Bezkontaktowa analiza sprzężenia sercowo-płucnego z użyciem obrazu wideo
Nowa metoda oceny autonomicznej regulacji układu krążeniowo-oddechowego
Z perspektywy fizjologicznej czynność serca i oddychanie nie funkcjonują w organizmie człowieka jako procesy niezależne. Rytm serca ulega modulacji w zależności od fazy cyklu oddechowego, a ścisła interakcja pomiędzy tymi dwoma układami określana jest mianem sprzężenia sercowo-płucnego (cardiopulmonary coupling, CPC). CPC odzwierciedla stan regulacyjny autonomicznego układu nerwowego i stanowi istotny wskaźnik fizjologiczny wykorzystywany w ocenie jakości snu, kondycji układu sercowo-naczyniowego oraz poziomu stresu.
Przez dekady ocena sprzężenia sercowo-płucnego była jednak prowadzona niemal wyłącznie z użyciem metod kontaktowych, takich jak elektrody elektrokardiograficzne, pasy oddechowe czy inne czujniki wymagające bezpośredniego kontaktu z ciałem pacjenta. Choć rozwiązania te cechują się wysoką skutecznością pomiarową, mogą one ograniczać komfort badanych osób oraz zmniejszać użyteczność w warunkach domowych, w monitorowaniu długoterminowym, a także w populacjach szczególnie wrażliwych, takich jak niemowlęta czy pacjenci po zabiegach operacyjnych.
W badaniu opublikowanym na łamach Intelligent Sports and Health zespół badawczy kierowany przez profesora Renchenga Songa z Hefei University of Technology zaproponował nowe podejście: pomiar sprzężenia sercowo-płucnego wyłącznie przy użyciu standardowej kamery wideo.
Jak wyjaśnia autor korespondujący pracy, Rencheng Song, powierzchnia ciała człowieka podlega niezwykle subtelnym zmianom z każdym oddechem i uderzeniem serca, a nowoczesne kamery są w stanie rejestrować te mikroskopijne fluktuacje. Umożliwia to ocenę stanu układu sercowo-płucnego w warunkach całkowicie bezkontaktowych, bez konieczności stosowania klasycznych sensorów medycznych.
Badacze opracowali inteligentne ramy analizy wideo, które w pierwszym etapie automatycznie identyfikują obszary twarzy oraz tułowia w nagraniach wideo. Z wyodrębnionych regionów synchronicznie pozyskiwane są sygnały optyczne związane ze zmianami przepływu krwi, odzwierciedlające aktywność serca, oraz sygnały ruchowe klatki piersiowej i jamy brzusznej, odpowiadające czynności oddechowej.
Zastosowanie fuzji sygnałów z wielu regionów ciała oraz analizy czasowo-częstotliwościowej o wysokiej rozdzielczości pozwoliło na istotną poprawę stabilności sygnału oraz dokładniejsze odwzorowanie dynamicznych zmian fizjologicznych. Wyniki eksperymentalne wykazały, że w różnych warunkach fizjologicznych, obejmujących zarówno prawidłowy oddech, jak i symulowane epizody bezdechu, metoda oparta na analizie wideo generowała pomiary sprzężenia sercowo-płucnego wysoce zgodne z rezultatami uzyskiwanymi za pomocą konwencjonalnych urządzeń kontaktowych.
Główny badacz projektu, Yi Qun Gao, podkreśla, że przedstawiona praca znacząco poszerza granice zastosowań bezkontaktowego monitorowania parametrów fizjologicznych. Przez długi czas ocena sprzężenia sercowo-płucnego była domeną specjalistycznej aparatury medycznej lub sensorów ubieralnych. Uzyskane wyniki wskazują jednak, że również zdalne systemy wideo mogą stanowić wiarygodne narzędzie do oceny CPC.
Autorzy zwracają uwagę, że zaproponowane rozwiązanie jest szczególnie obiecujące w scenariuszach wymagających długotrwałego i komfortowego monitorowania, takich jak domowe badania jakości snu czy zdalna rehabilitacja pooperacyjna. W perspektywie dalszego rozwoju technologia ta mogłaby zostać zintegrowana ze smartfonami lub inteligentnymi kamerami, czyniąc monitorowanie zdrowia równie naturalnym i powszechnym jak wideorozmowa.
Źródło: Intelligent Sports and Health, Video-based cardiopulmonary coupling measurement: A feasibility study
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ish.2025.12.001
