Arduino pulsoksymeter: 35 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Pulsoksymetre er standardinstrumenter for sykehusinnstillinger. Ved å bruke de relative absorbansene av oksygenert og deoksygenert hemoglobin, bestemmer disse enhetene prosentandelen av pasientens blod som transporterer oksygen (et sunt område er 94-98%). Dette tallet kan være livreddende i kliniske omgivelser, ettersom et plutselig fall i blodets oksygenering indikerer et kritisk medisinsk problem som må løses umiddelbart.

I dette prosjektet prøver vi å konstruere et pulsoksimeter ved hjelp av deler som er enkle å finne på nettet/i en lokal maskinvarebutikk. Sluttproduktet er et instrument som kan gi nok informasjon til at noen kan overvåke oksygenering av blod over tid for bare $ x. Den opprinnelige planen var å gjøre enheten helt bærbar, men på grunn av faktorer utenfor vår kontroll var dette ikke mulig i vår tidsramme. Gitt noen flere komponenter og litt mer tid, kan dette prosjektet bli helt bærbart og kommunisere trådløst til en ekstern enhet.

Rekvisita

Essential Parts List - Ting du sannsynligvis må kjøpe (Vi anbefaler å ha noen få reservedeler til hver komponent, spesielt overflatemonteringsdelene)

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

Dual -LED - $ 1,37 (Mouser.com)

Fotodiode - $ 1,67 (Mouser.com)

150 Ohm motstand - $ 0,12 (Mouser.com)

180 Ohm motstand - $ 0,12 (Mouser.com)

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

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

47 nF kondensator - 0,16 dollar (Mouser.com)

*(Nano vår sitter fast i Kina for øyeblikket, så vi brukte en Uno, men begge vil fungere)

Total kostnad: $ 5.55 (Men … vi hadde en haug med ting som lå rundt og kjøpte noen få reservedeler også)

Sekundær deleliste - Ting som lå rundt for oss, men du må kanskje kjøpe

Kobberkledd brett - Ganske billig (eksempel). I stedet for dette kan du lage og bestille et kretskort.

PVC - Noe minst en tomme i diameter. Den tynnere typen fungerer utmerket.

Ledninger - Inkludert noen hoppetråder for brødbrettet og noen lengre for å koble oksymeteret til brettet. I trinn 20 viser jeg min løsning på dette.

Female Pin Header - Disse er valgfrie, hvis du bare vil lodde ledninger til brettene, vil det fungere helt fint.

Skum - Jeg brukte L200, som er ganske spesifikk. Du kan virkelig bruke alt du tror vil være behagelig. Gamle musematter er flotte for dette!

Lysdioder og motstander - Ganske billig hvis du trenger å kjøpe dem. Vi brukte 220Ω motstander og hadde noen få farger liggende.

Anbefalt verktøy og utstyr

Varmepistol

Loddejern med en fin spiss

Dremel Tool med fresing og skjærebiter (Du kan klare deg med en kniv, men ikke så raskt)

Tang, Wire cutters, Wire Strippers, etc.

Trinn 1: Forberedelse: Beer-Lamberts lov

For å forstå hvordan man bygger et pulsoksymeter, er det først nødvendig å forstå teorien bak driften. Den matematiske prinsippet som brukes er kjent som Beer-Lamberts lov.

Beer-Lamberts lov er en godt brukt ligning som beskriver forholdet mellom konsentrasjonen av et stoff i en løsning og transmittansen (eller absorbansen) av lys som passerer gjennom løsningen. I praktisk forstand sier loven at stadig større mengder lys blokkeres av stadig større partikler i en løsning. Loven og dens komponenter er beskrevet nedenfor.

Absorbans = log10 (Io/I) = εbc

Hvor: Io = Innfallende lys (før tilsatt prøve) I = Innfallende lys (etter tilsatt prøve) ε = Molar absorpsjonskoeffisient (funksjon av bølgelengde og stoff) b = Lyslengde c = Konsentrasjon av stoffet i prøven

Når du måler konsentrasjoner ved å bruke Beers Law, er det praktisk å velge en lysbølgelengde der prøven absorberer mest. For oksygenrikt hemoglobin er den beste bølgelengden omtrent 660 nm (rød). For deoksygenert hemoglobin er den beste bølgelengden omtrent 940 nm (infrarød). Ved bruk av lysdioder med begge bølgelengdene kan den relative konsentrasjonen av hver enkelt beregnes for å finne en %O2 for blodet som måles.

