Ang pagsukat sa Iyong Rate ng Puso Ay nasa Tip ng Iyong Daliri: Paglapit ng Photoplethysmography sa Pagtukoy sa Rate ng Puso: 7 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Ang isang photoplethysmograph (PPG) ay isang simple at murang diskarteng optikal na madalas na ginagamit upang makita ang mga pagbabago sa dami ng dugo sa isang microvascular bed ng tisyu. Ito ay kadalasang ginagamit na hindi nagsasalakay upang magsukat sa ibabaw ng balat, karaniwang isang daliri. Ang waveform ng PPG ay may pulsilit (AC) pisyolohikal na porma ng alon dahil sa puso na magkasabay na pagbabago sa dami ng dugo sa bawat tibok ng puso. Pagkatapos ay ang superfosed ng AC wave ay isang mabagal na pagbabago (DC) na baseline na may iba't ibang mga bahagi ng mas mababang dalas na sanhi ng paghinga, aktibidad ng sympathetic na sistema ng nerbiyos, at thermoregulation. Maaaring magamit ang isang senyas ng PPG upang sukatin ang saturation ng oxygen, presyon ng dugo, at output ng puso, upang suriin ang output ng puso at potensyal na makita ang peripheral vaskular disease [1].

Ang aparato na nilikha namin ay isang daliri na photoplethysmograph para sa puso. Dinisenyo ito para sa gumagamit na ilagay ang kanilang daliri sa cuff sa isang led at phototransistor. Pagkatapos ay magpapikit ang aparato para sa bawat tibok ng puso (sa Arduino) at kalkulahin ang rate ng puso at i-output ito sa screen. Ipapakita rin nito kung ano ang hitsura ng respiratory signal upang posibleng ihambing ito ng pasyente sa kanilang dating datos.

Maaaring sukatin ng isang PPG ang volumetric na pagbabago sa dami ng dugo sa pamamagitan ng pagsukat sa ilaw na paghahatid o pagsasalamin. Sa bawat oras na mag-pump ang puso, tataas ang presyon ng dugo sa kaliwang ventricle. Ang mataas na presyon ay nagdudulot sa mga ugat na umbok nang bahagya sa bawat palo. Ang pagtaas ng presyon ay nagdudulot ng isang masusukat na pagkakaiba sa dami ng ilaw na masasalamin sa likod at ang amplitude ng signal ng ilaw ay direktang proporsyonal sa presyon ng pulso [2].

Ang isang katulad na aparato ay ang sensor ng Apple Watch PPG. Sinusuri nito ang data ng rate ng pulso at ginagamit ito upang makita ang posibleng mga yugto ng hindi regular na ritmo sa puso na naaayon sa AFib. Gumagamit ito ng berdeng mga ilaw na LED kasama ang mga light-sensitive photodiode upang maghanap ng mga medyo pagbabago sa dami ng dugo na dumadaloy sa pulso ng gumagamit sa anumang naibigay na sandali. Gumagamit ito ng mga pagbabago upang masukat ang rate ng puso at kapag ang gumagamit ay nakatigil, ang sensor ay maaaring makakita ng mga indibidwal na pulso at sukatin ang mga agwat ng beat-to-beat [3].

Mga gamit

Una sa lahat, para sa pagbuo ng circuit gumamit kami ng isang breadboard, (1) berde na LED, (1) phototransistor, (1) 220 Ω risistor, (1) 15 kΩ risistor, (2) 330 kΩ, (1) 2.2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF capacitor, (1) 68 nF capacitor, UA 741 op-amp at mga wire.

Susunod, upang subukan ang circuit gumamit kami ng isang function generator, power supply, oscilloscope, alligator clip. Panghuli, upang mai-output ang signal sa isang user-friendly UI gumamit kami ng isang laptop na may Arduino Software at isang Arduino Uno.

Hakbang 1: Iguhit ang Iskolar

Nagsimula kami sa pamamagitan ng pagguhit ng isang simpleng iskema upang makuha ang signal ng PPG. Dahil ang PPG ay gumagamit ng LED, una naming ikinonekta ang isang berdeng LED sa serye na may resistor na 220 and at ikinonekta ito sa 6V na lakas at lupa. Ang susunod na hakbang ay upang makuha ang signal ng PPG gamit ang isang phototransistor. Katulad ng LED, inilalagay namin ito sa serye na may 15 kΩ at ikinonekta ito sa 6V na lakas at lupa. Sinundan ito ng isang filter ng bandpass. Ang normal na saklaw ng dalas ng isang senyas ng PPG ay 0.5 Hz hanggang 5 Hz [4]. Gamit ang equation f = 1 / RC, kinakalkula namin ang mga halaga ng risistor at kapasitor para sa mga mababa at mataas na pass filter, na nagreresulta sa isang 1 μF capacitor na may 330 kΩ resistor para sa high pass filter at 68 nF capacitor na may 10 kΩ resistor para sa ang low pass filter. Ginamit namin ang UA 741 op-amp sa pagitan ng mga filter na pinalakas ng 6V at -6V.

