Yurak urish tezligini o'lchash barmog'ingiz uchida: yurak tezligini aniqlashning fotopletizmografiya usuli: 7 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:24

Fotopletismograf (PPG)-bu oddiy va arzon optik usul bo'lib, u ko'pincha to'qimalarning mikrovaskulyar to'shagidagi qon hajmining o'zgarishini aniqlash uchun ishlatiladi. U asosan terining yuzasida, odatda barmoq bilan o'lchash uchun invaziv bo'lmagan holda ishlatiladi. PPG to'lqin shakli pulsatsiyalanuvchi (AC) fiziologik to'lqin shakliga ega, har bir yurak urishi bilan qon hajmining yurak sinxron o'zgarishi. AC to'lqini asta -sekin o'zgarib turadigan (DC) boshlang'ich chizig'iga, past chastotali turli komponentlarga, nafas olish, simpatik asab tizimining faolligi va termoregulyatsiyaga bog'liq. PPG signalidan kislorodning to'yinganligi, qon bosimi va yurak chiqishini o'lchash, yurak chiqishini tekshirish va periferik qon tomir kasalliklarini aniqlash uchun foydalanish mumkin [1].

Biz yaratayotgan qurilma - yurak uchun barmoqli fotopletismograf. U barmog'ini manjetga LED va fototransistor ustiga qo'yishi uchun mo'ljallangan. Keyin qurilma har bir yurak urishi uchun miltillaydi (Arduino -da) va yurak urish tezligini hisoblab, uni ekranga chiqaradi. Shuningdek, u nafas olish signalining qanday ko'rinishini ko'rsatadi, shunda bemor uni avvalgi ma'lumotlari bilan solishtirishi mumkin.

PPG yorug'lik o'tkazuvchanligini yoki aksini o'lchash orqali qon hajmining volumetrik o'zgarishini o'lchashi mumkin. Har safar yurak pompalaganda, chap qorinchadagi qon bosimi oshadi. Yuqori bosim arteriyalarning har urishida biroz chayqalishiga olib keladi. Bosimning oshishi orqaga qaytariladigan yorug'lik miqdorining o'lchanadigan farqini keltirib chiqaradi va yorug'lik signalining amplitudasi puls bosimiga to'g'ri proportsionaldir [2].

Shunga o'xshash qurilma Apple Watch PPG sensori. U yurak urish tezligi ma'lumotlarini tahlil qiladi va AFib bilan mos kelmaydigan yurak ritmining mumkin bo'lgan epizodlarini aniqlash uchun foydalanadi. U har qanday vaqtda foydalanuvchining bilagiga oqayotgan qon miqdorining nisbiy o'zgarishini qidirish uchun nurli nurli fotodiodlar bilan birga yashil LED chiroqlardan foydalanadi. U o'zgarishlarni yurak urish tezligini o'lchash uchun ishlatadi va foydalanuvchi harakatsiz bo'lganda, datchik individual pulslarni aniqlay oladi va urish-urish oralig'ini o'lchaydi [3].

Ta'minotlar

Birinchidan, sxemani yaratish uchun biz non paneli, (1) yashil LED, (1) fototransistor, (1) 220 Ω qarshilik, (1) 15 kΩ qarshilik, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 mF kondansatör, (1) 68 nF kondansatör, UA 741 op-amp va simlar.

Keyinchalik, kontaktlarning zanglashini tekshirish uchun biz generator, quvvat manbai, osiloskop, alligator qisqichlaridan foydalanganmiz. Nihoyat, foydalanuvchilarga qulay interfeysga signal chiqarish uchun biz Arduino Software va Arduino Uno bilan noutbukdan foydalanardik.

1 -qadam: sxemani tuzing

Biz PPG signalini olish uchun oddiy sxemani tuzishdan boshladik. PPG LEDni ishlatganligi sababli, biz birinchi navbatda 220 dyuymli rezistorli ketma -ket yashil LEDni ulab, uni 6V quvvat va erga uladik. Keyingi qadam, fototransistor yordamida PPG signalini olish edi. LEDga o'xshash, biz uni 15 kΩ bilan ketma -ket joylashtirdik va uni 6V quvvat va erga uladik. Buning ortidan tarmoqli o'tkazgichli filtr o'rnatildi. PPG signalining odatdagi chastota diapazoni 0,5 Gts dan 5 Gts gacha [4]. F = 1/RC tenglamasidan foydalanib, past va yuqori o'tish filtrlari uchun qarshilik va kondansatör qiymatlarini hisoblab chiqdik, natijada yuqori o'tkazgichli filtr uchun 330 kΩ rezistorli 1 mF kondansatör va 10 kΩ rezistorli 68 nF kondansatör paydo bo'ldi. past o'tish filtri. Biz 6V va -6V kuchlanishli filtrlar orasida UA 741 op -amperidan foydalanganmiz.

