Пульсоксиметр Arduino: 35 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Пульсоксиметры - стандартные приборы для больниц. Используя относительную абсорбцию оксигенированного и деоксигенированного гемоглобина, эти устройства определяют процентное содержание кислорода в крови пациента (нормальный диапазон составляет 94-98%). Эта цифра может спасти жизнь в клинических условиях, поскольку внезапное падение оксигенации крови указывает на серьезную медицинскую проблему, которую необходимо немедленно решить.

В этом проекте мы пытаемся сконструировать пульсоксиметр, используя детали, которые легко найти в Интернете или в местном хозяйственном магазине. Конечный продукт - это инструмент, который может предоставить достаточно информации для мониторинга оксигенации крови с течением времени всего за $ x. Первоначальный план состоял в том, чтобы сделать устройство полностью пригодным для ношения, но из-за факторов, не зависящих от нас, это было невозможно в наших временных рамках. Имея еще несколько компонентов и немного больше времени, этот проект может стать полностью носимым и обмениваться данными с внешним устройством по беспроводной сети.

Запасы

Список основных деталей - вещи, которые вам, вероятно, нужно купить (мы рекомендуем иметь несколько запасных частей каждого компонента, особенно деталей для поверхностного монтажа)

Arduino Nano * 1,99 доллара США (Banggood.com)

Dual-LED - 1,37 доллара США (Mouser.com)

Фотодиод - 1,67 доллара (Mouser.com)

Резистор 150 Ом - 0,12 доллара США (Mouser.com)

Резистор 180 Ом - 0,12 доллара США (Mouser.com)

Резистор 10 кОм - 0,10 доллара США (Mouser.com)

Резистор 100 кОм - 0,12 доллара США (Mouser.com)

Конденсатор 47 нФ - 0,16 доллара США (Mouser.com)

* (Наш Nano сейчас застрял в Китае, поэтому мы использовали Uno, но оба будут работать)

Общая стоимость: 5,55 доллара (но … у нас была куча вещей, и мы купили несколько запчастей)

Список вторичных запчастей - вещи, которые лежали для нас, но вам, возможно, придется купить

Доска с медным покрытием - довольно дешево (пример). Вместо этого вы можете изготовить и заказать печатную плату.

ПВХ - что-то диаметром не менее дюйма. Более тонкий вид отлично работает.

Провода - включая несколько перемычек для макетной платы и несколько более длинных для подключения оксиметра к плате. На шаге 20 я показываю свое решение этой проблемы.

Женский контактный разъем - это необязательно, если вы просто хотите припаять провода к плате, он будет работать нормально.

Пена - я использовал L200, что довольно специфично. Вы действительно можете использовать все, что вам будет удобно. Для этого отлично подходят старые коврики для мыши!

Светодиоды и резисторы - довольно дешево, если вам нужно их купить. Мы использовали резисторы 220 Ом, и у нас было несколько цветов.

Рекомендуемые инструменты и оборудование

Тепловая пушка

Паяльник с острым наконечником

Инструмент Dremel с фрезами и фрезами (можно обойтись и универсальным ножом, но не так быстро)

Плоскогубцы, кусачки, инструменты для зачистки проводов и т. Д.

Шаг 1. Подготовка: закон Бера-Ламберта

Чтобы понять, как построить пульсоксиметр, сначала необходимо понять теорию его работы. Используемое главное математическое уравнение известно как закон Бера-Ламберта.

Закон Бера-Ламберта - это хорошо используемое уравнение, которое описывает взаимосвязь между концентрацией вещества в растворе и коэффициентом пропускания (или поглощением) света, проходящего через указанный раствор. В практическом смысле закон гласит, что все большее количество света блокируется все более крупными частицами в растворе. Закон и его составные части описаны ниже.

