Kardio zapisnik podataka: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Iako su danas dostupni mnogi prijenosni uređaji (pametni pojasevi, pametni satovi, pametni telefoni…) koji mogu detektirati otkucaje srca (HR) i izvršiti analizu tragova, sistemi zasnovani na pojasevima na grudima (poput onog u gornjem dijelu slike) još uvijek su rasprostranjen i korišten, ali nema mogućnost snimanja i izvoza traga mjerenja.

U svom prethodnom Cardiosimu sa instrukcijama predstavio sam simulator pojasa za grudni remen (Cardio) s objašnjenjem da je jedan od mojih sljedećih koraka bio razviti zapisnik podataka o pulsu. Sada sam spreman da ga predstavim u ovom uputstvu. Funkcija ove prijenosne jedinice je primanje HR signala poslanog pojasom za grudi (ili Cardiosim simulatora) tijekom sesije treniranja (vježbanje/biciklizam/trčanje, …) i snimanje traga na SD karticu, kako bi se izvršiti analizu učinka nakon treninga (vidi detalje u posljednjem poglavlju).

Jedinica se napaja sistemom punjivih baterija, uključujući krug punjenja i regulator DC pojačanja.

Iz svog "skladišta" neiskorištenog materijala izvadio sam prikladno plastično kućište (135 mm x 45 mm x 20 mm) i prilagodio mu raspored kruga tako da se uklopi, čineći radni prototip koji ispunjava moje potrebe (ali čija realizacija ostavlja prostora za poboljšanje:-))

Korak 1: Kratak opis

Molimo pogledajte korak 1 u Cardiosim Instructable za kratki uvod o tehnologiji LFMC (niskofrekventna magnetska komunikacija) koju koriste ove vrste uređaja.

Moja prva namjera je bila koristiti Sparkfun RMCM01 modul kao prijemnik, ali ovaj proizvod više nije dostupan (a kamoli da je ionako bio prilično skup).

Međutim, gledajući WEB, našao sam ovaj zanimljiv Vodič koji prikazuje neka alternativna rješenja za zamjenu RMCM01. Odabrao sam treću opciju ("Peter Borst Design", hvala Peter!), Postigavši odličan rezultat koristeći iste L/C komponente Cardiosima, međutim ovdje povezane kao paralelni rezonantni spremnik. Otkriveni signal se pojačava, "čisti", dekodira i prosljeđuje na mikrokontroler Arduino Pro Mini. Program potvrđuje primljene impulse, mjeri otkucaje srca (ili bolje interval između dva uzastopna impulsa) i pohranjuje sve izmjerene intervale u ASCII tekstualnu datoteku (jedan red po valjanom impulsu, 16 znakova svaki uključujući interval, vremensku oznaku i LF/CR) u microSD kartici. Uz pretpostavku prosječnog HR -a od 80 bpm, potrebno je samo snimanje po satu (4800 linija teksta x 16 znakova) = 76800 /1024 = 75 kB, pa čak i jeftina SD kartica od 1 GB nudi veliki kapacitet snimanja.

Tokom snimanja možete umetnuti linije markera za podjelu traga i zasebnu procjenu različitih faza sesije.

Korak 2: LiPo napajanje - sheme, dijelovi i montaža

Napajanje zauzima dno kućišta. Osim trimpota, nijedna komponenta ne prelazi visinu od 7 mm, što daje prostor za postavljanje HR prijemnika i kruga mikrokontrolera iznad napajanja.

Koristio sam sljedeće dijelove:

• 3,7 V LiPo baterija (bilo koja baterija telefona može se reciklirati, smanjeni kapacitet ovdje nije problem)
• USB modul za punjenje TP4056, kupio sam ga ovdje
• SX1308 DC pojačivač, kupio sam ga ovdje
• Mala ploča za izradu prototipa 40 x 30 mm
• Kabel sa JST konektorom 2, 54 mm 2 pina, poput ovog
• (opcionalno) JST konektor 2 mm 2 pinski, poput ovog

• (opcionalno) Kabl sa JST konektorom 2 mm 2 pina, poput ovog

Korištenje posljednje dvije stavke ovisi o bateriji koju ćete koristiti i načinu na koji je namjeravate spojiti na modul punjača. Predlažem 2 mm JST konektor jer se mnoge baterije isporučuju s već priključenim kabelom i utikačem od 2 mm, svako drugo rješenje je odgovarajuće sve dok dopušta laku zamjenu baterije ako je potrebno. U svakom slučaju, pazite da tijekom montaže ne dođe do kratkog spoja između polova baterije.