Hakbang 2: Subukan ang Circuit sa isang Oscilloscope

Pagkatapos ay itinayo namin ang circuit sa isang breadboard. Pagkatapos, sinubukan namin ang output ng circuit sa oscilloscope upang suriin kung ang aming signal ay tulad ng inaasahan. Tulad ng nakikita sa mga numero sa itaas, ang circuit ay nagresulta sa isang malakas, matatag na signal kapag ang isang daliri ay inilagay sa ibabaw ng berdeng LED at phototransistor. Nag-iiba rin ang lakas ng signal sa pagitan ng mga indibidwal. Sa mga susunod na numero, maliwanag ang dicrotic notch at malinaw na ang rate ng puso ay mas mabilis kaysa sa indibidwal sa mga unang numero.

Kapag natitiyak namin na ang signal ay mabuti, nagpatuloy kami sa isang Arduino Uno.

Hakbang 3: Ikonekta ang Breadboard sa isang Arduino Uno

Ikinonekta namin ang output (sa buong pangalawang capacitor C2 sa eskematiko at lupa) upang i-pin ang A0 (minsan A3) sa Arduino at ang ground rail sa breadboard sa isang GND pin sa Arduino.

Tingnan ang mga imahe sa itaas para sa code na ginamit namin. Ang code mula sa Appendix A ay ginamit upang ipakita ang grapiko ng respiratory signal. Ang code mula sa Appendix B ay ginamit upang magkaroon ng built-in LED sa Arduino blink para sa bawat tibok ng puso at i-print kung ano ang rate ng puso.

Hakbang 4: Mga Tip na Dapat Tandaan

Sa papel na Body Sensor Network para sa Mobile Health Monitoring, Isang Diagnosis at Anticipating System, ang mananaliksik na si Johan Wannenburg et al., Ay bumuo ng isang modelo ng matematika ng isang purong signal ng PPG [5]. Sa paghahambing ng hugis ng isang purong signal sa aming signal - ng isang indibidwal na tao - (mga numero 3, 4, 5, 6), tinatanggap na, ilang mga malinaw na pagkakaiba. Una, ang aming signal ay paatras, kaya't ang dicrotic na bingaw sa kaliwang bahagi ng bawat rurok kaysa sa kanang bahagi. Gayundin, ang signal ay malaki ang pagkakaiba sa pagitan ng bawat tao, kaya't kung minsan ang dicrotic notch ay hindi maliwanag (mga numero 3, 4) at kung minsan ito ay (mga numero 5, 6). Ang isa pang pambihirang pagkakaiba ay ang aming signal na hindi kasing matatag tulad ng gusto namin. Napagtanto namin na ito ay napaka-sensitibo, at ang pinakamaliit na nudge ng talahanayan o anumang kawad ay magbabago sa hitsura ng output ng oscilloscope.

Para sa mga matatanda (higit sa 18 taong gulang) ang average na rate ng puso na nagpapahinga ay dapat na nasa pagitan ng 60 at 100 na beats bawat minuto [6]. Sa Larawan 8, ang mga rate ng puso ng indibidwal na sumusubok ay nasa pagitan ng dalawang halagang ito, na nagpapahiwatig na mukhang tumpak ito. Hindi kami nakakuha ng pagkakataon na kalkulahin ang rate ng puso sa ibang aparato at ihambing ito sa aming sensor ng PPG, ngunit malamang na malapit ito sa tumpak. Marami ring mga kadahilanan na hindi namin makontrol, kaya't humantong sa pagkakaiba-iba ng mga resulta. Ang dami ng nag-iilaw na ilaw ay magkakaiba sa bawat oras na subukan namin ito dahil nasa ibang lokasyon kami, may anino sa aparato, gumagamit kami ng cuff minsan. Ang pagkakaroon ng hindi gaanong paligid na kidlat ay gumawa ng mas malinaw ang signal, ngunit ang pagbabago ng iyon ay wala sa aming kontrol at sa gayon ay nakaapekto sa aming mga resulta. Ang isa pang isyu ay ang temperatura. Ang pag-aaral na Namumuhunan sa Mga Epekto ng Temperatura sa Photoplethysmography ni Mussabir Khan et al., Nalaman ng mga mananaliksik na ang mas maiinit na temperatura ng kamay ay napabuti ang kalidad at kawastuhan ng PPG [7]. Talagang napansin namin na kung ang isa sa amin ay may malamig na mga daliri, ang signal ay magiging mahirap at hindi namin malalaman ang dicrotic notch kumpara sa isang taong may mas maiinit na mga daliri. Gayundin, dahil sa pagiging sensitibo ng aparato, mahirap hatulan kung ang pag-set up ng aparato ay nasa isang pinakamainam na kalagayan upang mabigyan kami ng pinakamahusay na signal. Dahil dito, kailangan naming kumubkob sa board tuwing nag-set-up kami at suriin ang mga koneksyon sa board bago namin ito ikonekta sa Arduino at tingnan ang nais naming output. Dahil maraming mga kadahilanan na naglalaro para sa isang set-up ng tinapay, isang PCB ay lubos na mabawasan ang mga ito at bibigyan kami ng isang mas tumpak na output. Itinayo namin ang aming eskematiko sa Autodesk Eagle upang lumikha ng isang disenyo ng PCB at pagkatapos ay itulak ito sa AutoDesk Fusion 360 para sa visual rendering kung ano ang magiging hitsura ng board.

