自制的血氧計(jì)傳感器開源分享

描述

在這段隔離期間，我已經(jīng)建立了一個(gè)血氧計(jì)，里面已經(jīng)有零件。畢竟，血氧計(jì)只是由兩個(gè) LED 和一個(gè)光電二極管組成。

我不是醫(yī)學(xué)知識(shí)專家，在項(xiàng)目的這個(gè)階段，我不確定這項(xiàng)工作是否具有診斷價(jià)值，但這是一個(gè)很好的教育項(xiàng)目，可以研究它是如何工作的，并且可能通過一些技巧它可以成為一個(gè)自制的醫(yī)療工具。

氧飽和度和 COVID-19

在我們生命中這個(gè)令人難以置信的時(shí)期，我們學(xué)到了很多關(guān)于病毒、肺、外科口罩、肥皂和洗手的知識(shí)。每個(gè)人都會(huì)閱讀有關(guān)咳嗽、發(fā)燒和呼吸困難等癥狀的信息。我們還知道，測(cè)量呼吸困難的一種方法是讀取我們血液中的氧氣含量。

可以使用稱為血氧計(jì)的醫(yī)療設(shè)備間接讀取此測(cè)量值。您可能已經(jīng)看過它，它是一種放置在手指上的非侵入性設(shè)備，帶有一些脈動(dòng)燈來完成工作。像這樣：

通常，當(dāng)您沒事時(shí)，您的氧飽和度 (SpO2) 百分比接近或大于 95%。當(dāng)飽和度低于 90% 并且您有咳嗽和發(fā)燒時(shí)，這是一個(gè)問題。

如果任何制造商都可以制造一個(gè)血氧計(jì)，那么發(fā)現(xiàn)感染會(huì)更容易，并且可以幫助人們?cè)趩栴}確實(shí)存在而不是恐慌發(fā)作時(shí)決定去醫(yī)院。

一、了解心跳傳感器的工作原理

我已經(jīng)開始使用KY-039心跳傳感器開始這個(gè)項(xiàng)目，我在我們?cè)S多人家里都有的套件傳感器中找到了它。正如您在下面的電路中看到的那樣，它只是一個(gè)點(diǎn)亮光電二極管的紅外 LED。還有兩個(gè)電阻保護(hù)LED和讀取傳感器的小信號(hào)。

因此，如果您沒有 KY-039 傳感器，您可以用很少的組件構(gòu)建自己的傳感器。

手指放在傳感器和光電二極管之間，就像這張照片（最初取自此站點(diǎn)并修改）：

紅外線 LED 發(fā)出的光部分被指甲、皮膚和手指的所有其他部位吸收，但它不是恒定的，因?yàn)樗鼤?huì)隨著靜脈中血液的變化而變化。當(dāng)您的心臟跳動(dòng)時(shí)，血液會(huì)被推入您的靜脈，并且光吸收會(huì)發(fā)生變化。我們可以測(cè)量由到達(dá)它的紅外光照射的光電二極管產(chǎn)生的電流。

KY-039 傳感器有一個(gè)S （信號(hào)）引腳來讀取該變化值。

我們可以通過計(jì)算信號(hào)的峰值來測(cè)量心跳率

從傳感器的可變信號(hào)中讀取值并不容易，因?yàn)橛泻芏嘣肼?，信?hào)非常低，我們需要進(jìn)行一些數(shù)學(xué)運(yùn)算以找到要繪制的好值。

我必須感謝Johan Ha 的這篇有用的帖子，它解釋了如何計(jì)算信號(hào)的平均值，還解釋了如何消除家用燈產(chǎn)生的噪音（那盞燈是噪音?。?。

訣竅是創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，我們?cè)谄渲型扑鸵粋€(gè)值并刪除一個(gè)值，以獲取從傳感器讀取的最后 X 值的平均值。他還描述了一種通過計(jì)算 N 個(gè)增長值來找到信號(hào)上升的方法。我的意思是，當(dāng)一個(gè)值比前一個(gè)值大 N 倍時(shí)，它是一個(gè)峰值。

使用 Arduino 串行繪圖工具或其他串行工具分析打印在 COM 端口上的值（例如SerialPlot ），并嘗試不同的值，我們可以定義正確的數(shù)字 N （rise_threshold代碼中的常數(shù)）。如果您定義的數(shù)字太大或太小，您可能會(huì)錯(cuò)過一些節(jié)拍或?qū)⒅匦墓?jié)拍計(jì)為節(jié)拍。

一旦您了解了如何微調(diào)峰值，只需計(jì)算它們，或計(jì)算一小部分節(jié)拍之間的時(shí)間以確定您的BPM速率（每分鐘節(jié)拍數(shù)）。

構(gòu)建血氧計(jì)（破解 KY-039 傳感器）以查找氧飽和度

隨著光波長的變化，我們的血液以不同的方式吸收光。紅光（~600nm）更容易被含氧量較多的血液吸收，因此我們可以將紅外燈（ ）與紅色燈的測(cè)量值進(jìn)行比較，~950nm并找出我們血液中氧氣的百分比。該值稱為（外周毛細(xì)血管氧飽和度）。Sp02%

因?yàn)槲矣幸粋€(gè) KY-039 傳感器，所以我決定對(duì)其進(jìn)行修改。它只有一個(gè)紅外 LED，所以我添加了一個(gè)RED LED，將IR LED從Vcc斷開， 并用一個(gè)電阻將兩個(gè) LED 連接到 Arduino 的兩個(gè)不同引腳。330 ohm

