Oxímetro de pulso Arduino: 35 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Los oxímetros de pulso son instrumentos estándar para entornos hospitalarios. Usando las absorbancias relativas de hemoglobina oxigenada y desoxigenada, estos dispositivos determinan el porcentaje de sangre de un paciente que transporta oxígeno (un rango saludable es 94-98%). Esta cifra puede salvar vidas en un entorno clínico, ya que una caída repentina de la oxigenación de la sangre indica un problema médico crítico que debe abordarse de inmediato.

En este proyecto, intentamos construir un oxímetro de pulso utilizando piezas que son fáciles de encontrar en línea o en una ferretería local. El producto final es un instrumento que puede proporcionar suficiente información para que alguien controle la oxigenación de la sangre a lo largo del tiempo por solo $ x. El plan original era hacer que el dispositivo fuera completamente portátil, pero debido a factores fuera de nuestro control, esto no fue posible en nuestra escala de tiempo. Con algunos componentes más y un poco más de tiempo, este proyecto podría volverse completamente portátil y comunicarse de forma inalámbrica con un dispositivo externo.

Suministros

Lista de piezas esenciales: cosas que probablemente necesite comprar (recomendamos tener algunas piezas de repuesto de cada componente, especialmente las piezas de montaje en superficie)

Arduino Nano * $ 1.99 (Banggood.com)

Doble LED - $ 1.37 (Mouser.com)

Fotodiodo - $ 1.67 (Mouser.com)

Resistencia de 150 ohmios - $ 0.12 (Mouser.com)

Resistencia de 180 ohmios - $ 0.12 (Mouser.com)

Resistencia de 10 kOhmios - $ 0.10 (Mouser.com)

Resistencia de 100 kOhmios - $ 0.12 (Mouser.com)

Condensador de 47 nF - $ 0.16 (Mouser.com)

* (Nuestro Nano está atascado en China en este momento, por lo que usamos un Uno, pero ambos funcionarán)

Costo total: $ 5.55 (Pero … teníamos un montón de cosas por ahí y también compramos algunas piezas de repuesto)

Lista de piezas secundarias: cosas que estaban por ahí para nosotros, pero es posible que deba comprar

Tablero revestido de cobre - Bastante barato (ejemplo). En lugar de esto, puede hacer y pedir una placa de circuito impreso.

PVC: algo de al menos una pulgada de diámetro. El tipo más delgado funciona muy bien.

Cables: incluidos algunos cables de puente para la placa de pruebas y algunos más largos para conectar el oxímetro a la placa. En el paso 20 muestro mi solución a esto.

Cabezal de clavija hembra: son opcionales, si solo desea soldar cables a las placas, funcionará bien.

Espuma: utilicé L200, que es bastante específico. Realmente puede usar cualquier cosa que crea que le resultará cómoda. ¡Las alfombrillas de ratón viejas son grandes para esto!

LED y resistencias: bastante baratos si necesita comprarlos. Usamos resistencias de 220 Ω y teníamos algunos colores por ahí.

Herramientas y equipo recomendados

Pistola de calor

Soldador con punta fina

Herramienta Dremel con brocas de enrutamiento y corte (puede arreglárselas con una navaja, pero no tan rápido)

Alicates, cortadores de alambre, pelacables, etc.

Paso 1: Preparación: Ley de Beer-Lambert

Para comprender cómo construir un oxímetro de pulso, primero es necesario comprender la teoría detrás de su funcionamiento. La principal ecuación matemática utilizada se conoce como ley de Beer-Lambert.

La ley de Beer-Lambert es una ecuación muy utilizada que describe la relación entre la concentración de una sustancia en una solución y la transmitancia (o absorbancia) de la luz que pasa a través de dicha solución. En un sentido práctico, la ley dice que cantidades cada vez mayores de luz son bloqueadas por partículas cada vez mayores en una solución. La ley y sus componentes se describen a continuación.

