Upimaji wa Kiwango cha Moyo Wako Uko Ncha ya Kidole Chako: Njia ya Photoplethysmography ya Kuamua Kiwango cha Moyo: Hatua 7

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:51

Photoplethysmograph (PPG) ni mbinu rahisi na ya bei ya chini ambayo hutumiwa mara nyingi kugundua mabadiliko ya kiwango cha damu kwenye kitanda cha tishu ndogo ndogo. Inatumiwa sana bila uvamizi kufanya vipimo kwenye uso wa ngozi, kawaida kidole. Ubadilishaji wa wimbi la PPG una muundo wa mawimbi ya kisaikolojia ya pulsatile (AC) kwa sababu ya mabadiliko ya moyo sawa katika kiwango cha damu na kila mapigo ya moyo. Wimbi la AC linawekwa juu ya msingi wa kubadilisha polepole (DC) na vitu tofauti vya masafa ya chini ambayo ni kwa sababu ya kupumua, shughuli za mfumo wa neva wenye huruma, na thermoregulation. Ishara ya PPG inaweza kutumika kupima kueneza kwa oksijeni, shinikizo la damu, na pato la moyo, kuangalia pato la moyo na uwezekano wa kugundua ugonjwa wa mishipa ya pembeni [1].

Kifaa tunachounda ni picha ya kidole ya picha kwa moyo. Imeundwa kwa mtumiaji kuweka kidole chake kwenye kofia juu ya iliyoongozwa na phototransistor. Kifaa hicho kitaangaza kwa kila mapigo ya moyo (kwenye Arduino) na kuhesabu kiwango cha moyo na kuipeleka kwenye skrini. Pia itaonyesha jinsi ishara ya upumuaji inavyoonekana ili mgonjwa aweze kuilinganisha na data yao ya hapo awali.

PPG inaweza kupima mabadiliko ya volumetric kwa ujazo wa damu kwa kupima usambazaji wa mwanga au tafakari. Kila wakati moyo unapompa, shinikizo la damu kwenye ventrikali ya kushoto huongezeka. Shinikizo kubwa husababisha mishipa kuenea kidogo kwa kila kipigo. Kuongezeka kwa shinikizo kunasababisha tofauti inayoweza kupimika kwa kiwango cha nuru ambayo inaonyeshwa nyuma na ukubwa wa ishara ya mwangaza ni sawa sawa na shinikizo la kunde [2].

Kifaa kama hicho ni sensor ya PPG ya Apple Watch. Inachambua data ya kiwango cha mapigo na kuitumia kugundua vipindi vinavyowezekana vya midundo isiyo ya kawaida ya moyo inayolingana na AFib. Inatumia taa za kijani za LED pamoja na picha nyepesi nyepesi ili kutafuta mabadiliko katika kiwango cha damu inayotiririka kwenye mkono wa mtumiaji wakati wowote. Inatumia mabadiliko kupima kiwango cha moyo na wakati mtumiaji amesimama, sensa inaweza kugundua kunde za mtu binafsi na kupima vipindi vya kupiga-kwa-kupiga [3].

Vifaa

Kwanza kabisa, kwa kujenga mzunguko tulitumia ubao wa mkate, (1) kijani LED, (1) phototransistor, (1) 220 Ω resistor, (1) 15 kΩ resistor, (2) 330 kΩ, (1) 2.2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF capacitor, (1) 68 nF capacitor, UA 741 op-amp na waya.

Ifuatayo, kujaribu mzunguko tulitumia jenereta ya kazi, usambazaji wa umeme, oscilloscope, klipu za alligator. Mwishowe, kutoa ishara kwa UI rafiki-rafiki tulitumia kompyuta ndogo na Programu ya Arduino na Arduino Uno.

Hatua ya 1: Chora Mpangilio

Tulianza kwa kuchora skimu rahisi kukamata ishara ya PPG. Kwa kuwa PPG hutumia LED, kwanza tuliunganisha LED ya kijani mfululizo na kontena la 220 and na tukaiunganisha na nguvu ya 6V na ardhi. Hatua inayofuata ilikuwa kukamata ishara ya PPG kwa kutumia phototransistor. Sawa na LED, tuliiweka mfululizo na kΩ 15 na tukaiunganisha na nguvu ya 6V na ardhi. Hii ilifuatiwa na kichujio cha bandpass. Masafa ya kawaida ya ishara ya PPG ni 0.5 Hz hadi 5 Hz [4]. Kutumia equation f = 1 / RC, tulihesabu hesabu za kipinga na capacitor kwa vichungi vya pasi vya chini na vya juu, na kusababisha 1 μF capacitor na kontena 330 k kwa kichujio cha kupitisha juu na 68 nF capacitor na 10 kΩ resistor ya kichujio cha pasi cha chini. Tulitumia op-amp ya UA 741 kati ya vichungi ambavyo vilitumiwa na 6V na -6V.

