Онлайн
Alvaros
.
- Регистрация
- 14.05.16
- Сообщения
- 21.452
- Реакции
- 101
- Репутация
- 204
Во время самоизоляции я попытался сделать пульсоксиметр из того, что уже есть у меня в закромах
Я бы хотел измерить уровень насыщения крови кислородом в процентах в моей крови при помощи самостоятельно изготовленного пульсоксиметра. Я не эксперт в медицина, поэтому данный проект не имеет диагностической ценности. Это просто образовательный проект, подходящий для изучения принципов работы прибора.
Компоненты:
Я разбил инструкцию на 5 частей:
Подробности
1. Насыщение крови кислородом и COVID-19
В данном невероятном периоде нашей жизни мы многое узнали о вирусах, лёгких, хирургических масках и о том, как правильно мыть руки. Все читали о таких симптомах, как кашель, повышение температуры и затруднение дыхания. Мы также знаем, что один из способов измерить затруднения дыхания – это узнать количество кислорода в крови.
Это можно сделать косвенным методом при помощи такого медицинского устройства, как
Его даже можно
Если у вас всё в порядке со здоровьем, насыщение кислородом вашей крови составляет 95% или выше. Когда оно опускается ниже 90%, вы кашляете и у вас повышается температура – это проблема.
Так давайте же попробуем собрать пульсоксиметр!
2. Как работает измеритель пульса
Перед измерением насыщения крови кислородом нам нужно понять, как работает датчик пульса. У меня есть датчик
To measure oxygen saturation, we first need to learn how an heartbeat sensor work. I've got an heartbeat sensor named KY-0039 which is made with an infrared led and a photodiode. (it should be this OP550A or LTR-301)
Я нашёл его в наборе из нескольких датчиков:
Как видно по схеме, это просто инфракрасный светодиод, светящий на фотодиод. У него есть ещё два резистора, для защиты светодиода и получения слабого сигнала с датчика. Палец помещается между фотодиодом и светодиодом, как на фото:
Излучаемый инфракрасным светодиодом свет частично поглощается ногтем, кожей и остальными частями пальца. Но поглощение не остаётся неизменным, поскольку оно меняется вместе с потоком крови, идущей по венам. Когда сокращается сердце, оно проталкивает кровь по венам, в результате чего меняется поглощение света. С контакта S датчика KY-039 можно снимать данные о токе, генерируемом светом, поглощённым фотодиодом.
3. Измерение пульса через обнаружение пиков сигнала с датчика
Качественно считать значение изменяющегося сигнала – задача непростая. В данном случае сигнал слабый, а шума много, поэтому для того, чтобы найти какие-то осмысленные значения, нам придётся провести определённые вычисления.
Выражаю благодарность Йохану Ха за его
В своём коде Ха создаёт массив, где хранит значения, а потом уменьшает их, вычисляя среднее на основе X последних значений, прочитанных с датчика. Он также описывает способ найти тот момент, когда сигнал начинает расти (когда N подряд значений сигнала превышают опорное), чтобы искать пики.
При помощи программы SerialPlot мне удалось лучше подобрать необходимое количество измерений, которое позволит нам корректно определить N (константа rise_threshold в коде). На примере графика ниже – если задать это число больше 7, то некоторые удары пульса программа пропустит и не заметит:
Когда мы научились находить пики, мы можем их подсчитать – или подсчитать время между пиками, и так определить количество сердечных сокращений в минуту.
4. Взламываем датчик пульса KY-039 для измерения насыщения крови кислородом
Наша кровь поглощает свет по-разному в зависимости от длины его волны. Красный свет лучше поглощает кровь, содержащая больше кислорода, поэтому мы можем сравнить измерения и найти процентное содержание кислорода в крови. Это значение называется Sp02%.
Sp02% полностью называется «насыщение кислородом периферийных капилляров», и обозначает примерное содержание кислорода в крови. Точнее, это процентное соотношение насыщенного кислородом гемоглобина по сравнению с общим количеством гемоглобина в крови.
