Ce este oximetria?
Oximetria reprezintă măsurarea saturaţiei oxigenului în sânge, uzual reprezentată în procente. Un puls oximetru este un dispozitiv ne-invaziv, care măsoară saturaţia oxigenului în sângele unei persoane, precum şi ritmul cardiac. Puls oximetrele sunt uşor de recunoscut datorită sondelor lor tip clips, în general aplicate pe degetul pacientului.
Un puls oximetru poate fi un dispozitiv independent, parte a unui sistem de măsurare sau integrat într-un dispozitiv de urmărire purtabil pentru fitness. În conformitate cu acestea, puls oximetrele sunt utilizate de asistentele medicale în spitale, de pacienţi acasă, de amatori de fitness la sala de gimnastică şi chiar de către piloţi în aparate de zbor ne-presurizate.
Ce este saturaţia de oxigen din sânge?
Figura 1: Două metode pentru oximetrie.
Saturaţia de oxigen din sânge este măsurată prin examinarea hemoglobinei, care este pigmentul purtător de oxigen al celulelor roşii ale sângelui, ce oferă coloarea sângelui şi serveşte la transportul oxigenului către ţesuturi. Hemoglobina se găseşte sub două forme. Prima este numită oxihemoglobină, notat ca HbO2 (i.e., încărcare oxigen). A doua este numită dezoxihemoglobină – hemoglobină cu oxigen redus, notată ca Hb (i.e., fără oxigen)
Astfel, saturaţia de oxigen (SpO2) este raportul dintre oxihemoglobină şi dezoxihemoglobină.
Expresia poate fi scrisă ca: SpO2 = HbO2 / (Hb + HbO2)
Valoarea saturaţiei de oxigen din sânge este exprimată în procente. O citire normală este tipic de 97% sau mai mare.
Cum măsoară un puls oximetru saturaţia de oxigen din sânge (SpO2)?
Unul dintre lucrurile cu adevărat interesante despre hemoglobină este modul în care reflectă şi absoarbe lumină. De exemplu, Hb absoarbe mai multă (şi reflectă mai puţină) lumină vizibilă roşie. HbO2 absoarbe mai multă (şi reflectă mai puţină) lumină infraroşie.
De vreme ce saturaţia de oxigen din sânge poate fi determinată prin compararea valorilor Hb şi HbO2, o metodă de a realiza acest lucru este de a ilumina printr-o parte a corpului (deget sau încheietura mâinii) cu un LED roşu şi un LED infraroşu, iar apoi se compară intensităţile relative. Există două metode uzuale de a realiza determinarea: (1) măsurarea luminii transmise prin ţesut – este numită oximetrie transmisivă şi (2) măsurarea luminii reflectate de ţesut – este numită oximetrie reflectantă (vedeţi Figura 1).
Figura 2: Semnalele pulsatorii roşu şi infraroşu (IR), captate pe un osciloscop.
Un exemplu de puls oximetrie este găsit în spitale. În general, sistemele de monitorizare a pacienţilor din majoritatea spitalelor au integrat un puls oximetru transmisiv. Pe de altă parte numeroase dispozitive de fitness noi, purtabile, utilizează metoda puls oximetriei reflectante.
Cum măsoară un puls oximetru ritmul cardiac?
Atunci când inima dvs. bate, ea pompează sânge prin corp. În timpul fiecărei bătăi de inimă, sângele este trimis în capilare, al căror volum creşte foarte uşor. Între bătăile inimii volumul descreşte. Această schimbare în volum afectează cantitatea de lumină, precum cantitatea de lumină roşie sau infraroşie ce va fi transmisă prin ţesut. Datorită faptului că această fluctuaţie este foarte mică, ea poate fi măsurată de un puls oximetru utilizând acelaşi tip de configuraţie ca şi cel pentru măsurarea saturaţiei cu oxigen a sângelui.
Teoria detaliată a operaţiei
Puls oximetrele tipice monitorizează saturaţia cu oxigen (SpO2) a sângelui uman pe baza caracteristicilor de absorbţie a luminii roşii (utilizând lungime de undă de 600-750 nm) şi luminii infraroşii (utilizând lungime de undă de 850-1000 nm) a oxihemoglobinei (HbO2) şi dezoxihemoglobinei (Hb). Acest tip de puls oximetru transmite alternativ luminile roşie şi infraroşie printr-o parte a corpului, precum un deget, către un senzor fotodiodă.
Fotodioda este utilizată în mod normal pentru a recepta lumina neabsorbită de la fiecare LED. Acest semnal este apoi inversat utilizând un amplificator operaţional inversor. Semnalul rezultat reprezintă lumina ce a fost absorbită de deget, după cum se poate observa în Figura 2.
Amplitudinile pulsurilor (Vpp) ale semnalelor roşu şi infraroşu sunt măsurate şi convertite în Vrms, pentru a produce o valoare de raport, după cum se poate observa în ecuaţia de mai jos:
Figura 3: Exemplu de curbă de calibrare.
Raport = (Red_AC_Vrms/Red_DC) / (IR_AC_Vrms/IR_DC)
SpO2 poate fi determinat utilizând valoarea raportului şi tabelul de căutare realizat cu formule empirice. Ritmul cardiac poate fi calculat pe baza numărului de eşantioane şi vitezei de eşantionare a convertorului analog/digital al puls oximetrului.
Tabelul de căutare este o parte importantă a puls oximetrului. Aceste tabele sunt specifice unui proiect particular de oximetru şi sunt bazate uzual pe curbe de calibrare determinate printre altele printr-un număr mare de măsurări pe subiecţi cu diferite nivele de SpO2. Figura 3 prezintă un exemplu de curbă de calibrare.
