Mengukur Detak Jantung Anda Ada di Ujung Jari Anda: Pendekatan Photoplethysmography untuk Menentukan Detak Jantung: 7 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Photoplethysmograph (PPG) adalah teknik optik sederhana dan murah yang sering digunakan untuk mendeteksi perubahan volume darah di jaringan mikrovaskular. Ini sebagian besar digunakan secara non-invasif untuk melakukan pengukuran pada permukaan kulit, biasanya jari. Bentuk gelombang PPG memiliki bentuk gelombang fisiologis pulsatil (AC) karena perubahan sinkron jantung dalam volume darah dengan setiap detak jantung. Gelombang AC kemudian ditumpangkan pada dasar yang berubah secara perlahan (DC) dengan komponen frekuensi rendah yang berbeda yang disebabkan oleh respirasi, aktivitas sistem saraf simpatik, dan termoregulasi. Sinyal PPG dapat digunakan untuk mengukur saturasi oksigen, tekanan darah, dan curah jantung, untuk memeriksa curah jantung dan berpotensi mendeteksi penyakit pembuluh darah perifer [1].

Perangkat yang kami buat adalah photoplethysmograph jari untuk jantung. Ini dirancang bagi pengguna untuk menempatkan jari mereka di manset di atas led dan fototransistor. Perangkat kemudian akan berkedip untuk setiap detak jantung (pada Arduino) dan menghitung detak jantung dan menampilkannya ke layar. Ini juga akan menunjukkan seperti apa sinyal pernapasan sehingga pasien dapat membandingkannya dengan data mereka sebelumnya.

Sebuah PPG dapat mengukur perubahan volumetrik dalam volume darah dengan mengukur transmisi cahaya atau refleksi. Setiap kali jantung memompa, tekanan darah di ventrikel kiri meningkat. Tekanan tinggi menyebabkan arteri sedikit menonjol pada setiap denyut. Peningkatan tekanan menyebabkan perbedaan terukur dalam jumlah cahaya yang dipantulkan kembali dan amplitudo sinyal cahaya berbanding lurus dengan tekanan pulsa [2].

Perangkat serupa adalah sensor PPG Apple Watch. Ini menganalisis data denyut nadi dan menggunakannya untuk mendeteksi kemungkinan episode irama jantung tidak teratur yang konsisten dengan AFib. Ini menggunakan lampu LED hijau bersama dengan fotodioda peka cahaya untuk mencari perubahan relatif dalam jumlah darah yang mengalir di pergelangan tangan pengguna pada saat tertentu. Ini menggunakan perubahan untuk mengukur detak jantung dan ketika pengguna tidak bergerak, sensor dapat mendeteksi pulsa individu dan mengukur interval detak ke detak [3].

Perlengkapan

Pertama-tama, untuk membangun rangkaian kami menggunakan papan tempat memotong roti, (1) LED hijau, (1) fototransistor, (1) resistor 220, (1) resistor 15 kΩ, (2) 330 kΩ, (1) 2,2 kΩ, (1) 10 kΩ, (1) 1 F kapasitor, (1) 68 nF kapasitor, UA 741 op-amp dan kabel.

Selanjutnya, untuk menguji rangkaian kami menggunakan generator fungsi, catu daya, osiloskop, klip buaya. Terakhir, untuk mengeluarkan sinyal ke UI yang mudah digunakan, kami menggunakan laptop dengan Perangkat Lunak Arduino dan Arduino Uno.

Langkah 1: Gambar Skema

Kami mulai dengan menggambar skema sederhana untuk menangkap sinyal PPG. Karena PPG menggunakan LED, pertama-tama kami menghubungkan LED hijau secara seri dengan resistor 220 dan menghubungkannya ke daya dan ground 6V. Langkah selanjutnya adalah menangkap sinyal PPG menggunakan fototransistor. Mirip dengan LED, kami memasangnya secara seri dengan 15 kΩ dan menghubungkannya ke daya dan ground 6V. Ini diikuti oleh filter bandpass. Rentang frekuensi normal sinyal PPG adalah 0,5 Hz sampai 5 Hz [4]. Menggunakan persamaan f = 1/RC, kami menghitung nilai resistor dan kapasitor untuk filter lolos rendah dan tinggi, menghasilkan kapasitor 1 F dengan resistor 330 kΩ untuk filter lolos tinggi dan kapasitor 68 nF dengan resistor 10 kΩ untuk filter lolos rendah. Kami menggunakan op-amp UA 741 di antara filter yang ditenagai dengan 6V dan -6V.

