Пулсов оксиметър Arduino: 35 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Пулсоксиметрите са стандартни инструменти за болнични условия. Използвайки относителните абсорбции на кислороден и дезоксигениран хемоглобин, тези устройства определят процента от кръвта на пациента, която носи кислород (здравословен диапазон е 94-98%). Тази цифра може да бъде животоспасяваща в клинични условия, тъй като внезапният спад на оксигенацията на кръвта показва критичен медицински проблем, който трябва да бъде решен незабавно.

В този проект се опитваме да конструираме пулсов оксиметър, използвайки части, които са лесни за намиране онлайн/в местен магазин за хардуер. Крайният продукт е инструмент, който може да предостави достатъчно информация, за да може някой да следи оксигенацията на кръвта във времето само за $ x. Първоначалният план беше да направим устройството напълно носимо, но поради фактори извън нашия контрол, това не беше възможно в нашето време. Като се имат предвид още няколко компонента и малко повече време, този проект може да стане напълно носим и да комуникира безжично с външно устройство.

Консумативи

Списък на основните части - Нещата, които вероятно трябва да купите (Препоръчваме да имате няколко резервни части от всеки компонент, особено парчетата за повърхностен монтаж)

Arduino Nano * $ 1.99 (Banggood.com)

Dual -LED - $ 1.37 (Mouser.com)

Фотодиод - $ 1.67 (Mouser.com)

150 ома резистор - 0,12 $ (Mouser.com)

Резистор 180 ома - 0,12 долара (Mouser.com)

10 kOhm резистор - $ 0,10 (Mouser.com)

100 kOhm резистор - 0,12 $ (Mouser.com)

47 nF кондензатор - $ 0,16 (Mouser.com)

*(Нашият Nano заседна в Китай в момента, затова използвахме Uno, но и двете ще работят)

Обща цена: $ 5.55 (Но … имахме куп неща, които лежахме наоколо и също купихме няколко резервни части)

Списък на вторичните части - Неща, които ни чакаха, но може да се наложи да купите

Медно облечена дъска - Доста евтина (Пример). Вместо това можете да направите и поръчате печатна платка.

PVC - Нещо с диаметър поне един инч. По -тънкият вид работи чудесно.

Проводници - включително някои джъмперни проводници за макетната платка и някои по -дълги за свързване на оксиметъра към дъската. В стъпка 20 показвам решението си за това.

Заглавие за женски щифтове - Те са по избор, ако просто искате да запоявате проводници към дъските, ще работи добре.

Пяна - използвах L200, който е доста специфичен. Наистина можете да използвате всичко, което смятате за удобно. Старите подложки за мишки са чудесни за това!

Светодиоди и резистори - Доста евтини, ако трябва да ги купите. Използвахме 220 Ω резистори и имахме няколко цвята наоколо.

Препоръчителни инструменти и оборудване

Пистолет за горещ въздух

Поялник с фин накрайник

Инструмент Dremel с фрезоване и нарязване на битове (Можете да се справите с помощен нож, но не толкова бързо)

Клещи, ножове за тел, машинки за отстраняване на тел и др.

Стъпка 1: Подготовка: Законът на Бира-Ламбер

За да се разбере как да се изгради пулсов оксиметър, първо е необходимо да се разбере теорията зад неговата работа. Принципното използвано математическо уравнение е известно като Закон на Бир-Ламбер.

Законът на Beer-Lambert е добре използвано уравнение, което описва връзката между концентрацията на вещество в разтвор и пропускливостта (или абсорбцията) на светлината, преминаваща през споменатия разтвор. В практически смисъл законът казва, че все по -големи количества светлина се блокират от все по -големи частици в разтвор. Законът и неговите компоненти са описани по -долу.

