Cardio Data Logger: 7 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Walaupun pada masa ini banyak alat mudah alih (band pintar, jam tangan pintar, telefon pintar,…) tersedia yang dapat mengesan Denyut Jantung (HR) dan melakukan analisis jejak, sistem berasaskan tali pinggang dada (seperti yang terdapat di bahagian atas gambar) masih ada meluas dan digunakan, tetapi tidak mempunyai kemungkinan untuk merekod dan mengeksport jejak pengukuran.

Dalam Cardiosim Instructable saya yang lalu, saya telah membentangkan simulator tali pinggang tali pinggang (Cardio) yang menjelaskan bahawa salah satu langkah saya yang seterusnya adalah untuk mengembangkan logger data degupan jantung. Saya sekarang bersedia membentangkannya dalam Instructable ini. Fungsi unit mudah alih ini adalah untuk menerima isyarat HR yang dihantar oleh tali pinggang dada (atau simulator Cardiosim) semasa sesi latihan (latihan / berbasikal / berlari,…) dan untuk merekod jejak pada kad SD, untuk lakukan analisis prestasi selepas latihan (lihat perincian dalam bab terakhir).

Unit ini dikuasakan oleh sistem bateri yang boleh dicas semula, termasuk rangkaian pengisian dan pengatur dorongan DC.

Dari "gudang" bahan yang tidak digunakan, saya mencari kotak plastik yang sesuai (135mm x 45mm x 20mm) dan menyesuaikannya dengan susun atur litar agar sesuai, menjadikan prototaip yang dapat memenuhi keperluan saya (tetapi kesadarannya memberi ruang untuk penambahbaikan:-))

Langkah 1: Penerangan Ringkas

Sila rujuk Langkah 1 dari Cardiosim Instructable untuk pengenalan cepat mengenai teknologi LFMC (Low Frequency Magnetic Communication) yang digunakan oleh peranti jenis ini.

Tujuan pertama saya adalah menggunakan modul Sparkfun RMCM01 sebagai antara muka penerima, tetapi produk ini tidak lagi tersedia (apalagi ia memang agak mahal).

Walau bagaimanapun, ketika melihat di WEB, saya dapati Tutorial yang menarik ini, yang menunjukkan beberapa kaedah alternatif untuk menggantikan RMCM01. Saya memilih pilihan ke-3 ("Peter Borst Design", terima kasih Peter!), Mencapai hasil yang sangat baik menggunakan komponen L / C Cardiosim yang sama, namun disambungkan di sini sebagai tangki resonan selari. Isyarat yang dikesan diperkuat, "dibersihkan", disahkod dan diteruskan ke mikrokontroler Arduino Pro Mini. Program ini mengesahkan denyutan yang diterima, mengukur denyut jantung (atau lebih baik selang antara dua denyutan berturut-turut) dan menyimpan semua selang yang diukur dalam fail teks ASCII (satu baris per nadi yang sah, masing-masing 16 aksara termasuk selang, cap waktu dan LF / CR) dalam kad microSD. Dengan mengandaikan HR rata-rata 80bpm, rakaman satu jam hanya perlu (4800 baris teks x 16 aksara) = 76800/1024 = 75kBytes, oleh itu kadangkala kad SD 1GB yang murah menawarkan banyak kapasiti rakaman.

Semasa rakaman anda boleh memasukkan garis penanda untuk membahagikan jejak dan menilai fasa sesi yang berbeza secara berasingan.

Langkah 2: Bekalan Kuasa LiPo - Skema, Bahagian & Pemasangan

Bekalan Kuasa memenuhi bahagian bawah casing. Kecuali untuk trimpot, tidak ada komponen yang melebihi ketinggian 7 mm, yang memberi ruang untuk memasang rangkaian penerima HR dan mikrokontroler di atas catu daya.

Saya menggunakan bahagian berikut:

• Bateri LiPo 3.7V (sebarang bateri telefon boleh dikitar semula, kapasiti yang dikurangkan tidak menjadi masalah di sini)
• Modul pengecasan USB TP4056, saya membelinya di sini
• SX1308 DC boost converter, saya membelinya di sini
• Papan prototaip kecil 40 x 30 mm
• Kabel dengan penyambung JST 2, 54mm 2 pin, seperti ini
• (pilihan) Penyambung JST 2mm 2 pin, seperti ini

• (pilihan) Kabel dengan penyambung JST 2mm 2 pin, seperti ini

Penggunaan dua item terakhir bergantung pada bateri yang akan anda gunakan dan cara anda ingin menyambungkannya ke modul pengecas. Saya mencadangkan penyambung JST 2mm kerana banyak bateri dihantar dengan kabel yang sudah terpasang dan palam 2mm, penyelesaian lain memadai selagi ia membolehkan penggantian bateri dengan mudah jika diperlukan. Walau apa pun, berhati-hatilah untuk mengelakkan litar pintas antara tiang bateri semasa pemasangan.

