Het meten van uw hartslag is binnen handbereik: fotoplethysmografie-benadering voor het bepalen van uw hartslag - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Een fotoplethysmograaf (PPG) is een eenvoudige en goedkope optische techniek die vaak wordt gebruikt om veranderingen in het bloedvolume in een microvasculair weefselbed te detecteren. Het wordt meestal niet-invasief gebruikt om metingen uit te voeren aan het oppervlak van de huid, meestal een vinger. De golfvorm van de PPG heeft een pulserende (AC) fysiologische golfvorm vanwege cardiale synchrone veranderingen in het bloedvolume bij elke hartslag. De AC-golf wordt vervolgens gesuperponeerd op een langzaam veranderende (DC) basislijn met verschillende componenten met een lagere frequentie die te wijten zijn aan ademhaling, activiteit van het sympathische zenuwstelsel en thermoregulatie. Een PPG-signaal kan worden gebruikt om zuurstofsaturatie, bloeddruk en hartminuutvolume te meten, om het hartminuutvolume te controleren en mogelijk perifere vaatziekte te detecteren [1].

Het apparaat dat we maken is een vingerfotoplethysmograaf voor het hart. Het is ontworpen voor de gebruiker om zijn vinger in de manchet over een led en fototransistor te plaatsen. Het apparaat knippert dan voor elke hartslag (op de Arduino) en berekent de hartslag en voert deze uit naar het scherm. Het zal ook laten zien hoe het ademhalingssignaal eruit ziet, zodat de patiënt het mogelijk kan vergelijken met zijn eerdere gegevens.

Een PPG kan de volumetrische verandering in het bloedvolume meten door de lichttransmissie of reflectie te meten. Elke keer dat het hart pompt, stijgt de bloeddruk in de linker hartkamer. De hoge druk zorgt ervoor dat de slagaders bij elke slag een beetje uitpuilen. De drukverhoging veroorzaakt een meetbaar verschil in de hoeveelheid licht die wordt teruggekaatst en de amplitude van het lichtsignaal is recht evenredig met de polsdruk [2].

Een soortgelijk apparaat is de Apple Watch PPG-sensor. Het analyseert hartslaggegevens en gebruikt het om mogelijke episodes van onregelmatige hartritmes te detecteren die consistent zijn met AFib. Het maakt gebruik van groene LED-lampjes en lichtgevoelige fotodiodes om te kijken naar relatieve veranderingen in de hoeveelheid bloed die op een bepaald moment in de pols van de gebruiker stroomt. Het gebruikt de veranderingen om de hartslag te meten en wanneer de gebruiker stilstaat, kan de sensor individuele pulsen detecteren en de beat-to-beat intervallen meten [3].

Benodigdheden

Allereerst hebben we voor het bouwen van het circuit een breadboard gebruikt, (1) groene LED, (1) fototransistor, (1) 220 Ω weerstand, (1) 15 kΩ weerstand, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 μF condensator, (1) 68 nF condensator, UA 741 op-amp en draden.

Vervolgens gebruikten we om het circuit te testen een functiegenerator, voeding, oscilloscoop, krokodillenklemmen. Om het signaal ten slotte naar een gebruiksvriendelijke gebruikersinterface te sturen, gebruikten we een laptop met Arduino-software en een Arduino Uno.

Stap 1: Teken het schema uit

We begonnen met het tekenen van een eenvoudig schema om het PPG-signaal vast te leggen. Omdat PPG LED gebruikt, hebben we eerst een groene LED in serie geschakeld met een weerstand van 220 Ω en deze aangesloten op 6V-voeding en aarde. De volgende stap was om het PPG-signaal vast te leggen met behulp van een fototransistor. Net als bij de LED hebben we deze in serie gezet met een 15 kΩ en aangesloten op 6V voeding en massa. Dit werd gevolgd door een banddoorlaatfilter. Het normale frequentiebereik van een PPG-signaal is 0,5 Hz tot 5 Hz [4]. Met behulp van de vergelijking f = 1/RC hebben we de weerstands- en condensatorwaarden voor de laag- en hoogdoorlaatfilters berekend, wat resulteert in een condensator van 1 F met een weerstand van 330 kΩ voor het hoogdoorlaatfilter en een condensator van 68 nF met een weerstand van 10 kΩ voor het laagdoorlaatfilter. We gebruikten de UA 741 op-amp tussen de filters die werd gevoed met 6V en -6V.