Абсорбция = log10 (Io/I) = εbc

Където: Io = Падаща светлина (преди добавена проба) I = Падаща светлина (след добавена проба) ε = Моларен коефициент на поглъщане (функция на дължината на вълната и веществото) b = Дължина на пътя на светлината c = Концентрация на веществото в пробата

Когато измервате концентрации, използвайки закона на Бира, е удобно да изберете дължина на вълната на светлината, при която пробата поглъща най -много. За кислородния хемоглобин най -добрата дължина на вълната е около 660 nm (червено). За дезоксигениран хемоглобин най -добрата дължина на вълната е около 940 nm (инфрачервена). Използвайки светодиоди с двете дължини на вълната, относителната концентрация на всеки от тях може да бъде изчислена, за да се намери %O2 за измерваната кръв.

Стъпка 2: Подготовка: Пулсова оксиметрия

Нашето устройство използва двоен светодиод (два светодиода на един и същ чип) за дължини на вълните 660nm и 940nm. Те се редуват за включване/изключване и Arduino записва резултата от детектора на противоположната страна на пръста от светодиодите. Детекторният сигнал и за двата светодиода импулсира в такт с пулса на пациента. По този начин сигналът може да бъде разделен на две части: DC част (представляваща абсорбцията при определената дължина на вълната на всичко освен кръвта) и AC част (представляваща абсорбцията при определената дължина на вълната на кръвта). Както е посочено в раздела Beer-Lambert, Абсорбцията е свързана и с двете стойности (log10 [Io/I]).

%О2 се дефинира като: кислороден хемоглобин / общ хемоглобин

Замествайки в уравненията за бира Lambert, решени за концентрация, резултатът е много сложна фракция от фракции. Това може да бъде опростено по няколко начина.

1. Дължината на пътя (b) за двата светодиода е еднаква, което я кара да отпадне от уравнението
2. Използва се междинно съотношение (R). R = (AC640nm/DC640nm)/(AC940nm/DC940nm)
3. Моларните коефициенти на абсорбция са константи. Когато са разделени, те могат да бъдат заменени с обща константа на коефициента на приспособяване. Това причинява лека загуба на точност, но изглежда доста стандартно за тези устройства.

Стъпка 3: Подготовка: Arduino

Arduino Nano, необходим за този проект, е известен като микропроцесор, клас устройства, които непрекъснато изпълняват набор от предварително програмирани инструкции. Микропроцесорите могат да четат входове на устройството, да извършват необходимата математика и да записват сигнал към изходните му пинове. Това е изключително полезно за всеки малък проект, който изисква математика и/или логика.

Стъпка 4: Подготовка: GitHub

GitHub е уебсайт, който хоства хранилища или пространства за колекции от скици за проект. Нашият в момента се съхранява в https://github.com/ThatGuy10000/arduino-pulse-oximeter. Това ни позволява да правим няколко неща.

1. Можете да изтеглите кода за себе си и да го стартирате на личния си Arduino
2. Можем да актуализираме кода по всяко време, без да променяме връзката тук. Ако открием грешки или решим да правим математика по различен начин, ще изкараме актуализация, която ще бъде достъпна веднага тук
3. Можете сами да редактирате кода. Това няма да предизвика незабавна актуализация, но можете да създадете „заявка за изтегляне“, която пита дали искам да включа вашите промени в главния код. Мога да приема или да налагам вето на тези промени.

За всякакви въпроси относно GitHub или как работи, вижте този урок, публикуван от самия GitHub.

Стъпка 5: Съображения за безопасност

Като устройство това е толкова безопасно, колкото може. Токът е много малък и нищо не работи над 5V. Всъщност веригата трябва да е по -уплашена от вас.

В процеса на строителство обаче трябва да имате предвид някои ключови неща.

