Oxímetro de pulso Arduino: 35 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Os oxímetros de pulso são instrumentos padrão para ambientes hospitalares. Usando as absorvâncias relativas de hemoglobina oxigenada e desoxigenada, esses dispositivos determinam a porcentagem do sangue de um paciente que transporta oxigênio (uma faixa saudável é de 94-98%). Esse número pode salvar vidas em um ambiente clínico, pois uma queda repentina na oxigenação do sangue indica um problema médico crítico que precisa ser tratado imediatamente.

Neste projeto, tentamos construir um oxímetro de pulso usando peças que são fáceis de encontrar online / em uma loja de ferragens local. O produto final é um instrumento que pode fornecer informações suficientes para alguém monitorar a oxigenação do sangue ao longo do tempo por apenas $ x. O plano original era tornar o dispositivo totalmente usável, mas devido a fatores fora de nosso controle, isso não foi possível em nossa escala de tempo. Com mais alguns componentes e um pouco mais de tempo, este projeto poderia se tornar completamente vestível e se comunicar sem fio com um dispositivo externo.

Suprimentos

Lista de peças essenciais - Coisas que você provavelmente precisa comprar (recomendamos ter algumas peças sobressalentes de cada componente, especialmente as peças de montagem em superfície)

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

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

Fotodiodo - $ 1,67 (Mouser.com)

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

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

Resistor de 10 kOhm - $ 0,10 (Mouser.com)

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

Capacitor 47 nF - $ 0,16 (Mouser.com)

* (Nosso Nano está preso na China no momento, então usamos um Uno, mas ambos funcionarão)

Custo total: $ 5,55 (mas … tínhamos um monte de coisas espalhadas e compramos algumas peças de reposição também)

Lista de peças secundárias - coisas que estavam por aí para nós, mas você pode precisar comprar

Placa revestida de cobre - razoavelmente barata (exemplo). No lugar disso, você pode fazer e solicitar um PCB.

PVC - algo com pelo menos uma polegada de diâmetro. O tipo mais fino funciona muito bem.

Fios - Inclui alguns fios de ligação para a placa de ensaio e alguns mais longos para conectar o oxímetro à placa. Na etapa 20, mostro minha solução para isso.

Cabeçalho de pino fêmea - são opcionais, se você quiser apenas soldar os fios nas placas, funcionará perfeitamente.

Espuma - Usei o L200, que é bem específico. Você pode usar qualquer coisa que achar confortável. Os mousepads velhos são grandes para isto!

LEDs e resistores - bem baratos se você precisar comprá-los. Usamos resistores de 220Ω e tínhamos algumas cores espalhadas.

Ferramentas e equipamentos recomendados

Pistola de calor

Ferro de soldar com ponta fina

Ferramenta Dremel com brocas para fresar e cortar (pode sobreviver com um estilete, mas não tão rapidamente)

Alicates, cortadores de fio, decapantes de fio, etc.

Etapa 1: Preparação: Lei de Beer-Lambert

Para entender como construir um oxímetro de pulso, primeiro é necessário entender a teoria por trás de seu funcionamento. A principal equação matemática usada é conhecida como Lei de Beer-Lambert.

A lei de Beer-Lambert é uma equação bastante usada que descreve a relação entre a concentração de uma substância em uma solução e a transmitância (ou absorbância) da luz que passa por essa solução. Em um sentido prático, a lei diz que quantidades cada vez maiores de luz são bloqueadas por partículas cada vez maiores em uma solução. A lei e seus componentes são descritos a seguir.

Absorbância = log10 (Io / I) = εbc

Onde: Io = Luz incidente (antes da amostra adicionada) I = Luz incidente (depois da amostra adicionada) ε = Coeficiente de absorção molar (função do comprimento de onda e substância) b = Comprimento do caminho da luzc = Concentração da substância na amostra

Ao medir as concentrações usando a Lei de Beer, é conveniente selecionar um comprimento de onda de luz em que a amostra absorve mais. Para hemoglobina oxigenada, o melhor comprimento de onda é cerca de 660 nm (vermelho). Para hemoglobina desoxigenada, o melhor comprimento de onda é cerca de 940 nm (infravermelho). Usando LEDs de ambos os comprimentos de onda, a concentração relativa de cada um pode ser calculada para encontrar uma% O2 para o sangue que está sendo medido.