Absorbancia = log10 (Io / I) = εbc

Donde: Io = Luz incidente (antes de la muestra añadida) I = Luz incidente (después de la muestra añadida) ε = Coeficiente de absorción molar (función de la longitud de onda y la sustancia) b = Longitud de la trayectoria de la luz c = Concentración de la sustancia en la muestra

Al medir concentraciones utilizando la ley de Beer, es conveniente seleccionar una longitud de onda de luz en la que la muestra absorba más. Para la hemoglobina oxigenada, la mejor longitud de onda es de aproximadamente 660 nm (rojo). Para la hemoglobina desoxigenada, la mejor longitud de onda es de aproximadamente 940 nm (infrarrojos). Utilizando LED de ambas longitudes de onda, se puede calcular la concentración relativa de cada uno para encontrar un% de O2 para la sangre que se mide.

Paso 2: Preparación: pulsioximetría

Nuestro dispositivo utiliza un LED dual (dos LED en el mismo chip) para las longitudes de onda de 660nm y 940nm. Estos se alternan entre encendido y apagado, y el Arduino registra el resultado del detector en el lado opuesto del dedo de los LED. La señal del detector para ambos LED pulsa al mismo tiempo que los latidos del corazón del paciente. Por tanto, la señal se puede dividir en dos partes: una parte de CC (que representa la absorbancia a la longitud de onda especificada de todo menos la sangre) y una parte de CA (que representa la absorbancia a la longitud de onda especificada de la sangre). Como se especifica en la sección Beer-Lambert, la absorbancia está relacionada con ambos valores (log10 [Io / I]).

El% de O2 se define como: hemoglobina oxigenada / hemoglobina total

Sustituyendo en las ecuaciones de Beer Lambert, resueltas por concentración, el resultado es una fracción de fracciones muy compleja. Esto se puede simplificar de varias formas.

1. La longitud de la ruta (b) para ambos LED es la misma, lo que hace que se salga de la ecuación
2. Se utiliza una relación intermedia (R). R = (AC640nm / DC640nm) / (AC940nm / DC940nm)
3. Los coeficientes de absorción molar son constantes. Cuando se dividen, se pueden reemplazar con una constante de factor de ajuste genérico. Esto provoca una ligera pérdida de precisión, pero parece ser bastante estándar para estos dispositivos.

Paso 3: Preparación: Arduino

El Arduino Nano requerido para este proyecto se conoce como microprocesador, una clase de dispositivos que ejecuta continuamente un conjunto de instrucciones preprogramadas. Los microprocesadores pueden leer las entradas del dispositivo, hacer los cálculos matemáticos necesarios y escribir una señal en sus pines de salida. Esto es increíblemente útil para cualquier proyecto a pequeña escala que requiera matemáticas y / o lógica.

Paso 4: Preparación: GitHub

GitHub es un sitio web que aloja repositorios o espacios para colecciones de bocetos para un proyecto. El nuestro está almacenado actualmente en https://github.com/ThatGuy10000/arduino-pulse-oximeter. Esto nos permite hacer varias cosas.

1. Puede descargar el código usted mismo y ejecutarlo en su Arduino personal
2. Podemos actualizar el código en cualquier momento sin cambiar el enlace aquí. Si encontramos errores o decidimos hacer matemáticas de manera diferente, publicaremos una actualización a la que se podrá acceder aquí de inmediato.
3. Puede editar el código usted mismo. Esto no provocará una actualización inmediata, pero puede crear una "solicitud de extracción" que pregunte si deseo incluir sus cambios en el código maestro. Puedo aceptar o vetar estos cambios.

Para cualquier pregunta sobre GitHub o cómo funciona, consulte este tutorial publicado por el propio GitHub.

Paso 5: consideraciones de seguridad

Como dispositivo, esto es lo más seguro posible. Hay muy poca corriente y nada funciona a más de 5V. De hecho, el circuito debería estar más asustado que tú.

Sin embargo, en el proceso de construcción, hay algunas cosas clave a tener en cuenta.

