References

microcirculation

Регионарное кровообращение и микроциркуляция

Regional blood circulation and microcirculation

1682-66552712-9756

Academician I.P. Pavlov First St. Petersburg State Medical University

10.24884/1682-6655-2023-22-4-11-16

microcirculation-1241

Research Article

ОБЗОРЫ

REVIEWS

Веб-фотоплетизмография: возможности и перспективы

Web photoplethysmography: opportunities and prospects

Гаранин

А. А.

Garanin

А. А.

Гаранин Андрей Александрович – канд. мед. наук, директор научно-практического центра дистанционной медицины

443099, Россия, г. Самара, Чапаевская ул., д. 89

Garanin Andrey A. – Candidate (PhD) of Medical Sciences, Director, Scientific and Practical Center for Distance Medicine

Samara

Рогова

В. С.

Rogova

V. S.

Рогова Валерия Сергеевна – врач по медицинской профилактике научно-практического центра дистанционной медицины

443099, Россия, г. Самара, Чапаевская ул., д. 89

Rogova Valeria S. – Preventive Medicine Doctor, Scientific and Practical Center for Distance Medicine

Samara

Иванчина

П. С.

Ivanchina

P. S.

Иванчина Полина Сергеевна – врач по медицинской профилактике научно-практического центра дистанционной медицины

443099, Россия, г. Самара, Чапаевская ул., д. 89

Ivanchina Polina S. – Preventive Medicine Doctor, Scientific and Practical Center for Distance Medicine

Samara

Толкачева

Е. О.

Tolkacheva

E. O.

Толкачева Елена Олеговна – врач по медицинской профилактике научно-практического центра дистанционной медицины

443099, Россия, г. Самара, Чапаевская ул., д. 89

Tolkacheva Elena O. – Preventive Medicine Doctor, Scientific and Practical Center for Distance Medicine

Samara

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияSamara State Medical UniversityRussian Federation

2023

27122023

2241116

2023

Гаранин А.А., Рогова В.С., Иванчина П.С., Толкачева Е.О.

Garanin А.А., Rogova V.S., Ivanchina P.S., Tolkacheva E.O.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.microcirc.ru/jour/article/view/1241

Настоящий литературный обзор посвящен возможностям применения в клинической практике новой модификации фотоплетизмографии – ее веб-версии. Использование современных инновационных методик в форме фото/видеофиксации кожного покрова человека позволяет проводить бесконтактную и удаленную оценку основных физиологических показателей состояния его здоровья. Особое значение данный подход приобретает в условиях дефицита медицинских работников, территориальной разобщенности врача и пациента, ограничениях в посещении лечебных учреждений при возникновении эпидемий/пандемий инфекционных заболеваний и способствует развитию и внедрению телемедицинских технологий в повседневную работу медицинских специалистов. В статье рассмотрены возможности применения веб-фотоплетизмографии для оценки микроциркуляции (веб-капилляроскопия), сердечного ритма и других показателей (частота дыхания, частота пульса, сатурация, температура тела и т. д.). Веб-фотоплетизмография является чувствительным, простым и эффективным методом регистрации жизненно важных функций организма. Уже доказаны его эффективность для использования в качестве перспективного скринингового метода выявления нарушений ритма и возможность измерения артериального давления. Описано потенциальное применение не только видео-, но и фотоматериалов, например, для выявления сердечно-сосудистых заболеваний. Не менее перспективной является возможность применения метода в совокупности с теплометрией. Учитывая широкое распространение и доступность различных девайсов, необходимо дальнейшее изучение возможностей применения веб-камер и мобильных устройств в медицинской практике. Особый интерес представляет разработка и внедрение в рутинную практику медицинских изделий, позволяющих проводить удаленную неинвазивную раннюю диагностику хронических неинфекционных заболеваний.