Etapa 2: Preparação: Oximetria de pulso

Nosso dispositivo usa um LED duplo (dois LEDs no mesmo chip) para os comprimentos de onda de 660nm e 940nm. Eles são ligados / desligados alternadamente e o Arduino registra o resultado do detector no lado oposto do dedo dos LEDs. O sinal do detector para ambos os LEDs pulsa em sincronia com os batimentos cardíacos do paciente. O sinal pode então ser dividido em duas porções: uma porção DC (representando a absorbância no comprimento de onda especificado de tudo menos o sangue) e uma porção AC (representando a absorbância no comprimento de onda especificado do sangue). Conforme especificado na seção Beer-Lambert, a Absorbância está relacionada a ambos os valores (log10 [Io / I]).

% O2 é definido como: hemoglobina oxigenada / hemoglobina total

Substituindo nas Equações de Beer Lambert, resolvidas pela concentração, o resultado é uma fração de frações muito complexa. Isso pode ser simplificado de algumas maneiras.

1. O comprimento do caminho (b) para ambos os LEDs é o mesmo, fazendo com que ele saia da equação
2. Uma razão intermediária (R) é usada. R = (AC640nm / DC640nm) / (AC940nm / DC940nm)
3. Os coeficientes de absorção molar são constantes. Quando divididos, eles podem ser substituídos por uma constante de fator de ajuste genérico. Isso causa uma ligeira perda de precisão, mas parece ser bastante padrão para esses dispositivos.

Etapa 3: Preparação: Arduino

O Arduino Nano necessário para este projeto é conhecido como microprocessador, uma classe de dispositivos que executa continuamente um conjunto de instruções pré-programadas. Os microprocessadores podem ler entradas para o dispositivo, fazer qualquer matemática necessária e gravar um sinal em seus pinos de saída. Isso é incrivelmente útil para qualquer projeto de pequena escala que requeira matemática e / ou lógica.

Etapa 4: Preparação: GitHub

GitHub é um site que hospeda repositórios ou espaços para coleções de esboços de um projeto. O nosso está atualmente armazenado em https://github.com/ThatGuy10000/arduino-pulse-oximeter. Isso nos permite fazer várias coisas.

1. Você pode baixar o código para si mesmo e executá-lo em seu Arduino pessoal
2. Podemos atualizar o código a qualquer momento sem alterar o link aqui. Se encontrarmos bugs ou decidirmos fazer matemática de maneira diferente, lançaremos uma atualização que estará acessível aqui imediatamente
3. Você mesmo pode editar o código. Isso não causará uma atualização imediata, mas você pode criar uma "solicitação pull" que pergunta se desejo incluir suas alterações no código mestre. Posso aceitar ou vetar essas mudanças.

Para qualquer dúvida sobre o GitHub ou como ele funciona, consulte este tutorial publicado pelo próprio GitHub.

Etapa 5: Considerações de segurança

Como um dispositivo, isso é o mais seguro possível. Há muito pouca corrente e nada está operando acima de 5V. Na verdade, o circuito deveria estar mais assustado do que você.

No entanto, no processo de construção, há algumas coisas importantes a se ter em mente.

• A segurança da faca deve ser dada, mas algumas das peças têm uma forma muito orgânica que pode ser tentador segurá-las em um local onde seus dedos realmente não deveriam estar. Apenas tenha cuidado.
• Se você possui um ferro de soldar, uma pistola de ar quente ou uma ferramenta dremel, presumo que saiba como usá-los corretamente. Independentemente disso, tome as precauções necessárias. Não trabalhe com frustrações. Faça uma pausa, desanuvie a cabeça e volte ao normal quando estiver mais estável. (Informações de segurança para o ferro de soldar, pistola de calor e ferramentas dremel podem ser encontradas nos links)
• Ao testar qualquer circuito ou mover coisas em uma placa de ensaio, é melhor desligar tudo. Realmente não há necessidade de testar nada com alimentação ativa, portanto, não corra o risco de causar curtos e potencialmente danificar o Arduino ou outros componentes.
• Tenha cuidado ao usar os componentes eletrônicos dentro e ao redor da água. A pele úmida tem uma resistência significativamente menor do que a pele seca, o que pode causar correntes que excedem os níveis seguros. Além disso, curtos elétricos nos componentes da placa podem causar danos significativos aos componentes. Não opere equipamentos elétricos perto de líquidos.

