PULSOKSYMETR SYSTEM POMIAROWY Z MIKROKONTROLEREM ARM7

Konrad ELEKTROTECHNIKA PAPIERZ, ukasz I SKUBIS ELEKTRONIKA PULSOKSYMETR TOM 28. ZESZYT 1 2, SYSTEM 2009 POMIAROWY Z MIKROKONTROLEREM ARM7 Konrad PAPIERZ, ukasz SKUBIS PULSOKSYMETR SYSTEM POMIAROWY Z MIKROKONTROLEREM ARM7 STRESZCZENIE W artykule zaprezentowany zosta³ zaprojektowany i wykonany przez autorów pulsoksymetr, czyli przyrz¹d pomiarowy s³u ¹cy do nieinwazyjnego pomiaru natlenienia krwi têtniczej oraz czêstoœci pracy serca. Przedstawione zosta³y w skrócie teoretyczne podstawy pomiaru oraz zastosowany w skonstruowanym przyrz¹dzie analogowy tor kondycjonowania. Autorzy skoncentrowali siê na omówieniu algorytmu obliczania natlenienia krwi na podstawie rejestrowanych sygna³ów. Algorytm ten zosta³ zaimplementowany na mikrokontrolerze AT91SAM7S256 z rdzeniem ARM7, a tak e w œrodowisku LabVIEW, w którym napisane zosta³o oprogramowanie zwiêkszaj¹ce funkcjonalnoœæ skonstruowanego pulsoksymetru. Na koniec przedstawione zosta³o porównanie wyników pomiarów pulsoksymetru komercyjnego oraz skonstruowanego przez autorów przyrz¹du. S³owa kluczowe: pomiary biomedyczne, pomiar natlenienia krwi, pulsoksymetr PULSE OXIMETER MEASUREMENT SYSTEM WITH MICROCONTROLLER ARM7 In the paper is presented the pulse oximeter designed and implemented by authors. It is a measurement instrument to non-invasive measure of arterial blood oxygen and pulse rate. Short theoretical basis and circuits of analog signals processing applied in instrument also are shown. Authors focused at algorithm calculating blood s oxygenation based on registered signals. This algorithm was implemented in AT91SAM7S256 microcontroller with ARM7 core and also in LabVIEW environment. This application increases constructed pulse oximeter s functionality. At the end is shown a comparison between measurement results given by commercial pulse oximeter and one constructed by authors. Keywords: biomedical measurements, blood oxygen measurement, pulse oximeter 1. WSTÊP Biopomiary stanowi¹ obecnie jeden z najintensywniej rozwijanych obszarów metrologii. Wœród biopomiarów na szczególn¹ uwagê zas³uguj¹ metody optoelektroniczne, opieraj¹ce siê na ró norodnych interakcjach pomiêdzy promieniowaniem optycznym, a tkankami lub p³ynami ustrojowymi cia³a ludzkiego. Jedn¹ z najwa niejszych zalet tego typu metod, jest ich nieinwazyjnoœæ, bêd¹ca bardzo po ¹dan¹ cech¹ wspó³czesnej aparatury medycznej [1]. Metody optoelektroniczne s³u ¹ miêdzy innymi do wyznaczania saturacji tlenowej SpO 2, czyli okreœlenia poziomu wysycenia tlenem cz¹stek hemoglobiny krwi têtniczej. Pomiary saturacji prowadzone s¹ zawsze na oddzia³ach intensywnego nadzoru oraz podczas operacji i powa niejszych zabiegów medycznych, gdy postêpuj¹ce niedotlenienie zagra a œmierci¹ lub powa nymi uszkodzeniami mózgu. Obecnie zaleca siê nieinwazyjne, rutynowe wyznaczanie saturacji tlenowej, tak samo jak i innych wa nych dla ycia parametrów (ciœnienie krwi czy têtno) [1, 3]. 