Вышедшие номера
Home » Оптика и спектроскопия » Год 2025, выпуск 12 » Статья стр. 1310
<<<>>>
Монте-Карло моделирование сигналов фотоплетизмографии и пульсоксиметрии для разработки носимых устройств
Министерство экономического развития Российской Федерации, 139-15-2025-004
ПАО Сбербанк , 50004802685
Кириллин М.Ю. 1,2, Куракина Д.А. 1,2, Перекатова В.В. 1,2, Серебрякова А.А. 1,2, Свешникова М.А.1,2, Насрулаев С.Ф.3, Гуркин Р.В.3, Иванченко М.В.1, Сергеева Е.А. 1,2
1Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия
2Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, Россия
3SberDevices, Москва, Россия
Email: mkirillin@yandex.ru
Поступила в редакцию: 31 октября 2025 г.
В окончательной редакции: 7 ноября 2025 г.
Принята к печати: 25 ноября 2025 г.
Выставление онлайн: 5 февраля 2026 г.
PDF версия
С помощью численного моделирования методом Монте-Карло анализируется выбор расстояния источник-детектор в оптической схеме носимого устройства, предназначенного для фотоплетизмографии и пульсоксиметрии в отражательной конфигурации. Моделирование проведено для многослойной среды, имитирующей биоткани пальца человека для трех длин волн: зеленого, красного и ИК диапазонов. Для каждой длины волны моделирование проведено для систолической и диастолической фаз сердцебиения, что позволило проанализировать зависимость относительного изменения сигнала при сердцебиении от расстояния между источником и детектором. Показано монотонное возрастание относительного изменения сигнала между систолической и диастолической фазами с увеличением расстояния источник-детектор. Кроме того, выявлена зависимость коэффициентов калибровочной кривой в пульсоксиметрии от этого параметра. На основе продемонстрированных эффектов выработаны рекомендации по оптимизации расстояния источник-детектор в коммерческих носимых устройствах для заданных технических характеристик оптических элементов. Ключевые слова: биофотоника, фотоплетизмография, пульсоксиметрия, Монте-Карло моделирование. DOI: 10.21883/0000000000
  1. D. Castaneda, A. Esparza, M. Ghamari, C. Soltanpur, H. Nazeran. Int. J. Biosens. Bioelectron., 4 (4), 195-202 (2018). DOI: 10.15406/ijbsbe.2018.04.00125
  2. D. Dias, J. Paulo Silva Cunha. Sensors (Basel), 18 (8), (2018). DOI: 10.3390/s18082414
  3. S. Park, S. Jayaraman. IEEE Eng. Med. Biol. Mag., 22 (3), 41-8 (2003). DOI: 10.1109/memb.2003.1213625
  4. G. Prieto-Avalos, N.A. Cruz-Ramos, G. Alor-Hernandez, J.L. Sanchez-Cervantes, L. Rodriguez-Mazahua, L.R. Guarneros-Nolasco. Biosensors (Basel), 12 (5), (2022). DOI: 10.3390/bios12050292
  5. D. Ray, T. Collins, S. Woolley, P. Ponnapalli. IEEE Rev. Biomed. Eng., 16, 136-151 (2023). DOI: 10.1109/RBME.2021.3121476
  6. A. Boukhayma, A. Barison, S. Haddad, A. Caizzone. IEEE Access, 9, 127217-127225 (2021). DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3111956
  7. K.M. Warren, J.R. Harvey, K.H. Chon, Y. Mendelson. Sensors (Basel), 16 (3), (2016). DOI: 10.3390/s16030342
  8. S. Han, D. Roh, J. Park, H. Shin. Sensors (Basel), 19 (24), (2019). DOI: 10.3390/s19245441
  9. L. Yan, S. Hu, A. Alzahrani, S. Alharbi, P. Blanos. Biosensors (Basel), 7 (2), (2017). DOI: 10.3390/bios7020022
  10. J. Liu, B.P. Yan, W.X. Dai, X.R. Ding, Y.T. Zhang, N. Zhao. Biomed. Opt. Express, 7 (10), 4313-4326 (2016). DOI: 10.1364/BOE.7.004313
