Sirdsdarbības ātruma mērīšana ir pirksta galā: fotopletismogrāfijas pieeja sirdsdarbības noteikšanai: 7 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Fotopletismogrāfs (PPG) ir vienkārša un lēta optiskā tehnika, ko bieži izmanto, lai noteiktu asins tilpuma izmaiņas audu mikrovaskulārajā gultnē. To galvenokārt izmanto neinvazīvi, lai veiktu mērījumus uz ādas virsmas, parasti ar pirkstu. PPG viļņu formai ir pulsējoša (AC) fizioloģiskā viļņu forma, ko izraisa sirds sinhronās izmaiņas asins tilpumā ar katru sirdsdarbību. Pēc tam maiņstrāvas vilnis tiek uzklāts uz lēnām mainīgu (DC) bāzes līniju ar dažādiem zemākas frekvences komponentiem, kas rodas elpošanas, simpātiskās nervu sistēmas aktivitātes un termoregulācijas dēļ. PPG signālu var izmantot, lai izmērītu skābekļa piesātinājumu, asinsspiedienu un sirds izvadi, lai pārbaudītu sirds jaudu un potenciāli atklātu perifēro asinsvadu slimības [1].

Ierīce, ko mēs veidojam, ir pirkstu fotopletismogrāfs sirdij. Tas ir paredzēts lietotājam, lai ievietotu pirkstu manšetē virs gaismas diodes un fototransistora. Pēc tam ierīce mirgos par katru sirdspukstu (Arduino) un aprēķinās sirdsdarbības ātrumu un parādīs to ekrānā. Tas arī parādīs, kā izskatās elpošanas signāls, lai pacients, iespējams, varētu to salīdzināt ar saviem iepriekšējiem datiem.

PPG var izmērīt asins tilpuma tilpuma izmaiņas, mērot gaismas caurlaidību vai atstarojumu. Katru reizi, kad sirds sūknē, palielinās asinsspiediens kreisajā kambarī. Augsts spiediens izraisa artēriju nelielu izliekumu ar katru sitienu. Spiediena pieaugums izraisa izmērāmu atšķirību gaismas daudzumā, kas tiek atstarots atpakaļ, un gaismas signāla amplitūda ir tieši proporcionāla impulsa spiedienam [2].

Līdzīga ierīce ir Apple Watch PPG sensors. Tas analizē pulsa ātruma datus un izmanto tos, lai noteiktu iespējamās neregulāras sirds ritma epizodes, kas atbilst AFib. Tas izmanto zaļas LED gaismas kopā ar gaismas jutīgām fotodiodēm, lai meklētu relatīvas izmaiņas asins daudzumā, kas plūst lietotāja plaukstā jebkurā brīdī. Tas izmanto izmaiņas, lai izmērītu sirdsdarbības ātrumu, un, kad lietotājs ir nekustīgs, sensors var noteikt atsevišķus impulsus un izmērīt sitienu un sitienu intervālus [3].

Piegādes

Pirmkārt, ķēdes veidošanai mēs izmantojām maizes dēli, (1) zaļo gaismas diodi, (1) fototransistoru, (1) 220 Ω rezistoru, (1) 15 kΩ rezistoru, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondensators, (1) 68 nF kondensators, UA 741 op-amp un vadi.

Tālāk, lai pārbaudītu ķēdi, mēs izmantojām funkciju ģeneratoru, barošanas avotu, osciloskopu, aligatora skavas. Visbeidzot, lai izvadītu signālu lietotājam draudzīgam lietotāja interfeisam, mēs izmantojām klēpjdatoru ar Arduino programmatūru un Arduino Uno.

1. darbība: uzzīmējiet shēmu

Mēs sākām, sastādot vienkāršu shēmu, lai uztvertu PPG signālu. Tā kā PPG izmanto gaismas diodi, mēs vispirms sērijveidā pievienojām zaļo gaismas diodi ar 220 Ω rezistoru un pievienojām to 6 V jaudai un zemei. Nākamais solis bija uztvert PPG signālu, izmantojot fototransistoru. Līdzīgi kā gaismas diode, mēs to ievietojām sērijā ar 15 kΩ un pievienojām to 6 V jaudai un zemei. Tam sekoja joslas caurlaidības filtrs. Parastais PPG signāla frekvenču diapazons ir no 0,5 Hz līdz 5 Hz [4]. Izmantojot vienādojumu f = 1/RC, mēs aprēķinājām rezistora un kondensatora vērtības zemās un augstās caurlaides filtriem, kā rezultātā tika iegūts 1 μF kondensators ar 330 kΩ rezistoru augstfrekvences filtram un 68 nF kondensators ar 10 kΩ rezistoru zemas caurlaidības filtrs. Mēs izmantojām UA 741 op -amp starp filtriem, kas tika darbināti ar 6V un -6V.

