Matja e rrahjeve të zemrës është në majë të gishtit tuaj: Qasja e Photoplethysmography për Përcaktimin e Rrahjeve të Zemrës: 7 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:17

Photoplethysmograph (PPG) është një teknikë optike e thjeshtë dhe me kosto të ulët që shpesh përdoret për të zbuluar ndryshimet në vëllimin e gjakut në një shtrat mikrovaskular të indeve. Përdoret kryesisht jo-invazivisht për të bërë matje në sipërfaqen e lëkurës, zakonisht një gisht. Forma valore e PPG ka një formë valore fiziologjike pulsative (AC) për shkak të ndryshimeve sinkronike kardiake në vëllimin e gjakut me secilën rrahje të zemrës. Vala AC pastaj mbivendoset në një bazë ndryshuese ngadalë (DC) me përbërës të ndryshëm të frekuencës më të ulët që janë për shkak të frymëmarrjes, aktivitetit të sistemit nervor simpatik dhe termorregullimit. Një sinjal PPG mund të përdoret për të matur ngopjen e oksigjenit, presionin e gjakut dhe prodhimin kardiak, për të kontrolluar daljen kardiake dhe për të zbuluar potencialisht sëmundjen vaskulare periferike [1].

Pajisja që ne po krijojmë është një fotoplethizmograf i gishtit për zemrën. Shtë projektuar që përdoruesi të vendosë gishtin në pranga mbi një led dhe fototransistor. Pajisja pastaj do të pulsojë për çdo rrahje zemre (në Arduino) dhe do të llogarisë rrahjet e zemrës dhe do ta nxjerrë atë në ekran. Ai gjithashtu do të tregojë se si duket sinjali i frymëmarrjes në mënyrë që pacienti ta krahasojë atë me të dhënat e tyre të mëparshme.

Një PPG mund të masë ndryshimin vëllimor në vëllimin e gjakut duke matur transmetimin ose reflektimin e dritës. Sa herë që pompon zemra, presioni i gjakut në barkushen e majtë rritet. Presioni i lartë bën që arteriet të fryhen pak me çdo goditje. Rritja e presionit shkakton një ndryshim të matshëm në sasinë e dritës që reflektohet prapa dhe amplituda e sinjalit të dritës është drejtpërdrejt proporcionale me presionin e pulsit [2].

Një pajisje e ngjashme është sensori PPG i Apple Watch. Ai analizon të dhënat e rrahjeve të pulsit dhe i përdor ato për të zbuluar episodet e mundshme të ritmeve të parregullta të zemrës në përputhje me AFib. Ai përdor dritat LED jeshile së bashku me fotodiodat e ndjeshme ndaj dritës për të kërkuar ndryshime relative në sasinë e gjakut që rrjedh në kyçin e përdoruesit në çdo moment të caktuar. Ai përdor ndryshimet për të matur rrahjet e zemrës dhe kur përdoruesi është i palëvizshëm, sensori mund të zbulojë pulset individuale dhe të masë intervalet rrahje-rrahje [3].

Furnizimet

Para së gjithash, për ndërtimin e qarkut ne përdorëm një dërrasë buke, (1) LED të gjelbër, (1) fototransistor, (1) rezistencë 220 Ω, (1) rezistencë 15 kΩ, (2) 330 kΩ, (1) 2.2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondensator, (1) kondensator 68 nF, UA 741 op-amp dhe tela.

Tjetra, për të testuar qarkun ne përdorëm një gjenerator funksionesh, furnizim me energji, oshiloskop, kapëse aligatori. Së fundi, për të nxjerrë sinjalin në një UI miqësore për përdoruesin, ne përdorëm një laptop me Arduino Software dhe një Arduino Uno.

Hapi 1: Hartoni Skemën

Ne filluam duke nxjerrë një skemë të thjeshtë për të kapur sinjalin PPG. Meqenëse PPG përdor LED, ne së pari lidhëm një LED të gjelbër në seri me një rezistencë 220 Ω dhe e lidhëm atë me fuqinë dhe tokëzimin 6V. Hapi tjetër ishte kapja e sinjalit PPG duke përdorur një fototransistor. Ngjashëm me LED, ne e vendosëm atë në seri me një 15 kΩ dhe e lidhëm atë me energji 6V dhe tokëzim. Kjo u pasua nga një filtër bandpass. Gama e frekuencës normale të një sinjali PPG është 0.5 Hz deri në 5 Hz [4]. Duke përdorur ekuacionin f = 1/RC, ne llogaritëm vlerat e rezistencës dhe kondensatorit për filtrat e kalimit të ulët dhe të lartë, duke rezultuar në një kondensator 1 μF me një rezistencë 330 kΩ për filtrin e kalimit të lartë dhe një kondensator 68 nF me një rezistencë 10 kΩ për filtri i kalimit të ulët. Ne përdorëm UA 741 op -amp midis filtrave që mundësoheshin me 6V dhe -6V.