Stap 2: Test het circuit op een oscilloscoop

Vervolgens hebben we het circuit op een breadboard gebouwd. Daarna hebben we de circuituitgang op de oscilloscoop getest om te controleren of ons signaal was zoals verwacht. Zoals te zien is in de bovenstaande figuren, resulteerde de schakeling in een sterk, stabiel signaal wanneer een vinger over de groene LED en fototransistor werd geplaatst. De signaalsterkte varieert ook van persoon tot persoon. In de latere figuren is de dicrotische inkeping duidelijk en is het duidelijk dat de hartslag sneller is dan die van het individu in de eerste paar figuren.

Toen we eenmaal zeker waren dat het signaal goed was, gingen we verder met een Arduino Uno.

Stap 3: Verbind Breadboard met een Arduino Uno

We hebben de uitgang (over de tweede condensator C2 in het schema en aarde) aangesloten op pin A0 (soms A3) op de Arduino en de grondrail op het breadboard op een GND-pin op de Arduino.

Zie de afbeeldingen hierboven voor de code die we hebben gebruikt. De code uit appendix A is gebruikt om de grafiek van het ademsignaal weer te geven. De code uit bijlage B werd gebruikt om een ingebouwde LED op de Arduino te laten knipperen voor elke hartslag en uit te printen wat de hartslag is.

Stap 4: Tips om in gedachten te houden

In de paper Body Sensor Network for Mobile Health Monitoring, A Diagnosis and Anticipating System ontwikkelden de onderzoeker Johan Wannenburg et al. een wiskundig model van een puur PPG-signaal [5]. Bij het vergelijken van de vorm van een zuiver signaal met ons signaal - van een individuele persoon - (figuren 3, 4, 5, 6), zijn er weliswaar enkele duidelijke verschillen. Ten eerste was ons signaal achteruit, dus de dicrotische inkeping aan de linkerkant van elke piek in plaats van aan de rechterkant. Ook was het signaal enorm verschillend tussen elke persoon, dus soms was de dicrotische inkeping niet duidelijk (figuren 3, 4) en soms was het (figuren 5, 6). Een ander opmerkelijk verschil was dat ons signaal niet zo stabiel was als we hadden gewild. We realiseerden ons dat het erg gevoelig was en dat het kleinste duwtje van de tafel of een draad het uiterlijk van de oscilloscoop zou veranderen.

Voor volwassenen (ouder dan 18 jaar) moet de gemiddelde hartslag in rust tussen 60 en 100 slagen per minuut liggen [6]. In figuur 8 lagen de hartslagen van de persoon die werd getest allemaal tussen deze twee waarden, wat aangeeft dat deze nauwkeurig lijkt te zijn. We hebben niet de kans gekregen om de hartslag met een ander apparaat te berekenen en te vergelijken met onze PPG-sensor, maar het is waarschijnlijk dat het bijna nauwkeurig zou zijn. Er waren ook veel factoren die we niet konden controleren, wat leidde tot de variatie in resultaten. De hoeveelheid omgevingslicht was elke keer dat we het testten anders, omdat we ofwel op een andere locatie waren, er was een schaduw over het apparaat, we gebruikten soms een manchet. Het hebben van minder omgevingsverlichting maakte het signaal duidelijker, maar het veranderen daarvan was buiten onze controle en beïnvloedde dus onze resultaten. Een ander probleem is de temperatuur. In de studie Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography door Mussabir Khan et al. ontdekten de onderzoekers dat warmere handtemperaturen de PPG-kwaliteit en nauwkeurigheid verbeterden [7]. We merkten zelfs dat als een van ons koude vingers had, het signaal slecht zou zijn en we de dicrotische inkeping niet konden onderscheiden in vergelijking met iemand met warmere vingers. Vanwege de gevoeligheid van het apparaat was het ook moeilijk om te beoordelen of de opstelling van het apparaat optimaal was om ons het beste signaal te geven. Daarom moesten we elke keer dat we het bord installeerden en de verbindingen op het bord controleren voordat we het op de Arduino konden aansluiten en naar de output konden kijken die we wilden. Omdat er zoveel factoren zijn die een rol spelen bij een breadboard-opstelling, zou een PCB deze aanzienlijk verminderen en ons een nauwkeuriger resultaat geven. We hebben ons schema in Autodesk Eagle gebouwd om een PCB-ontwerp te maken en het vervolgens naar AutoDesk Fusion 360 gepusht voor een visuele weergave van hoe het bord eruit zou zien.