2. PODSTAWY TEORETYCZNE Dzia³anie pulsoksymetru opiera siê na pomiarze poch³aniania przez hemoglobinê zawart¹ w czerwonych krwinkach, promieniowania o dwóch ró nych d³ugoœciach fali: czerwonego oraz podczerwonego. Czujnik sk³adaj¹cy siê z dwóch diod LED oraz fotodiody, umieszczany jest najczêœciej na koñcu palca d³oni (rys. 1). Rys. 1. Schemat ideowy pulsoksymetru 20

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 28. ZESZYT 1 2, 2009 Rys. 2. Przyk³adowy przebieg PPG Czêœæ promieniowania, która nie zosta³a zaabsorbowana przez tkanki, jest przetwarzana przez fotodetektor na sygna³ elektryczny. Jest to tak zwana krzywa fotopletyzmograficzna (PPG), której g³ówn¹ sk³adow¹ jest fala têtna. Diody w czujniku zasilane s¹ naprzemiennie, w wyniku czego otrzymuje siê dwa sygna³y PPG od diody czerwonej i podczerwonej (rys. 2). Cykliczne zmiany sygna³ów na skutek pulsacji umo liwiaj¹ pomiar czêstoœci têtna, natomiast ich amplitudy s¹ œciœle zwi¹zane ze stê eniami poszczególnych rodzajów hemoglobiny (rys. 3). utlenowanej (oksyhemoglobina HbO 2 ) do ca³kowitej koncentracji hemoglobiny obecnej we krwi têtniczej (oksyhemoglobina + deoksyhemoglobina Hb): HbO2 Co SpO 2 = = HbO 2 +Hb Co + Cr gdzie: C o koncentracja oksyhemoglobiny, C r koncentracja deoksyhemoglobiny. (2.2) Saturacjê ze wspó³czynnikiem R wi¹ e krzywa kalibracyjna pulsoksymetru. Dla skonstruowanego pulsoksymetru autorzy wyznaczyli j¹ empirycznie, na podstawie pomiarów z wykorzystaniem pulsoksymetru komercyjnego. SpO 2 = 20,77 R + 113,56 (2.3) 3. ANALOGOWY TOR KONDYCJONOWANIA Rys. 3. Wp³yw natlenienia na amplitudy sygna³ów PPG Przyjmuj¹c jako podstawê teoretyczn¹ prawo Lamberta Beera o absorpcji promieniowania, oblicza siê wspó³czynnik R: I log DC+ AC 10 I DC λ= 660nm R = I log DC+ AC 10 I DC λ= 940nm gdzie: I DC+AC I DC (2.1) amplituda czêœci zmiennej sygna³u PPG, wartoœæ sk³adowej sta³ej sygna³u PPG. S³u y on nastêpnie do wyznaczenia wartoœci saturacji zdefiniowanej jako stosunek koncentracji hemoglobiny Sygna³y PPG uzyskiwane bezpoœrednio z czujnika charakteryzuj¹ siê niewielk¹ amplitud¹ sygna³u zmiennego na tle znacznej sk³adowej sta³ej oraz du ymi zak³óceniami. W celu skutecznego pozyskania informacji o natlenieniu krwi têtniczej oraz czêstoœci pracy serca, sygna³y przed przetworzeniem na postaæ cyfrow¹ wymagaj¹ w³aœciwego ukszta³towania poprzez analogowy tor kondycjonowania. Musi on spe³niaæ nastêpuj¹ce wymagania: 1. odpowiednio du e wzmocnienie czêœci zmiennej sygna³ów PPG, 2. pozyskanie informacji o sk³adowej sta³ej sygna³ów PPG, 3. filtracja wysokoczêstotliwoœciowych zak³óceñ, 4. zakresy napiêæ sygna³ów mierzonych, musz¹ siê mieœciæ w przedziale 0 3,3 V. Tak skonstruowany tor wstêpnego przetwarzania pozwala na uzyskanie dwóch oddzielnych sygna³ów PPG diody czerwonej i podczerwonej, stanowi¹cych tylko czêœæ zmienn¹ sygna³u PPG. Natomiast na podstawie bezpoœredniego sygna³u z czujnika okreœlana jest sk³adowa sta³a obu sygna³ów, tak e potrzebna do wyznaczenia saturacji. Dalsze przetwarzanie sygna³ów odbywa siê ju cyfrowo w programie wykonywanym przez mikrokontroler (rys. 4). 21

