Måling af din puls er på spidsen af din finger: Fotoplethysmografi tilgang til bestemmelse af puls: 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

En fotoplethysmograf (PPG) er en enkel og billig optisk teknik, der ofte bruges til at detektere ændringer i blodvolumen i et mikrovaskulært vævsbed. Det bruges mest ikke-invasivt til at foretage målinger på overfladen af huden, typisk en finger. PPG's bølgeform har en pulserende (AC) fysiologisk bølgeform på grund af hjertesynkrone ændringer i blodmængden med hvert hjerteslag. AC -bølgen overlejres derefter på en langsomt ændret (DC) basislinje med forskellige lavere frekvenskomponenter, der skyldes respiration, sympatisk nervesystemaktivitet og termoregulering. Et PPG -signal kan bruges til at måle iltmætning, blodtryk og hjerteudgang, til at kontrollere hjerteudgangen og potentielt påvise perifer vaskulær sygdom [1].

Enheden, vi skaber, er en fingerfotoplethysmograf for hjertet. Det er designet til, at brugeren kan placere deres finger i manchetten over en LED og fototransistor. Enheden blinker derefter for hvert hjerteslag (på Arduino) og beregner pulsen og sender den til skærmen. Det vil også vise, hvordan respirationssignalet ser ud, så patienten muligvis kan sammenligne det med deres tidligere data.

En PPG kan måle den volumetriske ændring i blodvolumen ved at måle lystransmission eller refleksion. Hver gang hjertet pumper, stiger blodtrykket i venstre ventrikel. Højtrykket får arterierne til at bule lidt med hvert slag. Forøgelsen af trykket medfører en målbar forskel i mængden af lys, der reflekteres tilbage, og lyssignalets amplitude er direkte proportional med pulstrykket [2].

En lignende enhed er Apple Watch PPG -sensoren. Det analyserer pulsfrekvensdata og bruger det til at detektere mulige episoder med uregelmæssige hjerterytmer i overensstemmelse med AFib. Den bruger grønne LED-lamper sammen med lysfølsomme fotodioder til at lede efter relative ændringer i mængden af blod, der strømmer i brugerens håndled på et givet tidspunkt. Den bruger ændringerne til at måle pulsen, og når brugeren er stille, kan sensoren registrere individuelle pulser og måle slag-til-slag-intervaller [3].

Forbrugsvarer

Først og fremmest brugte vi til opbygning af kredsløbet et brødbræt, (1) grøn LED, (1) fototransistor, (1) 220 Ω modstand, (1) 15 kΩ modstand, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF kondensator, (1) 68 nF kondensator, UA 741 op-amp og ledninger.

For derefter at teste kredsløbet brugte vi en funktionsgenerator, strømforsyning, oscilloskop, alligatorklip. Endelig brugte vi en bærbar computer med Arduino Software og en Arduino Uno til at sende signalet til et brugervenligt brugergrænseflade.

Trin 1: Tegn skematikken

Vi begyndte med at tegne en simpel skematisk for at fange PPG -signalet. Da PPG bruger LED, tilsluttede vi først en grøn LED i serie med en 220 Ω modstand og sluttede den til 6V strøm og jord. Det næste trin var at fange PPG -signalet ved hjælp af en fototransistor. Ligesom LED'en satte vi den i serie med en 15 kΩ og sluttede den til 6V strøm og jord. Dette blev efterfulgt af et båndpasfilter. Det normale frekvensområde for et PPG -signal er 0,5 Hz til 5 Hz [4]. Ved hjælp af ligningen f = 1/RC beregnede vi modstands- og kondensatorværdierne for lav- og højpasfiltrene, hvilket resulterede i en 1 μF kondensator med en 330 kΩ modstand til højpasfilteret og 68 nF kondensator med en 10 kΩ modstand til lavpasfilteret. Vi brugte UA 741 op -amp mellem filtrene, der blev drevet med 6V og -6V.

Trin 2: Test kredsløbet på et oscilloskop

Vi byggede derefter kredsløbet på et brødbræt. Derefter testede vi kredsløbets output på oscilloskopet for at kontrollere, at vores signal var som forventet. Som det ses i figurerne ovenfor, resulterede kredsløbet i et stærkt, stabilt signal, da en finger blev placeret over den grønne LED og fototransistor. Signalstyrken varierer også mellem individer. I de senere tal er det dikrotiske hak tydeligt, og det er klart, at pulsen er hurtigere end individets i de første få figurer.

Når vi var sikre på, at signalet var godt, fortsatte vi derefter med en Arduino Uno.

Trin 3: Tilslut Breadboard til en Arduino Uno

Vi forbandt udgangen (på tværs af den anden kondensator C2 i skematisk og jordet) til pin A0 (undertiden A3) på Arduino og jordskinnen på brødbrættet til en GND -pin på Arduino.

Se billederne ovenfor for den kode, vi brugte. Koden fra tillæg A blev brugt til at vise grafen for det respiratoriske signal. Koden fra tillæg B blev brugt til at have en indbygget LED på Arduino-blink for hvert hjerteslag og udskrive, hvad pulsen er.

Trin 4: Tips til at huske på

I papiret Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System udviklede forskeren Johan Wannenburg et al. En matematisk model af et rent PPG -signal [5]. Ved at sammenligne formen af et rent signal med vores signal - af en individuel person - (figur 3, 4, 5, 6) er der ganske vist nogle klare forskelle. For det første var vores signal bagud, så det dikrotiske hak på venstre side af hver top i stedet for højre side. Signalet var også meget forskelligt mellem hver person, så nogle gange var det dikrotiske hak ikke tydeligt (figur 3, 4) og nogle gange var det (figur 5, 6). En anden bemærkelsesværdig forskel var, at vores signal ikke var så stabilt, som vi gerne ville have. Vi indså, at det var meget følsomt, og bordets mindste skub eller enhver ledning ville ændre den måde, oscilloskopudgangen så ud.

