LD.POX Пульсоксиметр своими руками

В данном проекте реализован пульсоксиметр, как автономный и мобильный прибор. Он имеет свой экран и удобную конструкцию датчика. Но самое главное, что он может подключаться к разрабатываемой информационно-измерительной системе, что позволит проводить анализ ритма сердца и состояния сосудов человека!

Содержание

  1. Основы пульсоксиметрии
  2. Аппаратная часть
  3. Программная часть

Основа работы пульсоксиметра

Кислород для питания энергией всех наших клеток транспортируется от легких внутри гемоглобина (эритроциты).
Пульсовая оксиметрия является методом неинвазивного измерения окисленного гемоглобина (кислорода) по отношению ко всему объему гемоглобина. Этот параметр назван сатурацией кислорода (spO2).

Таким образом можно оценить эффективность работы дыхательной системы.
Нормальными значениями spO2 является 95—98% у здоровых испытуемых, более высокие значения бывают при кислородной терапии или гипервентиляции, а значения ниже этого уровня указывают на дыхательную недостаточность, например при пневмонии.

Известным эффектом при коронавирусной пневмонии являлось повреждение альвеол в легких, которые производили газообмен. В следствии чего человек начинает задыхаться. При помощи данного метода можно быстро оценить степень повреждения легких.

В основе пульсоксиметрии лежит просвечивание артерии внутри биоткани светодиодами двумя длинами волн: красный (660 нм) и инфракрасный (880 нм). Окисленный гемоглобин больше улавливает инфракрасное излучение, а не окисленный — красное. Поэтому их отношения будет давать информацию о количестве элементов, содержащих кислород. Сама формула несколько сложна и содержит различные поправки на влияющие факторы.
Также следует учитывать, что кровоток у нас пульсирующий, а значит объем эритроцитов в исследуемом участке будет меняться, поэтому при измерении нужно синхронизироваться с ударами сердца, чтобы вычислять только в тот момент, когда объем крови максимальный.

LD.POX Пульсоксиметр своими руками

Аппаратная часть блока «Пульсоксиметр LD.POX»

Комплектующие

Необходимые элементы смотрите в разделе Склад или по ссылкам выше.

Основной концепцией данного прибора является возможность мобильно и автономно использовать функции вычисления сатурации кислорода (spO2) и частоты сердечных сокращений (ЧСС), поэтому прибор снабжен большим светодиодным дисплеем.
На дисплее планируется выдавать кроме ЧСС и spO2 графики динамики этих показателей. Если хватит памяти будет подключена функция оценки вариабельности ритма сердца.
А главным отличием этого устройства является возможность подключения её в измерительную экосистему LabData (LD). Тогда переданные данные можно использовать для оценки состояния сосудов, артериального давления, анализа аритмий и т.п.

Принципиальная схема

пульсоксиметр принципиальная схема

Схема состоит из четырех модулей:

  1. Ардуино ProMicro (уменьшенная версия Leonardo) — имеет настоящий USB в микроконтроллере, поэтому не будет проблем с поиском номера COM порта.
  2. Модуль датчика MAX30100  — двулучевой датчик пульсоксиметра, выдающий сигнал по интерфейсу I2C
  3. LCD дисплей 2004 с модулем I2C — позволяет выводить данные в символьном виде (а также в графическом, применив один лайфхак). Размер 20х4 символа дает возможность построить графики изменения параметров.
  4. Модуль сенсорной кнопки позволяет управлять устройством путем касаний.

Датчик и дисплей соединятся с Ардуино параллельно по i2C интерфейсу. На Ардуино ProMicro интерфейс I2C подключается к цифровым выводам 2, 3 согласно схеме. На других моделях Ардуино выводы могут быть другими.

Корпус устройства

Состоит из двух частей, соединенных без дополнительного крепежа при помощи трения.

LD.POX Пульсоксиметр своими руками

В крышке устанавливается дисплей через прокладки из вспененного пенополиэтилена и двустороннего скотча.
В корпусе устанавливается Ардуино ProMicro в специальный паз и защелкивается, датчик MAX30100 устанавливается также в специальный отсек и фиксируется термоклеем (метод установки смотрите в видео).
Сенсорная кнопка крепится двусторонним скотчем к левой стенке корпуса (можно укрепить капелькой термокля сверху при жедании).

3D модель корпуса

LD.POX Пульсоксиметр своими руками

Корпус пульсоксиметра

Скачать модель STL крышки

Скачать модель STL корпуса

Программная часть блока «Пульсоксиметр LD.POX»

Программа строится на основе библиотеки MAX30100lib в неё встроен метод расчета сатурации кислорода spO2 (пульсоксиметр). Эту библиотеку пришлось доработать, чтобы она выдавала сырой сигнал фотоплетизмограммы (ФПГ). Поэтому перед загрузкой кода необходимо скопировать папку с обновленной библиотекой в раздел дополнительных библиотек Ардуино. Его можно найти в папке Документы -> Arduino ->libraries (\Documents\Arduino\libraries) 

Также программа использует библиотеку GyverButton для расширенного управления кнопкой.

Эти две библиотеки включены в архив, остальные должны быть доступны по умолчанию в Arduino IDE.

Скачать прошивку пульсоксиметр для Arduino версии 1.0

Порядок работы с пульсоксиметром

  1. Подключить к USB разъему энергоблок LD.Power или USB кабель от компьютера и включить питание.
  2. После удачной инициализации появится приветственный экран проекта LD.POX и устройство войдет в ждущий режим.
  3. Если произвести длительное касание с левой грани устройства (у сенсорной кнопки), то система мониторинга spO2 и ЧСС запустится, результаты измерения будут отображаться в реальном времени на комбо экране. Там будут видны не только сатурация и ЧСС, но и моменты сокращения сердца «-Pulse», а также число зарегистрированных ударов с момента включения.
  4. При коротком касании сенсора будет производится переключение режимов отображения в следующей последовательности: комбо панель -> график spO2 -> график ЧСС -> обратно в комбо панель.
  5. Если в любой момент произвести двойное нажатие на сенсор, устройство перейдет в режим отправки ФПГ на компьютер. Формат передачи ИК канал , К канал в текстовом виде. Это позволит просмотреть сигналы в плоттере последовательного порта среды Arduino IDE.
  6. Длинное прикосновение к сенсору в любой момент выводит устройство в режим ожидания, при этом сенсор отключается.

Обязательно просмотрите видеодемонстрацию работы этого устройства!

Видеодемонстрация

Пульсоксиметр является третьим блоком системы LD и работает с энергоблоком LD.Power. В дальнейшем будет производиться обновление протокола связи с ПК, чтобы сделать его совместимым с новым программным обеспечением системы LD. Подписывайтесь на группу ВК и канал YouTube, чтобы не пропустить обновления.

(с) Роман В. Исаков, 2021