Konrad PAPIERZ, ukasz SKUBIS PULSOKSYMETR SYSTEM POMIAROWY Z MIKROKONTROLEREM ARM7 Rys. 4. Schemat skonstruowanego pulsoksymetru 4. ALGORYTM PRZETWARZANIA SYGNA ÓW Algorytm wyliczaj¹cy na podstawie pobieranych próbek sygna³ów wartoœæ saturacji oraz czêstoœci pulsu zosta³ zaimplementowany na mikrokontrolerze firmy Atmel AT91SAM7S256 z rdzeniem ARM7TDMI. Jest to procesor o 32-bitowej architekturze RISC. Ca³y proces pomiarowy przebiega w sposób ci¹g³y. Natomiast wyniki pomiaru uzyskiwane s¹ z czêstotliwoœci¹ pracy serca. Schemat ideowy oprogramowania zosta³ przedstawiony na rysunku 5. Rys. 5. Schemat ideowy oprogramowania Konwersja sygna³ów na postaæ cyfrow¹ odbywa siê w 10-bitowym przetworniku analogowo-cyfrowym ADC mikrokontrolera, którego prac¹ steruje timer TC0, odpowiadaj¹cy równie za prze³¹czanie diod czujnika. Aktywne s¹ trzy kana³y przetwornika, którym przyporz¹dkowane s¹ nastêpuj¹ce sygna³y: AD4 kondycjonowany sygna³ diody podczerwonej, AD5 kondycjonowany sygna³ diody czerwonej, AD6 bezpoœredni sygna³ z czujnika. Próbkowanie odbywa siê w odpowiednich chwilach czasowych, tak aby z czêstotliwoœci¹ 100 Hz uzyskiwany by³ komplet czterech próbek sk³adaj¹cy siê z: rozdzielonych i kondycjonowanych w torze analogowym sygna³ów od diody czerwonej i podczerwonej, zawieraj¹cych czêœæ zmienn¹ przebiegów PPG, oznaczanych jako R i IR, bezpoœrednich sygna³ów z czujnika rozdzielonych na drodze cyfrowej, nios¹cych informacjê o sk³adowej sta³ej sygna³ów PPG, oznaczanych jako Rdc i IRdc. Ka dy nowo uzyskany komplet czterech próbek sygna- ³ów przekazywany jest do funkcji realizuj¹cej obliczenie wartoœci saturacji i czêstoœci pulsu. Schemat blokowy algorytmu realizowanego przez tê funkcjê zosta³ przedstawiony na rysunku 6. Po otrzymaniu próbek sygna³ów, przede wszystkim nastêpuje sprawdzenie faktu umieszczenia czujnika na palcu. Jest to ³atwe do zweryfikowania gdy brak przeszkody, jak¹ jest palec badanej osoby, na drodze promieniowania sprawia, e sygna³y (Rdc oraz IRdc) przyjmuj¹ maksymalne wartoœci. 22

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 28. ZESZYT 1 2, 2009 Rys. 6. Schemat blokowy algorytmu obliczania saturacji Pomiar rozpoczyna siê automatyczne po up³ywie dwóch sekund od momentu umieszczenia czujnika na palcu. OpóŸnienie to podyktowane jest koniecznoœci¹ uspokojenia stanów przejœciowych wywo³anych zak³adaniem czujnika. Aby wyznaczyæ saturacjê potrzebne s¹ próbki stanowi¹ce jeden okres fali têtna, tak wiêc zbierane próbki sygna³ów (R, IR, Rdc, IRdc) umieszczane s¹ w czterech tablicach. Stwierdzenie zebrania potrzebnej iloœci próbek