Arduino Pulsoximeter: 35 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:38

Pulsoximetrar är standardinstrument för sjukhusinställningar. Med hjälp av de relativa absorbanserna av syresatt och deoxygenerat hemoglobin bestämmer dessa enheter procentandelen av patientens blod som transporterar syre (ett hälsosamt intervall är 94-98%). Denna siffra kan vara livräddande i en klinisk miljö, eftersom en plötslig minskning av syresättningen i blodet indikerar ett kritiskt medicinskt problem som måste åtgärdas omedelbart.

I detta projekt försöker vi konstruera en pulsoximeter med hjälp av delar som är lätta att hitta online/i en lokal järnaffär. Slutprodukten är ett instrument som kan ge tillräckligt med information för att någon ska kunna övervaka syresättning av blod över tid för endast $ x. Den ursprungliga planen var att göra enheten helt bärbar, men på grund av faktorer utanför vår kontroll var detta inte möjligt i vår tidsperiod. Med några fler komponenter och lite mer tid kan detta projekt bli helt bärbart och kommunicera trådlöst till en extern enhet.

Tillbehör

Essential Parts List - Saker du förmodligen behöver köpa (Vi rekommenderar att du har några reservdelar för varje komponent, särskilt ytmonteringsdelarna)

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

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

Fotodiod - 1,67 dollar (Mouser.com)

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

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

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

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

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

*(Vår Nano har fastnat i Kina för tillfället, så vi använde en Uno, men båda fungerar)

Total kostnad: $ 5.55 (Men … vi hade en massa saker som låg och köpte några reservdelar också)

Sekundär reservdelslista - saker som låg för oss, men du kanske måste köpa

Kopparklädd bräda - Ganska billig (exempel). I stället för detta kan du göra och beställa ett kretskort.

PVC - Något minst en tum i diameter. Den tunnare sorten fungerar utmärkt.

Ledningar - Inklusive några bygeltrådar för brödbrädet och några längre för att ansluta oximetern till brädet. I steg 20 visar jag min lösning på detta.

Female Pin Header - Dessa är valfria, om du bara vill löda trådar till brädorna fungerar det bra.

Skum - Jag använde L200, vilket är ganska specifikt. Du kan verkligen använda allt du tror kommer att vara bekvämt. Gamla musmattor är bra för detta!

Lysdioder och motstånd - Ganska billigt om du behöver köpa dem. Vi använde 220Ω motstånd och hade några färger liggande.

Rekommenderade verktyg och utrustning

Värmepistol

Lödkolv med en fin spets

Dremel Tool med routing and Cutting bits (Du klarar dig med en verktygskniv, men inte lika snabbt)

Tång, Wire cutters, Wire Strippers, etc.

Steg 1: Förberedelse: Beer-Lamberts lag

För att förstå hur man bygger en pulsoximeter är det först nödvändigt att förstå teorin bakom dess funktion. Den matematiska principekvationen som används är känd som Beer-Lamberts lag.

Beer-Lamberts lag är en välanvänd ekvation som beskriver sambandet mellan koncentrationen av ett ämne i en lösning och transmittansen (eller absorbansen) av ljus som passerar genom lösningen. I praktisk mening säger lagen att allt större mängder ljus blockeras av allt större partiklar i en lösning. Lagen och dess komponenter beskrivs nedan.

Absorbans = log10 (Io/I) = εbc

Var: Io = Incident light (före tillfört prov) I = Incident light (efter tillsatt prov) ε = Molar absorptionskoefficient (funktion av våglängd och substans) b = Ljuss längd c = Koncentration av ämnet i provet

När man mäter koncentrationer med Beer's Law är det bekvämt att välja en ljusvåglängd där provet absorberar mest. För syresatt hemoglobin är den bästa våglängden cirka 660 nm (röd). För deoxygenerat hemoglobin är den bästa våglängden cirka 940 nm (infraröd). Med hjälp av lysdioder med båda våglängderna kan den relativa koncentrationen för varje beräknas för att hitta en %O2 för blodet som mäts.

