Зүрхний цохилтыг хэмжих нь хурууны үзүүрт байдаг: Зүрхний цохилтыг тодорхойлох фотоплетизмын арга: 7 алхам

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:02

Photoplethysmograph (PPG) нь эд эсийн бичил судасны ор дахь цусны эзэлхүүний өөрчлөлтийг илрүүлэхэд ихэвчлэн ашигладаг энгийн бөгөөд хямд өртөгтэй оптик техник юм. Энэ нь ихэвчлэн хуруугаараа арьсны гадаргуу дээр хэмжилт хийхэд инвазив бус байдлаар ашиглагддаг. PPG -ийн долгионы хэлбэр нь зүрхний цохилт бүрт цусны эзэлхүүн зүрхний синхрон өөрчлөлтөөс үүдэлтэй импульс (AC) физиологийн долгионы хэлбэртэй байдаг. АС долгионыг амьсгал, симпатик мэдрэлийн системийн үйл ажиллагаа, терморегуляци зэргээс шалтгаалан өөр өөр доод давтамжийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдээр аажмаар өөрчлөгдөж буй (DC) үндсэн шугам дээр байрлуулна. PPG дохиог хүчилтөрөгчийн ханалт, цусны даралт, зүрхний гаралтыг хэмжих, зүрхний гаралтыг шалгах, захын судасны өвчнийг илрүүлэх зорилгоор ашиглаж болно [1].

Бидний бүтээж буй төхөөрөмж бол зүрхэнд зориулсан хурууны фотоплетизмограф юм. Энэ нь хэрэглэгч хуруугаа ханцуйвч руу хөтлөх, гэрэл дамжуулах төхөөрөмж дээр байрлуулахад зориулагдсан болно. Дараа нь төхөөрөмж нь зүрхний цохилт бүрт (Arduino дээр) анивчиж, зүрхний цохилтыг тооцоолж дэлгэц дээр гаргана. Энэ нь амьсгалын замын дохио хэрхэн харагдахыг харуулах бөгөөд ингэснээр өвчтөн үүнийг өмнөх өгөгдлүүдтэйгээ харьцуулах боломжтой болно.

PPG нь гэрлийн дамжуулалт эсвэл тусгалыг хэмжих замаар цусны эзлэхүүний өөрчлөлтийг хэмжих боломжтой. Зүрх шахах тоолонд зүүн ховдолын даралт ихэсдэг. Өндөр даралтаас болж судас цохилох бүртээ бага зэрэг томордог. Даралт ихсэх нь арын гэрэлд тусдаг гэрлийн хэмжээгээр хэмжигдэхүйц ялгаа үүсгэдэг бөгөөд гэрлийн дохионы далайц нь импульсийн даралттай шууд пропорциональ байдаг [2].

Үүнтэй төстэй төхөөрөмж бол Apple Watch PPG мэдрэгч юм. Энэ нь судасны цохилтын өгөгдлийг шинжилж, AFib -тэй нийцсэн зүрхний хэмнэл алдагдах магадлалыг илрүүлэхэд ашигладаг. Энэ нь хэрэглэгчийн бугуйнд орж буй цусны хэмжээ харьцангуй өөрчлөгдөхийг хайж олохын тулд ногоон өнгийн LED гэрлийг гэрэл мэдрэмтгий фотодиодын хамт ашигладаг. Энэ нь зүрхний цохилтыг хэмжихийн тулд өөрчлөлтийг ашигладаг бөгөөд хэрэглэгч хөдөлгөөнгүй байх үед мэдрэгч нь тус тусдаа импульсийг илрүүлж, цохилтын цохилтын интервалыг хэмждэг [3].

Хангамж

Нэгдүгээрт, хэлхээг бий болгохын тулд бид талхны самбар, (1) ногоон LED, (1) фототранзистор, (1) 220 Ω эсэргүүцэл, (1) 15 кОм эсэргүүцэл, (2) 330 кОм, (1) 2.2 кОм, (1) 10 кОм, (1) 1 μF конденсатор, (1) 68 нФ конденсатор, UA 741 op-amp ба утас.

