Kardio zapisovalnik podatkov: 7 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Čeprav so danes na voljo številne prenosne naprave (pametni trakovi, pametne ure, pametni telefoni…), ki lahko zaznajo srčni utrip (HR) in opravijo analizo sledi, so sistemi, ki temeljijo na pasu na prsnem pasu (kot je tisti v zgornjem delu slike), še vedno razširjena in uporabljena, vendar nima možnosti snemanja in izvoza sledi meritev.

V svojem prejšnjem Cardiosimu z instrukcijami sem predstavil simulator pasu za prsni pas (Cardio), ki pojasnjuje, da je bil eden od mojih naslednjih korakov razvoj zapisovalnika podatkov o srčnem utripu. Zdaj sem ga pripravljen predstaviti v tem navodilu. Naloga te prenosne enote je, da med vadbo (vadbo/kolesarjenje/tek,…) sprejme signal srčnega utripa, ki ga pošlje pas na prsnem pasu (ali simulator Cardiosim), in zabeleži sled na kartico SD, da opravite analizo uspešnosti po treningu (glejte podrobnosti v zadnjem poglavju).

Enoto napaja sistem za ponovno polnjenje, vključno s polnilnim vezjem in regulatorjem povečanja enosmernega toka.

Iz svojega "skladišča" neuporabljenega materiala sem izkopal primerno plastično ohišje (135 mm x 45 mm x 20 mm) in mu prilagodil postavitev vezja, da se prilega skupaj, tako da naredim delujoč prototip, ki izpolnjuje moje potrebe (vendar njegova realizacija pušča prostor za izboljšava:-))

1. korak: Kratek opis

Za hiter uvod o tehnologiji LFMC (nizkofrekvenčna magnetna komunikacija), ki jo uporabljajo te vrste naprav, si oglejte 1. korak instrumenta Cardiosim Instructable.

Moj prvi namen je bil uporabiti modul Sparkfun RMCM01 kot sprejemniški vmesnik, vendar ta izdelek ni več na voljo (kaj šele, da bi bil vseeno precej drag).

Ko pa sem pogledal na spletnem mestu, sem našel to zanimivo vadnico, ki prikazuje nekaj alternativnih rešitev za zamenjavo RMCM01. Izbral sem tretjo možnost ("Peter Borst Design", hvala Peter!), Pri čemer sem dosegel odličen rezultat z uporabo istih L/C komponent Cardiosima, ki pa je bil tukaj povezan kot vzporedni resonančni rezervoar. Zaznani signal se ojača, "očisti", dekodira in posreduje mikrokrmilniku Arduino Pro Mini. Program potrdi prejete impulze, izmeri srčni utrip (ali bolje interval med dvema zaporednima impulzoma) in shrani vse izmerjene intervale v besedilno datoteko ASCII (ena vrstica na veljaven impulz, 16 znakov, vključno z intervalom, časovnim žigom in LF/CR) v kartici microSD. Ob predpostavki, da je povprečni srčni utrip 80 utripov na minuto, je potrebno le eno uro snemanja (4800 besedilnih vrstic x 16 znakov) = 76800 /1024 = 75 kB, zato tudi poceni 1 GB kartica SD ponuja veliko snemalne zmogljivosti.

Med snemanjem lahko vstavite označevalne črte, da razdelite sled in ločeno ocenite različne faze seje.

Korak: Napajanje LiPo - sheme, deli in montaža

Napajalnik zavzema dno ohišja. Razen trimpota nobena komponenta ne presega višine 7 mm, kar daje prostor za namestitev sprejemnika HR in vezja mikrokrmilnika nad napajalnikom.

Uporabil sem naslednje dele:

• 3,7 V LiPo baterija (katero koli baterijo telefona je mogoče reciklirati, zmanjšana zmogljivost tukaj ni problem)
• Polnilni modul USB TP4056, kupil sem ga tukaj
• SX1308 DC pretvornik, sem ga kupil tukaj
• Majhna plošča za izdelavo prototipov 40 x 30 mm
• Kabel s konektorjem JST 2, 54 mm 2 -pinski, tako kot ta
• (neobvezno) Priključek JST 2 mm 2 pin, kot je ta

• (neobvezno) Kabel z 2 -milimetrskim 2 -polnim priključkom JST, kot je ta

Uporaba zadnjih dveh predmetov je odvisna od baterije, ki jo boste uporabili, in načina, kako jo nameravate priključiti na polnilni modul. Predlagam 2 -milimetrski priključek JST, ker je veliko baterij dobavljenih z že priključenim kablom in 2 -milimetrskim vtičem, vsaka druga rešitev je ustrezna, če omogoča enostavno zamenjavo baterije, če je potrebno. V vsakem primeru pazite, da se med montažo izognete kratkemu stiku med polovima akumulatorja.

