Набор данных фотоплетизмографии с четырьмя длинами волн для безинвазивной оценки гемоглобина

Почему направленный на кончик пальца свет может рассказать о состоянии крови

Большинство из нас знакомо с уколом иглы при заборе крови для проверки на анемию, диабет или сердечные заболевания. Представьте теперь, что некоторые из тех же показателей можно было бы проверить просто приложив палец к небольшому сенсору, подобно пульсоксиметру. В этой статье представлен исследовательский набор данных, предназначенный помочь учёным создавать и проверять такие безинвазивные методы оценки гемоглобина — кислородопереносящего компонента крови — а также связанные показатели сердечно-сосудистой системы.

От забора крови к проверкам с помощью света

Уровень гемоглобина — центральный показатель здоровья: его недостаток может указывать на анемию и вызывать усталость, тогда как избыток делает кровь более вязкой и увеличивает нагрузку на сердце. Сегодня эталонный способ измерения гемоглобина — забор венозной крови и лабораторный анализ: точный, но неприятный, медленный и зависящий от квалифицированного персонала и оборудования. В последние годы исследователи стали обращаться к оптическим методикам, которые могли бы оценивать гемоглобин и другие маркеры без укола, что открывает возможности для более простого скрининга в клиниках, домашних условиях и в районах с ограниченными ресурсами.

Чтение пульса цветным светом

Набор данных, описываемый в этой работе, основан на фотоплетизмографии (ФПГ) — методе, отслеживающем малые изменения объёма крови путём пропускания света через кожу и регистрации отражённого или прошедшего света. Разные цвета (длины волн) проникают на разную глубину и по-разному поглощаются насыщенным кислородом и обеднённым кислородом гемоглобином. Вместо использования одной-двух длин волн исследователи записали ФПГ-сигналы на четырёх длинах волн — 660, 730, 850 и 940 нанометров — с кончиков пальцев 252 взрослых участников. В дополнение к этим сигналам были зарегистрированы лабораторно измеренные значения гемоглобина, уровень глюкозы натощак и артериальное давление на руке, что создало богатую эталонную базу для будущих алгоритмов.

Как собирали сигналы и эталонные данные

Для создания этого ресурса команда разработала специальный датчик для кончика пальца и компьютерный интерфейс. Устройство сочетает несколько светодиодов, фотодетектор и датчик давления, который помогает поддерживать постоянный контакт с кожей. Во время примерно 15-минутного визита добровольцам сначала брали стандартный венозный забор крови для точных измерений гемоглобина и глюкозы. Затем участники сидели спокойно, пока датчик записывал одну минуту четырёхканальных ФПГ-данных с левого указательного пальца с частотой 200 отсчётов в секунду. В завершение автоматическая манжета измеряла систолическое и диастолическое артериальное давление на правой руке. Возраст участников варьировался от 21 до 90 лет, были представлены оба пола и смешанные состояния: нормальные значения и такие заболевания, как анемия, диабет и гипертензия, что делает набор данных более отражающим реальное разнообразие популяции.

Обеспечение чистоты и надёжности сигналов

Поскольку зашумлённые сигналы могут вводить в заблуждение любые автоматические методы, исследователи уделили внимание проверке качества данных. Они отбраковали записи с отсутствующей информацией, сильно искажёнными волнами или длительностью менее 30 секунд. Для оставшихся данных качество сигнала оценивали с помощью стандартной меры сигнал/шум, которая сравнивает полезную пульсовую информацию с фоновым шумом. Сигналы фильтровали, чтобы сохранить ритмы, связанные с сердечной деятельностью, подавив медленные дрейфы и высокочастотные помехи, затем вычисляли это отношение для каждой длины волны. Большинство записей содержали чёткие, сильные пульсы, и анализ выявил систематические различия между длинами волн: например, сигналы около 850 нанометров оказались более стабильными, в то время как самая длинная длина волны, 940 нанометров, была более вариабельной — вероятно, это отражает особенности распространения и рассеяния света разных цветов в слоях кожи и крови.

Что исследователи могут делать с этим ресурсом

В результате коллекция Hb-PPG содержит 1008 четырёхволновых сегментов ФПГ и таблицу обезличенной фоновой информации и клинических измерений, все данные сохранены в общих форматах файлов, совместимых с инструментами вроде MATLAB и R. С помощью этого набора исследователи могут изучать, как форма волны, временные характеристики и простые статистики связаны с уровнем гемоглобина, артериальным давлением и глюкозой; сравнивать информативность разных длин волн; и разрабатывать модели машинного обучения, которые оценивают параметры здоровья только по сигналам с кончика пальца. Авторы также отмечают возможности сочетания этих данных с исследованиями сердца и мозга в будущих работах, что потенциально свяжет простые оптические измерения с более глубокими выводами о кровообращении и функции органов.

К более мягким проверкам крови в повседневной медицине

Проще говоря, эта статья не объявляет о готовом приборе, способном заменить лабораторные анализы. Вместо этого она предоставляет детальный исходный материал, необходимый для создания и объективной проверки таких инструментов: тщательно записанные оптические пульсовые сигналы в сочетании с золотым стандартом лабораторных измерений и проверкой качества. Предоставляя этот набор данных в открытом доступе, авторы надеются ускорить развитие удобных, повторяемых и широко доступных способов отслеживания гемоглобина и сердечно-сосудистого здоровья — превращая изменение цвета и пульса на кончике пальца в окно во внутреннее состояние организма.

Цитирование: Chen, L., Li, S., Liu, L. et al. A Four-Wavelength Photoplethysmography dataset for non-invasive hemoglobin assessment. Sci Data 13, 564 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06945-6

Ключевые слова: безинвазивный мониторинг гемоглобина, фотоплетизмография, многоволновое оптическое зондирование, скрининг на анемию, носимые медицинские устройства