(50-2) 17 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Аппаратно-программный комплекс с новыми датчиками и методиками обработки оптических изображений для контроля в реальном времени функционального состояния человека
В.В. Давыдов1,2,3, А.Ю. Зайцева4, С. Мсукар1, М.С. Мазинг4, Е.В. Порфирьева1, Д.Д. Исакова2, Е.В. Исупова2, М.А. Якушева2, Р.В. Давыдов1,2

1Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29;
2Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 193232, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, корп. 1;
3Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), 197022, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, д. 5, корп. 1;
4Институт аналитического приборостроения РАН, 198095, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д. 31-33

  Полный текст (PDF)

DOI: 10.18287/COJ1646

ID статьи: 1646

Аннотация:
Обоснована целесообразность использования мобильных датчиков, работающих на разных физических явлениях, для расширения функциональных возможностей экспресс-диагностики состояния человека. Отмечены преимущества применения оптических датчиков для проведения измерений с использованием потоков крови и сложности при проведении с их использованием измерений и обработки оптических сигналов. Разработаны новые конструкции мобильных датчиков для регистрации пульсовой волны и отраженных оптических сигналов от тканей с микроциркуляцией крови, которые объединены в аппаратно-программный комплекс. Отношение сигнал/шум в регистрируемых сигналах улучшено в 3-4 раза для тканевого оксиметра и более чем на порядок для пульсоксиметра. Предложены новые методики обработки регистрируемых изображений излучения отраженных сигналов и поглощения на сосудах и тканях. Представлены новые результаты исследований, позволяющие установить ранее не регистрируемые отклонения в работе сердечно-сосудистой системы человека. Предложен новый более доступный метод определения значения максимального потребления кислорода организмом человека с использованием разработанного аппаратно-программного комплекса в реальном времени с погрешностью менее 7 % без использования эргоспирометра. Сравнение полученных данных с результатами измерений на сертифицированном медицинском оборудовании подтвердило их достоверность. Данный метод позволяет расширить возможности применения аппаратно-программного комплекса в диагностике спортсменов и людей, активно занимающихся спортом, а также сотрудников специальных подразделений, так как комплекс отличается по весу от эргоспирометра более чем на порядок и не требуется надевать на лицо маску, которая создает дополнительные проблемы при дыхании и движении.

Ключевые слова:
оптический метод, изображение, аппаратно-программный комплекс, датчик, излучение, длина волны, кровь, кислород, экспресс-контроль, функциональное состояние, погрешность измерения, достоверность.

Цитирование:
Давыдов, В.В. Аппаратно-программный комплекс с новыми датчиками и методиками обработки оптических изображений для контроля в реальном времени функционального состояния человека / В.В. Давыдов, А.Ю. Зайцева, С. Мсукар, М.С. Мазинг, Е.В. Порфирьева, Д.Д. Исакова, Е.В. Исупова, М.А. Якушева, Р.В. Давыдов // Компьютерная оптика. — 2026. — Т. 50, № 2. — 1646. — DOI: 10.18287/COJ1646.

Citation:
Davydov VV, Zaitseva AYu, Msokar S, Mazing MS, Porfir'eva EV, Isakova DD, Isupova EV, Yakusheva MA, Davydov RV. Mobile hardware and software system with new optical sensors and image processing techniques for real-time control of a person's functional status. Computer Optics 2026; 50(2): 1646. DOI: 10.18287/COJ1646.

