Dissertation submitted to the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra in partial fulfilment of the requirements for the MSc degree in Biomedical Engineering.Oxygen saturation (SpO2) is a key parameter for assessing a patient condition, mainly in critical care and anaesthesiology. Its fusion with other physiological measurements, such as pulse wave analysis or arterial blood pressure, may lead to new ways of detecting cardiovascular diseases.
The current work aims to develop a stand-alone pulse oximeter and a photoplethysmographic (PPG) system with measurements of the contact force and height of the finger relatively to the heart. This module, together with other measurements (e.g. electrocardiogram and pulse wave velocity), will be part of a multichannel platform that will be taken to clinical environment.
The project comprises the design of hardware for signal conditioning, as well as the development of firmware to implement in a microcontroller unit (the Arduino™). The latter is used to control the system, acquire data and compute SpO2, heart rate (HR), contact force and height.
Currently, the system is able to retrieve a stable PPG waveform and compute the SPO2 in real time through the PPG signal peaks and valleys. Signals acquired in a healthy subject lead to a value of SPO2 = 91.5 ± 1.1%. Moreover, the subject arm and forearm orientation is retrieved by the use of accelerometers and used to compute the offset of the finger relatively to the heart. Contact force between the finger and the probe is also measured.A saturação de oxigénio (SpO2) é um parâmetro indispensável para avaliar a condição de um paciente, principalmente em cuidados intensivos e em anestesiologia. A sua fusão com outras medidas fisiológicas, como a análise da onda de pulso ou a pressão arterial, poderá levar a novas formas de detectar doenças cardiovasculares.
O presente trabalho pretende desenvolver um oxímetro de pulso automático e um sistema de fotopletismografia (PPG) com medição da força de contacto e da altura do dedo em relação ao coração. Este módulo, juntamente com outras medidas (e.g. electrocardiograma e velocidade da onda de pulso), fará parte de uma plataforma multicanal que será levada para ambiente clínico.
O projecto inclui o design do hardware para condicionamento de sinal, bem como o desenvolvimento do firmware a implementar num microcontrolador (o Arduino™). Este é usado para controlar o sistema, adquirir dados e calcular a SpO2, o ritmo cardíaco (HR), a força de contacto e a altura.
Actualmente, o sistema é capaz de adquirir uma onda de PPG estável e de calcular a SpO2 em tempo real através dos picos e vales do sinal de PPG. Sinais adquiridos em sujeitos saudáveis levaram a um valor de SPO2 = 91.5 ± 1.1%. Além disso, a orientação do braço e antebraço do sujeito é estimada através do uso de acelerómetros e usada para calcular o desnível do dedo em relação ao coração. A força de contacto entre o dedo e a ponta de prova é igualmente medida.This work is funded by FEDER, through the Programa Operacional Factores de Competitividade – COMPETE – and by National funds through FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia – in the frame of ―Centro de Instrumentação” – Unidade 217
