Kardio datu reģistrētājs: 7 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:57

Lai gan mūsdienās ir pieejamas daudzas pārnēsājamas ierīces (viedjoslas, viedpulksteņi, viedtālruņi utt.), Kas var noteikt sirdsdarbības ātrumu (HR) un veikt izsekošanas analīzi, tomēr sistēmas, kas balstītas uz krūšu siksnām (piemēram, augšējā attēla daļā) plaši izplatīta un izmantota, taču trūkst iespēju reģistrēt un eksportēt mērījumu pēdas.

Iepriekšējā Instructable Cardiosim es esmu prezentējis krūšu siksnas jostas (kardio) simulatoru, kurā paskaidroju, ka viens no maniem nākamajiem soļiem bija izstrādāt sirdsdarbības datu reģistrētāju. Tagad esmu gatavs to prezentēt šajā pamācībā. Šīs pārnēsājamās ierīces funkcija ir uztvert HR signālu, ko nosūta krūšu siksnas josta (vai Cardiosim simulators) treniņa laikā (treniņš/riteņbraukšana/skriešana,…), un ierakstīt pēdas SD kartē, lai veikt veiktspējas analīzi pēc treniņa (sīkāku informāciju skatīt pēdējā nodaļā).

Ierīci darbina uzlādējama akumulatoru sistēma, ieskaitot uzlādes ķēdi un līdzstrāvas pastiprināšanas regulatoru.

No neizmantotā materiāla "noliktavas" es izvilku piemērotu plastmasas korpusu (135 mm x 45 mm x 20 mm) un pielāgoju tam ķēdes izkārtojumu, lai tas atbilstu kopā, izveidojot funkcionējošu prototipu, kas atbilst manām vajadzībām (bet kura realizācija atstāj vietu uzlabojums:-))

1. darbība. Īss apraksts

Lūdzu, skatiet Cardiosim Instructable 1. darbību, lai ātri iepazīstinātu ar LFMC (zemfrekvences magnētiskās komunikācijas) tehnoloģiju, ko izmanto šāda veida ierīces.

Mans pirmais nodoms bija izmantot Sparkfun RMCM01 moduli kā uztvērēja saskarni, taču šis produkts vairs nav pieejams (nemaz nerunājot par to, ka tas tik un tā bija diezgan dārgs).

Tomēr, skatoties tīmeklī, es atklāju šo interesanto pamācību, kurā parādīti daži alternatīvi risinājumi, lai aizstātu RMCM01. Es izvēlējos trešo iespēju ("Peter Borst Design", paldies Pēterim!), Sasniedzot izcilu rezultātu, izmantojot tās pašas Cardiosim L/C sastāvdaļas, lai arī kā šeit savienotas kā paralēlas rezonanses tvertne. Noteiktais signāls tiek pastiprināts, "iztīrīts", dekodēts un pārsūtīts uz Arduino Pro Mini mikrokontrolleri. Programma apstiprina saņemtos impulsus, mēra sirdsdarbības ātrumu (vai labāk intervālu starp diviem secīgiem impulsiem) un visus izmērītos intervālus saglabā ASCII teksta failā (viena rinda uz derīgu impulsu, katra 16 rakstzīmes, ieskaitot intervālu, laika zīmogu un LF/CR) microSD kartē. Pieņemot, ka vidējais sirdsdarbības ātrums ir 80 sitieni minūtē, stundas ierakstam ir nepieciešams tikai (4800 teksta rindas x 16 rakstzīmes) = 76800 /1024 = 75 kBytes, tāpēc pat lēta 1 GB SD karte piedāvā lielu ierakstīšanas ietilpību.

Ieraksta laikā jūs varat ievietot marķiera līnijas, lai sadalītu pēdas un atsevišķi novērtētu dažādas sesijas fāzes.

2. solis: LiPo barošanas avots - shēmas, detaļas un montāža

Barošanas avots aizņem korpusa apakšdaļu. Izņemot trimpotu, neviena sastāvdaļa nepārsniedz 7 mm augstumu, kas dod iespēju uzstādīt HR uztvērēju un mikrokontrollera ķēdi virs barošanas avota.

Es izmantoju šādas daļas:

• 3,7 V LiPo akumulators (jebkuru tālruņa akumulatoru var pārstrādāt, samazināta jauda šeit nav problēma)
• USB TP4056 uzlādes modulis, es to nopirku šeit
• SX1308 līdzstrāvas pastiprinātāja pārveidotājs, es to nopirku šeit
• Neliels prototipēšanas dēlis 40 x 30 mm
• Kabelis ar JST savienotāju 2, 54 mm 2 tapa, piemēram, šis
• (pēc izvēles) JST savienotājs 2 mm un 2 tapas, piemēram, šis

• (pēc izvēles) Kabelis ar JST savienotāju 2 mm 2 kontakti, piemēram, šis

Pēdējo divu vienumu izmantošana ir atkarīga no akumulatora, ko izmantosit, un no tā, kā plānojat to savienot ar lādētāja moduli. Es iesaku 2 mm JST savienotāju, jo daudzas baterijas tiek piegādātas ar jau pievienotu kabeli un 2 mm spraudni, jebkurš cits risinājums ir piemērots, ja vien tas ļauj viegli nomainīt akumulatoru, ja nepieciešams. Jebkurā gadījumā uzmanieties, lai montāžas laikā izvairītos no īssavienojumiem starp akumulatora poliem.

