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).
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.
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:
Il 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).
Figura 3: Segnali di luce R ed IR assorbiti dal dito
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. [...]
ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2198 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.
Ti potrebbe interessare anche:
Il Nuovo Sistema di Controllo Operativo GPS Satellitare OCX
Cosa è la Lightning Network e cosa rappresenta per il futuro della blockchain
ESPertino e IFTTT: Un maggiordomo tuttofare con il nostro smartphone
Riconoscimento automatico dei colori con ESPertino
ChatGPT è cosciente?
Ciao Maurizio,
volevo chiederti quale programmatore USB usare per il dsPIC33F. Cioè intendo il dispositivo collegabile USB al PC che mi consente di programmare il controllore.
Ho cercato molto in rete ma non ho trovato nulla tranne un certo TEMLP001 – Embed LProg Programmer for PIC MCUs ( http://it.farnell.com/microchip/temlp001/embed-lprog-programmer-for-for/dp/2212755 ). Hai usato questo?
Prova a dare un’occhiata al sito della Mikroelektronika (mikroe.com), a me è stato molto utile.
Salve..davvero bel articolo. Non sono esperto in merito anzi sono direi proprio un neofita. Ma potrei implementare lo stesso ed identico circuito solo con un arduino leonardo e una raspberry pi 3 model b?
Avresti bisogno del sensore corrispondente da implementare sul pin arduino, vedi link finale. Anche su raspberry che pero’ manca dell’adc.
Scusami se non comprendo all’istante ma stiamo parlando del sensore composto da led ir e fotodiodo? e poi quale link finale?
Penultima riga. Leggi articolo 😉
Complimenti per articolo.
Una domanda.
non capisco bene la necessità del controllo di corrente tramite DAC dei LED IR+RED.
e mi sfugge anche il bisogno dell’SPDT.
io farei qualcosa di più semplice una volta calcolata la corrente necessaria per i LED.
Cioè controllare dei transistor in saturazione per attivare alternativamente e mediante segnale PWM i due LED, con opportuna resistenza di limitazione.
ciao
plot
Il fatto di utilizzare un R e IR è alla base del funzionamento del pulsiossimetro (vedi introduzione). L’interruttore analogico DUAL SPDT attiva/disattiva i due LED al fine di acquisire il numero corretto di campioni, da qui un controllo fine per mezzo dei DAC comandati dal micro per calibrare il LED (Figura 11). La tua soluzione potrebbe essere anche interessante.
Bell’articolo,
se ho capito bene, in quanto parto da zero, anzi sottozero, con il solo pulsossimetro non è possibile avere un vero e proprio tracciato ECG (monoderivazione) che mostri il complesso QRS , corretto ?
Grazie,
corretto, può essere integrato