A pulzusmérés az ujja csúcsán van: fotopletiszmográfiai módszer a pulzusszám meghatározására: 7 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

A fotopletiszmográf (PPG) egy egyszerű és olcsó optikai technika, amelyet gyakran használnak a vér térfogatának változásainak észlelésére a szövet mikrovaszkuláris ágyában. Leggyakrabban nem invazív módon használják a bőr felszínén, jellemzően az ujjakon végzett mérésekhez. A PPG hullámformája pulzáló (AC) élettani hullámformával rendelkezik, mivel a szív szinkronban változik a vér térfogata minden egyes szívverésnél. Az AC hullámot ezután egy lassan változó (DC) alapvonalon helyezik el, különböző alacsonyabb frekvenciájú komponensekkel, amelyek a légzésnek, a szimpatikus idegrendszeri aktivitásnak és a hőszabályozásnak köszönhetők. A PPG jel felhasználható az oxigéntelítettség, a vérnyomás és a szívteljesítmény mérésére, a szívteljesítmény ellenőrzésére és a perifériás érbetegségek potenciális kimutatására [1].

Az általunk létrehozott eszköz egy ujjfotopletizmográf a szív számára. Úgy tervezték, hogy a felhasználó ujját a mandzsettába tegye egy led és fototranzisztor fölé. A készülék ezután villog minden szívverésnél (az Arduino -n), és kiszámítja a pulzusszámot, és megjeleníti azt a képernyőn. Azt is megmutatja, hogy néz ki a légzési jel, hogy a beteg esetleg összehasonlítsa azt korábbi adataival.

A PPG a fényáteresztés vagy a visszaverődés mérésével mérheti a vér térfogatának térfogatváltozását. Minden alkalommal, amikor a szív pumpál, a bal kamra vérnyomása nő. A magas nyomás miatt az artériák minden ütésnél kissé kidudorodnak. A nyomás növekedése mérhető különbséget okoz a visszavert fény mennyiségében, és a fényjel amplitúdója közvetlenül arányos az impulzusnyomással [2].

Hasonló eszköz az Apple Watch PPG érzékelője. Elemzi a pulzusszámra vonatkozó adatokat, és felhasználja az AFib -nek megfelelő szabálytalan szívritmus lehetséges epizódjainak észlelésére. Zöld LED-lámpákat és fényérzékeny fotodiódákat használ, hogy megkeressen a felhasználó csuklójában áramló vér mennyiségének relatív változásait az adott pillanatban. A változások segítségével méri a pulzusszámot, és amikor a felhasználó álló helyzetben van, az érzékelő képes érzékelni az egyes impulzusokat és mérni az ütés-ütem intervallumokat [3].

Kellékek

Először is, az áramkör felépítéséhez kenyérlapot, (1) zöld LED -et, (1) fototranzisztor, (1) 220 Ω ellenállást, (1) 15 kΩ ellenállást, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondenzátor, (1) 68 nF kondenzátor, UA 741 op-amp és vezetékek.

Ezután az áramkör teszteléséhez funkciógenerátort, tápegységet, oszcilloszkópot, aligátor klipeket használtunk. Végül, hogy a jelet felhasználóbarát felhasználói felületre juttassuk, laptopot használtunk Arduino szoftverrel és Arduino Uno-val.

Lépés: Rajzolja fel a vázlatot

Először egy egyszerű sematikus rajzot készítettünk a PPG jel rögzítéséhez. Mivel a PPG LED -et használ, először egy zöld LED -et kötöttünk sorba 220 Ω -os ellenállással, és 6 V -os tápellátáshoz és földeléshez kötöttük. A következő lépés a PPG jel rögzítése volt fototranzisztor segítségével. A LED -hez hasonlóan sorba helyeztük 15 kΩ -os árammal, és 6V -os tápfeszültségre és földelésre kötöttük. Ezt egy sávszűrő követte. A PPG jel normál frekvenciatartománya 0,5 Hz - 5 Hz [4]. Az f = 1/RC egyenletet használva kiszámítottuk az ellenállás és a kondenzátor értékeit az alul- és a felüláteresztő szűrőkre, így 1 μF kondenzátort kaptunk 330 kΩ -os ellenállással a felüláteresztő szűrőhöz, és 68 nF kondenzátort 10 kΩ -os ellenállással a az aluláteresztő szűrőt. Az UA 741 op -erősítőt használtuk a szűrők között, amelyet 6V és -6V táplált.