У нашего датчика KY-039 есть только один инфракрасный (950 нм) светодиод. Нам нужно добавить к схеме красный светодиод (600 нм), подсоединить его к контакту Arduino, а кроме того, нам надо отсоединить инфракрасный светодиод от Vcc и подключить его к ещё одному контакту Arduino. Я также использовал два резистора на 330 Ом для защиты светодиода.
Схема изменённого датчика:
Теперь мы можем включать инфракрасный светодиод, считывать показания с контакта S датчика KY-039, а потом выключать инфракрасный светодиод и включать красный светодиод, и снова считывать показания с контакта S.
Что получилось:
Если мы построим два графика, мы увидим, что значения, полученные с ИД всегда меньше, чем значения красного светодиода.
5. Как измеряется насыщение
Насыщение измеряется как функция параметра R, который определяется через максимум и минимум двух сигналов:
Rnum = (REDmax - REDmin) / REDmin;
Rden = (IRmax - IRmin) / IRmin;
R = Rnum / Rden;
Уровень насыщения кислородом (SpO2%) – это функция от R (подробности я нашёл в
У каждого инструмента функция от R получается своей, и чтобы найти правильную функцию, соотносящую R и SpO2%, новый пульсоксиметр нужно откалибровать по показаниям другого пульсоксиметра.
Как указано в 3-м разделе, подсчитать количество пиков довольно легко. Но нам кроме этого нужно ещё найти максимумы и минимумы двух кривых (для красного светодиода и для инфракрасного светодиода).
Для этого нам нужно оценить «период» сердцебиений (длительность каждого из них) и поделить его на скорость считывания показаний (в моём коде это 40 мс – 20 для красного светодиода и 20 для инфракрасного светодиода). Период сердцебиения – это время между двумя пиками кривых сигнала.
Теперь мы можем проанализировать N последних запросов (N = период / 40) и найти REDmax, REDmin, IRmax и IRmin. Затем через max и min мы можем вычислить R. R, N и период вычисляются после каждого сокращения сердца.
Как откалибровать самодельный пульсоксиметр, чтобы перейти от R к SpO2%?
Функцию, связывающую R с SpO2%, можно аппроксимировать прямой (SpO2 = K * R + M). Нам понадобятся две точки, чтобы определить параметры K и M, определяющие уравнение прямой – то есть, две пары значений SpO2% и R. Единственный способ найти их – использовать другой пульсоксиметр и прочесть значения с него.
Во время калибровки необходимо быть внимательным – на наш самодельный пульсоксиметр освещение, поэтому уровень освещения нужно поддерживать одинаковым во всех случаях. Я пробовал закрывать его тёмной тканью, однако при отсутствии света сигнал получается слишком слабым и его сложно отличить от шума.
Рекомендую делать много измерений. Для получения двух разных точек на графике рекомендую понижать значения SpO2%, задерживая дыхание или выдыхая и вдыхая их пластикового пакета.
Найдя две хороших точки, вам останется решить уравнение 2-го порядка. Так можно будет найти параметры K и M.
Я в итоге решил добавить ещё и дисплей, чтобы сразу видеть все показания, а также добавил в код массив измерений. Я вывожу на дисплей измерения, только когда нахожу не менее 5 значений подряд, не сильно отличающихся друг от друга. Таким образом я избавляюсь от шума, вызванного недостаточно качественными компонентами или освещением. Однако всё равно измерения R получаются не очень стабильными, и коэффициент насыщения сильно скачет. Думаю, результаты были бы лучше, если бы я смог усилить сигнал.
Чтобы не зависеть от окружающего освещения, я добавил в схему ещё один, белый светодиод, и стал считывать показания, закрывая всё тёмной тканью. Так получается гораздо лучше, чем просто прикрывать всё тканью – идёт сильный сигнал, не зависящий от освещения в помещении.
Я бы хотел измерить уровень насыщения крови кислородом в процентах в моей крови при помощи самостоятельно изготовленного пульсоксиметра. Я не эксперт в медицина, поэтому данный проект не имеет диагностической ценности. Это просто образовательный проект, подходящий для изучения принципов работы прибора.
Компоненты:
- Arduino Uno.
- Датчик KY-039 – его можно собрать из двух резисторов и фотодиода.
- Красный светодиод.
- Резистор на 330 Ом – 2 шт.
