Жүрек соғу жиілігін өлшеу саусағыңыздың ұшында: жүрек соғу жиілігін анықтаудың фотоплетизмографиялық әдісі: 7 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Фотофлетограф (PPG)-бұл тіндердің микроваскулярлық қабатындағы қан көлемінің өзгеруін анықтау үшін жиі қолданылатын қарапайым және арзан оптикалық әдіс. Ол көбінесе терінің бетінде, әдетте саусақпен өлшеу үшін инвазивті емес қолданылады. ППГ толқындық формасы жүрек соғуының әр минутында қан көлемінің жүрек синхронды өзгеруіне байланысты импульсті (айнымалы) физиологиялық толқын түріне ие. Содан кейін айнымалы ток толқыны тыныс алу, жүйке жүйесінің симпатикалық белсенділігі мен терморегуляцияға байланысты төмен жиілікті әр түрлі компоненттері бар баяу өзгеретін (тұрақты ток) бастапқы сызығына қойылады. PPG сигналы оттегінің қанықтылығын, қан қысымын және жүректің шығуын өлшеу үшін, жүрек шығарылымын тексеру үшін және перифериялық тамыр ауруларын ықтимал анықтау үшін қолданыла алады [1].

Біз жасап жатқан құрылғы - жүрекке арналған саусақпен фотоплетизмограф. Ол пайдаланушыға манжетке манжаны жарықдиодты және фототранзистордың үстіне қоюға арналған. Содан кейін құрылғы әрбір жүрек соғысы үшін жыпылықтайды (Arduino -да) және жүрек соғу жылдамдығын есептеп, оны экранға шығарады. Бұл сонымен қатар пациент оны алдыңғы деректермен салыстыруы үшін тыныс сигналының қалай көрінетінін көрсетеді.

PPG жарықтың өтуін немесе шағылуын өлшеу арқылы қан көлемінің көлемдік өзгерісін өлшей алады. Жүрек сорған сайын сол қарыншаның қысымы артады. Жоғары қысым артериялардың әр соққысында сәл көтерілуіне әкеледі. Қысымның артуы шағылысатын жарық мөлшерінің айырмашылығын тудырады және жарық сигналының амплитудасы импульстік қысымға тура пропорционалды [2].

Ұқсас құрылғы - Apple Watch PPG сенсоры. Ол импульстің жиілігі туралы деректерді талдайды және AFib -ке сәйкес келетін жүрек ырғағының ритмінің мүмкін болатын эпизодтарын анықтау үшін қолданады. Ол жасыл жарықдиодты шамдарды және жарыққа сезімтал фотодиодтармен бірге пайдаланушының білегіне кез келген сәтте ағып келетін қан мөлшерінің өзгеруін іздеу үшін пайдаланады. Ол жүрек соғу жиілігін өлшеу үшін өзгерістерді қолданады, ал пайдаланушы қозғалмайтын кезде сенсор жеке импульстарды анықтап, соққы жиілігін өлшей алады [3].

Жабдықтар

Ең алдымен, схеманы құру үшін біз нан тақтасын, (1) жасыл жарық диодты, (1) фототранзисторды, (1) 220 Ω резисторды, (1) 15 кОм резисторды, (2) 330 кОмды, (1) 2,2 кОмды қолдандық. (1) 10 кОм, (1) 1 мкФ конденсатор, (1) 68 нФ конденсатор, UA 741 оп-амп және сымдар.

Әрі қарай, тізбекті тексеру үшін біз функция генераторын, қуат көзін, осциллографты, аллигатор қысқыштарын қолдандық. Ақырында, пайдаланушыға ыңғайлы интерфейске сигнал шығару үшін біз Arduino Software және Arduino Uno бар ноутбук қолдандық.

1 -қадам: Схеманы сызыңыз

Біз PPG сигналын алудың қарапайым схемасын құрудан бастадық. PPG жарықдиодты қолданатындықтан, біз алдымен жасыл жарық диодты 220 Ом резисторы бар серияға қосып, оны 6 В қуат пен жерге жалғадық. Келесі қадам - фототранзистор көмегімен PPG сигналын түсіру болды. Жарық диодына ұқсас, біз оны 15 кОм -мен тізбектей қойдық және оны 6В қуат пен жерге жалғадық. Осыдан кейін жолақты сүзгі пайда болды. PPG сигналының қалыпты жиілік диапазоны 0,5 Гц - 5 Гц [4]. F = 1/RC теңдеуін қолдана отырып, төмен және жоғары өту сүзгілері үшін резистор мен конденсатордың мәндерін есептедік, нәтижесінде жоғары өткізу сүзгісі үшін 330 кОм резисторы бар 1 мкФ конденсатор және 10 кОм резисторы бар 68 нФ конденсатор пайда болды. төмен өту сүзгісі. Біз 6В және -6В кернеуі бар сүзгілер арасында UA 741 оп -ампты қолдандық.