Абсорбция = log10 (Io / I) = εbc

Где: Io = падающий свет (до добавления образца) I = падающий свет (после добавления образца) ε = молярный коэффициент поглощения (функция длины волны и вещества) b = длина пути света c = концентрация вещества в образце

При измерении концентраций по закону Бера удобно выбрать длину волны света, при которой образец поглощает больше всего. Для оксигенированного гемоглобина лучшая длина волны составляет около 660 нм (красный цвет). Для деоксигенированного гемоглобина лучшая длина волны составляет около 940 нм (инфракрасное излучение). Используя светодиоды с двумя длинами волн, можно рассчитать относительную концентрацию каждого из них, чтобы найти% O2 для измеряемой крови.

Шаг 2: Подготовка: пульсоксиметрия

В нашем устройстве используется двойной светодиод (два светодиода на одном кристалле) для длин волн 660 и 940 нм. Они попеременно включаются / выключаются, и Arduino записывает результат с детектора на противоположной стороне пальца от светодиодов. Сигнал детектора для обоих светодиодов пульсирует так же, как сердцебиение пациента. Таким образом, сигнал можно разделить на две части: часть постоянного тока (представляющая поглощение на указанной длине волны всего, кроме крови) и часть переменного тока (представляющая поглощение на указанной длине волны крови). Как указано в разделе Бера-Ламберта, абсорбция связана с обоими этими значениями (log10 [Io / I]).

% O2 определяется как: оксигенированный гемоглобин / общий гемоглобин.

Подставляя уравнения Бера-Ламберта, решенные для концентрации, получаем очень сложную дробь. Это можно упростить несколькими способами.

1. Длина пути (b) для обоих светодиодов одинакова, поэтому она выпадает из уравнения
2. Используется промежуточное соотношение (R). R = (AC640нм / DC640нм) / (AC940nm / DC940nm)
3. Коэффициенты молярного поглощения являются постоянными. При разделении их можно заменить постоянной константой общего коэффициента соответствия. Это вызывает небольшую потерю точности, но кажется довольно стандартной для этих устройств.

Шаг 3: Подготовка: Arduino

Arduino Nano, необходимый для этого проекта, известен как микропроцессор, класс устройств, который постоянно выполняет набор заранее запрограммированных инструкций. Микропроцессоры могут считывать входные данные устройства, выполнять любые необходимые вычисления и записывать сигнал на его выходные контакты. Это невероятно полезно для любого небольшого проекта, который требует математики и / или логики.

Шаг 4: Подготовка: GitHub

GitHub - это веб-сайт, на котором размещены репозитории или пространства для коллекций эскизов для проекта. Наш в настоящее время хранится на https://github.com/ThatGuy10000/arduino-pulse-oximeter. Это позволяет нам делать несколько вещей.

1. Вы можете скачать код для себя и запустить его на своем персональном Arduino.
2. Мы можем обновить код в любой момент, не меняя ссылку здесь. Если мы обнаружим ошибки или решим провести другие вычисления, мы выпустим обновление, которое будет доступно здесь немедленно.
3. Вы можете редактировать код самостоятельно. Это не приведет к немедленному обновлению, но вы можете создать «запрос на вытягивание», который спрашивает, хочу ли я включить ваши изменения в главный код. Я могу принять эти изменения или наложить вето.

По любым вопросам о GitHub или о том, как он работает, см. Этот учебник, опубликованный самим GitHub.

Шаг 5: соображения безопасности

Как устройство, это настолько безопасно, насколько это возможно. Сила тока очень мала, и ничего не работает больше 5В. На самом деле автодром должен быть напуган больше, чем вы.

Однако в процессе строительства следует помнить о некоторых ключевых моментах.

• Безопасность ножа должна быть обязательной, но некоторые детали имеют очень органичную форму, поэтому может возникнуть соблазн удерживать их там, где ваши пальцы не должны находиться. Просто будь осторожен.
• Если у вас есть паяльник, тепловой пистолет или инструмент dremel, я полагаю, вы должны знать, как правильно ими пользоваться. Тем не менее, примите необходимые меры предосторожности. Не работайте через разочарования. Сделайте перерыв, прочистите голову и вернитесь к нему, когда вы будете более стабильны. (Информацию по технике безопасности для паяльника, теплового пистолета и инструментов dremel можно найти по ссылкам)
• Когда вы тестируете какие-либо схемы или перемещаете что-то на макетной плате, лучше все выключить. На самом деле нет необходимости что-либо тестировать под напряжением, поэтому не рискуйте вызвать короткое замыкание и потенциально повредить Arduino или другие компоненты.
• Будьте осторожны при использовании электронных компонентов в воде и вокруг нее. Влажная кожа имеет значительно меньшее сопротивление, чем сухая, что может вызвать токи, превышающие безопасный уровень. Кроме того, короткое замыкание в компонентах платы может привести к значительному повреждению компонентов. Не используйте электрическое оборудование рядом с жидкостями.

