Kardio adatgyűjtő: 7 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Bár manapság sok olyan hordozható eszköz (intelligens sáv, okosóra, okostelefon, stb.) Áll rendelkezésre, amelyek képesek érzékelni a pulzusszámot (HR) és nyomkövetési elemzést végezni, a mellkasi öv alapú rendszerek (mint például a kép felső részén) széles körben elterjedt és használt, de nem rendelkezik a mérések nyomának rögzítésére és exportálására.

Korábbi, Instructable Cardiosim -ban bemutattam egy mellkasi öv (Cardio) szimulátort, amely elmagyarázza, hogy az egyik következő lépésem a pulzusszám -adatgyűjtő kifejlesztése volt. Most készen állok arra, hogy bemutassam ezt az utasításban. Ennek a hordozható egységnek az a feladata, hogy fogadja a mellkasi heveder (vagy a Cardiosim szimulátor) által küldött HR -jelet egy edzés során (edzés/kerékpározás/futás,…), és rögzítse a nyomot egy SD -kártyára, hogy végezzen edzés utáni teljesítményelemzést (részletek az utolsó fejezetben).

A készüléket egy újratölthető akkumulátor rendszer táplálja, beleértve a töltőáramkört és az egyenáramú erősítő szabályozót.

A fel nem használt anyagok "raktárából" előhalásztam egy megfelelő műanyag tokot (135 mm x 45 mm x 20 mm), és hozzáigazítottam az áramkör elrendezését, hogy illeszkedjenek egymáshoz, így elkészítve egy működő prototípust, amely megfelel az igényeimnek (de amelynek megvalósítása teret hagy javulás:-))

1. lépés: Rövid leírás

Kérjük, olvassa el a Cardiosim Instructable 1. lépésében az ilyen típusú eszközök által használt LFMC (alacsony frekvenciájú mágneses kommunikáció) technológiát.

Az első szándékom az volt, hogy a Sparkfun RMCM01 modult használom vevő interfészként, de ez a termék már nem kapható (nem beszélve arról, hogy amúgy is elég drága volt).

Azonban a WEB -en nézve találtam ezt az érdekes bemutatót, amely néhány alternatív megoldást mutat be az RMCM01 helyett. A 3. opciót választottam ("Peter Borst Design", köszönöm Peter!), És kiváló eredményt értem el a Cardiosim ugyanazon L/C komponenseinek felhasználásával, bár itt párhuzamos rezonáns tartályként vannak csatlakoztatva. Az észlelt jelet felerősítik, "megtisztítják", dekódolják és továbbítják az Arduino Pro Mini mikrokontrollerhez. A program ellenőrzi a fogadott impulzusokat, méri a pulzusszámot (vagy jobb két egymást követő impulzus közötti intervallumot), és tárolja az összes mért intervallumot egy ASCII szövegfájlban (érvényes soronként egy sor, egyenként 16 karakter, beleértve az intervallumot, az időbélyeget és az LF/CR -t) a microSD kártyán. Ha 80 bpm átlagos HR -t feltételezünk, az egy órás felvételhez csak (4800 szövegsor x 16 karakter) = 76800 /1024 = 75 kBytes szükséges, ezért még egy olcsó 1 GB -os SD -kártya is rengeteg felvételi kapacitást kínál.

A felvétel során jelzővonalakat illeszthet be a nyomvonal felosztásához, és külön értékelheti a különböző munkamenetfázisokat.

2. lépés: LiPo tápegység - Sémák, alkatrészek és összeszerelés

A tápegység a ház alját foglalja el. A trimpot kivéve egyetlen alkatrész sem haladja meg a 7 mm magasságot, ami helyet biztosít a HR vevő és a mikrovezérlő áramkörének a tápegység fölé történő felszerelésére.

A következő részeket használtam:

• 3,7 V -os LiPo akkumulátor (bármely telefon akkumulátora újrahasznosítható, a csökkent kapacitás itt nem jelent problémát)
• USB TP4056 töltőmodul, itt vettem
• SX1308 DC boost konverter, itt vettem
• Kis prototípus -tábla 40 x 30 mm
• Kábel JST csatlakozóval 2, 54 mm 2 tű, mint ez
• (opcionális) JST csatlakozó 2 mm 2 tű, mint ez

• (opcionális) Kábel 2 mm 2 tűs JST csatlakozóval, mint ez

Az utolsó két elem használata a használt akkumulátortól és a töltőmodulhoz való csatlakoztatás módjától függ. Javaslom a 2 mm -es JST csatlakozót, mert sok akkumulátort már csatlakoztatott kábellel és 2 mm -es dugóval szállítanak, minden más megoldás megfelelő, amennyiben lehetővé teszi az elem egyszerű cseréjét, ha szükséges. Mindenesetre ügyeljen arra, hogy az összeszerelés során elkerülje az akkumulátor pólusai közötti rövidzárlatot.