• La seguridad de los cuchillos debe ser un hecho, pero algunas de las partes tienen una forma muy orgánica que puede hacer que sea tentador sostenerlas en un lugar donde sus dedos realmente no deberían estar. Sólo sé cuidadoso.
• Si posee un soldador, una pistola de calor o una herramienta dremel, supongo que debe saber cómo usarlos correctamente. Independientemente, tome las precauciones necesarias. No supere las frustraciones. Tómese un descanso, aclare su mente y vuelva a hacerlo cuando esté más estable. (Puede encontrar información de seguridad para el soldador, la pistola de calor y las herramientas dremel en los enlaces)
• Cuando pruebe cualquier circuito o mueva cosas en una placa de pruebas, es mejor apagar todo. Realmente no es necesario probar nada con energía en vivo, así que no se arriesgue a causar cortocircuitos y dañar potencialmente el Arduino u otros componentes.
• Tenga cuidado al utilizar los componentes electrónicos dentro y alrededor del agua. La piel húmeda tiene una resistencia significativamente menor que la piel seca, lo que puede provocar corrientes que superen los niveles seguros. Además, los cortocircuitos eléctricos en los componentes de la placa pueden causar daños importantes a los componentes. No opere equipos eléctricos cerca de líquidos.

ADVERTENCIA: No intente utilizarlo como un verdadero dispositivo médico. Este dispositivo es una prueba de concepto, pero NO es un instrumento perfectamente preciso que deba usarse en el cuidado de personas potencialmente enfermas. Hay muchas alternativas económicas que puede comprar y que brindan un nivel de precisión mucho mayor.

Paso 6: consejos y trucos

A medida que se desarrolló el proyecto, se aprendieron varias lecciones. A continuación, se ofrecen algunos consejos:

1. Cuando estás haciendo las placas de circuito, tus amigos tienen más separación entre los rastros. Es mejor estar en el lado seguro. Aún mejor es simplemente pedir una placa de circuito impreso de un servicio como Oshpark que hará placas pequeñas como estas por un precio razonable.
2. En una nota similar, tenga cuidado si decide aplicar energía a las placas de circuito antes de cubrirlas. El fotodiodo es especialmente delicado, y no es divertido si está roto cuando llegas a él. Es mejor probar los componentes sin energía y tener fe en que saldrá bien. Los ajustes de diodo y continuidad son tus amigos.
3. Una vez que tiene todo construido, está bastante cortado y seco, pero uno de los errores más comunes fue tener la placa de circuito de LED conectada incorrectamente. Si sus datos son extraños, verifique la conexión y posiblemente intente conectar una de las conexiones LED al Arduino a la vez. A veces las cosas se vuelven más claras de esa manera.
4. Si todavía tiene problemas con los LED, puede conectar una alimentación de 5 V a sus entradas. El rojo será bastante brillante, pero el infrarrojo es invisible. Si tiene la cámara de un teléfono, puede mirar a través de ella y verá la luz infrarroja. El sensor de la cámara del teléfono lo muestra como luz visible, ¡lo cual es realmente conveniente!
5. Si está recibiendo mucho ruido, verifique que la placa de fotodiodos esté lejos de cualquier cosa que lleve la desagradable potencia de 60Hz de la pared. La resistencia de alto valor es un imán para ruido adicional, así que tenga cuidado.
6. Las matemáticas para calcular la SpO2 son un poco complicadas. Siga el código proporcionado, pero asegúrese de editar la variable "fitFactor" para que los cálculos se ajusten a su dispositivo en particular. Esto requiere ensayo y error.

Paso 7: construcción de placas de circuito

Comenzaremos haciendo las dos placas de circuito que forman parte del diseño. Usé un tablero revestido de cobre de dos caras y una herramienta Dremel para hacerlos a mano, lo cual no fue perfecto, pero funcionó. Si tiene los recursos, le recomiendo que dibuje un esquema y lo muele con una máquina, pero es posible sin él.

Paso 8: Tablero 1: el fotodetector

Aquí está el circuito que puse en la primera placa, menos el condensador. Es mejor mantener un perfil bajo, ya que esto rodeará su dedo dentro del oxímetro. El fotodetector, en este caso, es un fotodiodo, lo que significa que es eléctricamente similar a un diodo, pero generará corriente para nosotros en función del nivel de luz.

Paso 9: fresado de la tabla

Decidí comenzar imprimiendo y recortando un modelo a escala del tamaño recomendado. Debido a que solo estoy observando mi corte, esto me dio una buena referencia antes de sacar el fotodetector de su paquete. Esto está disponible a la vista del vendedor para el fotodetector.

