आपकी हृदय गति को मापना आपकी उंगली की नोक पर है: हृदय गति निर्धारित करने के लिए फोटोप्लेथिस्मोग्राफी दृष्टिकोण: 7 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:20

एक photoplethysmograph (PPG) एक सरल और कम लागत वाली ऑप्टिकल तकनीक है जिसका उपयोग अक्सर ऊतक के सूक्ष्म संवहनी बिस्तर में रक्त की मात्रा में परिवर्तन का पता लगाने के लिए किया जाता है। यह ज्यादातर गैर-आक्रामक रूप से त्वचा की सतह पर माप करने के लिए उपयोग किया जाता है, आमतौर पर एक उंगली। प्रत्येक दिल की धड़कन के साथ रक्त की मात्रा में कार्डियक सिंक्रोनस परिवर्तन के कारण पीपीजी की तरंग में एक स्पंदनात्मक (एसी) शारीरिक तरंग होती है। एसी तरंग को धीरे-धीरे बदलते (डीसी) बेसलाइन पर अलग-अलग निम्न आवृत्ति घटकों के साथ आरोपित किया जाता है जो श्वसन, सहानुभूति तंत्रिका तंत्र गतिविधि और थर्मोरेग्यूलेशन के कारण होते हैं। कार्डियक आउटपुट की जांच करने और संभावित रूप से परिधीय संवहनी रोग का पता लगाने के लिए ऑक्सीजन संतृप्ति, रक्तचाप और कार्डियक आउटपुट को मापने के लिए एक पीपीजी सिग्नल का उपयोग किया जा सकता है।

हम जो डिवाइस बना रहे हैं, वह दिल के लिए फिंगर फोटोप्लेथिस्मोग्राफ है। यह उपयोगकर्ता के लिए एक एलईडी और फोटोट्रांसिस्टर पर कफ में अपनी उंगली रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। डिवाइस तब प्रत्येक दिल की धड़कन (Arduino पर) के लिए झपकाएगा और हृदय गति की गणना करेगा और इसे स्क्रीन पर आउटपुट करेगा। यह यह भी दिखाएगा कि श्वसन संकेत कैसा दिखता है ताकि रोगी संभवतः इसकी तुलना अपने पिछले डेटा से कर सके।

एक PPG प्रकाश संचरण या परावर्तन को मापकर रक्त की मात्रा में बड़े परिवर्तन को माप सकता है। हर बार जब हृदय पंप करता है, तो बाएं वेंट्रिकल में रक्तचाप बढ़ जाता है। उच्च दबाव के कारण धमनियां प्रत्येक धड़कन के साथ थोड़ी उभारी जाती हैं। दबाव में वृद्धि से वापस परावर्तित प्रकाश की मात्रा में एक औसत दर्जे का अंतर होता है और प्रकाश संकेत का आयाम सीधे नाड़ी के दबाव के समानुपाती होता है [2]।

ऐसा ही एक उपकरण Apple Watch PPG सेंसर है। यह पल्स रेट डेटा का विश्लेषण करता है और इसका उपयोग AFib के अनुरूप अनियमित हृदय ताल के संभावित एपिसोड का पता लगाने के लिए करता है। यह किसी भी समय उपयोगकर्ता की कलाई में बहने वाले रक्त की मात्रा में सापेक्ष परिवर्तन देखने के लिए प्रकाश-संवेदनशील फोटोडायोड के साथ हरी एलईडी रोशनी का उपयोग करता है। यह हृदय गति को मापने के लिए परिवर्तनों का उपयोग करता है और जब उपयोगकर्ता स्थिर होता है, तो सेंसर अलग-अलग दालों का पता लगा सकता है और बीट-टू-बीट अंतराल को माप सकता है [3]।

आपूर्ति

सबसे पहले, सर्किट के निर्माण के लिए हमने एक ब्रेडबोर्ड का उपयोग किया, (1) हरी एलईडी, (1) फोटोट्रांसिस्टर, (1) 220 रेसिस्टर, (1) 15 kΩ रेसिस्टर, (2) 330 kΩ, (1) 2.2 kΩ, (१) १० kΩ, (१) १ μF संधारित्र, (१) ६८ nF संधारित्र, UA ७४१ op-amp और तार।

अगला, सर्किट का परीक्षण करने के लिए हमने एक फ़ंक्शन जनरेटर, बिजली की आपूर्ति, आस्टसीलस्कप, मगरमच्छ क्लिप का उपयोग किया। अंत में, उपयोगकर्ता के अनुकूल UI को सिग्नल आउटपुट करने के लिए हमने Arduino Software और Arduino Uno के साथ एक लैपटॉप का उपयोग किया।