Descrierea circuitului electronic
Figura 4: Diagrama bloc a sistemului puls oximetru transmisiv.
Următorul exemplu va prezenta detalii asupra diferitelor secţiuni ale schemei unui puls oximetru transmisiv. Această schemă, după cum se poate observa în Figura 4, prezintă măsurarea atât a ritmului cardiac, cât şi a nivelelor de saturaţie cu oxigen în sânge.
Sonda
Sonda SpO2 utilizată în acest exemplu este un clips de deget, ce integrează un LED roşu, unul IR şi o fotodiodă. LED-urile sunt controlate cu ajutorul unui circuit driver LED.
Lumina roşie şi cea IR ce trec prin deget, sunt detectate de un circuit de condiționare semnal, iar apoi sunt trimise într-un modul de conversie A/D pe 12 biţi, care este integrat într-un controler de semnal digital (DSC), unde este calculat procentajul SpO2.
Driver-ul LED
Figura 5: Diagrama de timp.
LED-urile roşu şi IR sunt aprinse alternativ cu ajutorul unui switch analogic dual, comandat de două semnale PWM de către DSC. Pentru a achiziţiona numărul potrivit de eşantioane pentru conversie A/D şi pentru a rămâne suficient timp pentru procesarea datelor înainte de aprinderea următorului LED, LED-urile sunt comutate în acord cu diagrama de timp prezentată în Figura 5.
Curentul / intensitatea LED-urilor este controlat cu ajutorul unui convertor digital/analog (DAC) pe 12 biţi, comandat de DSC.
Circuitul analogic de condiţionare semnal
Există două nivele ale circuitului de condiţionare semnal. Primul nivel este un amplificator trans-impedanţă, iar al doilea este un amplificator cu câştig. Între cele două nivele este plasat un filtru trece sus.
Amplificatorul trans-impedanţă converteşte curentul de numai câţiva microamperi, generat de fotodiodă, în câţiva milivolţi. Semnalul astfel obţinut la ieşirea primului nivel de amplificare, este trecut apoi prin filtrul trece sus, proiectat pentru a reduce interferenţele cauzate de lumina de fond.
Ieşirea filtrului trece sus este apoi trimisă celui de al doilea nivel, cu un câştig de 22 şi un offset DC de 220 mV. Valorile pentru câştigul amplificatorului sunt configurate pentru a plasa semnalul de ieşire în plaja de intrare a convertorului A/D al microcontrolerului.
Schema filtrului digital
Ieşirea circuitului analogic de condiţionare a semnalului este conectată la modulul convertorului A/D pe 12 biţi integrat în DSC. Pentru acest exemplu, a fost utilizat un dsPIC® DSC de la Microchip Technology.
Circuitul dsPIC33FJ128GP802 permite nu numai avantajul dat de capabilitatea DSP integrată, ci şi utilizarea uneltei de proiectare a filtrului digital (Digital Filter Design Tool) de la Microchip.
Un eşantion de conversie A/D este luat pe durata perioadei de activare a fiecărui LED, iar un alt eşantion este luat pe durata perioadei de oprire a ambelor LED-uri. Datorită provocărilor legate de măsurarea luminii prin ţesut organic, unealta de proiectare a filtrului a fost utilizată pentru a implementa un filtru trece bandă de ordinul 513, digital-FIR, ce permite filtrarea datelor convertite A/D. Aceste date filtrate sunt apoi utilizate pentru a calcula amplitudinea pulsului, după cum se poate observa în Figura 6.
Figura 6: Date de intrare şi filtrate.
Specificaţiile filtrului trece bandă FIR exemplificat sunt:
Frecvenţă de eşantionare (Hz): 500 Riplu bandă de trecere (-dB): 0,1
Frecvenţă trece bandă (Hz): 1&5 Riplu oprire bandă (-dB): 50
Frecvenţă oprire bandă (Hz): 0,05&25 Lungime filtru: 513
Fereastră FIR: Kaiser
Graficul 1, cu roşu, prezintă semnalul de intrare în filtrul FIR
Graficul 2, prezentat cu verde, reprezintă semnalul de ieşire de la filtrul FIR
Axa X arată numărul de eşantioane din convertorul A/D
Axa Y arată valoarea de ieşire din convertorul A/D
Concluzie
Pieţele dispozitivelor medicale casnice şi ale celor de fitness au o creştere foarte rapidă. Cerinţa pentru dispozitive ce pot măsura ritmul cardiac şi nivelele de oxigen din sânge va creşte în următorii ani. Proiecte de referinţă de puls oximetre, precum cel descris în acest articol, pot fi foarte utile în a oferi proiectanţilor de dispozitive medicale şi de fitness un punct de start pentru proiectele lor.
Resurse
Proiect puls oximetru
• Principiile tehnologiei puls oximetriei (2002). Oximetry.org. 23 Aprilie 2014: www.oximetry.org/pulseox/principles.htm
• Microchip Technology Inc., Centrul online de proiectare medicală: www.microchip.com/pagehandler/en-us/products/medical/pulseoximeter.html/
• Bara de navigare: www.microchip.com/medical
• Webster, J. G. (1997). Design of Pulse Oximeters. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing.
Simulare puls oximetru
• Fluke Biomedical. (2007). Index 2XL SpO2 Simulator User Manual.
dsPIC este marcă înregistrată a Microchip Technology Inc. în USA şi alte ţări. Toate celelalte mărci menţionate aici sunt proprietatea companiilor deţinătoare.
Microchip Technology
www.microchip.com
