مقدمه
PPG تکنیکی است که با استفاده از نور، پارامترهایی نظیر حجم و ترکیب اندام‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. این تکنیک برای اولین بار توسط آلریک هرتزمن در سال 1937 برای اندازه‌گیری ضربان قلب استفاده شد. بعد از آن، PPG به ابزاری کوچک و غیر تهاجمی در کلینیک‌ها تبدیل شد که ضربان و غلظت اکسیژن خون بیماران را اندازه می‌گرفت.
علاوه بر استفاده PPG در مراقبت های حیاتی بیماران، برای سلامتی و تناسب اندام نیز مورد استقبال قرار گرفته‌اند. با این حال چون از طیف نوری قرمز (660nm) در این دستگاه‌ها به ندرت استفاده می‌شود، قادر به تخمین SpO2 نمی‌باشند.
در هر ضربان قلب، قلب موج فشاری را از طریق قلب و عروق منتشر می‌کند. این فشار توسط PPG قابل شناسایی است زیرا در میزان نور جذب شده تغییراتی ایجاد می‌کند. چندین روش برای تخمین ضربان قلب با استفاده از PPG وجود دارد. یک روش معمول اندازه‌گیری فاصله زمانی بین پیک‌ها و میانگین گیری آن در یک پنجره زمانی است.
PPG با استفاده از نسبت HbO2 و Hb، SpO2 را تخمین می‌زند. HbO2 و Hb در طول موج‌های ~660nm (قرمز) و ~880nm (مادون قرمز) خواص طیفی متفاوتی دارند. برای اندازه‌گیری این تفاوت طیفی، از چیپ‌های نوری قرمز و مادون قرمز استفاده می‌شود. سنسورهای PPG که این دیودها را دارند، می‌توانند غلظت HbO2 و Hb را اندازه‌گیری کنند.
علاوه بر این، از PPG برای تخمین نرخ تنفس نیز استفاده می‌شود. تنفس تغییرات زیادی در سیستم قلبی عروقی ایجاد می‌کند که در سیگنال PPG قابل مشاهده است. یکی از روش‌های اندازه‌گیری نرخ تنفس، استفاده از RIIV (Respiratory Induced Intensity Variation) است. این روش از یک طول موج ثانویه که در سیگنال PPG وجود دارد و خود را به صورت تغییر در خط مبدا سیگنال نشان میدهد، استفاده می‌کند. با استفاده از این روش، نرخ تنفس را با هر سه نوع طول موجی که در سنسورهای PPG قرار دارد (سبز، قرمز و مادون قرمز) می‌توان اندازه گرفت.
دو سنسور از نظر تخمین ضربان قلب، SpO2 و نرخ تنفس نسبت به دیتای مرجعی مقایسه شده‌اند.
روش آزمایش
سنسورها
در ادامه به بررسی عملکرد دو سنسور PPG با پارت MAX30101 و MAX30102 خواهیم پرداخت. MAX30102 یک سنسور PPG دو طول موجه با طول موج‌های قرمز (660nm) و مادون قرمز (880nm) است. سنسور MAX30101 یک سنسور PPG سه طول موجه با طول موج‌های سبز (537nm)، قرمز (660nm) و مادون قرمز (880nm) است. ابعاد و تغذیه بردهای هر دو عین یکدیگر است.
هر دو سنسور دارای ADC با رابط I2C می‌باشند. همچنین رجیسترهای هر دو مثل یکدیگرند با این تفاوت که MAX30101 رجیتسرهای مربوط به کنترل نور سبز را نیز دارد.
دیتای مرجع
دیتای مرجع برای ضربان و SpO2 توسط دستگاه پالس اکسیمتر تجاری CONTEC CMS50D اندازه‌گیری شده‌اند.
پروتکل آزمایش
کلاه سنسوری بر روی سر قرار داده می‌شود تا از تماس مستقیم سنسور با پیشانی، مو یا موارد دیگر جلوگیری شود. پالس اکسیمتر CMS50D نیز در انگشت دوم دست چپ بسته می‌شود و ضبط دیتا پس از همزمان سازی خروجی سنسورها، به مدت دو دقیقه آغاز می‌شود. هر مورد ده بار آزمایش می‌شود.
نتیجه
با یک مقایسه چشمی در شکل بالا، می‌توان به این نتیجه رسید که سنسور MAX30101 نویز کمتری نسبت به سنسور MAX30102 در طول موج‌های قرمز و مادون قرمز دارد. از آن جایی که سنسور MAX30102 نور سبز ندارد، نمی‌تواند مستقیما با سنسور MAX30101 مقایسه شود.
برای اندازه‌گیری ضربان قلب، سنسور MAX30101 دارای خطای 1.2% در طول موج نور قرمز است در حالیکه سنسور MAX30102 دارای خطای 8.5% است. در انتشار نور مادون قرمز، سنسور MAX30101 دارای خطای طول موجی 3.1% و سنسور MAX30102 دارای خطای 29% است. همچنین سنسور MAX30101 در طول موج سبز دارای خطای 1.5% می‌باشد (جدول 1).
Sensor | Red | Infrared | Green |
MAX30101 | 1.2% (±0.98%) | 3.1% (±3.7%) | 1.5% (±1.1%) |
MAX30102 | 8.5% (±18%) | 29% (±28%) | n/a |
جدول1
Sensor | SpO2 |
MAX30101 | 1.5% (±0.55%) |
MAX30102 | 2.1% (±2.3%) |
جدول 2
مقایسه نرخ تنفس اندازه گیری شده توسط دو سنسور نیز از قرار زیر است:
اندازه‌گیری نرخ تنفس با نور قرمز سنسور MAX30101 دارای خطای 7.5 rpm (respirations per mitute) است اما سنسور MAX30102 دارای خطای 16 rpm است. اندازه‌گیری با نور مادون قرمز سنسور MAX30101 دارای خطای 9.2 rpm و سنسور MAX30102 دارای خطای 9.2 rpm است. خطای نور سبز در سنسور MAX30101 برای اندازه‌گیری نرخ تنفس 4.4 rpm است (جدول 3).
Sensor | Red | Infrared | Green |
MAX30101 | 7.5 rpm (±13( | 5.4 rpm (±13( | 4.4 rpm (±13( |
MAX30102 | 16 rpm (±13( | 9.2 rpm (±13( | n/a |
جدول 3
با حذف داده‌های پرت، میانگین خطای دو سنسور در جدول 4 نشان داده شده است.
Sensor | Red | Infrared | Green |
MAX30101 | 1.3 rpm (±1.8( | 2.1 rpm (±1.8( | 2.1 rpm (±2.1( |
MAX30102 | 13 rpm (±12( | 7.4 rpm (±5.3( | n/a |
جدول 4
نتیجه‌گیری
با توجه به آزمایشات گرفته شده و مقایسه انجام شده، مشخص شد که MAX30101 نسبت به سنسور MAX30102 در همه پارامترهای تست شده، دارای نرخ خطای کمتری است. با توجه به این‌که سنسور MAX30101 هم نرخ خطای کمتری داشته و هم نور سبز را در خود دارد برای کاربردهای تریاژ اورژانسی، نظارت پزشکی و ورزشی و تحقیقاتی مناسب باشد.
برای مشاهده سایر نوشتارهای مربوط به مهندسی پزشکی، اینجا کلیک کنید!
