Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr

ghost666 29 Cze 2015 11:32 7809 6
  • Pulsoksymetr to urządzenie pozwalające na pomiar poziomu nasycenia krwi tlenem (saturacji). Niniejszy artykuł opisuje podstawy działania optycznej metody pomiaru saturacji, a dalej pokazuje w zarysie dwie realizacje sprzętowe pulsoksymetru – stworzoną przez firmę Freescale w oparciu o produkowany przez nich mikrokontroler z rodziny Kinetis oraz druga, stworzona przez hobbystę.

    Artykuł przeznaczony jest dla inżynierów biomedycznych, zajmujących się aparaturą medyczną oraz hobbystów, zainteresowanych zrozumieniem budowy i zasady działania pulsoksymetru.

    Podstawy działania
    Natlenienie krwi

    Komórki ludzkiego organizmu potrzebują tlenu do życia. Oddychanie jest jednym z zasadniczych procesów w jaki komórki pozyskują użyteczną im energię. Energia uwalniana podczas oddychania komórkowego pozwala na syntezę ATP (adenozyno trójfosforan). ATP jest podstawowym paliwem komórek i zasila większość jej procesów życiowych.

    Transport tlenu w organizmie realizowany jest poprzez układ krwionośny. Odtlenowana krew dociera do serca, które pompuje ją do płuc, gdzie ulega nasyceniu tlenem. W procesie tym krew przepompowywana jest przez pęcherzyki płucne, gdzie na skutek dyfuzji zachodzi wymiana gazów. Dwutlenek węgla (CO2) jest uwalniany, a tlen (O2) jest wyłapywany przez komórki krwi, która następnie pompowana jest dalej do aorty.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr

    Rys.1. Pęcherzyki płucne


    Czerwone krwinki zawierają białko nazywane hemoglobiną. Tlen wyłapywany jest przez to białko, co powoduje powstanie kompleksu oksyhemoglobiny (HbO2). Natlenowana krew krąży w ludzkim ciele. Gdy wejdzie ona w kontakt z komórką, hemoglobina uwalnia tlen i staje się deoksyhemoglobiną (Hb). Taka krew krąży dalej, powracając do serca i będąc przepompowaną dalej do płuc. Poniższy diagram ilustruje obieg krwi w ludzkim układzie krwionośnym.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.2. Uproszczony schemat układu krwionośnego człowieka.


    Pulsoksymetr optyczny

    Pulsoksymetr to urządzenie dokonujące pomiaru saturacji krwi. Wartość ta zdefiniowana jest jako ilość tlenu rozpuszczona w krwi, którą wyznacza się na podstawie obecności deoksy- i oksyhemoglobiny we krwi pacjenta.





    Do pomiarów optycznych wykorzystuje się dwie różne długości fi, wykorzystując do tego różnicę pomiędzy widmem absorbcji obu tych rodzajów hemoglobiny. Mierzy się absorbancję krwi w krwioobiegu przy dwóch długościach fali – 660 nm i 940 nm. Utleniona i nieutleniona hemoglobina absorbują w inny sposób te długości fali. Hb absorbuje mocniej przy 660 nm, a z kolei HbO2 przy 940 nm. Pokazano to schematycznie na widmach absorbancji Hb i HbO2 pokazanych na rysunku 3.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.3.Widmo absorbancji hemoglobiny utlenionej (HbO2) i nieutlenionej (Hb).


    Fotodetektor w sensorze mierzy intensywność światła z diod elektroluminescencyjnych, które nie zostało zabsorbowane przez tkankę. Sygnał ten odwraca się z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego. Wynik tego pomiaru zaprezentowano na rysunku czwartym. Sygnał ten odpowiada wartości absorbcji tkanki. Następnie zebrany sygnał dzieli się na składową stałą (DC) i zmienną (AC). Pierwsza z nich reprezentuje ogólną absorbcję tkanek, krwi żylnej i niepulsującej krwi tętniczej. Z kolei składowa zmienna reprezentuje pulsacyjną krew tętniczą.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.4. Diagram pokazujący przyczynki do całkowitej absorbcji mierzonej przez pulsoksymetr (od dołu) tkanka, krew żylna, niepulsująca krew tętnicza i krew tętnicza.


    Pulsoksymetr analizuje absorbcję przy dwóch długościach fali, jakie wymieniono powyżej, dla każdej składowej – AC i DC. Następnie wyznacza absorpcję z wykorzystaniem następującego równania:

    (AC660/DC660)/(AC940/DC940) (1)

    Wartość SpO2 wyznaczana jest w oparciu o tabelę zapisaną w pamięci urządzenia. Stosunek równy 1 odpowiada SpO2 = 85%, a stosunek 0,4 odpowiada SpO2 = 100 %. Stosunek równy 3,4 odpowiada SpO2 = 0%. Aby urządzenie było bardziej niezawodne, a pomiar dokładniejszy kalibruje się go na zdrowych osobach.