Modul TP4056 napaja se iz mikro USB priključka i dizajniran je za punjenje punjivih litijevih baterija metodom punjenja konstantnom strujom / konstantnim naponom (CC / CV). Osim sigurnog punjenja litijumske baterije, modul pruža i neophodnu zaštitu potrebnu litijumskim baterijama.

SX1308 je visokoučinkoviti DC/DC stepenasto podesivi pretvarač koji održava izlazni napon konstantnim na +5V s minimalnim ulaznim naponom od 3V, dopuštajući tako potpunu eksploataciju kapaciteta baterije. Podesite izlazni napon trimpotom na +5V prije spajanja kruga mikrokontrolera!

Ukupna potrošnja Data Loggera je oko 20mA, pa će čak i korištena baterija preostalog kapaciteta 200mAh (<20% početnog kapaciteta nove baterije telefona) omogućiti snimanje od 10 sati. Jedini nedostatak je što je SX1308 struja mirovanja oko 2mA, pa je bolje da isključite bateriju ako duže vrijeme ne koristite Data Logger.

Zbog male veličine, oba modula je potrebno pričvrstiti pomoću priključnih rupa za električno i mehaničko povezivanje s pločom za izradu prototipa, kroz kratke komade bakrene žice. S druge strane, ploča je pričvršćena na podnožje kućišta vijkom 3 mm x 15 mm (dužina je dovoljna za pričvršćivanje kruga mikrokontrolera istim vijkom). Na ploči se nalazi JST 2 mm konektor za bateriju (dostupan samo u SMD verziji, ali preklapanjem pinova okomito možete ga "okrenuti" u verziji PTH) i svim ožičenjima prema shemama. Samo da budem siguran, zalijepio sam tijelo konektora na ploču postižući dobro mehaničko brtvljenje.

Baterija je postavljena u preostalo područje dna kućišta, a iza nje se nalazi drugi vijak 3 mm x 15 mm s okomitim razmakom od 8 mm kako bi se izbjegli kontakti između vrha baterije (koja je ionako izolirana) i dna kućišta. gornji krug.

Korak 3: HR prijemnik i zapisnik podataka - Sheme, dijelovi i montaža

Matičnu ploču čine:

• Ploča za izradu prototipa 40 mm x 120 mm
• Induktivnost 39mH, koristio sam BOURNS RLB0913-393K
• 2 x Kondenzator 22nF
• Kondenzator 4.7nF
• Kondenzator 47nF
• Kondenzator 39pF
• Elektrolitički kondenzator 10uF/25V
• Elektrolitički kondenzator 1uF/50V
• 3 x otpornik 10K
• 2 x otpornik 100K
• 3 x otpornik 1K
• 4 x otpornik 220R
• Otpornik 1M
• Otpornik 47K
• Otpornik 22K
• Trimpot 50K
• Dioda 1N4148
• LED 3 mm Plava
• 2 x LED 3 mm zelena
• LED 3 mm žuta
• LED 3 mm crvena
• Dvojna niskošumna JFET-ulazna operativna pojačala TL072P
• Šesterokutni invertirajući Schmitt Trrigger 74HC14
• JST konektor 2,54 mm 2 Pin, poput ovog
• 2 x mikroprekidači, tip Alcoswitch
• Mikrokontroler Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Modul mikro SD kartice SPI 5V kompanije DFRobots

Rezonantna frekvencija paralelnog rezonantnog spremnika sastavljenog od L1 i C1 je oko 5,4 kHz, što se dovoljno podudara s 5,3 kHz nosioca magnetskog polja prenesenog signala da ga pretvori u napon. Upamtite da je, u većini slučajeva, nosač moduliran na bazi jednostavnog OOK (On-OFF Keying) formata, gdje svaki srčani impuls uključuje nosač "ON" na oko 10 ms. Detektovani signal je vrlo slab (tipično sinusni val od 1 mV na udaljenosti 60-80 cm od izvora, pod uvjetom da je os induktivnosti pravilno poravnata s magnetskim poljem), pa ga je potrebno pažljivo pojačati kako bi se izbjegle smetnje i lažne detekcije. Predloženo kolo rezultat je mojih najboljih napora i sati testiranja u različitim uslovima. Ako ste zainteresirani za produbljivanje ovog aspekta - i možda ga poboljšajte - pogledajte sljedeći korak, inače ga možete preskočiti.