2. darbība: pārbaudiet ķēdi ar osciloskopu

Pēc tam mēs izveidojām ķēdi uz maizes dēļa. Pēc tam mēs pārbaudījām ķēdes izeju osciloskopā, lai pārbaudītu, vai mūsu signāls atbilst gaidītajam. Kā redzams iepriekš redzamajos attēlos, ķēde radīja spēcīgu, stabilu signālu, kad pirksts tika novietots virs zaļās gaismas diodes un fototransistora. Signāla stiprums arī atšķiras starp indivīdiem. Vēlākajos skaitļos dikrotiskais iegriezums ir acīmredzams, un ir skaidrs, ka sirdsdarbības ātrums ir ātrāks nekā indivīdam pirmajos skaitļos.

Kad bijām pārliecināti, ka signāls ir labs, mēs turpinājām ar Arduino Uno.

3. darbība. Savienojiet maizes dēli ar Arduino Uno

Mēs savienojām izeju (pāri otrajam kondensatoram C2 shēmā un zemē) ar tapu A0 (dažreiz A3) uz Arduino un zemes sliedi uz maizes dēļa ar GND tapu Arduino.

Iepriekš redzamajos attēlos skatiet mūsu izmantoto kodu. A pielikuma kods tika izmantots, lai parādītu elpošanas signāla grafiku. Kods no B pielikuma tika izmantots, lai Arduino mirgojošs gaismas diodes mirgo katram sirdspukstam un izdrukātu sirdsdarbības ātrumu.

4. solis: padomi, kas jāpatur prātā

Dokumentā Ķermeņa sensoru tīkls mobilai veselības uzraudzībai, diagnostikas un paredzēšanas sistēma pētnieks Johans Vannenburgs un citi izstrādāja tīra PPG signāla matemātisko modeli [5]. Salīdzinot tīra signāla formu ar mūsu - atsevišķas personas - signālu (3., 4., 5., 6. attēls), jāatzīst, ir dažas skaidras atšķirības. Pirmkārt, mūsu signāls bija atpalicis, tāpēc dikrotiskais iegriezums katras virsotnes kreisajā pusē, nevis labajā pusē. Turklāt signāls katrai personai bija ļoti atšķirīgs, tāpēc dažreiz dikrotiskais iecirtums nebija acīmredzams (3., 4. attēls) un dažreiz tas bija (5., 6. attēls). Vēl viena ievērojama atšķirība bija tā, ka mūsu signāls nebija tik stabils, kā mēs vēlētos. Mēs sapratām, ka tas ir ļoti jutīgs, un vismazākais galda vai jebkura stieples grūdiens mainīs osciloskopa izejas izskatu.

Pieaugušajiem (vecākiem par 18 gadiem) vidējam sirdsdarbības ātrumam miera stāvoklī jābūt no 60 līdz 100 sitieniem minūtē [6]. 8. attēlā pārbaudāmā indivīda sirdsdarbības ātrums bija starp šīm divām vērtībām, norādot, ka tas šķiet precīzs. Mums nebija iespējas aprēķināt sirdsdarbības ātrumu ar citu ierīci un salīdzināt to ar mūsu PPG sensoru, taču ir iespējams, ka tas būtu tuvu precīzam. Bija arī daudzi faktori, kurus mēs nevarējām kontrolēt, tādējādi novedot pie rezultātu atšķirībām. Apkārtējā apgaismojuma daudzums katru reizi, kad to pārbaudījām, bija atšķirīgs, jo mēs atradāmies citā vietā, virs ierīces bija ēna, dažreiz mēs izmantojām aproci. Ja apkārtējās vides zibens bija mazāks, signāls kļuva skaidrāks, bet tā maiņa nebija mūsu kontrolē un tādējādi ietekmēja mūsu rezultātus. Vēl viena problēma ir temperatūra. Mussabir Khan et al. Veiktais pētījums Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography, pētnieki atklāja, ka siltāka roku temperatūra uzlabo PPG kvalitāti un precizitāti [7]. Mēs patiesībā pamanījām, ka, ja kādam no mums būtu auksti pirksti, signāls būtu vājš un mēs nevarētu atšķirt dikrotisko griezumu, salīdzinot ar personu, kurai bija siltāki pirksti. Turklāt ierīces jutīguma dēļ bija grūti spriest, vai ierīces iestatījums bija optimāls, lai dotu mums vislabāko signālu. Šī iemesla dēļ mums katru reizi, kad iestatījām un mums bija jāpārbauda dēlis, jāpārbauda un jāpārbauda savienojumi, pirms mēs to varējām savienot ar Arduino un apskatīt vēlamo rezultātu. Tā kā maizes dēļa uzstādīšanai ir tik daudz faktoru, PCB tos ievērojami samazinātu un sniegtu precīzāku rezultātu. Mēs izveidojām savu shēmu Autodesk Eagle, lai izveidotu PCB dizainu, un pēc tam ievietojām to AutoDesk Fusion 360, lai vizuāli attēlotu tāfeles izskatu.