    Innym sposobem wyznaczania wartości saturacji jest analiza składowej AC sygnału i wyznaczenie R, gdzie SpO2 = R x 100 [%]

    R = log10(Iac)λ1/log10(Iac)λ2 (2)

    Gdzie Iac to intensywność światłą przy 660 nm (1) lub przy 940 nm (2), ale przy uwzględnieniu tylko składowej zmiennej.

    Typowy sygnał z pulsoksymetru pokazano na rysunku piątym, poniżej. Sygnał reprezentuje pulsowanie krwi tętnicznej, mierzone poprzez absorbcję krwi. Z wykresu tego rodzaju wyznaczyć można częstotliwość uderzeń serca.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.5.Typowy sygnał z pulsoksymetru.


    W dalszym fragmencie artykułu znajduje się implementacja pulsoksymetru oparta o mikrokontroler Kinetis K53. Jest to układ z rdzeniem ARM Cortex-M4 z bogatą paletą zintegrowanych peryferiów. Front-end analogowy opisanego układu pokazano na rysunku szóstym poniżej.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.6.Schemat blokowy front-endu analogowego w procesorze Kinetis K53, wykorzystywany do pulsoksymetrii


    Prostsza implementacja pulsoksymetru zostałą zrealziowana przez Scotta Hardena. Z Setek tematów przewijających się przez jego ręce w sieci, tematy medyczne najmocniej go zainteresowały. Cztery lata temu zrealizował on system ECG, a teraz zajął się pulsoksymetrem.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.7.Pulsoksymetr DIY.


    Celem opisywanego projektu jest zestawienie niedrogiego układu pozwalającego na zbieranie informacji o rytmie serca poprzez komputer. Układ zawiera w sobie niewiele, łatwo dostępnych elementów elektronicznych. Pozwala on na monitorowanie uderzeń serca oraz pomiar saturacji krwi. Może on także funkcjonować jako elektrokardiograf. Wyniki działania systemu prezentują się następująco:

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.8. Przykładowy sygnał z pulsoksymetru.


    Jest to rzeczywisty rytm uderzeń serca. Fajnie, nie? Zanim przejdziemy do części opisującej sam układ, porównajmy pomiar częstotliwości uderzeń serca z pomoc światła (jak w pulsoksymetrze) i elektrokardiografu.

    Aby wywołać uderzenie serca, węzeł zatokowy wyzwala impuls elektryczny, przez co arterie i dwie górne komory serca kurczą się. Węzeł zatokowy generuje impuls, który stymulowany jest zsynchronizowanymi skurczami. Dokładnie to samo robi defibrylator z sercem, które przestało bić. W sytuacji ataku serca mięśnie sercowe kurczą komory i przedsionki w sposób losowy, a nie synchronicznie, więc serce nie pompuje krwi. Defibrylator synchronizuje pracę mięśni krótkim impulsem elektrycznym. Węzeł AV układu bodźcotwórczo-przewodzącego serca wraz z wolno przewodzącym pęczkiem Hisa kontrolują skurcze komór serca, co powoduje powstawanie charakterystycznych szpilek w elektrogardiogramie. Jako że nie jest możliwe umieszczenie elektrod bezpośrednio na sercu, mierzy się niewielki (często w zakresie mV) potencjał na powierzchni skóry. Po odpowiednim wzmocnieniu obserwować można te potencjały. Zależnie od miejsca umieszczenia elektrod, obserwuje się kurczenie różnych fragmentów mięśnia sercowego.

    Alternatywą do tego rodzaju pomiaru, jest mierzenie pulsu optyczne, tak jak opisano to powyżej. Wystarczy wpiąć (zazwyczaj na palec) odpowiedni klips mierzący absorbcję tkanek i mierząc absorbancję przy dwóch wskazanych długościach fali, już można wizualizować pracę serca. Dodatkowo możliwy jest pomiar saturacji krwi, ale w poniższym projekcie autor skupia się jedynie na detekcji rytmu serca.

    W swoim projekcie autor wykorzystał diodę LED oraz fototranzystor. Fototranzystor funkcjonuje w układzie jak fotorezystor, przewodzący prąd o natężeniu zależnym od ilości światła przechodzącego przez tkankę. Powoduje to powstawanie niewielkiej zmiany napięcia, którą można podać na wejście opisywanego urządzenia, dzięki czemu działać będzie ono jako pulsooksymetr.

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.9.Pulsoksymetr DIY.