2 -qadam: Osiloskopda kontaktlarning zanglashini tekshiring

Keyin sxemani non taxtasida qurdik. Shundan so'ng, signalimiz kutilganidek ekanligini tekshirish uchun biz osiloskopdagi elektron chiqishni sinovdan o'tkazdik. Yuqoridagi rasmlardan ko'rinib turibdiki, yashil LED va fototransistor ustiga barmoq qo'yilganda, kontaktlarning zanglashiga olib kelishi kuchli va barqaror signalga olib keldi. Shaxslar o'rtasida signal kuchi ham farq qiladi. Keyingi raqamlarda dikrotik chiziq aniq ko'rinib turibdi va yurak urish tezligi birinchi raqamlardagi odamnikidan tezroq ekanligi aniq.

Signal yaxshi ekaniga amin bo'lganimizdan so'ng, biz Arduino Uno -ni oldik.

3 -qadam: Breadboard -ni Arduino Uno -ga ulang

Biz chiqishni (sxemada va erdagi ikkinchi C2 kondansatörü bo'ylab) Arduino -dagi A0 (ba'zan A3) piniga va non taxtasidagi er osti temir yo'lini Arduino -dagi GND piniga uladik.

Biz ishlatgan kodni yuqoridagi rasmlarga qarang. A ilovasidagi kod nafas olish signalining grafigini ko'rsatish uchun ishlatilgan. B ilovasidagi kod har bir yurak urishi uchun Arduino yonib-o'chib turadigan LEDga ega bo'lib, yurak urish tezligini ko'rsatib berdi.

4 -qadam: Esda tutish uchun maslahatlar

Tadqiqotchi Yoxan Vannenburg va boshqalar sog'liqni saqlashning mobil monitoringi, diagnostika va kutish tizimi uchun tana sensori tarmog'ida "PPG" signalining matematik modelini ishlab chiqdi. Sof signalning shaklini bizning individual signalimiz bilan solishtirganda (3, 4, 5, 6 -rasmlar), aniq farqlar bor. Birinchidan, bizning signalimiz orqaga qaytdi, shuning uchun o'ng tomondan emas, balki har bir tepalikning chap tomonidagi dikrotik chiziq. Bundan tashqari, signal har bir kishi o'rtasida juda farq qilar edi, shuning uchun ba'zida dikrotik chiziq aniq ko'rinmasdi (3, 4 -rasmlar), ba'zida esa (5, 6 -rasmlar). Yana bir muhim farq shundaki, bizning signalimiz biz xohlagan darajada barqaror emas edi. Biz bu juda sezgir ekanligini tushundik va stolning yoki simning eng kichik tebranishi osiloskopning ko'rinishini o'zgartiradi.

Kattalar uchun (18 yoshdan katta) o'rtacha dam olish tezligi daqiqada 60 dan 100 gacha bo'lishi kerak [6]. 8 -rasmda tekshirilayotgan odamning yurak urish tezligi hammasi shu ikki qiymat orasida bo'lgani, bu aniq ko'rinib turibdi. Bizda yurak urish tezligini boshqa qurilma bilan hisoblash va uni PPG sensori bilan solishtirish imkoni bo'lmadi, lekin bu aniq bo'lishga yaqin bo'lardi. Biz nazorat qila olmaydigan ko'plab omillar ham bor edi, natijada natijalarning o'zgarishiga olib keldi. Har safar sinovdan o'tkazganimizda, atrofdagi yorug'lik miqdori boshqacha edi, chunki biz boshqa joyda edik, qurilmaning soyasi bor edi, biz ba'zan manjetdan foydalanardik. Atrofdagi chaqmoqning kamroq bo'lishi signalni aniqroq ko'rsatdi, lekin buni o'zgartirish bizning ixtiyorimizda emas edi va natijada natijalarga ta'sir qildi. Yana bir muammo - bu harorat. Mussabir Xon va boshqalarning "Fotopletismografiyaga harorat ta'sirini o'rganish" tadqiqotida, tadqiqotchilar qo'llarning issiqroq bo'lishi PPG sifati va aniqligini yaxshilaganini aniqladilar [7]. Biz payqadikki, agar kimningdir barmoqlari sovuq bo'lsa, signal yomon bo'lardi va biz barmoqlari issiqroq bo'lgan odam bilan solishtirganda dikrotik chiziqni aniqlay olmaymiz. Bundan tashqari, qurilmaning sezgirligi tufayli, bizga eng yaxshi signalni berish uchun qurilmaning sozlanishi maqbulmi yoki yo'qligini aniqlash qiyin edi. Shu sababli, biz Arduino-ga ulanmasdan va biz xohlagan chiqishni ko'rib chiqishdan oldin, biz har safar o'rnatganimizda va taxtadagi ulanishlarni tekshirganimizda, taxtada aylanib yurishimiz kerak edi. Non paneli o'rnatish uchun juda ko'p omillar mavjud bo'lganligi sababli, PCB ularni sezilarli darajada kamaytiradi va bizga aniqroq ma'lumot beradi. Biz o'z sxemamizni Autodesk Eagle -da tenglikni dizaynini yaratish uchun qurdik, so'ng uni taxtaning ko'rinishini vizual ko'rsatish uchun AutoDesk Fusion 360 -ga o'tkazdik.

