Merjenje srčnega utripa je na konici prsta: pristop fotopletizmografije k določanju srčnega utripa: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Fotopletizmograf (PPG) je preprosta in poceni optična tehnika, ki se pogosto uporablja za odkrivanje sprememb volumna krvi v mikrovaskularni plasti tkiva. Večinoma se uporablja neinvazivno za meritve na površini kože, običajno s prstom. Valovna oblika PPG ima pulzirajočo (AC) fiziološko obliko vala zaradi srčnih sinhronih sprememb volumna krvi pri vsakem srčnem utripu. AC val se nato položi na počasi spreminjajočo se (DC) izhodiščno vrednost z različnimi komponentami nižje frekvence, ki so posledica dihanja, aktivnosti simpatičnega živčnega sistema in termoregulacije. Signal PPG lahko uporabimo za merjenje nasičenosti s kisikom, krvnega tlaka in srčnega izhoda, za preverjanje srčnega utripa in potencialno odkrivanje periferne žilne bolezni [1].

Naprava, ki jo ustvarjamo, je prstni fotopletizmograf za srce. Zasnovan je tako, da uporabnik položi prst v manšeto nad LED in fototranzistor. Naprava bo nato utripala za vsak srčni utrip (na Arduinu) in izračunala srčni utrip ter ga prikazala na zaslonu. Prikazal bo tudi, kako izgleda dihalni signal, tako da ga bo bolnik lahko primerjal s svojimi prejšnjimi podatki.

PPG lahko izmeri volumetrično spremembo volumna krvi z merjenjem prepustnosti ali odboja svetlobe. Vsakič, ko srce utripa, se krvni tlak v levem prekatu poveča. Visok tlak povzroči, da se arterije pri vsakem udarcu rahlo izbočijo. Povečanje tlaka povzroči merljivo razliko v količini svetlobe, ki se odbije nazaj, in amplituda svetlobnega signala je neposredno sorazmerna s pulznim tlakom [2].

Podobna naprava je senzor PPG Apple Watch. Analizira podatke o pulzu in jih uporablja za odkrivanje možnih epizod nepravilnih srčnih ritmov v skladu z AFib. Uporablja zelene LED luči skupaj s svetlobno občutljivimi fotodiodami za iskanje relativnih sprememb količine krvi, ki teče v uporabnikovem zapestju v danem trenutku. S spremembami meri srčni utrip in ko uporabnik miruje, lahko senzor zazna posamezne impulze in izmeri intervale med udarci [3].

Zaloge

Najprej smo za gradnjo vezja uporabili ploščo, (1) zeleno LED, (1) fototranzistor, (1) 220 Ω upor, (1) 15 kΩ upor, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondenzator, (1) 68 nF kondenzator, op-amp in žice UA 741.

Nato smo za testiranje vezja uporabili funkcijski generator, napajanje, osciloskop, sponke iz aligatorja. Nazadnje smo za prenos signala v uporabniku prijazen uporabniški vmesnik uporabili prenosni računalnik s programsko opremo Arduino in Arduino Uno.

1. korak: Narišite shemo

Začeli smo z izdelavo preproste sheme za zajem signala PPG. Ker PPG uporablja LED, smo najprej priključili zeleno LED z uporom 220 Ω in ga priključili na napajanje 6V in ozemljitev. Naslednji korak je bil zajem signala PPG s fototranzistorjem. Podobno kot LED smo ga postavili v serijo s 15 kΩ in ga priključili na napajanje 6V in ozemljitev. Temu je sledil pasovni filter. Normalno frekvenčno območje signala PPG je od 0,5 Hz do 5 Hz [4]. Z enačbo f = 1/RC smo izračunali vrednosti uporov in kondenzatorjev za nizko- in visokoprepustne filtre, kar je povzročilo 1 μF kondenzator z 330 kΩ uporom za visokoprepustni filter in 68 nF kondenzator z 10 kΩ uporom za nizkoprepustni filter. Med filtri smo uporabljali op -amp UA 741, ki je bil napajan s 6V in -6V.