A TP4056 modul tápellátása mikro USB portról történik, és újratölthető lítium akkumulátorok töltésére tervezték állandó áram / állandó feszültség (CC / CV) töltési módszerrel. A lítium akkumulátor biztonságos töltése mellett a modul a lítium akkumulátorok által előírt szükséges védelmet is biztosítja.

Az SX1308 egy nagy hatásfokú DC/DC Step Up állítható átalakító, amely a kimeneti feszültséget állandó értéken tartja +5 V -on, minimális 3 V -os bemeneti feszültséggel, így lehetővé teszi az akkumulátor kapacitás teljes kihasználását. A mikrovezérlő áramkör csatlakoztatása előtt állítsa be a kimeneti feszültséget a trimpot +5V -ra!

Az adatgyűjtő teljes fogyasztása körülbelül 20 mA, így még egy használt akkumulátor, amelynek maradék kapacitása 200 mAh (az új telefon akkumulátorának kezdeti kapacitásának <20% -a), 10 órás felvételt tesz lehetővé. Az egyetlen hátrány az, hogy az SX1308 nyugalmi áram körülbelül 2 mA, ezért jobb, ha lekapcsolja az akkumulátort, ha hosszú ideig nem használja az adatgyűjtőt.

A kis méret miatt mindkét modult rögzíteni kell a csatlakozónyílások segítségével, mind elektromos, mind mechanikai csatlakozáshoz a prototípus -táblával, rövid rézhuzalon keresztül. A táblát viszont egy 3 mm x 15 mm -es csavarral rögzítik a tok alapjához (a hosszúság elegendő ahhoz, hogy ugyanazzal a csavarral rögzítse a fenti mikrovezérlő áramkört). A tábla a JST 2 mm -es csatlakozóját tartalmazza az akkumulátorhoz (csak SMD verzióban kapható, de a csapok függőleges összecsukásával PTH verzióban "elforgatható") és az összes huzalozást a vázlatok szerint. Az biztos, hogy a csatlakozó testét a táblához ragasztottam, hogy jó mechanikai tömítést érjek el.

Az akkumulátort laposan helyezi a tok alsó részébe, mögötte pedig van egy második 3 mm x 15 mm -es csavar 8 mm -es függőleges távtartóval, hogy elkerülje az érintkezést az akkumulátor teteje (amely egyébként szigetelt) és az akkumulátor alja között. felső áramkör.

3. lépés: HR -vevő és adatgyűjtő - vázlatok, alkatrészek és összeszerelés

Az alaplap a következőkből áll:

• Prototípus tábla 40mm x 120mm
• Induktivitás 39mH, BOURNS RLB0913-393K-t használtam
• 2 x 22nF kondenzátor
• Kondenzátor 4.7nF
• Kondenzátor 47nF
• Kondenzátor 39pF
• Elektrolit kondenzátor 10uF/25V
• Elektrolit kondenzátor 1uF/50V
• 3 x 10K ellenállás
• 2 x 100K ellenállás
• 3 x 1K ellenállás
• 4 x 220R ellenállás
• 1M ellenállás
• 47K ellenállás
• 22K ellenállás
• Trimpot 50K
• Dióda 1N4148
• LED 3 mm kék
• 2 x LED 3 mm zöld
• LED 3 mm sárga
• LED 3 mm piros
• Kettős, alacsony zajszintű JFET bemenetű működési erősítők TL072P
• Hex invertáló Schmitt kioldó 74HC14
• JST csatlakozó 2,54 mm 2 érintkezős, mint ez
• 2 x mikrokapcsoló, Alcoswitch típus
• Mikrokontroller Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Micro SD kártya modul SPI 5V a DFRobots -tól