Hatua ya 2: Jaribu Mzunguko kwenye Oscilloscope

Kisha tukajenga mzunguko kwenye ubao wa mkate. Baada ya hapo, tulijaribu pato la mzunguko kwenye oscilloscope ili kuangalia ikiwa ishara yetu ilitarajiwa. Kama inavyoonekana katika takwimu hapo juu, mzunguko ulisababisha ishara kali, thabiti wakati kidole kilipowekwa juu ya mwangaza wa kijani na mpiga picha. Nguvu ya ishara pia inatofautiana kati ya watu binafsi. Katika takwimu za baadaye, noti ya dicrotic ni dhahiri na ni wazi kwamba kiwango cha moyo ni haraka kuliko ile ya mtu katika takwimu za kwanza.

Mara tu tulipokuwa na hakika kuwa ishara ilikuwa nzuri, basi tuliendelea na Arduino Uno.

Hatua ya 3: Unganisha ubao wa mkate na Arduino Uno

Tuliunganisha pato (kwenye capacitor ya pili C2 katika skimu na ardhi) kubandika A0 (wakati mwingine A3) kwenye Arduino na reli ya ardhini kwenye ubao wa mkate hadi pini ya GND kwenye Arduino.

Tazama picha hapo juu kwa nambari tuliyotumia. Nambari kutoka Kiambatisho A ilitumika kuonyesha grafu ya ishara ya upumuaji. Nambari kutoka Kiambatisho B ilitumika kuwa na LED iliyojengwa kwenye blink ya Arduino kwa kila mpigo wa moyo na uchapishe kiwango cha moyo ni nini.

Hatua ya 4: Vidokezo vya Kukumbuka

Katika jarida la Mtandao wa Sensorer ya Mwili kwa Ufuatiliaji wa Afya ya Simu, Utambuzi na Mfumo wa Kutarajia, mtafiti Johan Wannenburg et al., Aliunda mfano wa kihesabu wa ishara safi ya PPG [5]. Kwa kulinganisha umbo la ishara safi na ishara yetu - ya mtu binafsi - (takwimu 3, 4, 5, 6), kwa kweli kuna tofauti tofauti. Kwanza kabisa, ishara yetu ilikuwa nyuma, kwa hivyo alama ya dicrotic upande wa kushoto wa kila kilele badala ya upande wa kulia. Pia, ishara ilikuwa tofauti sana kati ya kila mtu, kwa hivyo wakati mwingine noti ya dicrotic haikuonekana (takwimu 3, 4) na wakati mwingine ilikuwa (takwimu 5, 6). Tofauti nyingine inayojulikana ni kwamba ishara yetu haikuwa imara kama vile tungependa. Tuligundua kuwa ilikuwa nyeti sana, na msukumo mdogo wa meza au waya wowote ungebadilisha jinsi pato la oscilloscope lilivyoonekana.

Kwa watu wazima (zaidi ya umri wa miaka 18) kiwango cha wastani cha kupumzika kwa moyo kinapaswa kuwa kati ya midundo 60 hadi 100 kwa dakika [6]. Katika Mchoro 8, viwango vya moyo vya mtu anayejaribiwa vilikuwa kati ya maadili haya mawili, ikionyesha kwamba inaonekana kuwa sahihi. Hatukupata nafasi ya kuhesabu mapigo ya moyo na kifaa tofauti na kulinganisha na sensor yetu ya PPG, lakini kuna uwezekano kuwa itakuwa karibu na sahihi. Kulikuwa pia na mambo mengi ambayo hatukuweza kudhibiti, na hivyo kusababisha tofauti ya matokeo. Kiasi cha taa iliyoko kwenye mazingira ilikuwa tofauti kila wakati tunapoijaribu kwa sababu tulikuwa katika eneo tofauti, kulikuwa na kivuli juu ya kifaa, wakati mwingine tulitumia kofia. Kuwa na umeme mdogo wa kawaida kulifanya ishara iwe wazi zaidi, lakini kubadilisha hiyo kulikuwa nje ya udhibiti wetu na hivyo kuathiri matokeo yetu. Suala jingine ni joto. Utafiti Kuwekeza Athari za Joto kwenye Photoplethysmography na Mussabir Khan et al., Watafiti waligundua kuwa joto kali la mikono liliboresha ubora wa PPG na usahihi [7]. Tuligundua kweli kwamba ikiwa mmoja wetu alikuwa na vidole baridi, ishara hiyo ingekuwa duni na hatungeweza kutengeneza noti ya dicrotic kwa kulinganisha na mtu ambaye alikuwa na vidole vyenye joto. Pia, kwa sababu ya unyeti wa kifaa, ilikuwa ngumu kuhukumu ikiwa usanidi wa kifaa ulikuwa bora kutupatia ishara bora. Kwa sababu ya hii, ilibidi tuzunguke na bodi kila wakati tunapoweka na kuangalia unganisho kwenye ubao kabla ya kuiunganisha na Arduino na tuangalie pato tulilotaka. Kwa kuwa kuna sababu nyingi ambazo zinatumika kwa usanidi wa mkate, PCB ingewapunguza sana na itatoa pato sahihi zaidi. Tuliunda skimu yetu katika Autodesk Eagle kuunda muundo wa PCB na kisha tukasukuma kwa AutoDesk Fusion 360 kwa utoaji wa kuona wa bodi ingeonekanaje.

