Cardio Data Logger: 7 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

اگرچه امروزه بسیاری از دستگاه های قابل حمل (باندهای هوشمند ، ساعت های هوشمند ، تلفن های هوشمند ، … گسترده و مورد استفاده قرار می گیرد ، اما فاقد امکان ثبت و صادرات اثری از اندازه گیری ها است.

من در شبیه ساز قبلی Cardiosim ، یک کمربند کمربندی برای قفسه سینه (Cardio) ارائه کرده ام و توضیح می دهم که یکی از مراحل بعدی من ایجاد یک ضبط کننده ضربان قلب بود. من اکنون آماده ارائه آن در این دستورالعمل هستم. وظیفه این واحد قابل حمل دریافت سیگنال HR است که توسط کمربند بند سینه (یا شبیه ساز Cardiosim) در حین تمرین (تمرین/دوچرخه سواری/دویدن ،…) ارسال می شود و ردیابی را روی کارت SD ثبت می کند تا تجزیه و تحلیل عملکرد پس از آموزش را انجام دهید (جزئیات را در فصل آخر ببینید).

این دستگاه از سیستم باتری قابل شارژ شامل مدار شارژ و تنظیم کننده تقویت کننده DC تغذیه می کند.

از "انبار" مواد بلااستفاده خود یک کیف پلاستیکی مناسب (135mm x 45mm x 20mm) را صید کردم و طرح مدار را متناسب با آن تنظیم کردم و یک نمونه اولیه کار کردم که نیازهای من را برآورده می کند (اما تحقق آن جا برای بهبود:-))

مرحله 1: شرح مختصر

لطفاً برای آشنایی سریع با فناوری LFMC (ارتباطات مغناطیسی با فرکانس پایین) که توسط این نوع دستگاه ها استفاده می شود ، به مرحله 1 Cardiosim Instructable مراجعه کنید.

قصد اول من استفاده از ماژول Sparkfun RMCM01 به عنوان رابط گیرنده بود ، اما این محصول دیگر در دسترس نیست (چه برسد به اینکه به هر حال بسیار گران بود).

با این حال ، با نگاه کردن به WEB ، این آموزش جالب را پیدا کردم ، که برخی از راه حل های جایگزین برای جایگزینی RMCM01 را نشان می دهد. من گزینه سوم ("طراحی پیتر بورست" ، با تشکر از پیتر!) را انتخاب کردم ، با استفاده از همان اجزای L/C Cardiosim ، که در اینجا به عنوان مخزن رزونانس موازی متصل شده بود ، به یک نتیجه عالی دست یافتم. سیگنال شناسایی شده تقویت ، "تمیز" ، رمزگشایی و به میکروکنترلر Arduino Pro Mini ارسال می شود. این برنامه پالس های دریافتی را تأیید می کند ، ضربان قلب (یا بهتر بین دو پالس متوالی) را اندازه گیری می کند و تمام فواصل اندازه گیری شده را در یک فایل متنی ASCII ذخیره می کند (یک خط در هر نبض معتبر ، 16 کاراکتر شامل فاصله ، زمان و LF/CR) در کارت microSD با فرض متوسط HR 80 دور در دقیقه ، یک ساعت ضبط فقط به (4800 خط متنی در 16 کاراکتر) = 76800 /1024 = 75 کیلوبایت نیاز دارد ، بنابراین حتی یک کارت SD ارزان 1 گیگابایتی ظرفیت ضبط زیادی را ارائه می دهد.

در حین ضبط می توانید خطوط نشانگر را برای تقسیم ردیابی وارد کرده و مراحل مختلف جلسه را به طور جداگانه ارزیابی کنید.

مرحله 2: منبع تغذیه LiPo - شماتیک ، قطعات و مونتاژ

منبع تغذیه قسمت پایینی کیس را اشغال کرده است. به جز تریمپات هیچ قطعه ای از ارتفاع 7 میلی متر تجاوز نمی کند ، که به شما امکان می دهد گیرنده HR و مدار میکروکنترلر را بالای منبع تغذیه نصب کنید.