Az L1 és C1 által alkotott párhuzamos rezonanciatartály rezonanciafrekvenciája körülbelül 5,4 kHz, ami elég közel van az átvitt jel mágneses mező hordozójának 5,3 kHz -es feszültségé való átalakításához. Ne feledje, hogy az esetek többségében a hordozót egy egyszerű OOK (On-OFF Keying) formátum alapján modulálják, ahol minden szívimpulzus körülbelül 10 ms-ig kapcsolja be a hordozót. Az észlelt jel nagyon gyenge (tipikusan 1 mV-os szinuszhullám a forrástól 60-80 cm távolságra, feltéve, hogy az induktivitás tengelye megfelelően illeszkedik a mágneses mezőhöz), ezért gondosan erősíteni kell, hogy elkerülje az interferenciákat és a hamisítást észlelések. A javasolt áramkör minden erőfeszítésem és a különböző körülmények között végzett több órás tesztelés eredménye. Ha érdekli ezt a szempontot elmélyíteni - és esetleg fejleszteni is -, akkor nézze meg a következő lépést, különben kihagyhatja.

A következő Schmitt Trigger kapuk végzik a digitalizálást és a csúcsérzékelési funkciót, visszaállítva az eredeti moduláló jelet, amelyet továbbítanak az Arduino Pro Mini készülékre.

A Pro Mini mikrokontroller kártya tökéletes erre a projektre, mivel a fedélzeten lévő kristály lehetővé teszi a mérések nagy pontosságát (amelyek az "orvosi" szempontból elengedhetetlenek, lásd az utolsó lépést), és ugyanakkor mentes minden más nem szükséges eszköz, ami alacsony energiafogyasztást eredményez. Az egyetlen hátrány az, hogy a kód betöltéséhez FTDI interfészre van szükség a Pro Mini számítógép számítógéphez való csatlakoztatásához. A Pro Mini csatlakoztatva van:

• S1 kapcsoló: indítsa el a felvételt
• S2 kapcsoló: helyezze be a jelölőt
• Kék LED: villog, ha érvényes impulzust észlel
• Zöld LED: A felvétel elindult
• Sárga LED: Jelölő behelyezve (rövid villogás) / Időtúllépés (rögzített)
• MicroSD kártya modul (SPI buszon keresztül)

Ellentétben sok SD -kártya modullal, amelyek 3.3V -on működnek, a DFRobot modul 5V -on működik, így nincs szükség szintváltóra.

Ami az összeszerelést illeti, észreveheti, hogy a prototípus -táblát két részre osztottam, két kis "híddal", 1 mm -es merev rézhuzalral összekötve. Erre azért volt szükség, hogy a MicroSD kártya modult egy harmadik "építési szintre" emeljük, és illesszük a házba vájt mélyedéshez, közvetlenül az USB -port rése fölé. Továbbá három mélyedést faragtam a táblára, az egyiket a DC/DC átalakító potenciométerének eléréséhez, a másikat az Arduino Pro Mini soros buszának csatlakozójához való hozzáféréshez ("arccal lefelé" szerelve), a harmadik pedig a induktivitás.

4. lépés: HR -vevő - fűszer szimuláció

A Peter Borst által már említett konstrukcióból kiindulva a célom az volt, hogy megpróbáljam a lehető legnagyobb mértékben kiterjeszteni az észlelési tartományt, ugyanakkor korlátozzam az interferenciákra való érzékenységet és a hamis impulzusok generálását.

Úgy döntöttem, hogy megváltoztatom az eredeti egyetlen Op-Amp megoldást, mert túl érzékenynek bizonyult az interferenciákra, valószínűleg azért, mert a 10M visszacsatolási ellenállás értéke túl magas, és hogy a teljes nyereséget két szakaszra osztom.

Mindkét fokozat egyenáramú erősítése G = 100, 70 @5,4KHz körül csökken, de eltérő bemeneti impedanciával az érzékenység optimalizálása érdekében.

Tegyük fel tehát, hogy az LC tartály által generált leggyengébb jel feszültsége 1 mV.

Ha a teljes vevőáramkört Spice környezetben (ADIsimPE -t használom) transzponáljuk, az LC párhuzamos áramkört azonos feszültségű és frekvenciájú (5,4KHz) szinuszgenerátorra cseréljük, és lefuttatjuk a szimulációt, észrevesszük, hogy a V1 kimeneti feszültség az első Az erősítő továbbra is szinuszhullám (a skála tényező miatt a bemeneti szinuszhullám nem érzékelhető), ti az erősítő a lineáris zónában működik. De a második szakasz után a V2 kimeneti feszültség azt mutatja, hogy most elérjük a telítettséget (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Valójában a TL07x családot nem sín és vasút közötti kimeneti tartományra tervezték, de ez elegendő ahhoz, hogy biztonságos különbséggel túllépje a Schmitt Trigger kapu mindkét küszöbszintjét, és tiszta négyszöghullámot generáljon (V3).