Trinn 2: Forberedelse: Pulsoksimetri

Vår enhet bruker en dobbel LED (to lysdioder på samme brikke) for bølgelengdene 660nm og 940nm. Disse veksles på/av, og Arduino registrerer resultatet fra detektoren på motsatt side av fingeren fra lysdiodene. Detektorsignalet for begge lysdiodene pulserer i takt med pasientens hjerterytme. Signalet kan dermed deles inn i to deler: en DC -del (som representerer absorbansen ved den angitte bølgelengden til alt unntatt blodet), og en AC -del (som representerer absorbansen ved den angitte bølgelengden til blodet). Som spesifisert i Beer-Lambert-delen, er Absorbans relatert til begge disse verdiene (log10 [Io/I]).

%O2 er definert som: Oksygenert hemoglobin / Totalt hemoglobin

Resultatet er en veldig kompleks brøkdel av fraksjoner som erstatter Beer Lambert -ligningene, løst for konsentrasjon. Dette kan forenkles på noen få måter.

1. Banelengden (b) for begge lysdiodene er den samme, noe som får den til å falle ut av ligningen
2. Et mellomforhold (R) brukes. R = (AC640nm/DC640nm)/(AC940nm/DC940nm)
3. Molare absorpsjonskoeffisienter er konstanter. Når de er delt, kan de erstattes med en generisk passformfaktorkonstant. Dette forårsaker et lite tap i nøyaktighet, men ser ut til å være ganske standard for disse enhetene.

Trinn 3: Forberedelse: Arduino

Arduino Nano som kreves for dette prosjektet er kjent som en mikroprosessor, en klasse enheter som kontinuerlig kjører et sett med forhåndsprogrammerte instruksjoner. Mikroprosessorer kan lese innganger til enheten, gjøre nødvendig matematikk og skrive et signal til utgangspinnene. Dette er utrolig nyttig for ethvert småskala prosjekt som krever matte og/eller logikk.

Trinn 4: Forberedelse: GitHub

GitHub er et nettsted som er vert for depoter eller mellomrom for samlinger av skisser for et prosjekt. Vår er for øyeblikket lagret på https://github.com/ThatGuy10000/arduino-pulse-oximeter. Dette gjør at vi kan gjøre flere ting.

1. Du kan laste ned koden for deg selv og kjøre den på din personlige Arduino
2. Vi kan oppdatere koden når som helst uten å endre lenken her. Hvis vi finner feil eller bestemmer oss for å gjøre matematikk annerledes, vil vi sende ut en oppdatering som vil være tilgjengelig her umiddelbart
3. Du kan redigere koden selv. Dette vil ikke føre til en umiddelbar oppdatering, men du kan opprette en "pull -forespørsel" som spør om jeg vil inkludere endringene i hovedkoden. Jeg kan godta eller nedlegge veto mot disse endringene.

For spørsmål om GitHub eller hvordan det fungerer, se denne opplæringen utgitt av GitHub selv.

Trinn 5: Sikkerhetshensyn

Som en enhet er dette omtrent så trygt som det kan bli. Det er veldig lite strøm, og ingenting fungerer over 5V. Faktisk burde kretsen være mer redd enn du er.

I byggeprosessen er det imidlertid noen viktige ting å huske på.

• Knivsikkerhet bør være gitt, men noen av delene har en veldig organisk form som kan gjøre det fristende å holde dem på et sted der fingrene egentlig ikke burde være. Bare vær forsiktig.
• Hvis du eier et loddejern, varmepistol eller et dremelverktøy, antar jeg at du burde vite hvordan du bruker dem riktig. Ta uansett nødvendige forholdsregler. Ikke arbeid gjennom frustrasjoner. Ta en pause, tøm hodet, og kom tilbake til det når du er mer stabil. (Sikkerhetsinformasjon for loddejern, varmepistol og dremelverktøy finnes i koblingene)
• Når du tester noen kretser eller flytter ting rundt på et brødbrett, er det best å slå av alt. Det er virkelig ikke behov for å teste noe med strøm, så ikke risikere å forårsake shorts og potensielt skade Arduino eller andre komponenter.
• Vær forsiktig når du bruker de elektroniske komponentene i og rundt vann. Våt hud har en betydelig lavere motstand enn tørr hud, noe som kan forårsake strømmer som overstiger sikre nivåer. Videre kan elektriske shorts i brettkomponenter forårsake betydelig skade på komponenter. Ikke bruk elektrisk utstyr i nærheten av væsker.