AVISO: Não tente usar isso como um verdadeiro dispositivo médico. Este dispositivo é uma prova de conceito, mas NÃO é um instrumento perfeitamente preciso que deve ser usado no cuidado de indivíduos potencialmente doentes. Existem muitas alternativas baratas que você pode comprar e que fornecem um nível muito mais alto de precisão.

Etapa 6: dicas e truques

Conforme o projeto se desenvolveu, várias lições foram aprendidas. Aqui estão alguns conselhos:

1. Quando você está fazendo as placas de circuito, mais separação entre os traços são seus amigos. Melhor estar do lado seguro. Melhor ainda é pedir uma placa de circuito impresso de um serviço como a Oshpark, que fará pequenas placas como essas por um preço razoável.
2. Em uma nota semelhante, observe se você decidir aplicar energia às placas de circuito antes de cobri-las. O fotodiodo é especialmente sensível e não é divertido se estiver quebrado quando você o pegar. É melhor testar os componentes sem energia e ter fé de que vai dar certo. As configurações de diodo e continuidade são seus amigos.
3. Depois de ter tudo montado, está bem cortado e seco, mas um dos erros mais comuns era ter a placa de circuito dos LEDs conectada incorretamente. Se seus dados estiverem estranhos, verifique a conexão e, potencialmente, tente conectar uma das conexões de LED ao Arduino de cada vez. Às vezes, as coisas ficam mais claras dessa maneira.
4. Se ainda estiver tendo problemas com os LEDs, você pode conectar a alimentação de 5 V em suas entradas. O vermelho ficará bem claro, mas o infravermelho é invisível. Se você tiver uma câmera de telefone, poderá olhar através dela e verá a luz infravermelha. O sensor da câmera do telefone mostra a luz visível, o que é muito conveniente!
5. Se você estiver recebendo muito ruído, verifique se a placa de fotodiodo está longe de qualquer coisa que carregue a energia desagradável de 60 Hz da parede. O resistor de alto valor é um ímã para ruído adicional, portanto, tome cuidado.
6. Matemática para calcular SpO2 é um pouco complicada. Siga o código fornecido, mas certifique-se de editar a variável "fitFactor" para fazer os cálculos se ajustarem ao seu dispositivo específico. Isso requer tentativa e erro.

Etapa 7: Construindo placas de circuito

Começaremos fazendo as duas placas de circuito que fazem parte do design. Usei uma placa revestida de cobre de dois lados e uma ferramenta Dremel para fazer isso à mão, o que não era perfeito, mas funcionou. Se você tiver os recursos, recomendo enfaticamente desenhar um esquema e fresá-lo com uma máquina, mas é possível fazer sem ele.

Etapa 8: Placa 1 - o fotodetector

Aqui está o circuito que coloquei na primeira placa, sem o capacitor. É melhor ser discreto, pois isso vai passar pelo dedo dentro do oxímetro. O fotodetector, neste caso, é um fotodiodo, o que significa que é eletricamente semelhante a um diodo, mas irá gerar corrente para nós com base no nível de luz.

Etapa 9: Fresagem da placa

Decidi começar imprimindo e cortando um modelo em escala da pegada recomendada. Como estou apenas observando meu corte, isso me deu uma boa referência antes de tirar o fotodetector de sua embalagem. Este está disponível na vista do fornecedor para o fotodetector.

