Südame löögisageduse mõõtmine on käeulatuses: fotopletüsmograafia meetod südame löögisageduse määramiseks: 7 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Fotopletüsmograaf (PPG) on lihtne ja odav optiline tehnika, mida kasutatakse sageli vere mahu muutuste tuvastamiseks koe mikrovaskulaarses voodis. Seda kasutatakse enamasti mitteinvasiivselt nahapinna, tavaliselt sõrme, mõõtmiseks. PPG lainekuju on pulseeriva (AC) füsioloogilise lainekujuga, mis on tingitud südame sünkroonsetest muutustest vere mahus iga südamelöögi korral. Seejärel asetatakse vahelduvvool aeglaselt muutuvale (DC) baasjoonele erinevate madalama sagedusega komponentidega, mis on tingitud hingamisest, sümpaatilise närvisüsteemi aktiivsusest ja termoregulatsioonist. PPG signaali saab kasutada hapniku küllastumise, vererõhu ja südame väljundi mõõtmiseks, südame väljundi kontrollimiseks ja potentsiaalselt perifeersete veresoonte haiguste tuvastamiseks [1].

Seade, mida loome, on sõrme fotopletüsmograaf südame jaoks. See on mõeldud kasutajale sõrme mansetti asetamiseks led- ja fototransistori kohale. Seejärel vilgub seade iga südamelöögi korral (Arduino puhul) ja arvutab pulsi ning väljastab selle ekraanile. Samuti näitab see, milline hingamissignaal välja näeb, et patsient saaks seda võrrelda oma varasemate andmetega.

PPG saab mõõta vere mahu mahulist muutust, mõõtes valguse läbilaskvust või peegeldust. Iga kord, kui süda pumpab, suureneb vasaku vatsakese vererõhk. Kõrge rõhu tõttu tekivad arterid iga löögi ajal kergelt. Rõhu tõus põhjustab mõõdetava erinevuse tagasi peegelduva valguse koguses ja valgussignaali amplituud on otseselt proportsionaalne impulsi rõhuga [2].

Sarnane seade on Apple Watchi PPG -andur. See analüüsib pulsisageduse andmeid ja kasutab neid AFib -iga kooskõlas olevate ebaregulaarsete südamerütmide võimalike episoodide tuvastamiseks. See kasutab rohelisi LED-tulesid koos valgustundlike fotodioodidega, et otsida suhtelisi muutusi kasutaja randmes voolava vere koguses igal hetkel. See kasutab muudatusi südame löögisageduse mõõtmiseks ja kui kasutaja on paigal, saab andur tuvastada üksikuid impulsse ja mõõta löögi ja löögi intervalle [3].

Tarvikud

Esiteks kasutasime vooluahela ehitamiseks leivaplaati, (1) rohelist LED -i, (1) fototransistorit, (1) 220 Ω takisti, (1) 15 kΩ takisti, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondensaator, (1) 68 nF kondensaator, UA 741 op-amp ja juhtmed.

Seejärel kasutasime vooluahela testimiseks funktsioonigeneraatorit, toiteallikat, ostsilloskoopi, alligaatoriklambreid. Lõpuks kasutasime signaali väljastamiseks kasutajasõbralikule kasutajaliidesele sülearvutit, millel on Arduino tarkvara ja Arduino Uno.

Samm: joonistage skeem välja

Alustasime PPG -signaali püüdmiseks lihtsa skeemi koostamisega. Kuna PPG kasutab LED -i, ühendasime esmalt rohelise LED -i 220 Ω takisti jadaga ning ühendasime 6V toite ja maandusega. Järgmine samm oli fototransistori abil PPG signaali püüdmine. Sarnaselt LED -iga panime selle 15 kΩ järjestikku ja ühendasime 6V toite ja maandusega. Sellele järgnes ribalaiuse filter. PPG signaali tavaline sagedusvahemik on 0,5 Hz kuni 5 Hz [4]. Kasutades võrrandit f = 1/RC, arvutasime takisti ja kondensaatori väärtused madal- ja kõrgepääsfiltrite jaoks, mille tulemuseks oli 1 μF kondensaator koos 330 kΩ takisti kõrgpääsfiltri jaoks ja 68 nF kondensaator 10 kΩ takistiga madalpääsfilter. Kasutasime filtrite vahel optilist võimendit UA 741, mille toide oli 6V ja -6V.

