Oxímetre de pols Arduino: 35 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Els oxímetres de pols són instruments estàndard per a entorns hospitalaris. Utilitzant les absorbàncies relatives de l’hemoglobina oxigenada i desoxigenada, aquests dispositius determinen el percentatge de sang d’un pacient que transporta oxigen (un rang saludable és del 94-98%). Aquesta xifra pot salvar la vida en un entorn clínic, ja que una caiguda sobtada de l’oxigenació de la sang indica un problema mèdic crític que cal abordar immediatament.

En aquest projecte, intentem construir un oxímetre de pols amb peces fàcils de trobar en línia / en una ferreteria local. El producte final és un instrument que pot proporcionar prou informació perquè algú pugui controlar l’oxigenació de la sang al llarg del temps per només $ x. El pla original era fer que el dispositiu fos totalment portable, però a causa de factors fora del nostre control, això no era possible a la nostra escala de temps. Tenint en compte uns quants components més i una mica més de temps, aquest projecte es podria fer completament usable i comunicar-se sense fils a un dispositiu extern.

Subministraments

Llista de peces essencials: coses que probablement haureu de comprar (us recomanem que en tingueu alguns de recanvi per a cada component, especialment les peces de muntatge superficial)

Arduino Nano * 1,99 dòlars (Banggood.com)

Dual LED: 1,37 dòlars (Mouser.com)

Fotodiode: 1,67 $ (Mouser.com)

Resistència de 150 ohms: 0,12 dòlars (Mouser.com)

Resistència de 180 ohms: 0,12 dòlars (Mouser.com)

Resistència de 10 kOhm: 0,10 $ (Mouser.com)

Resistència de 100 kOhm: 0,12 dòlars (Mouser.com)

Condensador de 47 nF: 0,16 dòlars (Mouser.com)

* (El nostre Nano està atrapat a la Xina en aquest moment, així que hem utilitzat un Uno, però tots dos funcionaran)

Cost total: 5,55 dòlars (però … teníem un munt de coses i també vam comprar algunes peces de recanvi)

Llista de peces secundàries: coses que ens quedaven, però és possible que hagueu de comprar

Tauler revestit de coure: bastant barat (exemple). En lloc d'això, podeu fabricar i demanar un PCB.

PVC: quelcom d'almenys una polzada de diàmetre. El tipus més prim funciona molt bé.

Filferros: incloent alguns cables de pont per a la placa de taula i d’altres més llargs per connectar l’oxímetre a la placa. Al pas 20 mostro la meva solució.

Capçalera femenina: són opcionals, si només voleu soldar cables a les taules, funcionarà bé.

Escuma: he utilitzat L200, que és bastant específic. Realment podeu utilitzar tot allò que creieu que serà còmode. Els antics ratolins són ideals per a això.

LED i resistències: bastant econòmic si cal comprar-los. Vam utilitzar resistències de 220Ω i teníem uns quants colors al voltant.

Eines i equips recomanats

Pistola de calor

Soldador amb punta fina

Eina Dremel amb bits d'encaminament i tall (es pot aconseguir amb un ganivet, però no tan ràpidament)

Alicates, talladors de filferro, filferros, etc.

Pas 1: Preparació: Llei de Beer-Lambert

Per entendre com construir un oxímetre de pols, primer cal entendre la teoria que hi ha darrere del seu funcionament. El principi de l’equació matemàtica que s’utilitza es coneix com a llei de Beer-Lambert.

La llei de Beer-Lambert és una equació ben utilitzada que descriu la relació entre la concentració d’una substància en una solució i la transmitància (o absorbància) de la llum passada per aquesta solució. En un sentit pràctic, la llei diu que cada vegada hi ha més quantitats de llum bloquejades per partícules cada vegada més grans en una solució. A continuació es descriu la llei i els seus components.

Absorbància = log10 (Io / I) = εbc

On: Io = Llum incident (abans de la mostra afegida) I = Llum incident (després de la mostra afegida) ε = Coeficient d’absorció molar (funció de la longitud d’ona i la substància) b = Longitud del camí de la llum c = Concentració de la substància a la mostra

Quan es mesuren les concentracions mitjançant la llei de Beer, és convenient seleccionar una longitud d'ona de llum que absorbeixi més la mostra. Per a l’hemoglobina oxigenada, la millor longitud d’ona és d’uns 660 nm (vermell). Per a l’hemoglobina desoxigenada, la millor longitud d’ona és d’uns 940 nm (infrarojos). Utilitzant LEDs d’ambdues longituds d’ona, es pot calcular la concentració relativa de cadascun per trobar un% d’O2 per a la sang que es mesura.