Дараа нь хэлхээг туршихын тулд бид функц үүсгэгч, цахилгаан хангамж, осциллограф, матрын хавчаар ашигласан. Эцэст нь хэлэхэд, хэрэглэгчдэд ээлтэй UI рүү дохио гаргахын тулд бид Arduino Software болон Arduino Uno зөөврийн компьютер ашигласан.

Алхам 1: Схемийг зур

Бид PPG дохиог авах энгийн схемийг зурж эхлэв. PPG нь LED ашигладаг тул бид эхлээд 220 Ω эсэргүүцэлтэй ногоон LED -ийг цувралаар холбож 6В хүчдэл ба газардуулав. Дараагийн алхам бол фототранзистор ашиглан PPG дохиог авах явдал байв. LED -ийн нэгэн адил бид үүнийг 15 кОм -оор цувралаар байрлуулж 6В хүчдэл ба газардуулгатай холбосон. Үүний дараа зурвас нэвтрүүлэх шүүлтүүр ашигласан. PPG дохионы ердийн давтамжийн хүрээ нь 0.5 Гц -ээс 5 Гц байна [4]. F = 1/RC тэгшитгэлийг ашиглан бага ба өндөр дамжуулагч шүүлтүүрүүдийн эсэргүүцэл ба конденсаторын утгыг тооцоолсны үр дүнд 330 кОм эсэргүүцэлтэй 1 мкФ конденсатор, өндөр дамжуулах шүүлтүүрийн хувьд 68 нФ конденсатор 10 кОм эсэргүүцэлтэй байна. бага нэвтрүүлэх шүүлтүүр. Бид 6V ба -6V хүчдэлтэй шүүлтүүрүүдийн хооронд UA 741 op -amp ашигладаг.

Алхам 2: Осциллограф дээр хэлхээг туршина уу

Дараа нь бид схемийг талхны самбар дээр барьсан. Үүний дараа бид осциллограф дээр хэлхээний гаралтыг туршиж, бидний дохио хүлээж байсан шиг байгаа эсэхийг шалгасан. Дээрх зургуудаас харахад ногоон LED болон фототранзистор дээр хуруугаа тавихад хэлхээ нь хүчтэй, тогтвортой дохио өгдөг. Дохионы хүч нь хувь хүн бүрт харилцан адилгүй байдаг. Дараагийн зургуудад бөөрөнцөр ховил нь тод харагдаж байгаа бөгөөд зүрхний цохилт нь эхний хэдэн зураг дээрх хувь хүнийхээс хурдан байгаа нь тодорхой байна.

Дохио сайн байгаа гэдэгт итгэлтэй болсоны дараа бид Arduino Uno -г үргэлжлүүлэв.

Алхам 3: Breadboard -ийг Arduino Uno -той холбоно уу

Бид гаралтыг (схем ба газардуулгын хоёр дахь конденсатор C2 -ийн дагуу) Arduino дээрх A0 (заримдаа A3) зүү, талхны тавцан дээрх газрын төмөр замыг Arduino дээрх GND зүүтэй холбосон.

Бидний ашигласан кодыг дээрх зургуудаас үзнэ үү. Амьсгалын замын дохионы графикийг харуулахын тулд Хавсралт А -ийн кодыг ашигласан болно. Хавсралт В-ийн кодыг зүрхний цохилт бүрт Arduino анивчдаг, зүрхний цохилт гэж юу болохыг хэвлэх зориулалттай LED-ийг ашигладаг байсан.

Алхам 4: Оюун санаандаа байлгах зөвлөмжүүд

Судлаач Йохан Ваненбург нар гар утасны эрүүл мэндийн хяналт, оношлогоо, урьдчилан тооцоолох системд зориулагдсан Body Sensor Network гэсэн баримт бичигт цэвэр PPG дохионы математик загварыг боловсруулсан болно [5]. Цэвэр дохионы хэлбэрийг хувь хүний дохио (3, 4, 5, 6 -р зураг) -тай харьцуулахдаа тодорхой ялгаа байгаа нь ойлгомжтой. Нэгдүгээрт, бидний дохио нь хоцрогдсон байсан тул баруун талаасаа биш харин оргил бүрийн зүүн талд байрлах дикротик ховил байв. Түүнчлэн, дохио нь хүн бүрийн хооронд ихээхэн ялгаатай байсан тул заримдаа ховилын ховил нь тодорхойгүй байв (зураг 3, 4), заримдаа (зураг 5, 6). Өөр нэг онцлох ялгаа нь бидний дохио бидний хүссэн шиг тогтвортой биш байв. Энэ нь маш эмзэг гэдгийг бид ойлгосон бөгөөд ширээний хамгийн бага түлхэлт эсвэл утас нь осциллографын гарцыг өөрчилдөг.