Samm: testige vooluringi ostsilloskoobiga

Seejärel ehitasime vooluringi leivaplaadile. Pärast seda testisime ostsilloskoobi vooluringi väljundit, et kontrollida, kas meie signaal oli ootuspärane. Nagu ülaltoodud joonistel näha, andis vooluahel tugeva ja stabiilse signaali, kui sõrm asetati rohelise LED -i ja fototransistori kohale. Signaali tugevus varieerub ka üksikisikute vahel. Hilisematel joonistel on dikrootiline sälk ilmne ja on selge, et südame löögisagedus on kiirem kui esimesel paaril inimesel.

Kui olime kindlad, et signaal on hea, jätkasime Arduino Unoga.

Samm: ühendage leivalaud Arduino Unoga

Ühendasime väljundi (skemaatiliselt ja maandatud teise kondensaatori C2 kaudu) Arduino tihvtiga A0 (mõnikord A3) ja leivaplaadi maandusrööpaga Arduino GND -tihvtiga.

Vaadake ülaltoodud piltidel kasutatud koodi. Hingamissignaali graafiku näitamiseks kasutati liite A koodi. Lisa B koodi kasutati selleks, et Arduino vilguks sisseehitatud LED iga südamelöögi korral ja prindiks välja, mis on südame löögisagedus.

4. samm: näpunäiteid, mida meeles pidada

Uurija Johan Wannenburg jt töötasid paberil Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Enicipating System välja puhta PPG signaali matemaatilise mudeli [5]. Võrreldes puhta signaali kuju meie - üksiku inimese - signaaliga (joonised 3, 4, 5, 6), on tõsi, mõned selged erinevused. Esiteks oli meie signaal tagurpidi, nii et dikrootiline sälk oli iga tipu vasakul, mitte paremal küljel. Samuti oli signaal inimeste vahel väga erinev, nii et mõnikord ei olnud dikrootiline sälk ilmne (joonised 3, 4) ja mõnikord oli (joonised 5, 6). Teine märkimisväärne erinevus oli see, et meie signaal ei olnud nii stabiilne, kui oleksime soovinud. Mõistsime, et see on väga tundlik ja laua väikseim tõuge või mõni traat muudab ostsilloskoobi väljundi väljanägemist.

Täiskasvanute (üle 18 -aastaste) puhkeolekus peaks pulss jääma vahemikku 60–100 lööki minutis [6]. Joonisel 8 olid testitava isiku südame löögisagedused kõik nende kahe väärtuse vahel, mis näitab, et see näib olevat täpne. Me ei saanud võimalust arvutada pulssi teise seadmega ja võrrelda seda oma PPG -anduriga, kuid on tõenäoline, et see oleks peaaegu täpne. Samuti oli palju tegureid, mida me ei suutnud kontrollida, mis viis tulemuste varieerumiseni. Ümbritseva valguse hulk oli iga kord, kui seda testisime, erinev, kuna asusime kas erinevas kohas, seadme kohal oli vari, mõnikord kasutasime manseti. Vähem ümbritseva välgu olemasolu muutis signaali selgemaks, kuid selle muutmine oli meie kontrolli alt väljas ja mõjutas seega meie tulemusi. Teine probleem on temperatuur. Mussabir Khani jt uuringus „Investeerides temperatuuri mõju fotopletüsmograafiasse” leidsid teadlased, et soojem käte temperatuur parandas PPG kvaliteeti ja täpsust [7]. Me märkasime tegelikult, et kui ühel meist oleksid külmad sõrmed, oleks signaal kehv ja me ei saaks dikrootilist sälku eristada võrreldes inimesega, kellel olid soojemad sõrmed. Samuti oli seadme tundlikkuse tõttu raske otsustada, kas seadme seadistus oli meile parima signaali andmiseks optimaalne või mitte. Seetõttu pidime iga kord, kui seadistame, tahvliga ringi käima ja kontrollima tahvli ühendusi, enne kui saame selle Arduinoga ühendada ja soovitud väljundit vaadata. Kuna leivaplaadi seadistamisel on nii palju tegureid, vähendaks trükkplaat neid oluliselt ja annaks meile täpsema väljundi. Ehitasime oma skeemi Autodesk Eagle'is, et luua trükkplaadi kujundus, ja seejärel lükkasime selle AutoDesk Fusion 360 -sse, et visuaalselt tahvlit välja näha.