Pas 2: Preperació: oximetria de polsos

El nostre dispositiu utilitza un LED dual (dos LEDs al mateix xip) per a les longituds d'ona de 660nm i 940nm. Aquests s'encenen i s'apaguen alternativament, i l'Arduino registra el resultat des del detector al costat oposat del dit dels LED. El senyal del detector per als dos LEDs polsa a temps amb els batecs del pacient. Així, el senyal es pot dividir en dues porcions: una porció de CC (que representa l’absorbància a la longitud d’ona especificada de tot menys la sang) i una porció de CA (que representa l’absorbància a la longitud d’ona especificada de la sang). Tal com s’especifica a la secció Beer-Lambert, l’absorbància està relacionada amb aquests dos valors (log10 [Io / I]).

% O2 es defineix com: hemoglobina oxigenada / hemoglobina total

Substituint a les equacions de Lambert de cervesa, resoltes per concentració, el resultat és una fracció de fraccions molt complexa. Això es pot simplificar de diverses maneres.

1. La longitud del recorregut (b) per als dos LED és la mateixa, cosa que fa que surti de l’equació
2. S'utilitza una proporció intermèdia (R). R = (AC640nm / DC640nm) / (AC940nm / DC940nm)
3. Els coeficients d’absorció molars són constants. Quan es divideixen, es poden substituir per una constant de factor d’ajust genèric. Això provoca una lleugera pèrdua de precisió, però sembla ser bastant estàndard per a aquests dispositius.

Pas 3: Preparació: Arduino

L'Arduino Nano necessari per a aquest projecte es coneix com a microprocessador, una classe de dispositius que executa contínuament un conjunt d'instruccions preprogramades. Els microprocessadors poden llegir entrades al dispositiu, fer les matemàtiques necessàries i escriure un senyal als seus pins de sortida. Això és increïblement útil per a qualsevol projecte a petita escala que requereixi matemàtiques i / o lògica.

Pas 4: Preparació: GitHub

GitHub és un lloc web que allotja repositoris o espais per a col·leccions d’esbossos d’un projecte. Actualment, el nostre s’emmagatzema a https://github.com/ThatGuy10000/arduino-pulse-oximeter. Això ens permet fer diverses coses.

1. Podeu descarregar-vos el codi i executar-lo al vostre Arduino personal
2. Podem actualitzar el codi en qualsevol moment sense canviar l'enllaç aquí. Si trobem errors o decidim fer matemàtiques de manera diferent, farem una actualització que serà accessible aquí immediatament
3. Podeu editar el codi vosaltres mateixos. Això no provocarà una actualització immediata, però podeu crear una "sol·licitud d'extracció" que demani si vull incloure els vostres canvis al codi mestre. Puc acceptar o vetar aquests canvis.

Per a qualsevol pregunta sobre GitHub o com funciona, consulteu aquest tutorial publicat pel propi GitHub.

Pas 5: consideracions de seguretat

Com a dispositiu, és gairebé tan segur. Hi ha molt poc corrent i res funciona a més de 5V. De fet, el circuit hauria de tenir més por del que teniu.

En el procés de construcció, però, hi ha algunes coses clau que cal tenir en compte.

• La seguretat dels ganivets hauria de ser determinada, però algunes de les parts tenen una forma molt orgànica que pot fer que sigui temptador mantenir-les en un lloc on els dits no haurien de ser. Només cal anar amb compte.
• Si teniu un soldador, una pistola de calor o una eina dremel, suposo que hauríeu de saber utilitzar-los correctament. Prengui les precaucions necessàries. No treureu frustracions. Feu un descans, netegeu el cap i torneu-hi quan sigueu més estables. (Podeu trobar informació de seguretat per a les eines de soldadura, pistola de calor i dremel als enllaços)
• A mesura que proveu circuits o moveu coses sobre una taula de paret, el millor és apagar-ho tot. Realment no és necessari provar res amb energia activa, de manera que no arrisqueu a provocar pantalons curts i potencialment a danyar l'Arduino o altres components.
• Aneu amb compte quan feu servir components electrònics dins i al voltant de l'aigua. La pell humida té una resistència significativament inferior a la pell seca, que pot provocar corrents que superin els nivells de seguretat. A més, els curtmetratges elèctrics dels components de la placa poden causar danys importants als components. No feu funcionar equips elèctrics a prop de líquids.