Modul TP4056 se napaja iz priključkov mikro USB in je zasnovan za polnjenje litijevih baterij za ponovno polnjenje z uporabo metode polnjenja s konstantnim tokom / konstantno napetostjo (CC / CV). Modul poleg varnega polnjenja litijeve baterije zagotavlja tudi potrebno zaščito, ki jo potrebujejo litijeve baterije.

SX1308 je visoko učinkovit DC/DC Step Up nastavljiv pretvornik, ki ohranja izhodno napetost konstantno pri +5V z najmanjšo vhodno napetostjo 3V, kar omogoča popolno izrabo kapacitete baterije. Pred priključitvijo vezja mikrokrmilnika nastavite izhodno napetost s trimpotom na +5V!

Skupna poraba Data Loggerja je okoli 20mA, zato bo tudi rabljena baterija s preostalo kapaciteto 200mAh (<20% začetne zmogljivosti nove baterije telefona) omogočila snemanje 10 ur. Edina pomanjkljivost je, da je tok mirovanja SX1308 okoli 2 mA, zato baterijo raje odklopite, če daljinskega upravljalnika podatkov ne uporabljate dlje časa.

Zaradi majhnosti je treba oba modula pritrditi s priključnimi luknjami za električno in mehansko povezavo s ploščo za izdelavo prototipov s kratkimi kosi bakrene žice. Plošča je nato pritrjena na dno ohišja z vijakom 3 mm x 15 mm (dolžina zadostuje za pritrditev vezja mikrokrmilnika zgoraj z istim vijakom). Na plošči je 2 -milimetrski konektor JST za baterijo (na voljo samo v različici SMD, vendar če zložite zatiče navpično, jo lahko "obrnete" v različici PTH) in vse ožičenja v skladu s shemami. Če želite biti prepričani, sem prilepil telo priključka na ploščo in tako dosegel dobro mehansko tesnjenje.

Baterija je položena na preostalo območje dna ohišja, za njo pa je drugi vijak 3 mm x 15 mm z 8 mm navpičnim distančnikom, da se izognete stikom med vrhom baterije (ki je vseeno izolirana) in dnom zgornji krog.

Korak 3: HR sprejemnik in zapisovalnik podatkov - sheme, deli in montaža

Glavno ploščo sestavljajo:

• Plošča za izdelavo prototipov 40 mm x 120 mm
• Induktivnost 39mH, uporabil sem BOURNS RLB0913-393K
• 2 x kondenzator 22nF
• Kondenzator 4,7 nF
• Kondenzator 47nF
• Kondenzator 39pF
• Električni kondenzator 10uF/25V
• Elektrolitski kondenzator 1uF/50V
• 3 x upor 10K
• 2 x upor 100K
• 3 x upor 1K
• 4 x upor 220R
• Upor 1M
• Upor 47K
• Upor 22K
• Trimpot 50K
• Dioda 1N4148
• LED 3 mm modra
• 2 x LED 3 mm zelena
• LED 3 mm rumena
• LED 3 mm rdeča
• Dvojni nizko hrupni JFET-vhodni operacijski ojačevalniki TL072P
• Šestnajsti obratni Schmitt Trrigger 74HC14
• Priključek JST 2,54 mm 2 Pin, tako kot ta
• 2 x mikro stikala, tip Alcoswitch
• Mikrokrmilnik Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Modul kartice Micro SD SPI 5V podjetja DFRobots