Etapa 10: Detalhamento

Este é o design que escolhi para o PCB, que cortei com uma pequena ponta para roteador dremel e um estilete. Minha primeira construção desta placa acabou com defeito por alguns motivos. As lições que aprendi para minha segunda construção foram cortar mais do que apenas o mínimo e cortar onde desenhei uma linha preta na imagem acima. Há um pino não conectado no chip que deve ter seu próprio pad, já que ele não se conecta a mais nada, mas ainda ajuda a segurar o chip na placa. Também adicionei orifícios para o resistor, que fiz colocando o resistor próximo a ele e examinando os orifícios.

Etapa 11: Colocando componentes

Esta parte é um pouco complicada. Eu marquei a orientação do fotodetector aqui em branco. Coloquei um pouquinho de solda na parte inferior de cada pino do chip, coloquei um pouco de solda na placa de circuito e segurei o chip no lugar enquanto aquecia a solda na placa. Você não quer aquecê-lo muito, mas se a solda na placa for líquida, ela deve se conectar ao chip rapidamente se você tiver solda suficiente. Você também deve soldar o resistor de 100kΩ com um conector de 3 pinos no mesmo lado da placa.

Etapa 12: Limpeza e verificação

Em seguida, use a ferramenta dremel para cortar o cobre ao redor dos fios do resistor na parte de trás da placa (para evitar curto no resistor). Em seguida, use um multímetro em seu modo de continuidade para verificar se nenhum dos vestígios entrou em curto no processo de soldagem. Como uma verificação final, use a medição do diodo do multímetro (tutorial se esta for uma nova tecnologia para você) através do fotodiodo para se certificar de que está totalmente preso à placa.

Etapa 13: Placa 2 - os LEDs

Aqui está o esquema da segunda placa. Este é um pouco mais difícil, mas felizmente estamos aquecidos de fazer o último.

Etapa 14: Drilling Down Redux

Depois de várias tentativas das quais não gostei muito, decidi seguir esse padrão, que perfurei usando a mesma broca de roteamento dremel de antes. Por esta imagem, é difícil dizer, mas há uma conexão entre duas partes da placa pelo outro lado (aterramento no circuito). A parte mais importante desse corte é a interseção onde o chip de LED ficará. Esse padrão de mira precisa ser bem pequeno porque as conexões no chip de LED são bem próximas.

Etapa 15: Vias de solda

Como dois cantos opostos do chip de LED precisam ser conectados, precisamos usar a parte traseira da placa para conectá-los. Quando conectamos eletricamente um lado do tabuleiro ao outro, isso é chamado de "via". Para fazer as vias na placa, fiz um furo nas duas áreas que marquei acima. A partir daqui, coloquei os terminais do resistor da placa anterior no orifício e soldou em ambos os lados. Cortei o máximo de fio excedente que pude e fiz uma verificação de continuidade para ver se havia resistência quase zero entre essas duas áreas. Ao contrário da última placa, essas vias não precisarão ser contornadas na parte traseira porque queremos que elas sejam conectadas.

Etapa 16: Soldando o chip LED

Para soldar o chip de LED, siga o mesmo procedimento do fotodiodo, adicionando solda em cada pino e também na superfície. A orientação da peça é difícil de acertar e recomendo seguir a folha de dados para se orientar. Na parte de baixo do chip, o "pino um" tem uma almofada ligeiramente diferente e o restante dos números continua ao redor do chip. Eu marquei quais números são anexados em quais pontos. Depois de soldá-lo, você deve usar novamente a configuração de teste de diodo no multímetro para ver se ambos os lados estão conectados corretamente. Isso mostrará qual LED é o vermelho também, já que acenderá um pouco quando o multímetro for conectado.

Etapa 17: o resto dos componentes

Em seguida, solde os resistores e o conector de 3 pinos. Se o chip do LED girou 180 ° na etapa anterior, você ainda está bem para continuar. Ao colocar os resistores, certifique-se de que o resistor de 150Ω fique no lado vermelho e o outro lado fique com 180Ω.

Etapa 18: Concluindo e Verificando

Na parte traseira, corte ao redor dos resistores como antes para evitar que entrem em curto com a via. Corte a placa e faça uma última varredura com o testador de continuidade no multímetro, apenas para verificar se nada entrou em curto acidentalmente.

