מדידת קצב הלב שלך היא בקצה האצבע שלך: גישת פוטופלטיסמיה לקביעת קצב הלב: 7 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

צילום פוטוסיתוגרפיה (PPG) היא טכניקה אופטית פשוטה ובעלות נמוכה המשמשת לעתים קרובות לאיתור שינויים בנפח הדם במיטה מיקרו-וסקולרית של רקמות. הוא משמש בעיקר לא פולשני לביצוע מדידות על פני העור, בדרך כלל אצבע. לצורת הגל של ה- PPG יש צורת גל פיזיולוגית פועמת (AC) עקב שינויים סינכרוניים לבביים בנפח הדם בכל פעימת לב. גל AC מוצב לאחר מכן על בסיס בסיס משתנה לאט (DC) עם רכיבים שונים בתדר נמוך הנובעים מנשימה, פעילות מערכת העצבים הסימפתטית ותרגולציה. ניתן להשתמש באות PPG למדידת רוויית חמצן, לחץ דם ותפוקת לב, לבדיקת תפוקת הלב ולזיהוי פוטנציאלי של מחלות כלי דם היקפיים [1].

המכשיר שאנו יוצרים הוא צילום פוטו -תיתמוגרפיה של הלב. הוא נועד למשתמש למקם את אצבעו בתוך השרוול מעל מנורה וצילום. לאחר מכן המכשיר יהבהב עבור כל פעימת לב (בארדואינו) ויחשב את קצב הלב ויוציא אותו למסך. הוא גם יראה כיצד נראה האות הנשימתי כך שהחולה יוכל להשוות אותו לנתוניו הקודמים.

PPG יכול למדוד את השינוי הנפחי בנפח הדם על ידי מדידת העברת האור או ההשתקפות. בכל פעם שהלב שואב, לחץ הדם בחדר השמאלי עולה. הלחץ הגבוה גורם לעורקים להתנפח מעט בכל פעימה. עליית הלחץ גורמת להבדל הניתן למדידה בכמות האור המוחזרת לאחור ומשרעת אות האור היא ביחס ישיר ללחץ הדופק [2].

מכשיר דומה הוא חיישן ה- PPG של Apple Watch. הוא מנתח נתוני קצב דופק ומשתמש בהם כדי לזהות פרקים אפשריים של מקצבי לב לא סדירים העולים בקנה אחד עם AFib. הוא משתמש בנורות LED ירוקות יחד עם פוטודיודות רגישות לאור כדי לחפש שינויים יחסיים בכמות הדם הזורמת בפרק כף היד של המשתמש בכל רגע נתון. הוא משתמש בשינויים כדי למדוד את קצב הלב וכאשר המשתמש נייח, החיישן יכול לזהות פולסים בודדים ולמדוד את מרווחי הפעימה לפעימה [3].

אספקה

קודם כל, לבניית המעגל השתמשנו בלוח לחם, (1) LED ירוק, (1) פוטו טרנזיסטור, (1) נגד 220 Ω, (1) נגד 15 kΩ, (2) 330 kΩ, (1) 2.2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) קבל 1 μF, (1) קבל 68 nF, מגבר אופטי UA 741 וחוטים.

לאחר מכן, כדי לבדוק את המעגל השתמשנו בגנרטור פונקציות, ספק כוח, אוסצילוסקופ, קליפים תנינים. לבסוף, כדי להוציא את האות לממשק משתמש ידידותי למשתמש, השתמשנו במחשב נייד עם תוכנת Arduino ו- Uno Arduino.

שלב 1: צייר את הסכימה

התחלנו בציור סכמטי פשוט ללכידת האות PPG. מכיוון ש- PPG משתמש ב- LED, חיברנו לראשונה נורית ירוקה בסדרה עם נגד 220 Ω וחיברנו אותה לחשמל 6V ולארקה. השלב הבא היה ללכוד את האות PPG באמצעות פוטו טרנזיסטור. בדומה לד LED, שמנו אותו בסדרה עם 15 kΩ וחיברנו אותו לחשמל 6V ולקרקע. לאחר מכן הגיע מסנן פס פס. טווח התדרים הרגיל של אות PPG הוא 0.5 הרץ עד 5 הרץ [4]. בעזרת המשוואה f = 1/RC, חישבנו את ערכי הנגד והקבלים עבור מסנני המעבר הנמוכים והגבוהים, וכתוצאה מכך קבל 1 μF עם נגד 330 kΩ עבור מסנן המעבר הגבוה וקבל 68 nF עם נגד 10 kΩ עבור מסנן הנמוך. השתמשנו במגבר ההגברה UA 741 בין המסננים שהופעל עם 6V ו- -6V.

