قياس معدل ضربات القلب في متناول يدك: نهج التصوير الضوئي لتحديد معدل ضربات القلب: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

يعد تخطيط الدم الضوئي (PPG) تقنية بصرية بسيطة ومنخفضة التكلفة تُستخدم غالبًا لاكتشاف التغيرات في حجم الدم في طبقة الأوعية الدموية الدقيقة من الأنسجة. يتم استخدامه في الغالب بشكل غير جراحي لإجراء قياسات على سطح الجلد ، وعادة ما تكون الإصبع. الشكل الموجي لـ PPG له شكل موجة فسيولوجية نابضة (AC) بسبب التغيرات القلبية المتزامنة في حجم الدم مع كل نبضة قلب. يتم بعد ذلك تثبيت موجة التيار المتردد على خط أساس متغير ببطء (DC) بمكونات تردد أقل مختلفة بسبب التنفس ونشاط الجهاز العصبي الودي والتنظيم الحراري. يمكن استخدام إشارة PPG لقياس تشبع الأكسجين ، وضغط الدم ، والناتج القلبي ، لفحص النتاج القلبي وربما الكشف عن أمراض الأوعية الدموية الطرفية [1].

الجهاز الذي نصنعه هو تصوير ضوئي للإصبع للقلب. إنه مصمم ليضع المستخدم إصبعه في الكفة فوق ترانزستور LED وضوئي. سيومض الجهاز بعد ذلك لكل نبضة قلب (على Arduino) ويحسب معدل ضربات القلب ويخرجه على الشاشة. سيُظهر أيضًا كيف تبدو إشارة الجهاز التنفسي بحيث يمكن للمريض مقارنتها ببياناته السابقة.

يمكن لـ PPG قياس التغير الحجمي في حجم الدم عن طريق قياس انتقال الضوء أو انعكاسه. في كل مرة يضخ فيها القلب ، يزداد ضغط الدم في البطين الأيسر. يؤدي الضغط المرتفع إلى انتفاخ الشرايين قليلاً مع كل نبضة. تؤدي الزيادة في الضغط إلى اختلاف ملموس في كمية الضوء المنعكس للخلف واتساع إشارة الضوء يتناسب طرديًا مع ضغط النبض [2].

جهاز مشابه هو مستشعر Apple Watch PPG. يحلل بيانات معدل النبض ويستخدمها لاكتشاف النوبات المحتملة من إيقاعات القلب غير المنتظمة المتوافقة مع AFib. يستخدم مصابيح LED الخضراء جنبًا إلى جنب مع الثنائيات الضوئية الحساسة للضوء للبحث عن التغيرات النسبية في كمية الدم المتدفق في معصم المستخدم في أي لحظة. يستخدم التغييرات لقياس معدل ضربات القلب وعندما يكون المستخدم ثابتًا ، يمكن لجهاز الاستشعار اكتشاف النبضات الفردية وقياس فترات النبض [3].

اللوازم

بادئ ذي بدء ، لبناء الدائرة ، استخدمنا لوحة توصيل ، (1) LED أخضر ، (1) ترانزستور ضوئي ، (1) 220 المقاوم ، (1) 15 kΩ المقاوم ، (2) 330 kΩ ، (1) 2.2 kΩ ، (1) 10 kΩ ، (1) 1 μF مكثف ، (1) 68 nF مكثف ، UA 741 op-amp والأسلاك.

بعد ذلك ، لاختبار الدائرة ، استخدمنا مولدًا وظيفيًا وإمدادات الطاقة وراسم الذبذبات ومقاطع التمساح. أخيرًا ، لإخراج الإشارة إلى واجهة مستخدم سهلة الاستخدام ، استخدمنا جهاز كمبيوتر محمول مع برنامج Arduino و Arduino Uno.

الخطوة 1: ارسم المخطط

بدأنا برسم تخطيطي بسيط لالتقاط إشارة PPG. نظرًا لأن PPG يستخدم LED ، فقد قمنا أولاً بتوصيل مؤشر LED أخضر متسلسل بمقاوم 220 وربطناه بطاقة 6 فولت وأرضي. كانت الخطوة التالية هي التقاط إشارة PPG باستخدام الترانزستور الضوئي. على غرار LED ، وضعناه في سلسلة بقدرة 15 كيلو أوم وقمنا بتوصيله بطاقة 6 فولت وأرضي. تبع ذلك مرشح ممر النطاق. نطاق التردد العادي لإشارة PPG هو 0.5 هرتز إلى 5 هرتز [4]. باستخدام المعادلة f = 1 / RC ، قمنا بحساب قيم المقاوم والمكثف لمرشحات التمرير المنخفضة والعالية ، مما أدى إلى مكثف 1 μF مع المقاوم 330 kΩ لمرشح التمرير العالي ومكثف 68 nF بمقاوم 10 kΩ لـ مرشح الترددات المنخفضة. استخدمنا UA 741 op-amp بين المرشحات التي تم تشغيلها بـ 6V و -6V.

