თქვენი გულისცემის გაზომვა თქვენი თითის წვერშია: ფოტოპლეტიზმოგრაფიული მიდგომა გულისცემის დასადგენად: 7 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

ფოტოპლეტიზმოგრაფი (PPG) არის მარტივი და იაფი ოპტიკური ტექნიკა, რომელიც ხშირად გამოიყენება ქსოვილის მიკროვასკულარულ ფენაში სისხლის მოცულობის ცვლილებების გამოსავლენად. იგი ძირითადად გამოიყენება არაინვაზიურად კანის ზედაპირზე გაზომვის მიზნით, ჩვეულებრივ თითზე. PPG– ის ტალღის ფორმას აქვს პულსირებული (AC) ფიზიოლოგიური ტალღის ფორმა გულის სინქრონული ცვლილებების გამო სისხლის მოცულობაში თითოეულ გულისცემასთან ერთად. AC ტალღა შემდეგ თავსდება ნელა ცვალებად (DC) საწყისზე სხვადასხვა ქვედა სიხშირის კომპონენტებით, რომლებიც განპირობებულია სუნთქვით, სიმპათიური ნერვული სისტემის აქტივობით და თერმორეგულაციით. PPG სიგნალი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჟანგბადის გაჯერების, არტერიული წნევის და გულის გამომუშავების გასაზომად, გულის გამომუშავების შესამოწმებლად და პერიფერიული სისხლძარღვთა დაავადების პოტენციურად გამოვლენის მიზნით [1].

მოწყობილობა, რომელსაც ჩვენ ვქმნით, არის თითის ფოტოპლეტიზმოგრაფი გულისთვის. ის განკუთვნილია მომხმარებლისთვის, რომ თითი მანჟეტში მოათავსოს ლიდერსა და ფოტოტრანსისტორზე. მოწყობილობა აციმციმდება თითოეული გულისცემისათვის (არდუინოზე) და გამოთვლის გულისცემას და გამოუშვებს ეკრანზე. ის ასევე აჩვენებს, თუ როგორ გამოიყურება რესპირატორული სიგნალი, რათა პაციენტმა შეძლოს მისი შედარება წინა მონაცემებთან.

PPG– ს შეუძლია შეაფასოს სისხლის მოცულობის მოცულობითი ცვლილება სინათლის გადაცემის ან ასახვის გაზომვით. ყოველ ჯერზე, როდესაც გული იტუმბება, არტერიული წნევა მარცხენა პარკუჭში იზრდება. მაღალი წნევა იწვევს არტერიების ოდნავ ამობურცვას ყოველი დარტყმისას. წნევის მომატება იწვევს გაზომვად განსხვავებას სინათლის რაოდენობაში, რომელიც აისახება უკან და სინათლის სიგნალის ამპლიტუდა პირდაპირ პროპორციულია პულსის წნევაზე [2].

მსგავსი მოწყობილობაა Apple Watch PPG სენსორი. იგი აანალიზებს პულსის სიხშირის მონაცემებს და იყენებს მას AFib– ის შესაბამისი გულის რითმის შესაძლო ეპიზოდების დასადგენად. ის იყენებს მწვანე LED შუქებს სინათლისადმი მგრძნობიარე ფოტოდიოდებთან ერთად, რათა გამოიძიოს მომხმარებლის მაჯის სისხლის რაოდენობის შედარებითი ცვლილებები ნებისმიერ მომენტში. ის იყენებს ცვლილებებს გულისცემის გასაზომად და როდესაც მომხმარებელი სტაციონარულია, სენსორს შეუძლია გამოავლინოს ინდივიდუალური პულსი და გაზომოთ დარტყმა-დარტყმის ინტერვალები [3].

მარაგები

უპირველეს ყოვლისა, მიკროსქემის შესაქმნელად ჩვენ გამოვიყენეთ breadboard, (1) მწვანე LED, (1) ფოტოტრანსისტორი, (1) 220 Ω რეზისტორი, (1) 15 kΩ რეზისტორი, (2) 330 kΩ, (1) 2.2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF კონდენსატორი, (1) 68 nF კონდენსატორი, UA 741 op-amp და მავთულები.

შემდეგი, სქემის შესამოწმებლად ჩვენ გამოვიყენეთ ფუნქციის გენერატორი, ელექტრომომარაგება, ოსცილოსკოპი, ალიგატორის კლიპები. დაბოლოს, მოსახერხებელ ინტერფეისზე სიგნალის გამოსაყენებლად ჩვენ გამოვიყენეთ ლეპტოპი Arduino Software და Arduino Uno.

