Måling av pulsen er på fingertuppene: Fotoplethysmografi Tilnærming til å bestemme pulsen: 7 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

En fotoplethysmograf (PPG) er en enkel og rimelig optisk teknikk som ofte brukes til å oppdage endringer i blodvolum i en mikrovaskulær seng av vev. Det brukes for det meste ikke-invasivt for å gjøre målinger på overflaten av huden, vanligvis en finger. Bølgeformen til PPG har en pulserende (AC) fysiologisk bølgeform på grunn av hjertesynkrone endringer i blodvolumet med hvert hjerteslag. AC -bølgen blir deretter lagt over på en sakte endring (DC) grunnlinje med forskjellige komponenter med lavere frekvens som skyldes respirasjon, sympatisk nervesystemaktivitet og termoregulering. Et PPG -signal kan brukes til å måle oksygenmetning, blodtrykk og hjerteeffekt, for å kontrollere hjerteeffekten og potensielt oppdage perifer vaskulær sykdom [1].

Enheten vi lager er en fingerfotoplethysmograf for hjertet. Den er designet for at brukeren skal plassere fingeren i mansjetten over en ledning og fototransistor. Enheten vil deretter blinke for hvert hjerteslag (på Arduino) og beregne pulsen og sende den til skjermen. Det vil også vise hvordan respirasjonssignalet ser ut slik at pasienten muligens kan sammenligne det med tidligere data.

En PPG kan måle den volumetriske endringen i blodvolum ved å måle lysoverføringen eller refleksjonen. Hver gang hjertet pumper, øker blodtrykket i venstre ventrikkel. Høytrykket får arteriene til å bule litt med hvert slag. Økningen i trykk forårsaker en målbar forskjell i lysmengden som reflekteres tilbake, og amplituden til lyssignalet er direkte proporsjonal med pulstrykket [2].

En lignende enhet er Apple Watch PPG -sensoren. Den analyserer pulsfrekvensdata og bruker den til å oppdage mulige episoder med uregelmessige hjerterytmer i samsvar med AFib. Den bruker grønne LED-lys sammen med lysfølsomme fotodioder for å se etter relative endringer i mengden blod som strømmer i brukerens håndledd til enhver tid. Den bruker endringene til å måle hjertefrekvensen, og når brukeren står stille kan sensoren detektere individuelle pulser og måle slag-til-slag-intervaller [3].

Rekvisita

Først av alt, for å bygge kretsen brukte vi et brødbrett, (1) grønn LED, (1) fototransistor, (1) 220 Ω motstand, (1) 15 kΩ motstand, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondensator, (1) 68 nF kondensator, UA 741 op-amp og ledninger.

Deretter brukte vi en funksjonsgenerator, strømforsyning, oscilloskop, krokodilleklipp for å teste kretsen. Til slutt, for å sende signalet til et brukervennlig brukergrensesnitt, brukte vi en bærbar datamaskin med Arduino-programvare og en Arduino Uno.

Trinn 1: Tegn skjemaet

Vi begynte med å tegne en enkel skjematisk for å fange PPG -signalet. Siden PPG bruker LED, koblet vi først en grønn LED i serie med en 220 Ω motstand og koblet den til 6V strøm og jord. Det neste trinnet var å fange PPG -signalet ved hjelp av en fototransistor. I likhet med LED -en, satte vi den i serie med en 15 kΩ og koblet den til 6V strøm og jord. Dette ble etterfulgt av et båndpassfilter. Det normale frekvensområdet for et PPG -signal er 0,5 Hz til 5 Hz [4]. Ved å bruke ligningen f = 1/RC, beregnet vi motstands- og kondensatorverdiene for lav- og høypassfilterene, noe som resulterte i en 1 μF kondensator med en 330 kΩ motstand for høypassfilteret og 68 nF kondensator med en 10 kΩ motstand for lavpassfilteret. Vi brukte UA 741 op -amp mellom filtrene som ble drevet med 6V og -6V.

Trinn 2: Test kretsen på et oscilloskop

Vi bygde deretter kretsen på et brødbrett. Etterpå testet vi kretsutgangen på oscilloskopet for å kontrollere at signalet vårt var som forventet. Som vist på figurene ovenfor resulterte kretsen i et sterkt, stabilt signal da en finger ble plassert over den grønne lysdioden og fototransistoren. Signalstyrken varierer også mellom individer. I de senere figurene er det dikrotiske hakket tydelig, og det er klart at pulsen er raskere enn individets i de første figurene.

Når vi var sikre på at signalet var bra, fortsatte vi deretter med en Arduino Uno.

Trinn 3: Koble brødbrettet til en Arduino Uno

Vi koblet utgangen (over den andre kondensatoren C2 i skjematisk og bakken) til pinne A0 (noen ganger A3) på Arduino og bakkeskinnen på brødbrettet til en GND -pinne på Arduino.

Se bildene ovenfor for koden vi brukte. Koden fra vedlegg A ble brukt til å vise grafen for respirasjonssignalet. Koden fra vedlegg B ble brukt til å ha en innebygd LED på Arduino-blink for hvert hjerteslag og skrive ut hva pulsen er.

Trinn 4: Tips å huske på

I papiret Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System utviklet forskeren Johan Wannenburg et al. En matematisk modell av et rent PPG -signal [5]. Ved å sammenligne formen på et rent signal med vårt signal - til en individuell person - (figur 3, 4, 5, 6), er det riktignok noen klare forskjeller. For det første var signalet vårt bakover, så det dikrotiske hakk på venstre side av hver topp i stedet for høyre side. Signalet var også veldig forskjellig mellom hver person, så noen ganger var det dikrotiske hakket ikke tydelig (figur 3, 4) og noen ganger var det (figur 5, 6). En annen bemerkelsesverdig forskjell var at signalet vårt ikke var så stabilt som vi hadde ønsket. Vi innså at det var veldig følsomt, og den minste nudgen på bordet eller en ledning ville endre måten oscilloskoputgangen så ut.