Stap 5: PCB-ontwerp

We hebben het schema gereproduceerd in AutoDesk Eagle en de printgenerator gebruikt om het PCB-ontwerp te maken. We hebben het ontwerp ook naar AutoDesk Fusion 360 gepusht voor visuele weergave van hoe het bord eruit zou zien.

Stap 6: Conclusie

Tot slot hebben we geleerd hoe we een ontwerp voor een PPG-signaalcircuit kunnen ontwikkelen, bouwen en testen. We zijn erin geslaagd een relatief eenvoudig circuit te bouwen om de hoeveelheid mogelijke ruis in de output te verminderen en toch een sterk signaal te hebben. We hebben het circuit op onszelf getest en ontdekten dat het een beetje gevoelig was, maar met wat aanpassingen aan het circuit (fysiek, niet het ontwerp), konden we een sterk signaal krijgen. We gebruikten de signaaluitvoer om de hartslag van de gebruiker te berekenen en voerden deze en het ademhalingssignaal uit naar de mooie gebruikersinterface van Arduino. We gebruikten ook de ingebouwde LED op Arduino om te knipperen voor elke hartslag, zodat het voor de gebruiker duidelijk was wanneer zijn hart precies klopte.

PPG heeft veel potentiële toepassingen en de eenvoud en kosteneffectiviteit maken het nuttig om te integreren in slimme apparaten. Aangezien persoonlijke gezondheidszorg de laatste jaren populairder is geworden, is het absoluut noodzakelijk dat deze technologie zo eenvoudig en goedkoop wordt ontworpen dat deze over de hele wereld toegankelijk kan zijn voor iedereen die het nodig heeft [9]. In een recent artikel werd gekeken naar het gebruik van PPG om hypertensie te controleren - en ze ontdekten dat het gebruikt kon worden in combinatie met andere bloeddrukmeters [10]. Wellicht valt er meer te ontdekken en te innoveren in deze richting, en zou PPG dus gezien moeten worden als een belangrijk instrument in de zorg nu en in de toekomst.

Stap 7: Referenties

[1] A. M. García en P. R. Horche, "Lichtbron optimaliseren in een biphotonic vein finder-apparaat: experimentele en theoretische analyse", Results in Physics, vol. 11, blz. 975-983, 2018. [2] J. Allen, "Photoplethysmography en de toepassing ervan in klinische fysiologische metingen", Physiological Measurement, vol. 28, nee. 3, 2007.

[3] "Het hart meten - Hoe werken ECG en PPG?," imotions. [Online]. Beschikbaar: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Betreden: 10-dec-2019].

[4] DE NOVO CLASSIFICATIEVERZOEK VOOR ONREGELMATIGE RITME MELDINGSFUNCTIE..

[5] S. Bagha en L. Shaw, "A Real Time Analysis of PPG Signal for Measurement of SpO2 and Pulse Rate", International Journal of Computer Applications, vol. 36, nee. 11 december 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Body Sensor Network voor mobiele gezondheidsmonitoring, een diagnose- en anticipatiesysteem. Sensoren Journal, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] "Wat is een normale hartslag?," WordsSideKick.com. [Online]. Beschikbaar: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Betreden: 10-dec-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw en J. G. Chase, "Onderzoek naar de effecten van temperatuur op fotoplethysmografie", IFAC-PapersOnLine, vol. 48, nee. 20, blz. 360-365, 2015.

[9] M. Ghamari, "Een overzicht van draagbare fotoplethysmografiesensoren en hun potentiële toekomstige toepassingen in de gezondheidszorg", International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, nee. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim en R. Ward, "Het gebruik van fotoplethysmografie voor het beoordelen van hypertensie", npj Digital Medicine, vol. 2, nee. 1, 2019.