Жүрөктүн кагышын өлчөө манжаңыздын учунда: Жүрөктүн кагышын аныктоого фотоплетизмография ыкмасы: 7 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

Photoplethysmograph (PPG)-ткандын микроваскулярдык төшөгүндөгү кан көлөмүнүн өзгөрүшүн аныктоо үчүн көп колдонулуучу жөнөкөй жана арзан оптикалык техника. Көбүнчө теринин бетине, адатта, манжа менен өлчөө үчүн инвазивдүү эмес колдонулат. PPGдин толкун формасы ар бир жүрөктүн согушу менен кандын көлөмүнүн жүрөктүн синхрондуу өзгөрүүлөрүнөн улам импульсалдуу (AC) физиологиялык толкун формасына ээ. AC толкуну дем алуу, симпатикалык нерв системасынын активдүүлүгү жана терморегуляцияга байланыштуу болгон төмөнкү жыштыктагы компоненттери бар акырындык менен өзгөрүп турган (DC) баштапкы сызыкка кошулат. PPG сигналы кычкылтек каныккандыгын, кан басымын жана жүрөктүн чыгышын өлчөө үчүн, жүрөктүн иштешин текшерүү жана перифериялык кан тамыр ооруларын аныктоо үчүн колдонулушу мүмкүн [1].

Биз түзүп жаткан аппарат - жүрөк үчүн манжа менен фотоплетизмограф. Бул колдонуучунун манжасын манжасына LED жана фототранзистордун үстүнө коюу үчүн иштелип чыккан. Андан кийин аппарат ар бир жүрөктүн согушу үчүн (Arduinoдо) көзүн ирмеп, жүрөктүн кагышын эсептеп экранга чыгарат. Бул ошондой эле пациент аны мурунку маалыматтары менен салыштыруу үчүн дем алуу сигналынын кандай экенин көрсөтөт.

PPG жарыктын өтүшүн же чагылышын өлчөө менен кандын көлөмүнүн өзгөрүшүн өлчөй алат. Жүрөк насостогон сайын сол карынчанын кан басымы жогорулайт. Жогорку басым ар бир согууда тамырлардын бир аз чуркоосуна алып келет. Басымдын жогорулашы артка чагылдырылган жарыктын өлчөмүндө чоң айырмачылыкты пайда кылат жана жарык сигналынын амплитудасы импульстун басымына түз пропорционалдуу [2].

Ушуга окшош түзмөк Apple Watch PPG сенсору. Бул импульстун ылдамдыгын талдайт жана AFibке ылайык келген жүрөктүн ритминин мүмкүн болбогон эпизоддорун аныктоо үчүн колдонот. Колдонуучунун билегине кандын көлөмүнүн салыштырмалуу өзгөрүшүн издөө үчүн жарык сезгич фотодиоддор менен бирге жашыл LED чырактарды колдонот. Бул өзгөртүүлөрдү жүрөктүн кагышын өлчөө үчүн колдонот жана колдонуучу кыймылсыз турганда, сенсор жеке импульстарды аныктап, согуунун аралыгын өлчөй алат [3].

Жабдуулар

Биринчиден, схеманы куруу үчүн биз нан, (1) жашыл LED, (1) фототранзистор, (1) 220 Ω каршылык, (1) 15 кОм каршылык, (2) 330 кОм, (1) 2,2 кОм, (1) 10 кОм, (1) 1 мкФ конденсатор, (1) 68 нФ конденсатор, UA 741 оп-амп жана зымдар.

Андан кийин, схеманы текшерүү үчүн биз функция генераторун, электр менен камсыздоону, осциллографты, аллигатор клиптерин колдондук. Акыры, сигналды колдонуучуга ыңгайлуу UIге чыгаруу үчүн биз Arduino Software жана Arduino Uno менен ноутбук колдондук.

1 -кадам: Схеманы тартыңыз

Биз PPG сигналын алуу үчүн жөнөкөй схеманы чийүүдөн баштадык. PPG LEDди колдонгондуктан, биз биринчи кезекте жашыл диодду 220 Ω каршылыгы менен туташтырып, аны 6В электр менен жерге туташтырдык. Кийинки кадам фототранзистордун жардамы менен PPG сигналын басып алуу болду. Светодиодго окшош, биз аны 15 кОм менен катар коюп, 6В күчкө жана жерге туташтырдык. Андан кийин өткөрмө чыпкасы пайда болду. PPG сигналынын кадимки жыштык диапазону 0,5 Гцтен 5 Гцке чейин [4]. F = 1/RC теңдемесин колдонуп, биз төмөн жана жогорку өткөрмө чыпкалар үчүн резистор менен конденсатордун маанилерин эсептеп чыктык, натыйжада 1 μF конденсатор 330 кОм резистору жогорку чыпкасы үчүн жана 68 кФ конденсатору 10 кОм резистору үчүн аз өтүү чыпкасы. Биз 6V жана -6V менен иштеген чыпкалардын ортосунда UA 741 op -amp колдондук.