من از قسمت های زیر استفاده کردم:

• 3.7V LiPo باتری (هر باتری تلفن قابل بازیافت است ، کاهش ظرفیت در اینجا مشکلی ندارد)
• ماژول شارژ USB TP4056 ، من آن را از اینجا خریداری کردم
• SX1308 مبدل تقویت کننده DC ، من آن را از اینجا خریدم
• تخته نمونه اولیه 40 در 30 میلی متر
• کابل با اتصال JST 2 ، 54 میلی متر 2 پین ، مانند این
• (اختیاری) اتصال JST 2 میلی متر 2 پین ، مانند این

• (اختیاری) کابل با اتصال JST 2 میلی متر 2 پین ، مانند این

استفاده از دو مورد آخر به باتری مورد استفاده و نحوه اتصال آن به ماژول شارژر بستگی دارد. من کانکتور 2 میلیمتری JST را پیشنهاد می کنم زیرا بسیاری از باتری ها با کابل متصل شده و دو میلی متری تحویل داده می شوند ، هر راه حل دیگری تا زمانی که امکان تعویض آسان باتری را در صورت نیاز فراهم کند ، مناسب است. در هر صورت ، مراقب باشید در حین مونتاژ از اتصال کوتاه بین قطب های باتری جلوگیری کنید.

ماژول TP4056 از پورت میکرو USB تغذیه می کند و برای شارژ باتری های لیتیوم قابل شارژ با استفاده از روش شارژ جریان ثابت / ولتاژ ثابت (CC / CV) طراحی شده است. این ماژول علاوه بر شارژ ایمن باتری لیتیوم ، حفاظت لازم را نیز برای باتری های لیتیوم فراهم می کند.

SX1308 یک مبدل قابل تنظیم DC/DC با کارایی بالا است که ولتاژ خروجی را در +5V ثابت با حداقل ولتاژ ورودی 3V ثابت نگه می دارد ، بنابراین امکان استفاده کامل از ظرفیت باتری را فراهم می کند. قبل از اتصال مدار میکروکنترلر ، ولتاژ خروجی را با تریمپات +5V تنظیم کنید!

کل مصرف Data Logger حدود 20 میلی آمپر است ، بنابراین حتی یک باتری استفاده شده با ظرفیت باقیمانده 200 میلی آمپر ساعت (<20 درصد از ظرفیت اولیه باتری تلفن جدید) 10 ساعت ضبط را امکان پذیر می کند. تنها اشکال این است که جریان آرام SX1308 حدود 2 میلی آمپر است ، بنابراین اگر از Data Logger برای مدت طولانی استفاده نمی کنید ، بهتر است باتری را قطع کنید.

به دلیل اندازه کوچک ، هر دو ماژول باید با استفاده از سوراخ های اتصال هم برای اتصال الکتریکی و هم مکانیکی با صفحه نمونه اولیه ، از طریق قطعات کوتاه سیم مسی ثابت شوند. به نوبه خود ، تخته با پیچ 3 میلی متر در 15 میلی متر به پایه کیس وصل می شود (طول کافی است تا مدار میکروکنترلر را در بالا با همان پیچ محکم کنید). این برد دارای اتصال JST 2 میلی متری برای باتری است (فقط در نسخه SMD موجود است ، اما پین ها را به صورت عمودی تا می کنید و می توانید آن را در نسخه PTH "بچرخانید") و تمام سیم کشی ها مطابق نمودارها. فقط برای اطمینان ، بدن رابط را به تخته چسباندم تا به مهر و موم مکانیکی خوبی برسم.