- Дисплей LCD 16x2 I2C.
Я разбил инструкцию на 5 частей:
- Насыщение крови кислородом и COVID-19.
- Как работает измеритель пульса.
- Измерение пульса через обнаружение пиков сигнала с датчика.
- Изменение датчика пульса KY-039 для измерения насыщения крови кислородом.
- Как измеряется насыщение.
Подробности
1. Насыщение крови кислородом и COVID-19
В данном невероятном периоде нашей жизни мы многое узнали о вирусах, лёгких, хирургических масках и о том, как правильно мыть руки. Все читали о таких симптомах, как кашель, повышение температуры и затруднение дыхания. Мы также знаем, что один из способов измерить затруднения дыхания – это узнать количество кислорода в крови.
Это можно сделать косвенным методом при помощи такого медицинского устройства, как
You must be registered for see links
. Вы, наверное, уже видели его – это неинвазивное устройство, цепляющееся на палец, за работу которого отвечают мигающие огоньки.Его даже можно
You must be registered for see links
:
Если у вас всё в порядке со здоровьем, насыщение кислородом вашей крови составляет 95% или выше. Когда оно опускается ниже 90%, вы кашляете и у вас повышается температура – это проблема.
Так давайте же попробуем собрать пульсоксиметр!
2. Как работает измеритель пульса
Перед измерением насыщения крови кислородом нам нужно понять, как работает датчик пульса. У меня есть датчик
You must be registered for see links
с инфракрасным светодиодом и фотодиодом (вероятно,
You must be registered for see links
или
You must be registered for see links
).To measure oxygen saturation, we first need to learn how an heartbeat sensor work. I've got an heartbeat sensor named KY-0039 which is made with an infrared led and a photodiode. (it should be this OP550A or LTR-301)
Я нашёл его в наборе из нескольких датчиков:
Как видно по схеме, это просто инфракрасный светодиод, светящий на фотодиод. У него есть ещё два резистора, для защиты светодиода и получения слабого сигнала с датчика. Палец помещается между фотодиодом и светодиодом, как на фото:
Излучаемый инфракрасным светодиодом свет частично поглощается ногтем, кожей и остальными частями пальца. Но поглощение не остаётся неизменным, поскольку оно меняется вместе с потоком крови, идущей по венам. Когда сокращается сердце, оно проталкивает кровь по венам, в результате чего меняется поглощение света. С контакта S датчика KY-039 можно снимать данные о токе, генерируемом светом, поглощённым фотодиодом.
3. Измерение пульса через обнаружение пиков сигнала с датчика
Качественно считать значение изменяющегося сигнала – задача непростая. В данном случае сигнал слабый, а шума много, поэтому для того, чтобы найти какие-то осмысленные значения, нам придётся провести определённые вычисления.
Выражаю благодарность Йохану Ха за его
You must be registered for see links
того, как строить среднее значение для небольшой выборки данных, а также удалять шум настольной лампы (содержащийся в её свете). Однако я обнаружил, что мой датчик хорошо считывает сигнал, в условиях хорошей освещённости, а если накрыть его тёмной тряпочкой, то шума становится больше.В своём коде Ха создаёт массив, где хранит значения, а потом уменьшает их, вычисляя среднее на основе X последних значений, прочитанных с датчика. Он также описывает способ найти тот момент, когда сигнал начинает расти (когда N подряд значений сигнала превышают опорное), чтобы искать пики.
При помощи программы SerialPlot мне удалось лучше подобрать необходимое количество измерений, которое позволит нам корректно определить N (константа rise_threshold в коде). На примере графика ниже – если задать это число больше 7, то некоторые удары пульса программа пропустит и не заметит:
Когда мы научились находить пики, мы можем их подсчитать – или подсчитать время между пиками, и так определить количество сердечных сокращений в минуту.
4. Взламываем датчик пульса KY-039 для измерения насыщения крови кислородом
Наша кровь поглощает свет по-разному в зависимости от длины его волны. Красный свет лучше поглощает кровь, содержащая больше кислорода, поэтому мы можем сравнить измерения и найти процентное содержание кислорода в крови. Это значение называется Sp02%.