Hapi 2: Provoni qarkun në një osciloskop

Ne pastaj e ndërtuam qarkun në një dërrasë buke. Më pas, ne testuam daljen e qarkut në oshiloskop për të kontrolluar që sinjali ynë ishte ashtu siç pritej. Siç shihet në figurat e mësipërme, qarku rezultoi në një sinjal të fortë dhe të qëndrueshëm kur një gisht u vendos mbi LED -in e gjelbër dhe fototransistorin. Fuqia e sinjalit gjithashtu ndryshon midis individëve. Në figurat e mëvonshme, niveli dikrotik është i dukshëm dhe është e qartë se shkalla e zemrës është më e shpejtë se ajo e individit në figurat e para.

Pasi u siguruam se sinjali ishte i mirë, ne pastaj vazhduam me një Arduino Uno.

Hapi 3: Lidhni Breadboard me një Arduino Uno

Ne e lidhëm daljen (përgjatë kondensatorit të dytë C2 në skemë dhe tokë) për të lidhur A0 (ndonjëherë A3) në Arduino dhe shinën tokësore në pjatën e bukës me një kunj GND në Arduino.

Shikoni imazhet e mësipërme për kodin që kemi përdorur. Kodi nga Shtojca A u përdor për të treguar grafikun e sinjalit të frymëmarrjes. Kodi nga Shtojca B u përdor për të pasur një LED të integruar në ndezjen Arduino për çdo rrahje zemre dhe për të printuar se çfarë është rrahjet e zemrës.

Hapi 4: Këshilla për tu mbajtur në mend

Në letrën Network Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System, studiuesi Johan Wannenburg et al., Zhvilloi një model matematikor të një sinjali të pastër PPG [5]. Në krahasimin e formës së një sinjali të pastër me sinjalin tonë - të një personi individual - (figurat 3, 4, 5, 6), pa dyshim, ka disa dallime të qarta. Së pari, sinjali ynë ishte i prapambetur, kështu që niveli dikrotik në anën e majtë të secilës majë dhe jo në anën e djathtë. Gjithashtu, sinjali ishte shumë i ndryshëm midis secilit person, kështu që ndonjëherë niveli dikrotik nuk ishte i dukshëm (figurat 3, 4) dhe nganjëherë ishte (figurat 5, 6). Një tjetër ndryshim i dukshëm ishte se sinjali ynë nuk ishte aq i qëndrueshëm sa do të kishim dashur. Ne e kuptuam se ishte shumë e ndjeshme dhe lëvizja më e vogël e tryezës ose ndonjë teli do të ndryshonte pamjen e daljes së oshiloskopit.

Për të rriturit (mbi 18 vjeç), rrahjet mesatare të zemrës në pushim duhet të jenë midis 60 dhe 100 rrahje në minutë [6]. Në Figurën 8, rrahjet e zemrës së individit që po testohej ishin të gjitha midis këtyre dy vlerave, duke treguar se duket se është e saktë. Ne nuk patëm një shans për të llogaritur rrahjet e zemrës me një pajisje të ndryshme dhe për ta krahasuar atë me sensorin tonë PPG, por ka të ngjarë që do të ishte afër saktësisë. Kishte gjithashtu shumë faktorë që ne nuk mund t'i kontrollonim, duke çuar kështu në ndryshimin e rezultateve. Sasia e ndriçimit të ambientit ishte e ndryshme sa herë që e testonim sepse ishim ose në një vend tjetër, kishte një hije mbi pajisjen, ne përdornim ndonjëherë një pranga. Duke pasur më pak rrufe ambienti e bëri sinjalin më të qartë, por ndryshimi i tij ishte jashtë kontrollit tonë dhe kështu ndikoi në rezultatet tona. Një çështje tjetër është temperatura. Studimi Investimi i Efekteve të Temperaturës në Photoplethysmography nga Mussabir Khan et al., Studiuesit zbuluan se temperaturat më të ngrohta të duarve përmirësuan cilësinë dhe saktësinë e PPG [7]. Ne në të vërtetë vumë re se nëse njëri prej nesh do të kishte gishtërinj të ftohtë, sinjali do të ishte i dobët dhe ne nuk mund ta dallonim pikën dikrotike në krahasim me një person që kishte gishta më të ngrohtë. Gjithashtu, për shkak të ndjeshmërisë së pajisjes, ishte e vështirë të gjykohej nëse konfigurimi i pajisjes ishte ose jo në një optimale për të na dhënë sinjalin më të mirë. Për shkak të kësaj, na u desh të silleshim me tabelën sa herë që konfiguronim dhe kontrollonim lidhjet në tabelë para se ta lidhnim atë me Arduino dhe të shikonim daljen që donim. Meqenëse ka kaq shumë faktorë që hyjnë në lojë për krijimin e një bordi buke, një PCB do t'i zvogëlojë ato shumë dhe do të na japë një prodhim më të saktë. Ne ndërtuam skemën tonë në Autodesk Eagle për të krijuar një dizajn PCB dhe më pas e shtymë atë në AutoDesk Fusion 360 për paraqitjen vizuale të asaj që do të dukej bordi.

