Širdies ritmo matavimas yra piršto galiukas: fotopletizografijos metodas širdies ritmui nustatyti: 7 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Fotopletizmografas (PPG) yra paprasta ir nebrangi optinė technika, dažnai naudojama kraujo tūrio pokyčiams aptikti audinių mikrovaskulinėje lovoje. Jis dažniausiai naudojamas neinvaziniu būdu matuojant odos paviršių, paprastai pirštą. PPG bangos forma turi pulsuojančią (AC) fiziologinę bangos formą dėl širdies sinchroninių kraujo tūrio pokyčių su kiekvienu širdies plakimu. Tada kintamosios srovės banga yra uždedama ant lėtai besikeičiančios (DC) bazinės linijos su skirtingais žemesnio dažnio komponentais, atsirandančiais dėl kvėpavimo, simpatinės nervų sistemos veiklos ir termoreguliacijos. PPG signalas gali būti naudojamas matuoti prisotinimą deguonimi, kraujospūdį ir širdies tūrį, patikrinti širdies tūrį ir potencialiai aptikti periferinių kraujagyslių ligas [1].

Mūsų sukurtas prietaisas yra pirštų fotoleletografija širdžiai. Jis skirtas vartotojui įkišti pirštą į manžetę virš šviesos diodo ir fototransistoriaus. Tada prietaisas mirksės kiekvieną širdies plakimą („Arduino“) ir apskaičiuos širdies ritmą ir parodys jį ekrane. Jis taip pat parodys, kaip atrodo kvėpavimo signalas, kad pacientas galėtų jį palyginti su ankstesniais duomenimis.

PPG gali išmatuoti tūrinį kraujo tūrio pokytį matuojant šviesos pralaidumą ar atspindį. Kiekvieną kartą, kai širdis pumpuoja, padidėja kairiojo skilvelio kraujospūdis. Dėl aukšto slėgio arterijos šiek tiek išsipučia kiekvieną kartą. Padidėjęs slėgis sukelia išmatuojamą šviesos kiekio, kuris atsispindi atgal, skirtumą, o šviesos signalo amplitudė yra tiesiogiai proporcinga pulso slėgiui [2].

Panašus įrenginys yra „Apple Watch“PPG jutiklis. Ji analizuoja pulso dažnio duomenis ir naudoja juos aptikti galimus nereguliaraus širdies ritmo epizodus, atitinkančius AFib. Jis naudoja žalias LED lemputes ir šviesai jautrius fotodiodus, kad ieškotų santykinių kraujo kiekio, tekančio vartotojo rieše, pokyčių bet kuriuo momentu. Jis naudoja pakeitimus širdies ritmui matuoti, o kai vartotojas stovi vietoje, jutiklis gali aptikti atskirus impulsus ir išmatuoti dūžių ir dūžių intervalus [3].

Prekės

Visų pirma, kurdami grandinę, naudojome duonos lentą, (1) žalią šviesos diodą, (1) fototransistorių, (1) 220 Ω rezistorių, (1) 15 kΩ rezistorių, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondensatorius, (1) 68 nF kondensatorius, UA 741 op-amp ir laidai.

Toliau grandinei išbandyti panaudojome funkcijų generatorių, maitinimo šaltinį, osciloskopą, aligatoriaus spaustukus. Galiausiai, norėdami išvesti signalą į patogią vartotojo sąsają, naudojome nešiojamąjį kompiuterį su „Arduino“programine įranga ir „Arduino Uno“.

1 žingsnis: nubrėžkite schemą

Pradėjome nupiešdami paprastą schemą, kaip užfiksuoti PPG signalą. Kadangi PPG naudoja šviesos diodus, mes pirmiausia nuosekliai sujungėme žalią šviesos diodą su 220 Ω rezistoriumi ir prijungėme prie 6 V maitinimo ir įžeminimo. Kitas žingsnis buvo užfiksuoti PPG signalą naudojant fototransistorių. Panašiai kaip ir šviesos diodas, mes įdėjome jį į seriją su 15 kΩ ir prijungėme prie 6 V maitinimo ir įžeminimo. Po to buvo pralaidumo filtras. Įprastas PPG signalo dažnių diapazonas yra nuo 0,5 Hz iki 5 Hz [4]. Naudodami lygtį f = 1/RC, mes apskaičiavome žemo ir aukšto dažnio filtrų rezistorių ir kondensatorių vertes, todėl 1 μF kondensatorius su 330 kΩ rezistoriumi aukšto dažnio filtrui ir 68 nF kondensatorius su 10 kΩ rezistoriumi žemo dažnio filtras. Tarp filtrų naudojome „UA 741“stiprintuvą, kuris buvo maitinamas 6V ir -6V.