Sljedeća vrata Schmitt Trigger -a izvode digitalizaciju i funkciju otkrivanja vrha, vraćajući izvorni modulirajući signal, koji se prosljeđuje na Arduino Pro Mini.

Ploča mikrokontrolera Pro Mini savršena je za ovaj projekt jer kristal na ploči dopušta visoku preciznost mjerenja (koja su bitna s "medicinskog" gledišta, pogledajte posljednji korak), a istovremeno je bez ikakvih drugih uređaj nije potreban, što dovodi do niske potrošnje energije. Jedini nedostatak je što će vam za učitavanje koda biti potrebno FTDI sučelje za povezivanje Pro Mini -a na USB priključak vašeg računara. Pro Mini je povezan sa:

• Prekidač S1: započnite snimanje
• Prekidač S2: umetnuti marker
• Plava LED lampica: treperi kada se otkrije ispravan puls
• Zelena LED: Snimanje je započelo
• Žuta LED: Marker umetnut (kratak treptaj) / Vremensko ograničenje (fiksno)
• Modul microSD kartice (preko SPI sabirnice)

Za razliku od mnogih modula SD kartica koji rade na 3.3V, DFRobot modul radi na 5V, tako da nije potrebno mijenjanje nivoa.

Što se tiče montaže, možda ćete primijetiti da sam ploču za izradu prototipova podijelio na dva dijela, povezana s dva mala "mosta" od krute bakrene žice od 1 mm. To je bilo potrebno za podizanje modula MicroSD kartice na treći "konstrukcijski nivo" i poravnavanje s udubljenjem koje sam izrezbario na kućištu, neposredno iznad proreza za USB priključak. Nadalje, izrezbario sam tri udubljenja na samoj ploči, jedno za pristup potenciometru DC/DC pretvarača, drugo za pristup konektoru serijske sabirnice Arduino Pro Mini (montirano "licem prema dolje"), a treće za induktivnost.

Korak 4: HR prijemnik - simulacija začina

Polazeći od dizajna Petera Borsta koji sam već spomenuo, moj cilj je bio pokušati proširiti raspon detekcije što je više moguće, istovremeno ograničavajući osjetljivost na smetnje i stvaranje lažnih impulsa.

Odlučio sam promijeniti originalno pojedinačno Op-Amp rješenje jer se pokazalo da je previše osjetljivo na smetnje, vjerovatno zato što je vrijednost povratnog otpornika od 10 M previsoka, te da ukupni dobitak podijelim u dvije faze.

Obje faze imaju istosmjerno pojačanje G = 100, smanjujući se oko 70 na 5,4 KHz, ali s različitom ulaznom impedansom radi optimizacije osjetljivosti.

Pretpostavimo da je napon najslabijeg signala generiranog LC spremnika 1mV.

Ako transponiramo cijeli prijemnički krug u okruženje Spice (koristim ADIsimPE) zamjenjujući LC paralelno kolo sinusnim generatorom sa istim naponom i frekvencijom (5,4KHz) i pokrećemo simulaciju, primjećujemo da je izlazni napon V1 od 1. pojačalo je još uvijek sinusni val (zbog faktora razmjera ulazni sinusni val nije primjetan), pojačalo radi u linearnoj zoni. Ali nakon druge faze, izlazni napon V2 pokazuje da sada dostižemo zasićenje (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Zapravo, porodica TL07x nije dizajnirana za izlazni raspon šina do šina, ali to je dovoljno da se sa sigurnom maržom premaše oba nivoa praga Schmittovog okidača i generira čisti kvadratni val (V3).