Насанд хүрэгчдийн (18 -аас дээш насны) зүрхний цохилт минутанд 60-100 цохилттой байх ёстой. Зураг 8 -т үзлэг хийж буй хүний зүрхний цохилт нь эдгээр хоёр утгын хооронд байсан нь үнэн зөв харагдаж байгааг харуулж байна. Бид зүрхний цохилтыг өөр төхөөрөмжөөр тооцоолж, PPG мэдрэгчтэйгээ харьцуулах боломж олдоогүй ч энэ нь нарийвчлалтай ойролцоо байх магадлалтай. Бидний хянаж чадахгүй байсан олон хүчин зүйл байсан бөгөөд ингэснээр үр дүнгийн өөрчлөлтөд хүргэв. Туршилт хийх бүрт орчны гэрэлтүүлгийн хэмжээ өөр өөр байсан, учир нь бид өөр байршилд байсан, төхөөрөмжийн сүүдэр байсан, заримдаа ханцуйвч хэрэглэдэг байсан. Орчны аянга багатай байх нь дохиог илүү тодорхой болгосон боловч үүнийг өөрчлөх нь бидний хяналтаас гадуур байсан тул бидний үр дүнд нөлөөлсөн. Өөр нэг асуудал бол температур юм. Муссабир Хан нарын хийсэн "Температурын фотоплетизмографид үзүүлэх нөлөөг судлах нь" гэсэн судалгааны үр дүнд судлаачид гарны халуун температур нь PPG -ийн чанар, нарийвчлалыг сайжруулдаг болохыг тогтоожээ. Хэрэв бидний хэн нэг нь хүйтэн хуруутай бол дохио нь муу байх болно, бид илүү дулаахан хуруутай хүнтэй харьцуулахад дикротик ховилыг ялгаж чадахгүй байгааг бид анзаарсан. Түүнчлэн, төхөөрөмжийн мэдрэмтгий байдлаас шалтгаалан бидэнд хамгийн сайн дохио өгөхийн тулд төхөөрөмжийн тохиргоо оновчтой байсан эсэхийг дүгнэхэд хэцүү байв. Ийм учраас бид Arduino-тэй холбогдож, хүссэн гарцыг харахаасаа өмнө самбар дээр байгаа холболтуудыг тохируулах бүртээ тойрч тоглож байх ёстой болдог. Талхны хавтанг тохируулахад маш олон хүчин зүйл нөлөөлдөг тул ПХБ нь тэдгээрийг эрс багасгаж, бидэнд илүү нарийвчлалтай гарц өгөх болно. Бид схемээ Autodesk Eagle -д хийж, ПХБ -ийн загварыг бүтээсэн бөгөөд дараа нь самбар хэрхэн харагдахыг харуулахын тулд AutoDesk Fusion 360 руу оруулав.

Алхам 5: ПХБ -ийн дизайн

Бид схемийг AutoDesk Eagle дээр хуулбарлаж, самбарын генераторыг ашиглан ПХБ -ийн загварыг бүтээв. Бид мөн уг самбарыг хэрхэн харагдахыг харуулахын тулд дизайныг AutoDesk Fusion 360 руу оруулсан.

Алхам 6: Дүгнэлт

Дүгнэж хэлэхэд, бид PPG дохионы хэлхээний загварыг хэрхэн боловсруулж, бүтээж, туршиж үзэхийг сурсан. Бид гаралтанд гарч болзошгүй дуу чимээг багасгахын тулд харьцангуй энгийн хэлхээг амжилттай бүтээсэн боловч хүчтэй дохио байсаар байна. Бид хэлхээг өөрсдөө туршиж үзсэн бөгөөд энэ нь бага зэрэг мэдрэмтгий болохыг олж мэдсэн боловч хэлхээг бага зэрэг өөрчилснөөр (хийцийн хувьд биш) хүчтэй дохио авах боломжтой болсон. Бид дохионы гаралтыг ашиглан хэрэглэгчийн зүрхний цохилтыг тооцоолж, амьсгалын дохиог Arduino -ийн сайхан интерфэйс рүү гаргав. Бид мөн Arduino дээр суурилуулсан LED-ийг ашиглан зүрхний цохилт бүрт анивчдаг байсан нь хэрэглэгчдийн зүрх яг хэзээ цохилж байгааг ойлгомжтой болгодог.