Steg 2: Förberedelse: Pulsoximetri

Vår enhet använder en dubbel LED (två lysdioder på samma chip) för våglängderna 660nm och 940nm. Dessa växlas på/av, och Arduino registrerar resultatet från detektorn på motsatta sidan av fingret från lysdioderna. Detektorsignalen för båda lysdioderna pulserar i takt med patientens hjärtslag. Signalen kan således delas upp i två delar: en DC -del (representerar absorbansen vid den angivna våglängden för allt utom blodet) och en AC -del (representerar absorbansen vid den angivna våglängden för blodet). Som anges i avsnittet Beer-Lambert är Absorbans relaterat till båda dessa värden (log10 [Io/I]).

%O2 definieras som: Oxygenerat hemoglobin / totalt hemoglobin

Resultatet är en mycket komplex bråkdel av fraktioner som ersätter Beer Lambert -ekvationerna, löst för koncentration. Detta kan förenklas på några sätt.

1. Banlängden (b) för båda lysdioderna är densamma, vilket får den att falla ur ekvationen
2. Ett mellanliggande förhållande (R) används. R = (AC640nm/DC640nm)/(AC940nm/DC940nm)
3. Molära absorptionskoefficienter är konstanter. När de delas kan de ersättas med en generisk passformsfaktorkonstant. Detta orsakar en liten förlust av noggrannhet, men verkar vara ganska standard för dessa enheter.

Steg 3: Förberedelse: Arduino

Den Arduino Nano som krävs för detta projekt är känd som en mikroprocessor, en klass av enheter som kontinuerligt kör en uppsättning förprogrammerade instruktioner. Mikroprocessorer kan läsa ingångar till enheten, göra nödvändig matematik och skriva en signal till dess utgångsstiften. Detta är otroligt användbart för alla småskaliga projekt som kräver matematik och/eller logik.

Steg 4: Förberedelse: GitHub

GitHub är en webbplats som är värd för förvar eller utrymmen för skisssamlingar för ett projekt. Vår lagras för närvarande på https://github.com/ThatGuy10000/arduino-pulse-oximeter. Detta gör att vi kan göra flera saker.

1. Du kan ladda ner koden för dig själv och köra den på din personliga Arduino
2. Vi kan uppdatera koden när som helst utan att ändra länken här. Om vi hittar buggar eller bestämmer oss för att göra matematik annorlunda, kommer vi att skicka ut en uppdatering som är tillgänglig här omedelbart
3. Du kan redigera koden själv. Detta kommer inte att orsaka en omedelbar uppdatering, men du kan skapa en "pull -begäran" som frågar om jag vill inkludera dina ändringar i masterkoden. Jag kan acceptera eller lägga in veto mot dessa ändringar.

För frågor om GitHub eller hur det fungerar, se den här självstudien publicerad av GitHub själv.

Steg 5: Säkerhetshänsyn

Som en enhet är det ungefär så säkert som det kan bli. Det finns väldigt lite ström, och ingenting fungerar över 5V. I själva verket borde kretsen vara mer rädd än du är.

I byggprocessen är det dock några viktiga saker att tänka på.

• Knivsäkerhet bör vara givet, men några av delarna har en mycket organisk form som kan göra det frestande att hålla dem på en plats där dina fingrar verkligen inte borde vara. Var försiktig.
• Om du äger ett lödkolv, värmepistol eller ett dremelverktyg antar jag att du borde veta hur du använder dem på rätt sätt. Oavsett, vidta nödvändiga försiktighetsåtgärder. Arbeta inte genom frustrationer. Ta en paus, rensa huvudet och återgå till det när du är mer stabil. (Säkerhetsinformation för lödkolv, värmepistol och dremelverktyg finns i länkarna)
• När du testar alla kretsar eller flyttar saker på en brödbräda är det bäst att stänga av allt. Det är verkligen inte nödvändigt att testa någonting med strömförsörjning, så riskera inte att orsaka shorts och eventuellt skada Arduino eller andra komponenter.
• Var försiktig när du använder de elektroniska komponenterna i och runt vatten. Våt hud har ett betydligt lägre motstånd än torr hud, vilket kan orsaka strömmar som överstiger säkra nivåer. Dessutom kan elektriska shorts i brädkomponenter orsaka betydande skador på komponenter. Använd inte elektrisk utrustning i närheten av vätskor.