ВНИМАНИЕ: пожалуйста, не пытайтесь использовать это как настоящее медицинское устройство. Это устройство является доказательством правильности концепции, но НЕ является абсолютно точным инструментом, который следует использовать при лечении потенциально больных людей. Вы можете купить множество дешевых альтернатив, которые обеспечивают гораздо более высокий уровень точности.

Шаг 6: Советы и хитрости

По мере развития проекта был извлечен ряд уроков. Вот несколько советов:

1. Когда вы делаете печатные платы, ваши друзья - это большее расстояние между дорожками. Лучше на всякий случай. Еще лучше просто заказать печатную плату в таком сервисе, как Oshpark, который будет делать такие небольшие платы по разумной цене.
2. Также обратите внимание, если вы решите подать питание на печатные платы, прежде чем закрывать их. Фотодиод особенно обидчив, и просто неинтересно, если он сломается, когда вы к нему подойдете. Лучше тестировать компоненты без питания и верить, что все получится. Настройки диода и непрерывности - ваши друзья.
3. После того, как вы все построили, все довольно просто, но одной из самых распространенных ошибок было неправильное подключение платы светодиодов. Если ваши данные выглядят странно, проверьте соединение и, возможно, попробуйте подключить одно из светодиодных разъемов к Arduino за раз. Иногда так становится яснее.
4. Если у вас все еще возникают проблемы со светодиодами, вы можете подключить к их входам питание 5 В. Красный будет довольно ярким, но инфракрасный - невидимым. Если у вас есть камера телефона, вы можете посмотреть в нее и увидеть инфракрасный свет. Сенсор камеры телефона показывает это как видимый свет, что очень удобно!
5. Если вы слышите много шума, убедитесь, что плата фотодиода находится подальше от чего-либо, несущего неприятную мощность 60 Гц от стены. Резистор высокого номинала является магнитом для дополнительного шума, так что будьте осторожны.
6. Математика для расчета SpO2 немного сложна. Следуйте приведенному коду, но не забудьте отредактировать переменную fitFactor, чтобы вычисления соответствовали вашему конкретному устройству. Это требует проб и ошибок.

Шаг 7: Создание печатных плат

Мы начнем с изготовления двух печатных плат, которые войдут в дизайн. Я использовал двухстороннюю плакированную медью доску и инструмент Dremel, чтобы сделать их вручную, что было не идеально, но это сработало. Если у вас есть ресурсы, я настоятельно рекомендую нарисовать схему и фрезеровать ее на станке, но без нее можно обойтись.

Шаг 8: Плата 1 - Фотоприемник

Вот схема, которую я поставил на первую плату, без конденсатора. Лучше вести себя незаметно, так как это будет касаться пальца внутри оксиметра. Фотодетектор в данном случае представляет собой фотодиод, что означает, что он электрически подобен диоду, но будет генерировать для нас ток в зависимости от уровня освещенности.

Шаг 9: фрезерование доски

Я решил начать с распечатки и вырезания макета рекомендованного контура. Поскольку я просто смотрю на свою резку, это послужило хорошим ориентиром, прежде чем я вынул фотоприемник из упаковки. Он доступен у производителя фотодетектора.

Шаг 10: детализация

Это дизайн, который я выбрал для печатной платы, которую я вырезал с помощью небольшой фрезы dremel и универсального ножа. Моя первая сборка этой платы оказалась неисправной по нескольким причинам. Уроки, которые я извлек для своей второй сборки, заключались в том, чтобы вырезать больше, чем просто минимум, и вырезать там, где я нарисовал черную линию на изображении выше. На микросхеме есть неподключенный контакт, который должен иметь свою собственную площадку, поскольку он не подключается ни к чему другому, но все же помогает удерживать микросхему на плате. Я также добавил отверстия для резистора, которые я сделал, поместив резистор рядом с ним и проверив отверстия.