Paso 10: profundización

Este es el diseño que elegí para la PCB, que corté con una pequeña broca dremel y una navaja. Mi primera construcción de esta placa terminó defectuosa por un par de razones. Las lecciones que aprendí para mi segunda construcción fueron cortar más que el mínimo y cortar donde dibujé una línea negra en la imagen de arriba. Hay un pin no conectado en el chip que debería tener su propia almohadilla, ya que no se conecta a nada más, pero aún ayuda a sujetar el chip a la placa. También agregué agujeros para la resistencia, que hice colocando la resistencia al lado y mirando los agujeros.

Paso 11: Colocación de componentes

Esta parte es un poco complicada. He marcado la orientación del fotodetector aquí en blanco. Puse un poco de soldadura en la parte inferior de cada pin del chip, puse un poco de soldadura en la placa de circuito y luego mantuve el chip en su lugar mientras calentaba la soldadura en la placa. No querrás calentarlo demasiado, pero si la soldadura de la placa es líquida, debería conectarse con el chip bastante rápido si tienes suficiente soldadura. También debe soldar la resistencia de 100 kΩ en un cabezal de 3 pines al mismo lado de la placa.

Paso 12: limpieza y revisión

Luego, use la herramienta dremel para cortar el cobre alrededor de los cables de la resistencia en la parte posterior de la placa (para evitar cortocircuitar la resistencia). Luego, use un multímetro en su modo de continuidad para verificar que ninguno de los rastros haya sufrido un cortocircuito en el proceso de soldadura. Como verificación final, use la medición de diodo del multímetro (Tutorial si esta es una tecnología nueva para usted) a través del fotodiodo para asegurarse de que esté completamente adherido a la placa.

Paso 13: Tablero 2 - los LED

Aquí está el esquema de la segunda placa. Este es un poco más difícil, pero afortunadamente estamos más calientes de hacer el último.

Paso 14: profundizar en Redux

Después de varios intentos que no me gustaron tanto, me decidí por este patrón, que perforé con la misma broca de enrutamiento dremel que antes. A partir de esta imagen, es difícil saberlo, pero hay una conexión entre dos partes de la placa a través del otro lado (tierra en el circuito). La parte más importante de este corte es la intersección donde se ubicará el chip LED. Este patrón en forma de cruz debe ser bastante pequeño porque las conexiones en el chip LED están bastante juntas.

Paso 15: Vías de soldadura

Debido a que dos esquinas opuestas del chip LED deben estar conectadas, debemos usar la parte posterior de la placa para conectarlas. Cuando conectamos eléctricamente un lado de la placa al otro, eso se llama "vía". Para hacer las vías en el tablero, hice un agujero en las dos áreas que marqué arriba. Desde aquí, coloco los cables de la resistencia en la placa anterior en el orificio y los sueldo en ambos lados. Corté tanto cable sobrante como pude e hice una verificación de continuidad para ver que había una resistencia cercana a cero entre estas dos áreas. A diferencia de la última placa, estas vías no necesitarán estar delineadas en la parte trasera porque queremos que estén conectadas.

Paso 16: Soldar el chip LED

Para soldar el chip LED, siga el mismo procedimiento que el fotodiodo, agregando soldadura en cada pin y también en la superficie. La orientación de la pieza es difícil de acertar, y recomiendo seguir la hoja de datos para orientarse. En la parte inferior del chip, el "pin uno" tiene una almohadilla ligeramente diferente, y el resto de los números continúan alrededor del chip. He marcado qué números se adjuntan en qué puntos. Una vez que lo haya soldado, debe usar nuevamente la configuración de prueba de diodo en el multímetro para ver que ambos lados estén conectados correctamente. Esto también te mostrará qué LED es el rojo, ya que se iluminará un poco cuando el multímetro esté conectado.

Paso 17: El resto de los componentes

A continuación, suelde las resistencias y el cabezal de 3 pines. Si tuvo el chip LED girado 180 ° en el paso anterior, todavía está bien para continuar. Cuando coloque las resistencias, asegúrese de que la resistencia de 150 Ω esté en el lado rojo y que el otro lado tenga los 180 Ω.