Resonančna frekvenca vzporednega resonančnega rezervoarja, sestavljenega iz L1 in C1, je okoli 5,4 kHz, kar se dovolj blizu 5,3 kHz nosilca magnetnega polja prenašanega signala pretvori v napetost. Ne pozabite, da je nosilec v večini primerov moduliran na podlagi preproste oblike OOK (vklop-izklop), kjer vsak srčni utrip preklopi nosilec v položaj "ON" za približno 10 ms. Zaznani signal je zelo šibek (tipično sinusni val 1 mV na razdalji 60-80 cm od vira, pod pogojem, da je os induktivnosti pravilno poravnana z magnetnim poljem), zato ga je treba previdno povečati, da se izognemo motnjam in ponarejanju zaznavanja. Predlagano vezje je rezultat mojih prizadevanj in ur ur testiranja v različnih pogojih. Če vas zanima poglabljanje tega vidika - in ga morda izboljšate - poglejte naslednji korak, sicer ga lahko preskočite.

Naslednja vrata Schmitt Trigger izvajajo digitalizacijo in funkcijo zaznavanja vrha, obnovijo prvotni modulacijski signal, ki se posreduje v Arduino Pro Mini.

Plošča mikrokrmilnika Pro Mini je kot nalašč za ta projekt, ker kristal na krovu omogoča visoko natančnost meritev (ki so bistvene z "medicinskega" vidika, glej zadnji korak), hkrati pa je brez drugih naprava ni potrebna, kar ima za posledico nizko porabo energije. Edina pomanjkljivost je, da za nalaganje kode potrebujete vmesnik FTDI za povezavo Pro Mini z vrati USB na vašem računalniku. Pro Mini je povezan z:

• Stikalo S1: začnite snemati
• Stikalo S2: vstavite oznako
• Modra LED: utripa, ko zazna veljaven impulz
• Zelena LED: Snemanje se je začelo
• Rumena LED: Marker vstavljen (kratek utrip) / Časovna omejitev (fiksno)
• Modul kartice MicroSD (preko vodila SPI)

Za razliko od številnih modulov kartic SD, ki delujejo pri 3.3V, modul DFRobot deluje pri 5V, zato menjalnik ravni ni potreben.

Kar zadeva montažo, boste morda opazili, da sem prototipno ploščo razdelil na dva dela, povezana z dvema majhnima "mostovoma" iz toge 1 mm bakrene žice. To je bilo potrebno za dvig modula kartice MicroSD na tretjo "konstrukcijsko raven" in ga poravnal z vdolbino, ki sem jo izrezljal na ohišju, tik nad režo za vrata USB. Poleg tega sem na sami plošči izrezljal tri vdolbine, eno za dostop do potenciometra DC/DC pretvornika, drugo za dostop do priključka serijskega vodila Arduino Pro Mini (nameščeno "z licem navzdol") in tretjo za induktivnost.

4. korak: HR sprejemnik - simulacija začimb

Izhajajoč iz zasnove Petra Borsta, ki sem jo že omenil, je bil moj cilj poskusiti čim bolj razširiti območje zaznavanja, hkrati pa omejiti občutljivost na motnje in generiranje lažnih impulzov.

Odločil sem se, da spremenim prvotno rešitev z enim Op-Amp, ker se je izkazala za preveč občutljivo na motnje, verjetno zato, ker je vrednost povratnega upora 10M previsoka, in celotno pridobitev razdelim v dve stopnji.

Obe stopnji imata enosmerni dobiček G = 100, ki se zmanjšuje okoli 70 pri 5,4 KHz, vendar z različno vhodno impedanco za optimizacijo občutljivosti.

Predpostavimo torej, da je napetost najšibkejšega signala, ki ga ustvari rezervoar LC, 1 mV.

Če prenesemo celotno sprejemno vezje v okolje Spice (uporabljam ADIsimPE) in zamenjamo vzporedno vezje LC z sinusnim generatorjem z enako napetostjo in frekvenco (5,4 KHz) in zaženemo simulacijo, opazimo, da izhodna napetost V1 iz 1. ojačevalnik je še vedno sinusni val (zaradi faktorja obsega vhodni sinusni val ni opazen), če ojačevalnik deluje v linearnem območju. Toda po drugi stopnji izhodna napetost V2 pokaže, da zdaj dosegamo nasičenost (Vhigh = Vcc-1,5V / Vlow = 1,5 V). Družina TL07x pravzaprav ni zasnovana za izhodno območje od železnice do železnice, vendar je to dovolj, da z varno mejo preseže raven praga Schmittovih sprožilnih vrat in ustvari čisti kvadratni val (V3).