  11. C.T. Hsiao, C. Tong, G.L. Cote. Biosensors (Basel), 15 (4), (2025). DOI: 10.3390/bios15040208
  12. Y.-H. Kao, P.C.-P. Chao, C.-L. Wey. IEEE J. Selected Topics in Quant. Electron., 25 (1), 1-10 (2018). DOI: 10.1109/JSTQE.2018.2871604
  13. V.V. Tuchin, V. Tuchin. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis (SPIE Optical Engineering Press, 2000)
  14. OSRAM SFH-7072 Datasheet [Электронный ресурс]. URL: https://look.ams-osram.com/m/682b32d8c8dd3713/original/ SFH-7072.pdf
  15. E.F. Pribadi, R.K. Pandey, P.C.-P. Chao. Microsystem Technologies, 26 (11), 3409-3420 (2020). DOI: 10.1007/s00542-020-04895-6
  16. V. Dremin, E. Zherebtsov, A. Bykov, A. Popov, A. Doronin, I. Meglinski. Appl. Opt., 58 (34), 9398-9405 (2019). DOI: 10.1364/AO.58.009398
  17. S. Chatterjee, P.A. Kyriacou. Sensors (Basel), 19 (4), (2019). DOI: 10.3390/s19040789
  18. A. Doronin, I. Fine, I. Meglinski. Laser Physics, 21 (11), 1972-1977 (2011). DOI: 10.1134/S1054660X11190078
  19. L. Hernandez-Quintanar, D.A. Fabila-Bustos, M. Hernandez-Chavez, A. Valor, J.M. de la Rosa, S. Stolik. Comput Methods Programs Biomed., 187, 105237 (2020). DOI: 10.1016/j.cmpb.2019.105237
  20. E.V. Zharkikh, V.V. Dremin, A.V. Dunaev. J. Biophotonics, 16 (9), e202300139 (2023). DOI: 10.1002/jbio.202300139
  21. D. Kurakina, V. Perekatova, E. Sergeeva, A. Kostyuk, I. Turchin, M. Kirillin. Laser Phys. Lett., 19 (3), 035602 (2022). DOI: 10.1088/1612-202X/ac4be8
  22. E. Sergeeva, D. Kurakina, I. Turchin, M. Kirillin. J. Innovative Optical Health Sciences, 17 (05), 2342002 (2024). DOI: 10.1142/S1793545823420026
  23. V. Perekatova, E. Sergeeva, M. Kirillin, A. Khilov, D. Kurakina, I. Turchin. Opt. Commun., 579, 131440 (2025). DOI: 10.1016/j.optcom.2024.131440
  24. Е.А. Сергеева, Д.А. Куракина, А.А. Гетманская, М.Ю. Кириллин. Опт. и спектр., 133 (12), (2025)
  25. V. Perekatova, M. Kirillin, S. Nemirova, A. Orlova, A. Kurnikov, A. Khilov, K. Pavlova, V. Kazakov, V. Vildanov, I. Turchin, P. Subochev. Photonics, 9 (7), 482 (2022). DOI: 10.3390/photonics9070482
  26. E. Salomatina, B. Jiang, J. Novak, A.N. Yaroslavsky. J. Biomed. Opt., 11 (6), 064026 (2006). DOI: 10.1117/1.2398928
  27. Y. Shimojo, T. Nishimura, H. Hazama, T. Ozawa, K. Awazu. J. Biomed. Opt., 25 (4), 1-14 (2020). DOI: 10.1117/1.JBO.25.4.045002
  28. R. Khan, B. Gul, S. Khan, H. Nisar, I. Ahmad. Photodiagnosis Photodyn. Ther., 33, 102192 (2021). DOI: 10.1016/j.pdpdt.2021.102192
  29. A.N. Bashkatov, E.A. Genina, V.V. Tuchin. J. Innovat. Opt. Health Sciences, 4 (01), 9-38 (2011). DOI: 10.1142/S1793545811001319
  30. T. Kono, J. Yamada. Intern. J. Thermophysics, 40 (5), 51 (2019)
  31. J.L. Sandell, T.C. Zhu. J. Biophotonics, 4 (11-12), 773-87 (2011). DOI: 10.1002/jbio.201100062
  32. S.L. Jacques. Phys. Med. Biol., 58 (11), R37-61 (2013). DOI: 10.1088/0031-9155/58/11/R37
  33. Optical Absorption of Hemoglobin [Электронный ресурс]. URL: https://omlc.org/spectra/hemoglobin/
  34. T.J. Farrell, M.S. Patterson, B. Wilson. Med. Phys., 19 (4), 879-88 (1992). DOI: 10.1118/1.596777
  35. J.T.B. Moyle. Pulse Oximetry (BMJ Books, London, UK, 1994).

Учредители

Издатель

© 2026 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme