Kardio duomenų kaupiklis: 7 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:48

Nors šiais laikais yra daug nešiojamųjų prietaisų (išmaniųjų juostų, išmaniųjų laikrodžių, išmaniųjų telefonų ir kt.), Kurie gali aptikti širdies ritmą (HR) ir atlikti pėdsakų analizę, tačiau krūtinės diržais pagrįstos sistemos (pvz., Viršutinėje nuotraukos dalyje) vis dar yra plačiai paplitęs ir naudojamas, tačiau neturi galimybės įrašyti ir eksportuoti matavimų pėdsakų.

Ankstesniame „Instructable Cardiosim“aš pristatiau krūtinės diržo (kardio) simuliatorių, kuriame paaiškinu, kad vienas iš kitų mano žingsnių buvo sukurti širdies ritmo duomenų registratorių. Dabar esu pasirengęs jį pateikti šioje instrukcijoje. Šio nešiojamojo įrenginio funkcija yra priimti HR signalą, kurį siunčia krūtinės diržo diržas (arba „Cardiosim“simuliatorius) per treniruotę (treniruotė/važiavimas dviračiu/bėgimas, …), ir įrašyti pėdsaką į SD kortelę, kad atlikite veiklos po treniruotės analizę (išsamiau žr. paskutiniame skyriuje).

Įrenginį maitina įkraunama baterijų sistema, įskaitant įkrovimo grandinę ir nuolatinės srovės stiprinimo reguliatorių.

Iš savo nenaudojamos medžiagos „sandėlio“išmečiau tinkamą plastikinį dėklą (135 mm x 45 mm x 20 mm) ir pritaikiau grandinės išdėstymą, kad jis derėtų tarpusavyje, sukurdamas veikiantį prototipą, atitinkantį mano poreikius (bet kurio realizavimas palieka erdvės) pagerėjimas:-))

1 žingsnis: Trumpas aprašymas

Žiūrėkite „Cardiosim Instructable“1 žingsnį, kad galėtumėte greitai susipažinti su tokio tipo prietaisų naudojama LFMC (žemo dažnio magnetinio ryšio) technologija.

Pirmasis mano ketinimas buvo naudoti „Sparkfun RMCM01“modulį kaip imtuvo sąsają, tačiau šio produkto nebėra (jau nekalbant apie tai, kad jis buvo gana brangus).

Tačiau, žiūrėdamas į internetą, radau šią įdomią mokymo programą, kurioje pateikiami keli alternatyvūs sprendimai, kaip pakeisti RMCM01. Aš pasirinkau trečiąjį variantą („Peter Borst Design“, ačiū Peter!), Pasiekdamas puikų rezultatą, naudodamas tuos pačius „Cardiosim“L/C komponentus, kad ir kaip čia prijungtus kaip lygiagretus rezonansinis bakas. Aptiktas signalas sustiprinamas, „išvalomas“, dekoduojamas ir persiunčiamas į „Arduino Pro Mini“mikrovaldiklį. Programa patvirtina gautus impulsus, matuoja širdies ritmą (arba geriau intervalą tarp dviejų iš eilės einančių impulsų) ir saugo visus išmatuotus intervalus ASCII teksto faile (viena eilutė kiekvienam galiojančiam impulsui, po 16 simbolių, įskaitant intervalą, laiko žymę ir LF/CR) „microSD“kortelėje. Darant prielaidą, kad vidutinis širdies ritmas yra 80 dūžių per minutę, valandos įrašymui reikia tik (4800 teksto eilučių x 16 simbolių) = 76800 /1024 = 75 kBytes, todėl net pigi 1 GB SD kortelė suteikia daug įrašymo galimybių.

Įrašymo metu galite įterpti žymeklio linijas, kad padalytumėte pėdsaką ir atskirai įvertintumėte skirtingas sesijos fazes.

2 žingsnis: „LiPo“maitinimo šaltinis - schemos, dalys ir surinkimas

Maitinimo blokas užima korpuso apačią. Išskyrus „trimpot“, nė vienas komponentas neviršija 7 mm aukščio, o tai suteikia vietos montuoti HR imtuvą ir mikrovaldiklio grandinę virš maitinimo šaltinio.

Aš naudoju šias dalis:

• 3,7 V LiPo baterija (bet kurią telefono bateriją galima perdirbti, sumažinta talpa čia nėra problema)
• USB TP4056 įkrovimo modulis, aš jį nusipirkau čia
• SX1308 nuolatinės srovės stiprinimo keitiklis, aš jį nusipirkau čia
• Maža prototipų lenta 40 x 30 mm
• Kabelis su JST jungtimi 2, 54 mm 2 kaištis, kaip šis
• (pasirinktinai) JST jungtis 2 mm 2 kontaktų, kaip ši

• (neprivaloma) Kabelis su JST jungtimi 2 mm 2 kontaktų, kaip šis

Paskutinių dviejų elementų naudojimas priklauso nuo naudojamos baterijos ir nuo to, kaip ketinate ją prijungti prie įkroviklio modulio. Aš siūlau 2 mm JST jungtį, nes daugelis baterijų tiekiamos su jau prijungtu kabeliu ir 2 mm kištuku, bet koks kitas sprendimas yra tinkamas, jei tik prireikus galima lengvai pakeisti bateriją. Bet kokiu atveju, būkite atsargūs, kad surinkimo metu išvengtumėte trumpojo jungimo tarp akumuliatoriaus polių.

TP4056 modulis maitinamas iš mikro USB prievado ir yra skirtas įkrauti įkraunamas ličio baterijas naudojant nuolatinės srovės / pastovios įtampos (CC / CV) įkrovimo metodą. Be saugaus ličio baterijos įkrovimo, modulis taip pat užtikrina būtiną apsaugą, kurios reikalauja ličio baterijos.

SX1308 yra didelio efektyvumo nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės reguliavimo keitiklis, palaikantis pastovią išėjimo įtampą +5 V esant minimaliai 3 V įėjimo įtampai, taip leidžiantis visiškai išnaudoti akumuliatoriaus talpą. Prieš prijungdami mikrovaldiklio grandinę, sureguliuokite išėjimo įtampą +5V trimpu!

Bendras duomenų kaupiklio sunaudojimas yra apie 20 mA, todėl net panaudota baterija, kurios likutinė talpa yra 200 mAh (<20% pradinės naujos telefono baterijos talpos), leis įrašyti 10 valandų. Vienintelis trūkumas yra tai, kad SX1308 ramybės srovė yra apie 2 mA, todėl geriau atjunkite akumuliatorių, jei ilgą laiką nenaudosite duomenų kaupiklio.

Dėl mažo dydžio abu moduliai turi būti pritvirtinti naudojant jungiamąsias angas, skirtas elektros ir mechaniniam sujungimui su prototipų plokšte, per trumpus varinės vielos gabalus. Savo ruožtu plokštė prie korpuso pagrindo pritvirtinama 3 mm x 15 mm varžtu (ilgis yra pakankamas, kad tuo pačiu varžtu pritvirtintumėte aukščiau esančią mikrovaldiklio grandinę). Plokštėje yra JST 2 mm akumuliatoriaus jungtis (galima tik SMD versijoje, tačiau sulenkus kaiščius vertikaliai galite ją „pasukti“PTH versijoje) ir visus laidus pagal schemas. Tik norėdamas būti tikras, priklijavau jungties korpusą prie plokštės, kad gaučiau gerą mechaninį sandarumą.

Baterija padėta plokščia likusioje korpuso dugno srityje, o už jos yra antras 3 mm x 15 mm varžtas su 8 mm vertikaliu tarpikliu, kad būtų išvengta kontaktų tarp akumuliatoriaus viršaus (kuris vis tiek yra izoliuotas) ir dugno. viršutinė grandinė.

3 žingsnis: HR imtuvas ir duomenų kaupiklis - schemos, dalys ir surinkimas

Pagrindinę plokštę sudaro:

• Prototipų lenta 40 mm x 120 mm
• Induktyvumas 39mH, naudojau BOURNS RLB0913-393K
• 2 x 22 nF kondensatorius
• Kondensatorius 4.7nF
• Kondensatorius 47nF
• Kondensatorius 39pF
• Elektrolitinis kondensatorius 10uF/25V
• Elektrolitinis kondensatorius 1uF/50V
• 3 x 10K rezistorius
• 2 x 100K rezistorius
• 3 x 1K rezistorius
• 4 x rezistorius 220R
• Rezistorius 1M
• Rezistorius 47K
• Rezistorius 22K
• Trimpot 50K
• Diodas 1N4148
• Šviesos diodas 3 mm mėlynas
• 2 x LED 3 mm žalios spalvos
• Šviesos diodas 3 mm geltonas
• LED 3 mm raudona
• Dviejų mažo triukšmo JFET įvesties operatyviniai stiprintuvai TL072P
• Šešiakampis invertuojantis Schmitt paleidimo įrenginys 74HC14
• JST jungtis 2,54 mm 2 kaištis, kaip šis
• 2 x mikrojungikliai, „Alcoswitch“tipo
• Mikrokontroleris Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• „Micro SD“kortelės modulis SPI 5V iš „DFRobots“

L1 ir C1 sudaryto lygiagretaus rezonansinio bako rezonanso dažnis yra apie 5,4 kHz, o tai pakankamai tiksliai atitinka perduodamo signalo magnetinio lauko nešiklio 5,3 kHz dažnį, kad jį paverstų įtampa. Atminkite, kad daugeliu atvejų nešiklis yra moduliuojamas paprasto OOK (On-OFF Keying) formato pagrindu, kai kiekvienas širdies impulsas nešiklį įjungia maždaug 10 ms. Aptiktas signalas yra labai silpnas (paprastai 1 mV sinusinė banga 60–80 cm atstumu nuo šaltinio, jei induktyvumo ašis tinkamai suderinta su magnetiniu lauku), todėl jį reikia kruopščiai sustiprinti, kad būtų išvengta trukdžių ir suklastotų aptikimai. Siūloma grandinė yra mano pastangų ir valandų bandymų skirtingomis sąlygomis rezultatas. Jei norite gilinti šį aspektą ir galbūt jį patobulinti, pažvelkite į kitą žingsnį, kitaip galite jį praleisti.

Šie „Schmitt Trigger“vartai atlieka skaitmeninimo ir piko aptikimo funkciją, atkurdami pradinį moduliuojantį signalą, kuris persiunčiamas į „Arduino Pro Mini“.

„Pro Mini“mikrovaldiklio plokštė puikiai tinka šiam projektui, nes plokštėje esantis kristalas leidžia labai tiksliai atlikti matavimus (kurie yra būtini „medicininiu požiūriu“, žr. Paskutinį žingsnį), ir tuo pačiu metu joje nėra jokių kitų nereikalingas įrenginys, todėl sunaudojama mažai energijos. Vienintelis trūkumas yra tas, kad norint įkelti kodą, jums reikės FTDI sąsajos, kad galėtumėte prijungti „Pro Mini“prie kompiuterio USB prievado. „Pro Mini“yra prijungtas prie:

• S1 jungiklis: pradėkite įrašymą
• Jungiklis S2: įdėkite žymeklį
• Mėlynas šviesos diodas: mirksi aptikus tinkamą impulsą
• Žalia lemputė: įrašymas pradėtas
• Geltonas šviesos diodas: žymeklis įdėtas (trumpai mirksi) / skirtasis laikas (fiksuotas)
• „MicroSD“kortelės modulis (per SPI magistralę)

Skirtingai nuo daugelio SD kortelių modulių, kurie veikia esant 3,3 V įtampai, „DFRobot“modulis veikia esant 5 V įtampai, todėl nereikia jokio lygio perjungiklio.

Kalbant apie surinkimą, galite pastebėti, kad aš padalijau prototipų plokštę į dvi dalis, sujungtas su dviem mažais „tiltais“iš standžios 1 mm varinės vielos. Tai buvo būtina norint pakelti „MicroSD“kortelės modulį į trečiąjį „konstrukcijos lygį“ir suderinti jį su korpuso išpjova, tiesiai virš USB prievado plyšio. Be to, ant pačios plokštės iškirpiau tris įdubas: vieną, kad galėčiau pasiekti DC/DC keitiklio potenciometrą, kitą - prieiti prie „Arduino Pro Mini“serijinės magistralės jungties (sumontuota „žemyn“), o trečią - induktyvumas.

4 žingsnis: HR imtuvas - prieskonių modeliavimas

Pradėdamas nuo Peter Borst dizaino, kurį minėjau anksčiau, mano tikslas buvo kiek įmanoma išplėsti aptikimo diapazoną, tuo pačiu apribojant jautrumą trikdžiams ir klaidingų impulsų generavimą.

Aš nusprendžiau pakeisti originalų vieno „Op-Amp“sprendimą, nes jis pasirodė esąs pernelyg jautrus trikdžiams, tikriausiai dėl to, kad 10M grįžtamojo ryšio rezistoriaus vertė yra per didelė, ir padalinti bendrą pelną į du etapus.

Abiejų pakopų nuolatinės srovės stiprinimas G = 100, mažėjantis apie 70 @5.4KHz, tačiau su skirtinga įėjimo varža, siekiant optimizuoti jautrumą.

Taigi tarkime, kad silpniausio LC bako generuojamo signalo įtampa yra 1 mV.

Jei visą imtuvo grandinę perkelsime į „Spice“aplinką (aš naudoju ADIsimPE), pakeisdamas lygiagrečią LC grandinę į tos pačios įtampos ir dažnio (5,4 KHz) sinusinį generatorių ir paleisime modeliavimą, pastebėsime, kad išėjimo įtampa V1 nuo 1 d. stiprintuvas vis dar yra sinusinė banga (dėl mastelio koeficiento įvesties sinusinė banga nėra pastebima), ti stiprintuvas veikia tiesinėje zonoje. Tačiau po antrojo etapo išėjimo įtampa V2 rodo, kad dabar pasiekiame sotumą (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Tiesą sakant, „TL07x“šeima nėra sukurta nuo bėgių iki bėgių išeinančiam diapazonui, tačiau to pakanka, kad su saugia riba būtų viršyti abu „Schmitt Trigger“vartų slenksčio lygiai ir sukuriama švari kvadratinė banga (V3).

5 žingsnis: programinė įranga

Dėl didelio imtuvo pakopos stiprumo ir nepaisant to, kad piko detektoriaus pakopa iš esmės veikia kaip žemo dažnio filtras, „Arduino Pro Mini“D3 kaiščio įvesties signalas vis tiek gali būti stipriai sutrikdytas ir turi būti iš anksto apdorotas skaitmeniniu būdu. galiojimo patikrinimas, ar nėra klaidingų aptikimų. Kodas užtikrina, kad būtų laikomasi dviejų sąlygų, kad impulsas būtų laikomas galiojančiu:

1. Pulsas turi trukti mažiausiai 5 ms
2. Mažiausias priimtinas intervalas tarp dviejų iš eilės einančių impulsų yra 100 ms (atitinka 600 dūžių per minutę, toli už sunkios tachikardijos ribos!)

Patvirtinus impulsą, intervalas (ms) nuo ankstesnio matuojamas ir saugomas SD kortelėje faile „datalog.txt“kartu su laiko žyma hh: mm: ss formatu, kur 00:00: 00 reiškia paskutinio mikrovaldiklio iš naujo nustatymo laiką. Jei trūksta SD kortelės, užsidega raudonas šviesos diodas, rodantis klaidą.

Naują įrašymo pėdsaką galima pradėti/sustabdyti naudojant pradžios/sustabdymo jungiklį S1 ir jis bus atpažįstamas žymeklio eilutėmis „; Pradėti“ir „; Sustabdyti“atitinkamai teksto failo pradžioje ir pabaigoje.

Jei impulsas neaptinkamas ilgiau nei 2400 ms (25 dūžių per minutę), į failą įdedama žymeklio eilutė „; Timeout“ir įjungiamas geltonas šviesos diodas D4.

Jei įrašymo metu paspaudžiamas žymeklio jungiklis S2, faile įrašoma papildoma žymeklio eilutė formatu „; MarkerNumber“, automatiškai didinant žymeklio skaičių, pradedant nuo 0, ir netrukus mirksi geltonas šviesos diodas.

Pridėtas visas „Arduino“kodas.

6 žingsnis: pradinis nustatymas ir bandymas

7 žingsnis: naudojimas - medicininė signalų analizė

Mano naudojama korpuso forma yra pakankamai artima išmaniojo telefono formai, todėl rinkoje galite rasti daugybę priedų, kuriuos galite dėvėti ar pritvirtinti prie treniruoklių. Ypač dviračiui galiu pasiūlyti universalų išmaniojo telefono laikiklį „Finn“, kurį pagamino Austrijos dviračių piliečių kompanija. Pigus (15,00 EUR) ir lengvai montuojamas, jis yra tikrai universalus ir, kaip matote paveikslėlyje, puikiai tinka ir „Cardio Data Logger“

Paprasčiausias būdas naudoti duomenų registratoriaus įrašytus neapdorotus duomenis yra nubraižyti juos grafike naudojant standartines kompiuterio programas (pvz., „Excel“). Palyginę grafikus, gautus kartojant tą patį pratimą, arba analizuojant koreliaciją tarp HR variacijų ir fizinių pastangų, galite optimizuoti jėgų dozę veiklos metu.

Tačiau labiausiai domina žmogiškųjų išteklių, ypač HR kintamumo (HRV), tyrimas medicinos tikslais. Skirtingai nuo EKG sekos, HR pėdsakuose nėra tiesioginės informacijos apie širdies raumens funkcionavimą. Tačiau jo analizė statistiniu požiūriu leidžia gauti kitos klinikinės svarbos informacijos.

Išsamiausias žinių apie HRV šaltinis yra Suomijos bendrovė KUBIOS. Jų svetainėje galite rasti daug informacijos apie biomedicinos signalus ir atsisiųsti „KUBIOS HRV Standard“, nemokamą širdies ritmo kintamumo analizės programinę įrangą, skirtą nekomerciniams tyrimams ir asmeniniam naudojimui. Šis įrankis leidžia ne tik sudaryti grafikus iš paprasto teksto failo (turite pašalinti laiko žymes), bet ir atlikti statistinius bei matematinius vertinimus (įskaitant FFT) ir parengti neįtikėtinai išsamią ir vertingą ataskaitą, kaip nurodyta toliau.

Atminkite, kad tik specializuotas gydytojas gali nuspręsti, kokie egzaminai reikalingi bet kokio lygio sporto praktikai, ir įvertinti jų rezultatus.

Ši instrukcija buvo parašyta vieninteliu tikslu - sudominti ir linksminti elektronikos pritaikymą sveikatos priežiūrai.

Tikiuosi, kad patiko, komentarai laukiami!