Etapa 19: "Encaçapando" as tábuas

Depois de todo o trabalho de solda que fiz, eu queria ter certeza de que nada iria derrubar os componentes enquanto o oxímetro estava sendo usado, então decidi "encaçapar" as placas. Ao adicionar uma camada de algo não condutor, todos os componentes ficarão melhor no lugar e fornecerão uma superfície mais plana para o oxímetro. Testei algumas coisas que tinha por aí e esse adesivo de resistência industrial funcionou bem. Comecei cobrindo a parte traseira e deixando-a descansar por algumas horas.

Etapa 20: envasamento continuado

Depois que o fundo estiver solidificado, vire as placas e cubra o topo. Mesmo sendo um adesivo quase transparente, eu queria manter o fotodetector e os LEDs descobertos, então antes de cobrir tudo, cobri ambos com pequenos pedaços de fita isolante e depois de algumas horas, usei uma faca para remover cuidadosamente o adesivo em cima estes e tirou a fita. Pode não ser necessário mantê-los descobertos, mas se você decidir apenas cobri-los, certifique-se de evitar bolhas de ar. Não há problema em colocar tanto adesivo quanto você quiser (dentro do razoável), já que uma superfície mais plana ficará mais confortável e adicionará mais proteção aos componentes, apenas certifique-se de deixá-la assentar por um tempo para que possa secar por completo.

Etapa 21: Construindo Fios

Eu tinha apenas fios trançados à mão, então decidi usar um conector macho de 3 pinos para criar alguns cabos. Se você o tiver em mãos, é muito mais simples usar um fio de bitola sólida sem solda. No entanto, ajuda a torcer os fios, já que isso evita que se enrosquem e geralmente fica mais limpo. Apenas solde cada fio a um pino no coletor e, se você tiver, eu revestiria cada fio com um pouco de termorretrátil. Certifique-se de que os fios estejam na mesma ordem ao conectar o conector do outro lado.

Etapa 22: à prova de idiotas da fiação

Por causa da maneira como conectei essas placas aos cabos, queria ter certeza de nunca conectá-los de forma errada, então codifiquei a conexão com marcadores de tinta. Você pode ver aqui qual pino é qual conexão e como meu código de cores funciona.

Etapa 23: fazer um gabinete

A caixa do oxímetro eu fiz com espuma L200 e um pedaço de tubo de PVC, mas você certamente pode usar qualquer espuma e / ou plástico que tiver por aí. O PVC funciona muito bem porque já está quase no formato que desejamos.

Etapa 24: PVC e pistolas de calor

Usar uma pistola de ar quente em PVC para modelagem é simples, mas pode exigir alguma prática. Tudo o que você precisa fazer é aplicar calor ao PVC até que comece a dobrar livremente. Enquanto estiver quente, você pode dobrá-lo em praticamente qualquer forma que desejar. Comece com uma seção de tubo de PVC um pouco mais larga do que as placas. Corte um dos lados e depois coloque um pouco de calor. Você vai querer algumas luvas ou alguns blocos de madeira para poder manobrar o PVC enquanto ele está quente.

Etapa 25: Moldar o plástico

Ao dobrar o laço, corte um pouco do excesso de PVC. Antes de dobrá-lo completamente, use uma faca ou ferramenta dremel para fazer um entalhe em um lado e as bordas do lado oposto. Esta forma bifurcada permite que você feche mais o loop. Também lhe dá um lugar para agarrar, abrir o oxímetro e colocá-lo no dedo. Não se preocupe com o aperto por enquanto, pois você vai querer ver como fica quando a espuma e as placas estiverem colocadas.

Etapa 26: algo um pouco mais suave

Em seguida, corte um pedaço de espuma na largura do seu PVC e em um comprimento que cubra totalmente a alça interna.