Modul TP4056 dikuasakan dari port USB mikro dan direka untuk mengecas bateri litium yang boleh dicas semula menggunakan kaedah pengecasan arus terus / voltan malar (CC / CV). Selain mengecas bateri litium dengan selamat, modul ini juga menyediakan perlindungan yang diperlukan oleh bateri litium.

SX1308 adalah DC / DC Step Up Adjustable Converter kecekapan tinggi yang memastikan voltan keluaran tetap pada + 5V dengan voltan input minimum 3V, sehingga memungkinkan eksploitasi sepenuhnya kapasiti bateri. Laraskan voltan output dengan trimpot pada + 5V sebelum menyambungkan litar mikrokontroler!

Jumlah penggunaan Data Logger sekitar 20mA, sehingga bateri terpakai dengan kapasiti baki 200mAh (<20% dari kapasiti awal bateri telefon baru) akan memungkinkan rakaman 10 jam. Satu-satunya kelemahan ialah arus senyap SX1308 sekitar 2mA, jadi anda lebih baik melepaskan bateri jika anda tidak menggunakan Data Logger untuk jangka masa yang lama.

Kerana saiznya yang kecil, kedua-dua modul perlu dipasang menggunakan lubang sambungan baik untuk sambungan elektrik dan mekanikal dengan papan prototaip, melalui kepingan pendek kawat tembaga. Pada gilirannya papan dilampirkan ke pangkal casing dengan skru 3mm x 15mm (panjangnya cukup untuk mengikat litar mikrokontroler di atas dengan skru yang sama). Papan menempatkan penyambung JST 2mm untuk bateri (hanya tersedia dalam versi SMD, tetapi dengan melipat pin secara menegak, anda boleh "memutar "nya dalam versi PTH) dan semua pendawaian mengikut skema. Untuk memastikan, saya melekatkan badan penyambung ke papan untuk mencapai meterai mekanikal yang baik.

Bateri diletakkan rata di bahagian baki bawah casing yang tersisa, dan di belakangnya terdapat skru 3mm x 15mm kedua dengan spacer menegak 8mm untuk mengelakkan kenalan antara bahagian atas bateri (yang mana pun tidak dilekatkan) dan bahagian bawah litar atas.

Langkah 3: Penerima Sumber Manusia dan Pencatat Data - Skema, Bahagian & Perhimpunan

Papan utama terdiri daripada:

• Papan prototaip 40mm x 120mm
• Induktansi 39mH, saya menggunakan BOURNS RLB0913-393K
• 2 x Kapasitor 22nF
• Kapasitor 4.7nF
• Kapasitor 47nF
• Kapasitor 39pF
• Kapasitor Elektrolitik 10uF / 25V
• Kapasitor Elektrolitik 1uF / 50V
• 3 x Perintang 10K
• 2 x Perintang 100K
• 3 x Perintang 1K
• 4 x Perintang 220R
• Perintang 1M
• Perintang 47K
• Perintang 22K
• Trimpot 50K
• Diod 1N4148
• LED 3mm Biru
• 2 x LED 3mm Hijau
• LED 3mm Kuning
• LED 3mm Merah
• Penguat Operasi Input JFET Dwi Rendah Kebisingan TL072P
• Hex Inverting Schmitt Trrigger 74HC14
• Penyambung JST 2.54mm 2 Pin, seperti ini
• 2 x microswitches, jenis Alcoswitch
• Mikrokontroler Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Modul kad SD mikro SPI 5V dari DFRobots

Frekuensi resonans tangki resonan selari yang disusun oleh L1 dan C1 adalah sekitar 5.4kHz, yang hampir sama dengan jarak 5.3kHz pembawa medan magnet dari isyarat yang dihantar untuk mengubahnya menjadi voltan. Ingatlah bahawa, dalam kebanyakan kes, pembawa dimodulasi berdasarkan format OOK (Key-On-OFF) sederhana, di mana setiap denyut jantung menukar pembawa "ON" selama kira-kira 10ms. Isyarat yang dikesan sangat lemah (tipikal gelombang sinus 1mV pada jarak 60-80cm dari sumbernya, dengan syarat paksi induktansi sejajar dengan medan magnet), oleh itu ia perlu diperkuat dengan teliti untuk mengelakkan gangguan dan palsu pengesanan. Litar yang dicadangkan adalah hasil usaha terbaik saya dan berjam-jam ujian dalam keadaan yang berbeza. Sekiranya anda berminat untuk memperdalam aspek ini - dan mungkin memperbaikinya - lihatlah langkah seterusnya, jika tidak, anda boleh melupakannya.