This literature review is devoted to the possibilities of using in clinical practice a new modification of photoplethysmography – its web version. The use of modern innovative techniques in the form of photo/video fixation of the human skin allows for contactless and remote assessment of the main physiological indicators of human health. This approach is of particular importance in conditions of shortage of medical workers, territorial separation of doctors and patients, restrictions in visiting medical institutions in the event of epidemics/pandemics of infectious diseases and it contributes to the development and implementation of telemedicine technologies in the daily work of medical specialists. The article discusses the possibilities of using web photoplethysmography to assess microcirculation (web capillaroscopy), heart rate and other indicators (respiratory rate, pulse rate, saturation, body temperature, etc.). Web photoplethysmography is a sensitive, simple and effective method of registering vital body functions. Its effectiveness as a possible screening method for detecting rhythm disturbances and its prospects in using blood pressure measurement has already been proven. The possibility of using not only video, but also photographic materials, for example, for the detection of cardiovascular diseases, is also described. No less promising is the possibility of using the method in conjunction with thermometry. The importance of studying aspects of web photoplethysmography is seen in the need to activate the processes of import substitution and technological sovereignty, as one of the main paradigms of our country’s development. It is obvious that the development of contactless research methods is one of the priorities in modern healthcare. Given the widespread availability of various devices, it is necessary to further explore the possibilities of using webcams and mobile devices in medical practice. The development and introduction into routine practice of medical devices that allow remote non-invasive early diagnosis of chronic non-communicable diseases is of special interest.

веб-фотоплетизмографиявеб-капиллярографиявизуализирующая фотоплетизмографияанализ видеоизображений лицатермография

web photoplethysmographyweb capillarographyvisualizing photoplethysmographyanalysis of facial video imagesthermography

References1

Rong Y, Theofanopoulos PC, Trichopoulos GC, Bliss DW. A new principle of pulse detection based on terahertz wave plethysmography. Sci Rep. 2022;15;12(1):6347. Doi: 10.1038/ s41598-022-09801-w.

Волков И.Ю., Сагайдачный А.А., Фомин А.В. Фотоплетизмографическая визуализация гемодинамики и двухмерная оксиметрия // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. – 2022. – Т. 22, № 1. – С. 15–45.

Volkov IYu, Sagaidachnyi AA, Fomin AV. Photoplethysmographic imaging of hemodynamics and twodimensional oximetry. Izvestiya of Saratov University. Physics. 2022;22(1):15-45. (In Russ.). Doi: 10.18500/1817-30202022-22-1-15-45.

Yan Y, Ma X, Yao L, Ouyang J. Noncontact measurement of heart rate using facial video illuminated under natural light and signal weighted analysis. Biomed Mater Eng. 2015; 26(1):903-909. Doi: 10.3233/BME-151383.

Qiao D, He T, Hu B, Li Y. Non-contact physiological signal detection using continuous wave Doppler radar. Biomed Mater Eng. 2014;24(1):993-1000. Doi: 10.3233/BME-130896.

Hertzman AB. The blood supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph. Am J Physiol. 1938;124(2):328-340. Doi: 10.1152/ajplegacy.1938. 124.2.328.

Poh MZ, McDuff DJ, Picard RW. Non-contact, automated cardiac pulse measurements using video imaging and blind source separation. Optics Express. 2010;18(10):1076210774. Doi: 10.1364/OE.18.010762.

Scully CG, Lee J, Meyer J, Gorbach AM, Granquist-Fraser D, Mendelson Y, Chon KH. Physiological parameter monitoring from Optical Recordings with a Mobile Phone. IEEE Trans Biomed Eng. 2012;59(2):303-306. Doi: 10.1109/ TBME.2011.2163157.

Scully CG, Lee J, Meyer J, Gorbach AM, GranquistFraser D, Mendelson Y, Chon KH. Physiological parameter monitoring from Optical Recordings with a Mobile Phone. IEEE Trans Biomed Eng. 2012;59(2):303-306. Doi: 10.1109/ TBME.2011.2163157.

Sommermeyer D, Zou D, Ficker JH, Randerath W, Fischer C, Penzel T, Sanner B, Hedner J, Grote L. Detection of cardiovascular risk from a photoplethysmographic signal using a matching pursuit algorithm. Med Biol Eng Comput. 2016;54(7):1111-1121. Doi: 10.1007/s11517-015-1410-8.

Peltokangas M, Vehkaoja A, Huotari M, Verho J, Mattila VM, Röning J, Romsi P, Lekkala J, Oksala N. Combining finger and toe photoplethysmograms for the detection of atherosclerosis. Physiol Meas. 2017;38(2):139-154. Doi: 10.1088/ 1361-6579/aa4eb0.

Bousefsaf F, Maaoui C, Pruski A. Peripheral vasomotor activity assessment using a continuous wavelet analysis on webcam photoplethysmographic signals. Biomed Mater Eng. 2016;27(5):527-538. Doi: 10.3233/BME-161606.

