Трансдермальная оптическая визуализация

Технология трансдермальной оптической визуализации была разработана психологом развития Кан Ли и его постдокторантом Полом Чжэном. Изначально метод создавался не для медицинских целей, а как инструмент для детекции лжи у детей. В ходе исследований учёные обнаружили, что технология, использующая обычные видеокамеры и алгоритмы машинного обучения для анализа изменений кровотока на лице, также способна измерять артериальное давление и другие физиологические показатели^[4][5].

Для коммерциализации метода Кан Ли стал соучредителем компании NuraLogix Corporation. Технология была внедрена в мобильное приложение Anura, которое позволяет пользователям измерять пульс, уровень стресса и артериальное давление с помощью короткого видео с камеры смартфона^[5].

Принцип работы трансдермальной оптической визуализации (TOI) базируется на оптических свойствах кожи и алгоритмах обработки видеосигнала^[6]. Процесс можно разделить на следующие этапы:

1. Детекция лица и захват видео: с помощью стандартной цифровой камеры смартфона или другого устройства захватывается видеоизображение лица. Система распознаёт лицо и разделяет его на специфические области интереса, отслеживая ключевые точки в реальном времени^[6].
2. Проникновение и отражение света: благодаря полупрозрачности кожи, свет способен проникать под её поверхность и затем выходить обратно^[7]. При этом различные слои кожи отражают разные длины волн^[8].
3. Взаимодействие с хромофорами: выходящий из-под кожи свет изменяется под действием хромофоров, в первую очередь гемоглобина и меланина^[9], различающихся по цвету^[10]. Поскольку они имеют различные цветовые сигнатуры, они по-разному влияют на проходящий свет^[6].
4. Извлечение сигналов и анализ битовых плоскостей: оптический датчик камеры фиксирует отражённый свет в виде обычного видео. Из видеопоследовательности извлекаются изменяющиеся во времени сигналы для каждого пикселя^[6].
5. Машинное обучение и изоляция гемоглобина: разница в цвете хромофоров позволяет программному обеспечению для машинного обучения TOI разделять изображение по слоям (битовым плоскостям): извлекать сигналы, обогащённые гемоглобином, и сигналы, богатые меланином, затем отбрасывать сигналы, связанные с меланином, чтобы получить запись изменений гемоглобина под кожей^[6]. Процесс может циклически повторяться до достижения оптимального уровня отношения сигнал/шум^[6].
6. Реконструкция данных о кровотоке: на основе изолированной информации о концентрации гемоглобина в каждом пикселе формируются видеоизображения подкожных изменений кровотока. Данные по пикселям в выделенных областях лица усредняются, после чего к ним применяются математические методы для извлечения основной частоты, реконструкции пиков сердцебиения и расчёта физиологических показателей^[6].

Трансдермальная оптическая визуализация была предложена в качестве альтернативы манжетным методам измерения артериального давления, поскольку она позволяет точно измерять частоту сердечных сокращений бесконтактным и неинвазивным способом. Также предполагается, что технология может применятьcя для выявления скрытых эмоций на основании анализа рисунка кровотока на лице^[11][12].

Методы оценки психологического стресса и эмоционального состояния с помощью TOI включают анализ лицевого кровотока и обработку сигналов^[13]. В качестве физиологических маркеров используются вариабельность сердечного ритма (ВСР), служащая основным индексом для оценки базального стресса^[13][14], и частота сердечных сокращений (ЧСС). Кроме того, для оценки состояния применяется детекция микровыражений — скрытых лицевых реакций на подпороговые стимулы^[14].

Трансдермальная оптическая визуализация (TOI) имеет ряд отличий от традиционной контактной фотоплетизмографии (PPG). Главными преимуществами TOI являются бесконтактность и возможность двухмерной визуализации. В отличие от PPG, требующей непосредственного физического контакта датчика с кожей, TOI позволяет измерять параметры на большой площади без касания, что особенно важно для новорожденных и пациентов с поражениями кожи. Кроме того, TOI обеспечивает двухмерную цветовую визуализацию пространственного распределения гемодинамических параметров, тогда как PPG ограничивается локальным измерением строго в точке контакта^[15].

В то же время TOI обладает рядом недостатков. Метод имеет более низкое отношение сигнал/шум, так как детекторы камер уступают специализированным фотодиодам, используемым в PPG. Также TOI подвержена искажениям из-за влияния отражённого фонового излучения, в то время как датчики PPG менее чувствительны к внешнему световому фону благодаря плотному прилеганию к коже^[15].

На точность метода трансдермальной оптической визуализации влияет ряд факторов:

• Освещённость: качество освещения критично для точности измерений. Недостаточное освещение снижает интенсивность отражённого света и искажает результаты, а слишком яркое может вызвать перенасыщение сенсора камеры и привести к искажениям^[16].
• Тип кожи: высокая концентрация меланина у людей с тёмным оттенком кожи увеличивает поглощение света, что снижает отклик оптического сенсора и затрудняет точный анализ.
• Движение объекта: любые движения во время сканирования негативно сказываются на точности измерений, поэтому для корректной работы метода требуется максимальная неподвижность объекта и камеры^[16].
• Физиологические особенности: наличие выраженных отёков (например, отёчность лица) может препятствовать корректному считыванию данных и приводить к ошибкам в оценке физиологических показателей^[16].