TP4056 modulis tiek darbināts no mikro USB porta un ir paredzēts uzlādējamu litija bateriju uzlādēšanai, izmantojot pastāvīgas strāvas / nemainīga sprieguma (CC / CV) uzlādes metodi. Papildus drošai litija akumulatora uzlādēšanai modulis nodrošina arī nepieciešamo aizsardzību, kas nepieciešama litija baterijām.

SX1308 ir augstas efektivitātes regulējams līdzstrāvas/līdzstrāvas pastiprinātājs, kas uztur izejas spriegumu nemainīgu pie +5 V ar minimālo ieejas spriegumu 3 V, tādējādi ļaujot pilnībā izmantot akumulatora jaudu. Pirms mikrokontrollera ķēdes pievienošanas noregulējiet izejas spriegumu ar trimpot pie +5V!

Kopējais datu reģistrētāja patēriņš ir aptuveni 20 mA, tāpēc pat izlietots akumulators ar atlikušo jaudu 200 mAh (<20% no jaunā tālruņa akumulatora sākotnējās jaudas) ļaus ierakstīt 10 stundas. Vienīgais trūkums ir tas, ka SX1308 mierīgā strāva ir aptuveni 2 mA, tāpēc labāk atvienojiet akumulatoru, ja ilgstoši neizmantojat datu reģistrētāju.

Mazo izmēru dēļ abi moduļi ir jānostiprina, izmantojot savienojuma atveres gan elektriskam, gan mehāniskam savienojumam ar prototipa plāksni, izmantojot īsus vara stieples gabalus. Savukārt dēlis ir piestiprināts pie korpusa pamatnes ar 3 mm x 15 mm skrūvi (garums ir pietiekams, lai ar to pašu skrūvi piestiprinātu iepriekš esošo mikrokontrollera ķēdi). Plātnē ir JST 2 mm savienotājs akumulatoram (pieejams tikai SMD versijā, bet, saliekot tapas vertikāli, jūs varat to "pagriezt" PTH versijā) un visus vadus saskaņā ar shēmām. Lai pārliecinātos, es pielīmēju savienotāja korpusu pie plāksnes, panākot labu mehānisko blīvējumu.

Akumulators ir novietots tukšā korpusa apakšējā daļā, un aiz tā ir otra 3 mm x 15 mm skrūve ar 8 mm vertikālu starpliku, lai izvairītos no kontaktiem starp akumulatora augšpusi (kas jebkurā gadījumā ir izolēta) un akumulatora apakšējo daļu. augšējā ķēde.

3. solis: HR uztvērējs un datu reģistrētājs - shēmas, detaļas un montāža

Pamatplate sastāv no:

• Prototipēšanas dēlis 40mm x 120mm
• Induktivitāte 39mH, es izmantoju BOURNS RLB0913-393K
• 2 x kondensators 22 nF
• Kondensators 4,7 nF
• Kondensators 47 nF
• Kondensators 39pF
• Elektrolītiskais kondensators 10uF/25V
• Elektrolītiskais kondensators 1uF/50V
• 3 x 10K rezistors
• 2 x rezistors 100K
• 3 x 1K rezistors
• 4 x rezistors 220R
• Rezistors 1M
• Rezistors 47K
• Rezistors 22K
• Trimpot 50K
• Diode 1N4148
• LED 3 mm zils
• 2 x LED 3mm zaļa
• LED 3mm dzeltens
• LED 3 mm sarkans
• Divi zema trokšņa JFET ieejas darbības pastiprinātāji TL072P
• Hex invertējošais Schmitt Trigger 74HC14
• JST savienotājs 2,54 mm 2 tapa, piemēram, šis
• 2 x mikro slēdži, Alcoswitch tips
• Mikrokontrolleris Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Micro SD kartes modulis SPI 5V no DFRobots