Paso 18: acabado y comprobación

En la parte trasera, corte alrededor de las resistencias como antes para evitar que entren en cortocircuito con la vía. Corta el tablero y haz un último barrido con el probador de continuidad del multímetro, solo para verificar que nada se haya cortocircuitado accidentalmente.

Paso 19: "Encapsular" las tablas

Después de todo el buen trabajo de soldadura que hice, quería asegurarme de que nada golpearía los componentes mientras se usaba el oxímetro, así que decidí "encapsular" las tablas. Al agregar una capa de algo no conductor, todos los componentes permanecerán mejor en su lugar y proporcionarán una superficie más plana para el oxímetro. Probé algunas cosas que tenía por ahí y este adhesivo de fuerza industrial funcionó bien. Empecé cubriendo la parte trasera y dejándola reposar durante unas horas.

Paso 20: Continuación del encapsulado

Después de que la parte inferior se solidifique, voltee las tablas y cubra la parte superior. A pesar de que es un adhesivo casi transparente, quería mantener el fotodetector y los LED descubiertos, así que antes de cubrir todo, cubrí ambos con pequeños trozos de cinta aislante y después de unas horas, usé un cuchillo para quitar con cuidado el adhesivo en la parte superior. estos y quitó la cinta. Puede que no sea necesario mantenerlos descubiertos, pero si decide cubrirlos, asegúrese de evitar las burbujas de aire. Está bien aplicar tanto adhesivo como desee (dentro de lo razonable), ya que una superficie más plana se asentará más cómodamente y agregará más protección a los componentes, solo asegúrese de dejarlo reposar por un tiempo para que se seque por completo.

Paso 21: Construcción de cables

Solo tenía cable trenzado a mano, así que decidí usar un cabezal macho de 3 pines para crear algunos cables. Si lo tiene a mano, es mucho más sencillo usar cable de calibre sólido para esto sin soldar. Sin embargo, ayuda a retorcer los cables, ya que eso evita que se enganchen y, en general, se ve más ordenado. Simplemente suelde cada cable a un pin en el cabezal, y si lo tiene, cubriría cada hebra con un poco de termorretráctil. Asegúrese de tener los cables en el mismo orden cuando conecte el cabezal en el otro lado.

Paso 22: Cableado a prueba de idiotas

Debido a la forma en que conecté estos tableros a los cables, quería asegurarme de que nunca los conecté mal, así que codifiqué la conexión por colores con marcadores de pintura. Puede ver aquí qué pin es qué conexión y cómo funciona mi codificación de colores.

Paso 23: Hacer un recinto

El recinto para el oxímetro lo hice con espuma L200 y un trozo de tubería de PVC, pero ciertamente puedes usar cualquier espumas y / o plásticos que tengas por ahí. El PVC funciona muy bien porque ya está casi en la forma que queremos.

Paso 24: PVC y pistolas de calor

Usar una pistola de calor sobre PVC para dar forma es simple, pero puede requerir algo de práctica. Todo lo que necesita hacer es aplicar calor al PVC hasta que comience a doblarse libremente. Mientras está caliente, puede doblarlo en casi cualquier forma que desee. Comience con una sección de tubería de PVC un poco más ancha que las tablas. Corta uno de los lados y luego ponle un poco de calor. Querrás unos guantes o algunos bloques de madera para poder maniobrar el PVC mientras está caliente.

Paso 25: Dar forma al plástico

A medida que dobla el lazo, corte el exceso de PVC. Antes de doblarlo completamente, use un cuchillo o una herramienta dremel para hacer una muesca en un lado y los bordes del lado opuesto. Esta forma bifurcada le permite cerrar aún más el bucle. También le da un lugar para agarrar para abrir el oxímetro y ponerlo en su dedo. No se preocupe por la tensión por ahora, ya que querrá ver cómo se siente una vez que la espuma y las tablas estén colocadas.

Paso 26: algo un poco más suave

A continuación, corte un trozo de espuma del ancho de su PVC y de una longitud que se envuelva por completo alrededor del bucle interior.

