Kardio datalogger: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Napriek tomu, že v dnešnej dobe je k dispozícii mnoho prenosných zariadení (smartband, smartwatch, smartphone,…), ktoré dokážu detekovať srdcovú frekvenciu (HR) a vykonávať stopovú analýzu, systémy na báze hrudných pásov (ako napríklad v hornej časti obrázku) sú stále k dispozícii. rozšírené a používané, ale chýba im možnosť zaznamenávať a exportovať stopy meraní.

Vo svojom predchádzajúcom simulátore Instructable Cardiosim som predstavil simulátor hrudného pásu (Cardio), ktorý vysvetľuje, že jedným z mojich ďalších krokov bolo vyvinutie záznamníka srdcovej frekvencie. Teraz som pripravený to predstaviť v tomto návode. Funkciou tejto prenosnej jednotky je prijímať signál HR vysielaný hrudným pásom (alebo simulátorom Cardiosim) počas tranzu (cvičenie/cyklistika/beh, …) a zaznamenávať stopu na kartu SD, aby sa vykonajte analýzu výkonnosti po tréningu (pozri podrobnosti v poslednej kapitole).

Jednotka je napájaná systémom nabíjateľných batérií vrátane nabíjacieho obvodu a regulátora zosilnenia jednosmerného prúdu.

Zo svojho „skladu“nepoužitého materiálu som vylovil vhodné plastové puzdro (135 mm x 45 mm x 20 mm) a prispôsobil mu rozloženie obvodu tak, aby do seba zapadalo, čím som vytvoril funkčný prototyp, ktorý spĺňa moje potreby (ale ktorého realizácia ponecháva priestor pre zlepšenie:-))

Krok 1: Stručný popis

Rýchly úvod o technológii LFMC (nízkofrekvenčná magnetická komunikácia) používanej týmto typom zariadení nájdete v kroku 1 dokumentu Cardiosim Instructable.

Mojím prvým zámerom bolo použiť modul Sparkfun RMCM01 ako rozhranie prijímača, ale tento produkt už nie je k dispozícii (nehovoriac o tom, že bol aj tak dosť drahý).

Pri pohľade na WEB som však našiel tento zaujímavý návod, ktorý ukazuje niektoré alternatívne riešenia nahradenia RMCM01. Vybral som si tretiu možnosť („Peter Borst Design“, vďaka Peter!), Pričom som dosiahol vynikajúci výsledok s použitím rovnakých komponentov L/C ako Cardiosim, ktoré sú tu však zapojené ako paralelný rezonančný tank. Zistený signál je zosilnený, „vyčistený“, dekódovaný a odoslaný do mikrokontroléra Arduino Pro Mini. Program validuje prijaté impulzy, meria srdcovú frekvenciu (alebo lepšie interval medzi dvoma po sebe nasledujúcimi impulzmi) a všetky namerané intervaly uloží do textového súboru ASCII (jeden riadok na platný impulz, každý po 16 znakov vrátane intervalu, časovej pečiatky a LF/CR) na karte microSD. Za predpokladu priemerného srdcového tepu 80 úderov za minútu potrebuje hodinové nahrávanie iba (4800 textových riadkov x 16 znakov) = 76800/1024 = 75 kByt, preto aj lacná 1 GB karta SD ponúka dostatok kapacity na záznam.

Počas nahrávania môžete vložiť značkovacie čiary na rozdelenie stopy a oddelene vyhodnotiť rôzne fázy relácie.

Krok 2: Napájanie LiPo - schémy, diely a montáž

Napájací zdroj zaberá spodnú časť puzdra. Okrem trimpotu žiadny komponent nepresahuje výšku 7 mm, čo dáva priestor na namontovanie obvodu prijímača HR a mikrokontroléra nad napájací zdroj.

Použil som nasledujúce diely:

• 3,7 V batéria LiPo (akúkoľvek batériu telefónu je možné recyklovať, znížená kapacita tu nie je problém)
• USB nabíjací modul TP4056, kúpil som ho tu
• DC menič SX1308 DC, kúpil som ho tu
• Malá prototypová doska 40 x 30 mm
• Kábel s konektorom JST 2, 54 mm, 2 pinmi, ako je tento
• (voliteľné) Konektor JST 2 mm 2 kolíky, ako je tento

• (voliteľné) Kábel s konektorom JST 2 mm 2 kolíky, ako je tento

Použitie posledných dvoch položiek závisí od batérie, ktorú budete používať, a od spôsobu, akým ho chcete pripojiť k modulu nabíjačky. Navrhujem 2 mm konektor JST, pretože veľa batérií sa dodáva s už pripojeným káblom a 2 mm zástrčkou, akékoľvek iné riešenie je primerané, pokiaľ umožňuje jednoduchú výmenu batérie v prípade potreby. V každom prípade dávajte pozor, aby ste počas montáže zabránili skratom medzi pólmi batérie.

