Ürək dərəcənizi ölçmək barmağınızın ucundadır: Ürək dərəcəsini təyin etmək üçün fotopletismoqrafiya yanaşması: 7 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:45

Fotopletismograf (PPG), mikrovaskulyar bir toxuma yatağında qan həcmindəki dəyişiklikləri aşkar etmək üçün tez-tez istifadə edilən sadə və ucuz bir optik texnikadır. Dərinin səthində, ümumiyyətlə bir barmaqda ölçmə aparmaq üçün əsasən qeyri-invaziv olaraq istifadə olunur. PPG -nin dalğa forması hər ürək döyüntüsündə qan həcmində ürək sinxron dəyişiklikləri səbəbiylə pulsatil (AC) fizioloji dalğa formasına malikdir. AC dalğası daha sonra tənəffüs, simpatik sinir sistemi fəaliyyəti və termorequlyasiya səbəbindən fərqli aşağı tezlikli komponentləri olan yavaş -yavaş dəyişən (DC) bir başlanğıc səthə qoyulur. PPG siqnalı oksigen doyma, qan təzyiqi və ürək çıxışını ölçmək, ürək çıxışını yoxlamaq və potensial olaraq periferik damar xəstəliklərini aşkar etmək üçün istifadə edilə bilər [1].

Yaratdığımız cihaz ürək üçün bir barmaq fotopletismografıdır. İstifadəçinin barmağını manşetə bir led və fototransistorun üstünə qoyması üçün hazırlanmışdır. Cihaz daha sonra hər ürək döyüntüsündə (Arduinoda) yanıb -sönəcək və nəbzini hesablayacaq və ekrana çıxaracaq. Tənəffüs siqnalının necə göründüyünü də göstərəcək ki, xəstəni əvvəlki məlumatları ilə müqayisə edə bilsin.

Bir PPG, işıq ötürülməsini və ya əks olunmasını ölçməklə qan həcmindəki volumetrik dəyişikliyi ölçə bilər. Ürək hər dəfə pompaladıqda, sol mədəciyin qan təzyiqi yüksəlir. Yüksək təzyiq, hər vuruşda damarların bir qədər qabarmasına səbəb olur. Təzyiq artımı, əks olunan işıq miqdarında ölçülə bilən bir fərqə səbəb olur və işıq siqnalının amplitudası nəbz təzyiqi ilə düz mütənasibdir [2].

Bənzər bir cihaz Apple Watch PPG sensorudur. Pulse dərəcəsi məlumatlarını təhlil edir və AFib ilə uyğun olmayan nizamsız ürək ritmlərinin mümkün epizodlarını aşkar etmək üçün istifadə edir. İstənilən anda istifadəçinin biləyindən axan qan miqdarında nisbi dəyişiklikləri axtarmaq üçün işığa həssas fotodiodlarla birlikdə yaşıl LED işıqlardan istifadə edir. Dəyişiklikləri ürək dərəcəsini ölçmək üçün istifadə edir və istifadəçi dayandıqda, sensor fərdi nəbzləri aşkar edə və vuruş-vuruş aralıqlarını ölçə bilər [3].

Təchizat

Əvvəlcə dövrə qurmaq üçün bir çörək taxtası, (1) yaşıl LED, (1) fototransistor, (1) 220 Ω rezistor, (1) 15 kΩ müqavimət, (2) 330 kΩ, (1) 2.2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondansatör, (1) 68 nF kondansatör, UA 741 op-amp və tellər.

Sonrakı dövrəni yoxlamaq üçün bir funksiya generatoru, enerji təchizatı, osiloskop, timsah kliplərindən istifadə etdik. Nəhayət, istifadəçi dostu bir interfeysə siqnal çıxarmaq üçün Arduino Software və Arduino Uno olan bir dizüstü kompüterdən istifadə etdik.

Addım 1: Şematik Çəkin

PPG siqnalını tutmaq üçün sadə bir sxem tərtib etməyə başladıq. PPG LED istifadə etdiyindən, əvvəlcə 220 Ω rezistorla yaşıl bir LED bağladıq və 6V gücə və yerə bağladıq. Növbəti addım, fototransistordan istifadə edərək PPG siqnalını çəkmək idi. LED -ə bənzər şəkildə 15 kΩ ilə ardıcıl olaraq qoyduq və 6V gücə və yerə bağladıq. Bunun ardınca bir bandpass filtri gəldi. PPG siqnalının normal tezlik diapazonu 0,5 Hz -dən 5 Hz -ə qədərdir [4]. F = 1/RC tənliyini istifadə edərək aşağı və yüksək keçid filtrləri üçün müqavimət və kondansatör dəyərlərini hesabladıq, nəticədə yüksək keçid filtri üçün 330 kΩ rezistorlu 1 μF kondansatör və 10 kΩ rezistorlu 68 nF kondansatör əldə etdik. aşağı keçid filtri. 6V və -6V ilə işləyən filtrlər arasında UA 741 op -amp istifadə etdik.