• Безопасността на ножовете трябва да се даде, но някои от частите имат много органична форма, което може да направи изкушаващо да ги държите на място, където пръстите ви наистина не трябва да бъдат. Просто бъди внимателен.
• Ако притежавате поялник, термопистолет или инструмент dremel, предполагам, че трябва да знаете как да ги използвате правилно. Независимо от това, вземете необходимите предпазни мерки. Не работете чрез разочарования. Направете почивка, изчистете главата си и се върнете към нея, когато сте по -стабилни. (Информация за безопасност за поялника, термопистолета и инструментите dremel можете да намерите в връзките)
• Докато тествате каквито и да е вериги или премествате нещата на чертеж, най -добре е да изключите всичко. Наистина няма нужда да тествате нещо с жива мощност, така че не рискувайте да причините къси панталони и потенциално да повредите Arduino или други компоненти.
• Бъдете внимателни, когато използвате електронните компоненти във и около водата. Мократа кожа има значително по -ниска устойчивост от сухата кожа, което може да причини течения, които надвишават безопасните нива. Освен това електрическите къси панталони в компонентите на дъската могат да причинят значителни повреди на компонентите. Не работете с електрическо оборудване в близост до течности.

ВНИМАНИЕ: Моля, не се опитвайте да използвате това като истинско медицинско изделие. Това устройство е доказателство за концепция, но НЕ е идеално точен инструмент, който трябва да се използва при грижите за потенциално болни индивиди. Има много евтини алтернативи, които можете да закупите, които осигуряват много по -високо ниво на точност.

Стъпка 6: Съвети и трикове

С развитието на проекта бяха извлечени редица поуки. Ето няколко съвета:

1. Когато правите печатни платки, приятелите ви са по -разделени между следите. По -добре да сте на сигурно място. Още по -добре е просто да поръчате печатна платка от услуга като Oshpark, която ще прави малки дъски като тези на разумна цена.
2. По същия начин, внимавайте, ако решите да приложите захранване към платките, преди да ги покриете. Фотодиодът е особено чувствителен и просто не е забавно, ако се счупи, когато стигнете до него. По -добре е да тествате компонентите без захранване и да имате вяра, че ще се окаже. Настройките на диода и непрекъснатостта са ваши приятели.
3. След като сте построили всичко, то е доста нарязано и сухо, но една от най -честите грешки е неправилното свързване на платката за светодиоди. Ако данните ви са странни, проверете връзката и потенциално опитайте да свържете някоя от светодиодните връзки към Arduino наведнъж. Понякога нещата стават по -ясни по този начин.
4. Ако все още имате проблеми с светодиодите, можете да свържете 5V захранване към техните входове. Червеното ще бъде доста ярко, но инфрачервеното е невидимо. Ако имате камера на телефона, можете да погледнете през нея и ще видите инфрачервената светлина. Сензорът на камерата на телефона го показва като видима светлина, което е наистина удобно!
5. Ако получавате много шум, проверете дали фотодиодната платка е далеч от всичко, което носи гадната мощност от 60Hz от стената. Резисторът с висока стойност е магнит за допълнителен шум, така че внимавайте.
6. Математиката за изчисляване на SpO2 е малко сложна. Следвайте предоставения код, но не забравяйте да редактирате променливата "fitFactor", така че изчисленията да отговарят на вашето конкретно устройство. Това изисква опит и грешка.

Стъпка 7: Изграждане на платки

Ще започнем, като направим двете платки, които влизат в дизайна. Използвах двустранна медна дъска и инструмент Dremel, за да ги направя на ръка, което не беше перфектно, но работеше. Ако имате ресурси, силно препоръчвам да нарисувате схема и да я фрезовате с машина, но тя е възможна и без.

Стъпка 8: Табло 1 - Фотодетекторът

Ето схемата, която сложих на първата платка, минус кондензатора. Най -добре е да поддържате нисък профил, тъй като това ще заобиколи пръста ви вътре в оксиметъра. В този случай фотодетекторът е фотодиод, което означава, че е електрически подобен на диод, но ще генерира ток за нас въз основа на нивото на светлината.

Стъпка 9: Фрезоване на дъската

Реших да започна с отпечатване и изрязване на мащабен модел на препоръчителния отпечатък. Тъй като просто си гледам рязането, това даде добра справка, преди да извадя фотодетектора от опаковката му. Това е достъпно за фотодетектора от погледа на продавача.