L1 un C1 veidotās paralēlās rezonanses tvertnes rezonanses frekvence ir aptuveni 5,4 kHz, kas pietiekami precīzi atbilst pārraidītā signāla magnētiskā lauka nesēja 5,3 kHz frekvencei, lai to pārvērstu spriegumā. Atcerieties, ka vairumā gadījumu nesējs tiek modulēts, pamatojoties uz vienkāršu OOK (ieslēgšanas-izslēgšanas taustiņa) formātu, kur katrs sirds impulss pārslēdz nesēju uz “ON” apmēram 10 ms. Noteiktais signāls ir ļoti vājš (parasti 1 mV sinusa viļņi 60–80 cm attālumā no avota, ar nosacījumu, ka induktivitātes ass ir pareizi izlīdzināta ar magnētisko lauku), tāpēc tas ir rūpīgi jāpastiprina, lai izvairītos no traucējumiem un viltus atklājumi. Ierosinātā shēma ir visu manu centienu un stundu pārbaudes rezultāts dažādos apstākļos. Ja jūs interesē šī aspekta padziļināšana un varbūt tā uzlabošana, apskatiet nākamo soli, pretējā gadījumā varat to izlaist.

Šādi Schmitt Trigger vārti veic digitalizācijas un pīķa noteikšanas funkciju, atjaunojot sākotnējo modulējošo signālu, kas tiek pārsūtīts uz Arduino Pro Mini.

Pro Mini mikrokontrolleru plāksne ir ideāli piemērota šim projektam, jo uz tā esošais kristāls nodrošina augstu mērījumu precizitāti (kas ir būtiski no "medicīniskā" viedokļa, skatīt pēdējo soli), un tajā pašā laikā tajā nav citu nav nepieciešama ierīce, kā rezultātā tiek patērēts zems enerģijas patēriņš. Vienīgais trūkums ir tas, ka koda ielādēšanai jums būs nepieciešama FTDI saskarne, lai savienotu Pro Mini ar datora USB portu. Pro Mini ir savienots ar:

• Slēdzis S1: sāciet ierakstīšanu
• Slēdzis S2: ievietojiet marķieri
• Zila gaismas diode: mirgo, kad tiek konstatēts derīgs impulss
• Zaļā gaismas diode: ierakstīšana sākta
• Dzeltena gaismas diode: marķieris ievietots (īss mirgojums) / taimauts (fiksēts)
• MicroSD kartes modulis (caur SPI kopni)

Atšķirībā no daudziem SD karšu moduļiem, kas darbojas ar 3,3 V spriegumu, DFRobot modulis darbojas ar 5 V spriegumu, tāpēc nav nepieciešams līmeņa pārslēdzējs.

Kas attiecas uz montāžu, iespējams, pamanīsit, ka prototipēšanas dēli esmu sadalījis divās daļās, kas savienotas ar diviem maziem "tiltiem" no cieta 1 mm vara stieples. Tas bija nepieciešams, lai paceltu MicroSD karšu moduli līdz trešajam "konstrukcijas līmenim" un saskaņotu to ar padziļinājumu, ko esmu izgriezis uz korpusa, tieši virs USB porta spraugas. Turklāt es uz tāfeles izgriezu trīs padziļinājumus, vienu, lai piekļūtu līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotāja potenciometram, otru, lai piekļūtu Arduino Pro Mini seriālās kopnes savienotājam (uzstādīts "uz leju"), bet trešo - induktivitāte.

4. solis: HR uztvērējs - garšvielu simulācija

Sākot ar iepriekš pieminēto Pītera Borsta dizainu, mans mērķis bija pēc iespējas paplašināt noteikšanas diapazonu, vienlaikus ierobežojot jutību pret traucējumiem un viltus impulsu ģenerēšanu.

Es nolēmu mainīt oriģinālo Op-Amp risinājumu, jo tas ir izrādījies pārāk jutīgs pret traucējumiem, iespējams, tāpēc, ka 10M atgriezeniskās saites rezistora vērtība ir pārāk augsta, un sadalīt kopējo ieguvumu divos posmos.

Abiem posmiem ir līdzstrāvas pastiprinājums G = 100, samazinoties ap 70 @5,4KHz, bet ar atšķirīgu ieejas pretestību, lai optimizētu jutību.

Tātad pieņemsim, ka vājākā signāla spriegums, ko rada LC tvertne, ir 1 mV.

Ja mēs transponējam visu uztvērēja ķēdi Spice vidē (es izmantoju ADIsimPE), aizstājot LC paralēlo ķēdi ar sinusa ģeneratoru ar tādu pašu spriegumu un frekvenci (5,4 KHz) un palaižam simulāciju, mēs pamanām, ka izejas spriegums V1 no 1. pastiprinātājs joprojām ir sinusa vilnis (mēroga faktora dēļ ieejas sinusa viļņi nav jūtami), ti pastiprinātājs darbojas lineārajā zonā. Bet pēc otrā posma izejas spriegums V2 parāda, ka mēs tagad sasniedzam piesātinājumu (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Faktiski TL07x saime nav paredzēta sliežu un dzelzceļa izejas diapazonam, taču ar to pietiek, lai ar drošu robežu pārsniegtu abus Schmitt Trigger vārtu sliekšņa līmeņus un radītu tīru kvadrātviļņu (V3).

