Kardio zapisnik podataka: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Iako su danas dostupni mnogi prijenosni uređaji (pametni pojasevi, pametni satovi, pametni telefoni…) koji mogu detektirati otkucaje srca (HR) i izvršiti analizu tragova, sustavi temeljeni na pojasevima na prsima (poput onog u gornjem dijelu slike) rasprostranjena i korištena, ali nema mogućnost snimanja i izvoza traga mjerenja.

U svom prethodnom Cardiosimu s instrukcijama predstavio sam simulator pojasa za grudni remen (Cardio) s objašnjenjem da je jedan od mojih sljedećih koraka bio razvoj zapisivača podataka o pulsu. Sada sam spreman predstaviti ga u ovom Instructable -u. Funkcija ove prijenosne jedinice je primanje HR signala koji šalje remen na prsima (ili Cardiosim simulator) tijekom sesije treniranja (vježba/biciklizam/trčanje, …) i snimanje traga na SD karticu, kako bi izvršiti analizu učinka nakon treninga (vidi detalje u posljednjem poglavlju).

Jedinica se napaja sustavom 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 kako bi se uklopio, 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 kratak uvod o tehnologiji LFMC (niskofrekventna magnetska komunikacija) koju koriste ove vrste uređaja.

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

Međutim, gledajući WEB, pronašao sam ovaj zanimljiv Vodič koji prikazuje neka alternativna rješenja za zamjenu RMCM01. Odabrao sam treću opciju ("Peter Borst Design", hvala Petru!), Postigavši izvrstan rezultat koristeći iste L/C komponente Cardiosima, međutim spojene ovdje 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 redak 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 redaka teksta x 16 znakova) = 76800 /1024 = 75 kB, pa čak i jeftina SD kartica od 1 GB nudi veliki kapacitet snimanja.

Tijekom 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 pojačivački pretvarač, kupio sam ga ovdje
• Mala ploča za izradu prototipa 40 x 30 mm
• Kabel s JST konektorom 2, 54 mm 2 pinski, poput ovog
• (opcionalno) JST konektor 2 mm 2 pinski, poput ovog

• (izborno) Kabel s 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 spojenim kabelom i utikačem od 2 mm, svako drugo rješenje je prikladno 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 što sigurno puni litijevu bateriju, modul pruža i neophodnu zaštitu potrebnu litijevim baterijama.

SX1308 je visokoučinkoviti DC/DC Step Up podesivi pretvarač koji održava izlazni napon konstantnim na +5V s minimalnim ulaznim naponom od 3V, čime se omogućuje potpuno iskorištavanje 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 se modula moraju 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 (duljina je dovoljna za pričvršćivanje kruga mikrokontrolera istim vijkom). Na ploči se nalazi JST 2 mm konektor za bateriju (dostupan samo u SMD verziji, ali presavijanjem 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

Glavna ploča sastoji se od:

• 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
• Otpor 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 obrnuti 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 tvrtke DFRobots

Rezonantna frekvencija paralelnog rezonantnog spremnika sastavljenog od L1 i C1 iznosi oko 5,4 kHz, što dovoljno blizu odgovara 5,3 kHz nosioca magnetskog polja prenesenog signala da ga pretvori u napon. Upamtite da je u većini slučajeva nosač moduliran na temelju jednostavnog OOK (On-OFF Keying) formata, gdje svaki srčani puls prebacuje nosač na "ON" na oko 10 ms. Otkriveni signal je vrlo slab (tipično sinusni val od 1 mV na udaljenosti 60-80 cm od izvora, pod uvjetom da je os induktiviteta pravilno poravnata s magnetskim poljem), pa ga je potrebno pažljivo pojačati kako bi se izbjegle smetnje i lažne otkrivanja. Predloženi sklop rezultat je mojih najboljih napora i sati testiranja u različitim uvjetima. Ako ste zainteresirani za produbljivanje ovog aspekta - i možda ga poboljšati - 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 omogućuje visoku preciznost mjerenja (koja su bitna s "medicinskog" gledišta, vidi zadnji korak), a u isto vrijeme je bez ikakvih drugih uređaj nije potreban, što rezultira niskom potrošnjom energije. Jedini nedostatak je što će vam za učitavanje koda trebati FTDI sučelje za povezivanje Pro Mini -a na USB priključak vašeg računala. Pro Mini je spojen na:

• Prekidač S1: započnite snimanje
• Prekidač S2: umetnite označivač
• Plava LED dioda: treperi kada se otkrije valjani impuls
• Zelena LED: Snimanje je započelo
• Žuta LED: Marker umetnut (kratki 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 razine.

