Registrador de dades cardio: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Tot i que actualment hi ha disponibles molts dispositius portàtils (bandes intel·ligents, rellotges intel·ligents, telèfons intel·ligents, …) que poden detectar la freqüència cardíaca (FC) i realitzar anàlisis de traça, encara hi ha sistemes basats en cinturons de corretja toràcica (com el de la part superior de la imatge thr) estès i utilitzat, però no té la possibilitat de registrar i exportar el rastre de les mesures.

Al meu anterior Instructible Cardiosim he presentat un simulador de cinturó de corretja toràcica (Cardio) que explicava que un dels meus següents passos era desenvolupar un registrador de dades de freqüència cardíaca. Ara estic preparat per presentar-lo en aquest instructiu. La funció d’aquesta unitat portàtil és rebre el senyal de HR enviat per un cinturó de cofre (o el simulador Cardiosim) durant una sessió de transició (entrenament / ciclisme / carrera, …) i enregistrar la traça en una targeta SD, per tal de realitzeu una anàlisi del rendiment posterior a l’entrenament (vegeu els detalls a l’últim capítol).

La unitat s’alimenta d’un sistema de bateria recarregable, que inclou circuit de càrrega i regulador d’alimentació de CC.

Des del meu "magatzem" de material no utilitzat vaig pescar una caixa de plàstic adequada (135 mm x 45 mm x 20 mm) i hi vaig adaptar la disposició del circuit perquè encaixés, fent un prototip de treball que compleixi les meves necessitats (però la realització de la qual deixa espai per a millora:-))

Pas 1: breu descripció

Consulteu el pas 1 de Cardiosim Instructable per obtenir una introducció ràpida sobre la tecnologia LFMC (Low Frequency Magnetic Communication) que fan servir aquest tipus de dispositius.

La meva primera intenció era fer servir el mòdul Sparkfun RMCM01 com a interfície de receptor, però aquest producte ja no està disponible (i menys encara que era bastant car).

Tanmateix, mirant a la WEB, he trobat aquest interessant tutorial, que mostra algunes solucions alternatives per substituir el RMCM01. Vaig triar la tercera opció ("Peter Borst Design", gràcies Peter!), Aconseguint un resultat excel·lent utilitzant els mateixos components L / C del Cardiosim, tanmateix connectats aquí com a tanc ressonant paral·lel. El senyal detectat s'amplifica, "es neteja", es descodifica i s'envia a un microcontrolador Arduino Pro Mini. El programa valida els polsos rebuts, mesura la freqüència cardíaca (o millor l’interval entre dos polsos successius) i emmagatzema tots els intervals mesurats en un fitxer de text ASCII (una línia per pols vàlid, 16 caràcters cadascun incloent l’interval, marca de temps i LF / CR) a la targeta microSD. Suposant una mitjana de recursos humans de 80 bpm, només es necessita una hora de gravació (4800 línies de text x 16 caràcters) = 76800/1024 = 75 kBytes, per tant, fins i tot una targeta SD d’1 GB econòmica ofereix molta capacitat de gravació.

Durant la gravació podeu inserir línies de marcador per dividir la traça i avaluar per separat les diferents fases de la sessió.

Pas 2: font d'alimentació LiPo: esquemes, peces i muntatge

La font d'alimentació ocupa la part inferior de la caixa. Excepte el trimpot, cap component supera els 7 mm d'alçada, cosa que dóna espai per muntar el receptor de HR i el circuit de microcontroladors per sobre de la font d'alimentació.

He utilitzat les parts següents:

• Bateria LiPo de 3,7 V (qualsevol bateria del telèfon es pot reciclar, la capacitat reduïda no és un problema aquí)
• Mòdul de càrrega USB TP4056, el vaig comprar aquí
• SX1308 Convertidor de corrent continu, el vaig comprar aquí
• Tauler petit de prototipat de 40 x 30 mm
• Cable amb connector JST 2, 54mm 2 pins, com aquest
• (opcional) connector JST de 2 mm i 2 pins, com aquest

• (opcional) Cable amb connector JST de 2 mm de 2 pins, com aquest

L'ús dels dos darrers elements depèn de la bateria que utilitzeu i de la manera com vulgueu connectar-lo al mòdul de carregador. Suggereixo el connector JST de 2 mm perquè moltes bateries es subministren amb un cable ja connectat i un endoll de 2 mm, qualsevol altra solució és adequada sempre que permeti substituir fàcilment la bateria si cal. En qualsevol cas, tingueu cura d’evitar curtcircuits entre els pols de la bateria durant el muntatge.