PPG нь олон боломжит програмуудтай бөгөөд энгийн бөгөөд зардал багатай нь ухаалаг төхөөрөмжүүдэд нэгтгэх боломжийг олгодог. Сүүлийн жилүүдэд хувийн эрүүл мэндийн тусламж үйлчилгээ улам бүр түгээмэл болж байгаа тул энэхүү технологи нь энгийн бөгөөд хямд байхаар хийгдсэн бөгөөд үүнийг хэрэгцээтэй бүх хүмүүст дэлхийн өнцөг булан бүрт хүртээмжтэй болгоход маш чухал юм [9]. Саяхны нийтлэлд цусны даралт ихсэх өвчнийг шалгахын тулд PPG -ийг ашиглах талаар судалж үзсэн бөгөөд үүнийг АД -ыг хэмжих бусад төхөөрөмжтэй хамт хэрэглэж болохыг олж тогтоожээ [10]. Магадгүй энэ чиглэлд нээгдэж, шинэчлэгдэх олон зүйл байгаа тул PPG -ийг одоо болон ирээдүйд эрүүл мэндийн тусламж үйлчилгээний чухал хэрэгсэл гэж үзэх ёстой.

Алхам 7: Ашигласан материал

[1] A. M. García, P. R. Horche, "Бифотоник судлын төхөөрөмж дэх гэрлийн эх үүсвэрийг оновчтой болгох: Туршилтын болон онолын дүн шинжилгээ", Физикийн үр дүн, боть. 11, хуудас 975–983, 2018. [2] Ж. Аллен, "Фотоплетизмографи ба түүнийг клиник физиологийн хэмжилтэд ашиглах нь." Физиологийн хэмжилт, боть. 28, үгүй. 3, 2007 он.

[3] "Зүрхийг хэмжих - ЭКГ ба ТХГ хэрхэн ажилладаг вэ?" Гэсэн сэтгэгдлүүд. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Хандсан: 10-Dec-2019].

[4] DE NOVO АНГИЛЛЫН ХЭРЭГЖҮҮЛЭХ ХЭРЭГГҮЙ РИФМИЙН МЭДЭЭЛЛИЙН ОНЦЛОХ ХҮСЭЛТ..

[5] С. Багха, Л. Шоу, "SpO2 ба импульсийн түвшинг хэмжих PPG дохионы бодит цагийн дүн шинжилгээ", Олон улсын компьютерийн хэрэглээний сэтгүүл, боть. 36, үгүй. 2011 оны 12 -р сарын 11.

[6] Ванненбург, Йохан, Малекиан, Реза. (2015). Эрүүл мэндийн хөдөлгөөнт мониторингийн оношлогоо, урьдчилан таамаглах системд зориулсан биеийн мэдрэгч сүлжээ. Мэдрэгч сэтгүүл, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Зүрхний хэвийн цохилт гэж юу вэ?", LiveScience. [Онлайнаар]. Боломжтой: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Хандсан: 10-Dec-2019].

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

[9] М. Гамари, "Зүүж болох фотоплетизмографийн мэдрэгч ба тэдгээрийн ирээдүйн эрүүл мэндийн үйлчилгээнд ашиглах боломжийн талаархи тойм" Олон улсын биосенсор ба биоэлектроникийн сэтгүүл, боть. 4, үгүй. 2018 оны 4 -р сар.

[10] М. Элгенди, Р. Флетчер, Ю. Лянг, Н. Ховард, Н. Х. Лавелл, Д. Абботт, К. Лим, Р. Ворд, “АГ -ийг үнэлэхэд фотоплетизмографийн хэрэглээ”, npj Digital Medicine, vol.. 2, үгүй. 2019 оны 1 -р сар.