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 treću "konstrukcijsku razinu" i poravnavanje s udubljenjem koje sam izrezao 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 induktivitet.

Korak 4: HR prijemnik - simulacija začina

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

Odlučio sam promijeniti originalno rješenje s jednim op-pojačalom jer se pokazalo da je preosjetljivo na smetnje, vjerojatno 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 impedancijom radi optimizacije osjetljivosti.

Pretpostavimo da je napon najslabijeg signala koji generira LC spremnik 1mV.

Ako transponiramo cijeli prijemnički krug u okruženje Spice (koristim ADIsimPE) zamjenjujući LC paralelni krug sinusnim generatorom s istim naponom i frekvencijom (5,4KHz) i pokrećemo simulaciju, uočavamo da je izlazni napon V1 od 1. pojačalo je još uvijek sinusni val (zbog faktora razmjera ulazni sinusni val nije primjetan), ti 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, obitelj TL07x nije dizajnirana za raspon izlaznih linija između tračnica i tračnica, ali to je dovoljno da se sa sigurnom maržom premaše obje razine praga Schmittovog okidača i generira čisti kvadratni val (V3).

Korak 5: Softver

Zbog visokog pojačanja stupnja prijamnika i unatoč tome što stupanj detektora vrha djeluje u osnovi kao niskopropusni filtar, ulazni signal na pinu D3 Arduino Pro Mini još uvijek može biti jako poremećen i potrebno ga je digitalno unaprijed obraditi putem provjera valjanosti protiv lažnih otkrivanja. Kôd osigurava da su ispunjena dva uvjeta da bi se puls smatrao valjanim:

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 provjere pulsa, 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 zadnjeg resetiranja mikrokontrolera. Ako nedostaje SD kartica, svijetli crvena LED lampica što ukazuje na pogrešku.

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

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

Ako se prekidač markera S2 pritisne tijekom snimanja, u datoteku se ispisuje dodatni redak markera u formatu "; MarkerNumber", s automatskim povećanjem broja markera počevši od 0, a žuta LED lampica uskoro treperi.

Priložen je cijeli Arduino kod.

Korak 6: Početno postavljanje i testiranje

Korak 7: Upotreba - Analiza medicinskog signala

Oblik kućišta koji sam koristio dovoljno je blizu obliku pametnog telefona 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 tvrtka 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 računalnih programa (npr. Excel). Usporedbom grafikona dobivenih ponavljanjem iste vježbe ili analizom korelacije između varijacija HR -a i fizičkog napora, možete optimizirati doziranje sila tijekom 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, njezina analiza sa statističkog gledišta omogućuje dobivanje drugih podataka od kliničkog interesa.

Najopsežniji izvor znanja o HRV -u je finska tvrtka KUBIOS. Na njihovim web stranicama možete pronaći mnogo informacija o biomedicinskim signalima i možete preuzeti "KUBIOS HRV Standard", besplatni softver za analizu varijabilnosti otkucaja srca za nekomercijalna istraživanja i osobnu upotrebu. Ovaj alat ne samo da vam može iscrtati grafikone iz jednostavne tekstualne datoteke (morate ukloniti vremenske oznake), već i izvršiti statističke i matematičke procjene (uključujući FFT) i izraditi nevjerojatno detaljno i vrijedno izvješće, poput onog u nastavku.

Zapamtite da samo specijalizirani liječnik može odlučiti koji su ispiti potrebni za sportsku praksu na bilo kojoj razini te 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 svidjelo, komentari su dobrodošli!