Langkah 2: Uji Sirkuit pada Osiloskop

Kami kemudian membangun sirkuit di papan tempat memotong roti. Setelah itu, kami menguji keluaran rangkaian pada osiloskop untuk memeriksa apakah sinyal kami sesuai dengan yang diharapkan. Seperti terlihat pada gambar di atas, rangkaian menghasilkan sinyal yang kuat dan stabil ketika jari diletakkan di atas LED hijau dan fototransistor. Kekuatan sinyal juga bervariasi antar individu. Pada gambar selanjutnya, takik dikrotik terlihat jelas dan jelas bahwa detak jantung lebih cepat daripada individu pada beberapa gambar pertama.

Setelah kami yakin sinyalnya bagus, kami melanjutkan dengan Arduino Uno.

Langkah 3: Hubungkan Breadboard ke Arduino Uno

Kami menghubungkan output (melintasi kapasitor kedua C2 dalam skema dan ground) ke pin A0 (kadang-kadang A3) di Arduino dan ground rail di papan tempat memotong roti ke pin GND di Arduino.

Lihat gambar di atas untuk kode yang kami gunakan. Kode dari Lampiran A digunakan untuk menunjukkan grafik sinyal pernapasan. Kode dari Lampiran B digunakan untuk memiliki LED built-in pada Arduino yang berkedip untuk setiap detak jantung dan mencetak berapa detak jantungnya.

Langkah 4: Kiat yang Perlu Diingat

Dalam makalah Jaringan Sensor Tubuh untuk Pemantauan Kesehatan Seluler, Sistem Diagnosis dan Antisipasi, peneliti Johan Wannenburg et al., mengembangkan model matematika dari sinyal PPG murni [5]. Dalam membandingkan bentuk sinyal murni dengan sinyal kita - dari seseorang individu - (gambar 3, 4, 5, 6), diakui, ada beberapa perbedaan yang jelas. Pertama, sinyal kami mundur, jadi lekukan dikrotik di sisi kiri setiap puncak daripada di sisi kanan. Selain itu, sinyalnya sangat berbeda antara setiap orang, sehingga kadang-kadang takik dikrotik tidak terlihat (gambar 3, 4) dan kadang-kadang (gambar 5, 6). Perbedaan penting lainnya adalah sinyal kami tidak stabil seperti yang kami inginkan. Kami menyadari bahwa itu sangat sensitif, dan dorongan terkecil dari meja atau kabel apa pun akan mengubah tampilan keluaran osiloskop.

Untuk orang dewasa (di atas 18 tahun) rata-rata denyut jantung istirahat harus antara 60 dan 100 denyut per menit [6]. Pada Gambar 8, detak jantung individu yang sedang diuji semuanya berada di antara dua nilai ini, menunjukkan bahwa itu tampaknya akurat. Kami tidak mendapatkan kesempatan untuk menghitung detak jantung dengan perangkat yang berbeda dan membandingkannya dengan sensor PPG kami, tetapi kemungkinan itu akan mendekati akurat. Ada juga banyak faktor yang tidak dapat kami kendalikan, sehingga menyebabkan variasi dalam hasil. Jumlah pencahayaan sekitar berbeda setiap kali kami mengujinya karena kami berada di lokasi yang berbeda, ada bayangan di atas perangkat, kami terkadang menggunakan manset. Memiliki lebih sedikit petir di sekitar membuat sinyal lebih jelas, tetapi mengubah itu di luar kendali kami dan dengan demikian memengaruhi hasil kami. Masalah lainnya adalah suhu. Studi Investing the Effects of Temperature on Photoplethysmography oleh Mussabir Khan et al., para peneliti menemukan bahwa suhu tangan yang lebih hangat meningkatkan kualitas dan akurasi PPG [7]. Kami benar-benar memperhatikan bahwa jika salah satu dari kami memiliki jari yang dingin, sinyalnya akan buruk dan kami tidak dapat melihat lekukan dikrotik dibandingkan dengan orang yang memiliki jari yang lebih hangat. Selain itu, karena sensitivitas perangkat, sulit untuk menilai apakah pengaturan perangkat sudah optimal atau tidak untuk memberi kita sinyal terbaik. Karena itu, kami harus bermain-main dengan papan setiap kali kami mengatur dan memeriksa koneksi di papan sebelum kami dapat menghubungkannya ke Arduino dan melihat output yang kami inginkan. Karena ada begitu banyak faktor yang berperan dalam pengaturan papan tempat memotong roti, PCB akan sangat menguranginya dan memberi kita hasil yang lebih akurat. Kami membangun skema kami di Autodesk Eagle untuk membuat desain PCB dan kemudian mendorongnya ke AutoDesk Fusion 360 untuk rendering visual seperti apa papan itu nantinya.