ADVERTÈNCIA: no intenteu fer-ho servir com un autèntic dispositiu mèdic. Aquest dispositiu és una prova de concepte, però NO és un instrument perfectament precís que s’hauria d’utilitzar per a la cura de persones potencialment malaltes. Hi ha moltes alternatives barates que podeu comprar i que proporcionen un nivell de precisió molt més alt.

Pas 6: consells i trucs

A mesura que es va desenvolupar el projecte, hi va haver diverses lliçons apreses. Aquí teniu alguns consells:

1. Quan feu les plaques de circuit, els vostres amics tenen més separació entre les traces. Millor estar segur. Encara millor és demanar un PCB a un servei com Oshpark que faci tauletes petites com aquestes a un preu raonable.
2. En una nota similar, tingueu en compte si decidiu aplicar alimentació a les plaques de circuit abans de cobrir-les. El fotodiode és especialment tàctil i no és divertit si es trenca quan s’hi arriba. És millor provar els components sense alimentació i tenir la fe que resultarà. Els paràmetres de diode i continuïtat són els vostres amics.
3. Un cop ho heu construït tot, està força tallat i sec, però un dels errors més freqüents va ser que la placa de circuits dels LEDs no estigués connectada correctament. Si les vostres dades són estranyes, comproveu la connexió i proveu de connectar una de les connexions LED a l'Arduino alhora. De vegades, les coses es fan més clares d’aquesta manera.
4. Si encara teniu problemes amb els LED, podeu connectar l'alimentació de 5 V a les seves entrades. El vermell serà força brillant, però l’infraroig és invisible. Si teniu una càmera de telèfon, podeu mirar-la i veureu la llum infraroja. El sensor de càmera del telèfon el mostra com a llum visible, cosa que és molt convenient.
5. Si obteniu molt de soroll, comproveu que la placa de fotodiode estigui lluny de qualsevol cosa que porti la desagradable potència de 60Hz de la paret. La resistència d’alt valor és un imant per obtenir sorolls addicionals, així que aneu amb compte.
6. Les matemàtiques per calcular SpO2 són una mica complicades. Seguiu el codi proporcionat, però assegureu-vos d'editar la variable "fitFactor" per fer que els càlculs s'adaptin al vostre dispositiu concret. Això requereix proves i errors.

Pas 7: construcció de plaques de circuit

Començarem per fer les dues plaques de circuit que entren al disseny. Vaig fer servir un tauler revestit de coure de dues cares i una eina Dremel per fer-les a mà, que no eren perfectes, però funcionaven. Si teniu els recursos, us recomano dibuixar un esquema i fer-lo fresat amb una màquina, però és factible.

Pas 8: Tauler 1: el fotodetector

Aquí teniu el circuit que vaig posar a la primera placa, menys el condensador. El millor és mantenir un perfil baix, ja que això us donarà la volta al dit dins de l’oxímetre. El fotodetector, en aquest cas, és un fotodiode que significa que és similar elèctricament a un díode, però que ens generarà corrent en funció del nivell de llum.

Pas 9: Fresar el tauler

Vaig decidir començar imprimint i retallant un model a escala de la petjada recomanada. Com que només estic mirant el meu tall, això va donar una bona referència abans de treure el fotodetector del paquet. Està disponible a la vista del venedor per al fotodetector.

Pas 10: perforació

Aquest és el disseny que vaig seguir per a la PCB, que vaig retallar amb una mica de fresadora de dremel i un ganivet. La meva primera versió d’aquest tauler va resultar defectuosa per un parell de motius. Les lliçons que vaig aprendre per a la meva segona versió van ser reduir més que el mínim i retallar on vaig dibuixar una línia negra a la imatge superior. Hi ha un pin no connectat al xip que hauria d’obtenir el seu propi pad, ja que no es connecta a cap altra cosa, però encara ajuda a mantenir el xip a la placa. També he afegit forats per a la resistència, que he fet col·locant la resistència al costat i mirant els forats.