2 -қадам: Осциллографта тізбекті тексеріңіз

Содан кейін біз схеманы нан тақтасына құрдық. Осыдан кейін біз сигналдың күткендей болғанын тексеру үшін осциллографта тізбектің шығуын тексердік. Жоғарыдағы суреттерден көрініп тұрғандай, жасыл жарықдиодты және фототранзистордың үстіне саусақты қойған кезде тізбек күшті, тұрақты сигнал берді. Сигналдың күші жеке адамдар арасында да өзгереді. Кейінгі сандарда дикротикалық ойық айқын көрінеді және алғашқы бірнеше фигурадағы жүрек соғу жылдамдығы жеке адамға қарағанда жылдам екені анық.

Сигналдың жақсы екеніне сенімді болғаннан кейін, біз Arduino Uno -мен жүрдік.

3 -қадам: Breadboard тақтасын Arduino Uno -ға қосыңыз

Біз шығуды (схемада және жердегі екінші C2 конденсаторы бойынша) Arduino -дағы A0 (кейде A3) түйреуішіне және нан тақтасындағы жердегі рельске Arduino -дағы GND істікшесіне қостық.

Біз қолданған кодты жоғарыдағы суреттерден қараңыз. А қосымшасындағы код тыныс алу сигналының графигін көрсету үшін пайдаланылды. B қосымшасындағы код әрбір жүрек соғысы үшін Arduino жыпылықтаған жарықдиодты жарықдиодты орнатып, жүрек соғу жиілігін көрсетеді.

4 -қадам: Есте ұстауға арналған кеңестер

Зерттеуші Йохан Ваненбург және басқалар мобильді денсаулықты бақылау, диагноз және болжау жүйесі үшін Body Sensor Network мақаласында таза PPG сигналының математикалық моделін жасады [5]. Таза сигналдың пішінін біздің сигналмен - жеке адамның (3, 4, 5, 6 суреттер) салыстыру кезінде, әрине, кейбір айқын айырмашылықтар бар. Біріншіден, біздің сигнал артта қалды, сондықтан дикротикалық ойық әр шыңның оң жағында емес, сол жағында. Сондай -ақ, сигнал әр адамда әр түрлі болды, сондықтан кейде дикротикалық ойық анық байқалмады (3, 4 -суреттер), ал кейде (5, 6 -суреттер). Тағы бір маңызды айырмашылық - біздің сигнал біз қалағандай тұрақты болмады. Біз оның өте сезімтал екенін түсіндік, ал үстелдің немесе кез келген сымның ең аз бұрылуы осциллографтың шығыс түрін өзгертетінін түсіндік.

Ересектер үшін (18 жастан жоғары) орташа тыныс алу жиілігі минутына 60 -тан 100 соққыға дейін болуы керек [6]. 8 -суретте тексерілетін адамның жүрек соғу жиілігі дәл осы екі мән арасында болды, бұл дәл болып көрінеді. Біз жүрек соғу жиілігін басқа құрылғымен есептеуге және оны PPG сенсорымен салыстыруға мүмкіндік алмадық, бірақ бұл дәлдікке жақын болуы мүмкін. Біз басқара алмайтын көптеген факторлар болды, осылайша нәтижелердің өзгеруіне әкелді. Әр сынақтан өткенде, сыртқы жарықтандыру мөлшері әр түрлі болды, өйткені біз басқа жерде болдық, құрылғының көлеңкесі болды, кейде манжетті қолдандық. Сыртқы найзағайдың аз болуы сигналды айқынырақ етті, бірақ оны өзгерту біздің бақылауымызда болмады және осылайша біздің нәтижелерімізге әсер етті. Тағы бір мәселе - температура. Муссабир Хан және басқалардың «Фотоплетизмографияға температураның әсерін зерттеу» зерттеуі қолды жылытудың PPG сапасы мен дәлдігін жақсартатынын анықтады [7]. Егер бізде біреудің саусақтары суық болса, сигнал нашар болатынын және саусақтары жылы адаммен салыстырғанда дикротикалық ойықты шығара алмайтынымызды байқадық. Сондай-ақ, құрылғының сезімталдығына байланысты бізге ең жақсы сигнал беру үшін құрылғының дұрыс орнатылғанын анықтау қиын болды. Осыған байланысты, біз Arduino-ға қосылмай тұрып және қалаған шығуды қарағанға дейін, тақтадағы қосылымдарды орнатқан сайын тексеріп отыруға тура келді. Нан тақтасын орнатуға көптеген факторлар әсер ететіндіктен, ПХД оларды едәуір азайтады және бізге дәлірек нәтиже береді. Біз Autodesk Eagle -де схемамызды ПХД дизайнын жасау үшін құрдық, содан кейін оны тақтаның қалай көрінетінін көрсету үшін AutoDesk Fusion 360 -қа жібердік.