For voksne (over 18 år) bør den gennemsnitlige hvilepuls være mellem 60 og 100 slag i minuttet [6]. I figur 8 var hjertefrekvensen for den enkelte, der testede, alle mellem disse to værdier, hvilket indikerer, at det ser ud til at være nøjagtigt. Vi fik ikke en chance for at beregne puls med en anden enhed og sammenligne den med vores PPG -sensor, men det er sandsynligt, at den ville være tæt på nøjagtig. Der var også mange faktorer, som vi ikke kunne kontrollere, hvilket førte til variation i resultaterne. Mængden af omgivende belysning var forskellig hver gang vi testede det, fordi vi enten var et andet sted, der var en skygge over enheden, vi brugte nogle gange en manchet. At have mindre omgivende lyn gjorde signalet tydeligere, men at ændre det var ude af vores kontrol og påvirkede dermed vores resultater. Et andet problem er temperatur. Undersøgelsen Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography af Mussabir Khan et al. Fandt forskerne, at varmere håndtemperaturer forbedrede PPG -kvaliteten og -nøjagtigheden [7]. Vi lagde faktisk mærke til, at hvis en af os havde kolde fingre, ville signalet være dårligt, og vi kunne ikke skelne det dikrotiske hak i forhold til en person, der havde varmere fingre. På grund af enhedens følsomhed var det også svært at bedømme, om enhedens opsætning var på et optimalt niveau for at give os det bedste signal. På grund af dette var vi nødt til at rode rundt med tavlen, hver gang vi opsatte og kontrollerede forbindelserne på tavlen, før vi kunne slutte det til Arduino og se på det output, vi ønskede. Da der er så mange faktorer, der spiller ind for en brødbrætopsætning, ville et printkort i høj grad reducere dem og give os et mere præcist output. Vi byggede vores skema i Autodesk Eagle for at oprette et PCB -design og skubbede det derefter til AutoDesk Fusion 360 for visuel gengivelse af, hvordan tavlen ville se ud.

Trin 5: PCB -design

Vi gengav skematikken i AutoDesk Eagle og brugte dens boardgenerator til at oprette PCB -designet. Vi skubbede også designet til AutoDesk Fusion 360 for visuel gengivelse af, hvordan tavlen ville se ud.

Trin 6: Konklusion

Afslutningsvis lærte vi, hvordan man udvikler et design til et PPG -signalkredsløb, byggede det og testede det. Vi havde succes med at bygge et relativt simpelt kredsløb for at reducere mængden af mulig støj i output og stadig have et stærkt signal. Vi testede kredsløbet på os selv og fandt ud af, at det var lidt følsomt, men med nogle justeringer af kredsløbet (fysisk, ikke designet) kunne vi få et stærkt signal. Vi brugte signaloutput til at beregne brugerens puls og udsendte det og respirationssignalet til det flotte UI af Arduino. Vi brugte også den indbyggede LED på Arduino til at blinke for hvert hjerteslag, hvilket gjorde det tydeligt for brugeren, hvornår præcis deres hjerte bankede.

PPG har mange potentielle applikationer, og dets enkelhed og omkostningseffektivitet gør det nyttigt at integrere i smarte enheder. Da personlig sundhedspleje er blevet mere populær i de seneste år, er det bydende nødvendigt, at denne teknologi er designet til at være enkel og billig, så den kan være tilgængelig overalt i verden for alle, der har brug for den [9]. En nylig artikel undersøgte, hvordan man bruger PPG til at kontrollere for hypertension - og de fandt ud af, at det kunne bruges sammen med andre BP -måleenheder [10]. Måske er der mere, der kan opdages og fornyes i denne retning, og derfor bør PPG betragtes som et vigtigt redskab i sundhedsvæsenet nu og i fremtiden.

Trin 7: Referencer

[1] A. M. García og P. R. Horche, "Lyskildeoptimering i en tofotonisk venefinderindretning: Eksperimentel og teoretisk analyse," Results in Physics, vol. 11, s. 975–983, 2018. [2] J. Allen, "Fotoplethysmografi og dens anvendelse i klinisk fysiologisk måling," Fysiologisk måling, bind. 28, nej. 3, 2007.

[3] "Måling af hjertet - hvordan fungerer EKG og PPG?", Imod. [Online]. Tilgængelig: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Adgang: 10-dec-2019].

[4] DE NOVO -KLASSIFIKATIONSANVISNING FOR UREGELMÆSSIG FUNKTION OM RYMMERMEDDELELSE..

[5] S. Bagha og L. Shaw, "En realtidsanalyse af PPG -signal til måling af SpO2 og pulsfrekvens," International Journal of Computer Applications, vol. 36, nej. 11, december 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Kropssensornetværk til mobil sundhedsovervågning, et diagnose- og forventningssystem. Sensors Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Hvad er en normal puls?", LiveScience. [Online]. Tilgængelig: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Adgang: 10-dec-2019].

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

[9] M. Ghamari, "En gennemgang af bærbare fotoplethysmografisensorer og deres potentielle fremtidige anvendelser inden for sundhedsvæsenet," International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, nej. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim og R. Ward, "Brugen af fotoplethysmografi til vurdering af hypertension", npj Digital Medicine, vol.. 2, nej. 1, 2019.