5. lépés: Szoftver

A vevőfokozat nagy nyeresége miatt, és annak ellenére, hogy a csúcsérzékelő fokozat alapvetően aluláteresztő szűrőként működik, az Arduino Pro Mini D3-as érintkezőjén lévő bemeneti jel továbbra is erősen zavart okozhat, és digitálisan elő kell feldolgozni egy érvényesség -ellenőrzés hamis észlelések ellen. A kód biztosítja, hogy két feltétel teljesüljön ahhoz, hogy az impulzus érvényes legyen:

1. Az impulzusnak legalább 5 ms -ig kell tartania
2. A két egymást követő impulzus közötti minimális elfogadható intervallum 100 ms (600 ütés / percnek felel meg, messze túl a súlyos tachycardia határán!)

Az impulzus érvényesítése után az előző intervallumot (ms -ban) mérik, és az "SD -kártyán" datalog.txt "fájlban tárolják, óh: mm: ss formátumú időbélyeggel együtt, ahol 00:00: A 00 a mikrokontroller utolsó visszaállításának idejét jelenti. Ha az SD -kártya hiányzik, a piros LED kigyullad, jelezve a hibát.

Az új felvételi nyomvonal elindítható/leállítható az S1 Start/Stop kapcsolóval, és a "; Start" és "; Stop" jelzősorokkal azonosítható a szövegfájl elején és végén.

Ha 2400 ms -nál (25 bpm) hosszabb ideig nem észlel impulzust, a "; Timeout" jelölő sor kerül a fájlba, és a sárga D4 LED bekapcsol.

Ha az S2 jelölőkapcsolót rögzítés közben megnyomja egy további "; MarkerNumber" formátumú jelölő sort, és a jelölő számának 0 -tól kezdődő automatikus növelésével íródik a fájlba, és a sárga LED rövid időn belül villog.

Csatolta a teljes Arduino kódot.

6. lépés: Kezdeti beállítás és tesztelés

7. lépés: Használat - orvosi jel elemzés

Az általam használt ház formája elég közel van az okostelefonhoz, így rengeteg kiegészítőt találhat a piacon, amelyek viselhetők vagy edzőberendezésre szerelhetők. Különösen a kerékpárra tudok javasolni egyetemes, "Finn" nevű okostelefon -tartót, amelyet az osztrák Bike Citizens cég gyárt. Olcsó (€ 15, 00) és könnyen felszerelhető, valóban univerzális, és amint a képen is látható, tökéletes a Cardio Data Logger számára is

A legegyszerűbb módja az adatgyűjtő által rögzített nyers adatok felhasználásának, ha grafikonon ábrázoljuk őket szabványos PC -programok (pl. Excel) segítségével. Ha ugyanazt a gyakorlatot ismételve kapott grafikonokat hasonlítja össze, vagy elemzi a HR variációk és a fizikai erőfeszítések közötti összefüggést, akkor optimalizálhatja az erő dózisát a tevékenység során.

A legnagyobb érdeklődést azonban a HR, és különösen a HR Variablity (HRV) tanulmányozása jelenti orvosi célokra. Az EKG -s pályával ellentétben a HR -nyom nem tartalmaz közvetlen információt a szívizom működéséről. Statisztikai szempontból történő elemzése azonban lehetővé teszi más, klinikai szempontból fontos információk beszerzését.

A HRV -vel kapcsolatos legátfogóbb tudásforrás a finn KUBIOS cég. Weboldalukon sok információt találhat a Biomedical Signals-ról, és letöltheti a "KUBIOS HRV Standard", egy ingyenes pulzusszám-változékonyság-elemző szoftvert nem kereskedelmi célú kutatásokhoz és személyes használatra. Ez az eszköz nemcsak grafikonok ábrázolását teszi lehetővé egy egyszerű szövegfájlból (el kell távolítania az időbélyegeket), hanem statisztikai és matematikai értékeléseket is végezhet (beleértve az FFT -t is), és hihetetlenül részletes és értékes jelentést készíthet, például az alábbi mellékletet.

Ne feledje, hogy csak egy szakorvos tudja eldönteni, hogy milyen vizsgákra van szükség a sporttevékenységhez bármilyen szinten, és felmérheti azok eredményeit.

Ez az útmutató csak azzal a szándékkal készült, hogy érdeklődést és szórakozást keltsen az elektronika egészségügyben való alkalmazása területén.

Remélem tetszett, várjuk a hozzászólásokat!