Paso 27: Un lugar para los tableros

Para evitar que la tabla se clave en su dedo, es importante empotrarlos en la espuma. Trace la forma de las tablas en la espuma y use un par de tijeras para excavar el material. En lugar de limpiar toda el área alrededor de los encabezados, agregue algunas hendiduras en los conectores laterales que pueden salir pero aún quedar un poco debajo de la espuma. En este punto, puede colocar las tablas y la espuma en el PVC y probar el ajuste en el PVC real y luego en su dedo. Si hace esto, comienza a perder circulación, querrá usar la pistola de calor nuevamente para abrir un poco más el recinto.

Paso 28: tablas en espuma

¡Vamos a empezar a ponerlo todo junto ahora! Para comenzar, simplemente coloque un poco de epoxi / adhesivo en los orificios que acaba de hacer en la espuma y coloque las tablas en sus casitas. Usé el mismo adhesivo que usé para colocar las tablas antes, que parecía funcionar bien. Asegúrate de dejarlo reposar durante unas horas antes de continuar.

Paso 29: espuma en plástico

A continuación, forré el interior del PVC con el mismo pegamento y puse con cuidado la espuma en el interior. Limpia el exceso y coloca algo dentro para que la espuma muerda. Mi cuchillo de uso general funcionó bien y realmente ayuda empujar la espuma contra el PVC para obtener un sello fuerte.

Paso 30: la conexión Arduino

En este punto, el sensor real está completo, pero, por supuesto, queremos usarlo para algo. No hay mucho que conectar al Arduino, pero es increíblemente importante no conectar nada al revés o es muy probable que dañe las placas de circuito. Asegúrese de que la energía esté apagada cuando esté conectando los circuitos (realmente es la forma más segura de evitar problemas).

Paso 31: La resistencia y el condensador restantes

Algunas notas sobre el cableado en el Arduino:

• El condensador de la señal a tierra hace maravillas con el ruido. No tenía una amplia selección, así que utilicé el "especial de basura de papá", pero si tienes variedad, elige algo alrededor de 47nF o menos. De lo contrario, es posible que no pueda tener una velocidad de conmutación rápida entre los LED rojo e IR.
• La resistencia que entra en el cable del fotodetector es una cuestión de seguridad. No es necesario, pero tenía miedo de que mientras manejaba el circuito de la placa de pruebas, accidentalmente pudiera cortocircuitar algo y estropear todo el proyecto. No cubrirá todos los accidentes, pero solo ayuda a tener un poco más de tranquilidad.

Paso 32: Prueba de la corriente del LED

Una vez que los tuve, pruebe la corriente que pasa por los LED rojo e IR usando un multímetro en el modo amperímetro. El objetivo aquí es simplemente comprobar que sean similares. Los míos rondaban los 17 mA.

Paso 33: el código

Como se indicó en el paso de preparación, el código para este dispositivo se puede encontrar en nuestro repositorio de GitHub. Simplemente:

1. Descargue este código haciendo clic en "Clonar o descargar" / "Descargar zip".
2. Descomprima este archivo usando 7zip o un programa similar, y abra este archivo en Arduino IDE.
3. Súbelo a su Arduino y conecte los pines como se describe en las asignaciones de pines (o cámbielos en el código, pero tenga en cuenta que tendrá que hacer esto cada vez que vuelva a descargar de GitHub).
4. Si desea ver una salida serial en el monitor serial, cambie el booleano serialDisplay a True. Las otras variables de entrada se describen en el código; los valores actuales funcionaron bien para nosotros, pero puede experimentar con otros para lograr el rendimiento óptimo para su configuración.

Paso 34: Diagrama de circuito

Paso 35: Más ideas

Nos gustaría agregar (o uno de nuestros muchos seguidores podría pensar en agregar)

1. Conexión Bluetooth para intercambiar datos con una computadora
2. Conexión a un dispositivo Google Home / Amazon para solicitar información de SpO2
3. Más matemáticas eliminadas para calcular SpO2, ya que actualmente no tenemos referencias para comparar. Simplemente estamos usando matemáticas que encontramos en línea.
4. Código para calcular y reportar los latidos del corazón del paciente, junto con SpO2
5. Usando un circuito integrado para nuestras mediciones y matemáticas, eliminando gran parte de la variabilidad de nuestra salida.