Пульс-оксиметр – полезное и доступное по цене медицинское устройство, которое зажимает один из пальцев и позволяет быстро и легко измерить частоту сердечных сокращений, а также рассчитать насыщение крови кислородом. Недавно был куплен такой пульсоксиметр и после тестов можно кратко объяснить, как работает пульсоксиметр, и что там внутри, в плане работы электроники.

Пальцевый пульсоксиметр

Пульсоксиметр Fingertip – это портативное электронное устройство, которое стало обычным повседневным медицинским оборудованием. Через некоторое время после надевания на палец прибор выдает данные, но требуется несколько секунд, чтобы получить базовые показания и откалибровать уровни датчика. Пульсоксиметр питается от батареи и автономен, а уровень кислорода отображается на встроенном многоцветном дисплее вместе с частотой пульса.

Напомним, что пульсоксиметрия – это неинвазивное измерение сатурации кислорода (SpO). Насыщение кислородом определяется как количество кислорода, растворенного в крови, на основе определения гемоглобина (Hb) и дезоксигемоглобина (HbO 2).

Разборка пульсоксиметра

Пластиковая губка пульсоксиметра удерживает палец между верхним и нижним частями корпуса, соединенных парой асимметричных шарниров, которые соединяют отверстие наверху с прорезью внизу. Нижний корпус содержит пару батарей и источник света, а верхний основную печатную плату с деталями контроллера.

В нижней части особо не на что смотреть, там небольшая пластиковая крышка, которую можно открыть, чтобы увидеть контакты аккумулятора и места пайки для четырех проводов.

В верхнем корпусе находятся все основные компоненты электронной схемы. Вот вид изнутри на верхний корпус с основной печатной платой и панелью OLED-дисплея. Однокнопочный переключатель предназначен для включения схемы и регулировки поворота дисплея.

Основа измерителя – относительно большой микроконтроллер, но нет никакого обозначения, чтобы найти его реальный тип. Справа от микроконтроллера находится схема переключаемого стабилизатора, на 3-контактном чипе и SMD дросселе. Рядом находится пустая область, зарезервированная для пьезозуммера SMD. Последний ключевой компонент – это 8-контактная микросхема, представляющая собой операционный усилитель RS622.

Большинство китайских конструкций пульсоксиметров пальцевых обычно основаны на очень недорогих, но многофункциональных микроконтроллерах, таких как микроконтроллеры серии STM32 (32-разрядные МК от STMicroelectronics).

Точно так же и OLED-дисплей от неизвестного производителя. Дополнительно на печатной плате также есть несколько различных пассивных и активных радиокомпонентов для поддержки основной электроники.

Видно контакты для программирования / отладки UART (VCC / RX / TX / GND), расположенные рядом с MCU. Линия RX идет от контакта 5, а линия TX идет от контакта 6 MCU.

Как работает пульсовой оксиметр

Типичный пульсовой оксиметр (который также измеряет частоту сердечных сокращений) использует две разные длины волн света – 660 нм (красный) и 940 нм (ИК) – для измерения разницы в спектрах поглощения HbO и Hb (Hb поглощает свет при 660 нм, а HbO – при 940 нм).

Проще говоря, инфракрасный и видимый свет от светодиода (источника света), установленного в нижнем корпусе, передается в палец, где свет поглощается гемоглобином и оксигемоглобином в крови. Процент насыщения кислородом рассчитывается микроконтроллером на основе уровней поглощения света от источника.

Над пальцем находится фотосенсор (преобразователь интенсивности света в частоту), установленный в верхнем корпусе, который выдает последовательность импульсов, ритм которой прямо пропорционален интенсивности света, падающего на фотодатчик. TSL237 – лишь один из широко используемых фотосенсоров в этом устройстве.

В стандартном пульсовом оксиметре используется PPG метод определения частоты сердечных сокращений и измерения насыщения крови кислородом на основе характеристик поглощения красного и инфракрасного света оксигенированным и деоксигенированным гемоглобином. Пульсоксиметр попеременно мигает красным и инфракрасным светом через палец на фотодиод. Инфракрасный свет поглощается насыщенным кислородом гемоглобином, в то время как красный свет проходит через него. Кроме того, деоксигенированный гемоглобин пропускает инфракрасный свет и поглощает красный свет. Фотодиод принимает непоглощенный свет от каждого светодиода. Этот сигнал обрабатывается с помощью усилителя трансимпеданса, который представляет свет, поглощенный пальцем.

Пульс-оксиметр своими руками

Основное, что нужно сделать для сборки самодельного измерителя, это подключить соответствующий датчик к микроконтроллеру, чтобы он мог считывать и обрабатывать данные.

Если есть специальный модуль датчика пульсового оксиметра (например, MAX3010x), можно реализовать идею создания пульсоксиметра с Arduino. На рынке представлено множество модулей датчиков пульсового оксиметра и коммутационных плат.

MAX30100 от Maxim – самый популярный датчик пульсоксиметра, широко используемый радиолюбителями и производителями электроники. Другими известными датчиками этой серии являются MAX30102 и MAX30105.

MAX30100 – это интегрированный датчик пульсоксиметрии и контроля сердечного ритма. Он сочетает в себе два светодиода, фотодетектор, оптимизированную оптику и малошумящую аналоговую обработку сигналов для обнаружения сигналов пульсовой оксиметрии и частоты сердечных сокращений.

Это самый распространенный модуль MAX30100 (RCWL-0530). Помимо датчика MAX30100, этот 7-контактный модуль содержит два стабилизатора положительного напряжения (3,3 В и 1,8 В).

Подведём итог

В настоящее время можно как купить готовый, так и сделать свой собственный пульсоксиметр, используя микроконтроллер Arduino и соответствующий модуль датчика.