चरण 1: योजनाबद्ध ड्रा करें

हमने पीपीजी सिग्नल को पकड़ने के लिए एक सरल योजना बनाकर शुरुआत की। चूंकि पीपीजी एलईडी का उपयोग करता है, इसलिए हमने पहले 220 रेसिस्टर के साथ श्रृंखला में एक हरे रंग की एलईडी को जोड़ा और इसे 6V पावर और ग्राउंड से जोड़ा। अगला कदम एक फोटोट्रांसिस्टर का उपयोग करके पीपीजी सिग्नल को कैप्चर करना था। एलईडी के समान, हमने इसे 15 kΩ के साथ श्रृंखला में रखा और इसे 6V पावर और ग्राउंड से जोड़ा। इसके बाद बैंडपास फिल्टर लगाया गया। पीपीजी सिग्नल की सामान्य आवृत्ति रेंज 0.5 हर्ट्ज से 5 हर्ट्ज [4] है। समीकरण f = 1/RC का उपयोग करते हुए, हमने निम्न और उच्च पास फिल्टर के लिए रोकनेवाला और संधारित्र मूल्यों की गणना की, जिसके परिणामस्वरूप उच्च पास फिल्टर के लिए 330 kΩ रोकनेवाला के साथ 1 μF संधारित्र और 10 kΩ रोकनेवाला के साथ 68 nF संधारित्र प्राप्त हुआ। कम पास फिल्टर। हमने 6V और -6V के साथ संचालित फिल्टर के बीच में UA 741 op-amp का उपयोग किया।

चरण 2: एक ऑसिलोस्कोप पर सर्किट का परीक्षण करें

हमने फिर सर्किट को ब्रेडबोर्ड पर बनाया। इसके बाद, हमने यह जांचने के लिए आस्टसीलस्कप पर सर्किट आउटपुट का परीक्षण किया कि हमारा सिग्नल अपेक्षित था। जैसा कि ऊपर के आंकड़ों में देखा गया है, जब हरे रंग की एलईडी और फोटोट्रांसिस्टर के ऊपर एक उंगली रखी जाती है, तो सर्किट एक मजबूत, स्थिर संकेत में परिणत होता है। सिग्नल की शक्ति भी व्यक्तियों के बीच भिन्न होती है। बाद के आंकड़ों में, द्विअर्थी पायदान स्पष्ट है और यह स्पष्ट है कि हृदय गति पहले कुछ आंकड़ों में व्यक्ति की तुलना में तेज है।

एक बार जब हमें यकीन हो गया कि सिग्नल अच्छा है, तो हम एक Arduino Uno के साथ आगे बढ़े।

चरण 3: ब्रेडबोर्ड को एक Arduino Uno. से कनेक्ट करें

हमने Arduino पर A0 (कभी-कभी A3) और ब्रेडबोर्ड पर ग्राउंड रेल को Arduino पर GND पिन से पिन करने के लिए आउटपुट (योजनाबद्ध और जमीन में दूसरे कैपेसिटर C2 के पार) को कनेक्ट किया।

हमारे द्वारा उपयोग किए गए कोड के लिए उपरोक्त चित्र देखें। परिशिष्ट ए के कोड का उपयोग श्वसन संकेत के ग्राफ को दिखाने के लिए किया गया था। परिशिष्ट बी के कोड का उपयोग प्रत्येक दिल की धड़कन के लिए Arduino ब्लिंक पर एक अंतर्निर्मित एलईडी के लिए किया गया था और प्रिंट किया गया था कि हृदय गति क्या है।

चरण 4: ध्यान रखने योग्य युक्तियाँ

पेपर बॉडी सेंसर नेटवर्क फॉर मोबाइल हेल्थ मॉनिटरिंग, ए डायग्नोसिस एंड एंटिपेटिंग सिस्टम में, शोधकर्ता जोहान वाननबर्ग एट अल। ने शुद्ध पीपीजी सिग्नल का गणितीय मॉडल विकसित किया [5]। एक शुद्ध सिग्नल के आकार की तुलना हमारे सिग्नल से - एक व्यक्ति के - (आंकड़े 3, 4, 5, 6) में, निश्चित रूप से, कुछ स्पष्ट अंतर हैं। सबसे पहले, हमारा संकेत पिछड़ा हुआ था, इसलिए प्रत्येक चोटी के बाईं ओर दाईं ओर के बजाय द्विबीजपत्री पायदान। इसके अलावा, संकेत प्रत्येक व्यक्ति के बीच काफी भिन्न था, इसलिए कभी-कभी द्विअर्थी पायदान स्पष्ट नहीं था (आंकड़े 3, 4) और कभी-कभी यह (आंकड़े 5, 6) था। एक और उल्लेखनीय अंतर यह था कि हमारा सिग्नल उतना स्थिर नहीं था जितना हम चाहेंगे। हमने महसूस किया कि यह बहुत संवेदनशील था, और टेबल या किसी भी तार की सबसे छोटी कुहनी से आस्टसीलस्कप आउटपुट देखने का तरीका बदल जाएगा।