VARNING: Försök inte att använda detta som en riktig medicinsk utrustning. Denna enhet är ett bevis på konceptet, men det är INTE ett helt korrekt instrument som bör användas för vård av potentiellt sjuka individer. Det finns gott om billiga alternativ som du kan köpa som ger en mycket högre noggrannhet.

Steg 6: Tips och tricks

När projektet utvecklades blev det ett antal lärdomar. Här är några råd:

1. När du gör kretskort är dina vänner mer avstånd mellan spåren. Bättre att vara på den säkra sidan. Ännu bättre är att bara beställa ett kretskort från en tjänst som Oshpark som kommer att göra små brädor som dessa till ett rimligt pris.
2. På en liknande anteckning, se upp om du bestämmer dig för att slå på kretskorten innan du täcker dem. Fotodioden är särskilt känslig, och det är bara inte roligt om det är trasigt när du kommer till det. Det är bättre att testa komponenterna utan ström och tro på att det kommer att visa sig. Dioden och kontinuitetsinställningarna är dina vänner.
3. När du har byggt allt är det ganska skuret och torrt, men ett av de vanligaste felen var att LED -kretskortet var felaktigt anslutet. Om dina data är konstiga, kontrollera anslutningen och försök eventuellt ansluta en av LED -anslutningarna till Arduino åt gången. Ibland blir saker och ting tydligare på det sättet.
4. Om du fortfarande har problem med lysdioderna kan du ansluta 5V ström till deras ingångar. Det röda kommer att bli ganska ljust, men det infraröda är osynligt. Om du har en telefonkamera på dig kan du titta igenom den så ser du det infraröda ljuset. Telefonens kamerasensor visar det som synligt ljus, vilket är riktigt bekvämt!
5. Om du får mycket ljud, kontrollera att fotodiodkortet är långt ifrån allt som bär den otäcka 60Hz -strömmen från väggen. Motståndet med högt värde är en magnet för ytterligare buller, så se upp.
6. Matematik för att beräkna SpO2 är lite knepigt. Följ koden, men var noga med att redigera variabeln "fitFactor" så att beräkningarna passar just din enhet. Detta kräver försök och fel.

Steg 7: Konstruera kretskort

Vi börjar med att göra de två kretskorten som går in i designen. Jag använde en dubbelsidig kopparklädd bräda och Dremel-verktyg för att göra dessa för hand, vilket inte var perfekt, men det fungerade. Om du har resurserna rekommenderar jag starkt att rita en schematisk och fräsa detta med en maskin, men det går att göra utan.

Steg 8: Board 1 - fotodetektorn

Här är kretsen jag satte på det första kortet, minus kondensatorn. Det är bäst att hålla en låg profil, eftersom detta kommer att gå runt ditt finger inuti oximetern. Fotodetektorn, i det här fallet, är en fotodiod som betyder att den är elektriskt lik en diod, men kommer att generera ström för oss baserat på ljusnivån.

Steg 9: Fräsa brädet

Jag bestämde mig för att börja med att skriva ut och klippa ut en skalmodell av det rekommenderade fotavtrycket. Eftersom jag bara tittar på min skärning gav detta en bra referens innan jag tog fotodetektorn ur förpackningen. Detta är tillgängligt vid säljarens syn för fotodetektorn.