Шаг 11: Размещение компонентов

Эта часть немного сложна. Я отметил ориентацию фотоприемника здесь белым цветом. Я нанес немного припоя на нижнюю часть каждого контакта на микросхеме, нанес немного припоя на печатную плату, а затем удерживал микросхему на месте, нагревая припой на плате. Не стоит нагревать его слишком сильно, но если припой на плате жидкий, он должен довольно быстро соединиться с микросхемой, если у вас достаточно припоя. Вы также должны припаять резистор 100 кОм 3-контактный разъем к той же стороне платы.

Шаг 12: Очистка и проверка

Затем с помощью инструмента dremel вырежьте медь вокруг выводов резистора на задней стороне платы (чтобы избежать короткого замыкания резистора). После этого используйте мультиметр в режиме проверки целостности цепи, чтобы убедиться, что ни одна из дорожек не была закорочена в процессе пайки. В качестве окончательной проверки используйте диодное измерение мультиметра (Учебное пособие, если это новая технология для вас) на фотодиоде, чтобы убедиться, что он полностью прикреплен к плате.

Шаг 13: Плата 2 - светодиоды

Вот схема второй платы. Этот немного сложнее, но, к счастью, мы разогрелись после последнего.

Шаг 14: Детализация Redux

После нескольких попыток, которые мне так не понравились, я остановился на этом шаблоне, который я просверлил с помощью той же фрезерной фрезы dremel, что и раньше. По этому изображению трудно сказать, но есть соединение между двумя частями платы через другую сторону (заземление в цепи). Самая важная часть этой резки - это перекресток, на котором будет сидеть светодиодный чип. Этот узор перекрестия должен быть довольно маленьким, потому что соединения на светодиодном чипе довольно близко друг к другу.

Шаг 15: припаивание переходных отверстий

Поскольку два противоположных угла светодиодного чипа должны быть соединены, нам нужно использовать обратную сторону платы для их соединения. Когда мы электрически подключаем одну сторону платы к другой, это называется «переходным отверстием». Чтобы сделать переходные отверстия на плате, я просверлил отверстия в двух областях, отмеченных выше. Отсюда я вставил выводы резистора на предыдущей плате в отверстие и припаял с двух сторон. Я отрезал столько лишнего провода, сколько смог, и проверил непрерывность, чтобы убедиться, что сопротивление между этими двумя областями почти нулевое. В отличие от предыдущей платы, эти переходные отверстия не нужно обводить на обратной стороне, потому что мы хотим, чтобы они были соединены.

Шаг 16: Пайка светодиодного чипа

Чтобы припаять светодиодный чип, выполните ту же процедуру, что и для фотодиода, добавив припой на каждый вывод и на поверхность. Ориентацию детали сложно определить, и я рекомендую руководствоваться таблицей данных, чтобы сориентироваться. На обратной стороне микросхемы «первый контакт» имеет немного другую площадку, а остальные числа продолжаются вокруг микросхемы. Я отметил, какие числа прикреплены к каким точкам. После того, как вы его припаяли, вы должны снова использовать настройку проверки диодов на мультиметре, чтобы убедиться, что обе стороны подключены правильно. Это покажет вам, какой из светодиодов красный, так как он немного загорится при подключении мультиметра.

Шаг 17: остальные компоненты

Затем припаиваем резисторы и 3-контактный разъем. Если вы случайно перевернули светодиодный чип на 180 ° на предыдущем шаге, вы все равно можете продолжить. Когда вы устанавливаете резисторы, убедитесь, что резистор 150 Ом находится на красной стороне, а другой - на 180 Ом.

Шаг 18: Завершение и проверка

На задней стороне обрежьте резисторы, как и раньше, чтобы они не закоротили переходное отверстие. Вырежьте плату и сделайте последнюю проверку с помощью тестера целостности на мультиметре, просто чтобы дважды проверить, что ничего не произошло случайно.