odbywa siê przez porównywanie sygna³u z aktualizowan¹ na bie ¹co zmienn¹ próg (rys. 7). Je eli sygna³ przekroczy wartoœæ zmiennej nastêpuje obliczenie wyników pomiaru. W sytuacji gdy kolejne maksimum sygna³u mia³oby wartoœæ mniejsz¹ ni zmienna próg (np. wskutek intensywnych ruchów badanej osoby), obliczenie wyników nast¹pi po zebraniu 150 kompletów próbek. Odpowiada to czêstoœci pracy serca równej 40 uderzeñ na minutê. Stanowi to zabezpieczenie przed utkniêciem algorytmu. Na podstawie próbek stanowi¹cych jeden okres fali têtna wyznaczane s¹ nastêpuj¹ce zmienne pomocnicze: maxr, minr, maxir, minir najwiêksze i najmniejsze wartoœci kondycjonowanych sygna³ów diody czerwonej i podczerwonej (R, IR), Rdc, IRdc poziomy sta³e sygna³ów otrzymanych bezpoœrednio z czujnika (Rdc, IRdc), obliczone jako œrednia wszystkich próbek danego okresu. Na podstawie zmiennych pomocniczych obliczany jest wspó³czynnik R: max R min R IRdc R = (4.1) Rdc max IR min IR Na jego podstawie, zgodnie z funkcj¹ kalibracyjn¹ wyliczana jest saturacja. Czêstoœæ pulsu okreœlana jest natomiast w oparciu o liczbê próbek zebranych od momentu ostatniego obliczenia wyników. Maksima i minima sygna³ów wykorzystywane s¹ równie do wyznaczenia kolejnej wartoœci progu. Mo e siê zdarzyæ, e wyniki pomiaru obarczone s¹ b³êdem powstaj¹cym w wyniku dzia³ania ró nych czynników zak³ócaj¹cych. Dlatego te wyniki pomiarów poddawane s¹ filtracji z zastosowaniem filtru medianowego oraz œredniej ruchomej. D³ugoœæ bufora filtru medianowego, zarówno dla wyników saturacji, jak i pulsu, wynosi 3. Natomiast d³ugoœæ bufora œredniej ruchomej jest równa 3 dla wyników saturacji, a 5 dla pulsu. Uzyskiwane wyniki pomiaru podlegaj¹ ocenie pod wzglêdem ich zgodnoœci z przyjêtymi za prawid³owe wartoœciami saturacji i pulsu [1]. Fakt przekroczenia przyjêtych progów jest sygnalizowany za pomoc¹ diod alarmowych: saturacja poni ej 90% dioda alarmu saturacji œwieci siê na ó³to, saturacja poni ej 80% dioda alarmu saturacji œwieci siê na czerwono, puls poni ej 60bps lub powy ej 150bps dioda alarmu pulsu œwieci siê na ó³to, puls poni ej 50bps lub powy ej 200bps dioda alarmu pulsu œwieci siê na czerwono. 5. DODATKOWE OPROGRAMOWANIE W LABVIEW Przedstawiony w poprzednich rozdzia³ach pulsoksymetr jest przyrz¹dem autonomicznym, pozwalaj¹cym na prawid³owy pomiar SO 2 oraz czêstoœci pracy serca bez udzia³u dodatkowego oprogramowania. Jednak pomimo niew¹tpliwych zalet, nie umo liwia on wizualizacji danych w postaci wykresów, na podstawie których mo na wywnioskowaæ wiele cennych informacji o stanie zdrowia badanej osoby Rys. 7. Ilustracja dzia³ania progu wykrywanie pojedynczych okresów fali têtna 23

