Простой пульсоксиметр для носимых мониторов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2014

Martin Jagelka, Martin Daricek, Martin Donoval

EDN

Непрерывный мониторинг сердечной деятельности позволяет измерять вариабельность сердечного ритма – одного из основных показателей здоровья сердца и других заболеваний.

В статье предлагается новая конструкция пульсоксиметра, отличающаяся простотой и функциональностью. Устройство может использоваться в качестве автономного прибора, способного контролировать частоту сердечных сокращений и насыщение крови кислородом.

Главными элементами изображенной на Рисунке 1 схемы являются ультраяркий красный светодиод KA-3528SURC, инфракрасный светодиод VSMB3940X01-GS08 и фотодиод VBP104SR, имеющий одинаковую чувствительность к излучению обеих длин волн.

Рисунок 1.	Принципиальная схема пульсоксиметра.

Система основана на операционном усилителе (ОУ) LT6003, использованном в нескольких каскадах схемы. IC1 служит трансимпедансным усилителем, преобразующий генерируемый фотодиодом ток в напряжение. Этот каскад отличается очень большим усилением, что позволяет снимать датчиком показания практически с любой части тела. ОУ IC2 включен инвертирующим усилителем с коэффициентом передачи 30.

Инвертирующий вход компаратора IC4 соединен с выходом пикового детектора, изменяющего входной сигнал. Элементы IC3, D1 и C6 служат для детектирования и временного запоминания уровня максимального напряжения сигнала. Резисторы R7 и R10 предназначены для разряда конденсатора C6. Эта цепь необходима для формирования опорного напряжения, позволяющего обнаруживать даже слабые импульсы, обусловленные случайными изменениями положения датчика на теле.

В схему включены один фильтр верхних частот (ФВЧ) и два фильтра нижних частот (ФНЧ), предназначенные для фильтрации нежелательных артефактов, обусловленных внешней засветкой или мерцаниями сигнала. ФВЧ и первый ФНЧ настроены на частоты 0.86 Гц и 159 кГц, соответственно. Оставшиеся выводы фильтров подключены не к «земле», а к опорному напряжению 1 В, чтобы уменьшить смещение измеряемого сигнала для дальнейшей обработки. Источник опорного напряжения состоит из микросхемы LM4040 и делителя напряжения R15, R16. После микросхемы IC2 сигнал проходит через второй ФНЧ с частотой среза 5.9 Гц, фильтрующий оставшиеся помехи.

Рисунок 2.	Временные диаграммы напряжений в точках COMP (Канал 1) и Pulse (Канал 2).	Рисунок 3.	Форма сигнала в узле OUT.

В статье ничего не сказано о процедуре определения пульса, которая может быть реализована с помощью микроконтроллера или АЦП. Микроконтроллер необходим для управления светодиодами, измерения сигнала и пересчета результатов измерений в концентрацию кислорода. Вычислить содержание кислорода в крови можно даже при использовании полосового фильтра. Для этого включается красный светодиод, и сигнал измеряется с помощью АЦП. После двух-трех импульсов точно на такое же время, как и красный, включается инфракрасный светодиод. Микроконтроллер использует соотношение

 

где

V_R – пиковое значение измеренного сигнала красного светодиода,
V_IR – пиковое значение измеренного сигнала инфракрасного светодиода,
S – уровень оксигенации в калибровочной таблице.

Разработка этого прибора поддерживалась Словацким агентством исследований и развития в рамках контрактов APVV-0865-11, APVV-0819-12 и VEGA 1/1177/12.

Приложение

Демонстрационное видео