Шаг 19: "Заливка" досок

После всей проделанной мною тонкой пайки я хотел убедиться, что ничто не сломает компоненты во время использования оксиметра, поэтому я решил «залить» платы. Если добавить слой чего-то непроводящего, все компоненты будут лучше оставаться на своих местах и обеспечат более плоскую поверхность для оксиметра. Я проверил несколько вещей, которые лежали у меня под рукой, и этот промышленный клей показал себя хорошо. Я начал с того, что накрыл зад и оставил на несколько часов.

Шаг 20: Продолжение заливки

После того, как основание затвердеет, переверните доски и покройте верх. Несмотря на то, что это почти прозрачный клей, я хотел, чтобы фотоприемник и светодиоды оставались открытыми, поэтому, прежде чем покрывать все, я покрыл крошечные кусочки изоленты и через несколько часов я использовал нож, чтобы осторожно удалить клей сверху. эти и снял ленту. Возможно, нет необходимости держать их открытыми, но если вы решите просто прикрыть их, просто избегайте пузырьков воздуха. Можно нанести столько клея, сколько вы хотите (в пределах разумного), так как более плоская поверхность будет сидеть более комфортно и добавит больше защиты компонентам, просто убедитесь, что он оставлен на некоторое время, чтобы он мог полностью высохнуть.

Шаг 21: создание проводов

У меня под рукой был только многожильный провод, поэтому я решил использовать какой-нибудь штекерный 3-контактный разъем для создания кабелей. Если он у вас есть под рукой, гораздо проще использовать для этого одножильный провод без пайки. Тем не менее, это помогает скручивать провода вместе, поскольку это предотвращает заедание и в целом выглядит аккуратнее. Просто припаяйте каждый провод к контакту на разъеме, и если он у вас есть, я бы покрыл каждую жилу термоусадочной пленкой. Убедитесь, что у вас есть провода в том же порядке, когда вы подключаете разъем с другой стороны.

Шаг 22: защита от идиотов

Из-за того, как я подключал эти платы к кабелям, я хотел убедиться, что я никогда не подключаю их неправильно, поэтому я закодировал соединение цветными маркерами. Здесь вы можете увидеть, какой контакт к какому подключению и как работает моя цветовая кодировка.

Шаг 23: Изготовление корпуса

Корпус для оксиметра я сделал из пенопласта L200 и куска ПВХ-трубы, но вы, безусловно, можете использовать любые пенопласты и / или пластмассы, которые у вас есть. ПВХ отлично работает, потому что он уже почти той формы, которую мы хотим.

Шаг 24: ПВХ и тепловые пушки

Использовать тепловую пушку на ПВХ для придания формы несложно, но это потребует некоторой практики. Все, что вам нужно сделать, это нагреть ПВХ до тех пор, пока он не начнет свободно гнуться. Пока он горячий, вы можете согнуть его практически в любую форму. Начните с отрезка трубы ПВХ, ширина которого превышает ширину доски. Отрежьте одну из сторон, а затем просто поставьте на нее немного тепла. Вам понадобятся перчатки или деревянные блоки, чтобы можно было маневрировать с ПВХ, пока он горячий.

Шаг 25: придание формы пластику

Сгибая петлю, отрежьте лишний ПВХ. Прежде чем вы его полностью согнете, с помощью ножа или дремеля сделайте выемку на одной стороне и краях противоположной стороны. Эта раздвоенная форма позволяет дополнительно замкнуть петлю. Это также дает вам место, где можно взять оксиметр, чтобы положить его на палец. Пока не беспокойтесь о герметичности, так как вы захотите увидеть, каково это, когда пена и доски находятся внутри.

Шаг 26: что-нибудь послабее

Затем отрежьте кусок пенопласта по ширине вашего ПВХ и до длины, которая будет полностью охватывать внутреннюю петлю.