2 -кадам: Осциллографта схеманы текшериңиз

Андан кийин схеманы нан тактасына курдук. Андан кийин, биз сигналдын күтүлгөндөй болгонун текшерүү үчүн осциллографта схеманы чыгарууну сынап көрдүк. Жогорудагы сүрөттөрдө көрүнүп тургандай, манжа жашыл LED жана фототранзистордун үстүнө коюлганда, схема күчтүү, туруктуу сигналга алып келген. Сигналдын күчү жеке адамдар арасында да өзгөрөт. Кийинки цифраларда дикротикалык оюк көрүнүп турат жана жүрөктүн кагышы биринчи фигуралардагы кишиге караганда ылдамыраак экени көрүнүп турат.

Сигнал жакшы экенине көзүбүз жеткенден кийин, биз Arduino Uno менен иштей баштадык.

3 -кадам: Breadboardду Arduino Uno менен туташтырыңыз

Биз чыгымды (схемада жана жерде экинчи конденсатор С2 боюнча) Arduinoдогу A0 (кээде A3) пинге жана нандагы жер темир жолуна Arduinoдогу GND пинге туташтырдык.

Биз колдонгон код үчүн жогорудагы сүрөттөрдү караңыз. А тиркемесинин коду дем алуу сигналынын графигин көрсөтүү үчүн колдонулган. В тиркемесинин коду ар бир жүрөктүн согушу үчүн Arduino микроскопунда камтылган LEDге ээ жана жүрөктүн кагышын басып чыгарат.

4 -кадам: Эстен чыгарбоо үчүн кеңештер

Изилдөөчү Йохан Ваненбург ж.б. Ден соолукту көзөмөлдөө үчүн мобилдик ден соолукту көзөмөлдөөчү документ, изилдөөчү Йохан Ваненбург жана башкалар таза PPG сигналынын математикалык моделин иштеп чыгышкан [5]. Таза сигналдын формасын жеке адамдын сигналына салыштырганда (3, 4, 5, 6 -сүрөттөр), албетте, кээ бир ачык айырмачылыктар бар. Биринчиден, биздин сигнал артка кетти, андыктан дикротикалык оюк ар бир чокунун оң жагына эмес, сол жагына. Ошондой эле, сигнал ар бир адамдын ортосунда такыр башкача болчу, андыктан кээде дикротикалык оюк көрүнбөйт (3, 4 -сүрөттөр), кээде болсо (5, 6 -сүрөттөр). Дагы бир көрүнүктүү айырмачылык, биздин сигнал биз каалагандай туруктуу эмес болчу. Биз бул абдан сезимтал экенин түшүндүк жана столдун же кандайдыр бир зымдын эң кичине жылышы осциллографтын чыгышын өзгөртөт.

Чоң кишилер үчүн (18 жаштан жогору) орточо эс алуучу жүрөктүн согушу мүнөтүнө 60тан 100гө чейин согушу керек [6]. Figure 8де, текшерилип жаткан адамдын жүрөктүн кагышы так ушул сыяктуу көрүнгөндүгүн көрсөтүп, ушул эки баалуулуктун ортосунда болгон. Биз башка аппараттын жардамы менен жүрөктүн кагышын эсептеп, аны PPG сенсорубуз менен салыштырууга мүмкүнчүлүк алган жокпуз, бирок тактыкка жакын болушу мүмкүн. Ошондой эле биз көзөмөлдөй албаган көптөгөн факторлор болгон, натыйжада жыйынтыктардын өзгөрүшүнө алып келген. Айланадагы жарыктандыруунун өлчөмү ар бир жолу биз аны сынап көргөндө башкача болчу, анткени биз башка жерде болчубуз, аппараттын үстүндө көлөкө болгон, кээде манжетти колдонгонбуз. Айланадагы чагылгандын аз болушу сигналды ачык -айкын кылды, бирок муну өзгөртүү биздин көзөмөлүбүзгө кирбей калды жана натыйжада биздин натыйжаларга таасирин тийгизди. Дагы бир маселе - температура. Муссабир Хан жана башкалар тарабынан температуранын Photoplethysmographyге тийгизген таасирин изилдөө, изилдөөчүлөр колдун жылуулугу PPG сапатын жана тактыгын жакшырткандыгын аныкташкан [7]. Биз чындыгында байкадык, эгер бирөөбүздүн манжаларыбыз муздак болсо, сигнал начар болуп калат жана манжалары жылуураак адамга салыштырмалуу дикротикалык оюкту чыгара албайбыз. Ошондой эле, түзмөктүн сезгичтигинен улам, бизге эң жакшы сигналды берүү үчүн түзмөктүн оптималдуу болгон-болбогонун аныктоо кыйын болчу. Ушундан улам, биз Ардуиного туташтырып, биз каалаган өндүрүштү көрө электе, тактадагы байланыштарды текшерип, текшерип турууга туура келди. Нан тактасын орнотуу үчүн ойногон көптөгөн факторлор бар болгондуктан, ПХБ аларды абдан азайтып, бизге тагыраак жыйынтык берет. Биз схемабызды Autodesk Eagleде ПХБ дизайнын түзүү үчүн куруп, анан аны тактынын көрүнүшү үчүн AutoDesk Fusion 360ка түрттүк.

