Kardiyo Veri Kaydedici: 7 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:20

Günümüzde Kalp Atış Hızını (KH) tespit edebilen ve iz analizi yapabilen birçok taşınabilir cihaz (akıllı bantlar, akıllı saatler, akıllı telefonlar,…) mevcut olmasına rağmen, göğüs kemeri tabanlı sistemler (resmin üst kısmındaki gibi) hala mevcuttur. yaygın ve kullanılmış, ancak ölçümlerin izini kaydetme ve dışa aktarma olanağından yoksun.

Önceki Instructable Cardiosim'imde, bir sonraki adımlarımdan birinin bir kalp atış hızı veri kaydedicisi geliştirmek olduğunu açıklayan bir göğüs kemeri kemeri (Kardiyo) simülatörü sunmuştum. Şimdi bu Eğitilebilir Tabloda sunmaya hazırım. Bu portatif ünitenin işlevi, bir antrenman seansı (egzersiz/bisiklet/koşu,…) sırasında bir göğüs kemeri kemeri (veya Cardiosim simülatörü) tarafından gönderilen HR sinyalini almak ve takip etmek için izi bir SD karta kaydetmektir. eğitim sonrası performans analizi yapın (son bölümdeki ayrıntılara bakın).

Ünite, şarj devresi ve DC boost regülatörü de dahil olmak üzere yeniden şarj edilebilir bir pil sistemi ile çalışır.

Kullanılmayan malzemeden oluşan "depomdan" uygun bir plastik kasa (135mm x 45mm x 20mm) çıkardım ve devrenin düzenini birbirine uyacak şekilde uyarlayarak ihtiyaçlarımı karşılayan (ancak gerçekleştirilmesi bana yer bırakan) bir çalışma prototipi oluşturdum. Gelişme:-))

Adım 1: Kısa Açıklama

Bu tür cihazlar tarafından kullanılan LFMC (Düşük Frekanslı Manyetik İletişim) teknolojisi hakkında hızlı bir giriş için lütfen Cardiosim Talimatının 1. Adımına bakın.

İlk amacım Sparkfun RMCM01 modülünü alıcı arayüzü olarak kullanmaktı, ancak bu ürün artık mevcut değil (oldukça pahalı olduğunu bir yana bırakın).

Ancak, WEB'e baktığımda, RMCM01'i değiştirmek için bazı alternatif çözümler gösteren bu ilginç Öğreticiyi buldum. Ben 3. seçeneği seçtim ("Peter Borst Design", teşekkürler Peter!), Cardiosim'in aynı L/C bileşenlerini kullanarak, ancak buraya paralel rezonans tankı olarak bağlıyken mükemmel bir sonuç elde ettim. Algılanan sinyal güçlendirilir, "temizlenir", kodu çözülür ve bir Arduino Pro Mini mikro denetleyicisine iletilir. Program alınan darbeleri doğrular, kalp atış hızını ölçer (veya daha iyisi iki ardışık darbe arasındaki aralığı) ve ölçülen tüm aralıkları bir ASCII metin dosyasında saklar (geçerli darbe başına bir satır, her biri aralık, zaman damgası ve LF/CR dahil 16 karakter) microSD kartta. Ortalama HR'nin 80bpm olduğu varsayıldığında, bir saatlik kayıt yalnızca (4800 metin satırı x 16 karakter) = 76800 / 1024 = 75kByte'a ihtiyaç duyar, bu nedenle ucuz bir 1GB SD kart bile bol miktarda kayıt kapasitesi sunar.

Kayıt sırasında izi bölmek ve farklı oturum aşamalarını ayrı ayrı değerlendirmek için işaretçi çizgileri ekleyebilirsiniz.

Adım 2: LiPo Güç Kaynağı - Şemalar, Parçalar ve Montaj

Güç Kaynağı kasanın altını kaplar. Trimpot dışında hiçbir bileşen 7 mm'yi geçmez, bu da HR alıcısını ve mikro denetleyici devresini güç kaynağının üzerine monte etmek için yer sağlar.

Aşağıdaki parçaları kullandım:

• 3.7V LiPo pil (herhangi bir telefon pili geri dönüştürülebilir, azaltılmış kapasite burada bir sorun değildir)
• USB TP4056 şarj modülü, buradan aldım
• SX1308 DC boost dönüştürücü, buradan aldım
• Küçük prototipleme tahtası 40 x 30 mm
• JST konektörlü kablo 2, 54mm 2 pin, bunun gibi
• (isteğe bağlı) JST konektörü 2mm 2 pin, bunun gibi

• (isteğe bağlı) JST konektörlü 2 mm 2 pimli kablo, bunun gibi

Son iki öğenin kullanımı, kullanacağınız pile ve onu şarj modülüne bağlama şeklinize bağlıdır. 2mm JST konektörü öneririm çünkü birçok pil zaten takılı kablo ve 2mm fiş ile teslim edilir, gerekirse pilin kolayca değiştirilmesine izin verdiği sürece başka herhangi bir çözüm yeterlidir. Her durumda, montaj sırasında akü kutupları arasında kısa devre olmamasına dikkat edin.