Шаг 27: место для досок

Чтобы доска не вонзилась в пальцы, важно углубить их в пенопласт. Проследите форму досок в пенопласте и ножницами раскопайте материал. Вместо того, чтобы очищать всю область вокруг коллекторов, добавьте несколько прорезей на боковых соединителях, которые могут выскочить, но все же быть немного под пеной. На этом этапе вы можете поместить доски и пену в ПВХ и проверить, подходят ли они к настоящему ПВХ, а затем на пальце. Если вы сделаете это, начнется потеря циркуляции, вы захотите снова использовать тепловую пушку, чтобы немного приоткрыть корпус.

Шаг 28: вспененные плиты

Мы собираемся начать собирать все это прямо сейчас! Для начала просто бросьте немного эпоксидной смолы / клея в отверстия, которые вы только что проделали в пене, и поместите доски в их маленькие дома. Я использовал тот же клей, который использовал для заливки досок ранее, который, похоже, работал нормально. Обязательно оставьте это на несколько часов, прежде чем двигаться дальше.

Шаг 29: вспенивание пластика

Далее я выстилала внутреннюю часть ПВХ тем же клеем и аккуратно положила внутрь пену. Вытрите излишки и положите что-нибудь внутрь, чтобы пена грызла. Мой универсальный нож работал хорошо, и он действительно помогает прижать пену к ПВХ, чтобы получить прочное уплотнение.

Шаг 30: Подключение Arduino

На этом собственно датчик готов, но, конечно, мы хотим использовать его для чего-то. К Arduino особо нечего подключать, но невероятно важно не подключать что-либо назад, иначе вы, скорее всего, повредите что-нибудь на печатных платах. Убедитесь, что питание отключено, когда вы подключаете цепи (это действительно самый безопасный способ избежать проблем).

Шаг 31: оставшиеся резистор и конденсатор

Несколько замечаний по подключению к Arduino:

• Конденсатор между сигналом и землей творит чудеса с шумом. У меня не было широкого выбора, поэтому я использовал «особый отцовский мусорный бак», но если у вас есть выбор, выберите что-то около 47 нФ или меньше. В противном случае вы не сможете быстро переключаться между красным и инфракрасным светодиодами.
• Резистор, входящий в кабель фотоприемника, - это вещь безопасности. В этом нет необходимости, но я боялся, что при работе с макетной схемой я могу случайно что-то замкнуть и испортить весь проект. Он не касается всех происшествий, но просто помогает немного успокоиться.

Шаг 32: Проверка тока светодиода

Как только они у меня будут, проверьте, какой ток проходит через красный и ИК-светодиоды, используя мультиметр в режиме амперметра. Цель здесь - просто проверить, что они похожи. У меня было около 17 мА.

Шаг 33: Код

Как указано на этапе подготовки, код этого устройства можно найти в нашем репозитории GitHub. Просто:

1. Загрузите этот код, нажав «Клонировать или загрузить» / «Загрузить Zip».
2. Разархивируйте этот файл с помощью 7zip или аналогичной программы и откройте этот файл в Arduino IDE.
3. Загрузите его в свой Arduino и подключите контакты, как описано в назначении контактов (или измените их в коде, но помните, что вам придется делать это каждый раз при повторной загрузке с GitHub).
4. Если вы хотите видеть последовательный вывод на последовательном мониторе, измените логическое значение serialDisplay на True. Остальные входные переменные описаны в коде; текущие значения подходят нам, но вы можете поэкспериментировать с другими, чтобы добиться оптимальной производительности для вашей установки.

Шаг 34: Принципиальная схема

Шаг 35: Дальнейшие идеи

Мы хотели бы добавить (или один из наших многочисленных подписчиков может подумать о добавлении)

1. Bluetooth-соединение для обмена данными с компьютером
2. Подключение к устройству Google Home / Amazon для запроса информации SpO2
3. Более сложная математика для расчета SpO2, так как в настоящее время у нас нет справочника для сравнения. Мы просто используем математику, которую нашли в Интернете.
4. Код для расчета и регистрации сердцебиения пациента вместе с SpO2
5. Использование интегральной схемы для наших измерений и вычислений, что устраняет большую часть изменчивости нашего вывода.