Modul TP4056 je napájaný z portu micro USB a je určený na nabíjanie nabíjateľných lítiových batérií metódou nabíjania konštantným prúdom / konštantným napätím (CC / CV). Okrem bezpečného nabíjania lítiovej batérie poskytuje modul aj potrebnú ochranu vyžadovanú lítiovými batériami.

SX1308 je vysoko účinný nastaviteľný prevodník DC/DC, ktorý udržuje konštantné výstupné napätie na +5 V s minimálnym vstupným napätím 3 V, čo umožňuje úplné využitie kapacity batérie. Pred pripojením obvodu mikrokontroléra upravte výstupné napätie trimrom na +5V!

Celková spotreba Data Loggeru sa pohybuje okolo 20mA, takže aj použitá batéria so zvyškovou kapacitou 200mAh (<20% pôvodnej kapacity novej batérie telefónu) umožní 10 hodín záznamu. Jedinou nevýhodou je, že pokojový prúd SX1308 je okolo 2 mA, takže batériu odpojte, ak dlhší čas nepoužívate.

Vzhľadom na malú veľkosť je potrebné oba moduly upevniť pomocou spojovacích otvorov na elektrické aj mechanické spojenie s prototypovou doskou pomocou krátkych kúskov medeného drôtu. Doska je zasa pripevnená k spodnej časti puzdra skrutkou 3 mm x 15 mm (dĺžka postačuje na pripevnenie obvodu mikrokontroléra vyššie rovnakou skrutkou). Doska je osadená 2 -milimetrovým konektorom JST pre batériu (k dispozícii iba vo verzii SMD, vertikálnym sklopením kolíkov ho však môžete „otočiť“vo verzii PTH) a všetkých zapojení podľa schém. Pre istotu som telo konektora prilepil k doske, aby som dosiahol dobré mechanické tesnenie.

Batéria je umiestnená naplocho v zostávajúcej oblasti spodnej časti puzdra a za ňou je druhá skrutka 3 mm x 15 mm so zvislou rozperou 8 mm, aby sa zabránilo kontaktom medzi vrchnou časťou batérie (ktorá je každopádne izolovaná) a spodkom krytu. horný okruh.

Krok 3: Prijímač HR a záznamník údajov - schémy, diely a montáž

Hlavná doska sa skladá z:

• Prototypová doska 40 mm x 120 mm
• Indukčnosť 39mH, použil som BOURNS RLB0913-393K
• 2 x kondenzátor 22nF
• Kondenzátor 4,7nF
• Kondenzátor 47nF
• Kondenzátor 39 pF
• Elektolytický kondenzátor 10uF/25V
• Elektrolytický kondenzátor 1uF/50V
• 3 x odpor 10 K.
• 2 x odpor 100 K.
• 3 x rezistor 1K
• 4 x odpor 220R
• Rezistor 1M
• Rezistor 47K
• Rezistor 22K
• Trimpot 50 tis
• Dióda 1N4148
• LED 3 mm modrá
• 2 x LED 3 mm zelená
• LED 3 mm žltá
• LED 3 mm červená
• Duálne operačné zosilňovače so vstupom JFET s nízkym šumom TL072P
• Šesťhranné invertovanie Schmitt Trrigger 74HC14
• Konektor JST 2,54 mm 2 pin, ako tento
• 2 x mikrospínače, typ Alcoswitch
• Mikrokontrolér Arduino Pro Mini, 16 MHz, 5 V.
• Modul karty Micro SD SPI 5V od DFRobots

