Un puls oximetru este un dispozitiv medical ne-invaziv, care monitorizează saturaţia cu oxigen a sângelui şi ritmul cardiac. Un astfel de dispozitiv poate fi creat utilizând un dispozitiv analogic şi controlere de semnal digital.
Istoria oximetrelor datează încă din 1935, când fizicianul german Karl Matthes a dezvoltat primele dispozitive de măsurare a saturaţiei cu O2 la nivelul urechii cu două lungimi de undă. La începutul anilor 1940, psihologul american Glenn Allan Millikan a inventat primul puls oximetru portabil.
Dispozitivele de azi pot măsura saturaţia de oxigen periferic (SpO2) a sângelui omenesc pe baza caracteristicilor de absorbţie a luminii roşii (de la 600 la 750nm) şi infraroşii (de la 850 la 1000nm) pentru hemoglobina oxigenată (HbO2) şi hemoglobina dezoxigenată (Hb).
Un puls oximetru de înaltă precizie poate fi implementat utilizând dispozitive analogice şi controlere de semnal digital, precum familia dsPIC de la Microchip. Figura 1 prezintă modul de lucru.
Figura 1: Diagrama bloc funcţională a unui puls oximetru
Modul de funcţionare
Puls oximetrul trimite alternativ lumină roşire şi infraroşie printr-un deget către o fotodiodă. HbO2 absoarbe mai multă lumină infraroşie şi permite ca mai multă lumină roşie să treacă prin deget. Pe de altă parte, Hb absoarbe mai multa lumină roşie şi permite să treacă mai multă lumină infraroşie.
Fotodioda recepţionează lumina neabsorbită de la fiecare LED. Acest semnal este inversat prin utilizarea unui amplificator operaţional, iar rezultatul, după cum se poate observa în figura 2, reprezintă lumina care a fost absorbită de deget.
Amplitudinea pulsului (Vpp) pentru semnalele roşu şi infraroşu (IR) sunt măsurate şi convertite în Vrms pentru a produce un raport dat de:
• Raport = (Roşu AC Vrms/Roşu DC)/(IR AC Vrms/IR DC)
SpO2 poate fi determinat utilizând valoarea raportului şi un tabel de căutare realizat pe baza unor formule empirice. Ritmul cardiac este calculat pe baza numărului de eşantioane şi a vitezei de eşantionare a convertorului (ADC).
Tabela de căutare este o parte importantă a sistemului. Această tabelă este specifică unui proiect particular de oximetru şi se bazează uzual pe curbe de calibrare derivate din multe măsurători, pe un subiect sănătos la diferite nivele de SpO2.
Figura 2: Semnalele pulsatorii roşu şi infraroşu în timp real, capturate pe osciloscop
Figura 3: Diagrama de temporizare
Circuite
Sonda SpO2 utilizată în acest exemplu este un dispozitiv tip clips pentru deget compatibil Nellcor, care integrează un LED roşu, un LED infraroşu şi o fotodiodă. LED-urile sunt controlate de circuitul driver LED.
Lumina roşie şi infraroşie ce trece prin deget este detectată de circuitul de condiţionare al semnalului şi este trimisă apoi unui modul de conversie analog/digital ADC pe 12 biţi al microcontrolerului, unde se poate calcula procentul de SpO2. Pornirea şi oprirea alternativă a LED-urilor roşu şi infraroşu este comandată de un comutator analogic dual-spot acţionat de două semnale PWM. Pentru a achiziţiona numărul potrivit de eşantioane ADC şi pentru a avea suficient timp pentru procesarea datelor înainte de aprinderea celuilalt LED, LED-urile sunt comandate pornit/oprit în acord cu diagrama de timp din figura 3.
Curentul şi intensitatea LED-ului sunt controlate de un convertor digital/analog pe 12 biţi, comandat de microcontroler.
În circuitul de condiţionare al semnalului există două etaje: amplificatorul trans-impedanţă şi amplificatorul cu câştig. Între cele două etaje este plasat un filtru trece sus. Amplificatorul trans-impedanţă converteşte cei câţiva microamperi de curent generat de fotodiodă în câţiva microvolţi.
Semnalul recepţionat de la amplificatorul din primul etaj trece prin filtrul trece sus, care este proiectat pentru a reduce interferenţa luminoasă de fond. Ieşirea filtrului este trimisă apoi către amplificatorul din al doilea etaj, cu un câştig de 22 şi o derivă DC de 220mV. Valoarea câştigului amplificatorului şi deriva DC sunt stabilite pentru a plasa nivelul semnalului de ieşire al amplificatorului de câştig în domeniul convertorului analog digital al microcontrolerului. Ieşirea circuitului analogic de condiţionare a semnalului este conectată la modulul ADC al controlerelor de semnal digital dsPIC. Pe fiecare perioadă de ON a LED-ului este luat un eşantion ADC, iar un alt eşantion ADC este luat pe ambele perioade de OFF ale LED-urilor.
Beneficiind de avantajele oferite de puternicele motoare de procesare de semnal digital integrate în controlerele de semnal digital, un filtru trece bandă digital FIR este implementat pentru a filtra datele ADC. Datele filtrate sunt utilizate pentru a calcula amplitudinea pulsului.
Programul de filtrare digital poate fi generat utilizând unealta de proiectare pentru filtre digitale de la Microchip.
Filtrul trece bandă FIR are o frecvenţă de eşantionare de 500Hz, frecvenţe trece bandă de 1 şi 5Hz, frecvenţe opreşte bandă de 0,05 și 25Hz, fereastră FIR Kaiser, riplu trece bandă 0,1dB, riplu opreşte bandă 50dB şi lungime filtru 513.
Concluzie
Acest articol a prezentat modul de construire a unui puls oximetru cu scop de evaluare şi dezvoltare, utilizând controlere de semnal digital şi dispozitive analogice. Datele cu privire la SpO2 şi ritmul cardiac pot fi trimise către un computer printr-un port UART cu analizator serial PICkit. Parametrii portului serial sunt 115200-8-N-1-N. Semnalul pulsului poate fi reprezentat grafic utilizând o aplicaţie precum GUI general pentru afişarea datelor seriale de la Microchip. Datele pot fi de asemenea trimise către un modul Wifi sau Bluetooth prin port UART.
Autor: Zhang Feng, inginer la Microchip Technology
Microchip Technology | www.microchip.com