2. lépés: Ellenőrizze az áramkört oszcilloszkóppal

Ezután az áramkört kenyérsütő táblára építettük. Ezt követően az oszcilloszkópon teszteltük az áramkör kimenetét, hogy meggyőződjünk arról, hogy jelzésünk a vártnak megfelelő. Amint a fenti ábrákon látható, az áramkör erős, stabil jelet eredményezett, amikor ujját a zöld LED és a fototranzisztor fölé helyezték. A jelerősség egyénenként is változik. A későbbi ábrákon a dikrotikus bevágás nyilvánvaló, és egyértelmű, hogy a pulzusszám gyorsabb, mint az egyéné az első néhány ábrán.

Miután megbizonyosodtunk arról, hogy a jel jó, egy Arduino Unóval folytattuk.

Lépés: Csatlakoztassa a Breadboard -ot egy Arduino Uno -hoz

A kimenetet (a kapcsolási rajzon és a földön a második C2 kondenzátoron keresztül) az Arduino A0 (néha A3) tüskéjéhez és a kenyérlapon lévő földelő sínhez kötöttük az Arduino GND csapjához.

Az általunk használt kódot lásd a fenti képeken. Az A függelék kódját használtuk a légzőszervi grafikon megjelenítésére. A B függelékből származó kódot arra használták, hogy az Arduino villogjon egy beépített LED-el minden egyes szívverésnél, és kiírja, mi a pulzusszám.

4. lépés: Tippek, amelyeket szem előtt kell tartani

Johan Wannenburg és munkatársai a Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System című dokumentumban kifejlesztették a tiszta PPG jel matematikai modelljét [5]. Ha összehasonlítjuk a tiszta jel alakját a mi jelzésünkkel - egy egyéni személy - (3., 4., 5., 6. ábra), akkor nyilvánvaló, hogy vannak egyértelmű különbségek. Először is, a jelzésünk visszafelé volt, tehát a dikrotikus bevágás az egyes csúcsok bal oldalán, nem pedig a jobb oldalon. Ezenkívül a jel nagymértékben különbözött az egyes személyek között, így néha a dikrotikus bevágás nem volt nyilvánvaló (3., 4. ábra), és néha igen (5., 6. ábra). Egy másik figyelemre méltó különbség az volt, hogy a jelzésünk nem volt olyan stabil, mint szerettük volna. Rájöttünk, hogy nagyon érzékeny, és az asztal legkisebb megmozdulása vagy bármilyen vezeték megváltoztatja az oszcilloszkóp kimenetét.

Felnőtteknél (18 év felett) az átlagos nyugalmi pulzusnak 60 és 100 ütés / perc között kell lennie [6]. A 8. ábrán a vizsgált személy pulzusszáma mind a két érték között volt, jelezve, hogy pontosnak tűnik. Nem kaptunk esélyt arra, hogy kiszámítsuk a pulzusszámot egy másik eszközzel, és összehasonlítsuk a PPG érzékelővel, de valószínű, hogy közel lesz a pontossághoz. Sok olyan tényező is volt, amelyeket nem tudtunk ellenőrizni, és ez az eredmények eltéréséhez vezetett. A környezeti megvilágítás mennyisége minden teszteléskor más volt, mert vagy más helyen voltunk, árnyék volt a készülék felett, néha mandzsettát használtunk. A kevesebb környezeti villámlás egyértelműbbé tette a jelet, de ennek megváltoztatása nem volt irányítható, és így befolyásolta az eredményeinket. Más kérdés a hőmérséklet. A Mussabir Khan és munkatársai, a Investment the Temperament of Effects of Photoplethysmography című tanulmány szerint a kutatók megállapították, hogy a melegebb kézhőmérséklet javította a PPG minőségét és pontosságát [7]. Valójában észrevettük, hogy ha valamelyikünknek hideg az ujja, akkor a jel gyenge lesz, és nem tudjuk megállapítani a dikrotikus bevágást egy olyan személyhez képest, akinek melegebb az ujja. Továbbá az eszköz érzékenysége miatt nehéz volt megítélni, hogy az eszköz beállítása optimális volt-e ahhoz, hogy a legjobb jelet adja. Emiatt minden alkalommal, amikor felállítottuk, a fórumon kell babrálnunk, és ellenőriznünk kell a csatlakozásokat, mielőtt csatlakoztathatnánk az Arduino-hoz, és megnézhetnénk a kívánt kimenetet. Mivel sok tényező játszik szerepet a kenyérlap beállításánál, a NYÁK nagymértékben csökkentené ezeket, és pontosabb eredményt adna nekünk. Vázlatunkat az Autodesk Eagle -ben építettük, hogy PCB -t nyújtsunk, majd az AutoDesk Fusion 360 -ba helyeztük, hogy vizuálisan megjelenítse a tábla megjelenését.

