1. Пульсокиметр
1.1. Назначение устройства
Пульсоксиметр предназначен для выборочной проверки и контроля функционального насыщения артериальной крови кислородом (показатель SpO2) и измерения частоты пульса (ЧСС) у взрослых и пациентов педиатрии в больницах, учреждениях больничного типа, в транспорте и передвижных средствах, а также при уходе в домашних условиях. Пульсоксиметр не предназначен для продолжительного контроля. Устройство предполагает вывод показателей по SPI на ЖКИ, а также возможность передачи данных на сторонне устройство по Bluetooth.
Для пульсоксиметра не требуется проводить периодическую калибровку или специальное техническое обслуживание, помимо замены аккумулятора.
1.2. Референс-дизайн от Texas Insruments
Рассмотрим представленную на сайте Texas Instruments печатную схему (рисунок 1). Как мы можем видеть, она состоит главным образом из трех блоков: оптический сенсор, сверхмалый встроенный модуль обработки AFE4403 (отвечающий за мониторинг сердечного ритма и SpO2), а также микроконтроллер MSP430. Обозначим их соответствующим образом на рисунке 2.
Рисунок 1 – TIDA-00311 референс дизайн мини пульсоксиметра
Рисунок 2 – Архитектура верхнего уровня
Рассмотрим каждый элемент по отдельности. Оптический сенсор произведен корейской компанией APMKorea (рисунок 3). С лицевой части видны два светодиода (первая оптическая система), красный и инфракрасный, а также вторая оптическая система, отвечающая за восприятие отраженного света, с обратной стороны к обеим частям сенсора подключены контакты (рисунок 4). На рисунке 5 изображена упрощенная схема работы оптического сенсора. Сформированный поток проходит через биологический объект, и его отраженная часть попадает на вторую оптическую систему. При этом необходимо учитывать, что поток попадает на объект измерения, предварительно минуя некоторую внешнюю среду, взаимодействие с которой также приведет к его ослаблению.
Рисунок 3 – DCM03 Оптический сенсор
Рисунок 4 – DCM03 с обратной стороны
Рисунок 5 – Принцип работы оптического сенсора DCM03
Высокопроизводительные пульсоксиметрические вычисления достигаются за счет использования AFE4403 (рисунок 6), полностью интегрированного аналогового фронт-энда, который совмещает в себе низкий уровень шумов принимающего канала с встроенным АЦП, LED-передатчиком, диагностическим блоком сенсора и блоком выявления дефектов. Для тактирования используется встроенный осциллятор. С функциональной блок-диаграммой аналогового фронт-энда можно ознакомиться на рисунке 7.
Рисунок 6 – AFE4403 ультра-маленький интегрированный аналоговый фронт-энд для измерения ЧСС и расчета SpO2
Рисунок 7 – Функциональная блок-диаграмма AFE4403
Присмотревшись внимательнее к функциональной блок-диаграмме AFE4403, можно отдельно выделить схему подключения фотодиода к трансимпедансному усилителю (ТИУ) см. рис. 8.
Рисунок 8 – Блок-диаграмма ТИУ внутри AFE4403
Кроме того, мы используем ультра-низковольтный микроконтроллер MSP430F5528 для управления (настройки) AFE4403, а таже передачи данных с него, представленный на рисунке 9. Для передачи данных используется SPI интерфейс. Функциональная блок-схема МК изображена на рисунке 10. Выбор МК серии MSP430 обусловлен низким энергопотреблением и стоимостью.
С полностью интегрированным внешним интерфейсом можно ознакомиться в приложении А, рисунок 1. Там же можно найти изображения расположений пинов на DCM03-AFE4403 (см. приложение А, рисунок 2) и DCM03-AFE4403-MCU (см. приложение А, рисунок 4), а также соответствующие таблицы выходов (см. приложение А, рисунки 3, 5)
Рисунок 9 – MSP430F5528
Рисунок 10 – Функциональная блок-диаграмма MSP430F5528