Martini R, Bagno A. The wavelet analysis for the assessment of microvascular function with laser Doppler fluxmetry over the last 20 years. Looking for hidden information. Clin Hemorheol Microcirc. 2018;70(2):213-229. Doi: 10. 3233/CH-189903.

Gurov IP, Volkov MV, Margaryants NB, Potemkin AV. Method of bringing locally varying images into coincidence in video capillaroscopy. J Optical Technol. 2019;86(12):774780. Doi: 10.1364/jot.86.000774.

Федорович А.А., Драпкина О.М. Веб-капилляроскопия – новый метод неинвазивного исследования микроциркуляторного кровотока в коже человека // Профилактическая медицина. – 2020. – Т. 23, № 4. – С. 115–118.

Fedorovich AA, Drapkina OM. Web capillaroscopy – a new method of noninvasive research of microcirculatory blood flow in human skin. Profilakticheskaya Meditsina. 2020;23(4):115-118. (In Russ.). Doi: 10.17116/profmed202023041115.

Анализ особенностей микроциркуляторного кровотока кожи лба и пальца человека / Красников Г.В., Красникова И.В., Тюрина М.Й., Пискунова Г.М. // Смоленский медицинский альманах. – 2018. – № 4. – С. 162–164.

Krasnikov GV, Krasnikova IV, Tyurina MY, Piskunova GM. Analysis of characteristics of microcirulatory blood flow of forehead and finger skin of the of a person. Smolenskiy meditsinskiy al′manakh. 2018;(4):162-164 (In Russ.).

Анисимова А.В., Крупаткин А.И., Сидоров В.В. и др. Лазерная допплеровская флоуметрия в оценке состояния микроциркуляции у пациентов с острой и хронической цереброваскулярной недостаточностью // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2014. – Т. 13, № 3. – С. 31–37.

Anisimova AV, Krupatkin AI, Sidorov VV, Zakharkina MV, Yutskova EV, Galkin SS. Laser Doppler flowmetry in the assessment of the microcirculation in patients with acute and chronic cerebrovascular insufficiency. Regional blood circulation and microcirculation. 2014;13(3):31-37 (In Russ.). Doi: 10.24884/1682-6655-2014-13-3-31-37.

De Ridder B, Van Rompaey B, Kampen J et al. Smartphone apps using photoplethysmography for heart rate monitoring: Meta-analysis. JMIR Cardiol. 2018;2(1):e4. Doi: 10.2196/cardio.8802.

Yan BP, Lai WHS, Chan CKY, Chan SCH, Chan L-H, Lam K-M, Lau H-W, Ng. C-M, Tai L-Y, Yip K-W, To OTL, Freedman B, Poh YC, Poh M-Z. Contact-free screening of atrial fibrillation by a smartphone using facial pulsatile photoplethysmographic signals. J Am Heart Assoc. 2018;7(8):e008585. Doi: 10.1161/JAHA.118.008585.

Kublanov V, Purtov K, Belkov D. Remote Photoplethysmography for the Neuro-electrostimulation Procedures Monitoring. Sci Technol Publications. 2017;4:307-314. Doi: 10.5220/0006176003070314.

Yan BP, Lai WHS, Chan CKY et al. High-throughput, contact-free detection of atrial fibrillation from video with deep learning. JAMA Cardiol. 2020;5(1):105-107. Doi: 10.1001/ jamacardio.2019.4004.

Varma N, Cygankiewicz I, Turakhia M, Heidbuchel H, Hu Y, Chen LY, Couderc JP, Cronin EM, Estep JD, Grieten L, Lane DA, Mehra R, Page A, Passman R, Piccini J, Piotrowicz E, Piotrowicz R, Platonov PG, Ribeiro AL, Rich RE, Russo AM, Slotwiner D, Steinberg JS, Svennberg E. 2021 ISHNE/HRS/EHRA/APHRS collaborative statement on mHealth in arrhyth-mia management: digital medical tools for heart rhythm professionals. Ann Noninvasive Electrocardiol. 2021;26(2):e12795. Doi: 10.1111/anec.12795.

Федорович А.А., Горшков А.Ю., Драпкина О.М. Современные возможности неинвазивного исследования и дистанционного мониторинга капиллярного кровотока в коже человека // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2020. – Т. 19, № 4. – С. 87–91.