Rezonančná frekvencia paralelného rezonančného tanku zloženého z L1 a C1 je okolo 5,4 kHz, čo sa dostatočne zhoduje s 5,3 kHz nosného magnetického poľa prenášaného signálu na jeho premenu na napätie. Nezabudnite, že vo väčšine prípadov je nosič modulovaný na základe jednoduchého formátu OOK (On-OFF Keying), kde každý srdcový pulz prepne nosič na „ZAPNUTÉ“na približne 10 ms. Zistený signál je veľmi slabý (spravidla 1 mV sínusová vlna vo vzdialenosti 60-80 cm od zdroja, za predpokladu, že os indukčnosti je správne zarovnaná s magnetickým poľom), preto je potrebné ju starostlivo zosilniť, aby sa predišlo interferenciám a falošným signálom. detekcie. Navrhovaný obvod je výsledkom môjho najlepšieho úsilia a hodín testovania v rôznych podmienkach. Ak máte záujem tento aspekt prehĺbiť - a možno aj vylepšiť -, pozrite sa na ďalší krok, inak ho môžete preskočiť.

Nasledujúce brány Schmitt Trigger vykonávajú funkciu digitalizácie a detekcie špičiek, čím obnovujú pôvodný modulačný signál, ktorý je odoslaný do Arduino Pro Mini.

Mikroprocesorová doska Pro Mini je pre tento projekt ideálna, pretože kryštál na doske umožňuje vysokú presnosť meraní (ktoré sú z „lekárskeho“hľadiska nevyhnutné, pozri posledný krok) a zároveň neobsahuje žiadne ďalšie. nepotrebné zariadenie, čo má za následok nízku spotrebu energie. Jedinou nevýhodou je, že na načítanie kódu budete potrebovať rozhranie FTDI na pripojenie Pro Mini k portu USB vášho počítača. Pro Mini je pripojený k:

• Prepínač S1: spustite nahrávanie
• Prepínač S2: vložte značku
• Modrá LED: bliká, keď je detegovaný platný impulz
• Zelená LED: Spustilo sa nahrávanie
• Žltá LED: značka vložená (krátke bliknutie) / časový limit (pevný)
• Modul karty MicroSD (prostredníctvom zbernice SPI)

Na rozdiel od mnohých modulov karty SD, ktoré pracujú s napätím 3,3 V, modul DFRobot pracuje s napätím 5 V, takže nie je potrebný žiadny prevodník úrovne.

Čo sa týka montáže, môžete si všimnúť, že som prototypovú dosku rozdelil na dva kusy spojené dvoma malými „mostíkmi“z tuhého 1 mm medeného drôtu. To bolo nevyhnutné, aby sa modul karty MicroSD dostal na tretiu „konštrukčnú úroveň“a zarovnal ho s vybraním, ktoré som vyrezal na puzdre, tesne nad štrbinou pre port USB. Ďalej som na samotnú dosku vyrezal tri vybrania, jedno pre prístup k potenciometru prevodníka DC/DC, druhé pre prístup ku konektoru sériovej zbernice Arduino Pro Mini (namontované „lícom nadol“) a tretie pre indukčnosť.

Krok 4: Prijímač HR - simulácia korenia

Vychádzajúc z návrhu Petera Borsta, ktorý som už spomenul, mojim cieľom bolo pokúsiť sa čo najviac rozšíriť rozsah detekcie, súčasne obmedziť citlivosť na interferencie a generovanie falošných impulzov.

Rozhodol som sa zmeniť pôvodné jediné riešenie Op-Amp, pretože sa ukázalo, že je príliš citlivý na interferencie, pravdepodobne preto, že hodnota 10M spätného odporu je príliš vysoká, a rozdeliť celkový zisk do dvoch fáz.

Oba stupne majú zosilnenie DC G = 100, klesajúce okolo 70 pri 5,4 kHz, ale s rôznou vstupnou impedanciou na optimalizáciu citlivosti.

Predpokladajme teda, že napätie najslabšieho signálu generovaného LC nádržou je 1mV.

Ak transponujeme celý obvod prijímača v prostredí Spice (používam ADIsimPE) nahradením paralelného obvodu LC sínusovým generátorom s rovnakým napätím a frekvenciou (5,4 kHz) a spustíme simuláciu, všimneme si, že výstupné napätie V1 od 1. zosilňovač je stále sínusový (vzhľadom na faktor mierky nie je vstupná sínusová vlna citeľná), zosilňovač pracuje v lineárnej zóne. Ale po druhom stupni výstupné napätie V2 ukazuje, že teraz dosahujeme sýtosť (Vhigh = Vcc-1,5V / Vlow = 1,5V). Rodina TL07x nie je v skutočnosti navrhnutá pre rozsah výstupov medzi koľajnicami a železnicami, ale to stačí na bezpečné prekročenie obidvoch úrovní prahu brány Schmitt Trigger a generovanie čistej štvorcovej vlny (V3).

