Progetto di un pulsiossimetro con dsPIC

Il pulsiossimetro (o pulsossimetro o ossimetro) è un’apparecchiatura non invasiva che permette di stimare la quantità di emoglobina legata al sangue di un paziente. Il principio di funzionamento si basa sulla tecnologia sviluppata da una società giapponese che consiste in un fascio di luce nel rosso/infrarosso che penetra nella cute e a seconda dell’assorbimento si riesce a stimare la quantità di emoglobina. In generale, lo strumento permette di visualizzare la saturazione, la frequenza cardiaca e l'intensità della pulsazione, modelli più sofisticati permettono anche di visualizzare l’andamento della pulsazione (curva pletismografica) e registrare gli eventi su schede SD o memorie interne per poi esportare i dati attraverso porte USB e/o Bluetooth. Un certo numero di applicazioni mediche emergenti come elettrocardiogramma (ECG), stetoscopio digitale e pulsossimetri richiedono prestazioni di elaborazione DSP a potenza molto bassa. In questo articolo analizzeremo come implementare un pulsiossimetro ad alta precisione utilizzando dispositivi analogici di Microchip e controllori dsPIC Digital Signal (DSC).

Introduzione

Un pulsiossimetro monitora la saturazione di ossigeno del sangue (SpO2) di un essere umano in base alle caratteristiche di assorbimento della luce rossa e luce infrarossa di emoglobina ossigenata (HbO2) ed emoglobina deossigenata (Hb).
L'emoglobina ossigenata assorbe la luce infrarossa (850-1000 nm di lunghezza d'onda), a differenza di quella deossigenata che assorbe luce più rossa (600- 750 nm di lunghezza d'onda) e permette a quella infrarossa di passare indisturbata (Figura 1).

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Figura 1: Assorbimento dell’emoglobina in funzione della lunghezza d’onda della luce

La pulsossimetria utilizza un emettitore di luce con LED rossi e infrarossi e un fotorivelatore che riceve la luce che passa attraverso il punto di misura.

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Figura 2: Funzionamento classico del pulsiossimetro

Ci sono due metodi di invio di luce: la trasmissione e la riflessione. Nel metodo di trasmissione (figura 2), quello più comune, l'emettitore e il fotorivelatore sono opposti l'uno dall'altro con il sito (dito) di misura. La luce può quindi passare attraverso il dito. Nel metodo di riflessione, l'emettitore e il fotorivelatore sono accanto all'altro sopra il sito di misura. La luce rimbalza dall'emettitore al rivelatore attraverso il dito.
Il fotodiodo riceve la luce non assorbita da ciascun LED. Questo segnale viene invertito utilizzando un amplificatore invertente e il risultato, come mostrato in figura 3, rappresenta la luce che è stata assorbita dal dito. I valori di picco-picco (Vpp) dei segnali rossi ed infrarossi vengono misurati e convertiti in Vrms per produrre un valore di rapporto percentuale data dalla seguente equazione:

formula1Il rapporto R / IR viene confrontato con una tabella "look-up" (costituito da formule empiriche) che lo converte ad un valore SpO2. La maggior parte dei produttori hanno le proprie tabelle di look-up a vari livelli di SpO2 sulla base di curve di calibrazione derivate da soggetti sani . Tipicamente un rapporto R / IR di 0,5 corrisponde a circa il 100% SpO2, un rapporto di 1,0 a circa il 82% SpO2, mentre un rapporto di 2,0 equivale a 0% SpO2. In figura 4 un esempio di curva di taratura del campione.
La frequenza cardiaca è calcolata sulla base del campionamento del convertitore analogico-digitale (ADC).

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Figura 3: Segnali di luce R ed IR assorbiti dal dito

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Figura 4: Curva di calibrazione relativa ad una tabella look-up

Layout circuitale

La figura 5 mostra lo schema a blocchi di funzionamento del pulsiossimetro. La sonda SpO2 utilizzata è un Nellcor compatibile tipo clip da dito che integra un LED rosso (R) e un IR con un fotodiodo come rilevatore. [...]

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10 Commenti

  1. Simone.Tanzarella 26 aprile 2016
  2. skizzo942 1 maggio 2016
  3. plotino plotino 19 maggio 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 19 maggio 2016
  4. meneghino 25 maggio 2016

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