باتری به صورت مسطح در قسمت باقیمانده قسمت زیرین قاب قرار می گیرد و در پشت آن یک پیچ دوم 3 میلی متر در 15 میلی متر با فاصله دهنده عمودی 8 میلی متر وجود دارد تا از تماس بین قسمت بالای باتری (که به هر حال نور خورده است) و قسمت زیرین آن جلوگیری شود. مدار بالا

مرحله 3: گیرنده منابع انسانی و ثبت کننده داده ها - شماتیک ، قطعات و مونتاژ

هیئت مدیره اصلی شامل موارد زیر است:

• صفحه نمونه اولیه 40 میلی متر در 120 میلی متر
• القایی 39mH ، من از BOURNS RLB0913-393K استفاده کردم
• 2 x خازن 22nF
• خازن 4.7nF
• خازن 47nF
• خازن 39pF
• خازن الکترولیتی 10uF/25V
• خازن الکترولیتی 1uF/50V
• 3 x مقاومت 10K
• 2 x مقاومت 100K
• 3 x مقاومت 1K
• 4 برابر مقاومت 220R
• مقاومت 1M
• مقاومت 47K
• مقاومت 22K
• Trimpot 50K
• دیود 1N4148
• LED 3 میلی متر آبی
• 2 x LED 3 میلی متر سبز
• LED 3 میلی متری زرد
• LED 3 میلی متر قرمز
• دو تقویت کننده کم صدا JFET-Input عملیاتی TL072P
• Hex Inverting Schmitt Trrigger 74HC14
• اتصال JST 2.54mm 2 پین ، مانند این
• 2 عدد میکروسوئیچ ، از نوع Alcoswitch
• میکروکنترلر Arduino Pro Mini ، 16 مگاهرتز 5 ولت
• ماژول کارت Micro SD SPI 5V از DFRobots

فرکانس رزونانس مخزن تشدید موازی متشکل از L1 و C1 حدود 5.4 کیلوهرتز است که به اندازه کافی با 5.3 کیلوهرتز حامل میدان مغناطیسی سیگنال منتقل شده نزدیک است تا آن را به ولتاژ تبدیل کند. به خاطر داشته باشید که در بیشتر موارد ، حامل بر اساس یک قالب ساده OOK (On-OFF Keying) تنظیم می شود ، که در آن هر نبض قلب حامل را برای 10 میلی ثانیه روشن می کند. سیگنال تشخیص داده شده بسیار ضعیف است (به طور معمول یک موج سینوسی 1 میلی ولت در فاصله 60-80 سانتی متر از منبع ، به شرط اینکه محور استقراء به درستی با میدان مغناطیسی تراز شده باشد) ، بنابراین برای جلوگیری از تداخل و تقلبی باید به دقت تقویت شود. تشخیص ها مدار پیشنهادی نتیجه بهترین تلاش من و چندین ساعت آزمایش در شرایط مختلف است. اگر علاقه مند به تعمیق این جنبه هستید - و شاید آن را بهبود بخشید - به مرحله بعدی نگاهی بیندازید ، در غیر این صورت می توانید آن را رد کنید.

دروازه های زیر Schmitt Trigger دیجیتالی سازی و عملکرد تشخیص پیک را انجام می دهند و سیگنال مدولاسیون اصلی را که به Arduino Pro Mini ارسال می شود بازیابی می کند.

برد میکروکنترلر Pro Mini برای این پروژه مناسب است زیرا کریستال موجود در هواپیما اجازه می دهد تا دقت بالایی از اندازه گیری ها (که از دیدگاه "پزشکی" ضروری است ، آخرین مرحله را ببینید) ، و در عین حال از هر گونه دیگری عاری است بدون نیاز به دستگاه ، که منجر به مصرف برق کم می شود. تنها اشکال این است که برای بارگذاری کد به یک رابط FTDI برای اتصال Pro Mini به پورت USB رایانه خود نیاز دارید. Pro Mini به موارد زیر متصل است:

• سوئیچ S1: ضبط را شروع کنید
• سوئیچ S2: نشانگر را وارد کنید
• LED آبی: هنگامی که یک پالس معتبر تشخیص داده می شود چشمک می زند
• چراغ سبز: ضبط شروع شد
• LED زرد: نشانگر درج شده (چشمک زدن کوتاه) / زمان پایان (ثابت)
• ماژول کارت MicroSD (از طریق گذرگاه SPI)

ماژول DFRobot متفاوت از بسیاری از ماژول های کارت SD که در 3.3V کار می کنند ، در 5V کار می کند ، بنابراین نیازی به تغییر سطح نیست.