Стъпка 10: Пробиване надолу

Това е дизайнът, с който отидох за печатната платка, който изрязах с малка фреза за дремели dremel и помощен нож. Първото ми изграждане на тази дъска се оказа дефектно по няколко причини. Уроците, които научих за второто си изграждане, бяха да изрежа повече от минимума и да изрежа мястото, където нарисувах черна линия на изображението по -горе. На чипа има несвързан щифт, който трябва да получи своя собствена подложка, тъй като не се свързва с нищо друго, но все пак помага да се държи чипът към платката. Добавих и дупки за резистора, които направих, като поставих резистора до него и очни ябълки.

Стъпка 11: Поставяне на компоненти

Тази част е малко сложна. Маркирах ориентацията на фотодетектора тук в бяло. Поставих малко спойка в долната част на всеки щифт на чипа, поставих малко спойка върху платката и след това задържах чипа на място, докато нагрявах спойката на платката. Не искате да го загрявате твърде много, но ако спойката на платката е течна, тя трябва да се свърже с чипа доста бързо, ако имате достатъчно спойка. Също така трябва да запоите 100kΩ резистора 3-пинов хедър към същата страна на платката.

Стъпка 12: Почистване и проверка

След това използвайте инструмента dremel, за да изрежете медта около резисторните проводници от задната страна на платката (за да избегнете късо съединение на резистора). След това използвайте мултицет в неговия режим на непрекъснатост, за да проверите дали нито една от следите не е къса в процеса на запояване. Като последна проверка използвайте диодното измерване на мултиметъра (Урок, ако това е нова технология за вас) в целия фотодиод, за да се уверите, че е напълно прикрепен към платката.

Стъпка 13: Платка 2 - светодиодите

Ето схемата за втората дъска. Това е малко по -трудно, но за щастие сме загряти от това да направим последното.

Стъпка 14: Пробиване надолу Redux

След няколко опита, които не ми харесаха толкова, се спрях на този модел, който пробих, използвайки същия бит за маршрутизиране dremel, както преди. От това изображение е трудно да се каже, но има връзка между две части на платката през другата страна (маса във веригата). Най -важната част от това рязане е кръстовището, където ще седи светодиодният чип. Този модел на прицел трябва да бъде доста малък, защото връзките на LED чипа са доста близки.

Стъпка 15: Виаси за запояване

Тъй като и двата противоположни ъгъла на LED чипа трябва да бъдат свързани, трябва да използваме задната страна на платката, за да ги свържем. Когато електрически свързваме едната страна на платката към другата, това се нарича "via". За да направя виас на дъската, пробих дупка в двете области, които маркирах по -горе. От тук поставих проводниците на резистора на предишната платка в отвора и запоявам от двете страни. Прекъснах колкото се може повече излишен проводник и направих проверка за непрекъснатост, за да видя, че има почти нулево съпротивление между тези две области. За разлика от последната платка, тези проходи няма да е необходимо да бъдат очертани на гърба, защото искаме те да бъдат свързани.

Стъпка 16: Запояване на LED чипа

За да запоите светодиодния чип, следвайте същата процедура като фотодиода, като добавите спойка към всеки щифт и към повърхността. Ориентацията на частта е трудна, за да се оправи и препоръчвам да следвате таблицата с данни, за да се ориентирате. От долната страна на чипа "pin one" има малко по -различна подложка, а останалите числа продължават около чипа. Маркирал съм какви числа се прикрепят към кои точки. След като сте го запоили, трябва отново да използвате настройката за диоден тест на мултицета, за да видите дали двете страни са правилно прикрепени. Това ще ви покаже кой светодиод е и червеният, тъй като ще светне малко, когато мултиметърът е свързан.

Стъпка 17: Останалата част от компонентите

След това запоявайте резисторите и 3-пиновия хедър. Ако случайно сте обърнали LED чипа на 180 ° в предишната стъпка, всъщност все още сте добре да продължите. Когато поставяте резисторите, уверете се, че резисторът 150Ω отива от червената страна, а другата страна има 180Ω.

Стъпка 18: Завършване и проверка

На гърба, изрежете около резисторите както преди, за да избегнете късо съединение с via. Изрежете дъската и направете последно преместване с тестера за непрекъснатост на мултицета, само за да проверите дали нищо не е късо случайно.