वयस्कों (18 वर्ष से अधिक) के लिए औसत आराम दिल की दर 60 और 100 बीट प्रति मिनट [6] के बीच होनी चाहिए। चित्र 8 में, परीक्षण किए जा रहे व्यक्ति की हृदय गति इन दो मूल्यों के बीच थी, यह दर्शाता है कि यह सटीक प्रतीत होता है। हमें एक अलग डिवाइस के साथ हृदय गति की गणना करने और इसे हमारे पीपीजी सेंसर से तुलना करने का मौका नहीं मिला, लेकिन संभावना है कि यह सटीक के करीब होगा। ऐसे कई कारक भी थे जिन्हें हम नियंत्रित नहीं कर सके, इस प्रकार परिणामों में भिन्नता आई। हर बार जब हमने इसका परीक्षण किया तो परिवेश प्रकाश की मात्रा अलग थी क्योंकि हम या तो एक अलग स्थान पर थे, डिवाइस पर एक छाया थी, हम कभी-कभी कफ का इस्तेमाल करते थे। कम परिवेशी बिजली होने से सिग्नल स्पष्ट हो गया, लेकिन इसे बदलना हमारे नियंत्रण से बाहर था और इस तरह हमारे परिणाम प्रभावित हुए। एक और मुद्दा तापमान है। मुसाबीर खान एट अल द्वारा फोटोप्लेथिस्मोग्राफी पर तापमान के प्रभाव का अध्ययन, शोधकर्ताओं ने पाया कि गर्म हाथ के तापमान ने पीपीजी गुणवत्ता और सटीकता में सुधार किया [7]। हमने वास्तव में देखा कि अगर हम में से किसी की उंगलियां ठंडी होती हैं, तो संकेत खराब होगा और हम गर्म उंगलियों वाले व्यक्ति की तुलना में द्विअर्थी पायदान नहीं बना सकते। साथ ही, डिवाइस की संवेदनशीलता के कारण, यह तय करना मुश्किल था कि डिवाइस सेट-अप हमें सबसे अच्छा सिग्नल देने के लिए इष्टतम था या नहीं। इस वजह से, हमें हर बार जब हम सेट-अप करते हैं और बोर्ड पर कनेक्शन की जांच करते हैं, तो हम इसे Arduino से कनेक्ट कर सकते हैं और हम जो आउटपुट चाहते हैं उसे देख सकते हैं। चूंकि ब्रेडबोर्ड सेट-अप के लिए बहुत सारे कारक काम में आते हैं, एक पीसीबी उन्हें बहुत कम कर देगा और हमें अधिक सटीक आउटपुट देगा। हमने पीसीबी डिजाइन बनाने के लिए ऑटोडेस्क ईगल में अपना योजनाबद्ध निर्माण किया और फिर बोर्ड की तरह दिखने वाले दृश्य प्रतिपादन के लिए इसे ऑटोडेस्क फ्यूजन 360 पर धकेल दिया।

चरण 5: पीसीबी डिजाइन

हमने ऑटोडेस्क ईगल में योजनाबद्ध को पुन: पेश किया और पीसीबी डिजाइन बनाने के लिए इसके बोर्ड जनरेटर का उपयोग किया। हमने डिज़ाइन को ऑटोडेस्क फ़्यूज़न 360 पर भी धकेल दिया, ताकि बोर्ड कैसा दिखाई दे, इसके विज़ुअल रेंडरिंग के लिए।

चरण 6: निष्कर्ष

अंत में, हमने सीखा कि पीपीजी सिग्नल सर्किट के लिए एक डिज़ाइन कैसे विकसित किया जाए, इसे बनाया और इसका परीक्षण किया। हम आउटपुट में संभावित शोर की मात्रा को कम करने के लिए अपेक्षाकृत सरल सर्किट बनाने में सफल रहे और अभी भी एक मजबूत संकेत है। हमने अपने आप पर सर्किट का परीक्षण किया और पाया कि यह थोड़ा संवेदनशील था लेकिन सर्किट के कुछ बदलाव (शारीरिक रूप से, डिज़ाइन नहीं) के साथ, हम एक मजबूत संकेत प्राप्त करने में सक्षम थे। हमने उपयोगकर्ता की हृदय गति की गणना करने के लिए सिग्नल आउटपुट का उपयोग किया और इसे और श्वसन सिग्नल को Arduino के अच्छे UI के लिए आउटपुट किया। हमने हर दिल की धड़कन को झपकाने के लिए Arduino पर बिल्ट-इन LED का भी इस्तेमाल किया, जिससे उपयोगकर्ता को यह स्पष्ट हो गया कि वास्तव में उनका दिल कब धड़क रहा था।