ADVARSEL: Ikke prøv å bruke dette som et ekte medisinsk utstyr. Denne enheten er et bevis på konseptet, men det er IKKE et helt nøyaktig instrument som bør brukes i omsorgen for potensielt syke individer. Det er mange billige alternativer du kan kjøpe som gir et mye høyere nøyaktighetsnivå.

Trinn 6: Tips og triks

Etter hvert som prosjektet utviklet seg, ble det lært en rekke leksjoner. Her er noen råd:

1. Når du lager kretskortene, er det mer skillet mellom sporene dine venner. Bedre å være på den sikre siden. Enda bedre er å bare bestille en PCB fra en tjeneste som Oshpark som vil gjøre små brett som disse til en rimelig pris.
2. På en lignende måte, vær forsiktig hvis du bestemmer deg for å bruke strøm til kretskortene før du dekker dem. Fotodioden er spesielt pregende, og det er bare ikke morsomt hvis den er ødelagt når du kommer til den. Det er bedre å teste komponentene uten strøm og ha tro på at det vil vise seg. Diode- og kontinuitetsinnstillingene er dine venner.
3. Når du har bygget alt, er det ganske kuttet og tørt, men en av de vanligste feilene var å ha LED -kretskortet koblet feil. Hvis dataene dine er rare, sjekk tilkoblingen, og prøv å koble en av LED -tilkoblingene til Arduino om gangen. Noen ganger blir ting tydeligere på den måten.
4. Hvis du fortsatt har problemer med lysdiodene, kan du koble 5V strøm til inngangene. Den røde vil være ganske lys, men infrarød er usynlig. Hvis du har et telefonkamera på deg, kan du se gjennom det og du vil se det infrarøde lyset. Telefonens kamerasensor viser det som synlig lys, noe som er veldig praktisk!
5. Hvis du får mye støy, må du kontrollere at fotodiodekortet er langt borte fra alt som bærer den ekle 60Hz strømmen fra veggen. Motstanden med høy verdi er en magnet for ekstra støy, så vær forsiktig.
6. Matematikk for å beregne SpO2 er litt vanskelig. Følg koden som er oppgitt, men sørg for å redigere varianten "fitFactor" slik at beregningene passer til akkurat din enhet. Dette krever prøving og feiling.

Trinn 7: Konstruere kretskort

Vi starter med å lage de to kretskortene som går inn i designet. Jeg brukte et tosidig kobberbelagt brett og Dremel-verktøy for å lage disse for hånd, noe som ikke var perfekt, men det fungerte. Hvis du har ressursene, anbefaler jeg på det sterkeste å tegne en skjematisk og ha dette frest med en maskin, men det er mulig uten.

Trinn 8: Brett 1 - fotodetektoren

Her er kretsen jeg satte på det første brettet, minus kondensatoren. Det er best å holde en lav profil, siden dette kommer til å gå rundt fingeren inne i oksimeteret. Fotodetektoren, i dette tilfellet, er en fotodiode som betyr at den er elektrisk lik en diode, men vil generere strøm for oss basert på lysnivået.

Trinn 9: Fresing av brettet

Jeg bestemte meg for å starte med å skrive ut og kutte ut en skalamodell av det anbefalte fotavtrykket. Fordi jeg bare ser på skjæringen min, ga dette en god referanse før jeg tok fotodetektoren ut av pakken. Dette er tilgjengelig for leverandøren for fotodetektoren.