2 žingsnis: išbandykite grandinę osciloskopu

Tada mes pastatėme grandinę ant duonos lentos. Po to mes išbandėme osciloskopo grandinės išėjimą, kad patikrintume, ar mūsų signalas buvo toks, kokio tikėtasi. Kaip matyti iš aukščiau pateiktų paveikslėlių, grandinė sukėlė stiprų, stabilų signalą, kai pirštas buvo uždėtas virš žalios šviesos diodo ir fototransistoriaus. Signalo stiprumas taip pat skiriasi tarp asmenų. Vėlesniuose paveiksluose dikrotinis įpjovimas yra akivaizdus ir akivaizdu, kad širdies ritmas yra greitesnis nei individo pirmųjų skaičių.

Kai buvome tikri, kad signalas geras, toliau važiavome su „Arduino Uno“.

3 veiksmas: prijunkite „Breadboard“prie „Arduino Uno“

Mes prijungėme išvestį (per antrąjį kondensatorių C2 schemoje ir įžeminimą) prie kaiščio A0 (kartais A3) ant „Arduino“ir antžeminio bėgelio ant duonos lentos prie „Arduino“GND kaiščio.

Žiūrėkite aukščiau esančius paveikslėlius, kad gautumėte mūsų naudojamą kodą. Kodas iš A priedo buvo naudojamas kvėpavimo signalo grafikui parodyti. B priedo kodas buvo naudojamas, kad „Arduino“mirksėtų kiekvienam širdies plakimui, ir būtų išspausdintas širdies ritmas.

4 žingsnis: patarimai, kurių reikia nepamiršti

Straipsnyje „Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and En paredzating System“tyrėjas Johanas Wannenburgas ir kt. Sukūrė gryno PPG signalo matematinį modelį [5]. Lyginant gryno signalo formą su mūsų - atskiro žmogaus - signalu (3, 4, 5, 6 pav.), Žinoma, yra keletas aiškių skirtumų. Pirmiausia mūsų signalas buvo atgal, todėl dikrotinė įpjova kiekvienos smailės kairėje, o ne dešinėje pusėje. Be to, kiekvieno žmogaus signalas buvo labai skirtingas, todėl kartais dikrotinė įpjova nebuvo akivaizdi (3, 4 paveikslai), o kartais ir buvo (5, 6 paveikslai). Kitas pastebimas skirtumas buvo tas, kad mūsų signalas nebuvo toks stabilus, kaip norėtume. Supratome, kad jis yra labai jautrus, o mažiausias stumdymas ant stalo ar bet koks laidas pakeis osciloskopo išvesties išvaizdą.

Suaugusiems (vyresniems nei 18 metų) vidutinis širdies susitraukimų dažnis ramybės metu turėtų būti nuo 60 iki 100 dūžių per minutę [6]. 8 paveiksle tiriamo asmens pulsas buvo tarp šių dviejų verčių, o tai rodo, kad jis atrodo tikslus. Mes neturėjome galimybės apskaičiuoti širdies ritmo kitu prietaisu ir palyginti jį su mūsų PPG jutikliu, tačiau tikėtina, kad jis bus beveik tikslus. Taip pat buvo daug veiksnių, kurių negalėjome kontroliuoti, todėl rezultatai svyravo. Aplinkos apšvietimas kiekvieną kartą buvo kitoks, nes mes buvome kitoje vietoje, ant prietaiso buvo šešėlis, kartais naudojome rankogalį. Turėdami mažiau žaibo, signalas tapo aiškesnis, tačiau jo keitimas buvo nekontroliuojamas ir taip paveikė mūsų rezultatus. Kitas klausimas yra temperatūra. Mussabiro Khano ir kt. Atliktame tyrime „Investing the Temperament of the Photoplethysmography“mokslininkai nustatė, kad šiltesnė rankų temperatūra pagerino PPG kokybę ir tikslumą [7]. Mes iš tikrųjų pastebėjome, kad jei vienam iš mūsų pirštai būtų šalti, signalas būtų prastas ir mes negalėtume atskirti dikrozinio įpjovos, palyginti su žmogumi, kurio pirštai buvo šiltesni. Be to, dėl prietaiso jautrumo buvo sunku nuspręsti, ar įrenginio sąranka buvo optimali, kad suteiktų mums geriausią signalą. Dėl šios priežasties kiekvieną kartą, kai nustatėme, turėjome sukti galvą ir patikrinti plokštės jungtis, kad galėtume prijungti ją prie „Arduino“ir pažvelgti į norimą išvestį. Kadangi yra daug veiksnių, susijusių su duonos lentos nustatymu, PCB juos labai sumažintų ir suteiktų tikslesnę išvestį. Mes sukūrėme savo schemą „Autodesk Eagle“, kad sukurtume PCB dizainą, tada perkėlėme ją į „AutoDesk Fusion 360“, kad vizualiai atvaizduotumėte, kaip plokštė atrodytų.