Konrad PAPIERZ, ukasz SKUBIS PULSOKSYMETR SYSTEM POMIAROWY Z MIKROKONTROLEREM ARM7 Rys. 8. G³ówne okno pracy aplikacji zak³adka: wynik np. wyraÿne wciêcie dykrotyczne œwiadczy o dobrym obwodowym przep³ywie krwi. W celu umo liwienia wizualizacji krzywych PPG zosta- ³o napisane dodatkowe oprogramowanie na komputer stacjonarny w œrodowisku LabVIEW firmy National Instruments. Transmisja danych z pulsoksymetru do PC odbywa siê w standardzie RS-232. Aplikacja po nawi¹zaniu po³¹czeniu z przyrz¹dem oczekuje na dane, które s¹ nastêpnie przetwarzane w niezale nym algorytmie. Aplikacja ta stanowi wiêc drugi, niezale ny, wirtualny pulsoksymetr. Oprogramowanie umo liwia oprócz graficznej prezentacji 60 ostatnich wartoœci SpO 2 oraz pulsu równie m.in. wyœwietlenie sygna³ów zarejestrowanych bezpoœrednio z fotodetektora, sygna³ów po przejœciu przez analogowy tor kondycjonowania (krzywe PPG) lub ustawienia progów alarmów. Mo emy równie przeœledziæ pracê algorytmu odpowiadaj¹cego za detekcje czêstoœci pracy serca (rys. 8). 6. ANALIZA WYNIKÓW W celu zweryfikowania poprawnoœci wskazañ, przyrz¹d poddano szeregowi eksperymentów. Jeden z testów polega³ na zweryfikowaniu postulatu, który informuje, e wed³ug teorii wystêpuje brak wp³ywu gruboœci palca na wynik pomiaru. Doœwiadczenie polega³o na pomiarze natlenienia krwi têtniczej kolejno na poszczególnych palcach d³oni. Mimo du ej ró nicy gruboœci pomiêdzy kciukiem, a ma³ym palcem, prze³o enie czujnika z jednego palca na drugi powoduje zmianê saturacji co najwy ej o 1%. Wed³ug autorów wynika to z charakteru zastosowanej teorii, która stanowi jedynie pewne uproszczenie problemu transmisji promieniowania przez cia³o cz³owieka. Najwa niejszym doœwiadczeniem, wskazuj¹cym na poprawnoœæ pracy skonstruowanego pulsoksymetru, by³a próba polegaj¹ca na jednoczesnym zarejestrowaniu wyników natlenienia krwi têtniczej z dwóch urz¹dzeñ z prototypu oraz z komercyjnego urz¹dzenia AVANT-9600 firmy NO- NIN. Podczas doœwiadczenia zarejestrowano 1318 wyników natlenienia krwi têtniczej. Z analizy zebranych danych wynika, e 70,7% otrzymanych wyników saturacji nie ró ni siê wiêcej ni +/ 1% od wartoœci uzyskanych z pulsoksymetru komercyjnego, z czego 28,8% wyników jest identycznych. Widaæ równie, e przy ewentualnych ró nicach wystêpuje taka sama tendencja do zawy ania (34,4%), jak zani ania (36,8%) wyników (tab. 1). Otrzymane wyniki wzglêdem pulsoksymetru Avant 9600 Procent ca³oœci wyników Wiêksze o co najmniej 4% 2,7 Wiêksze o 3% 3,4 Wiêksze o 2% 8,7 Wiêksze o 1 % 19,6 Równe 28,8 Mniejsze o 1% 22,3 Mniejsze o 2% 7,7 Mniejsze o 3% 4,6 Mniejsze o co najmniej 4% 2,2 Tabela 1. Porównanie wyników saturacji 24

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 28. ZESZYT 1 2, 2009 7. PODSUMOWANIE Celem projektu by³o wykonanie i oprogramowanie autonomicznego przyrz¹du pomiarowego s³u ¹cego do nieinwazyjnego pomiaru saturacji krwi têtniczej oraz czêstoœci pracy serca. Zadanie to zosta³o wykonane, a skonstruowane urz¹dzenie stanowi kompletny i wiarygodny przyrz¹d. Wiarygodnoœæ pomiaru potwierdzi³y przeprowadzone badania porównawcze. Kolejnymi etapami rozwoju