Korak: Preskusite vezje na osciloskopu

Nato smo vezje zgradili na plošči. Nato smo na osciloskopu preverili izhod vezja, da bi preverili, ali je naš signal pričakovan. Kot je prikazano na zgornjih slikah, je vezje povzročilo močan, stabilen signal, ko je bil prst postavljen na zeleno LED in fototranzistor. Moč signala se razlikuje tudi med posamezniki. Na poznejših slikah je očitna dicrotična zareza in jasno je, da je srčni utrip hitrejši kot pri posamezniku v prvih nekaj številkah.

Ko smo bili prepričani, da je signal dober, smo nadaljevali z Arduino Uno.

Korak: Povežite ploščico z Arduino Uno

Izhod (preko drugega kondenzatorja C2 v shemi in na tleh) smo priključili na pin A0 (včasih A3) na Arduinu in ozemljitveno tirnico na plošči z zatičem GND na Arduinu.

Kodo, ki smo jo uporabili, si oglejte na zgornjih slikah. Koda iz Dodatka A je bila uporabljena za prikaz grafa dihalnega signala. Koda iz Dodatka B je bila uporabljena za vgrajeno LED na utripanju Arduina za vsak srčni utrip in natisnila, kakšen je srčni utrip.

4. korak: Nasveti, ki jih morate upoštevati

V prispevku Network Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System je raziskovalec Johan Wannenburg idr. Razvil matematični model čistega signala PPG [5]. Če primerjamo obliko čistega signala z našim signalom - posamezne osebe - (slike 3, 4, 5, 6), so seveda jasne razlike. Najprej je bil naš signal nazaj, tako da je dicrotična zareza na levi strani vsakega vrha in ne na desni strani. Tudi signal se je med posameznimi osebami močno razlikoval, zato včasih dicrotična zareza ni bila očitna (slike 3, 4), včasih pa je bila (slike 5, 6). Druga pomembna razlika je bila v tem, da naš signal ni bil tako stabilen, kot bi si želeli. Spoznali smo, da je zelo občutljiv in najmanjši premik mize ali katere koli žice bi spremenil videz izhoda osciloskopa.

Za odrasle (starejše od 18 let) mora biti povprečni srčni utrip v mirovanju med 60 in 100 utripov na minuto [6]. Na sliki 8 so bili srčni utripi posameznika, ki se testira, med tema dvema vrednostma, kar kaže na to, da je točen. Srčnega utripa nismo imeli možnosti izračunati z drugo napravo in ga primerjati z našim senzorjem PPG, vendar je verjetno, da bi bil blizu natančnega. Bilo je tudi veliko dejavnikov, ki jih nismo mogli nadzorovati, kar je povzročilo nihanje rezultatov. Količina zunanje razsvetljave je bila vsakič, ko smo jo preizkusili, drugačna, ker smo bili bodisi na drugem mestu, na napravi je bila senca, včasih smo uporabili manšeto. Zaradi manjše svetlobe v okolici je bil signal jasnejši, vendar to ni bilo odvisno od nas in je vplivalo na naše rezultate. Drugo vprašanje je temperatura. V študiji Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography, ki so jo izvedli Mussabir Khan et al., So raziskovalci ugotovili, da so toplejše roke izboljšale kakovost in natančnost PPG [7]. Pravzaprav smo opazili, da če bi imel eden od nas hladne prste, bi bil signal slab in ne bi mogli razbrati dicrotične zareze v primerjavi z osebo, ki je imela toplejše prste. Prav tako je bilo zaradi občutljivosti naprave težko presoditi, ali je nastavitev naprave optimalna, da bi nam dala najboljši signal. Zaradi tega smo se morali vsakič, ko smo nastavili in preveriti povezave na plošči, poigrati s ploščo, preden smo jo lahko povezali z Arduinom in si ogledali želeni izhod. Ker obstaja toliko dejavnikov, ki vplivajo na postavitev matične plošče, bi jih tiskano vezje močno zmanjšalo in nam dalo natančnejše rezultate. Naše sheme smo zgradili v Autodesku Eagle, da bi ustvarili zasnovo PCB -ja, nato pa jo potisnili v AutoDesk Fusion 360 za vizualno upodabljanje, kako bi izgledala plošča.