Addım 2: Dövrü bir osiloskopda sınayın

Sonra dövrəni bir çörək taxtası üzərində qurduq. Bundan sonra, siqnalımızın gözlənildiyi kimi olub olmadığını yoxlamaq üçün osiloskopda dövrə çıxışını sınadıq. Yuxarıdakı rəqəmlərdə göründüyü kimi, barmaq yaşıl LED və fototransistorun üzərinə qoyulduqda dövrə güclü, sabit bir siqnalla nəticələndi. Siqnal gücü də fərdlər arasında dəyişir. Sonrakı rəqəmlərdə dikrotik çentik göz qabağındadır və ürək dərəcəsinin ilk rəqəmlərdə fərddən daha sürətli olduğu aydındır.

Siqnalın yaxşı olduğuna əmin olduqdan sonra Arduino Uno ilə davam etdik.

Addım 3: Breadboard -u Arduino Uno -ya qoşun

Çıxışı (sxematik və torpaqdakı ikinci C2 kondansatörü boyunca) Arduino üzərindəki A0 (bəzən A3) pininə və çörək taxtasındakı yer rayını Arduino üzərindəki GND pininə bağladıq.

İstifadə etdiyimiz kod üçün yuxarıdakı şəkillərə baxın. Tənəffüs siqnalının qrafikini göstərmək üçün Əlavə A -dan istifadə edilmişdir. Əlavə B-dən alınan kod, hər bir ürək atışı üçün Arduino-da yanıb-sönən LED-in olması və nəbzin nə olduğunu çap etmək üçün istifadə edilmişdir.

Addım 4: Ağlınızda saxlamaq üçün məsləhətlər

Tədqiqatçı Johan Wannenburg və başqaları, Mobil Sağlamlıq Monitorinqi, Bir Diaqnoz və Gözləyən Sistem üçün Bədən Sensor Şəbəkəsi adlı məqalədə, təmiz bir PPG siqnalının riyazi bir modelini inkişaf etdirdi [5]. Təmiz bir siqnalın şəklini fərdi bir şəxsin siqnalı ilə müqayisə edərkən (rəqəmlər 3, 4, 5, 6), açıq -aydın bəzi fərqlər var. Əvvəla, siqnalımız geridə qaldı, buna görə sağdan çox deyil, hər bir zirvənin sol tərəfindəki dikrotik çentik. Ayrıca, siqnal hər bir insan arasında çox fərqli idi, buna görə də bəzən dikrotik çentik görünmürdü (rəqəmlər 3, 4), bəzən isə (rəqəmlər 5, 6). Digər diqqətəlayiq bir fərq, siqnalımızın istədiyimiz qədər sabit olmaması idi. Bunun çox həssas olduğunu başa düşdük və masanın və ya hər hansı bir telin ən kiçik itələməsi osiloskopun çıxışının görünüşünü dəyişəcək.

Yetkinlərdə (18 yaşdan yuxarı) istirahət edən orta ürək dərəcəsi dəqiqədə 60 ilə 100 vuruş arasında olmalıdır [6]. Şəkil 8 -də, test edilən fərdin ürək dərəcələrinin hamısı bu iki dəyər arasında idi və bu, dəqiq göründüyünü göstərir. Fərqli bir cihazla ürək dərəcəsini hesablamaq və PPG sensoru ilə müqayisə etmək şansımız olmadı, amma çox güman ki, dəqiqliyə yaxın olardı. Nəzarət edə bilmədiyimiz bir çox amillər də var idi və nəticədə nəticələr dəyişikliyinə səbəb oldu. Hər dəfə sınadıqda ətraf işıqlandırma miqdarı fərqli olurdu, çünki ya fərqli bir yerdəydik, cihazın üstündə bir kölgə vardı, bəzən manşet istifadə edirdik. Daha az şimşək çaxması siqnalı daha aydınlaşdırdı, amma bunu dəyişdirmək bizim əlimizdə deyildi və nəticədə nəticələrimizə təsir etdi. Başqa bir problem temperaturdur. Mussabir Khan və digərləri tərəfindən Temperaturun Fotopletismografiyaya Etkileri İnvestisiya Edilən bir araşdırma, tədqiqatçıların əllərin istiliyinin PPG keyfiyyətini və dəqiqliyini artırdığını təsbit etdi [7]. Əslində birimizin soyuq barmaqları olsaydı, siqnalın zəif olacağını və barmaqları daha isti olan bir insanla müqayisədə dikrotik çentik çıxara bilmədiyimizi gördük. Ayrıca, cihazın həssaslığı səbəbindən bizə ən yaxşı siqnal vermək üçün cihazın qurulmasının optimal olub olmadığını qiymətləndirmək çətin idi. Bu səbəbdən, Arduino-ya bağlamadan və istədiyimiz çıxışa baxmadan əvvəl lövhədə hər dəfə qurduqda və lövhədəki əlaqələri yoxlamaq lazım idi. Çörək taxtası qurmaq üçün işə düşən bir çox amil olduğundan, bir PCB onları çox azaldar və bizə daha dəqiq bir nəticə verər. Bir PCB dizaynı yaratmaq üçün sxemimizi Autodesk Eagle -da qurduq və sonra lövhənin necə görünəcəyini vizual şəkildə göstərmək üçün AutoDesk Fusion 360 -a köçürdük.