ნაბიჯი 1: დახაზეთ სქემა

ჩვენ დავიწყეთ მარტივი სქემატური სქემით PPG სიგნალის დასაფიქსირებლად. მას შემდეგ, რაც PPG იყენებს LED- ს, ჩვენ პირველად შევუერთეთ მწვანე LED სერიას 220 Ω რეზისტენტთან და დავუკავშირდით მას 6 ვ სიმძლავრისა და მიწასთან. შემდეგი ნაბიჯი იყო PPG სიგნალის გადაღება ფოტოტრანსისტორის გამოყენებით. LED- ის მსგავსად, ჩვენ მას სერიულად ვაყენებთ 15 kΩ– ით და ვუკავშირდებით მას 6V დენზე და მიწაზე. ამას მოჰყვა bandpass ფილტრი. PPG სიგნალის ნორმალური სიხშირის დიაპაზონი არის 0.5 ჰერციდან 5 ჰერცამდე [4]. F = 1/RC განტოლების გამოყენებით ჩვენ გამოვთვალეთ რეზისტორისა და კონდენსატორის მნიშვნელობები დაბალი და მაღალი გავლის ფილტრებისთვის, რის შედეგადაც 1 μF კონდენსატორი 330 kΩ რეზისტორით მაღალი გამავლობის ფილტრისთვის და 68 nF კონდენსატორი 10 kΩ რეზისტორით დაბალი გავლის ფილტრი. ჩვენ გამოვიყენეთ UA 741 op -amp ფილტრებს შორის, რომელიც იკვებებოდა 6V და -6V.

ნაბიჯი 2: შეამოწმეთ წრე ოსცილოსკოპზე

შემდეგ ჩვენ შევქმენით წრე პურის დაფაზე. ამის შემდეგ, ჩვენ შევამოწმეთ მიკროსქემის გამოსვლა ოსცილოსკოპზე, რათა შევამოწმოთ, რომ ჩვენი სიგნალი იყო მოსალოდნელი. როგორც ზემოთ მოყვანილ ფიგურებში ჩანს, წრემ გამოიწვია ძლიერი, სტაბილური სიგნალი, როდესაც თითი მწვანე მწვანე LED- ზე და ფოტოტრანსისტორზე მოათავსეს. სიგნალის სიძლიერე ასევე განსხვავდება ინდივიდებს შორის. გვიანდელ ფიგურებში დიკროზული დონე აშკარაა და ცხადია, რომ გულისცემა უფრო სწრაფია ვიდრე ინდივიდის პირველი რამდენიმე ფიგურა.

მას შემდეგ რაც დავრწმუნდით, რომ სიგნალი კარგი იყო, ჩვენ გავაგრძელეთ Arduino Uno.

ნაბიჯი 3: შეაერთეთ პურის დაფა Arduino Uno– სთან

ჩვენ დავუკავშირდით გამომავალს (მეორე კონდენსატორის C2 სქემატურ და გრუნტში) Arduino- ზე A0 (ზოგჯერ A3) და პურის დაფაზე მიწის რკინიგზას არდუინოს GND პინთან.

იხილეთ ზემოთ მოყვანილი სურათები იმ კოდისთვის, რომელიც ჩვენ გამოვიყენეთ. დანართი A კოდი გამოიყენეს სასუნთქი სიგნალის გრაფიკის საჩვენებლად. დანართი B– ს კოდი გამოიყენებოდა იმისთვის, რომ ჩამონტაჟებულიყო არდუინოს მოციმციმე LED თითოეული გულისცემისათვის და დაბეჭდილიყო რა არის გულისცემა.

ნაბიჯი 4: რჩევები გაითვალისწინეთ

ნაშრომში Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System, მკვლევარმა იოჰან ვანენბურგმა და სხვებმა შეიმუშავეს სუფთა PPG სიგნალის მათემატიკური მოდელი [5]. სუფთა სიგნალის ფორმის შედარება ჩვენს სიგნალთან - ცალკეულ ადამიანთან - (ფიგურები 3, 4, 5, 6), ცხადია, არსებობს აშკარა განსხვავებები. პირველ რიგში, ჩვენი სიგნალი იყო უკანა, ასე რომ დიკროზული ხვრელი თითოეული მწვერვალის მარცხენა მხარეს იყო და არა მარჯვენა მხარეს. ასევე, სიგნალი ძალიან განსხვავდებოდა თითოეულ ადამიანში, ამიტომ ხანდახან დიკროზული დონე არ იყო აშკარა (ფიგურები 3, 4) და ზოგჯერ ეს იყო (ფიგურები 5, 6). კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი განსხვავება ის იყო, რომ ჩვენი სიგნალი არ იყო ისეთი სტაბილური, როგორც გვსურს. ჩვენ მივხვდით, რომ ის ძალიან მგრძნობიარე იყო და მაგიდის ან მავთულის უმცირესი დაწკაპუნება შეცვლიდა ოსცილოსკოპის გამომუშავების გარეგნობას.

