Фотоплетизмография в носимых устройствах: всесторонний обзор технологических достижений, текущих проблем и перспектив

Фотоплетизмография (PPG) — доступная и простая оптическая методика, используемая для обнаружения изменений объёма крови в микрососудистых слоях тканей. Технология PPG получила широкое применение в коммерческих медицинских приборах, позволяя измерять насыщение кислородом, артериальное давление и сердечный выброс; оценивать функцию вегетативной нервной системы; и диагностировать заболевания периферических сосудов. В последнее время растущий спрос на неинвазивные, портативные и экономичные технологии, а также достижения в области мелких полупроводниковых компонентов привели к интеграции PPG в различные носимые устройства, надеваемые на запястье. Предложены многочисленные конструкции датчиков и при соответствующей обработке сигналов и алгоритмической обработке эти носимые устройства могут измерять ряд показателей здоровья в повседневной жизни. В работе сначала рассматривается рыночное состояние носимых устройств, надеваемых на запястье, затем даётся объяснение основных принципов работы света и его взаимодействия с живой тканью при PPG-измерениях. В разделе технологических достижений обсуждаются аналоговый фронтенд для измерения PPG-сигнала, конфигурации датчиков с несколькими светодиодами и приёмниками, минимальная частота дискретизации, необходимая для энергоэффективных систем, а также измерение стресса, сна, артериального давления, уровня глюкозы в крови и активности с использованием PPG-сигналов. Идентифицированы несколько проблем в этой области, включая выбор подходящей длины волны для источника света PPG-датчика, разработку низкоэнергетичных методов интерполяции для извлечения высокоразрешающих интервалов между сердечными сокращениями при низкой частоте дискретизации и исследование измерения физиологических явлений с использованием многодлинноволновых PPG-сигналов, одновременно собираемых в одной и той же точке. Наконец, в работе изложены направления будущих исследований, которые включают разработку новых, надёжных параметров, специфичных для носимых PPG-устройств, и проведение исследований в реальных условиях, например 24-часовых длительных измерений.