Fedorovich AA, Gorshkov AYu, Drapkina OM. Modern possibilities of noninvasive research and remote monitoring of capillary blood flow in human skin. Regional blood circulation and microcirculation. 2020;19(4):87-91. (In Russ.). Doi: 10.24884/16826655-2020-19-4-87-91.

Luo H, Yang D, Barszczyk A et al. Smartphone-dases blood pressure measurement using transdermal optical imaging technology. Circ Cardiovasc Imaging. 2019;12:e008857. Doi: 10.1161/CIRCIMAGING.119.008857.

Schoettker P, Degott J, Hofmann G, Proença M, Bonnier G, Lemkaddem A, Lemay M, Schorer R, Christen U, Knebel JF, Wuerzner A, Burnier M, Wuerzner G. Blood pressure measurements with the OptiBP smartphone app validated against reference auscultatory measurements. Sci Rep. 2020; 10(1):17827. Doi: 10.1038/s41598-020-74955-4.

Iuchi K, Miyazaki R, Cardoso GC, Ogawa-Ochiai K, Tsumura N. Blood pressure estimation by spatial pulse-wave dynamics in a facial video. Biomed Opt Express. 2022; 25;13(11):6035-6047. Doi: 10.1364/BOE.473166.

Yu SG, Kim SE, Kim NH, Suh KH, Lee EC. Pulse Rate Variability Analysis Using Remote Photoplethysmography Signals. Sensors (Basel). 2021;21(18):6241. Doi: 10.3390/ s21186241.

Kopeliovich MV, Petrushan MV. Optimal Facial Areas for Webcam-Based Photoplethysmography. Pattern Recognition and Image Analysis (Advances in Mathematical Theory and Applications). 2016;26(1):150-154. Doi: 10.1134/ S1054661816010120.

Lin S, Li Z, Fu B, Chen S, Li X, Wang Y et al. Feasibility of using deep learning to detect coronary artery disease based on facial photo. Eur Heart J. 2020;41(46):4400-4411. Doi: 10.1093/eurheartj/ehaa640.

Elgendi M, Fletcher R, Norton I, Brearley M, Abbott D, Lovell NH, Schuurmans D. On Time Domain Analysis of Photoplethysmogram Signals for Monitoring Heat Stress. Sensors (Basel). 2015;15(10):24716-24734. Doi: 10.3390/ s151024716.

Знаменская И.А., Коротеева E.Ю, Хахалин А.В. и др. Термографическая визуализация и анализ изображений динамических процессов в области лица // Вестн. Моск. университета. Серия 3. Физика. Астрономия. – 2017. – № 6. – C. 88–93. [Znamenskaya IA, Koroteyeva EY, Khakhalin AV, Shishakov VV, Isaichev SA, Chernorizov AM. Infrared thermography and image analysis of dynamic processes around the facial area. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 3. Fizika. Astronomiya. 2017(6):88-93. (In Russ.)].

Знаменская И.А., Коротеева E.Ю, Хахалин А.В. и др. Термографическая визуализация и анализ изображений динамических процессов в области лица // Вестн. Моск. университета. Серия 3. Физика. Астрономия. – 2017. – № 6. – C. 88–93. Znamenskaya IA, Koroteyeva EY, Khakhalin AV, Shishakov VV, Isaichev SA, Chernorizov AM. Infrared thermography and image analysis of dynamic processes around the facial area. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 3. Fizika. Astronomiya. 2017(6):88-93. (In Russ.).

Морозов А.М., Жуков С.В., Сороковикова Т.В. и др. Медицинское тепловидение: возможности и перспективы метода // Мед. совет. – 2022. – Т. 16, № 6. – C. 256–263.

Morozov AM, Zhukov SV, Sorokovikova TV, Ilkaeva VN, Belyak MA, Pototskaya LA, Minakova JE. Medical thermovision: possibilities and prospects of the method. Meditsinskiy Sovet. 2022;16(6):256-263. (In Russ.). Doi: 10.21518/2079-701X2022-16-6-256-263.

Al-Khalidi FQ, Al-Kananee SH, Hussain SAA. Monitoring the breathing rate in the human thermal image based on detecting the region of interest. JATIT. 2021;99(8):1753-1760.

Elphick HE, Alkali AH, Kingshott RK, Burke D, Saatchi R. Exploratory Study to Evaluate Respiratory Rate Using a Thermal Imaging Camera. Respiration. 2019;97(3):205-212. Doi: 10.1159/000490546.

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