Стъпка 19: „Поставяне“на дъските

След цялата фина работа по запояване, която извърших, исках да се уверя, че нищо няма да събори компонентите, докато се използва оксиметърът, затова реших да „подложа“дъските. Като добавите слой от нещо непроводимо, всички компоненти ще останат на мястото си по-добре и ще осигурят по-плоска повърхност за оксиметъра. Изпробвах няколко неща, които лежах наоколо и това лепило за индустриална здравина работи добре. Започнах, като покрих задната част и я оставих да престои няколко часа.

Стъпка 20: Продължаване на засаждане

След като дъното се втвърди, обърнете дъските и покрийте отгоре. Въпреки че е почти прозрачно лепило, исках да запазя фотодетектора и светодиодите непокрити, така че преди да покрия всичко, покрих и двете с малки парчета електрическа лента и след няколко часа използвах нож, за да отстраня внимателно лепилото върху тези и свалиха касетата. Може да не е необходимо да ги държите непокрити, но ако решите просто да ги покриете, не забравяйте да избегнете въздушни мехурчета. Добре е да поставите толкова лепило, колкото искате (в рамките на разумното), тъй като по -равна повърхност ще седи по -удобно и ще добави повече защита към компонентите, просто не забравяйте да я оставите за известно време, за да може да изсъхне през цялото време.

Стъпка 21: Изграждане на проводници

Под ръка имах само многожилен проводник, затова реших да използвам мъжки 3-пинов заглавие, за да създам кабели. Ако го имате под ръка, е много по -лесно просто да използвате жица с плътен габарит за това без запояване. Това обаче помага да се усукат кабелите, тъй като това предотвратява захващане и просто като цяло изглежда по -добре. Просто запоявайте всеки проводник към щифт на заглавката и ако го имате, аз бих намазал всяка нишка с някакво термосвиване. Уверете се, че кабелите са в същия ред, когато свържете заглавката от другата страна.

Стъпка 22: Идиот-доказателство на окабеляването

Поради начина, по който свързвах тези платки с кабели, исках да се уверя, че никога не съм ги свързвал погрешно, затова оцветих кодирането на връзката с маркери за боя. Тук можете да видите кой щифт е коя връзка и как работи цветното ми кодиране.

Стъпка 23: Създаване на заграждение

Корпусът за оксиметъра направих с пяна L200 и парче PVC тръба, но със сигурност можете да използвате всякакви пяни и/или пластмаси, които имате. PVC работи чудесно, защото вече е почти в желаната от нас форма.

Стъпка 24: PVC и топлинни пистолети

Използването на термопистолет върху PVC за оформяне е просто, но може да отнеме известна практика. Всичко, което трябва да направите, е да приложите топлина към PVC, докато започне да се огъва свободно. Докато е горещо, можете да го огънете в почти всяка форма, която искате. Започнете с участък от PVC тръба, малко по -широк от дъските. Изрежете едната страна и след това просто сложете малко топлина върху нея. Вие ще искате някои ръкавици или дървени блокове, за да можете да маневрирате с PVC, докато е горещо.

Стъпка 25: Оформяне на пластмасата

Докато огъвате контура, отрежете излишния PVC. Преди да го огънете напълно, използвайте нож или инструмент dremel, за да издълбаете прорез от едната страна и ръбовете на противоположната страна. Тази раздвоена форма ви позволява да затворите допълнително цикъла. Освен това ви дава възможност да вземете някъде, за да отворите оксиметъра, за да го поставите на пръста си. Засега не се притеснявайте от херметичността, тъй като ще искате да видите какво е усещането, след като пяната и дъските са вътре.

Стъпка 26: Нещо малко по -меко

След това изрежете парче пяна до ширината на вашия PVC и до дължина, която напълно ще увие вътрешната линия.