שלב 2: בדוק את המעגל על אוסצילוסקופ

לאחר מכן בנינו את המעגל על לוח לחם. לאחר מכן, בדקנו את פלט המעגל באוסילוסקופ כדי לבדוק שהאות שלנו כצפוי. כפי שניתן לראות באיורים לעיל, המעגל הביא לאות חזק ויציב כאשר הונחה אצבע מעל הנורית הירוקה והפוטוטרנזיסטור. עוצמת האות משתנה גם בין אנשים. בדמויות המאוחרות ניכר החריץ הדקרוטי וברור כי קצב הלב מהיר מזה של הפרט בדמויות הראשונות.

ברגע שהיינו בטוחים שהאות טוב, המשכנו עם Arduino Uno.

שלב 3: חבר את לוח הלחם ל- Undu Arduino

חיברנו את הפלט (לרוחב הקבל השני C2 בתרשים ובאדמה) לסיכה A0 (לפעמים A3) בארדואינו ולמסילת הקרקע בלוח הלחם לסיכת GND בארדואינו.

עיין בתמונות למעלה לקבלת הקוד בו השתמשנו. הקוד מספח א 'שימש להצגת הגרף של האות הנשימתי. הקוד מנספח ב 'שימש להדלקת מובנית על מצמוץ הארדואינו לכל פעימת לב ולהדפיס מהו קצב הלב.

שלב 4: טיפים שכדאי לזכור

במאמר רשת חיישן הגוף למעקב אחר בריאות ניידות, מערכת אבחון וצפי, פיתח החוקר יוהאן וונבורג ואח 'מודל מתמטי של אות PPG טהור [5]. בהשוואת צורת האות הטהורה לאות שלנו - של אדם בודד - (איורים 3, 4, 5, 6), יש אמנם כמה הבדלים ברורים. ראשית, האות שלנו היה לאחור, ולכן החריץ הדקרוטי בצד שמאל של כל פסגה ולא בצד ימין. כמו כן, האות היה שונה מאוד בין כל אדם, כך שלפעמים החריץ הדקרוטי לא היה ברור (איורים 3, 4) ולפעמים כן (איורים 5, 6). הבדל בולט נוסף היה שהאות שלנו לא היה יציב כפי שהיינו רוצים. הבנו שזה מאוד רגיש, והנידוק הקטן ביותר של השולחן או כל חוט ישנה את האופן שבו נראה פלט האוסילוסקופ.

למבוגרים (מעל גיל 18) קצב הלב הממוצע במנוחה צריך להיות בין 60 ל -100 פעימות לדקה [6]. באיור 8, קצב הלב של האדם הנבדק היה בין שני הערכים הללו, מה שמעיד כי נראה שהוא מדויק. לא קיבלנו הזדמנות לחשב את קצב הלב באמצעות מכשיר אחר ולהשוות אותו עם חיישן ה- PPG שלנו, אך סביר שהוא יהיה קרוב למדי. היו גם גורמים רבים שלא יכולנו לשלוט בהם, ובכך הובילו לשינויים בתוצאות. כמות התאורה הסביבתית הייתה שונה בכל פעם שבדקנו אותה כיוון שהיינו במיקום אחר, היה צל מעל המכשיר, השתמשנו לפעמים בחפתים. לאחר פחות ברק מהסביבה הבהיר את האות, אך שינוי זה היה מחוץ לשליטתנו ובכך השפיע על התוצאות שלנו. סוגיה נוספת היא הטמפרטורה. המחקר השקיע את השפעות הטמפרטורה על פוטופלתיסמוגרפיה מאת מוסאביר חאן ואח ', החוקרים מצאו כי טמפרטורות ידיים חמות יותר שיפרו את איכות ה- PPG ואת הדיוק [7]. למעשה שמנו לב שאם לאחד מאיתנו יש אצבעות קרות, האות יהיה גרוע ולא נוכל להבחין בחריץ הדקרוטי בהשוואה לאדם שיש לו אצבעות חמות יותר. כמו כן, בגלל הרגישות של המכשיר, היה קשה לשפוט אם התקנת המכשיר הייתה אופטימלית כדי לתת לנו את האות הטוב ביותר. בגלל זה, היינו צריכים להתעסק עם הלוח בכל פעם שהגדרנו ולבדוק את החיבורים בלוח לפני שנוכל לחבר אותו לארדואינו ולהסתכל על הפלט שרצינו. מכיוון שיש כל כך הרבה גורמים שמשפיעים על מערך לוח, לוח PCB יקטין אותם מאוד וייתן לנו תפוקה מדויקת יותר. בנינו את הסכימה שלנו ב- Autodesk Eagle ליצירת עיצוב PCB ולאחר מכן דחפנו אותו ל- AutoDesk Fusion 360 לצורך עיבוד חזותי של איך הלוח ייראה.