Korak 5: Softver

Zbog velikog pojačanja prijemnog stupnja, i uprkos tome što stupanj detektora vrha djeluje u osnovi kao niskopropusni filter, ulazni signal na pinu D3 Arduino Pro Mini još uvijek može biti jako poremećen i potrebno ga je digitalno prethodno obraditi putem provjera valjanosti protiv lažnih detekcija. Kod osigurava da su ispunjena dva uslova da bi se puls smatrao važećim:

1. Puls mora trajati najmanje 5 ms
2. Minimalni prihvatljivi interval između dva uzastopna impulsa je 100 ms (što odgovara 600 otkucaja u minuti, što je daleko iznad granice teške tahikardije!)

Nakon što se impuls potvrdi, interval (u ms) od prethodnog se mjeri i pohranjuje na SD karticu u datoteku "datalog.txt", zajedno s vremenskom oznakom u formatu hh: mm: ss, gdje 00:00: 00 predstavlja vrijeme posljednjeg resetiranja mikrokontrolera. Ako nedostaje SD kartica, crvena LED lampica svijetli ukazujući na grešku.

Novi trag snimanja može se pokrenuti/zaustaviti pomoću prekidača Start/Stop S1 i bit će označen s oznakama "; Start" i "; Stop" redom na početku i na kraju tekstualne datoteke.

Ako se impuls ne detektira duže od 2400 ms (25 otkucaja u minuti), marker linija "; Timeout" postavlja se u datoteku i uključuje se žuta LED D4.

Ako se prekidač markera S2 pritisne tokom snimanja, u datoteku se ispisuje dodatni red markera u formatu "; MarkerNumber", sa automatskim povećanjem broja markera počevši od 0, a žuta LED lampica će uskoro zatreperiti.

Priložen je cijeli Arduino kod.

Korak 6: Početno postavljanje i testiranje

Korak 7: Upotreba - Analiza medicinskog signala

Oblik kućišta koje sam koristio dovoljno je blizu onom za pametni telefon, pa na tržištu možete pronaći obilje pribora za nošenje ili postavljanje na opremu za vježbanje. Posebno za bicikl mogu predložiti univerzalni nosač za pametni telefon pod nazivom "Finn", koji proizvodi austrijska kompanija Bike Citizens. Jeftin (15,00 €) i jednostavan za montažu, zaista je univerzalan i kao što vidite na slici savršen i za Cardio Data Logger

Najjednostavniji način korištenja sirovih podataka snimljenih Data Loggerom je njihovo iscrtavanje u grafikon pomoću standardnih računarskih programa (npr. Excel). Uspoređujući grafikone dobivene ponavljanjem iste vježbe ili analizom korelacije između varijacija HR -a i fizičkih napora, možete optimizirati doziranje sila tokom aktivnosti.

No od najvećeg je interesa proučavanje HR -a, a posebno HR Varijabilnosti (HRV), u medicinske svrhe. Za razliku od EKG zapisa, HR trag ne sadrži izravne informacije o funkcioniranju srčanog mišića. Međutim, njegova analiza sa statističkog gledišta omogućava dobijanje drugih podataka od kliničkog interesa.

Najopsežniji izvor znanja o HRV -u je finska kompanija KUBIOS. Na njihovom web mjestu možete pronaći mnogo informacija o biomedicinskim signalima i možete preuzeti "KUBIOS HRV Standard", besplatni softver za analizu varijabilnosti otkucaja srca za nekomercijalna istraživanja i ličnu upotrebu. Ovaj alat ne samo da vam omogućava iscrtavanje grafikona iz jednostavne tekstualne datoteke (morate ukloniti vremenske oznake), već i obavljanje statističkih i matematičkih procjena (uključujući FFT) i stvaranje nevjerojatno detaljnog i vrijednog izvještaja, poput onog u nastavku.

Imajte na umu da samo specijalizirani ljekar može odlučiti koji su ispiti potrebni za sportsku praksu na bilo kojem nivou i procijeniti njihove ishode.

Ovaj Instructable napisan je s jedinom namjerom da izazove interes i zabavu u primjeni elektronike u zdravstvenoj zaštiti.

Nadam se da vam se dopao, komentari su dobrodošli!