Стъпка 27: Място за табла

За да предпазите дъската от вкопчване в пръста си, важно е да ги вдлъбнете в пяната. Проследете формата на дъските в пяната и използвайте ножица, за да изкопаете материала. Вместо да изчистите цялата област около заглавията, добавете някои прорези на страничните съединители, които могат да изскочат, но все още са леко под пяната. На този етап можете да поставите плоскостите и пяната в PVC и да тествате прилягането в действителния PVC, а след това върху пръста си. Ако направите това, започнете да губите циркулация, ще искате отново да използвате термопистолета, за да отворите корпуса още малко.

Стъпка 28: Дъски в пяна

Ще започнем да събираме всичко сега! За да започнете, просто хвърлете малко епоксидно/лепило в дупките, които току -що сте направили в пяната, и поставете дъските в малките им домове. Използвах същото лепило, което използвах за полагане на дъските по -рано, което изглежда работи добре. Оставете това да престои няколко часа, преди да продължите.

Стъпка 29: Пяна в пластмаса

След това облицовах вътрешността на PVC със същото лепило и внимателно поставих пяната вътре. Избършете излишъка и сложете нещо вътре, за да може пяната да се накъса. Моят помощен нож работи добре и наистина помага да се притисне пяната към PVC, за да се получи силно уплътнение.

Стъпка 30: Връзката Arduino

В този момент действителният сензор е завършен, но разбира се искаме да го използваме за нещо. Няма много за свързване към Arduino, но е изключително важно да не свързвате нищо обратно или много вероятно ще повредите нещата върху платките. Уверете се, че захранването е изключено, когато свързвате веригите (Това наистина е най -сигурният начин да избегнете проблеми).

Стъпка 31: Останалият резистор и кондензатор

Няколко бележки относно свързването към Arduino:

• Кондензаторът от сигнала към земята прави чудеса върху шума. Нямах богат избор, затова използвах „специалната кошница за боклуци на татко“, но ако имате разнообразие, отидете на нещо около 47nF или по -малко. В противен случай може да не успеете да имате бърза скорост на превключване между червения и инфрачервения светодиод.
• Резисторът, влизащ в кабела на фотодетектора, е въпрос на безопасност. Не е необходимо, но се уплаших, че докато работя с схемата на макета, може случайно да скъся нещо и да проваля целия проект. Това няма да обхване всяка злополука, но просто помага да имате малко повече ум.

Стъпка 32: Тестване на LED тока

След като ги въведох, тествайте тока, преминаващ през червения и инфрачервения светодиод, като използвате мултицет в режим амперметър. Целта тук е просто да се провери дали те са подобни. Моите бяха на около 17mA.

Стъпка 33: Кодът

Както е посочено в стъпката за подготовка, кодът за това устройство може да бъде намерен в нашето хранилище на GitHub. Просто:

1. Изтеглете този код, като кликнете върху „Clone or download“/„Download Zip“.
2. Разархивирайте този файл с помощта на 7zip или подобна програма и отворете този файл в Arduino IDE.
3. Качете го на вашия Arduino и свържете щифтовете, както е описано в назначенията на щифтове (или ги променете в кода, но осъзнайте, че ще трябва да правите това всеки път, когато презареждате от GitHub).
4. Ако искате да видите сериен изход на серийния монитор, променете boolean на serialDisplay на True. Другите входни променливи са описани в кода; текущите стойности работиха добре за нас, но можете да експериментирате с други, за да постигнете оптималната производителност за вашата настройка.

Стъпка 34: Електрическа схема

Стъпка 35: Допълнителни идеи

Бихме искали да добавим (или някой от многото ни последователи може да помисли за добавяне)

1. Bluetooth връзка за обмен на данни с компютър
2. Връзка с устройство Google Home/Amazon за искане на информация за SpO2
3. По -изчистена математика за изчисляване на SpO2, тъй като в момента нямаме справка за сравнение. Ние просто използваме математика, която намерихме онлайн.
4. Код за изчисляване и отчитане на сърдечния ритъм на пациента, заедно със SpO2
5. Използвайки интегрална схема за нашите измервания и математика, елиминирайки голяма част от променливостта на нашия изход.