TP4056 modülü, bir mikro USB bağlantı noktasından güç alır ve sabit akım / sabit voltaj (CC/CV) şarj yöntemini kullanarak şarj edilebilir lityum pilleri şarj etmek için tasarlanmıştır. Modül, bir lityum pili güvenli bir şekilde şarj etmenin yanı sıra, lityum pillerin gerektirdiği gerekli korumayı da sağlar.

SX1308, minimum 3V giriş voltajıyla çıkış voltajını +5V'de sabit tutan ve böylece pil kapasitesinin tam olarak kullanılmasını sağlayan yüksek verimli bir DC/DC Yükseltilebilir Ayarlanabilir Dönüştürücüdür. Mikrodenetleyici devresini bağlamadan önce trimpot ile çıkış voltajını +5V'a ayarlayın!

Veri Kaydedicinin toplam tüketimi yaklaşık 20mA'dır, bu nedenle artık kapasitesi 200 mAh olan kullanılmış bir pil bile (yeni bir telefon pilinin başlangıç kapasitesinin < %20'si) 10 saat kayıt yapılmasına izin verir. Tek dezavantajı SX1308 sessiz akımının 2mA civarında olmasıdır, bu nedenle Data Logger'ı uzun süre kullanmayacaksanız pili çıkarmanız daha iyi olur.

Küçük boyutu nedeniyle, prototipleme panosu ile hem elektriksel hem de mekanik bağlantı için bağlantı delikleri kullanılarak her iki modülün de kısa bakır tel parçaları ile sabitlenmesi gerekir. Kart, kasanın tabanına 3mm x 15mm vida ile takılır (uzunluk aynı vida ile yukarıdaki mikrodenetleyici devresini sabitlemek için yeterlidir). Kart, pil için JST 2mm konektörüne (yalnızca SMD versiyonunda mevcuttur, ancak pinleri dikey olarak katlayarak bir PTH versiyonunda "çevirebilirsiniz") ve tüm kabloları şemaya göre barındırır. Emin olmak için, iyi bir mekanik conta elde etmek için konektörün gövdesini panoya yapıştırdım.

Pil, kasa tabanının geri kalan kısmına düz bir şekilde yerleştirilmiştir ve arkasında, pilin üst kısmı (zaten yalıtkan olan) ile pilin altı arasındaki temasları önlemek için 8 mm dikey ara parçaya sahip ikinci bir 3 mm x 15 mm vida vardır. üst devre.

Adım 3: İK Alıcısı ve Veri Kaydedici - Şemalar, Parçalar ve Montaj

Ana kurul şunlardan oluşur:

• Prototip tahtası 40mm x 120mm
• Endüktans 39mH, BOURNS RLB0913-393K kullandım
• 2 x Kondansatör 22nF
• Kapasitör 4.7nF
• Kapasitör 47nF
• Kapasitör 39pF
• Elektrolitik Kondansatör 10uF/25V
• Elektrolitik Kondansatör 1uF/50V
• 3 x Direnç 10K
• 2 x Direnç 100K
• 3 x Direnç 1K
• 4 x Direnç 220R
• Direnç 1M
• Direnç 47K
• Direnç 22K
• Trimpot 50K
• diyot 1N4148
• LED 3mm Mavi
• 2 x LED 3mm Yeşil
• LED 3mm Sarı
• LED 3mm Kırmızı
• Çift Düşük Gürültülü JFET Girişli İşlemsel Yükselteç TL072P
• Hex Ters Çevirme Schmitt Tetikleyici 74HC14
• JST konektörü 2.54mm 2 Pin, bunun gibi
• 2 x mikro anahtar, Alcoswitch tipi
• Mikrodenetleyici Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• DFRobots'tan Micro SD kart modülü SPI 5V

L1 ve C1'den oluşan paralel rezonans tankının rezonans frekansı, iletilen sinyalin manyetik alan taşıyıcısının 5.3 kHz'ini bir voltaja dönüştürmek için yeterince yakın olan 5.4 kHz civarındadır. Çoğu durumda, taşıyıcının, her kalp atışının taşıyıcıyı yaklaşık 10 ms boyunca "AÇIK" hale getirdiği basit bir OOK (Açık-Kapalı Anahtarlama) formatı temelinde modüle edildiğini unutmayın. Tespit edilen sinyal çok zayıf (endüktans ekseninin manyetik alanla düzgün bir şekilde hizalanması şartıyla, kaynaktan 60-80 cm mesafede tipik olarak 1mV'lik bir sinüs dalgası), bu nedenle parazitleri ve sahtekarlığı önlemek için dikkatlice yükseltilmesi gerekir. tespitler. Önerilen devre, en iyi çabalarım ve farklı koşullarda saatlerce süren testlerin sonucudur. Bu yönü derinleştirmek ve belki geliştirmekle ilgileniyorsanız, bir sonraki adıma bir göz atın, aksi takdirde atlayabilirsiniz.