Trinn 10: Bor ned

Dette er designet jeg gikk med for kretskortet, som jeg skar ut med en liten dremelfres og en verktøykniv. Min første konstruksjon av dette brettet endte opp med feil av et par grunner. Leksjonene jeg lærte for mitt andre bygg var å kutte mer enn bare minimumet og å kutte ut hvor jeg tegnet en svart linje på bildet ovenfor. Det er en ikke-tilkoblet pinne på brikken som skal få sin egen pute, siden den ikke kobles til noe annet, men fortsatt hjelper til med å holde brikken til brettet. Jeg har også lagt til hull for motstanden, som jeg lagde ved å plassere motstanden ved siden av den og sette hull i øynene.

Trinn 11: Plassering av komponenter

Denne delen er litt vanskelig. Jeg har markert fotodetektorens orientering her i hvitt. Jeg la en liten lodde på bunnen av hver pinne på brikken, satte litt loddetinn på kretskortet og holdt deretter brikken på plass mens jeg varmet loddetinnet på brettet. Du vil ikke varme den opp for mye, men hvis loddetinnet på brettet er flytende, bør det koble seg til brikken ganske raskt hvis du har nok loddetinn på. Du bør også lodde 100kΩ motstanden en 3-pinners topptekst til samme side av brettet.

Trinn 12: Rengjøring og kontroll

Deretter bruker du dremel -verktøyet til å kutte ut kobberet rundt motstandsledningene på baksiden av brettet (for å unngå å kutte motstanden). Etterpå bruker du et multimeter på kontinuitetsmodus for å kontrollere at ingen av sporene ble kortsluttet i loddeprosessen. Som en siste kontroll, bruk diodemålingen til multimeteret (opplæring hvis dette er ny teknologi for deg) på tvers av fotodioden for å sikre at den er helt festet til brettet.

Trinn 13: Bord 2 - lysdiodene

Her er skjematikken for det andre brettet. Denne er litt vanskeligere, men heldigvis blir vi varmet opp fra den siste.

Trinn 14: Bore ned Redux

Etter flere forsøk som jeg ikke likte så godt, bestemte jeg meg for dette mønsteret, som jeg boret med den samme dremel -fresebiten som før. Fra dette bildet er det vanskelig å si, men det er en forbindelse mellom to deler av brettet gjennom den andre siden (jord i kretsen). Den viktigste delen av denne skjæringen er krysset der LED -brikken vil sitte. Dette hårkorsmønsteret må være ganske lite fordi tilkoblingene på LED -brikken er ganske tett sammen.

Trinn 15: Lodding Vias

Fordi to motsatte hjørner av LED -brikken begge må kobles til, må vi bruke baksiden av brettet for å koble dem. Når vi kobler den ene siden av brettet elektrisk til den andre, kalles det en "via". For å lage vias på brettet, boret jeg et hull i de to områdene jeg har merket ovenfor. Herfra satte jeg ledningene til motstanden på det forrige brettet inn i hullet og loddet på begge sider. Jeg kuttet så mye overflødig ledning som jeg kunne og gjorde en kontinuitetskontroll for å se at det var nesten null motstand mellom disse to områdene. I motsetning til det siste brettet, trenger ikke viasene å skisseres på baksiden fordi vi vil at de skal være tilkoblet.

Trinn 16: Lodding av LED -brikken

For å lodde LED -brikken, følg samme prosedyre som fotodioden, og legg til loddetinn på hver pinne og til overflaten også. Retningen til delen er vanskelig å få riktig, og jeg anbefaler å følge databladet for å få lagrene dine. På undersiden av brikken har "pin one" en litt annen pad, og resten av tallene fortsetter rundt brikken. Jeg har markert hvilke tall som fester på hvilke punkter. Når du har loddet den på, bør du igjen bruke diodetestinnstillingen på multimeteret for å se at begge sider er riktig festet. Dette vil også vise deg hvilken LED som er den røde, siden den lyser litt når multimeteret er tilkoblet.

Trinn 17: Resten av komponentene

Deretter loddes på motstandene og 3-pinners topptekst. Hvis du tilfeldigvis fikk LED -brikken vendt 180 ° i forrige trinn, har du det egentlig fortsatt greit å fortsette. Når du setter på motstandene, må du kontrollere at 150Ω motstanden går på den røde siden, og den andre siden har 180Ω.

Trinn 18: Etterbehandling og kontroll

På baksiden, kutt rundt motstandene som før for å unngå at de blir korte med via. Klipp ut brettet, og gjør en siste feiing med kontinuitetstester på multimeteret, bare for å dobbeltsjekke at ingenting ble kortslått ved et uhell.