    W obu przypadkach (ECG i pulsoksymetru) konieczne jest zbudowanie układu wzmacniającego niewielki sygnał wejściowy. Układ zrealizowano z wykorzystaniem poczwórnego wzmacniacza operacyjnego LM324. Są to bardzo popularne układy scalone, do kupienia w zasadzie wszędzie. Dużo projektów ECG wykorzystuje dedykowane wzmacniacze pomiarowe, takie jak AD620 (które istotnie dają fenomenalne rezultaty), ale są one drogie. Główną różnicą pomiędzy tymi układami a op-ampami polega na tym, że te pierwsze mierzą różnicę napięć, co zmniejsza poziom szumu w systemie. Dzisiejsze wzmacniacze operacyjne jednakże mają na tyle dobre parametry, że doskonale działają w zaprezentowanym układzie. Zwiększony poziom szumu redukowany jest z pomocą odpowiednio dobranych filtrów analogowych. Spójrzmy na schemat:

    Elektronika medyczna DIY: Pulsoksymetr
    Rys.10.Schemat elektrycznej części pulsoksymetru.


    Jeden ze wzmacniaczy operacyjnych w układzie pracuje jako wirtualna masa. Jedną z kwestii istotnych przy używaniu op-ampów, jest konieczność stosowania napięcia symetrycznego. Można wykorzystać dwie baterie 9 V, ale prościej jest wykorzystać jedno zasilanie i wygenerować op-ampem wirtualną masę na poziomie połowy napięcia zasilającego. Wzmacniacz pracuje jako źródło prądowe i na wejście dostaje połowę napięcia zasilającego, a jego wyjście jest wirtualną masą. Opisywany projekt działa przy zasilaniu napięciem 12 V lub 5 V, ale stworzono go z myślą o napięciu zasilającym równym 12 V. Pozostałe trzy wzmacniacze operacyjne pełnią następujące role:

    Stopień pierwszy: Wzmacniacz o dużym współczynniku wzmocnienia. Sygnał wejściowy przechodzi przez tor sygnałowy złożony z trzech op-ampów. Pierwszy z nich pełni rolę przedwzmacniacza. Wyjście z układu filtrowane jest kondensatorem przez co znajduje się blisko wirtualnej masy (połowa napięcia zasilania), a rezystor w sprzężeniu zwrotnym o rezystancji równej 1,8 Mohm powoduje, że wzmocnienie jest ogromne. Zmiana rezystancji opornika spowoduje zmianę wzmocnienia tego stopnia.

    Stopień drugi: Aktywny filtr dolnoprzepustowy. Wzmacniacz operacyjny pracuje jako wtórnik napięciowy i filtr aktywny. Rezystor nastawny 10kohm pozwala na ustawianie częstotliwości odcięcia. Filtr należy wyregulować tak, aby odfiltrowywał zakłócenia sieciowe pochodzące z sieci zasilania. W przypadku pulsoksymetru stosunek sygnału do szumu jest bardzo duży, w przypadku ECG znacznie gorszy, gdyż mierzone potencjały są znacznie mniejsze.

    Stopień trzeci: Aktywny filtr i wzmacniacz. Stopień ten charakteryzuje się wzmocnieniem około 20 V/V (zależnym od stosunku rezystancji – w tym przypadku jest 1,8 kohm 100 ohm) i odcięciem zależnym od pojemności (w układzie kondensator w tym filtrze ma 22 uF). Podczas uruchamiania układu należy pierwszy raz uruchomić go bez tego kondensatora, można zwiększyć wzmocnienie tego stopnia zwiększając rezystancję opornika, który tutaj ma 1,8 kohm. Gdy już układ będzie pracował poprawnie z większym wzmocnieniem, należy dobrać kondensator tak, aby na wyjściu widoczny był sygnał pozbawiony szumu. Podane wartości działają dobrze dla napięcia zasilającego równego 12 V. A tak sprawuje się układ w praktyce:

    [youtube]https://www.youtube.com/watch?list=UUs3-qUELPY-2AOHa7Q_db5w&v=bKAJsZJvMI0[/youtube]


    Druga połowa konstrukcji tego układu to digitalizacja otrzymanego sygnału przez komputer. Najtańszym i najprostszym sposobem na zrobienie tego jest wykorzystanie karty dźwiękowej. Wejście liniowe tej kart jest przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) o częstotliwości próbkowania równej 48 kHz – o wiele wyższej niż wymagana do digitalizacji sygnału z pulsoksymetru. Na wejściu karty należy dodać potencjometr tak, aby móc zredukować poziom sygnału do wartości akceptowalnej przez wejście liniowe karty dźwiękowej. Sygnały nagrywać można z pomocą dowolnego programu do nagrywania dźwięków np. GoldWave dla Windows i Audacity dla Linuxa. W programie można dodać dodatkowe filtrowanie (dolnoprzepustowe z częstotliwością odcięcia równą 40 Hz), co pozwoli zmniejszyć poziom szumu jeszcze mocniej. Następnie po zmianie częstotliwości próbkowania na np. 1 kHz zapisać można sygnał w pliku tekstowym, co pozwoli nam na przeniesienie go do oprogramowania do tworzenia wykresów.