Addım 5: PCB Dizaynı

Şemanı AutoDesk Eagle -da təkrarladıq və PCB dizaynını yaratmaq üçün lövhə generatorundan istifadə etdik. Lövhənin necə görünəcəyini vizual olaraq göstərmək üçün dizaynı AutoDesk Fusion 360 -a da köçürdük.

Addım 6: Nəticə

Nəticədə, PPG siqnal dövrəsi üçün bir dizayn hazırlamağı, qurmağı və sınamağı öyrəndik. Çıxışdakı mümkün səs -küy miqdarını azaltmaq və hələ də güclü bir siqnala sahib olmaq üçün nisbətən sadə bir dövrə qurmaqda uğur qazandıq. Dövrü öz üzərimizdə sınadıq və bunun bir az həssas olduğunu gördük, ancaq dövrə bəzi dəyişikliklərlə (fiziki deyil, dizayn) güclü bir siqnal ala bildik. İstifadəçinin nəbzini hesablamaq üçün siqnal çıxışından istifadə etdik və onu və tənəffüs siqnalını Arduinonun gözəl istifadəçi interfeysinə verdik. İstənilən ürək döyüntüsü üçün yanıb-sönmək üçün Arduino-da quraşdırılmış LED-dən istifadə etdik ki, bu da istifadəçinin ürəyinin dəqiq nə vaxt döyüldüyünü aydınlaşdırdı.

PPG-nin bir çox potensial tətbiqi var və sadəliyi və qənaətliliyi ağıllı cihazlara inteqrasiyanı faydalı edir. Fərdi sağlamlıq xidməti son illərdə daha çox populyarlaşdığından, bu texnologiyanın bütün dünyada ehtiyacı olan hər kəs üçün əlçatan olması üçün sadə və ucuz dizayn edilməsi çox vacibdir. Son bir məqalədə hipertansiyonu yoxlamaq üçün PPG istifadə edilməsinə baxıldı və bunun digər qan təzyiqi ölçmə cihazları ilə birlikdə istifadə edilə biləcəyini tapdılar [10]. Bəlkə də bu istiqamətdə kəşf oluna biləcək və yeniləri daha çoxdur və buna görə də PPG indi və gələcəkdə səhiyyədə vacib bir vasitə kimi qəbul edilməlidir.

Addım 7: İstinadlar

[1] A. M. García və P. R. Horche, "Bifotonik damar tapan cihazda işıq mənbəyinin optimallaşdırılması: Eksperimental və nəzəri analiz", Fizikada Nəticələr, cild. 11, s. 975–983, 2018. [2] J. Allen, "Fotopletismoqrafiya və klinik fizioloji ölçmədə tətbiqi", Fizioloji Ölçmə, cild. 28, yox. 3, 2007.

[3] "Ürəyin Ölçülməsi - EKQ və PPG Necə İşləyir?", İmmosiyalar. [Onlayn]. Mövcud: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Erişildi: 10-Dekabr 2019].

[4] DÖVRƏSİZ RİTM BİLDİRİMİ XÜSUSİYYƏTİ İÇİN DE NOVO SINIFLAMA TƏLƏBİ..

[5] S. Bagha və L. Shaw, "SpO2 və nəbz sürətinin ölçülməsi üçün PPG siqnalının real vaxt təhlili", Beynəlxalq Kompüter Tətbiqləri Jurnalı, cild. 36, yox. 11, Dekabr 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Mobil Sağlamlıq Monitorinqi, Diaqnoz və Gözləyən Sistem üçün Bədən Sensor Şəbəkəsi. Sensorlar jurnalı, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Normal Ürək Nəbzi Nədir?", LiveScience. [Onlayn]. Mövcud: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Erişildi: 10-Dekabr 2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw və J. G. Chase, "Temperatur of Effects Effects of Photoplethysmography," IFAC-PapersOnLine, cild. 48, yox. 20, s. 360-365, 2015.

[9] M. Ghamari, "Geyinilə bilən fotopletismoqrafiya sensorlarına və onların gələcəkdə səhiyyədə potensial tətbiqlərinə bir baxış", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, cild. 4, yox. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim və R. Ward, "Hipertansiyonu qiymətləndirmək üçün fotopletismoqrafiyanın istifadəsi", npj Digital Medicine, cild. 2, yox. 1, 2019.