（如果你沒有 KY-039 傳感器可以修改，你可以構(gòu)建它，它只是幾個(gè) LED、一個(gè)光電二極管和 3 個(gè)電阻，原理圖非常簡單！）

這是修改后的傳感器的示意圖：

這樣我們就可以打開IR LED并從KY-039 S引腳讀取值，然后我們可以關(guān)閉IR LED并打開RED LED，并從KY-039 S引腳讀取值。

這是我的：

如果您繪制這兩個(gè)信號(hào)，您可以看到 IR 值始終低于 Red 值。

要找到良好的信號(hào)，請(qǐng)記住將指尖正確放在光電二極管上，并且 LED 應(yīng)接觸指甲，當(dāng)您找到一個(gè)舒適的位置并在圖上讀取良好時(shí)，請(qǐng)勿更改它。

由于信號(hào)低且噪聲問題很大，為了獲得有用的測(cè)量值，我注意到始終需要良好的環(huán)境光。所以，測(cè)量時(shí)不要移動(dòng)手指，也不要改變光線，傳感器上的陰影可能會(huì)改變一切。

如何測(cè)量飽和 SpO2%

氧飽和度水平 (SpO2) 是氧飽和血紅蛋白相對(duì)于總血紅蛋白的比例，是稱為R的參數(shù)的函數(shù)（我在米蘭理工大學(xué)的一篇學(xué)術(shù)論文中找到了此信息），使用最小值計(jì)算和兩個(gè)信號(hào)的最大值：

R = ( (REDmax-REDmin) / REDmin ) / ((IRmax-IRmin) / IRmin)

每臺(tái)儀器都有自己的R ，需要校準(zhǔn)才能找到將 R 與 SpO2% 連接起來的曲線（函數(shù)）。

我們已經(jīng)計(jì)算了峰值的數(shù)量，但現(xiàn)在我們需要找到兩條曲線（RED led 和IR led）的最大值和最小值。

為了完成這項(xiàng)工作，我們?cè)u(píng)估心跳的“周期”（即一個(gè)心跳持續(xù)多少毫秒）并將其除以采樣率以確定有多少樣本構(gòu)成一個(gè)周期。在我們的例子中，采樣率為 40 毫秒，因?yàn)槲覀冏x取 IR LED 20 毫秒，然后再讀取 20 毫秒的 RED LED。

節(jié)拍周期是信號(hào)中兩條上升曲線之間經(jīng)過的時(shí)間。

所以我可以分析我保存在數(shù)組中的最后L個(gè)樣本（其中 L = period / 40），以找到REDmax 、REDmin 、IRmax和IRmin值。

使用最大值和最小值，我可以計(jì)算R 。

R、L 和 period 是每拍計(jì)算一次，所以 R 的演算也是對(duì)每拍進(jìn)行的。

從 R 到 SpO2%：如何校準(zhǔn)血氧計(jì)？

將R與SpO2聯(lián)系起來的函數(shù)可以用一條直線簡化：

SpO2 = K * R + M

所以我們需要兩個(gè)點(diǎn)（SpO2 和 R 的兩對(duì)值）來確定 K 和 M。找到這兩個(gè)點(diǎn)的唯一方法是使用另一個(gè)血氧計(jì)并從其顯示屏上讀取值。

新的血氧儀將作為參考，我們?cè)跍y(cè)量自制血氧儀的 R 值時(shí)讀取 SpO2 值。

第一次正常呼吸，然后讀取 SpO2 和 R 的值。寫下來。

然后嘗試保持呼吸，10-20 秒后，您將在新血氧儀中讀取 SpO2 下降，您還應(yīng)該看到血氧儀的 R 參數(shù)在增加。在昏厥之前，寫下達(dá)到的 SpO2 值和您的 R 參數(shù)值。

求解二次方程并為您的血氧計(jì)找到 K 和 M。

現(xiàn)在可以計(jì)算每個(gè)測(cè)量R的bpm和SpO2值。

我還添加了一個(gè)顯示來顯示所有數(shù)字，僅當(dāng)我發(fā)現(xiàn)至少 5 個(gè)周期測(cè)量值變化不大（±10%周期長度）時(shí)才顯示值。通過這種方式，我刪除了變化太大的值，這些值取決于不良組件或環(huán)境光或手指移動(dòng)的變化。

c值表示顯示的值是用c穩(wěn)定測(cè)量值計(jì)算的。

項(xiàng)目改進(jìn)：去除環(huán)境光變化

在玩了幾天我的項(xiàng)目后，我找到了改進(jìn)它的方法。

我注意到，使用這些低成本組件（我們只使用 LED 和光電二極管?。┻@些措施過多地依賴于環(huán)境光，如果我們想在真實(shí)環(huán)境中正確讀取數(shù)據(jù)，這不是一件好事工作環(huán)境。因?yàn)槲易⒁獾皆陉柟饷髅牡娜兆颖仍陉幪旎蛲砩鲜褂秒姛魰r(shí)效果要好，所以我決定添加第三個(gè) LED，它始終亮著，只為手指提供光線.

使用這個(gè) 3-led 傳感器，還可以在黑布下采取措施，以排除可能隨時(shí)變化的環(huán)境光。

現(xiàn)在，結(jié)果更好，不再依賴于環(huán)境光。

我還必須重新校準(zhǔn)血氧計(jì)，正如您在幾秒鐘后從視頻中看到的那樣，它正確地找到了bpm和SpO2% ：

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