5 -кадам: PCB Дизайн

Биз схеманы AutoDesk Eagleде кайра чыгардык жана анын тактай генераторун ПХБ дизайнын түзүүдө колдондук. Биз дагы дизайнды AutoDesk Fusion 360ка тактайдын кандай болорун визуалдык түрдө көрсөтүү үчүн түрттүк.

6 -кадам: Жыйынтык

Жыйынтыктап айтканда, биз PPG сигналынын схемасын иштеп чыгууну, аны курууну жана сыноону үйрөндүк. Биз чыгууда мүмкүн болгон ызы -чууну азайтуу үчүн салыштырмалуу жөнөкөй схеманы курууда ийгиликтүү болдук жана дагы эле күчтүү сигналга ээ болдук. Биз чынжырды өзүбүздө сынап көрүп, анын бир аз сезимтал экенин байкадык, бирок схеманы бир аз өзгөртүү менен (физикалык эмес, дизайн), биз күчтүү сигналды ала алдык. Биз сигналдын чыгышын колдонуучунун жүрөгүнүн кагышын эсептөө үчүн колдонуп, аны жана дем алуу сигналын Arduinoнун жакшы интерфейсине чыгардык. Биз ошондой эле ар бир жүрөк согушу үчүн ирмелүү үчүн Arduinoдогу камтылган LEDди колдонгонбуз, бул колдонуучуга алардын жүрөгү так качан согуп жатканын айкын кылат.

PPG көптөгөн потенциалдуу тиркемелерге ээ жана анын жөнөкөйлүгү жана экономикалык натыйжалуулугу акылдуу түзмөктөргө интеграциялоону пайдалуу кылат. Жеке саламаттыкты сактоо акыркы жылдары популярдуу болуп бараткандыктан, бул технологияга муктаж болгондор үчүн дүйнө жүзү боюнча жеткиликтүү болушу үчүн жөнөкөй жана арзан болуп иштелип чыгышы керек. Акыркы макалада гипертонияны текшерүү үчүн PPG колдонуу каралды - жана аны башка АД өлчөөчү приборлор менен бирге колдонсо болорун аныкташты [10]. Балким, бул багытта ачыла турган жана жаңы нерселер бар, ошондуктан PPG азыр жана келечекте саламаттыкты сактоонун маанилүү куралы катары каралышы керек.

7 -кадам: Шилтемелер

[1] A. M. García жана P. R. Horche, "Бифотоникалык вена табуучу түзмөктө жарык булагын оптималдаштыруу: Эксперименталдык жана теориялык анализ", Физикадагы жыйынтыктар, т. 11, б. 975–983, 2018. [2] Дж. Аллен, "Фотоплетизмография жана анын клиникалык физиологиялык өлчөөдө колдонулушу", Физиологиялык өлчөө, т. 28, жок. 3, 2007.

[3] "Жүрөктү өлчөө - ЭКГ менен ППГ кантип иштейт?", Эмоциялар. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Киргизилген: 10-Дек-2019].

[4] DE NOVO КЛАССИФИКАЦИЯСЫНЫН ТУРУКСУЗ РИФМ БИЛДИРҮҮЛӨРҮНҮН ӨЗГӨЧӨЛҮГҮ..

[5] S. Bagha and L. Shaw, "SpO2 жана импульс ылдамдыгын өлчөө үчүн PPG сигналынын реалдуу убакыттагы анализи", Эл аралык компьютердик тиркемелер журналы, том. 36, жок. 11, декабрь 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Дененин Мобилдик Ден соолук Мониторинги Тармагы, Диагноз жана Болжолдуу Система. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Жүрөктүн нормалдуу согушу деген эмне?", LiveScience. [Онлайн]. Жеткиликтүү: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Киргизилген: 10-Дек-2019].

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

[9] М. Гамари, "Кийилүүчү фотоплетизмография сенсорлорун карап чыгуу жана алардын келечектеги саламаттыкты сактоодо колдонулушу", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, жок. 4, 2018.

[10] М. Элгенди, Р. Флетчер, Ю. Лянг, Н. Ховард, Н. Х. Лавелл, Д. Эбботт, К. Лим жана Р. Ворд, "Гипертонияны баалоо үчүн фотоплетизманы колдонуу", npj Digital Medicine, том. 2, жок. 1, 2019.