Meranie srdcovej frekvencie je na špičke prsta: Fotopletyzmografický prístup k určovaniu srdcovej frekvencie: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Fotopletyzmograf (PPG) je jednoduchá a lacná optická technika, ktorá sa často používa na detekciu zmien objemu krvi v mikrovaskulárnom lôžku tkaniva. Väčšinou sa používa neinvazívne na meranie povrchu pokožky, zvyčajne prsta. Tvar vlny PPG má pulzatívny (AC) fyziologický priebeh v dôsledku srdcových synchrónnych zmien objemu krvi s každým srdcovým úderom. AC vlna sa potom superponuje na pomaly sa meniacu (DC) základnú líniu s rôznymi zložkami nižšej frekvencie, ktoré sú dôsledkom dýchania, aktivity sympatického nervového systému a termoregulácie. Signál PPG je možné použiť na meranie saturácie kyslíka, krvného tlaku a srdcového výdaja, na kontrolu srdcového výdaja a potenciálne na detekciu ochorenia periférnych ciev [1].

Zariadenie, ktoré vytvárame, je prstový fotopletyzmograf pre srdce. Je navrhnutý tak, aby užívateľ vložil prst do manžety cez LED a fototranzistor. Zariadenie potom bude blikať pre každý srdcový tep (na Arduine) a vypočítať srdcový tep a vygenerovať ho na obrazovku. Ukáže tiež, ako vyzerá respiračný signál, aby ho pacient mohol prípadne porovnať so svojimi predchádzajúcimi údajmi.

PPG môže merať objemovú zmenu objemu krvi meraním prenosu svetla alebo odrazu. Zakaždým, keď srdce pumpuje, zvyšuje sa krvný tlak v ľavej komore. Vysoký tlak spôsobuje, že sa tepny pri každom údere mierne vydúvajú. Nárast tlaku spôsobuje merateľný rozdiel v množstve svetla, ktoré sa odrazí späť a amplitúda svetelného signálu je priamo úmerná impulznému tlaku [2].

Podobným zariadením je senzor Apple Watch PPG. Analyzuje údaje o tepovej frekvencii a používa ich na detekciu možných epizód nepravidelných srdcových rytmov v súlade s AFib. Využíva zelené LED svetlá spolu so svetlocitlivými fotodiodami na hľadanie relatívnych zmien v množstve krvi prúdiacej v zápästí používateľa v danom okamihu. Zmeny používa na meranie srdcového tepu a keď je používateľ v pokoji, senzor dokáže detekovať jednotlivé impulzy a merať intervaly medzi jednotlivými údermi [3].

Zásoby

Najprv sme na stavbu obvodu použili nepájivú dosku, (1) zelenú LED, (1) fototranzistor, (1) odpor 220 Ω, (1) odpor 15 kΩ, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondenzátor, (1) 68 nF kondenzátor, operačný zosilňovač UA 741 a vodiče.

Ďalej sme na testovanie obvodu použili generátor funkcií, napájací zdroj, osciloskop, krokosvorky. Nakoniec sme na výstup signálu do užívateľsky prívetivého používateľského rozhrania použili prenosný počítač so softvérom Arduino a Arduino Uno.

Krok 1: Nakreslite schému

Začali sme nakreslením jednoduchej schémy na zachytenie signálu PPG. Pretože PPG používa LED, najskôr sme zapojili zelenú LED do série s odporom 220 Ω a pripojili sme ju k 6V napájaniu a uzemneniu. Ďalším krokom bolo zachytenie signálu PPG pomocou fototranzistora. Podobne ako LED, dali sme to do série s 15 kΩ a pripojili sme to k 6V napájaniu a uzemneniu. Nasledoval pásmový filter. Normálny frekvenčný rozsah signálu PPG je 0,5 Hz až 5 Hz [4]. Pomocou rovnice f = 1/RC sme vypočítali hodnoty rezistora a kondenzátora pre dolné a horné priepustné filtre, výsledkom čoho bol 1 μF kondenzátor s odporom 330 kΩ pre hornopriepustný filter a 68 nF kondenzátor s 10 kΩ odporom pre dolnopriepustný filter. Medzi filtre sme použili operačný zosilňovač UA 741, ktorý bol napájaný 6V a -6V.