Steg 10: Borra ner

Detta är designen jag gick med för kretskortet, som jag klippte ut med en liten dremelfräs och en verktygskniv. Min första konstruktion av den här brädan hamnade felaktig av ett par skäl. Lärdomarna jag lärde mig för min andra byggnad var att klippa mer än bara minimum och att klippa ut där jag drog en svart linje på bilden ovan. Det finns en icke-ansluten stift på chippet som borde få sin egen kudde, eftersom det inte ansluter till något annat men ändå hjälper till att hålla chippet vid brädet. Jag lade också till hål för motståndet, som jag gjorde genom att placera motståndet bredvid det och ögonkulan i hålen.

Steg 11: Placera komponenter

Den här delen är lite knepig. Jag har markerat fotodetektorns orientering här i vitt. Jag la en liten lödning på botten av varje stift på chipet, satte lite löd på kretskortet och höll sedan chipet på plats när jag värmde lödet på brädet. Du vill inte värma upp det för mycket, men om lödet på brädet är flytande bör det ansluta till chipet ganska snabbt om du har tillräckligt med löd. Du bör också löda 100kΩ-motståndet en 3-stifts rubrik på samma sida av brädet.

Steg 12: Rengöring och kontroll

Använd sedan dremelverktyget för att skära ut koppar runt resistorledningarna på baksidan av brädet (för att undvika kortslutning av motståndet). Använd sedan en multimeter i kontinuitetsläget för att kontrollera att inget av spåren kortades i lödningsprocessen. Som en sista kontroll, använd diodmätningen av multimetern (Tutorial om detta är ny teknik för dig) över fotodioden för att se till att den är helt ansluten till kortet.

Steg 13: Board 2 - lysdioderna

Här är schemat för den andra tavlan. Den här är lite svårare, men som tur är värms vi upp från att göra den sista.

Steg 14: Borrning av Redux

Efter flera försök som jag inte gillade så mycket, bestämde jag mig för det här mönstret, som jag borrade med samma dremel routing bit som tidigare. Från den här bilden är det svårt att avgöra, men det finns en koppling mellan två delar av brädet genom den andra sidan (marken i kretsen). Den viktigaste delen av denna skärning är skärningspunkten där LED -chipet kommer att sitta. Detta hårkorsmönster måste vara ganska litet eftersom anslutningarna på LED -chipet är ganska nära varandra.

Steg 15: Lödning Vias

Eftersom två motsatta hörn av LED -chipet båda måste anslutas måste vi använda kortets baksida för att ansluta dem. När vi elektriskt ansluter ena sidan av brädet till den andra kallas det ett "via". För att göra vias på brädan borrade jag ett hål i de två områdena som jag har markerat ovan. Härifrån satte jag motståndets ledningar på föregående bräda i hålet och löddes på båda sidor. Jag klippte av så mycket överskottstråd som jag kunde och gjorde en kontinuitetskontroll för att se att det var nästan noll motstånd mellan dessa två områden. Till skillnad från den förra tavlan behöver denna vias inte beskrivas på baksidan eftersom vi vill att de ska vara anslutna.

Steg 16: Lödning av LED -chipet

För att löda LED -chipet, följ samma procedur som fotodioden, lägg till löd på varje stift och på ytan också. Orienteringen av delen är svår att få rätt, och jag rekommenderar att du följer databladet för att få dina lager. På undersidan av chipet har "pin one" en något annorlunda pad, och resten av siffrorna fortsätter runt chipet. Jag har markerat vilka siffror som fäster vid vilka punkter. När du har lödt på det bör du igen använda diodtestinställningen på multimetern för att se att båda sidorna sitter ordentligt. Detta visar dig vilken lysdiod som är den röda också, eftersom den tänds lite när multimetern är ansluten.

Steg 17: Resten av komponenterna

Löd sedan på motstånden och det 3-poliga huvudet. Om du råkade vända LED -chipet 180 ° i föregående steg går det faktiskt bra att fortsätta. När du sätter på motstånden, se till att 150Ω motståndet går på den röda sidan, och den andra sidan har 180Ω.

Steg 18: Efterbehandling och kontroll

På baksidan, skär runt motstånden som tidigare för att undvika att de kortsluts med via. Klipp ut brädan och gör en sista svepning med kontinuitetstestaren på multimetern, bara för att dubbelkolla att ingenting blev kortslutet av misstag.