Etapa 27: Um lugar para as placas

Para evitar que a prancha cravando em seu dedo, é importante encaixá-la na espuma. Trace a forma das placas na espuma e use uma tesoura para escavar o material. Em vez de limpar toda a área ao redor dos cabeçalhos, adicione algumas fendas nos conectores laterais que podem saltar para fora, mas ainda ficar um pouco sob a espuma. Neste ponto, você pode colocar as placas e a espuma no PVC e testar o encaixe no PVC real e, em seguida, em seu dedo. Se você fizer isso, começará a perder a circulação, use a pistola de ar quente novamente para abrir um pouco mais o gabinete.

Etapa 28: placas em espuma

Vamos começar a juntar tudo agora! Para começar, basta jogar um pouco de epóxi / adesivo nos orifícios que você acabou de fazer na espuma e colocar as placas em suas casinhas. Usei o mesmo adesivo que usei para encaçapar as placas antes, que pareceu funcionar muito bem. Certifique-se de deixar isso por algumas horas antes de prosseguir.

Etapa 29: Espuma no plástico

Em seguida, forrei o interior do PVC com a mesma cola e coloquei cuidadosamente a espuma dentro. Limpe o excesso e coloque algo dentro para a espuma mastigar. Meu canivete funcionou bem e realmente ajuda a empurrar a espuma contra o PVC para obter uma vedação forte.

Etapa 30: a conexão do Arduino

Neste ponto, o sensor real está concluído, mas é claro que queremos usá-lo para alguma coisa. Não há muito para conectar ao Arduino, mas é extremamente importante não conectar nada ao contrário ou você provavelmente danificará as placas de circuito. Certifique-se de que a alimentação esteja desligada ao conectar os circuitos (realmente é a maneira mais segura de evitar problemas).

Etapa 31: O Resistor e Capacitor Restantes

Algumas notas sobre a fiação no Arduino:

• O capacitor do sinal ao terra faz maravilhas com o ruído. Eu não tinha uma grande seleção, então usei a "lata de lixo especial do pai", mas se você tiver variedade, opte por algo em torno de 47nF ou menos. Caso contrário, você pode não conseguir ter uma velocidade de comutação rápida entre os LEDs vermelho e infravermelho.
• O resistor que vai para o cabo do fotodetector é uma coisa de segurança. Não é necessário, mas eu estava com medo de que, ao manusear o circuito da placa de ensaio, pudesse causar um curto-circuito acidentalmente em algo e estragar todo o projeto. Não cobrirá todos os acidentes, mas apenas ajuda a ter um pouco mais de tranquilidade.

Etapa 32: Teste de corrente do LED

Depois de colocá-los, teste a corrente que passa pelos LEDs vermelho e infravermelho usando um multímetro no modo amperímetro. O objetivo aqui é apenas verificar se eles são semelhantes. Os meus estavam em torno de 17mA.

Etapa 33: O Código

Conforme declarado na etapa de preparação, o código para este dispositivo pode ser encontrado em nosso repositório GitHub. Simplesmente:

1. Baixe este código clicando em "Clonar ou baixar" / "Baixar Zip".
2. Descompacte este arquivo usando 7zip ou um programa semelhante e abra este arquivo no IDE do Arduino.
3. Faça o upload para o seu Arduino e conecte os pinos conforme descrito nas atribuições dos pinos (ou altere-os no código, mas perceba que você terá que fazer isso toda vez que baixar novamente do GitHub).
4. Se você quiser ver uma saída serial no monitor serial, altere o booleano serialDisplay para True. As outras variáveis de entrada são descritas no código; os valores atuais funcionaram bem para nós, mas você pode fazer experiências com outros para obter o desempenho ideal para sua configuração.

Etapa 34: Diagrama de Circuito

Etapa 35: Outras Idéias

Gostaríamos de adicionar (ou um de nossos muitos seguidores pode pensar em adicionar)

1. Conexão Bluetooth para troca de dados com um computador
2. Conexão a um dispositivo Google Home / Amazon para solicitar informações de SpO2
3. Mais matemática simplificada para o cálculo de SpO2, pois atualmente não temos referência para comparação. Estamos simplesmente usando a matemática que encontramos online.
4. Código para calcular e relatar os batimentos cardíacos do paciente, junto com SpO2
5. Usando um circuito integrado para nossas medições e matemática, eliminando grande parte da variabilidade de nossa produção.