодів Вхідний підсилювач Джерело струму Палець Підсилювач Рис. 1. Функціональна схема системи багатохвильової фотоплетизмографії Система БХ-ФПГ містить вхідний та вихідний канали та мікроконтролер, який керує роботою обох каналів і забезпечує двосторонній обмін інформацією з ПК. Апаратна побудова системи БХ-ФПГ дозволяє здійснювати запис 8-ми незалежних сигналів. Мікроконтролер керує послідовністю подачі живлення на світлодіоди та опитування фотодіодів, забезпечує неперервність даних вимірювання, зберігаючи їх у внутрішній пам’яті си (...truncated)