5. solis: PCB dizains

Mēs reproducējām shēmu AutoDesk Eagle un izmantojām tā plates ģeneratoru, lai izveidotu PCB dizainu. Mēs arī novirzījām dizainu uz AutoDesk Fusion 360, lai vizuāli attēlotu tāfeles izskatu.

6. darbība. Secinājums

Noslēgumā mēs uzzinājām, kā izstrādāt PPG signāla ķēdes dizainu, uzbūvējām to un pārbaudījām. Mums izdevās izveidot salīdzinoši vienkāršu ķēdi, lai samazinātu iespējamo trokšņu daudzumu izejā un joprojām būtu spēcīgs signāls. Mēs pārbaudījām ķēdi pie sevis un atklājām, ka tā ir nedaudz jutīga, taču, nedaudz pielāgojot ķēdi (fiziski, nevis dizainu), mēs varējām iegūt spēcīgu signālu. Mēs izmantojām signāla izvadi, lai aprēķinātu lietotāja sirdsdarbības ātrumu, un izvadījām to un elpošanas signālu uz jauko Arduino lietotāja saskarni. Mēs arī izmantojām Arduino iebūvēto gaismas diodi, lai mirgotos katru sirdspukstu, padarot lietotāju saprotamu, kad tieši viņa sirds pukst.

PPG ir daudz potenciālu lietojumu, un tā vienkāršība un rentabilitāte padara noderīgu integrāciju viedierīcēs. Tā kā personīgā veselības aprūpe pēdējos gados ir kļuvusi populārāka, ir obligāti jāizstrādā šī tehnoloģija, lai tā būtu vienkārša un lēta, lai tā būtu pieejama visā pasaulē ikvienam, kam tā nepieciešama [9]. Nesenā rakstā tika pētīta PPG izmantošana hipertensijas pārbaudei - un viņi atklāja, ka to var izmantot kopā ar citām BP mērīšanas ierīcēm [10]. Iespējams, šajā virzienā var atklāt un ieviest vairāk, un tāpēc PPG jāuzskata par svarīgu instrumentu veselības aprūpē tagad un nākotnē.

7. darbība: atsauces

[1] A. M. Garsija un P. R. Horče, “Gaismas avota optimizācija bifotoniskā vēnu meklētāja ierīcē: eksperimentālā un teorētiskā analīze”, Results in Physics, sēj. 11., 975–983, 2018. [2] J. Allens, “Fotopletismogrāfija un tās pielietojums klīniskajos fizioloģiskajos mērījumos,” Fizioloģiskais mērījums, sēj. 28, nē. 3, 2007.

[3] “Sirds mērīšana - kā darbojas EKG un PPG?” Emocijas. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Skatīts: 2019. gada 10. decembris].

[4] DE NOVO KLASIFIKĀCIJAS PIEPRASĪJUMS PAR NORMĀLU RITMA PAZIŅOJUMA ĪPAŠĪBU..

[5] S. Bagha un L. Šovs, “PPG signāla reālā laika analīze SpO2 un pulsa ātruma mērīšanai”, International Journal of Computer Applications, sēj. 36, nē. 2011. gada 11. decembris.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Ķermeņa sensoru tīkls mobilai veselības uzraudzībai, diagnostikas un paredzēšanas sistēma. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] “Kas ir normāls sirdsdarbības ātrums?”, LiveScience. [Tiešsaistē]. Pieejams: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Skatīts: 2019. gada 10. decembris].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw un J. G. Chase, „Temperatūras ietekmes izpēte uz fotopletismogrāfiju”, IFAC-PapersOnLine, sēj. 48, nē. 20, 360–365, 2015. lpp.

[9] M. Ghamari, “Pārskats par valkājamiem fotopletismogrāfijas sensoriem un to iespējamiem pielietojumiem nākotnē veselības aprūpē”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, sēj. 4, nē. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Flečers, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim un R. Ward, „Fotopletismogrāfijas izmantošana hipertensijas novērtēšanai”, npj Digital Medicine, vol.. 2, nē. 1, 2019.