基于Arduino UNO帶MATLAB的小型COVID醫(yī)療套件

描述

介紹

以下是一個基于 Arduino UNO 的項目，假設(shè)計算 SPO2、心率和監(jiān)測患者的心電圖。它使用 MAX30100 脈搏血氧儀和 AD8232 ECG 傳感器模塊。SPO2 和心率顯示在 0.91" 英寸 OLED 顯示屏上。心電圖讀數(shù)被分析并發(fā)布在 ThingSpeak 網(wǎng)站上。這個項目需要 Arduino IDE 和 Matlab 知識才能更好地理解。

如果您想學(xué)習(xí)如何從 Arduino 獲取數(shù)據(jù)，然后使用 Matlab 進行數(shù)據(jù)分析，這是一個很好的入門級項目。

使用的傳感器

MAX30100脈搏血氧儀

MAX30100 脈搏血氧儀心率傳感器模塊帶有 Maxim 的 MAX30100 集成脈搏血氧儀和心率傳感器。它是一種光學(xué)傳感器，其讀數(shù)來自兩個 LED 發(fā)出的兩種波長的光——一個紅色的和一個紅外線的——然后通過光電探測器測量脈動血液的吸光度。這種特殊的 LED 顏色組合針對通過指尖讀取數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化。

AD8232心電圖傳感器

這款帶有 AD8232 ECG 傳感器模塊的心率監(jiān)測器套件用于測量心臟的電活動。這種電活動可以繪制為心電圖或心電圖，并作為模擬讀數(shù)輸出。

心電圖可能非常嘈雜，帶有 AD8232 心電圖傳感器模塊的心率監(jiān)測器套件充當(dāng)運算放大器，有助于輕松從 PR 和 QT 間隔獲得清晰的信號。AD8232 是一款集成信號調(diào)理模塊，適用于 ECG 和其他生物電勢測量應(yīng)用。它旨在提取、放大和過濾存在噪聲條件下的小生物電勢信號，例如由運動或遠程電極放置產(chǎn)生的那些。

軟件方面

Arduino IDE（需要庫）

該項目需要用于 OLED 顯示器和 MAX30100 傳感器的庫：

OLED顯示屏：

Adafruit SSD1306 - Arduino 參考

Adafruit GFX 庫 - Arduino 參考

MAX30100：

MAX30100lib - Arduino 參考

代碼的基本工作

setup函數(shù)初始化OLED顯示屏和MAX30100傳感器。MAX30100 傳感器的紅色 LED 電流設(shè)置為 7.6 ma。但是，根據(jù)所需的靈敏度，可以通過更改 RED_LED_CURRENT 的值來更改這些值。更多詳細信息，請參見 MAX30100_Rawdata 示例。

最初，顯示屏顯示“請放好手指”。現(xiàn)在，為了檢測手指，使用來自傳感器的 IR 讀數(shù)。irValue 變量存儲來自傳感器的 IR 值，如果該值低于 7000，則意味著它們當(dāng)前沒有手指放在傳感器上。一旦檢測到手指，顯示屏上就會顯示相應(yīng)的 SPO2 和 HR 讀數(shù)。函數(shù)pox.getHeartRate()用于獲取心率讀數(shù)，pox.getSpO2()用于獲取 SPO2 讀數(shù)。另一個函數(shù)onBeatDetected()用于顯示讀數(shù)以及在側(cè)面顯示心臟的 bmp 圖形。請參考 MAX30100_Minimal 示例以更好地理解代碼。

Matlab的使用

在運行 Matlab 代碼之前，請確保您已經(jīng)安裝了 Signal Processing Toolbox、Wavelet Toolbox 和 Arduino Package for Matlab 。

Matlab 在以下項目中用于演示如何從 Arduino 獲得 ECG 信號并進一步用于任何數(shù)學(xué)分析。作為演示，我編寫了一個簡短的程序，該程序可以繪制獲得的原始 ECG 信號的 R 波，使用它可以輕松計算心率。然后將這些讀數(shù)發(fā)送到一個名為ThingSpaeak的網(wǎng)站。ThingSpeak 是一種物聯(lián)網(wǎng)分析平臺服務(wù)，允許用戶聚合、可視化和分析云中的實時數(shù)據(jù)流。

Matlab 可以在這個項目中使用的另一個有趣的方法是過濾嘈雜的 ECG 信號。盡管此項目不需要這種方法，因為使用的傳感器帶有一個板載運算放大器來幫助過濾噪聲。但是，如果您有興趣了解有關(guān)通過 Matlab 進行 ECG 信號濾波的更多信息，那么我建議您閱讀這篇文章“ Implement Notch Filter to remove 50 Hz on ECG signal - File Exchange - MATLAB Central (mathworks.com) ”。另一種濾波方法可以從這篇文章“ Removing High-Frequency Noise from an ECG Signal - MATLAB & Simulink - MathWorks India ”這篇文章中看到。

收集到的 Matlab 數(shù)據(jù)將發(fā)送到 ThingSpeak 網(wǎng)站，在該網(wǎng)站上可以進行進一步分析。在這個項目中，我開發(fā)了 4 個簡單的程序，您可以在 ThingSpeak 上運行這些程序，以 4 種方式可視化 ECG 數(shù)據(jù)。第一個程序是簡單地繪制心電圖信號。第二個程序是繪制 RR 區(qū)間。第三個程序顯示心電圖信號的頻率響應(yīng)，這有助于檢測信號中的噪聲。最后一個程序顯示了信號的 PSD（功率譜密度），再次有助于驗證接收到的信號的完整性。

注意：下圖是根據(jù)樣本數(shù)據(jù)制作的，不是通過 AD8232傳感器制作的。

Thingspeak可視化

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為了學(xué)習(xí)如何在 Matlab 中使用 ThingSpeak，我強烈推薦這個網(wǎng)絡(luò)研討會。

硬件方面

MAX30100問題：

市場上有兩種類型的 MAX30100 脈搏血氧計傳感器。如果您有如圖所示的紫色（GY-MAX30100），那么您不必擔(dān)心任何事情。但是，如果您有此處使用的綠色電阻，則必須卸下板載 472 歐姆電阻器，并在SCL 和 SDA 引腳上使用外部 4.7K 歐姆電阻器，如原理圖所示。

無需更改

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拆焊標記的 3 個電阻

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此外，如果您希望使用 MAX30102 心率傳感器（黑色），請確保您擁有功能更強大的微控制器，例如 Arduino Mega。該傳感器需要更多空間用于其血氧計庫，因此在 Arduino UNO 板上同時使用 OLED 顯示器和傳感器會導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。您仍然可以使用此傳感器來顯示心率，因為所需的庫的大小要小得多。

原型

最終的原型是在面包板上制作的：

帶跳線

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具有正確的電路板連接

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心電圖

在 AD8232 上帶濾波器的 Matlab ECG

如您所見，AD8232 傳感器并不真正需要濾波器。但是，為了更好地理解，還附上了過濾器程序。

以下視頻顯示了通過 MATLAB 使用示例數(shù)據(jù)進行的一些數(shù)據(jù)可視化。

SPO2

還有一件事：這是我第一個嘗試做一些更復(fù)雜的事情的 Arduino 項目。如果您有任何反饋，那將不勝感激。