Aşağıdaki Schmitt Trigger kapıları, Arduino Pro Mini'ye iletilen orijinal modülasyon sinyalini geri yükleyerek dijitalleştirme ve bir tepe algılama işlevi gerçekleştirir.

Pro Mini mikrodenetleyici kartı bu proje için mükemmeldir, çünkü gemideki kristal, ölçümlerin yüksek hassasiyetine izin verir ("tıbbi" bakış açısı altında önemlidir, son adıma bakın) ve aynı zamanda başka hiçbir şeyden bağımsızdır. gerekli olmayan cihaz, bu da düşük güç tüketimi ile sonuçlanır. Tek dezavantajı, kodu yüklemek için Pro Mini'yi bilgisayarınızın USB portuna bağlamak için bir FTDI arayüzüne ihtiyacınız olacak olmasıdır. Pro Mini şunlara bağlıdır:

• Anahtar S1: Kaydı başlat
• Anahtar S2: İşaretleyiciyi yerleştirin
• Mavi LED: geçerli bir darbe algılandığında yanıp söner
• Yeşil LED: Kayıt başladı
• Sarı LED: İşaretleyici takıldı (kısa yanıp sönme) / Zaman aşımı (sabit)
• MicroSD kart modülü (SPI veri yolu aracılığıyla)

3.3V'ta çalışan birçok SD kart modülünden farklı olarak, DFRobot modülü 5V'ta çalışır, bu nedenle seviye değiştiriciye gerek yoktur.

Montaja gelince, prototip panosunu iki küçük "köprü" sert 1 mm bakır tel ile bağlı iki parçaya böldüğümü fark edebilirsiniz. Bu, MicroSD kart modülünü üçüncü bir "yapı düzeyine" yükseltmek ve onu, USB bağlantı noktasının hemen üzerindeki, kasaya oyduğum girinti ile hizalamak için gerekliydi. Ayrıca, kartın kendisinde, biri DC/DC dönüştürücünün potansiyometresine erişmek için, diğeri Arduino Pro Mini'nin seri veri yolunun konektörüne erişmek için ("yüz aşağı" monte edilmiş) ve üçüncüsü için üç girinti yaptım. indüktans.

Adım 4: İK Alıcısı - Baharat Simülasyonu

Daha önce bahsettiğim Peter Borst'un tasarımından yola çıkarak amacım, algılama aralığını mümkün olduğunca genişletmeye çalışmak ve aynı zamanda parazitlere ve yanlış darbelerin üretilmesine karşı hassasiyeti sınırlamaktı.

Orijinal tek Op-Amp çözümünü değiştirmeye karar verdim çünkü parazitlere karşı çok hassas olduğu kanıtlandı, muhtemelen 10M geri besleme direncinin değeri çok yüksek olduğu için ve genel kazancı iki aşamaya böldüm.

Her iki aşamada da DC kazancı G =100, 70 @5.4KHz civarında azalır, ancak hassasiyeti optimize etmek için farklı giriş empedansı vardır.

Öyleyse LC tankı tarafından üretilen en zayıf sinyalin voltajının 1mV olduğunu varsayalım.

Bir Spice ortamında tüm alıcı devresini transpoze edersek (Ben ADIsimPE kullanıyorum) LC paralel devresini aynı gerilim ve frekansta (5.4KHz) sinüs üreteci ile değiştirip simülasyonu çalıştırırsak 1. amplifikatör hala bir sinüs dalgasıdır (ölçek faktörü nedeniyle giriş sinüs dalgası kayda değer değildir), ti amplifikatör doğrusal bölgede çalışıyor. Ancak ikinci aşamadan sonra çıkış voltajı V2 artık doygunluğa ulaştığımızı gösteriyor (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Aslında TL07x ailesi, raydan raya çıkış aralığı için tasarlanmamıştır, ancak bu, Schmitt Trigger kapısının her iki eşik seviyesini de güvenli bir marjla aşmak ve temiz bir kare dalga (V3) oluşturmak için yeterlidir.