5 žingsnis: PCB projektavimas

Mes atkūrėme schemą „AutoDesk Eagle“ir panaudojome jos plokštės generatorių, kad sukurtume PCB dizainą. Mes taip pat perkėlėme dizainą į „AutoDesk Fusion 360“, kad vizualiai atvaizduotų, kaip plokštė atrodys.

6 žingsnis: Išvada

Apibendrinant, mes sužinojome, kaip sukurti PPG signalo grandinės dizainą, jį sukūrėme ir išbandėme. Mums pavyko sukurti palyginti paprastą grandinę, kad būtų sumažintas galimo triukšmo kiekis išvestyje ir vis tiek būtų stiprus signalas. Mes išbandėme grandinę patys ir nustatėme, kad ji buvo šiek tiek jautri, tačiau šiek tiek pakoreguodami grandinę (fiziškai, o ne dizainą), mes galėjome gauti stiprų signalą. Mes panaudojome signalo išvestį, kad apskaičiuotume vartotojo širdies ritmą, ir išvedėme jį bei kvėpavimo signalą į gražią Arduino vartotojo sąsają. Mes taip pat naudojome „Arduino“įmontuotą šviesos diodą, kad mirksėtų kiekvieną širdies plakimą, todėl vartotojui būtų akivaizdu, kada tiksliai plaka širdis.

PPG turi daug galimų programų, o dėl paprastumo ir ekonomiškumo naudinga integruoti į išmaniuosius įrenginius. Kadangi pastaraisiais metais asmeninė sveikatos priežiūra tapo vis populiaresnė, būtina, kad ši technologija būtų paprasta ir pigi, kad ji būtų prieinama visame pasaulyje visiems, kuriems jos reikia [9]. Neseniai paskelbtame straipsnyje buvo nagrinėjamas PPG naudojimas hipertenzijai patikrinti, ir jie nustatė, kad jį galima naudoti kartu su kitais kraujospūdžio matavimo prietaisais [10]. Galbūt šia kryptimi galima atrasti ir naujovinti daugiau, todėl PPG dabar ir ateityje turėtų būti laikoma svarbia sveikatos priežiūros priemone.

7 žingsnis: nuorodos

[1] A. M. García ir P. R. Horche, „Šviesos šaltinio optimizavimas bifotoniniame venų paieškos įrenginyje: eksperimentinė ir teorinė analizė“, „Results in Physics“, t. 11, p. 975–983, 2018. [2] J. Allen, „Fotopletmografija ir jos taikymas atliekant klinikinius fiziologinius matavimus“, „Fiziologinis matavimas, t. 28, ne. 3, 2007 m.

[3] „Širdies matavimas - kaip veikia EKG ir PPG?“. [Prisijungęs]. Prieinama: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Žiūrėta: 2019 m. Gruodžio 10 d.]

[4] DE NOVO KLASIFIKACIJOS PRAŠYMAS DĖL NETEISĖS RITMO PRANEŠIMO FUNKCIJOS..

[5] S. Bagha ir L. Shaw, „PPG signalo realaus laiko analizė SpO2 ir pulso dažniui matuoti“, International Journal of Computer Applications, t. 36, ne. 2011 m. Gruodžio 11 d.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Kūno jutiklių tinklas mobiliai sveikatos stebėsenai, diagnostikos ir numatymo sistema. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] „Kas yra normalus širdies ritmas?“, „LiveScience“. [Prisijungęs]. Prieinama: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Žiūrėta: 2019 m. Gruodžio 10 d.]

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw ir J. G. Chase, „Temperatūros poveikio fotopletizmografijai tyrimas“, IFAC-PapersOnLine, t. 48, ne. 20, p. 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, „Nešiojamų fotoletizmografijos jutiklių apžvalga ir jų galimas pritaikymas ateityje sveikatos priežiūros srityje“, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, t. 4, ne. 2018 m. 4 d.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim ir R. Ward, „The photoplethysmography use for hipertenzija“, npj Digital Medicine, t.. 2, ne. 2019 m. 1 d.