Pintu Schmitt Trigger berikut melakukan digitalisasi dan fungsi pengesanan puncak, mengembalikan isyarat modulasi asal, yang diteruskan ke Arduino Pro Mini.

Papan mikrokontroler Pro Mini sangat sesuai untuk projek ini kerana papan kristal memungkinkan pengukuran ketepatan tinggi (yang penting dalam sudut pandang "perubatan", lihat langkah terakhir), dan pada masa yang sama ia bebas dari yang lain tidak diperlukan peranti, yang mengakibatkan penggunaan kuasa rendah. Satu-satunya kelemahan adalah untuk memuatkan kod, anda memerlukan antara muka FTDI untuk menyambungkan Pro Mini ke port USB komputer anda. Pro Mini disambungkan ke:

• Tukar S1: mulakan Rakaman
• Tukar S2: masukkan Penanda
• LED Biru: berkelip apabila nadi yang sah dikesan
• LED Hijau: Rakaman dimulakan
• LED Kuning: Penanda dimasukkan (sekelip mata pendek) / Waktu tamat (tetap)
• Modul kad MicroSD (melalui bas SPI)

Berbeza dengan banyak modul kad SD yang beroperasi pada 3.3V, modul DFRobot beroperasi pada 5V, jadi tidak diperlukan peralihan tahap.

Mengenai pemasangan, anda mungkin menyedari bahawa saya telah membahagikan papan prototaip dalam dua bahagian, dihubungkan dengan dua "jambatan" kecil dawai tembaga 1mm yang tegar. Ini adalah mustahak untuk menaikkan modul kad MicroSD ke "tahap pembinaan" ketiga dan menyelaraskannya dengan ceruk yang saya ukir pada casing, tepat di atas celah untuk port USB. Selanjutnya, saya mengukir tiga lubang di papan itu sendiri, satu untuk mengakses potensiometer penukar DC / DC, yang lain untuk mengakses penyambung bas bersiri Arduino Pro Mini (dipasang "menghadap ke bawah"), dan yang ketiga untuk kearuhan.

Langkah 4: Penerima HR - Simulasi Rempah

Bermula dari rancangan Peter Borst yang telah saya sebutkan sebelumnya, tujuan saya adalah untuk berusaha memperluas jangkauan pengesanan sebanyak mungkin, sekaligus menghadkan kepekaan terhadap gangguan dan penghasilan denyut palsu.

Saya memutuskan untuk menukar penyelesaian Op-Amp tunggal yang asli kerana terbukti terlalu sensitif terhadap gangguan, mungkin kerana nilai resistor maklum balas 10M terlalu tinggi, dan untuk membahagikan keuntungan keseluruhan dalam dua tahap.

Kedua-dua tahap mempunyai penguatan DC G = 100, menurun sekitar 70 @ 5.4KHz, tetapi dengan impedans input yang berbeza untuk mengoptimumkan kepekaan.

Oleh itu, anggap voltan isyarat paling lemah yang dihasilkan oleh tangki LC adalah 1mV.

Sekiranya kita mengalihkan keseluruhan litar penerima dalam persekitaran Spice (saya menggunakan ADIsimPE) menggantikan litar selari LC dengan penjana sinus dengan voltan dan frekuensi yang sama (5.4KHz) dan menjalankan simulasi, kita perhatikan bahawa voltan output V1 dari 1 penguat masih merupakan gelombang sinus (kerana faktor skala gelombang sinus input tidak dapat dicapai), penguat berfungsi di zon linier. Tetapi selepas peringkat kedua, voltan keluaran V2 menunjukkan bahawa kita sekarang mencapai ketepuan (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). Sebenarnya, keluarga TL07x tidak dirancang untuk jarak rel rel ke rel, tetapi ini cukup untuk mengatasi dengan margin selamat kedua-dua tahap gerbang Schmitt Trigger dan menghasilkan gelombang persegi bersih (V3).