Pas 11: col·locació de components

Aquesta part és una mica complicada. Aquí he marcat l'orientació del fotodetector en blanc. Vaig posar una mica de soldadura a la part inferior de cada passador del xip, vaig posar una mica de soldadura a la placa de circuits i després vaig mantenir el xip al seu lloc mentre escalfava la soldadura al tauler. No el voleu escalfar massa, però si la soldadura del tauler és líquida, hauria de connectar-se amb el xip amb força rapidesa si teniu prou soldadura activada. També heu de soldar la resistència de 100 kΩ amb una capçalera de 3 pins al mateix costat de la placa.

Pas 12: neteja i comprovació

A continuació, utilitzeu l'eina dremel per tallar el coure al voltant dels cables de la resistència a la part posterior del tauler (per evitar un curtcircuit de la resistència). Després, utilitzeu un multímetre en el seu mode de continuïtat per comprovar que cap de les traces hagi estat curt en el procés de soldadura. Com a comprovació final, utilitzeu la mesura de díodes del multímetre (Tutorial si aquesta és una nova tecnologia per a vosaltres) a través del fotodiode per assegurar-vos que estigui completament connectat a la placa.

Pas 13: Tauler 2: els LED

Aquí teniu l’esquema del segon tauler. Aquest és una mica més difícil, però per sort estem escalfats de fer l'últim.

Pas 14: Drilling Down Redux

Després de diversos intents que no m’agradaven tant, em vaig fixar en aquest patró, que vaig fer amb el mateix bit d’encaminament de dremel que abans. A partir d'aquesta imatge, és difícil de dir, però hi ha una connexió entre dues parts de la placa a través de l'altre costat (terra al circuit). La part més important d’aquest tall és la intersecció on s’assentarà el xip LED. Aquest patró de mirada ha de ser força petit perquè les connexions del xip LED estan força juntes.

Pas 15: Vias de soldadura

Com que cal connectar dues cantonades oposades del xip LED, hem d’utilitzar la part posterior del tauler per connectar-les. Quan connectem elèctricament un costat del tauler a l’altre, s’anomena "via". Per fer les vies al tauler, he perforat un forat a les dues zones que he marcat més amunt. A partir d’aquí, vaig posar els cables de la resistència de la placa anterior al forat i es van soldar pels dos costats. Vaig tallar tot l'excés de cable que vaig poder i vaig fer una comprovació de continuïtat per veure que hi havia una resistència gairebé nul·la entre aquestes dues zones. A diferència de l’últim tauler, no caldrà que es detallin aquestes vies al darrere perquè volem que estiguin connectades.

Pas 16: Soldar el xip LED

Per soldar el xip LED, seguiu el mateix procediment que el fotodiode, afegint soldadura a cada pin i també a la superfície. L’orientació de la peça és difícil d’aconseguir i us recomano seguir el full de dades per obtenir els vostres coixinets. A la part inferior del xip, el "pin one" té un coixinet lleugerament diferent, i la resta de números continuen al voltant del xip. He marcat quins números s’adjunten en quins punts. Un cop l'heu soldat, hauríeu de tornar a utilitzar el paràmetre de prova de díodes del multímetre per veure si les dues cares estan connectades correctament. Això us mostrarà quin LED és el vermell també, ja que s’encendrà una mica quan el multímetre estigui connectat.

Pas 17: la resta de components

A continuació, soldeu les resistències i el capçal de 3 pins. Si el xip LED es va capgirar de 180 ° al pas anterior, en realitat encara està bé de continuar. Quan poseu les resistències, assegureu-vos que la resistència de 150 Ω vagi pel costat vermell i que l’altra cara tingui els 180 Ω.

Pas 18: acabat i comprovació

A la part posterior, talleu al voltant de les resistències com abans per evitar que es tallin amb la via. Retalleu el tauler i feu un darrer escombrat amb el provador de continuïtat al multímetre, només per comprovar que res no hagi quedat en curtcircuit per error.