Hakbang 5: Disenyo ng PCB

Ginawa namin ang iskema sa AutoDesk Eagle at ginamit ang board generator nito upang likhain ang disenyo ng PCB. Itinulak din namin ang disenyo sa AutoDesk Fusion 360 para sa visual rendering kung ano ang magiging hitsura ng board.

Hakbang 6: Konklusyon

Bilang konklusyon, natutunan namin kung paano bumuo ng isang disenyo para sa isang circuit ng signal ng PPG, itinayo ito at subukan ito. Matagumpay kami sa pagbuo ng isang medyo simpleng circuit upang mabawasan ang dami ng posibleng ingay sa output at mayroon pa ring isang malakas na signal. Sinubukan namin ang circuit sa aming mga sarili at nalaman na ito ay medyo sensitibo ngunit sa ilang pag-tweak ng circuit (pisikal, hindi ang disenyo), nakakuha kami ng isang malakas na signal. Ginamit namin ang output output upang makalkula ang rate ng puso ng gumagamit at na-output ito at ang signal ng paghinga sa magandang UI ng Arduino. Ginamit din namin ang built-in na LED sa Arduino upang kumurap para sa bawat tibok ng puso, na ginagawang maliwanag sa gumagamit nang eksaktong tumibok ang kanilang puso.

Ang PPG ay may maraming mga potensyal na application, at ang pagiging simple at pagiging epektibo sa gastos ay ginagawang kapaki-pakinabang upang isama sa mga matalinong aparato. Tulad ng personal na pangangalagang pangkalusugan ay naging mas tanyag sa mga nagdaang taon, kinakailangan na ang teknolohiyang ito ay dinisenyo upang maging simple at murang upang maaari itong ma-access sa buong mundo sa sinumang nangangailangan nito [9]. Ang isang kamakailang artikulo ay tiningnan ang paggamit ng PPG upang suriin ang hypertension - at nalaman nila na maaari itong magamit kasabay ng iba pang mga aparato sa pagsukat ng BP [10]. Marahil ay may higit pa na maaaring matuklasan at makabago sa direksyong ito, at sa gayon ang PPG ay dapat na isaalang-alang bilang isang mahalagang tool sa pangangalaga ng kalusugan ngayon at sa hinaharap.

Hakbang 7: Mga Sanggunian

[1] A. M. García at P. R. Horche, "Banayad na mapagkukunan na nag-o-optimize sa isang aparato ng finder na biphotonic vein: Pagsusuri sa eksperimento at panteorya," Mga Resulta sa Physics, vol. 11, pp. 975–983, 2018. [2] J. Allen, "Photoplethysmography at ang aplikasyon nito sa klinikal na pagsukat ng physiological," Physiological Measurement, vol. 28, hindi. 3, 2007.

[3] "Pagsukat sa Puso - Paano gumagana ang ECG at PPG?" [Online]. Magagamit: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Na-access: 10-Dis-2019].

[4] DE NOVO CLASSIFICATION REQUEST PARA SA TAMPOK NG PAG-AARAL NG IRREGULAR RHYTHM..

[5] S. Bagha at L. Shaw, "Isang Tunay na Oras ng Pagsusuri ng Signal ng PPG para sa Pagsukat ng SpO2 at Pulse Rate," International Journal of Computer Applications, vol. 36, hindi. 11, Disyembre 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Body Sensor Network para sa Mobile Health Monitoring, isang Diagnosis at Anticipating System. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109 / JSEN.2015.2464773.

[7] "Ano ang Karaniwang Rate ng Puso ?," LiveSensya. [Online]. Magagamit: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Na-access: 10-Dis-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw, at J. G. Chase, "Sinisiyasat ang Mga Epekto ng Temperatura sa Photoplethysmography," IFAC-PapersOnLine, vol. 48, hindi. 20, pp. 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, "Isang pagsusuri sa naisusuot na mga sensor ng photoplethysmography at kanilang mga potensyal na aplikasyon sa hinaharap sa pangangalagang pangkalusugan," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, hindi. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim, at R. Ward, "Ang paggamit ng photoplethysmography para sa pagtatasa ng hypertension," npj Digital Medicine, vol. 2, hindi. 1, 2019.