El mòdul TP4056 s’alimenta des d’un port micro USB i està dissenyat per carregar bateries de liti recarregables mitjançant el mètode de càrrega de corrent constant / tensió constant (CC / CV). A més de carregar amb seguretat una bateria de liti, el mòdul també proporciona la protecció necessària que requereixen les bateries de liti.

El SX1308 és un convertidor ajustable DC / DC d’alta eficiència que manté la tensió de sortida constant a + 5V amb una tensió d’entrada mínima de 3V, permetent així l’explotació completa de la capacitat de la bateria. Ajusteu el voltatge de sortida amb el trimpot a + 5V abans de connectar el circuit del microcontrolador.

El consum total del Data Logger és d’uns 20 mA, de manera que fins i tot una bateria usada amb una capacitat residual de 200 mAh (<20% de la capacitat inicial d’una nova bateria de telèfon) permetrà enregistrar 10 hores. L’únic inconvenient és que el corrent de repòs SX1308 ronda els 2 mA, de manera que és millor que desconnecteu la bateria si no feu servir el Data Logger durant molt de temps.

A causa de la seva petita mida, cal fixar els dos mòduls mitjançant els forats de connexió tant per a la connexió elèctrica com mecànica amb la placa de prototipatge, mitjançant trossos curts de fil de coure. Al seu torn, la placa s'uneix a la base de la caixa amb un cargol de 3 mm x 15 mm (la longitud és suficient per subjectar el circuit del microcontrolador anterior amb el mateix cargol). La placa allotja el connector JST de 2 mm per a la bateria (disponible només en versió SMD, però doblegant els pins verticalment es pot "girar" en una versió PTH) i tots els cables segons els esquemes. Per estar segur, vaig enganxar el cos del connector a la placa aconseguint un bon segell mecànic.

La bateria es col·loca plana a la zona restant de la part inferior de la caixa i darrere hi ha un segon cargol de 3 mm x 15 mm amb un espaiador vertical de 8 mm per evitar contactes entre la part superior de la bateria (que de totes maneres està insolada) i la part inferior de la circuit superior.

Pas 3: Receptor de recursos humans i registrador de dades: esquemes, peces i muntatge

El tauler principal està format per:

• Tauler de prototipus 40mm x 120mm
• Inductància 39mH, he utilitzat BOURNS RLB0913-393K
• 2 x condensador 22nF
• Condensador 4.7nF
• Condensador 47nF
• Condensador 39pF
• Condensador electrolític 10uF / 25V
• Condensador electrolític 1uF / 50V
• 3 x resistència 10K
• 2 x resistència 100K
• 3 x resistència 1K
• 4 x Resistència 220R
• Resistència 1M
• Resistència 47K
• Resistència 22K
• Trimpot 50K
• Diode 1N4148
• LED de 3 mm de color blau
• 2 x LED de 3 mm de color verd
• LED de 3 mm groc
• LED de 3 mm vermell
• Amplificadors operacionals d'entrada JFET de baix soroll dual TL072P
• Inversor hexagonal Schmitt Trrigger 74HC14
• Connector JST de 2,54 mm de 2 pins, com aquest
• 2 x microinterruptors, tipus Alcoswitch
• Microcontrolador Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• Mòdul de targeta micro SD SPI 5V de DFRobots