Steg 19: "Potta" styrelserna

Efter allt finlödningsarbete jag gjorde, ville jag se till att ingenting skulle slå av komponenterna medan oximetern användes, så jag bestämde mig för att "gryta" brädorna. Genom att lägga till ett lager av något icke-ledande, kommer alla komponenter att stanna bättre och ge en plattare yta för oximetern. Jag testade några saker jag hade liggande, och detta industriella hållfasthetslim fungerade bra. Jag började med att täcka baksidan och låta den sitta i några timmar.

Steg 20: Pottning fortsätter

När botten stelnat, vänd över brädorna och täck överdelen. Även om det är ett nästan klart lim, ville jag hålla fotodetektorn och lysdioderna otäckta, så innan jag täckte allt täckte jag både med små bitar av tejp och efter några timmar använde jag en kniv för att försiktigt ta bort limmet ovanpå dessa och tog bort tejpen. Det kanske inte är nödvändigt att hålla dem täckta, men om du bestämmer dig för att bara täcka dem, se bara till att undvika luftbubblor. Det går bra att lägga på så mycket lim som du vill (inom rimlig anledning), eftersom en plattare yta sitter bekvämare och ger mer skydd åt komponenterna, se bara till att låta den sitta ett tag så att den kan torka hela tiden.

Steg 21: Konstruera trådar

Jag hade bara strängad tråd till hands, så jag bestämde mig för att använda en 3-polig hona för att skapa några kablar. Om du har den till hands, är det mycket enklare att bara använda en fast mättråd för detta utan lödning. Det hjälper dock att vrida ihop trådarna, eftersom det förhindrar att det fastnar och bara ser snyggare ut. Löd bara varje tråd till en stift på huvudet, och om du har det skulle jag täcka varje tråd med någon värmekrympning. Se till att du har trådarna i samma ordning när du ansluter rubriken på andra sidan.

Steg 22: Idiot-proofing the Wiring

På grund av hur jag kopplade dessa kort till kablar ville jag se till att jag aldrig anslutit dem fel, så jag färgkodade anslutningen med färgmarkörer. Du kan se här vilken pin som är vilken anslutning och hur min färgkodning fungerar.

Steg 23: Skapa ett hölje

Höljet för oximetern gjorde jag med L200 -skum och en bit PVC -rör, men du kan säkert använda oavsett skum och/eller plast du har. PVC fungerar utmärkt eftersom det redan är nästan i den form vi vill ha.

Steg 24: PVC och värmepistoler

Att använda en värmepistol på PVC för att forma är enkelt, men kan kräva lite övning. Allt du behöver göra är att applicera värme på PVC tills den börjar böja fritt. Medan det är varmt kan du böja det till nästan vilken form du vill. Börja med en sektion av PVC -rör som är bredare än brädorna. Skär en av sidorna och lägg sedan lite värme på den. Du vill ha några handskar eller några träblock för att kunna manövrera PVC medan det är varmt.

Steg 25: Forma plasten

När du böjer öglan, skär bort eventuellt överskott av PVC. Innan du har böjt den helt, använd en kniv eller ett dremelverktyg för att skära ut ett skår på ena sidan och kanterna på den motsatta sidan. Denna gaffelform gör att du kan stänga öglan ytterligare. Det ger dig också någonstans att ta tag i för att öppna oximetern för att lägga den på fingret. Oroa dig inte för tätheten för närvarande, eftersom du vill se hur det känns när skummet och brädorna är in.

Steg 26: Något lite mjukare

Skär därefter en bit skum till bredden på din PVC och till en längd som helt kommer att linda runt den inre öglan.