Krok 2: Otestujte obvod na osciloskope

Okruh sme potom postavili na dosku na chlieb. Potom sme otestovali výstup obvodu na osciloskope, aby sme skontrolovali, či je náš signál podľa očakávania. Ako je vidieť na obrázkoch vyššie, obvod viedol k silnému a stabilnému signálu, keď bol prst položený na zelenú diódu LED a fototranzistor. Sila signálu sa líši aj medzi jednotlivcami. Na neskorších obrázkoch je diktrotický zárez evidentný a je zrejmé, že srdcová frekvencia je rýchlejšia ako srdcová frekvencia jednotlivca na prvých niekoľkých obrázkoch.

Keď sme si boli istí, že signál je dobrý, pokračovali sme Arduino Uno.

Krok 3: Pripojte Breadboard k Arduino Uno

Výstup (cez druhý kondenzátor C2 v schéme a na zemi) sme spojili s pinom A0 (niekedy A3) na Arduine a uzemňovacou lištou na doske na pin GND na Arduine.

Kód, ktorý sme použili, nájdete na vyššie uvedených obrázkoch. Na zobrazenie grafu respiračného signálu bol použitý kód z dodatku A. Kód z dodatku B bol použitý na to, aby mala vstavaná LED dióda na blinkri Arduino pre každý srdcový tep a vytlačila, aký je srdcový tep.

Krok 4: Tipy, ktoré je potrebné mať na pamäti

V príspevku Network Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System vyvinul vedec Johan Wannenburg a kol., Matematický model čistého signálu PPG [5]. Pri porovnávaní tvaru čistého signálu s naším signálom - jednotlivca - (obrázky 3, 4, 5, 6) existujú, samozrejme, určité jasné rozdiely. Náš signál bol najskôr spätný, takže dikrotický zárez na ľavej strane každého vrcholu a nie na pravej strane. Signál bol tiež medzi každou osobou veľmi odlišný, takže niekedy nebol dikrotický zárez zrejmý (obrázky 3, 4) a niekedy áno (obrázky 5, 6). Ďalším pozoruhodným rozdielom bolo, že náš signál nebol taký stabilný, ako by sme chceli. Uvedomili sme si, že je to veľmi citlivé a najmenšie poskakovanie stola alebo akéhokoľvek drôtu zmení vzhľad osciloskopu.

V prípade dospelých (nad 18 rokov) by sa mal priemerný pokojový srdcový tep pohybovať medzi 60 a 100 údermi za minútu [6]. Na obrázku 8 boli srdcové frekvencie testovaného jedinca medzi týmito dvoma hodnotami, čo naznačuje, že sa zdá byť presné. Nedostali sme šancu vypočítať srdcovú frekvenciu s iným zariadením a porovnať ju s naším snímačom PPG, ale je pravdepodobné, že by bola blízka presnosti. Existuje tiež veľa faktorov, ktoré sme nemohli ovládať, čo viedlo k rozdielom vo výsledkoch. Množstvo okolitého osvetlenia bolo pri každom testovaní odlišné, pretože sme boli buď na inom mieste, nad zariadením bol tieň, niekedy sme použili manžetu. Menej okolitých bleskov urobil signál jasnejším, ale zmena, ktorú sme nemohli ovplyvniť, mala vplyv na naše výsledky. Ďalším problémom je teplota. Štúdia Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography od Mussabira Khana a kol., Vedci zistili, že teplejšie teploty rúk zlepšujú kvalitu a presnosť PPG [7]. V skutočnosti sme si všimli, že keby jeden z nás mal studené prsty, signál by bol slabý a nedokázali by sme rozoznať dikrotický zárez v porovnaní s osobou, ktorá mala teplejšie prsty. Vzhľadom na citlivosť zariadenia bolo tiež ťažké posúdiť, či je nastavenie zariadenia optimálne, aby nám poskytlo najlepší signál. Z tohto dôvodu sme sa museli pohrávať s doskou vždy, keď sme nastavovali a kontrolovali pripojenia na doske, než sme ju mohli pripojiť k Arduinu a pozrieť sa na výstup, ktorý sme chceli. Pretože existuje mnoho faktorov, ktoré vstupujú do úvahy pri vytváraní základnej dosky, doska plošných spojov by ich výrazne obmedzila a poskytla by nám presnejší výstup. Schému sme zostavili v programe Autodesk Eagle, aby sme vytvorili návrh DPS, a potom sme ju posunuli do AutoDesk Fusion 360 na vizuálne vykreslenie toho, ako by doska vyzerala.