در مورد مونتاژ ، ممکن است متوجه شوید که من نمونه اولیه را به دو قسمت تقسیم کرده ام که با دو "پل" کوچک از سیم مسی سخت 1 میلی متری متصل شده است. این امر برای بالا بردن ماژول کارت MicroSD به سومین سطح ساخت و تراز کردن آن با شکافی که روی قاب ایجاد کرده ام ، درست بالای شکاف پورت USB ضروری است. علاوه بر این ، من سه حفره روی خود تخته حک کردم ، یکی برای دسترسی به پتانسیومتر مبدل DC/DC ، دیگری برای دسترسی به کانکتور گذرگاه سریال Arduino Pro Mini (نصب شده "رو به پایین") و سوم برای استقراء

مرحله 4: گیرنده منابع انسانی - شبیه سازی ادویه

با شروع طرح پیتر بورست که قبلاً ذکر کردم ، هدف من این بود که سعی کنم دامنه تشخیص را تا حد ممکن افزایش دهم ، در عین حال حساسیت به تداخل و تولید پالس های کاذب را محدود کنم.

من تصمیم گرفتم راه حل اصلی Op-Amp را تغییر دهم زیرا ثابت شده است که نسبت به تداخل ها بسیار حساس است ، احتمالاً به این دلیل که مقدار مقاومت بازخورد 10M بسیار زیاد است و سود کلی را در دو مرحله تقسیم می کنم.

هر دو مرحله دارای یک افزایش DC G = 100 هستند ، در حدود 70 @5.4KHz کاهش می یابد ، اما با امپدانس ورودی متفاوت برای بهینه سازی حساسیت.

بنابراین فرض کنید ولتاژ ضعیف ترین سیگنال تولید شده توسط مخزن LC 1 میلی ولت است.

اگر کل مدار گیرنده را در محیط Spice (من از ADIsimPE استفاده می کنم) جایگزین مدار موازی LC با ژنراتور سینوسی با ولتاژ و فرکانس یکسان (5.4 کیلوهرتز) کنیم و شبیه سازی را اجرا کنیم ، متوجه می شویم که ولتاژ خروجی V1 از اول تقویت کننده هنوز یک موج سینوسی است (به دلیل عامل مقیاس ، موج سینوسی ورودی قابل تشخیص نیست) ، بنابراین تقویت کننده در منطقه خطی کار می کند. اما پس از مرحله دوم ، ولتاژ خروجی V2 نشان می دهد که ما در حال رسیدن به حالت اشباع هستیم (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). در حقیقت ، خانواده TL07x برای محدوده خروجی راه آهن به راه آهن طراحی نشده است ، اما این مقدار کافی است تا با یک حاشیه ایمن از هر دو سطح آستانه دروازه Schmitt Trigger فراتر رفته و یک موج مربع تمیز (V3) ایجاد کند.

مرحله 5: نرم افزار

به دلیل افزایش زیاد مرحله گیرنده ، و علیرغم اینکه مرحله آشکارساز پیک اساساً به عنوان یک فیلتر کم گذر عمل می کند ، سیگنال ورودی روی پایه D3 Arduino Pro Mini هنوز می تواند به شدت مختل شده و نیاز به پردازش دیجیتالی از طریق بررسی اعتبار در برابر تشخیص های کاذب کد تضمین می کند که دو شرط برای معتبر بودن نبض رعایت می شود:

1. نبض باید حداقل 5 میلی ثانیه طول بکشد
2. حداقل فاصله قابل قبول بین دو پالس متوالی 100 میلی ثانیه است (مربوط به 600 ضربه در دقیقه ، بسیار فراتر از حد تاکی کاردی شدید!)

پس از تأیید نبض ، فاصله زمانی (بر حسب میلی ثانیه) قبلی اندازه گیری می شود و بر روی کارت SD در یک فایل "datalog.txt" ذخیره می شود ، همراه با یک زمان در قالب hh: mm: ss ، جایی که 00:00: 00 زمان آخرین تنظیم مجدد میکروکنترلر را نشان می دهد. اگر کارت SD گم شده باشد ، چراغ قرمز قرمز نشانگر خطا است.