שלב 5: עיצוב PCB

שחזרנו את הסכימה ב- AutoDesk Eagle והשתמשנו בגנרטור הלוח שלו ליצירת עיצוב ה- PCB. כמו כן דחפנו את העיצוב ל- AutoDesk Fusion 360 לצורך עיבוד חזותי של איך הלוח ייראה.

שלב 6: מסקנה

לסיכום, למדנו כיצד לפתח עיצוב למעגל אותות PPG, בנינו אותו ובחנו אותו. הצלחנו לבנות מעגל פשוט יחסית כדי להפחית את כמות הרעש האפשרי בפלט ועדיין יש לנו אות חזק. בדקנו את המעגל על עצמנו ומצאנו שהוא מעט רגיש אך עם כמה שינויי המעגל (פיזית, לא העיצוב), הצלחנו לקבל אות חזק. השתמשנו בפלט האות כדי לחשב את קצב הלב של המשתמש והוצאנו אותו ואת אות הנשימה לממשק המשתמש הנחמד של Arduino. כמו כן, השתמשנו במנורה המובנית ב- Arduino כדי למצמץ על כל פעימות לב, מה שהבהיר למשתמש מתי בדיוק הלב שלו פועם.

ל- PPG יש יישומים פוטנציאליים רבים, והפשטות והעלות האפקטיביות שלה הופכים אותו לשימושי להשתלב במכשירים חכמים. מכיוון שהבריאות האישית הפכה פופולרית יותר בשנים האחרונות, הכרחי שטכנולוגיה זו נועדה להיות פשוטה וזולה כך שהיא תהיה נגישה לכל רחבי העולם לכל מי שצריך אותה [9]. מאמר שנערך לאחרונה בדק שימוש ב- PPG לבדיקת יתר לחץ דם - ומצאו כי ניתן להשתמש בו יחד עם מכשירי מדידה אחרים של BP [10]. אולי יש עוד מה שניתן לגלות ולחדש בכיוון זה, ולכן יש לראות ב- PPG כלי חשוב בבריאות כעת ובעתיד.

שלב 7: הפניות

[1] A. M. García ו- P. R. Horche, "מקור אור המייעל במכשיר לאתר ורידים דו -פוטוניים: ניתוח ניסיוני ותיאורטי", Results in Physics, כרך. 11, עמ '975–983, 2018. [2] ג '. אלן, "פוטופליטיזם ויישומה במדידה פיזיולוגית קלינית", מדידה פיזיולוגית, כרך. 28, לא. 3, 2007.

[3] "מדידת הלב - כיצד פועלים א.ק.ג ו- PPG?", נגד. [באינטרנט]. זמין: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [גישה: 10-דצמבר 2019].

[4] בקשת סיווג דה נובו לתכונות הודעה לא קבועות על קצב..

[5] ש 'באגה ול' שאו, "ניתוח בזמן אמת של אות PPG למדידת SpO2 וקצב הדופק", כתב העת הבינלאומי ליישומי מחשבים, כרך. 36, לא. 11, דצמבר 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). רשת חיישן גוף לניטור בריאות נייד, מערכת אבחון וצפי. Journal Sensors, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "מהו דופק רגיל?", LiveScience. [באינטרנט]. זמין: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [גישה: 10-דצמבר 2019].

[8] מ 'חאן, צ'י ג' פריטי, א 'סי איימיס, ר' אליוט, ג 'מ' שו וג'יי ג'ייס צ'ייס, "חקירת השפעות הטמפרטורה על פוטופלטיסמוגרפיה", IFAC-PapersOnLine, כרך. 48, לא. 20, עמ '360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, "סקירה של חיישני פוטו -פלסטין ויישומים עתידיים פוטנציאליים שלהם בתחום הבריאות", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, כרך. 4, לא. 4, 2018.

[10] מ 'אלגנדי, ר' פלטשר, י 'ליאנג, נ' האוורד, NH לובל, ד 'אבוט, ק' לים ור 'וורד, "השימוש בפוטופלטסימוגרפיה להערכת יתר לחץ דם", npj Digital Medicine, כרך. 2, לא. 1, 2019.