La freqüència de ressonància del tanc ressonant paral·lel compost per L1 i C1 és al voltant de 5,4 kHz, que coincideix prou amb els 5,3 kHz de la portadora del camp magnètic del senyal transmès per convertir-lo en una tensió. Recordeu que, en la majoria dels casos, el portador es modula sobre la base d’un format simple OOK (On-OFF Keying), on cada pols del cor fa que el portador estigui “ON” durant uns 10 ms. El senyal detectat és molt feble (típicament una ona sinusoïdal d’1 mV a una distància de 60-80 cm de la font, sempre que l’eix de la inductància estigui correctament alineat amb el camp magnètic), per tant, cal ampliar-lo acuradament per evitar interferències i falsificacions. deteccions. El circuit proposat és el resultat dels meus millors esforços i de les hores de proves en diferents condicions. Si us interessa aprofundir en aquest aspecte (i potser millorar-lo), feu un cop d'ull al següent pas, en cas contrari, podeu ometre'l.

Les següents portes Schmitt Trigger realitzen la digitalització i la funció de detecció de pics, restaurant el senyal modulador original, que s’envia a l’Arduino Pro Mini.

La placa de microcontroladors Pro Mini és perfecta per a aquest projecte, ja que el cristall a bord permet una alta precisió de les mesures (que són essencials en el punt de vista "mèdic", vegeu l'últim pas), i al mateix temps és lliure de qualsevol altre dispositiu no necessari, que es tradueix en un baix consum d'energia. L’únic inconvenient és que per carregar el codi necessitareu una interfície FTDI per connectar el Pro Mini al port USB de l’ordinador. El Pro Mini està connectat a:

• Canvia S1: inicia la gravació
• Commutador S2: inseriu el marcador
• LED blau: parpelleja quan es detecta un pols vàlid
• LED verd: s'ha iniciat la gravació
• LED groc: marcador inserit (parpelleig curt) / temps d'espera (fix)
• Mòdul de targeta MicroSD (mitjançant bus SPI)

A diferència de molts mòduls de targeta SD que funcionen a 3,3 V, el mòdul DFRobot funciona a 5 V, de manera que no es necessita cap canvi de nivell.

Pel que fa al muntatge, és possible que noteu que he dividit la placa de prototipatge en dues peces, connectades amb dos petits "ponts" de fil de coure rígid d'1mm. Això ha estat necessari per elevar el mòdul de la targeta MicroSD a un tercer "nivell de construcció" i alinear-lo amb el rebaix que he tallat a la carcassa, just per sobre de la ranura del port USB. A més, vaig tallar tres rebaixes a la pròpia placa, un per accedir al potenciòmetre del convertidor CC / CC, un altre per accedir al connector del bus sèrie de l’Arduino Pro Mini (muntat "cara avall") i el tercer per al inductància.

Pas 4: Receptor de recursos humans: simulació d’espècies

Partint del disseny de Peter Borst que he esmentat anteriorment, el meu objectiu era intentar ampliar el rang de detecció al màxim, limitant al mateix temps la sensibilitat a les interferències i la generació de falsos impulsos.

Vaig decidir canviar la solució Op-Amp original original perquè ha demostrat ser massa sensible a les interferències, probablement perquè el valor de la resistència de retroalimentació 10M és massa alt i dividir el guany global en dues etapes.

Les dues etapes tenen un guany CC G = 100, que disminueix al voltant de 70 @ 5,4 KHz, però amb una impedància d’entrada diferent per optimitzar la sensibilitat.

Suposem, doncs, que el voltatge del senyal més feble generat pel tanc LC és d’1 mV.

Si transposem tot el circuit receptor en un entorn Spice (faig servir ADIsimPE) substituint el circuit paral·lel LC per un generador de sinus amb la mateixa tensió i freqüència (5,4 KHz) i executem la simulació, notem que la tensió de sortida V1 del primer l'amplificador continua sent una ona sinusoïdal (a causa del factor d'escala, la ona sinusoïdal d'entrada no és apreciable), si l'amplificador funciona a la zona lineal. Però després de la segona etapa, el voltatge de sortida V2 mostra que ara estem assolint la saturació (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). De fet, la família TL07x no està dissenyada per al rang de sortida de rails a rails, però això és suficient per superar amb un marge segur els dos nivells de llindar de la porta Schmitt Trigger i generar una ona quadrada neta (V3).

