Puls und Sauerstoff in der Uhr

Type: Semester thesis
Student: Eric Talmadge
Advisor: Etienne Hirt, Urs Anliker

Das Ziel dieser Arbeit war es, einen Prototypen für einen Pulsoxymeter (Sauerstoffsättigungs-Messgerät) zu entwickeln, der dann in eine Uhr untergebracht werden kann. Die Schwierigkeit lag darin, dass das Signal-Rauschverhältnis bei der Messung am Handgelenk sehr schlecht ist.

Einführung

Pulsoxymeter arbeiten nach dem Prinzip, dass sie zwei Lichter mit verschiedenen Wellenlängen ins Gewebe abstrahlen und dann das reflektierte oder transmittierte Licht ermitteln. Aus der Gegebenheit, dass sauerstoffarmes und sauerstoffreiches Hämoglobin verschiedene Absorptionskoeffizienten einer bestimmten Wellenlänge haben und mit Hilfe des Absorptionsgesetzes von Lambert Beer, kann man dann die Sauerstoffsättigung berechnen.

System

Auch wenn das System schlussendlich aus einem Teil bestehen soll, bauten wir es aus zwei Teilen auf, um es besser auswerten und austesten zu können. Der erste Teil, der am Arm festgeschnallt werden kann, beinhaltet die Sensorik des Systems. Im zweiten Teil ist die Signalverarbeitungshardware und der Mikroprozessor untergebracht.

Der Armteil besteht aus zwei Leuchtdioden, die abwechselnd mit einer Frequenz von 1 kHz gepulst werden. Die erste LED arbeitet im Rotlichtbereich mit Wellenlängen um 650 nm, die Zweite im Infrarotbereich mit Wellenlängen um 950 nm. Die Intensität der beiden LEDs kann durch den Mikroprozessor gesteuert werden, um auf Veränderungen reagieren zu können. Um die LEDs wurden 8 Photodioden ringförmig angeordnet, damit eine höhere Lichtausbeute erreicht wird. Im Armteil ist ein Vorverstärker untergebracht der als Transimpedanzwandler geschalten ist, um den Strom, den die Photodioden liefern in eine Spannung umzuwandeln. Zur Verhinderung, dass Licht direkt von den LEDs oder Tageslicht zu den Photodioden gelangt, haben wir eine Form aus schwarzem Silikon gegossen und die Bauteile darin versenkt.

Funktionalität

Das Licht der beiden LEDs wird am Handgelenk ins Gewebe abgestrahlt und an den Photodioden wird dann die Intensität des reflektierten Lichtes gemessen. Das gewonnene Signal wird nun mittels Sample & Hold Glieder in drei verschiedene Signale aufgetrennt, nämlich ein Rotlicht-Signal, ein IR-Signal, und ein Signal, wo beide LEDs abgeschaltet sind und das Signal aus eventuellem Leckstrom der Photodioden besteht. Dieser sogenannte Schwarzstrom wird dann zum AD-Wandler-Eingang des Mikrocontrollers geführt. Die anderen beiden Signale werden mittels TP-Filter wieder in zeitkontinuierliche Signale umgewandelt, um sie danach mit Hilfe eines weiteren TP-Filters in AC- und DC-Anteile aufzutrennen. Der AC-Anteil wird nun erneut verstärkt und alle Signalteile (AC-IR, AC-Rot, DC-IR, DC-Rot) werden an verschiedene AD-Wandler-Eingänge des Prozessors geführt.

Berechnung

Die Schlüsselkomponente für die Berechnung der Sauerstoffsättigung ist das Absorptionsgesetz von Lambert Beer. Es bildet ein Verhältnis zwischen der Intensität des am Sensor ermittelten Lichtes und der Stoffkonzentration. Das Gesetz lautet I_Ein = I_Out*exp( ß*c*d ) wobei ß der Absorptionskonstante, c der Stoffkonzentration und d der Stoffdicke entspricht.
Mit Hilfe dieser Formel und den zuvor ermittelten Signalwerten, kann man die Sauerstoffsättigung berechnen welche lautet S = c _HbO / ( c _HbO + C_Hb ).

Auswertung

Zur Berechnung der Sauerstoffsättigung sind wir nicht gekommen, da wir Probleme hatten, ein brauchbares Pulssignal mit dem Rotlicht-LED zu erzeugen. Wir glauben aber, dass dieses Problem zu lösen ist und hoffen, dass dieses Projekt weitergeführt wird.