Pas 19: "Potting" de les juntes

Després de tot el bon treball de soldadura que vaig fer, volia assegurar-me que res no faria caure els components mentre s’utilitzava l’oxímetre, així que vaig decidir “posar” els taulers a la cassola. En afegir una capa d’alguna cosa no conductora, tots els components es mantindran millor al seu lloc i proporcionaran una superfície més plana per a l’oxímetre. Vaig provar algunes coses que tenia al voltant i aquest adhesiu de força industrial funcionava bé. Vaig començar tapant la part posterior i deixant-la reposar unes hores.

Pas 20: continuació de l'emmagatzematge

Després de solidificar la part inferior, gireu-la per sobre de les taules i recobriu-la. Tot i que es tracta d’un adhesiu gairebé transparent, volia mantenir el fotodetector i els LED descoberts, de manera que, abans de cobrir-ho tot, els vaig cobrir amb petites peces de cinta elèctrica i, al cap d’unes hores, vaig fer servir un ganivet per treure l’adhesiu de la part superior amb cura. aquests i es va treure la cinta. Pot ser que no sigui necessari mantenir-los al descobert, però si decidiu tapar-los, assegureu-vos d’evitar bombolles d’aire. Està bé posar-hi tot l’adhesiu que vulgueu (dins de la raó), ja que una superfície més plana s’asseurà més còmodament i aportarà més protecció als components, només cal que deixeu-la reposar una estona perquè s’assequi durant tot el temps.

Pas 21: construcció de cables

Només tenia un cable encallat a mà, així que vaig decidir fer servir capçalera masculina de 3 pins per crear alguns cables. Si el teniu a mà, és molt més senzill utilitzar filferro de calibre sòlid per a això sense soldar. Tanmateix, ajuda a torçar els cables, ja que això impedeix enganxar-se i, en general, sembla més net. Només cal soldar cada filferro amb un passador de la capçalera i, si el teniu, cobriria cada filament amb una mica de calor. Assegureu-vos que teniu els cables en el mateix ordre quan connecteu la capçalera de l’altra banda.

Pas 22: Prova del cablejat per prova d'idiotes

A causa de la forma en què vaig connectar aquestes plaques als cables, volia assegurar-me que no les connectés mai malament, de manera que vaig codificar per colors la connexió amb marcadors de pintura. Aquí podeu veure quin pin és quina connexió i com funciona la meva codificació de colors.

Pas 23: fer un recinte

El recinte de l'oxímetre el vaig fabricar amb escuma L200 i un tros de tub de PVC, però segur que podeu utilitzar qualsevol escuma i / o plàstic que tingueu al voltant. El PVC funciona molt bé perquè ja està gairebé en la forma que desitgem.

Pas 24: Pistoles de PVC i de calor

L’ús d’una pistola de calor sobre PVC per donar forma és senzill, però pot ser una mica pràctic. Tot el que heu de fer és aplicar calor al PVC fins que comenci a doblar-se lliurement. Tot i que fa calor, podeu doblar-lo gairebé en qualsevol forma que vulgueu. Comenceu amb una secció de canonada de PVC just més ampla que les taules. Talleu un dels costats i, tot seguit, poseu-hi una mica de foc. Voldreu uns guants o uns blocs de fusta per poder maniobrar el PVC mentre fa calor.

Pas 25: donar forma al plàstic

A mesura que doblegueu el bucle, talleu una mica de l'excés de PVC. Abans de tenir-lo completament doblegat, utilitzeu un ganivet o una eina dremel per tallar una osca en un costat i les vores del costat oposat. Aquesta forma bifurcada us permet tancar el bucle encara més. També us dóna un lloc on agafar per obrir l’oxímetre per posar-lo al dit. No us preocupeu per l’estanquitat per ara, ja que voldreu veure com se sent quan hi ha l’escuma i els taulers.

Pas 26: una mica més suau

A continuació, talleu un tros d'escuma a l'amplada del PVC i a una longitud que s'envolti completament al voltant del bucle interior.