Pas 5: programari

A causa de l’alt guany de l’etapa del receptor i, malgrat que l’etapa del detector de pics actua bàsicament com un filtre de pas baix, el senyal d’entrada del pin D3 de l’Arduino Pro Mini encara es pot alterar fortament i s’ha de pre-processar digitalment mitjançant comprovació de validesa contra falses deteccions. El codi garanteix que es compleixen dues condicions per considerar un impuls com a vàlid:

1. El pols ha de durar almenys 5 ms
2. L'interval mínim acceptable entre dos polsos successius és de 100 ms (que corresponen a 600 bpm, molt més enllà del límit d'una taquicàrdia greu!)

Un cop validat el pols, l'interval (en ms) de l'anterior es mesura i s'emmagatzema a la targeta SD en un fitxer "datalog.txt", juntament amb una marca de temps en format hh: mm: ss, on 00:00: 00 representa l'hora de l'últim reinici del microcontrolador. Si falta la targeta SD, s’encén el LED vermell que indica un error.

Es pot iniciar / aturar una nova gravació de l’enregistrament amb l’interruptor Start / Stop S1 i s’identificarà amb una línia de marcador "; Start" i "Stop" respectivament al començament i al final del fitxer de text.

Si no es detecta cap impuls durant un temps superior a 2400 ms (25 ppm), es col·loca una línia de marcador "Timeout" al fitxer i el LED groc D4 està engegat.

Si es prem el commutador de marcador S2 durant la gravació d'una línia de marcador addicional en el format "; MarkerNumber", amb l'increment automàtic del número de marcador a partir de 0, s'escriu al fitxer i el LED groc parpelleja en breu.

S'ha adjuntat el codi Arduino complet.

Pas 6: configuració inicial i proves

Pas 7: Ús: anàlisi del senyal mèdic

La forma del recinte que he utilitzat és prou semblant a la d’un telèfon intel·ligent perquè pugueu trobar al mercat molts accessoris per portar-lo o muntar-lo en un equip d’entrenament. En particular, per a la moto, puc suggerir la muntura universal per a smartphones anomenada "Finn", produïda per l'empresa austríaca Bike Citizens. Econòmic (15,00 €) i fàcil de muntar, és realment universal i, com podeu veure a la imatge, també és perfecte per al Cardio Data Logger

La forma més senzilla d’utilitzar les dades en brut registrades pel Data Logger és traçar-les en un gràfic mitjançant programes de PC estàndard (per exemple, Excel). Comparant gràfics obtinguts repetint el mateix exercici o analitzant la correlació entre les variacions de FC i els esforços físics, podeu optimitzar la dosi de forces durant l’activitat.

Però el més interessant és l’estudi de la RH i, en particular, de la Variabilitat de RH (HRV), amb finalitats mèdiques. A diferència d’un traçat ECG, el traç HR no conté informació directa sobre el funcionament del múscul cardíac. Tot i això, la seva anàlisi des d’un punt de vista estadístic permet obtenir altra informació d’interès clínic.

La font de coneixement més completa sobre HRV és l'empresa finlandesa KUBIOS. Al seu lloc podeu trobar molta informació sobre els senyals biomèdics i podeu descarregar "KUBIOS HRV Standard", un programari gratuït d’anàlisi de la variabilitat de la freqüència cardíaca per a la investigació no comercial i l’ús personal. Aquesta eina no només us permet traçar gràfics des d’un simple fitxer de text (heu d’eliminar les marques de temps), sinó també realitzar avaluacions estadístiques i matemàtiques (inclosa FFT) i produir un informe increïblement detallat i valuós, com el que s’adjunta a continuació.

Recordeu que només un metge especialitzat pot decidir quins exàmens es necessiten per a la pràctica esportiva a qualsevol nivell i avaluar-ne els resultats.

Aquest manual instructiu s’ha escrit amb l’única intenció de crear interès i diversió en l’aplicació d’electrònica a la salut.

Espero que us hagi agradat, els comentaris són benvinguts!