Samm: trükkplaatide kujundamine

Taasesitasime skeemi AutoDesk Eagle'is ja kasutasime selle plaadigeneraatorit PCB kujunduse loomiseks. Samuti lükkasime disaini AutoDesk Fusion 360 -le, et visuaalselt tahvlit välja näha.

6. samm: järeldus

Kokkuvõtteks õppisime, kuidas töötada välja PPG signaaliahela disain, ehitasime selle ja katsetasime. Olime edukad suhteliselt lihtsa vooluahela loomisel, et vähendada väljundis tekkivat võimalikku müra ja omada endiselt tugevat signaali. Testisime vooluringi enda peal ja leidsime, et see oli pisut tundlik, kuid ahela mõningase muutmise (füüsiliselt, mitte disain) abil suutsime saada tugeva signaali. Kasutasime signaali väljundit, et arvutada kasutaja südame löögisagedus ning väljastasime selle ja hingamissignaali Arduino toredale kasutajaliidesele. Samuti kasutasime Arduino sisseehitatud LED-i, et vilkuda iga südamelöögi ajal, andes kasutajale selgeks, millal täpselt süda peksis.

PPG-l on palju potentsiaalseid rakendusi ning selle lihtsus ja kulutõhusus muudavad kasulikuks nutiseadmetesse integreerimise. Kuna isiklik tervishoid on viimastel aastatel muutunud üha populaarsemaks, on hädavajalik, et see tehnoloogia oleks lihtne ja odav, nii et see oleks kogu maailmas kättesaadav kõigile, kes seda vajavad [9]. Hiljutises artiklis uuriti PPG kasutamist hüpertensiooni kontrollimiseks - ja nad leidsid, et seda saab kasutada koos teiste BP mõõteseadmetega [10]. Võib -olla on selles suunas veel avastamist ja uuendamist ning seetõttu tuleks PPG -d käsitleda olulise vahendina tervishoius praegu ja tulevikus.

Samm 7: Viited

[1] A. M. García ja P. R. Horche, „Valgusallika optimeerimine bifotoonilises veenide leidmisseadmes: eksperimentaalne ja teoreetiline analüüs,” Results in Physics, kd. 11, lk 975–983, 2018. [2] J. Allen, “Fotopletüsmograafia ja selle kasutamine kliinilises füsioloogilises mõõtmises,” Füsioloogiline mõõtmine, kd. 28, ei. 3, 2007.

[3] “Südame mõõtmine - kuidas EKG ja PPG töötavad?” Imotions. [Internetis]. Kättesaadav: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Kasutatud: 10-dets-2019].

[4] DE NOVO KLASSIFITSEERIMISTAOTLUS Ebaregulaarsete riimiteatiste funktsioonide jaoks..

[5] S. Bagha ja L. Shaw, „PPG signaali reaalajas analüüs SpO2 ja pulsisageduse mõõtmiseks”, International Journal of Computer Applications, kd. 36, ei. 11. detsember 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Kehaandurite võrk mobiilse tervise jälgimiseks, diagnostika- ja ennetussüsteem. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] „Mis on normaalne pulss?”, LiveScience. [Internetis]. Kättesaadav: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Kasutatud: 10. detsember 2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw ja J. G. Chase, „Temperatuuri mõju uurimine fotopletüsmograafiale”, IFAC-PapersOnLine, kd. 48, ei. 20, lk 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, „Ülevaade kantavatest fotopletüsmograafiaanduritest ja nende võimalikest tulevastest rakendustest tervishoius”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, kd. 4, ei. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim ja R. Ward, „Fotopletüsmograafia kasutamine hüpertensiooni hindamiseks”, npj Digital Medicine, vol.. 2, ei. 1, 2019.