می توان یک ردیابی ضبط جدید را با کلید Start/Stop S1 شروع/متوقف کرد و به ترتیب در ابتدا و انتهای فایل متنی با خط نشانگر "؛ Start" و "؛ Stop" مشخص می شود.

اگر برای بیش از 2400 میلی ثانیه (25 ضربه در دقیقه) پالسی تشخیص داده نشود ، یک خط نشانگر "؛ Timeout" در پرونده قرار می گیرد و LED زرد D4 روشن می شود.

اگر Marker Switch S2 در حین ضبط یک خط نشانگر اضافی در قالب "؛ MarkerNumber" فشار داده شود ، با افزایش خودکار شماره نشانگر از 0 ، در پرونده نوشته شده است و LED زرد به زودی چشمک می زند.

کد کامل آردوینو را ضمیمه کرد.

مرحله 6: راه اندازی و آزمایش اولیه

مرحله 7: استفاده - تجزیه و تحلیل علائم پزشکی

شکل محفظه ای که من استفاده کردم به اندازه کافی نزدیک به یک تلفن هوشمند است ، بنابراین می توانید لوازم جانبی زیادی در بازار پیدا کنید تا بتوانید آن را بپوشید یا آن را روی تجهیزات تمرین نصب کنید. مخصوصاً برای دوچرخه می توانم پایه تلفن هوشمند جهانی با نام "Finn" را که توسط شرکت اتریشی Bike Citizens تولید شده است ، پیشنهاد کنم. ارزان (15 یورو ، 00) و آسان برای نصب ، واقعاً جهانی است و همانطور که در تصویر مشاهده می کنید ، مناسب برای Cardio Data Logger نیز می باشد.

ساده ترین راه برای استفاده از داده های خام ثبت شده توسط Data Logger ترسیم آنها در یک نمودار با استفاده از برنامه های استاندارد رایانه (به عنوان مثال Excel) است. با مقایسه نمودارهای بدست آمده از تکرار تمرین مشابه ، یا تجزیه و تحلیل همبستگی بین تغییرات HR و تلاش های بدنی ، می توانید دوز نیروها را در طول فعالیت بهینه کنید.

اما بیشترین اهمیت مطالعه HR و به ویژه تغییرات HR (HRV) برای اهداف پزشکی است. بر خلاف ردیابی نوار قلب ، ردیابی HR حاوی اطلاعات مستقیم در مورد عملکرد ماهیچه قلب نیست. با این حال ، تجزیه و تحلیل آن از نقطه نظر آماری اجازه می دهد تا سایر اطلاعات مورد علاقه بالینی را بدست آوریم.

جامع ترین منبع دانش در مورد HRV شرکت فنلاندی KUBIOS است. در سایت آنها می توانید اطلاعات زیادی در مورد سیگنال های پزشکی پیدا کنید و می توانید "KUBIOS HRV Standard" ، یک نرم افزار رایگان تحلیل تنوع ضربان قلب برای تحقیقات غیر تجاری و استفاده شخصی را بارگیری کنید. این ابزار نه تنها به شما امکان می دهد نمودارها را از یک فایل متنی ساده ترسیم کنید (باید زمان بندی ها را حذف کنید) بلکه همچنین می توانید ارزیابی های آماری و ریاضی (از جمله FFT) را انجام دهید و یک گزارش فوق العاده دقیق و ارزشمند ، مانند آنچه در زیر پیوست شده است ، تهیه کنید.

به یاد داشته باشید که فقط یک پزشک متخصص می تواند تصمیم بگیرد که چه امتحانی برای تمرینات ورزشی در هر سطحی مورد نیاز است و نتایج آنها را ارزیابی می کند.

این دستورالعمل تنها با هدف ایجاد علاقه و سرگرمی در استفاده از وسایل الکترونیکی در مراقبت های بهداشتی نوشته شده است.

امیدوارم لذت برده باشید ، نظرات خوش آمدید!