الخطوة 2: اختبر الدائرة على راسم الذبذبات

ثم قمنا ببناء الدائرة على لوح التجارب. بعد ذلك ، قمنا باختبار خرج الدائرة على الذبذبات للتحقق من أن إشارتنا كانت كما هو متوقع. كما هو موضح في الأشكال أعلاه ، نتج عن الدائرة إشارة قوية ومستقرة عند وضع إصبع فوق مؤشر LED الأخضر والترانزستور الضوئي. تختلف قوة الإشارة أيضًا بين الأفراد. في الأرقام اللاحقة ، يكون الشق ثنائي النواة واضحًا ومن الواضح أن معدل ضربات القلب أسرع من معدل ضربات القلب للفرد في الأرقام القليلة الأولى.

بمجرد التأكد من أن الإشارة كانت جيدة ، شرعنا بعد ذلك في Arduino Uno.

الخطوة 3: قم بتوصيل Breadboard بـ Arduino Uno

لقد قمنا بتوصيل الإخراج (عبر المكثف الثاني C2 في التخطيطي والأرضي) بدبوس A0 (أحيانًا A3) على Arduino والسكك الأرضية على لوح التجارب بدبوس GND على Arduino.

انظر إلى الصور أعلاه للحصول على الكود الذي استخدمناه. تم استخدام الكود من الملحق أ لإظهار الرسم البياني لإشارة الجهاز التنفسي. تم استخدام الكود الموجود في الملحق B للحصول على مصباح LED مدمج في وميض Arduino لكل نبضة قلب وطباعة معدل ضربات القلب.

الخطوة 4: نصائح يجب وضعها في الاعتبار

في الورقة البحثية لشبكة مستشعر الجسم لمراقبة الصحة المتنقلة ، ونظام التشخيص والتوقع ، طور الباحث يوهان وانينبيرج وآخرون ، نموذجًا رياضيًا لإشارة PPG نقية [5]. عند مقارنة شكل الإشارة النقية بإشارتنا - لشخص فردي - (الأشكال 3 ، 4 ، 5 ، 6) ، هناك بعض الاختلافات الواضحة. أولاً ، كانت إشارتنا للخلف ، وبالتالي فإن الشق المزدوج على الجانب الأيسر من كل قمة بدلاً من الجانب الأيمن. أيضًا ، كانت الإشارة مختلفة اختلافًا كبيرًا بين كل شخص ، لذلك في بعض الأحيان لم تكن الشق المزدوج واضحًا (الأشكال 3 ، 4) وأحيانًا كانت كذلك (الأشكال 5 ، 6). كان الاختلاف الملحوظ الآخر هو أن إشارتنا لم تكن مستقرة كما كنا نرغب. لقد أدركنا أنها حساسة للغاية ، وأن أصغر دفع للطاولة أو أي سلك سيغير الطريقة التي يبدو بها خرج راسم الذبذبات.

بالنسبة للبالغين (فوق 18 عامًا) ، يجب أن يكون متوسط معدل ضربات القلب أثناء الراحة بين 60 و 100 نبضة في الدقيقة [6]. في الشكل 8 ، كانت معدلات ضربات القلب للفرد الذي يجري اختباره بين هاتين القيمتين ، مما يشير إلى أنها تبدو دقيقة. لم تتح لنا الفرصة لحساب معدل ضربات القلب بجهاز مختلف ومقارنته بمستشعر PPG الخاص بنا ، ولكن من المحتمل أن يكون قريبًا من الدقة. كان هناك أيضًا العديد من العوامل التي لم نتمكن من التحكم فيها ، مما أدى إلى اختلاف النتائج. كان مقدار الإضاءة المحيطة مختلفًا في كل مرة اختبرناها لأننا كنا إما في موقع مختلف ، وكان هناك ظل على الجهاز ، استخدمنا سوارًا في بعض الأحيان. أدى وجود إضاءة محيطة أقل إلى جعل الإشارة أكثر وضوحًا ، ولكن تغيير ذلك كان خارج نطاق سيطرتنا وبالتالي أثر على نتائجنا. قضية أخرى هي درجة الحرارة. وجدت الدراسة التي أجراها Mussabir Khan et al. بعنوان استثمار تأثيرات درجة الحرارة على التصوير الضوئي ، أن ارتفاع درجات حرارة اليد أدى إلى تحسين جودة ودقة PPG [7]. لقد لاحظنا بالفعل أنه إذا كان لدى أحدنا أصابع باردة ، فستكون الإشارة ضعيفة ولن نتمكن من تحديد الشق المزدوج مقارنة بشخص لديه أصابع أكثر دفئًا. أيضًا ، نظرًا لحساسية الجهاز ، كان من الصعب الحكم على ما إذا كان إعداد الجهاز في أفضل حالاته ليعطينا أفضل إشارة أم لا. لهذا السبب ، كان علينا العبث باللوحة في كل مرة نقوم فيها بالإعداد والتحقق من الاتصالات على اللوحة قبل أن نتمكن من توصيلها بـ Arduino وإلقاء نظرة على الإخراج الذي أردناه. نظرًا لوجود العديد من العوامل التي تلعب دورًا في إعداد اللوح ، فإن ثنائي الفينيل متعدد الكلور سيقلل منها بشكل كبير ويعطينا مخرجات أكثر دقة. لقد قمنا ببناء مخططنا في Autodesk Eagle لإنشاء تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور ثم دفعناه إلى AutoDesk Fusion 360 للعرض المرئي للشكل الذي ستبدو عليه اللوحة.