მოზრდილებში (18 წელზე მეტი ასაკის) საშუალო გულისცემა დასვენების დროს უნდა იყოს 60 -დან 100 -მდე დარტყმა წუთში [6]. ფიგურა 8 -ში, ტესტირებაში მყოფი ინდივიდის გულისცემა იყო ამ ორ მნიშვნელობას შორის, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ის ზუსტი ჩანს. ჩვენ არ მოგვეცა შანსი გამოვთვალოთ გულისცემა სხვა მოწყობილობით და შევადაროთ იგი ჩვენს PPG სენსორს, მაგრამ სავარაუდოა, რომ ის ზუსტთან ახლოს იქნებოდა. ასევე იყო მრავალი ფაქტორი, რომელთა კონტროლი ჩვენ ვერ შევძელით, რითაც გამოიწვია შედეგების ცვალებადობა. გარე განათების რაოდენობა განსხვავებული იყო ყოველ ჯერზე, როდესაც ჩვენ ვამოწმებდით მას, რადგან ჩვენ ვიყავით სხვადასხვა ადგილას, იყო ჩრდილი მოწყობილობაზე, ჩვენ ხანდახან ვიყენებდით მანჟესს. გარემოს ნაკლები ელვისებამ სიგნალი უფრო მკაფიო გახადა, მაგრამ მისი შეცვლა ჩვენი კონტროლის გარეშე იყო და ამით იმოქმედა ჩვენს შედეგებზე. სხვა საკითხია ტემპერატურა. მუსაბირ ხანმა და სხვებმა ჩაატარეს კვლევა, რომელიც ასახავს ტემპერატურის ეფექტს ფოტოპლეტიზმოგრაფიაზე, მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ ხელების თბილმა ტემპერატურამ გააუმჯობესა PPG- ის ხარისხი და სიზუსტე [7]. ჩვენ ფაქტობრივად შევამჩნიეთ, რომ თუ რომელიმე ჩვენგანს ცივი თითები ექნებოდა, სიგნალი ცუდი იქნებოდა და დიკროზულ ნიშნულს ვერ გამოვყოფდით იმ ადამიანთან შედარებით, რომელსაც უფრო თბილი თითები ჰქონდა. ასევე, მოწყობილობის მგრძნობელობის გამო, ძნელი იყო განსაჯოს იყო თუ არა მოწყობილობის დაყენება ოპტიმალური, რომ მოგვცა საუკეთესო სიგნალი. ამის გამო, ჩვენ უნდა ვიკამათოთ დაფაზე ყოველ ჯერზე, როდესაც ვქმნით და ვამოწმებთ კავშირს დაფაზე, სანამ შევძლებთ არდუინოსთან დაკავშირებას და შევხედოთ გამომავალს, რაც გვსურს. ვინაიდან არსებობს ბევრი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს პურის დაფაზე, PCB მნიშვნელოვნად შეამცირებს მათ და მოგვცემს უფრო ზუსტ გამომუშავებას. ჩვენ ავაშენეთ ჩვენი სქემატური პროგრამა Autodesk Eagle– ში, რათა შევქმნათ PCB დიზაინი, შემდეგ კი გადავიტანეთ იგი AutoDesk Fusion 360– ში ვიზუალური გამოსახულებისთვის, თუ როგორ გამოიყურება დაფა.

ნაბიჯი 5: PCB დიზაინი

ჩვენ განვახორციელეთ სქემა AutoDesk Eagle– ში და გამოვიყენეთ მისი დაფის გენერატორი PCB დიზაინის შესაქმნელად. ჩვენ ასევე მივიღეთ დიზაინი AutoDesk Fusion 360– ზე ვიზუალური გამოსახულებისათვის, თუ როგორ იქნებოდა დაფა.