5. solis: programmatūra

Tā kā uztvērēja stadijā ir liels pastiprinājums un neskatoties uz to, ka maksimālā detektora pakāpe pamatā darbojas kā zemas caurlaides filtrs, Arduino Pro Mini ievades signāls uz D3 tapas joprojām var būt ļoti traucēts, un tas ir digitāli iepriekš jāapstrādā, izmantojot derīguma pārbaude pret nepatiesiem atklājumiem. Kods nodrošina divu nosacījumu izpildi, lai impulsu uzskatītu par derīgu:

1. Pulsa ilgumam jābūt vismaz 5 ms
2. Minimālais pieļaujamais intervāls starp diviem secīgiem impulsiem ir 100 ms (atbilst 600 sitieniem minūtē, tālu pārsniedzot smagas tahikardijas robežu!)

Kad impulss ir apstiprināts, intervāls (ms) no iepriekšējā tiek mērīts un saglabāts SD kartē failā "datalog.txt" kopā ar laika zīmogu formātā hh: mm: ss, kur 00:00: 00 norāda mikrokontrollera pēdējās atiestatīšanas laiku. Ja trūkst SD kartes, iedegas sarkana gaismas diode, kas norāda uz kļūdu.

Jaunas ierakstīšanas pēdas var sākt/apturēt ar start/stop slēdzi S1, un tās teksta faila sākumā un beigās identificēs ar marķiera līniju "; Start" un "; Stop".

Ja impulss netiek konstatēts ilgāk par 2400 ms (25 sitieni minūtē), failā tiek ievietota marķiera līnija "; Timeout" un tiek ieslēgta dzeltenā gaismas diode D4.

Ja ierakstīšanas laikā tiek nospiests marķiera slēdzis S2, failā tiek ierakstīta papildu marķiera līnija formātā "; MarkerNumber", automātiski palielinot marķiera numuru, sākot no 0, un dzeltenā gaismas diode mirgo īsā laikā.

Pievienots pilnīgs Arduino kods.

6. darbība: sākotnējā iestatīšana un pārbaude

7. darbība: lietošana - medicīniskā signālu analīze

Manis izmantotā korpusa forma ir pietiekami tuvu viedtālruņa formai, tāpēc tirgū varat atrast daudz piederumu, ko valkāt vai uzstādīt uz treniņu aprīkojuma. Īpaši velosipēdam es varu ieteikt universālo viedtālruņa stiprinājumu ar nosaukumu "Finn", ko ražojis Austrijas Bike Citizens uzņēmums. Lēti (€ 15, 00) un viegli uzstādāms, tas ir patiešām universāls un, kā redzams attēlā, ir ideāli piemērots arī Cardio Data Logger

Vienkāršākais veids, kā izmantot datu reģistrētāja ierakstītos neapstrādātos datus, ir attēlot tos grafikā, izmantojot standarta datorprogrammas (piemēram, Excel). Salīdzinot grafikus, kas iegūti, atkārtojot to pašu vingrinājumu, vai analizējot korelāciju starp HR svārstībām un fizisko piepūli, jūs varat optimizēt spēku devu aktivitātes laikā.

Bet vislielākā interese ir pētījums par HR, un jo īpaši par HR Variablity (HRV), medicīniskiem nolūkiem. Atšķirībā no EKG celiņa, HR izsekojumā nav tiešas informācijas par sirds muskuļa darbību. Tomēr tā analīze no statistikas viedokļa ļauj iegūt citu klīniski interesantu informāciju.

Visplašākais zināšanu avots par HRV ir Somijas uzņēmums KUBIOS. Viņu vietnē jūs varat atrast daudz informācijas par biomedicīnas signāliem un lejupielādēt "KUBIOS HRV Standard"-bezmaksas sirdsdarbības mainīguma analīzes programmatūru nekomerciāliem pētījumiem un personīgai lietošanai. Šis rīks ļauj ne tikai uzzīmēt grafikus no vienkārša teksta faila (jums ir jānoņem laika zīmogi), bet arī veikt statistiskus un matemātiskus novērtējumus (ieskaitot FFT) un izveidot neticami detalizētu un vērtīgu pārskatu, piemēram, zemāk pievienoto.

Atcerieties, ka tikai specializēts ārsts var izlemt, kādi eksāmeni ir nepieciešami sporta praksei jebkurā līmenī, un novērtēt to rezultātus.

Šī pamācība ir uzrakstīta ar vienīgo nolūku radīt interesi un prieku par elektronikas pielietošanu veselības aprūpē.

Es ceru, ka jums patika, komentāri ir laipni gaidīti!