Sp02% полностью называется «насыщение кислородом периферийных капилляров», и обозначает примерное содержание кислорода в крови. Точнее, это процентное соотношение насыщенного кислородом гемоглобина по сравнению с общим количеством гемоглобина в крови.
У нашего датчика KY-039 есть только один инфракрасный (950 нм) светодиод. Нам нужно добавить к схеме красный светодиод (600 нм), подсоединить его к контакту Arduino, а кроме того, нам надо отсоединить инфракрасный светодиод от Vcc и подключить его к ещё одному контакту Arduino. Я также использовал два резистора на 330 Ом для защиты светодиода.
Схема изменённого датчика:
Теперь мы можем включать инфракрасный светодиод, считывать показания с контакта S датчика KY-039, а потом выключать инфракрасный светодиод и включать красный светодиод, и снова считывать показания с контакта S.
Что получилось:
Если мы построим два графика, мы увидим, что значения, полученные с ИД всегда меньше, чем значения красного светодиода.
5. Как измеряется насыщение
Насыщение измеряется как функция параметра R, который определяется через максимум и минимум двух сигналов:
Rnum = (REDmax - REDmin) / REDmin;
Rden = (IRmax - IRmin) / IRmin;
R = Rnum / Rden;
Уровень насыщения кислородом (SpO2%) – это функция от R (подробности я нашёл в
You must be registered for see links
одного студента из Миланского политехнического).У каждого инструмента функция от R получается своей, и чтобы найти правильную функцию, соотносящую R и SpO2%, новый пульсоксиметр нужно откалибровать по показаниям другого пульсоксиметра.
Как указано в 3-м разделе, подсчитать количество пиков довольно легко. Но нам кроме этого нужно ещё найти максимумы и минимумы двух кривых (для красного светодиода и для инфракрасного светодиода).
Для этого нам нужно оценить «период» сердцебиений (длительность каждого из них) и поделить его на скорость считывания показаний (в моём коде это 40 мс – 20 для красного светодиода и 20 для инфракрасного светодиода). Период сердцебиения – это время между двумя пиками кривых сигнала.
Теперь мы можем проанализировать N последних запросов (N = период / 40) и найти REDmax, REDmin, IRmax и IRmin. Затем через max и min мы можем вычислить R. R, N и период вычисляются после каждого сокращения сердца.
Как откалибровать самодельный пульсоксиметр, чтобы перейти от R к SpO2%?
Функцию, связывающую R с SpO2%, можно аппроксимировать прямой (SpO2 = K * R + M). Нам понадобятся две точки, чтобы определить параметры K и M, определяющие уравнение прямой – то есть, две пары значений SpO2% и R. Единственный способ найти их – использовать другой пульсоксиметр и прочесть значения с него.
Во время калибровки необходимо быть внимательным – на наш самодельный пульсоксиметр освещение, поэтому уровень освещения нужно поддерживать одинаковым во всех случаях. Я пробовал закрывать его тёмной тканью, однако при отсутствии света сигнал получается слишком слабым и его сложно отличить от шума.
Рекомендую делать много измерений. Для получения двух разных точек на графике рекомендую понижать значения SpO2%, задерживая дыхание или выдыхая и вдыхая их пластикового пакета.
Найдя две хороших точки, вам останется решить уравнение 2-го порядка. Так можно будет найти параметры K и M.
Я в итоге решил добавить ещё и дисплей, чтобы сразу видеть все показания, а также добавил в код массив измерений. Я вывожу на дисплей измерения, только когда нахожу не менее 5 значений подряд, не сильно отличающихся друг от друга. Таким образом я избавляюсь от шума, вызванного недостаточно качественными компонентами или освещением. Однако всё равно измерения R получаются не очень стабильными, и коэффициент насыщения сильно скачет. Думаю, результаты были бы лучше, если бы я смог усилить сигнал.
You must be registered for see links
Чтобы не зависеть от окружающего освещения, я добавил в схему ещё один, белый светодиод, и стал считывать показания, закрывая всё тёмной тканью. Так получается гораздо лучше, чем просто прикрывать всё тканью – идёт сильный сигнал, не зависящий от освещения в помещении.