ნაბიჯი 6: დასკვნა

დასასრულს, ჩვენ ვისწავლეთ როგორ განვავითაროთ დიზაინი PPG სიგნალის სქემისთვის, ავაშენეთ იგი და შევამოწმეთ იგი. ჩვენ წარმატებით შევქმენით შედარებით მარტივი წრე, რათა შემცირდეს გამოსასვლელში შესაძლო ხმაურის რაოდენობა და მაინც გვქონდეს ძლიერი სიგნალი. ჩვენ შევამოწმეთ წრე საკუთარ თავზე და აღმოვაჩინეთ, რომ ის ოდნავ მგრძნობიარე იყო, მაგრამ მიკროსქემის გარკვეული კორექტირებით (ფიზიკურად, არა დიზაინით), ჩვენ შევძელით ძლიერი სიგნალის მიღება. ჩვენ გამოვიყენეთ სიგნალის გამომუშავება მომხმარებლის გულისცემის გამოსათვლელად და გამოვიტანეთ ის და სუნთქვის სიგნალი არდუინოს სასიამოვნო ინტერფეისისათვის. ჩვენ ასევე გამოვიყენეთ Arduino– ს ჩამონტაჟებული LED, რომ მოციმციმე იყოს თითოეული გულისცემისათვის, რაც მომხმარებლისთვის ცხადი გახდა, როდის ზუსტად მათი გული სცემდა.

PPG– ს აქვს მრავალი პოტენციური პროგრამა და მისი სიმარტივე და ეკონომიური ეფექტურობა სასარგებლო გახდის ინტეგრირებას ჭკვიან მოწყობილობებში. ვინაიდან პირადი ჯანდაცვა ბოლო წლებში უფრო პოპულარული გახდა, აუცილებელია, რომ ეს ტექნოლოგია იყოს მარტივი და იაფი, რათა ის იყოს ხელმისაწვდომი მთელ მსოფლიოში ყველასთვის, ვისაც ეს სჭირდება [9]. ბოლო სტატია განიხილავს PPG– ს გამოყენებას ჰიპერტენზიის შესამოწმებლად - და მათ აღმოაჩინეს, რომ ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა არტერიული წნევის გაზომვის მოწყობილობებთან ერთად [10]. შესაძლოა, უფრო მეტი რამის აღმოჩენა და ინოვაცია შეიძლება გაკეთდეს ამ მიმართულებით და ამრიგად, PPG უნდა ჩაითვალოს ჯანდაცვის მნიშვნელოვან ინსტრუმენტად ახლა და მომავალში.

ნაბიჯი 7: მითითებები

[1] A. M. García და P. R. Horche, "სინათლის წყაროს ოპტიმიზაცია ბიფოტონური ვენის მაძიებელ მოწყობილობაში: ექსპერიმენტული და თეორიული ანალიზი", შედეგები ფიზიკაში, ტ. 11, გვ. 975–983, 2018. [2] ჯ. ალენი, "ფოტოპლეტიზმოგრაფია და მისი გამოყენება კლინიკურ ფიზიოლოგიურ გაზომვებში", ფიზიოლოგიური გაზომვა, ტ. 28, არა 3, 2007 წ.

[3] "გულის გაზომვა - როგორ მუშაობს ეკგ და PPG?", ემოციები. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [წვდომა: 10-დეკ -2019].

[4] DE NOVO კლასიფიკაციის მოთხოვნა არარეგულარული რითმის შეტყობინების მახასიათებლისათვის. რა

[5] S. Bagha and L. Shaw, "A Time Analysis of PPG Signal for Measurement of SpO2 and Pulse Rate," International Journal of Computer Applications, vol. 36, არა 11, 2011 წლის დეკემბერი.

[6] ვანენბურგი, იოჰან და მალეკიანი, რეზა. (2015). სხეულის სენსორული ქსელი მობილური ჯანმრთელობის მონიტორინგისთვის, დიაგნოსტიკისა და მოლოდინის სისტემა. სენსორების ჟურნალი, IEEE. 15. 6839-6852 წწ. 10.1109/JSEN.2015 წ.24464773.

[7] „რა არის ნორმალური გულისცემა?“, LiveScience. [ონლაინ]. ხელმისაწვდომია: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [წვდომა: 10-დეკ -2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw, and J. G. Chase, "Invest Investing Effects of Temperature on Photoplethysmography," IFAC-PapersOnLine, vol. 48, არა 20, გვ. 360–365, 2015 წ.

[9] მ. ღამარი, "მიმოხილვა ტარებადი ფოტოპლეტიზმოგრაფიის სენსორების და მათი პოტენციური სამომხმარებლო გამოყენების შესახებ ჯანდაცვაში", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, არა 4, 2018 წ.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim, and R. Ward, "photoplethysmography use for შეფასების ჰიპერტენზია", npj Digital Medicine, vol. რა 2, არა 1, 2019 წ.