Krok 5: Návrh DPS

Schému sme reprodukovali v programe AutoDesk Eagle a na vytvorenie návrhu DPS sme použili jeho generátor dosiek. Posunuli sme dizajn aj do AutoDesk Fusion 360, aby vizuálne vykreslil, ako bude doska vyzerať.

Krok 6: Záver

Na záver sme sa dozvedeli, ako vyvinúť návrh signálneho obvodu PPG, postaviť ho a otestovať. Podarilo sa nám vybudovať relatívne jednoduchý obvod na zníženie množstva možného šumu na výstupe a stále mať silný signál. Testovali sme obvod na sebe a zistili sme, že je trochu citlivý, ale určitým vyladením obvodu (fyzicky, nie vzhľadom na dizajn) sme dokázali získať silný signál. Výstup signálu sme použili na výpočet srdcovej frekvencie používateľa a jeho výstup a signál dýchania sme odoslali do pekného používateľského rozhrania Arduina. Vstavanú diódu LED na Arduine sme použili aj na blikanie pri každom údere srdca, aby bolo užívateľovi zrejmé, kedy presne mu bije srdce.

PPG má mnoho potenciálnych aplikácií a vďaka svojej jednoduchosti a nákladovej efektívnosti je integrácia do inteligentných zariadení užitočná. Keďže osobná zdravotná starostlivosť je v posledných rokoch stále obľúbenejšia, je nevyhnutné, aby bola táto technológia navrhnutá tak, aby bola jednoduchá a lacná, aby bola dostupná na celom svete každému, kto to potrebuje [9]. Nedávny článok sa zaoberal používaním PPG na kontrolu hypertenzie - a zistili, že by sa dal použiť v spojení s inými zariadeniami na meranie TK [10]. Možno je toho v tomto smere ešte viac, čo je možné objaviť a inovovať, a preto by PPG malo byť v súčasnosti aj v budúcnosti považované za dôležitý nástroj v zdravotníctve.

Krok 7: Referencie

[1] A. M. García a P. R. Horche, „Optimalizácia svetelného zdroja v zariadení na hľadanie bifotonických žíl: Experimentálna a teoretická analýza“, Výsledky vo fyzike, roč. 11, s. 975–983, 2018. [2] J. Allen, „Fotopletyzmografia a jej aplikácia v klinickom fyziologickom meraní“, Physiological Measurement, roč. 28, č. 3, 2007.

[3] „Meranie srdca - Ako fungujú EKG a PPG?“, Emócie. [Online]. K dispozícii: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Prístup: 10-Dec-2019].

[4] DE NOVO ŽIADOSŤ O KLASIFIKÁCIU O NEREGULÁRNU FUNKCIU OZNÁMENIA RYTMU..

[5] S. Bagha a L. Shaw, „Analýza signálu PPG v reálnom čase na meranie SpO2 a pulzovej frekvencie“, International Journal of Computer Applications, zv. 36, č. 11. december 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Sieť telesných senzorov pre mobilné monitorovanie zdravia, diagnostický a predvídajúci systém. Senzorový denník, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] „Čo je to normálna srdcová frekvencia?“, LiveScience. [Online]. K dispozícii: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Prístup: 10-Dec-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw a J. G. Chase, „Investigating the Effects of Temperature on Photoplethysmography,“IFAC-PapersOnLine, vol. 48, č. 20, s. 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, „Prehľad nositeľných fotopletyzmografických senzorov a ich potenciálnych budúcich aplikácií v zdravotníctve,“International Journal of Biosensors & Bioelectronics, roč. 4, č. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim a R. Ward, „The use of photoplethysmography for determineing hyperension,“npj Digital Medicine, vol.. 2, č. 1, 2019.