Krok 5: Softvér

Vzhľadom na vysoký zisk stupňa prijímača a napriek tomu, že špičkový detektor v zásade funguje ako dolnopriepustný filter, môže byť vstupný signál na pine D3 Arduino Pro Mini stále silne narušený a je potrebné ho digitálne vopred spracovať prostredníctvom kontrola platnosti proti falošným zisteniam. Kód zaisťuje splnenie dvoch podmienok na to, aby sa impulz považoval za platný:

1. Pulz musí trvať najmenej 5 ms
2. Minimálny prijateľný interval medzi dvoma po sebe nasledujúcimi impulzmi je 100 ms (čo zodpovedá 600 úderom za minútu, ďaleko za hranicou závažnej tachykardie!)

Akonáhle je impulz validovaný, zmeria sa interval (v ms) od predchádzajúceho a uloží sa na kartu SD do súboru „datalog.txt“spolu s časovou pečiatkou vo formáte hh: mm: ss, kde 00:00: 00 predstavuje čas posledného vynulovania mikrokontroléra. Ak karta SD chýba, červená LED dióda sa rozsvieti a signalizuje chybu.

Novú stopu záznamu je možné spustiť/zastaviť pomocou spínača Štart/Stop S1 a bude označená riadkom značky „; Štart“a „; Stop“na začiatku a na konci textového súboru.

Ak nie je detekovaný žiadny impulz dlhšie ako 2 400 ms (25 úderov za minútu), do súboru sa vloží značkovacia čiara „; Časový limit“a zapne sa žltá dióda LED D4.

Ak počas záznamu stlačíte prepínač značiek S2, do súboru sa zapíše ďalší riadok značky vo formáte „; MarkerNumber“s automatickým prírastkom čísla značky od 0 a žltá dióda LED krátko bliká.

Pripojený kompletný kód Arduino.

Krok 6: Počiatočné nastavenie a testovanie

Krok 7: Použitie - analýza lekárskeho signálu

Forma puzdra, ktoré som použil, je dostatočne blízka tvaru smartfónu, takže na trhu nájdete množstvo príslušenstva na nosenie alebo pripevnenie na cvičebné zariadenie. Najmä pre bicykel môžem odporučiť univerzálny držiak na smartphone s názvom „Finn“, ktorý vyrába rakúska spoločnosť Bike Citizens. Lacný (15,00 EUR) a ľahko sa montuje, je skutočne univerzálny a ako vidíte na obrázku, perfektný aj pre záznamník údajov Cardio

Najjednoduchší spôsob použitia nespracovaných údajov zaznamenaných nástrojom Data Logger je vykresliť ich do grafu pomocou štandardných počítačových programov (napr. Excel). Porovnaním grafov získaných opakovaním rovnakého cvičenia alebo analýzou korelácie medzi variáciami HR a fyzickým úsilím môžete optimalizovať dávkovanie síl počas aktivity.

Ale najväčší záujem je o štúdium HR, a najmä o HR variabilite (HRV), na lekárske účely. Na rozdiel od EKG stopy, HR stopa neobsahuje priame informácie o fungovaní srdcového svalu. Jeho analýza zo statického hľadiska však umožňuje získať ďalšie informácie klinického záujmu.

Najkomplexnejším zdrojom znalostí o HRV je fínska spoločnosť KUBIOS. Na ich webe nájdete veľa informácií o biomedicínskych signáloch a môžete si stiahnuť "KUBIOS HRV Standard", bezplatný softvér na analýzu variability srdcovej frekvencie na nekomerčné účely a osobné použitie. Tento nástroj vám umožňuje nielen vykresľovať grafy z jednoduchého textového súboru (musíte odstrániť časové pečiatky), ale tiež vykonávať štatistické a matematické vyhodnotenia (vrátane FFT) a vytvárať neuveriteľne podrobnú a hodnotnú správu, ako je tá, ktorá je pripojená nižšie.

Pamätajte si, že iba špecializovaný lekár je schopný rozhodnúť, aké skúšky sú potrebné pre športovú prax na akejkoľvek úrovni, a posúdiť ich výsledky.

Tento návod bol napísaný s jediným cieľom vzbudiť záujem a zábavu pri používaní elektroniky v zdravotníctve.

Dúfam, že sa vám páčilo, komentáre sú vítané!