5 -qadam: PCB dizayni

Biz sxemani AutoDesk Eagle -da takrorladik va PCB dizaynini yaratish uchun uning taxta generatoridan foydalandik. Biz, shuningdek, taxtaning qanday ko'rinishini vizual tarzda ko'rsatish uchun dizaynni AutoDesk Fusion 360 -ga o'tkazdik.

6 -qadam: Xulosa

Xulosa qilib aytganda, biz PPG signal sxemasi dizaynini ishlab chiqish, uni qurish va sinovdan o'tkazishni o'rgandik. Biz chiqishda mumkin bo'lgan shovqin miqdorini kamaytirish va hali ham kuchli signalga ega bo'lish uchun nisbatan oddiy sxemani qurishda muvaffaqiyat qozondik. Biz sxemani o'zimizda sinab ko'rdik va u biroz sezgir ekanligini aniqladik, lekin kontaktlarning zanglashiga olib kelganida (dizayn emas, balki jismoniy) biz kuchli signalga ega bo'ldik. Biz foydalanuvchining yurak urish tezligini hisoblash uchun signal chiqishidan foydalanganmiz va uni Arduino -ning yaxshi foydalanuvchi interfeysiga chiqarganmiz. Biz, shuningdek, Arduino-dagi o'rnatilgan LEDni har bir yurak urishi uchun miltillash uchun ishlatardik, bu esa foydalanuvchiga ularning yuragi qachon urishini aniq ko'rsatdi.

PPG ko'plab potentsial ilovalarga ega va uning soddaligi va iqtisodiy samaradorligi uni aqlli qurilmalarga qo'shilishni foydali qiladi. So'nggi yillarda shaxsiy sog'liqni saqlash xizmati yanada ommalashib borayotganligi sababli, bu texnologiya sodda va arzon bo'lishi uchun yaratilgan bo'lishi kerak, shuning uchun uni butun dunyo bo'ylab unga muhtoj bo'lgan har bir kishi foydalanishi mumkin [9]. Yaqinda chop etilgan maqolada Gipertenziya borligini tekshirish uchun PPGdan foydalanish masalasi ko'rib chiqildi va ular uni boshqa qon bosimi o'lchash asboblari bilan birgalikda ishlatish mumkinligini aniqladilar [10]. Ehtimol, bu yo'nalishda kashf etilishi va yangilanishi mumkin bo'lgan boshqa narsalar bor va shuning uchun PPGni hozir va kelajakda sog'liqni saqlashning muhim vositasi deb hisoblash kerak.

7 -qadam: Adabiyotlar

[1] A. M. Garsiya va P. R. Xorxe, "Bifotonik tomir topuvchi qurilmada yorug'lik manbasini optimallashtirish: eksperimental va nazariy tahlil", Fizika natijalari, jild. 11, 975–983 -betlar, 2018. [2] J. Allen, "Fotopletizmografiya va uning klinik fiziologik o'lchovlarda qo'llanilishi", Fiziologik o'lchov, vol. 28, yo'q. 3, 2007 yil.

[3] "Yurakni o'lchash - EKG va PPG qanday ishlaydi?", His -tuyg'ular. [Onlayn]. Mavjud: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Kirish: 10-Dekabr-2019].

[4] DE NOVO RIFMASI BILDIRILMASI XUSUSIYATI UCHUN SINIFLANISH SAVOLI..

[5] S. Bagha va L. Shou, "SpO2 va puls tezligini o'lchash uchun PPG signalining real vaqtda tahlili", Xalqaro kompyuter ilovalari jurnali, vol. 36, yo'q. 2011 yil 11 -dekabr.

[6] Vannenburg, Yoxan va Malekian, Reza. (2015). Tana sensori tarmog'i mobil salomatlikni kuzatish, diagnostika va kutish tizimi Sensorlar jurnali, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Oddiy yurak urishi nima?", LiveScience. [Onlayn]. Mavjud: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Kirish: 10-Dekabr-2019].

[8] M. Xon, C. G. Pretti, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shou va J. G. Cheyz, "Haroratning fotopletizmografiyaga ta'sirini o'rganish", IFAC-PapersOnLine, vol. 48, yo'q. 20, 360-365 -betlar, 2015 yil.

[9] M. Gamari, "Kiyinadigan fotopletismografiya datchiklari va ularning kelajakda sog'liqni saqlash sohasidagi potentsial qo'llanmalari bo'yicha sharh", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, yo'q. 4, 2018 yil.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Xovard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim va R. Uord, "Gipertenziyani baholash uchun fotopletizmografiyadan foydalanish", npj Digital Medicine, vol.. 2, yo'q. 1, 2019 yil.