Steg 27: En plats för styrelserna

För att brädan inte ska gräva i fingret är det viktigt att fälla in dem i skummet. Spåra skivornas form i skummet och använd en sax för att gräva ut materialet. Istället för att rensa hela området runt rubrikerna kan du lägga till några slitsar på sidokontakterna som kan dyka upp men ändå vara något under skummet. Vid denna tidpunkt kan du lägga brädorna och skummet i PVC och testa passformen i själva PVC och sedan på ditt finger. Om du gör detta börjar du tappa cirkulation, du vill använda värmepistolen igen för att öppna höljet lite mer.

Steg 28: Boards till skum

Vi ska börja sätta ihop allt nu! För att börja, bara kasta lite epoxi/lim i hålen du just gjorde i skummet och sätta brädorna i deras små hem. Jag använde samma lim som jag använde för att gryta brädorna tidigare, vilket verkade fungera alldeles utmärkt. Se till att du låter detta sitta i några timmar innan du går vidare.

Steg 29: Skum i plast

Därefter klädde jag insidan av PVC med samma lim och försiktigt lade skummet inuti. Torka av överflödet och lägg på något inuti för att skummet ska klämma på. Min verktygskniv fungerade bra, och det hjälper verkligen att skjuta skummet mot PVC för att få en stark tätning.

Steg 30: Den Arduino Connection

Vid denna tidpunkt är den faktiska sensorn klar, men naturligtvis vill vi använda den för något. Det finns inte mycket att ansluta till Arduino, men det är otroligt viktigt att inte dra något bakåt, annars kommer du med stor sannolikhet att skada saker på kretskorten. Se till att strömmen är avstängd när du ansluter kretsarna (Det är verkligen det säkraste sättet att undvika problem).

Steg 31: Återstående motstånd och kondensator

Några anteckningar om anslutning till Arduino:

• Kondensatorn från signalen till marken gör underverk på bruset. Jag hade inte ett brett utbud, så jag använde "pappas skräpkorgspecial", men om du har variation så gå på något runt 47nF eller mindre. Annars kanske du inte kan ha en snabb växlingshastighet mellan de röda och IR -lysdioderna.
• Motståndet som går in i fotodetektorkabeln är en säkerhetssak. Det är inte nödvändigt, men jag var rädd att när jag hanterade kretskortet kunde jag av misstag korta något och misslyckas med hela projektet. Det täcker inte alla olyckor, men det hjälper bara att ha lite mer sinne.

Steg 32: Testning LED Aktuell

När jag hade dessa in, testa strömmen som går genom de röda och IR -lysdioderna med en multimeter på ammeterläget. Målet här är att bara kontrollera att de är lika. Mine var på runt 17mA.

Steg 33: Koden

Som anges i förberedelsesteget finns koden för den här enheten i vårt GitHub -arkiv. Helt enkelt:

1. Ladda ner den här koden genom att klicka på "Klona eller ladda ner"/"Ladda ner zip".
2. Packa upp den här filen med 7zip eller ett liknande program och öppna den här filen i Arduino IDE.
3. Ladda upp den till din Arduino och anslut stiften enligt beskrivningen i stifttilldelningarna (eller ändra dem i koden, men inser att du måste göra detta varje gång du laddar ner från GitHub igen).
4. Om du vill se en seriell utgång på den seriella bildskärmen ändrar du den booleska serienumret till True. De andra ingångsvariabler beskrivs i koden; de nuvarande värdena fungerade bra för oss, men du kan experimentera med andra för att uppnå optimal prestanda för din installation.

Steg 34: Kretsschema

Steg 35: Ytterligare idéer

Vi skulle vilja lägga till (eller en av våra många följare kan tänka sig att lägga till)

1. Bluetooth-anslutning för utbyte av data med en dator
2. Anslutning till en Google Home/Amazon -enhet för att begära SpO2 -information
3. Mer spolad matematik för att beräkna SpO2, eftersom vi för närvarande inte har någon referens för jämförelse. Vi använder helt enkelt matematik som vi hittade online.
4. Kod för beräkning och rapportering av patientens hjärtslag, tillsammans med SpO2
5. Med hjälp av en integrerad krets för våra mätningar och matematik, elimineras mycket av variationen för vår produktion.