Pas 27: un lloc per a les juntes

Per evitar que el tauler pugui ficar-se al dit, és important introduir-los a l’escuma. Traça la forma de les taules a l’escuma i fes servir unes tisores per excavar el material. En lloc d’esborrar tota l’àrea al voltant de les capçaleres, afegiu algunes escletxes als connectors laterals que puguin sortir, tot i que quedin lleugerament sota l’escuma. En aquest punt, podeu posar les taules i l’escuma al PVC i provar-ne l’adaptació al PVC real i després al dit. Si feu això, perdeu circulació, voldreu tornar a utilitzar la pistola de calor per obrir una mica més el recinte.

Pas 28: Taulers en escuma

Començarem a muntar-ho tot ara! Per començar, només cal que llenceu una mica d’epoxi / adhesiu als forats que acabeu de fer a l’escuma i poseu les taules a les seves petites cases. He utilitzat el mateix adhesiu que he utilitzat per posar les taules abans, que semblava que funcionava bé. Assegureu-vos de deixar-lo reposar unes hores abans de continuar.

Pas 29: Escuma en plàstic

A continuació, vaig folrar l’interior del PVC amb la mateixa cola i vaig posar l’escuma amb cura. Netegeu l’excés i poseu-hi alguna cosa a dins perquè l’escuma es trenqui. El meu ganivet utilitzat va funcionar bé i, realment, ajuda a empènyer l’escuma contra el PVC per obtenir un segell fort.

Pas 30: la connexió Arduino

En aquest moment, el sensor real s'ha completat, però, per descomptat, el volem utilitzar per a alguna cosa. No hi ha molt per connectar-se a l'Arduino, però és increïblement important no connectar res cap enrere o és probable que danyeu les coses a les plaques de circuit. Assegureu-vos que l’alimentació estigui apagada quan connecteu els circuits (realment és la forma més segura d’evitar problemes).

Pas 31: la resistència i el condensador restants

Algunes notes sobre el cablejat a l'Arduino:

• El condensador del senyal a terra fa meravelles pel soroll. No tenia una àmplia selecció, de manera que vaig fer servir la "paperera brossa especial del pare", però si teniu varietat, busqueu una quantitat aproximada de 47nF o menys. En cas contrari, és possible que no pugueu tenir una velocitat de commutació ràpida entre els LED vermells i els IR.
• La resistència que entra al cable del fotodetector és una cosa de seguretat. No és necessari, però em vaig espantar que, mentre manejava el circuit de la placa, poguessin curtcircuitar accidentalment alguna cosa i eliminar tot el projecte. No cobrirà tots els accidents, però ajuda a tenir una mica més d’esperit.

Pas 32: Prova del corrent LED

Un cop els heu introduït, proveu el corrent que passa pels LEDs vermells i IR mitjançant un multímetre en mode amperímetre. L'objectiu aquí és comprovar que siguin similars. Els meus estaven al voltant dels 17 mA.

Pas 33: el codi

Tal com s’indica al pas de preparació, el codi d’aquest dispositiu es troba al nostre dipòsit GitHub. Simplement:

1. Baixeu aquest codi fent clic a "Clona o descarrega" / "Baixa Zip".
2. Descomprimiu aquest fitxer mitjançant 7zip o un programa similar i obriu-lo a Arduino IDE.
3. Pengeu-lo al vostre Arduino i connecteu els pins tal com es descriu a les assignacions de pins (o canvieu-los al codi, però adoneu-vos que haurà de fer-ho cada vegada que descarregueu de nou de GitHub).
4. Si voleu veure una sortida de sèrie al monitor de sèrie, canvieu el booleà serialDisplay a True. Les altres variables d'entrada es descriuen al codi; els valors actuals ens han funcionat bé, però podeu experimentar amb altres per aconseguir un rendiment òptim per a la vostra configuració.

Pas 34: Diagrama de circuits

Pas 35: idees addicionals

Ens agradaria afegir (o algun dels nostres seguidors podria pensar a afegir-lo)

1. Connexió Bluetooth per intercanviar dades amb un ordinador
2. Connexió a un dispositiu Google Home / Amazon per sol·licitar informació de SpO2
3. Més matemàtiques esborrades per calcular SpO2, ja que actualment no tenim cap referència per comparar-les. Simplement fem servir matemàtiques que hem trobat en línia.
4. Codi per calcular i informar dels batecs del pacient, juntament amb SpO2
5. Utilitzar un circuit integrat per a les nostres mesures i matemàtiques, eliminant gran part de la variabilitat de la nostra sortida.