Hatua ya 5: Ubunifu wa PCB

Tulizaa tena mpango katika AutoDesk Eagle na tukatumia jenereta yake ya bodi kuunda muundo wa PCB. Tulisukuma pia muundo kwa AutoDesk Fusion 360 kwa utoaji wa kuona wa bodi ingeonekanaje.

Hatua ya 6: Hitimisho

Kwa kumalizia, tulijifunza jinsi ya kukuza muundo wa mzunguko wa ishara ya PPG, tukaijenga na kuijaribu. Tulifanikiwa kujenga mzunguko rahisi kupunguza kiwango cha kelele zinazowezekana katika pato na bado tuna ishara kali. Tulijaribu mzunguko juu yetu wenyewe na tukagundua kuwa ilikuwa nyeti kidogo lakini kwa kupunguka kwa mzunguko (kwa mwili, sio muundo), tuliweza kupata ishara kali. Tulitumia pato la ishara kuhesabu kiwango cha moyo cha mtumiaji na tukatoa na ishara ya kupumua kwa UI nzuri ya Arduino. Tulitumia pia LED iliyojengwa kwenye Arduino kupepesa kwa kila mapigo ya moyo, na kuifanya iwe dhahiri kwa mtumiaji wakati haswa mioyo yao ilikuwa ikipiga.

PPG ina matumizi mengi ya uwezo, na unyenyekevu wake na ufanisi wa gharama hufanya iwe muhimu kujumuisha katika vifaa mahiri. Kwa kuwa huduma ya afya ya kibinafsi imekuwa maarufu zaidi katika miaka ya hivi karibuni, ni muhimu kwamba teknolojia hii imeundwa kuwa rahisi na ya bei rahisi ili iweze kupatikana ulimwenguni kote kwa mtu yeyote anayeihitaji [9]. Nakala ya hivi karibuni iliangalia kutumia PPG kuangalia shinikizo la damu - na waligundua kuwa inaweza kutumika kwa kushirikiana na vifaa vingine vya kipimo cha BP [10]. Labda kuna zaidi ambayo inaweza kugunduliwa na kubuniwa katika mwelekeo huu, na kwa hivyo PPG inapaswa kuzingatiwa kama chombo muhimu katika huduma ya afya sasa na katika siku zijazo.

Hatua ya 7: Marejeleo

[1] A. M. García na P. R. Horche, "Chanzo nyepesi kinachoboresha kifaa cha kupatikana kwa mshipa wa biphotonic: Uchambuzi wa majaribio na nadharia," Matokeo katika Fizikia, juz. 11, kurasa 975–983, 2018. [2] J. Allen, "Photoplethysmography na matumizi yake katika kipimo cha kisaikolojia cha kliniki," Kipimo cha kisaikolojia, vol. 28, hapana. 3, 2007.

[3] "Kupima Moyo - ECG na PPG hufanya Kazije?" [Mtandaoni]. Inapatikana: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Imefikiwa: 10-Dec-2019].

[4] Ombi la DE NOVO LA KUAINISHA KWA KIWANGO CHA TAARIFA YA RHYTHM YA KAWAIDA..

[5] S. Bagha na L. Shaw, "Uchambuzi wa Wakati Halisi wa Ishara ya PPG ya Upimaji wa SpO2 na Kiwango cha Pulse," Jarida la Kimataifa la Maombi ya Kompyuta, vol. 36, hapana. 11, Desemba 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Mtandao wa Sensorer ya Mwili kwa Ufuatiliaji wa Afya ya Mkondoni, Utambuzi na Mfumo wa Kutarajia. Jarida la Sensorer, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109 / JSEN.2015.2464773.

[7] "Je! Kiwango cha Moyo Kiwango Ni Nini ?," LiveScience. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Imefikiwa: 10-Dec-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw, na J. G. Chase, "Kuchunguza Athari za Joto kwenye Photoplethysmography," IFAC-PapersOnLine, vol. 48, hapana. 20, ukurasa wa 360-365, 2015.

[9] M. Ghamari, "Mapitio juu ya sensorer zinazoweza kuvaliwa za picha na picha na matumizi yao ya baadaye katika huduma za afya," Jarida la Kimataifa la Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, hapana. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim, na R. Ward, "Matumizi ya picha ya picha kwa kupima shinikizo la damu," npj Digital Medicine, vol.. 2, hapana. 1, 2019.