5 -қадам: ПХД дизайны

Біз AutoDesk Eagle -де схеманы қайта шығардық және ПХД дизайнын жасау үшін оның тақтай генераторын қолдандық. Біз сонымен қатар тақтаның қандай болатынын визуалды түрде көрсету үшін дизайнды AutoDesk Fusion 360 -қа жібердік.

6 -қадам: Қорытынды

Қорытындылай келе, біз PPG сигналдық схемасының дизайнын қалай жасау керектігін білдік, оны құрастырдық және оны тексердік. Біз шығуда мүмкін болатын шу көлемін азайту үшін қарапайым схеманы құруда табысты болдық және әлі де күшті сигналға ие болдық. Біз тізбекті өзімізде сынап көрдік, ол сәл сезімтал екенін байқадық, бірақ тізбектің біршама өзгерісімен (физикалық емес, дизайн), біз күшті сигнал ала алдық. Біз сигналдың шығуын пайдаланушының жүрек соғу жылдамдығын есептеу үшін қолдандық және оны және тыныс сигналын Arduino -ның жақсы интерфейсіне шығардық. Біз сондай-ақ Arduino-ға кіріктірілген жарықдиодты әр жүрек соғу үшін жыпылықтау үшін қолдандық, бұл қолданушыға олардың жүрегі дәл қашан соғатынын анықтады.

PPG көптеген әлеуетті қосымшаларға ие және оның қарапайымдылығы мен үнемділігі оны ақылды құрылғыларға біріктіруді пайдалы етеді. Жеке денсаулық сақтау соңғы жылдары танымал бола бастағандықтан, бұл технология қарапайым және арзан болуы керек, сондықтан оны бүкіл әлемде мұқтаж адамдарға қол жеткізуге болады [9]. Жақында мақалада гипертонияны тексеру үшін PPG қолдану қарастырылды - және олар оны АҚ басқа өлшеу құралдарымен бірге қолдануға болатынын анықтады [10]. Мүмкін, бұл бағытта ашуға және жаңартуға болатын көптеген нәрселер бар, сондықтан PPG қазір және болашақта денсаулық сақтаудың маңызды құралы ретінде қарастырылуы керек.

7 -қадам: Әдебиеттер

[1] А. М. Гарсия мен П. Р. Хорче, «Бифотоникалық веналарды табатын құрылғыда жарық көзін оңтайландыру: эксперименттік және теориялық талдау», Физика нәтижелері, т. 11, б. 975–983, 2018. [2] Дж. Аллен, «Фотоплетизмография және оны клиникалық физиологиялық өлшеуде қолдану», Физиологиялық өлшеу, т. 28, жоқ. 3, 2007 ж.

[3] «Жүректі өлшеу - ЭКГ мен ППГ қалай жұмыс істейді?», Эмоциялар. [Желіде]. Қол жетімді: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Қолданылған: 10-желтоқсан-2019].

[4] DE NOVO КЛАССИФИКАЦИЯСЫНЫҢ РЕЙМДІ РЕФИМДІ ХАБАРЛАУ МҮМКІНДІГІ ҮШІН СҰРАУЫ..

[5] С. Багха мен Л. Шоу, «SpO2 мен импульстің жиілігін өлшеуге арналған PPG сигналының нақты уақыттық талдауы», Халықаралық компьютерлік қосымшалар журналы, т. 36, жоқ. 11, 2011 ж.

[6] Ванненбург, Йохан және Малекян, Реза. (2015). Денсаулықтың мобильді мониторингі үшін дене сенсорлық желісі, диагностика және болжау жүйесі. Сенсорлар журналы, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] «Қалыпты жүрек соғу жиілігі дегеніміз не?», LiveScience. [Желіде]. Қол жетімді: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Қолданылған: 10-желтоқсан-2019].

[8] М. Хан, C. G. Претти, А. С. Эмис, Р. Элиотт, Г. М. Шоу және Дж. Г. Чейз, «Температураның фотофлетизмаға әсерін зерттеу», IFAC-PapersOnLine, т. 48, жоқ. 20, 360-365 бет, 2015 ж.

[9] М. Гамари, «Тозатын фотоплетизмография датчиктеріне шолу және олардың денсаулық сақтау саласындағы болашақта қолданылуы» Халықаралық биосенсорлар мен биоэлектроника журналы, т. 4, жоқ. 4, 2018 ж.

[10] М. Элгенди, Р. Флетчер, Ю. Лянг, Н. Ховард, Н. Х. Лавелл, Д. Абботт, К. Лим және Р. Уорд, «Гипертонияны бағалау үшін фотофлетизмографияны қолдану», npj Digital Medicine, vol.. 2, жоқ. 1, 2019 ж.