Langkah 5: Desain PCB

Kami mereproduksi skema di AutoDesk Eagle dan menggunakan generator papannya untuk membuat desain PCB. Kami juga mendorong desain ke AutoDesk Fusion 360 untuk rendering visual seperti apa papan itu nantinya.

Langkah 6: Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, kami mempelajari cara mengembangkan desain untuk sirkuit sinyal PPG, membangunnya, dan mengujinya. Kami berhasil membangun sirkuit yang relatif sederhana untuk mengurangi jumlah kemungkinan noise pada output dan tetap memiliki sinyal yang kuat. Kami menguji sirkuit pada diri kami sendiri dan menemukan bahwa itu sedikit sensitif tetapi dengan beberapa penyesuaian sirkuit (secara fisik, bukan desain), kami bisa mendapatkan sinyal yang kuat. Kami menggunakan output sinyal untuk menghitung detak jantung pengguna dan mengeluarkannya dan sinyal respirasi ke UI Arduino yang bagus. Kami juga menggunakan LED bawaan pada Arduino untuk berkedip setiap detak jantung, membuatnya jelas bagi pengguna kapan tepatnya jantung mereka berdetak.

PPG memiliki banyak aplikasi potensial, dan kesederhanaan serta efektivitas biaya membuatnya berguna untuk diintegrasikan ke dalam perangkat pintar. Karena perawatan kesehatan pribadi telah menjadi lebih populer dalam beberapa tahun terakhir, sangat penting bahwa teknologi ini dirancang untuk menjadi sederhana dan murah sehingga dapat diakses di seluruh dunia untuk siapa saja yang membutuhkannya [9]. Sebuah artikel baru-baru ini meneliti penggunaan PPG untuk memeriksa hipertensi - dan mereka menemukan bahwa PPG dapat digunakan bersama dengan perangkat pengukuran tekanan darah lainnya [10]. Mungkin masih banyak lagi yang bisa ditemukan dan diinovasi ke arah ini, dan dengan demikian PPG harus dianggap sebagai alat penting dalam perawatan kesehatan sekarang dan di masa depan.

Langkah 7: Referensi

[1] A. M. García dan P. R. Horche, “Pengoptimalan sumber cahaya dalam perangkat pencari vena bifotonik: Analisis eksperimental dan teoretis,” Hasil dalam Fisika, vol. 11, hlm. 975–983, 2018.[2] J. Allen, "Photoplethysmography dan penerapannya dalam pengukuran fisiologis klinis, " Pengukuran Fisiologis, vol. 28, tidak. 3, 2007.

[3] “Mengukur Jantung - Bagaimana Cara Kerja EKG dan PPG?,” imosi. [On line]. Tersedia: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Diakses: 10-Des-2019].

[4] PERMINTAAN KLASIFIKASI DE NOVO UNTUK FITUR NOTIFIKASI Irama Irama..

[5] S. Bagha dan L. Shaw, "A Real Time Analisis Sinyal PPG untuk Pengukuran SpO2 dan Pulse Rate," Jurnal Internasional Aplikasi Komputer, vol. 36, tidak. 11 Desember 2011.

[6] Wannenburg, Johan & Malekian, Reza. (2015). Jaringan Sensor Tubuh untuk Pemantauan Kesehatan Seluler, Sistem Diagnosis dan Antisipasi. Jurnal Sensor, IEEE. 15. 6839-6852. 10.1109/JSEN.2015.2464773.

[7] “Apa Itu Detak Jantung Normal?,” LiveScience. [On line]. Tersedia: https://imotions.com/blog/measuring-the-heart-how… [Diakses: 10-Des-2019].

[8] M. Khan, C. G. Pretty, A. C. Amies, R. Elliott, G. M. Shaw, dan J. G. Chase, “Investigating the Effects of Temperature on Photoplethysmography,” IFAC-PapersOnLine, vol. 48, tidak. 20, hlm. 360–365, 2015.

[9] M. Ghamari, “Sebuah tinjauan tentang sensor photoplethysmography yang dapat dipakai dan aplikasi potensial mereka di masa depan dalam perawatan kesehatan,” International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol. 4, tidak. 4, 2018.

[10] M. Elgendi, R. Fletcher, Y. Liang, N. Howard, NH Lovell, D. Abbott, K. Lim, dan R. Ward, “Penggunaan photoplethysmography untuk menilai hipertensi,” npj Digital Medicine, vol. 2, tidak. 1, 2019.