For voksne (over 18 år) bør gjennomsnittlig hvilepuls være mellom 60 og 100 slag i minuttet [6]. I figur 8 var hjertefrekvensen til personen som testet alt mellom disse to verdiene, noe som indikerer at det ser ut til å være nøyaktig. Vi fikk ikke sjansen til å beregne hjertefrekvensen med en annen enhet og sammenligne den med vår PPG -sensor, men det er sannsynlig at den vil være nær nøyaktig. Det var også mange faktorer vi ikke kunne kontrollere, noe som førte til variasjon i resultatene. Mengden omgivende belysning var forskjellig hver gang vi testet den fordi vi enten var et annet sted, det var en skygge over enheten, vi brukte en mansjett noen ganger. Å ha mindre omgivende lyn gjorde signalet tydeligere, men å endre det var utenfor vår kontroll og påvirket dermed resultatene våre. Et annet problem er temperatur. Studien Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography av Mussabir Khan et al., Fant forskerne at varmere håndtemperaturer forbedret PPG -kvaliteten og nøyaktigheten [7]. Vi la faktisk merke til at hvis en av oss hadde kalde fingre, ville signalet være dårlig, og vi kunne ikke finne ut det dikrotiske hakket i forhold til en person som hadde varmere fingre. På grunn av enhetens følsomhet var det også vanskelig å bedømme om enhetsoppsettet var optimalt eller ikke for å gi oss det beste signalet. På grunn av dette måtte vi fikle rundt brettet hver gang vi satte opp og kontrollerte tilkoblingene på brettet før vi kunne koble det til Arduino og se på utgangen vi ønsket. Siden det er så mange faktorer som spiller inn for et brødbrettoppsett, vil et PCB redusere dem sterkt og gi oss en mer nøyaktig utgang. Vi bygde skjemaet vårt i Autodesk Eagle for å lage et PCB -design og deretter skyv det til AutoDesk Fusion 360 for visuell gjengivelse av hvordan brettet ville se ut.

Trinn 5: PCB -design

Vi reproduserte skjematikken i AutoDesk Eagle og brukte sin kortgenerator til å lage PCB -design. Vi har også presset designet til AutoDesk Fusion 360 for visuell gjengivelse av hvordan brettet ville se ut.

Trinn 6: Konklusjon

Avslutningsvis lærte vi hvordan vi utvikler et design for en PPG -signalkrets, bygde den og testet den. Vi lyktes med å bygge en relativt enkel krets for å redusere mengden mulig støy i utgangen og fortsatt ha et sterkt signal. Vi testet kretsen på oss selv og fant ut at den var litt følsom, men med noen justeringer av kretsen (fysisk, ikke designet), klarte vi å få et sterkt signal. Vi brukte signalutgangen til å beregne hjertefrekvensen til brukeren og sendte den og respirasjonssignalet til det fine brukergrensesnittet til Arduino. Vi brukte også den innebygde LED-en på Arduino til å blinke for hvert hjerteslag, noe som gjorde det tydelig for brukeren når hjertet deres banket.

PPG har mange potensielle applikasjoner, og enkelheten og kostnadseffektiviteten gjør det nyttig å integrere i smarte enheter. Ettersom personlig helse har blitt mer populært de siste årene, er det viktig at denne teknologien er designet for å være enkel og billig, slik at den kan være tilgjengelig over hele verden for alle som trenger den [9]. En fersk artikkel undersøkte bruk av PPG for å sjekke for hypertensjon - og de fant at den kan brukes sammen med andre BP -måleenheter [10]. Kanskje er det mer som kan oppdages og nyskapes i denne retningen, og derfor bør PPG betraktes som et viktig verktøy i helsevesenet nå og i fremtiden.

Trinn 7: Referanser

[1] A. M. García og P. R. Horche, "Lyskildeoptimalisering i en bifotonisk venefinnerinnretning: Eksperimentell og teoretisk analyse," Results in Physics, vol. 11, s. 975–983, 2018. [2] J. Allen, "Fotoplethysmografi og dets anvendelse i klinisk fysiologisk måling," Fysiologisk måling, vol. 28, nei. 3, 2007.

[3] "Måling av hjertet - hvordan fungerer EKG og PPG?", Imot. [På nett]. Tilgjengelig: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Tilgang: 10-des-2019].

[4] DE NOVO -KLASSIFIKASJONSFORESPØRING FOR FUNKSJON OM MELDING AV UREGELMessig rytme..

[5] S. Bagha og L. Shaw, "En sanntidsanalyse av PPG -signal for måling av SpO2 og pulsfrekvens," International Journal of Computer Applications, vol. 36, nei. 11, desember 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Kroppssensornettverk for mobil helseovervåking, et diagnose- og antisystem. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] “Hva er en normal puls?”, LiveScience. [På nett]. Tilgjengelig: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Tilgang: 10-des-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, AC Amies, R. Elliott, G. M. Shaw og J. G. Chase, "Undersøkelse av temperatureffekter på fotoplethysmografi," IFAC-PapersOnLine, vol. 48, nei. 20, s. 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, "En gjennomgang av bærbare fotopletysmografisensorer og deres potensielle fremtidige applikasjoner innen helsevesen," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, nei. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim og R. Ward, "The use of photoplethysmography for assessing hypertension," npj Digital Medicine, vol.. 2, nei. 1, 2019.