Adım 5: Yazılım

Alıcı aşamasının yüksek kazancı nedeniyle ve temelde düşük geçiş filtresi olarak hareket eden tepe dedektör aşamasına rağmen, Arduino Pro Mini'nin D3 pinindeki giriş sinyali hala güçlü bir şekilde bozulabilir ve dijital olarak önceden işlenmesi gerekir. yanlış tespitlere karşı geçerlilik kontrolü. Kod, bir darbeyi geçerli olarak değerlendirmek için iki koşulun karşılanmasını sağlar:

1. Darbe en az 5 ms sürmelidir
2. İki ardışık darbe arasındaki kabul edilebilir minimum aralık 100 ms'dir (600 bpm'ye karşılık gelir, şiddetli taşikardi sınırının çok ötesindedir!)

Darbe doğrulandıktan sonra, önceki aralık (ms cinsinden) ölçülür ve SD kartta "datalog.txt" dosyasında, ss:dd:ss biçiminde bir zaman damgasıyla birlikte saklanır, burada 00:00: 00, mikrodenetleyicinin son sıfırlama zamanını temsil eder. SD kart yoksa, kırmızı LED yanar ve hatayı gösterir.

Yeni bir kayıt izi Başlat/Durdur anahtarı S1 ile başlatılabilir/durdurulabilir ve metin dosyasının başında ve sonunda sırasıyla bir ";Başlat" ve ";Durdur" işaretçi çizgisi ile tanımlanacaktır.

2400 ms'den (25 bpm) daha uzun bir süre boyunca darbe algılanmazsa, dosyaya bir işaret çizgisi ";Zaman aşımı" yerleştirilir ve sarı LED D4 yanar.

Kayıt sırasında Marker Switch S2'ye basılırsa, "MarkerNumber" formatında ek bir markör satırı 0'dan başlayarak markör numarası otomatik olarak artırılarak dosyaya yazılır ve sarı LED kısa süre yanıp söner.

Arduino kodunun tamamı eklendi.

Adım 6: İlk Kurulum ve Test

7. Adım: Kullanım - Tıbbi Sinyal Analizi

Kullandığım muhafazanın şekli bir akıllı telefona yeterince yakın, bu yüzden piyasada onu giymek veya bir egzersiz ekipmanına monte etmek için birçok aksesuar bulabilirsiniz. Özellikle bisiklet için Avusturyalı Bisiklet Vatandaşları şirketi tarafından üretilen "Finn" adlı evrensel akıllı telefon tutucusunu önerebilirim. Ucuz (15, 00 €) ve montajı kolaydır, gerçekten evrenseldir ve resimde de görebileceğiniz gibi Kardiyo Veri Kaydedici için de mükemmel

Data Logger tarafından kaydedilen ham verileri kullanmanın en basit yolu, bunları standart PC programları (örneğin Excel) kullanarak bir grafikte çizmektir. Aynı egzersizi tekrarlayarak elde edilen grafikleri karşılaştırarak veya KH varyasyonları ile fiziksel çabalar arasındaki korelasyonu analiz ederek, aktivite sırasında kuvvetlerin dozajını optimize edebilirsiniz.

Ancak en büyük ilgi, tıbbi amaçlar için İK'nın ve özellikle İK Değişkenliğinin (HRV) incelenmesidir. Bir EKG izinden farklı olarak, HR izi kalp kasının işleyişi hakkında doğrudan bilgi içermez. Bununla birlikte, istatistiksel bir bakış açısından analizi, klinik açıdan ilgi çekici diğer bilgilerin elde edilmesini sağlar.

HRV hakkında en kapsamlı bilgi kaynağı Fin KUBIOS firmasıdır. Sitelerinde Biyomedikal Sinyaller hakkında birçok bilgi bulabilir ve ticari olmayan araştırma ve kişisel kullanım için ücretsiz bir kalp atış hızı değişkenliği analiz yazılımı olan "KUBIOS HRV Standard"ı indirebilirsiniz. Bu araç, yalnızca basit bir metin dosyasından grafikler çizmenize (zaman damgalarını kaldırmanız gerekir) değil, aynı zamanda istatistiksel ve matematiksel değerlendirmeler yapmanıza (FFT dahil) ve aşağıda ekteki gibi inanılmaz derecede ayrıntılı ve değerli bir rapor üretmenize izin verir.

Herhangi bir düzeyde spor pratiği için hangi sınavların gerekli olduğuna yalnızca uzman bir doktorun karar verebileceğini ve sonuçlarını değerlendirebileceğini unutmayın.

Bu Eğitilebilir Tablo, elektroniklerin sağlık hizmetlerine uygulanmasında ilgi ve eğlence yaratmak amacıyla yazılmıştır.

Umarım beğenmişsinizdir, yorumlara açığız!