Langkah 5: Perisian

Kerana kenaikan tahap penerima yang tinggi, dan walaupun tahap pengesan puncak bertindak pada dasarnya sebagai penapis lulus rendah, isyarat input pada pin D3 dari Arduino Pro Mini masih boleh terganggu dengan kuat dan perlu diproses secara digital melalui pemeriksaan kesahan terhadap pengesanan palsu. Kod tersebut memastikan bahawa dua syarat dipenuhi untuk mempertimbangkan nadi sebagai sah:

1. Nadi mesti bertahan sekurang-kurangnya 5ms
2. Selang minimum yang boleh diterima antara dua denyutan berturut-turut ialah 100ms (sepadan dengan 600 bpm, jauh melebihi had takikardia yang teruk!)

Setelah nadi disahkan, selang (dalam ms) dari yang sebelumnya diukur dan disimpan pada kad SD dalam fail "datalog.txt", bersama dengan cap waktu dalam format jam: mm: ss, di mana 00:00: 00 mewakili masa tetapan semula mikrokontroler terakhir. Sekiranya kad SD hilang, LED merah menyala menunjukkan kesalahan.

Jejak rakaman baru boleh dimulakan / dihentikan dengan suis Mula / Berhenti S1, dan akan dikenal pasti oleh garis penanda "; Mula" dan "; Berhenti" masing-masing di awal dan di akhir fail teks.

Sekiranya tidak ada nadi yang terdeteksi untuk waktu lebih lama dari 2400 ms (25 bpm), garis penanda "; Timeout" diletakkan di dalam fail dan LED D4 kuning dihidupkan.

Sekiranya Marker Switch S2 ditekan semasa merakam baris penanda tambahan dalam format "; MarkerNumber", dengan kenaikan automatik nombor penanda bermula dari 0, ditulis dalam fail, dan LED kuning berkelip tidak lama lagi.

Melampirkan kod Arduino yang lengkap.

Langkah 6: Persediaan dan Pengujian Awal

Langkah 7: Penggunaan - Analisis Isyarat Perubatan

Bentuk penutup yang saya gunakan cukup dekat dengan telefon pintar sehingga anda dapat menjumpai di pasaran banyak aksesori untuk memakainya atau memasangnya di peralatan senaman. Khususnya untuk basikal saya boleh mencadangkan pemasangan telefon pintar sejagat bernama "Finn", yang dihasilkan oleh syarikat Austrian Bike Citizens. Murah (€ 15, 00) dan mudah dipasang, ia sangat universal dan seperti yang anda lihat dalam gambar sesuai juga untuk Cardio Data Logger

Cara termudah untuk menggunakan data mentah yang direkodkan oleh Data Logger adalah dengan memplotnya dalam grafik menggunakan program PC standard (mis. Excel). Dengan membandingkan grafik yang diperoleh dengan mengulangi latihan yang sama, atau menganalisis korelasi antara variasi HR dan usaha fizikal, anda dapat mengoptimumkan dos daya semasa melakukan aktiviti.

Tetapi yang paling menarik ialah kajian HR, dan khususnya HR Variablity (HRV), untuk tujuan perubatan. Tidak seperti jejak ECG, jejak HR tidak mengandungi maklumat langsung mengenai fungsi otot jantung. Walau bagaimanapun, analisisnya dari sudut pandang statistik memungkinkan untuk mendapatkan maklumat lain yang mempunyai kepentingan klinikal.

Sumber pengetahuan yang paling komprehensif mengenai HRV adalah syarikat KUBIOS Finland. Di laman web mereka, anda boleh mendapatkan banyak maklumat mengenai Biomedical Signals dan anda boleh memuat turun "KUBIOS HRV Standard", perisian analisis kebolehubahan kadar denyutan jantung percuma untuk penyelidikan bukan komersial dan penggunaan peribadi. Alat ini bukan sahaja membolehkan anda memetakan grafik dari fail teks yang mudah (anda mesti membuang cap waktu) tetapi juga untuk melakukan penilaian statistik dan matematik (termasuk FFT) dan menghasilkan laporan yang sangat terperinci dan berharga, seperti yang dilampirkan di bawah.

Ingatlah bahawa hanya doktor pakar yang dapat memutuskan ujian apa yang diperlukan untuk latihan sukan di mana-mana peringkat, dan untuk menilai hasilnya.

Instructable ini ditulis dengan tujuan semata-mata untuk menimbulkan minat dan keseronokan dalam menerapkan elektronik untuk penjagaan kesihatan.

Saya harap anda menikmatinya, komen diterima!