Trinn 19: "Potting" styrene

Etter alt det fine loddearbeidet jeg gjorde, ville jeg sørge for at ingenting ville slå komponentene av mens oksymeteret ble brukt, så jeg bestemte meg for å "potte" platene. Ved å legge til et lag med noe ikke-ledende, vil alle komponentene forbli på plass bedre og vil gi en flatere overflate for oksymeteret. Jeg testet ut noen ting jeg hadde liggende, og dette limet for industriell styrke fungerte bra. Jeg begynte med å dekke baksiden og la den sitte i noen timer.

Trinn 20: Potting fortsetter

Etter at bunnen er størknet, snu brettene og beleg toppen. Selv om det er et nesten klart lim, ønsket jeg å holde fotodetektoren og lysdiodene avdekket, så før jeg dekket alt, dekket jeg til både små biter av elektrisk tape og etter noen timer brukte jeg en kniv til å fjerne limet forsiktig på toppen av disse og tok av tapen. Det er kanskje ikke nødvendig å holde dem avdekket, men hvis du bestemmer deg for å bare dekke dem, må du bare unngå luftbobler. Det er greit å legge på så mye lim du vil (innenfor grunnen), siden en flatere overflate vil sitte mer behagelig og gi mer beskyttelse til komponentene, bare sørg for å la den sitte en stund, slik at den kan tørke gjennom.

Trinn 21: Konstruksjon av ledninger

Jeg hadde bare strandet ledning for hånden, så jeg bestemte meg for å bruke en mannlig 3-pinners overskrift for å lage noen kabler. Hvis du har den for hånden, er det mye enklere å bare bruke solid gauge til dette uten lodding. Det hjelper imidlertid å vri ledningene sammen, siden det forhindrer å feste seg og bare ser penere ut. Bare lodd hver ledning til en pinne på overskriften, og hvis du har den, ville jeg belegge hver tråd med noe varmekrymping. Sørg for at du har ledningene i samme rekkefølge når du kobler overskriften på den andre siden.

Trinn 22: Idiot-proofing the Wiring

På grunn av måten jeg koblet disse brettene til kabler, ville jeg være sikker på at jeg aldri koblet dem feil, så jeg fargekodet forbindelsen med malingsmarkører. Du kan se her hvilken pin som er hvilken tilkobling og hvordan fargekodingen min fungerer.

Trinn 23: Lag en vedlegg

Kapslingen til oksymeteret laget jeg med L200 -skum og et stykke PVC -rør, men du kan absolutt bruke uansett skum og/eller plast du har liggende. PVC -en fungerer bra fordi den allerede er nesten i den formen vi ønsker.

Trinn 24: PVC og varmepistoler

Det er enkelt å bruke en varmepistol på PVC for å forme, men det kan ta litt øvelse. Alt du trenger å gjøre er å påføre varme på PVC -en til den begynner å bøye fritt. Selv om det er varmt, kan du bøye det til omtrent hvilken som helst form du vil ha. Start med en seksjon av PVC -rør som er bare bredere enn platene. Skjær den ene siden, og legg deretter litt varme på den. Du vil ha noen hansker eller noen treblokker for å kunne manøvrere PVC -en mens den er varm.

Trinn 25: Forming av plasten

Når du bøyer løkken inn, kutter du av overflødig PVC. Før du har den helt bøyd inn, bruk en kniv eller et dremelverktøy for å skjære ut et hakk på den ene siden og kantene på den motsatte siden. Denne gaffelformen lar deg lukke løkken ytterligere. Det gir deg også et sted å gripe for å åpne oksimeteret for å sette det på fingeren. Ikke bekymre deg for tetthet for øyeblikket, siden du vil se hvordan det føles når skummet og brettene er inne.

Trinn 26: Noe litt mykere

Klipp deretter et stykke skum til bredden på PVC -en din, og til en lengde som vil vikle seg helt rundt den indre sløyfen.