References:

  1. Chen H, Kumaralingam L, Zhang S, Le LH, Zheng R. Neural implicit surface reconstruction of freehand 3D ultrasound volume with geometric constraints. Med Image Anal 2024; 98: 103305. DOI: 10.1016/j.media.2024.103305.
  2. Marusina MY, Karaseva EA. Application of the box-counting method for the evaluation of medical images. 2019 International Conference "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies" (IT&QM&IS) 2019: 353-355. DOI: 10.1109/ITQMIS.2019.8928375.
  3. Mazing MS, Zaitceva AY, Kislyakov YY, Avdyushenko SA, Davydov VV. Monitoring of oxygen supply of human tissues using a noninvasive optical system based on a multi-channel integrated spectrum analyzer. Int J Pharm Res 2020; 12: 1974-1978. DOI: 10.31838/ijpr/2020.SP2.355.
  4. Chen J, Huang S, Zhang Y, Wu J, Liang H. Congenital heart disease detection by pediatric electrocardiogram based deep learning integrated with human concepts. Nat Commun 2024; 15(1): 976. DOI: 10.1038/s41467-024-44930-y.
  5. Price CJ, Sevinc G, Farb NAS. Within-person modulation of neural networks following interoceptive awareness training through mindful awareness in body-oriented therapy (MABT): A pilot study. Brain Sci 2023; 13(10): 1396. DOI: 10.3390/brainsci13101396.
  6. Chen Y-C, Lo I-P, Tsai Y-Y, Zhao C-G, Hwang I-S. Dual-task improvement of older adults after treadmill walking combined with blood flow restriction of low occlusion pressure: the effect on the heart-brain axis. J Neuroeng Rehabil 2024; 21(1): 116. DOI: 10.1186/s12984-024-01412-y.
  7. Usta SN, Betancourt P, Ceylan A, Keskin C. The cutting-edge roles of lasers in endodontics: A bibliometric and scientometric analysis of the 100 most-cited articles. Lasers Med Sci 2024; 39(1): 219. DOI: 10.1007/s10103-024-04163-3.
  8. Kazanskiy NL, Butt MA, Khonina SN. Smart contact lenses – A step towards non-invasive continuous eye health monitoring. Biosensors 2023; 13(9): 933. DOI: 10.3390/bios13100933.
  9. Gubaev MS, Degtyarev SA, Strelkov YS, Ivliev NA, Khonina SN. Vectorial beam generation with a conical refractive surface. Computer Optics 2021; 45(6): 828-838. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1036.
  10. Porfirev AP, Khonina SN, Ivliev NA, Porfirev DP, Kazanskiy NL. Stacked polarizing elements for controlling parameters of surface relief gratings written in photosensitive materials. Sensors 2024; 24(4): 1166. DOI: 10.3390/s24041166.
  11. Blaney G, Frias J, Tavakoli F, Sassaroli A, Fantini S. Dual-ratio approach to pulse oximetry and the effect of skin tone. J Biomed Opt 2024; 29(S3): S333111. DOI: 10.1117/1.JBO.29.S3.S33311.
  12. Tan B, Chua J, Wong D, Ismail M, Schmetterer L. Techniques for imaging the choroid and choroidal blood flow in vivo. Exp Eye Res 2024; 247: 110045. DOI: 10.1016/j.exer.2024.110045.
  13. Fine J, Branan KL, Rodriguez AJ, Boonya-ananta T, Ramella-Roman JC, McShane MJ, Coté GL. Sources of inaccuracy in photoplethysmography for continuous cardiovascular monitoring. Biosensors 2021; 11(4): 126. DOI: 10.3390/bios11040126.
  14. Moellhoff N, Demmer W, Pistek S, Giunta RE, Ehrl D. Impact of negative pressure wound therapy on perfusion dynamics in free latissimus dorsi muscle flaps. J Clin Med 2024; 13(17): 5261. DOI: 10.3390/jcm13175261.
  15. Davydov VV, Porfir'eva EV, Davydov RV. Nondestructive method for testing elasticity of walls of human veins and arteries. Russ J Nondestruct Test 2022; 58(9): 847-857. DOI: 10.1134/S1061830922090042.