पीपीजी में कई संभावित अनुप्रयोग हैं, और इसकी सादगी और लागत-प्रभावशीलता इसे स्मार्ट उपकरणों में एकीकृत करने के लिए उपयोगी बनाती है। जैसा कि हाल के वर्षों में व्यक्तिगत स्वास्थ्य देखभाल अधिक लोकप्रिय हो गई है, यह अनिवार्य है कि इस तकनीक को सरल और सस्ता बनाया गया है ताकि यह दुनिया भर में किसी भी व्यक्ति के लिए सुलभ हो सके [9]। हाल ही में एक लेख ने उच्च रक्तचाप की जांच के लिए पीपीजी का उपयोग करने पर ध्यान दिया - और उन्होंने पाया कि इसका उपयोग अन्य बीपी माप उपकरणों के साथ संयोजन में किया जा सकता है [10]। शायद इस दिशा में और भी बहुत कुछ खोजा और नया किया जा सकता है, और इस प्रकार पीपीजी को अभी और भविष्य में स्वास्थ्य सेवा में एक महत्वपूर्ण उपकरण के रूप में माना जाना चाहिए।

चरण 7: संदर्भ

[१] ए.एम. गार्सिया और पी.आर. होर्चे, "लाइट सोर्स ऑप्टिमाइज़िंग इन ए बाइफोटोनिक वेन फाइंडर डिवाइस: प्रायोगिक और सैद्धांतिक विश्लेषण," भौतिकी में परिणाम, वॉल्यूम। ११, पीपी. ९७५–९८३, २०१८।[2] जे एलन, "फोटोप्लेथिस्मोग्राफी और नैदानिक शारीरिक माप में इसका अनुप्रयोग," शारीरिक मापन, वॉल्यूम। 28, नहीं। 3, 2007.

[३] "दिल को मापना - ईसीजी और पीपीजी कैसे काम करते हैं?" भावनाएँ। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [एक्सेस: १०-दिसंबर-२०१९]।

[४] अनियमित ताल अधिसूचना सुविधा के लिए डे नोवो वर्गीकरण अनुरोध।.

[५] एस. बाघा और एल. शॉ, "एसपीओ2 और पल्स रेट के मापन के लिए पीपीजी सिग्नल का एक वास्तविक समय विश्लेषण," इंटरनेशनल जर्नल ऑफ कंप्यूटर एप्लीकेशन, वॉल्यूम। 36, नहीं। 11, दिसंबर 2011।

[६] वानेनबर्ग, जोहान और मालेकियन, रेजा। (2015)। मोबाइल स्वास्थ्य निगरानी के लिए बॉडी सेंसर नेटवर्क, एक निदान और प्रत्याशित प्रणाली। सेंसर जर्नल, आईईईई। 15. 6839-6852। 10.1109/जेएसईएन.2015.2464773।

[७] "सामान्य हृदय गति क्या है?" लाइवसाइंस। [ऑनलाइन]। उपलब्ध: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [एक्सेस: १०-दिसंबर-२०१९]।

[८] एम. खान, सी.जी. प्रिटी, ए.सी. एमीज़, आर. इलियट, जी.एम. शॉ, और जे.जी. चेज़, "इन्वेस्टिगेटिंग द इफेक्ट्स ऑफ़ टेम्परेचर ऑन फोटोप्लेथिस्मोग्राफी," आईएफएसी-पेपर्सऑनलाइन, वॉल्यूम। 48, नहीं। 20, पीपी. 360–365, 2015.

[९] एम. गमारी, "पहनने योग्य फोटोप्लेथिसमोग्राफी सेंसर और स्वास्थ्य देखभाल में उनके संभावित भविष्य के अनुप्रयोगों पर एक समीक्षा," बायोसेंसर और बायोइलेक्ट्रॉनिक के अंतर्राष्ट्रीय जर्नल, वॉल्यूम। 4, नहीं। 4, 2018।

[१०] एम। एलगेंडी, आर। फ्लेचर, वाई। लियांग, एन। हॉवर्ड, एनएच लोवेल, डी। एबॉट, के। लिम, और आर। वार्ड, "उच्च रक्तचाप का आकलन करने के लिए फोटोप्लेथिस्मोग्राफी का उपयोग," एनपीजे डिजिटल मेडिसिन, वॉल्यूम. २, नहीं। 1, 2019।