الخطوة 5: تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

أعدنا إنتاج المخطط في AutoDesk Eagle واستخدمنا مولد اللوحة لإنشاء تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لقد دفعنا التصميم أيضًا إلى AutoDesk Fusion 360 للعرض المرئي للشكل الذي ستبدو عليه اللوحة.

الخطوة السادسة: الخاتمة

في الختام ، تعلمنا كيفية تطوير تصميم لدائرة إشارة PPG ، وقمنا ببنائها واختبارها. لقد نجحنا في بناء دائرة بسيطة نسبيًا لتقليل مقدار الضوضاء المحتملة في الخرج ولا يزال لدينا إشارة قوية. اختبرنا الدائرة على أنفسنا ووجدنا أنها كانت حساسة بعض الشيء ولكن مع بعض التغيير والتبديل في الدائرة (جسديًا ، وليس التصميم) ، تمكنا من الحصول على إشارة قوية. استخدمنا خرج الإشارة لحساب معدل ضربات قلب المستخدم وإخراجها وإشارة التنفس إلى واجهة المستخدم الرائعة في Arduino. استخدمنا أيضًا مصباح LED المدمج في Arduino ليومض مع كل نبضة قلب ، مما يجعله واضحًا للمستخدم عندما كان قلبه ينبض بالضبط.

يحتوي PPG على العديد من التطبيقات المحتملة ، وبساطته وفعاليته من حيث التكلفة تجعله مفيدًا للاندماج في الأجهزة الذكية. نظرًا لأن الرعاية الصحية الشخصية أصبحت أكثر شيوعًا في السنوات الأخيرة ، فمن الضروري أن تكون هذه التكنولوجيا مصممة لتكون بسيطة ورخيصة بحيث يمكن الوصول إليها في جميع أنحاء العالم لأي شخص يحتاج إليها [9]. بحثت مقالة حديثة في استخدام PPG للتحقق من ارتفاع ضغط الدم - ووجدوا أنه يمكن استخدامه مع أجهزة قياس ضغط الدم الأخرى [10]. ربما هناك المزيد الذي يمكن اكتشافه وابتكاره في هذا الاتجاه ، وبالتالي ينبغي اعتبار PPG كأداة مهمة في الرعاية الصحية الآن وفي المستقبل.

الخطوة 7: المراجع

[1] A. M. García و P. R. Horche ، "تحسين مصدر الضوء في جهاز مكتشف الوريد ثنائي الفوتون: التحليل التجريبي والنظري ،" النتائج في الفيزياء ، المجلد. 11 ، ص 975-983 ، 2018. [2] J. Allen ، "Photoplethysmography وتطبيقه في القياس الفسيولوجي السريري ،" الفسيولوجية القياس ، المجلد. 28 ، لا. 3 ، 2007.

[3] "قياس القلب - كيف يعمل ECG و PPG؟" ، المشاعر. [متصل]. متاح: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [تم الوصول إليه: 10-Dec-2019].

[4] طلب تصنيف DE NOVO لميزة الإخطار الإيقاعي غير المنتظم..

[5] S. Bagha and L. Shaw ، "تحليل في الوقت الحقيقي لإشارة PPG لقياس SpO2 ومعدل النبض ،" المجلة الدولية لتطبيقات الكمبيوتر ، المجلد. 36 ، لا. 11 ، ديسمبر 2011.

[6] ونينبورج ، جوهان ومالكيان ورضا. (2015). شبكة استشعار الجسم لمراقبة الصحة المتنقلة ، ونظام التشخيص والتوقع. مجلة المجسات ، IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109 / JSEN.2015.2464773.

[7] "ما هو معدل ضربات القلب الطبيعي؟" LiveScience. [متصل]. متاح: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [تم الوصول إليه: 10-Dec-2019].

[8] M. Khan، C. G Pretty، A. C Amies، R. Elliott، G. M Shaw، and J. G Chase، “Investigating the Temperature of Temperature on Photoplethysmography،” IFAC-PapersOnLine، vol. 48 ، لا. 20 ، ص 360–365 ، 2015.

[9] M. Ghamari ، "مراجعة لأجهزة استشعار التصوير الضوئي القابلة للارتداء وتطبيقاتها المستقبلية المحتملة في مجال الرعاية الصحية ،" المجلة الدولية للمستشعرات الحيوية والبيولوجية الإلكترونية ، المجلد. 4 ، لا. 4 ، 2018.

[10] M. Elgendi، R. Fletcher، Y. Liang، N. Howard، NH Lovell، D. Abbott، K. Lim، and R. Ward، "The use of photoplethysmography for تقييم ارتفاع ضغط الدم،" npj Digital Medicine، vol. 2 ، لا. 1 ، 2019.