  16. Wu J. Hyperspectral imaging for non-invasive blood oxygen saturation assessment. Photodiagnosis Photodyn Ther 2024; 45: 104003. DOI: 10.1016/j.pdpdt.2024.104003.
  17. Davydov R, Zaitceva A, Davydov V, Isakova D, Mazing M. New methodology of human health express diagnostics based on pulse wave measurements and occlusion test. J Pers Med 2023; 13(3): 443. DOI: 10.3390/jpm13030443.
  18. Zuev SM, Varlamov DO, Kuksa VV. Analysis of the characteristics of a laser lighting device. Instrum Exp Tech 2021; 64(6): 834-839. DOI: 10.1134/S0020441221060130.
  19. Moellhoff N, Heidekrueger PI, Frank K, Pistek S, Alt V, Giunta RE, Ehrl D. Comparing the time-dependent evolution of microcirculation in Gracilis vs. ALT flaps using laser-doppler flowmetry and tissue-spectrometry. J Clin Med 2022; 11(9): 2425. DOI: 10.3390/jcm11092425.
  20. Rodriguez AJ, Vasudevan S, Farahmand M, Ramella-Roman J, Pfefer TJ. Tissue mimicking materials and finger phantom design for pulse oximetry. Biomed Opt Express 2024; 15(4): 2308-2327. DOI: 10.1364/BOE.518967.
  21. Cabanas AM, Fuentes-Guajardo M, Latorre K, León D, Martín-Escudero P. Skin pigmentation influence on pulse oximetry accuracy: A systematic review and bibliometric analysis. Sensors 2022; 22(9): 3402. DOI: 10.3390/s22093402.
  22. Davydov VV, Grebenikova NM, Smirnov KY. An optical method of monitoring the state of flowing media with low transparency that contain large inclusions. Meas Tech 2019; 62(6): 519-526. DOI: 10.1007/s11018-019-01655-5.
  23. Bierman A, Benner K, Rea MS. Melanin bias in pulse oximetry explained by light source spectral bandwidth. Br J Anaesth 2024; 132(5): 957-963. DOI: 10.1016/j.bja.2024.01.037.
  24. Davydov RV, Antonov VI, Yushkova VV, Grebenikova NM, Dudkin VI. A new algorithm for processing the absorption and scattering signals of laser radiation on a blood vessel and human tissues. J Phys Conf Ser 2019; 1236(1): 012079. DOI: 10.1088/1742-6596/1236/1/012079.
  25. Davydov RV, Yakusheva MA, Porfir'eva EV, Davydov VV, Isakova DD, Msokar S. New techniques for recording and processing laser radiation absorption signals in the far peripheral zone. Zh Tekh Fiz 2024; 94(9): 1466-1473. DOI: 10.61011/JTF.2024.09.58666.29-24.
  26. Rogatkin DA, Dunaev AV, Lapaeva LG. Metrological support of methods and devices for noninvasive medical spectrophotometry. Biomed Eng 2010; 44(2): 66-70. DOI: 10.1007/s10527-010-9157-x.
  27. Rogatkin DA, Makarov DS, Bychenkov OA, Shcherbakov MI. Thermal-vision monitoring of processes of heating and microcirculation of blood accompanying low-intensity laser therapeutic procedures. J Opt Technol 2011; 78(10): 666-671. DOI: 10.1364/JOT.78.000666.
  28. Jurov I, Demšar J. Factors affecting maximal oxygen uptake in prepubertal children: a systematic review and meta-analysis. BMC Pediatr 2024; 24(1): 550. DOI: 10.1186/s12887-024-05013-5.
  29. Rybak AS, Woyda-Ploszczyca AM. The influence of temperature on oxygen uptake of red alga Hildenbrandia rivularis – the next step of the indicatory potential revision. Environ Sustain Indic 2024; 24: 100503. DOI: 10.1016/j.indic.2024.100503.
  30. Sacharz J, Wrona E, Zięba-Palus J, Phan W, Wesełucha-Birczyńska A. The Raman microspectroscopic study of epileptic tissue. J Mol Struct 2025; 1348: 143396. DOI: 10.1016/j.molstruc.2025.143396.

Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20