    [youtube]https://www.youtube.com/watch?list=UUs3-qUELPY-2AOHa7Q_db5w&v=9BFS9D3x_sY[/youtube]


    Źródła:

    https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_oximetry
    http://www.freescale.com/files/32bit/doc/app_note/AN4327.pdf?tid=AMdlDR
    http://www.swharden.com/blog/2013-04-14-simple-diy-ecg-pulse-oximeter-version-2/

    [Prezentowany poniżej artykuł jest opisem zasady działania i prezentacją przykładowych realizacji jednego z podstawowych urządzeń do monitorowania stanu pacjenta. Jeśli tematyka ta spodoba się czytelnikom forum, to cykl prezentujący urządzenia elektroniki medycznej DIY będzie kontynuowany - przyp. red.]


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 29 Cze 2015 17:28
    ladamaniac
    Poziom 37  

    Piękny wstęp i na koniec coś pośredniego między pająkiem a płytką uniwersalną, tego typu projekty pulsometrów były prezentowane również przez polskch elektroników hobbystów jeden z nich jest choćby w EdW. Podobny układ jak pan Scott Harden popełniłem około 10 lat temu za wyjątkiem oczywiście części komputerowej. Gdyby zaprezentowany został czujnik pulsoksymetryczny z programową obsługą lub choćby jako stopień wejściowy może jakas prezentacja krzywej pletyzmograficznej możnaby było się zachwycać tak to jest projekt na poziomie technikum.

  • #3 29 Cze 2015 17:45
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    ladamaniac napisał:
    Piękny wstęp i na koniec coś pośredniego między pająkiem a płytką uniwersalną, tego typu projekty pulsometrów były prezentowane również przez polskch elektroników hobbystów jeden z nich jest choćby w EdW. Podobny układ jak pan Scott Harden popełniłem około 10 lat temu za wyjątkiem oczywiście części komputerowej. Gdyby zaprezentowany został czujnik pulsoksymetryczny z programową obsługą lub choćby jako stopień wejściowy może jakas prezentacja krzywej pletyzmograficznej możnaby było się zachwycać tak to jest projekt na poziomie technikum.


    W nocie aplikacyjnej firmy Freescale, z której pochodzi wstęp i rysunek front-endu na pewno znajdziesz tego rodzaju opis, to już w pełni profesjonalna konstrukcja. Jeśli jest zainteresowanie tym tematem, to chętnie przetłumaczę dalszą jej część z opisem realizacji pulsoksymetru na Kinetisie.

  • #4 29 Cze 2015 18:19
    ladamaniac
    Poziom 37  

    Nie no, wszystko ok, ale to DIY w żaden sposób nie można nazwać pulsoksymetrem, to jest pulsometr. W nazewnictwie angielskojęzycznym heart beat albo heart rate monitor. Natomiast artykuł FreeScale, jakby nie było komercyjno reklamowy, jest dość ciekawy.

  • #5 29 Cze 2015 18:22
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    ladamaniac napisał:
    Nie no, wszystko ok, ale to DIY w żaden sposób nie można nazwać pulsoksymetrem, to jest pulsometr. W nazewnictwie angielskojęzycznym heart beat albo heart rate monitor. Natomiast artykuł FreeScale, jakby nie było komercyjno reklamowy, jest dość ciekawy.


    Tak, to prawda - ale nietrudno by było rozwinąć układ. Wystarczy dodać drugi taki sam układ i liczyć stosunki absorbancji.

    Artykuł Freescale, jak na artykuł reklamowy ma bardzo dobrze i szeroko napisany wstęp teoretyczny. M.in. dlatego o niego się oparłem w ramach wstępu.

  • #6 01 Lip 2015 08:56
    miono
    Poziom 15  

    Ciekawy projekt, ale stosowanie tak mocnego procesora do niego to chyba lekki przerost formy nad treścią. Sam kiedyś zrobiłem taki układ ale w oparciu o 8-bitowy mikroprocesor PSoC (jest nawet nota aplikacyjna na stronie cypress). PSoCi posiadają w sobie konfigurowalne bloki analogowe i wystarczy dołożyć dosłownie kilka elementów żeby zrealizować pulsoksymetr.