5. korak: Oblikovanje PCB -ja

Shemo smo reproducirali v programu AutoDesk Eagle in uporabili njen generator plošč za oblikovanje tiskanega vezja. Zasnovo smo potisnili tudi v AutoDesk Fusion 360 za vizualno upodabljanje, kako bi izgledala plošča.

6. korak: Zaključek

Na koncu smo se naučili, kako razviti zasnovo signalnega vezja PPG, jo zgraditi in preizkusiti. Uspešno smo zgradili relativno preprosto vezje, da bi zmanjšali količino možnega hrupa na izhodu in imeli še vedno močan signal. Vezje smo preizkusili na sebi in ugotovili, da je nekoliko občutljivo, vendar smo z nekaj spremembami vezja (fizično, ne po zasnovi) lahko dobili močan signal. Izhodni signal smo uporabili za izračun srčnega utripa uporabnika in ga oddali ter signal za dihanje v lep uporabniški vmesnik Arduina. Uporabili smo tudi vgrajeno LED na Arduinu za utripanje za vsak srčni utrip, s čimer je bilo uporabniku jasno, kdaj mu bije srce.

PPG ima veliko potencialnih aplikacij, zaradi enostavnosti in stroškovne učinkovitosti pa je koristno vključevanje v pametne naprave. Ker je osebno zdravstveno varstvo v zadnjih letih vse bolj priljubljeno, je nujno, da je ta tehnologija preprosta in poceni, tako da je lahko dostopna po vsem svetu vsem, ki jo potrebujejo [9]. Nedavni članek je preučil uporabo PPG za preverjanje hipertenzije - in ugotovili so, da ga je mogoče uporabiti skupaj z drugimi merilnimi napravami za krvni tlak [10]. Morda je v tej smeri mogoče odkriti in inovirati še več, zato bi morali PPG obravnavati kot pomembno orodje v zdravstvu zdaj in v prihodnosti.

7. korak: Reference

[1] A. M. García in P. R. Horche, "Optimizacija svetlobnega vira v bifotonični napravi za iskanje žil: eksperimentalna in teoretična analiza," Rezultati v fiziki, letn. 11, str. 975–983, 2018. [2] J. Allen, “Fotopletizmografija in njena uporaba v kliničnih fizioloških meritvah,” Physiological Measurement, vol. 28, ne. 3. 2007.

[3] Posnetki "Merjenje srca - kako delujeta EKG in PPG?" [Na spletu]. Na voljo: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Dostop: 10. december 2019].

[4] DE NOVO ZAHTEVA ZA KLASIFIKACIJO ZNAČILNOSTI OBVESTILA NEPRAVILNEGA RITMA..

[5] S. Bagha in L. Shaw, "Analiza PPG signala v realnem času za merjenje SpO2 in pulzne hitrosti", International Journal of Computer Applications, vol. 36, ne. 11. december 2011.

[6] Wannenburg, Johan in Malekian, Reza. (2015). Mreža telesnih senzorjev za mobilno spremljanje zdravja, sistem za diagnozo in predvidevanje. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Kaj je normalen srčni utrip?", LiveScience. [Na spletu]. Na voljo: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Dostop: 10. december 2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw in J. G. Chase, „Preiskava učinkov temperature na fotopletizmografijo“, IFAC-PapersOnLine, letn. 48, ne. 20, str. 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, "Pregled nosljivih senzorjev za fotopletizmografijo in njihove potencialne prihodnje uporabe v zdravstvu," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, ne. 4. 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim in R. Ward, „Uporaba fotopletizmografije za ocenjevanje hipertenzije,“npj Digital Medicine, vol.. 2, št. 1. 2019.