5. lépés: NYÁK -tervezés

A vázlatot az AutoDesk Eagle -ben reprodukáltuk, és a táblagenerátorával készítettük el a NYÁK -tervezést. A dizájnt az AutoDesk Fusion 360 -ra is áthelyeztük, hogy vizuálisan megjelenítse a tábla megjelenését.

6. lépés: Következtetés

Összefoglalva, megtanultuk, hogyan kell kialakítani egy PPG jeláramkör tervét, felépítettük és teszteltük. Sikeresen felépítettünk egy viszonylag egyszerű áramkört, hogy csökkentsük a kimenetben fellépő lehetséges zajt, és továbbra is erős a jel. Magunkon teszteltük az áramkört, és azt tapasztaltuk, hogy kissé érzékeny, de az áramkör némi csípésével (fizikailag, nem a tervezéssel) erős jelet tudtunk kapni. A jelkimenet segítségével kiszámítottuk a felhasználó pulzusát, és azt és a légzési jelet az Arduino szép felhasználói felületére adtuk ki. Az Arduino beépített LED-jét is használtuk, hogy minden szívdobbanásra villogjon, így nyilvánvalóvá téve a felhasználó számára, hogy pontosan mikor dobog a szíve.

A PPG számos lehetséges alkalmazással rendelkezik, és egyszerűsége és költséghatékonysága miatt hasznos az intelligens eszközökbe való integráció. Mivel a személyes egészségügy az utóbbi években egyre népszerűbbé vált, elengedhetetlen, hogy ezt a technológiát egyszerűnek és olcsónak tervezzék, hogy a világ minden tájáról hozzáférhessen bárki, akinek szüksége van rá [9]. Egy közelmúltbeli cikk megvizsgálta a PPG használatát a magas vérnyomás ellenőrzésére - és azt találták, hogy más BP mérőeszközökkel együtt is használható [10]. Talán van még mit felfedezni és újítani ebben az irányban, és ezért a PPG -t fontos eszköznek kell tekinteni az egészségügyben most és a jövőben.

7. lépés: Hivatkozások

[1] A. M. García és P. R. Horche: „Fényforrás -optimalizálás bifotonikus vénakereső eszközben: kísérleti és elméleti elemzés,” Results in Physics, vol. 11., 975–983, 2018. [2] J. Allen, „Photoplethysmography és alkalmazása klinikai fiziológiai mérésekben”, Physiological Measurement, vol. 28, nem. 3, 2007.

[3] „A szív mérése - hogyan működnek az EKG és a PPG?” Imotációk. [Online]. Elérhető: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Hozzáférés: 2019. december 10.].

[4] A DE NOVO OSZTÁLYOZÁSI KÉRELEM SZABÁLYOS RITMUSI ÉRTESÍTÉSI JELLEMZŐRE..

[5] S. Bagha és L. Shaw, „A PPG -jel valós idejű elemzése az SpO2 és a pulzusszám méréséhez”, International Journal of Computer Applications, vol. 36, nem. 2011. december 11.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Testérzékelő hálózat a mobil egészségmegfigyeléshez, diagnosztikai és előrejelző rendszer. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] „Mi az a normális pulzusszám?”, LiveScience. [Online]. Elérhető: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Hozzáférés: 2019. december 10.].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw és J. G. Chase: „A hőmérséklet hatásának vizsgálata a fotopletiszmográfiára”, IFAC-PapersOnLine, vol. 48, nem. 20, 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari: „A viselhető fotopletiszmográfiai szenzorok áttekintése és lehetséges jövőbeli alkalmazásaik az egészségügyben”, International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, nem. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim és R. Ward, „The photoplethysmography for use the assessment of hypertonia”, npj Digital Medicine, vol.. 2, nem. 1, 2019.