przyrz¹du (rys. 9), bêdzie zastosowanie zasilania bateryjnego, zaimplementowanie bezprzewodowej komunikacji pomiêdzy urz¹dzeniem, a komputerem stacjonarnym np. w standardzie bluetooth oraz udoskonalenie algorytmu odrzucaj¹cego fa³szywe, na skutek ruchów badanej osoby, wyniki pomiarów. [4] Gazi Maruf Azmal, Adel Al-Jumaily, Moha med Al-Jaafreh: Continuous Measurement of Oxygen Saturation Level using Photoplethysmography Signal, University of Technology, Sydney, 2006. [5] Serhiy Matviyenko: Aplication Note Pulse Oximeter. [6] Townsend N.: Medical Electronics, s. 32, 2001. [7] Kennedy, Stephen M.: An introduction to pulse oximeters: Equations and theory. University of Wisconsin-Madison. [8] Cysewska-Sobusiak A., Wiczyñski G., Krawiecki Z., Odon A.: Wykorzystanie w biopomiarach transmisyjnego wariantu œwiat³o tkanki. Politechnika Poznañska. [9] Augustyn J.: Projektowanie systemów wbudowanych na przyk³adzie rodziny SAM7S z rdzeniem ARM7TDMI. Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków, 2007. [10] Szkulmowski Z.: Monitorowanie oddychania. Uniwersytet Miko³aja Kopernika w Toruniu, Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Katedra i Klinika Anestezjologii i Intensywnej Terapii. [11] Papierz K., Skubis.: Monitorowanie nieinwazyjne pulsoksymetr. Zeszyty Studenckiego Towarzystwa Naukowego Nr 13, Kraków, 2007. [12] Papierz K., Skubis.: Pomiar natlenienia krwi têtniczej. Zeszyty Studenckiego Towarzystwa Naukowego Nr 15, Kraków, 2008. Wp³ynê³o: 17.02.2010 Konrad PAPIERZ Urodzi³ siê 30 wrzeœnia 1985 roku w Krakowie. W roku 2009 ukoñczy³ studia na wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej, kierunek Elektrotechnika, specjalnoœæ Automatyka i Metrologia. Aktualnie jest doktorantem tego wydzia³u. Zainteresowania naukowe dotycz¹ metrologii, konstruowania przyrz¹dów pomiarowych opartych na mikrokontrolerach oraz cyfrowego przetwarzania sygna³ów. e-mail: konrad.papierz@gmail.wm ukasz SKUBIS Literatura Rys. 9. Zdjêcie skonstruowanego pulsoksymetru [1] Cysewska-Sobusiak A.: Modelowanie i pomiary sygna³ów biooptycznych. Wydawnictwo Politechniki Poznañskiej, Poznañ, 2001. [2] Cichocka-Jarosz E., Kwinta P., Lankosz-Lauterbach J., Mazurek H.: Podstawy monitorowania utlenowania organizmu i pulsoksymetria u dzieci. Medycyna Praktyczna Pediatria, 05(2005). [3] Rozporz¹dzenie Ministra Zdrowia w sprawie wymagañ, jakimi powinny odpowiadaæ pod wzglêdem fachowym i sanitarnym pomieszczenia i urz¹dzenia zak³adu opieki zdrowotnej. Dz.U. nr 116, poz. 985 z dnia 29 czerwca 2005. Urodzi³ siê 27 sierpnia 1984 roku w Olkuszu. W latach 2004 2009 by³ studentem Akademii Górniczo-Hutniczej na wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, gdzie ukoñczy³ kierunek Elektrotechnika, specjalnoœæ Automatyka i Metrologia. Obecnie pracuje w firmie ArcelorMittal Poland na stanowisku Specjalista Elektryk. e-mail: lukasz.skubis@ymail.com 25