5. korak: Programska oprema

Zaradi velikega ojačanja stopnje sprejemnika in kljub temu, da stopnja detektorja vrha deluje v bistvu kot nizkoprepustni filter, je vhodni signal na zatiču D3 Arduino Pro Mini še vedno moten in ga je treba digitalno predhodno obdelati prek preverjanje veljavnosti pred lažnimi zaznavami. Koda zagotavlja, da sta izpolnjena dva pogoja, da se impulz šteje za veljaven:

1. Utrip mora trajati najmanj 5 ms
2. Najmanjši sprejemljiv interval med dvema zaporednima impulzoma je 100 ms (kar ustreza 600 utripov na minuto, kar daleč presega mejo hude tahikardije!)

Ko je utrip potrjen, se interval (v ms) od prejšnjega izmeri in shrani na kartico SD v datoteko "datalog.txt" skupaj s časovnim žigom v formatu hh: mm: ss, kjer 00:00: 00 predstavlja čas zadnje ponastavitve mikrokrmilnika. Če manjka kartica SD, zasveti rdeča LED, ki označuje napako.

Novo sledenje snemanju je mogoče zagnati/ustaviti s stikalom Start/Stop S1 in bo označeno z vrstico označevalca "; Start" in "; Stop" na začetku in na koncu besedilne datoteke.

Če impulz ne zazna več kot 2400 ms (25 bpm), se v datoteko vstavi označevalna vrstica "; Timeout" in vklopi rumena LED D4.

Če med snemanjem pritisnete stikalo za označevanje S2, se v datoteko zapiše dodatna označevalna vrstica v formatu "; MarkerNumber" z avtomatskim povečanjem števila označevalcev, ki se začne od 0, in rumena LED v kratkem utripa.

Priložena je celotna koda Arduino.

6. korak: Začetna nastavitev in testiranje

Korak 7: Uporaba - Analiza medicinskega signala

Oblika ohišja, ki sem ga uporabil, je dovolj blizu obliki pametnega telefona, tako da lahko na trgu najdete veliko dodatkov za nošenje ali namestitev na opremo za vadbo. Zlasti za kolo lahko predlagam univerzalni nosilec za pametni telefon z imenom "Finn", ki ga proizvaja avstrijsko podjetje Bike Citizens. Poceni (15, 00 €) in enostaven za namestitev, je resnično univerzalen in kot vidite na sliki, kot nalašč tudi za kardio zapisovalnik podatkov

Najpreprostejši način za uporabo neobdelanih podatkov, ki jih zabeleži Data Logger, je, da jih narišete v grafu s pomočjo standardnih računalniških programov (npr. Excel). S primerjavo grafov, pridobljenih pri ponavljanju iste vaje, ali analizo korelacije med variacijami HR in fizičnimi napori, lahko optimizirate doziranje sil med aktivnostjo.

Najbolj zanimivo pa je preučevanje HR in zlasti variabilnosti HR (HRV) za medicinske namene. Za razliko od EKG -ja sled HR ne vsebuje neposrednih informacij o delovanju srčne mišice. Vendar pa njegova analiza s statističnega vidika omogoča pridobitev drugih informacij, ki so klinično pomembne.

Najobsežnejši vir znanja o HRV je finsko podjetje KUBIOS. Na njihovem spletnem mestu lahko najdete veliko informacij o biomedicinskih signalih in prenesete "KUBIOS HRV Standard", brezplačno programsko opremo za analizo variabilnosti srčnega utripa za nekomercialne raziskave in osebno uporabo. To orodje vam ne omogoča le risanja grafov iz preproste besedilne datoteke (odstraniti morate časovne žige), temveč tudi izvajanje statističnih in matematičnih ocen (vključno s FFT) ter izdelavo neverjetno podrobnega in dragocenega poročila, kot je spodaj priloženo.

Ne pozabite, da se lahko le specializirani zdravnik odloči, kateri izpiti so potrebni za športno prakso na kateri koli ravni, in oceni njihove rezultate.

Ta Instructable je bil napisan z edinim namenom vzbuditi zanimanje in zabavo pri uporabi elektronike v zdravstvu.

Upam, da vam je bilo všeč, komentarji so dobrodošli!