Hapi 5: Dizajni i PCB

Ne riprodhuam skemën në AutoDesk Eagle dhe përdorëm gjeneratorin e tij të bordit për të krijuar modelin e PCB. Ne gjithashtu e shtyjmë modelin në AutoDesk Fusion 360 për paraqitjen vizuale të asaj që do të dukej bordi.

Hapi 6: Përfundimi

Si përfundim, ne mësuam se si të zhvillojmë një dizajn për një qark sinjali PPG, e ndërtuam dhe e testuam. Ne ishim të suksesshëm në ndërtimin e një qarku relativisht të thjeshtë për të zvogëluar sasinë e zhurmës së mundshme në dalje dhe ende të kishim një sinjal të fortë. Ne e testuam qarkun mbi veten dhe zbuluam se ishte pak e ndjeshme, por me një rregullim të qarkut (fizikisht, jo modeli), ne ishim në gjendje të merrnim një sinjal të fortë. Ne përdorëm daljen e sinjalit për të llogaritur rrahjet e zemrës së përdoruesit dhe e nxorëm atë dhe sinjalin e frymëmarrjes në ndërfaqen e bukur të Arduino. Ne gjithashtu përdorëm LED-in e integruar në Arduino për të ndezur për çdo rrahje zemre, duke e bërë të qartë për përdoruesin kur pikërisht zemra e tyre po rrihte.

PPG ka shumë aplikime të mundshme, dhe thjeshtësia dhe kosto-efektiviteti i tij e bëjnë të dobishëm integrimin në pajisjet inteligjente. Meqenëse kujdesi shëndetësor personal është bërë më i popullarizuar vitet e fundit, është e domosdoshme që kjo teknologji të jetë e dizajnuar të jetë e thjeshtë dhe e lirë, në mënyrë që të jetë e arritshme në të gjithë botën për këdo që ka nevojë [9]. Një artikull i fundit shqyrtoi përdorimin e PPG për të kontrolluar hipertensionin - dhe ata zbuluan se mund të përdoret në lidhje me pajisjet e tjera të matjes së PB [10]. Ndoshta ka më shumë që mund të zbulohen dhe inovohen në këtë drejtim, dhe kështu PPG duhet të konsiderohet si një mjet i rëndësishëm në kujdesin shëndetësor tani dhe në të ardhmen.

Hapi 7: Referencat

[1] A. M. García dhe P. R. Horche, "Optimizimi i burimit të dritës në një pajisje gjetëse venë bifotonike: Analiza eksperimentale dhe teorike", Rezultatet në Fizikë, vëll. 11, faqe 975–983, 2018. [2] J. Allen, "Photoplethysmography dhe aplikimi i saj në matjet klinike fiziologjike", Matja Fiziologjike, vëll. 28, nr. 3, 2007.

[3] "Matja e Zemrës - Si funksionojnë EKG dhe PPG?", Imocionet. [Online]. E disponueshme: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Qasur: 10-Dhjetor-2019].

[4] K NORKESA E KLASIFIKIMIT DE NOVO PER TIPARIN NOT E NJOFTIMIT T IR RRETHISS T R RITMIT. Me

[5] S. Bagha dhe L. Shaw, "Një analizë në kohë reale e sinjalit PPG për matjen e SpO2 dhe shkallës së pulsit," International Journal of Computer Applications, vol. 36, nr. 11, Dhjetor 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Rrjeti i Sensorit të Trupit për Monitorimin e Shëndetit të Lëvizshëm, një Sistem i Diagnozës dhe Parashikimit. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Çfarë është një normë normale e zemrës ?," LiveScience. [Online]. Në dispozicion: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Qasur: 10-Dhjetor-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw dhe J. G. Chase, "Investigating the Effects of Temperature on Photoplethysmography", IFAC-PapersOnLine, vol. 48, nr. 20, faqe 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, "Një përmbledhje mbi sensorët e fotopetismografisë që mund të vishen dhe aplikimet e tyre të mundshme në të ardhmen në kujdesin shëndetësor," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, jo 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim, and R. Ward, "Përdorimi i fotoplethizmografisë për vlerësimin e hipertensionit", npj Digital Medicine, vëll. Me 2, jo 1, 2019.