Trinn 27: Et sted for styrene

For at brettet ikke skal grave i fingeren, er det viktig å sette dem inn i skummet. Spor formen på platene inn i skummet og bruk en saks for å grave ut materialet. I stedet for å fjerne hele området rundt topptekstene, kan du legge til noen spalter på sidekontaktene som kan dukke opp, men fortsatt være litt under skummet. På dette tidspunktet kan du sette brettene og skummet i PVC og teste passformen i selve PVC -en og deretter på fingeren. Hvis du gjør dette begynner å miste sirkulasjonen, vil du bruke varmepistolen igjen for å åpne kabinettet litt mer.

Trinn 28: Plater inn i skum

Vi skal begynne å sette alt sammen nå! For å starte, kast bare litt epoxy/lim i hullene du nettopp har laget i skummet, og legg brettene inn i de små hjemmene deres. Jeg brukte det samme limet som jeg pleide å potte brettene tidligere, som så ut til å fungere helt fint. Sørg for å la dette sitte i noen timer før du går videre.

Trinn 29: Skum i plast

Deretter foret jeg innsiden av PVC -en med samme lim og forsiktig la skummet inni. Tørk av overskuddet og legg noe inni for at skummet skal smelte på. Min kniv fungerte bra, og det hjelper virkelig å skyve skummet mot PVC for å få en sterk tetning.

Trinn 30: Arduino -tilkoblingen

På dette tidspunktet er selve sensoren fullført, men vi vil selvfølgelig bruke den til noe. Det er ikke mye å koble til Arduino, men det er utrolig viktig å ikke koble noe bakover, ellers vil du sannsynligvis skade ting på kretskortene. Sørg for at strømmen er slått av når du kobler til kretsene (Det er virkelig den sikreste måten å unngå problemer).

Trinn 31: Gjenværende motstand og kondensator

Noen få notater om kabling til Arduino:

• Kondensatoren fra signalet til bakken gjør underverker på støyen. Jeg hadde ikke et stort utvalg, så jeg brukte "pappas søppelbøtte -spesial", men hvis du har variasjon, kan du gå for noe rundt 47nF eller mindre. Ellers vil du kanskje ikke ha en rask byttehastighet mellom de røde og IR -lysdiodene.
• Motstanden som går inn i fotodetektorkabelen er en sikkerhetsting. Det er ikke nødvendig, men jeg var redd for at jeg ved håndtering av brødbrettskretsen ved et uhell kunne korte ned noe og ødelegge hele prosjektet. Det dekker ikke alle ulykker, men det hjelper bare å ha litt mer sinn.

Trinn 32: Test av LED -strøm

Når jeg hadde disse inne, tester du strømmen som går gjennom de røde og IR -lysdiodene ved hjelp av et multimeter på ammeter -modus. Målet her er å bare sjekke at de er like. Mine var på rundt 17mA.

Trinn 33: Koden

Som angitt i forberedelsestrinnet, kan koden for denne enheten finnes i vårt GitHub -depot. Ganske enkelt:

1. Last ned denne koden ved å klikke "Clone or download"/"Download Zip".
2. Pakk ut denne filen med 7zip eller et lignende program, og åpne denne filen i Arduino IDE.
3. Last den opp til Arduino og koble pinnene som beskrevet i pin -oppgavene (eller endre dem i koden, men innser at du må gjøre dette hver gang du laster ned fra GitHub på nytt).
4. Hvis du vil se en seriell utgang på den serielle skjermen, må du endre den boolske serienummeret til True. De andre inndatavariablene er beskrevet i koden; gjeldende verdier fungerte bra for oss, men du kan eksperimentere med andre for å oppnå optimal ytelse for oppsettet ditt.

Trinn 34: Kretsdiagram

Trinn 35: Ytterligere ideer

Vi vil gjerne legge til (eller en av våre mange følgere kan tenke seg å legge til)

1. Bluetooth -tilkobling for utveksling av data med en datamaskin
2. Tilkobling til en Google Home/Amazon -enhet for å be om SpO2 -informasjon
3. Mer utskyllet matematikk for å beregne SpO2, ettersom vi foreløpig ikke har noen referanse for sammenligning. Vi bruker ganske enkelt matte som vi fant på nettet.
4. Kode for beregning og rapportering av hjerteslag til pasienten, sammen med SpO2
5. Ved å bruke en integrert krets for våre målinger og matematikk, eliminerer mye av variasjonen for utgangen vår.