רישום נתונים אירובי: 7 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

למרות שכיום יש מכשירים ניידים רבים (רצועות חכמות, שעונים חכמים, סמארטפונים, …) שיכולים לזהות את קצב הלב (HR) ולבצע ניתוח עקבות, מערכות מבוססות חגורות חזה (כמו זו בחלק העליון של התמונה) נפוץ ומשומש, אך חסר אפשרות להקליט ולייצא את עקבות המדידות.

בקרדיוזים הקודמים שלי להוראה הצגתי סימולטור חגורת רצועות חזה (Cardio) המסביר שאחד השלבים הבאים שלי היה לפתח לוגר נתוני דופק. כעת אני מוכן להציג זאת במדריך זה. תפקידה של יחידה ניידת זו הוא לקבל את אות ה- HR שנשלח על ידי חגורת רצועת חזה (או סימולטור Cardiosim) במהלך אימון (אימון/רכיבה על אופניים/ריצה, …) ולתעד את המעקב על כרטיס SD, על מנת לבצע ניתוח ביצועים לאחר האימון (ראה פרטים בפרק האחרון).

היחידה מופעלת על ידי מערכת סוללה נטענת, כולל מעגל טעינה וסת DC להגברת DC.

מהמחסן שלי של חומרים שאינם בשימוש דגתי מארז פלסטיק מתאים (135 מ"מ על 45 מ"מ על 20 מ"מ) והתאים לי את פריסת המעגל כך שיתאים זה לזה ויצר אב טיפוס שעונה על צרכי (אך מימושו משאיר מקום שיפור:-))

שלב 1: תיאור קצר

עיין בשלב 1 של Cardiosim Instructable למבוא מהיר אודות טכנולוגיית LFMC (תקשורת מגנטית בתדר נמוך) המשמשת מכשירים מסוג זה.

הכוונה הראשונה שלי הייתה להשתמש במודול Sparkfun RMCM01 כממשק מקלט, אך מוצר זה אינו זמין יותר (שלא לדבר על כך שהוא בכל זאת די יקר).

עם זאת, במבט על האינטרנט מצאתי את המדריך המעניין הזה, המציג כמה פתרונות חלופיים להחלפת ה- RMCM01. בחרתי באפשרות השלישית ("פיטר בורסט עיצוב", תודה פיטר!), והשיג תוצאה מצוינת באמצעות אותם רכיבי L/C של ה- Cardiosim, אולם מחוברים כאן כמיכל תהודה מקביל. האות שזוהה מוגבר, "מנוקה", מפוענח ומועבר למיקרו -בקר Arduino Pro Mini. התוכנית מאמתת את הפעימות המתקבלות, מודדת את קצב הלב (או טוב יותר את המרווח בין שתי פולסים רצופים) ושומרת את כל המרווחים הנמדדים בקובץ טקסט ASCII (שורה אחת לכל דופק תקף, 16 תווים כל אחד כולל מרווח, חותמת זמן ו- LF/CR) בכרטיס ה- microSD. בהנחה שעוצמת HR ממוצעת של 80bpm, הקלטת שעה צריכה רק (4800 שורות טקסט x 16 תווים) = 76800 /1024 = 75kBytes, ולכן אפילו כרטיס SD בנפח 1GB מציע שפע של יכולת הקלטה.

במהלך ההקלטה ניתן להכניס קווי סמן כדי לחלק את המעקב ולהעריך בנפרד שלבי הפעלה שונים.

שלב 2: ספק כוח LiPo - תרשימים, חלקים והרכבה

ספק הכוח תופס את החלק התחתון של המארז. למעט הטרימפוט אף רכיב אינו עולה על 7 מ מ גובה, מה שנותן מקום להרכיב את מקלט ה- HR ומעגל המיקרו -בקר מעל ספק הכוח.

השתמשתי בחלקים הבאים:

• סוללת 3.7V LiPo (ניתן למחזר כל סוללת טלפון, קיבולת מופחתת אינה מהווה בעיה כאן)
• מודול טעינה USB TP4056, קניתי אותו כאן
• ממיר הגברת SX1308 DC, קניתי אותו כאן
• לוח אב טיפוס קטן 40 על 30 מ"מ
• כבל עם מחבר JST 2, 54 מ"מ 2 פינים, כמו זה
• (אופציונלי) מחבר JST 2 מ"מ 2 פינים, כמו זה
• (אופציונלי) כבל עם מחבר JST 2 מ"מ 2 פינים, כמו זה

השימוש בשני הפריטים האחרונים תלוי בסוללה שבה תשתמש ובדרך שבה אתה מתכוון לחבר אותה למודול המטען. אני מציע את מחבר JST 2 מ"מ מכיוון שמסירות רבות מסופקות עם כבל מחובר וכבר 2 מ"מ, כל פתרון אחר מתאים כל עוד הוא מאפשר החלפה קלה של הסוללה במידת הצורך. בכל מקרה, היזהר להימנע מקצרים בין מוטות הסוללה במהלך ההרכבה.

מודול TP4056 מופעל מיציאת מיקרו USB ומיועד לטעינת סוללות ליתיום נטענות בשיטת טעינה קבועה / מתח קבוע (CC / CV). בנוסף לטעינה בטוחה של סוללת ליתיום המודול מספק גם הגנה נחוצה הנדרשת על ידי סוללות ליתיום.

SX1308 הוא ממיר מתכוונן DC/DC בעל יעילות גבוהה השומר על מתח המוצא קבוע על +5V עם מתח כניסה מינימלי של 3V, ובכך מאפשר ניצול מלא של קיבולת הסוללה. כוונן את מתח היציאה עם הטרימפוט ב -5 V לפני חיבור מעגל הבקר!

הצריכה הכוללת של Data Logger היא בסביבות 20mA, ולכן אפילו סוללה משומשת עם קיבולת שיורית של 200mAh (<20% מהקיבולת ההתחלתית של סוללת טלפון חדשה) תאפשר הקלטה של 10 שעות. החיסרון היחיד הוא שזרם השקטה SX1308 הוא בסביבות 2mA, לכן כדאי לנתק את הסוללה אם אינך משתמש בלוגר הנתונים במשך זמן רב.

בגלל הגודל הקטן, יש לתקן את שני המודולים באמצעות חורי החיבור הן לחיבור חשמלי והן מכני עם לוח האב טיפוס, באמצעות חתיכות קצרות של חוט נחושת. בתורו הלוח מחובר לבסיס המארז בעזרת בורג 3 מ"מ על 15 מ"מ (האורך מספיק כדי להדק את מעגל הבקר המיקרו למעלה עם אותו בורג). הלוח מארח את מחבר JST 2 מ"מ לסוללה (זמין רק בגרסת SMD, אך קיפול הפינים אנכית ניתן "להפוך" אותו בגרסת PTH) ואת כל החיווט לפי הסכימות. ליתר ביטחון, הדבקתי את גוף המחבר ללוח תוך השגת איטום מכני טוב.

הסוללה ממוקמת שטוחה בשטח הנותר של החלק התחתון של המארז, ומאחוריה יש בורג שני בגודל 3 מ"מ על 15 מ"מ עם מרווח אנכי 8 מ"מ כדי למנוע מגעים בין החלק העליון של הסוללה (שבכל מקרה מבודד) לבין החלק התחתון של מעגל עליון.

שלב 3: מקלט משאבי אנוש וכונן נתונים - סכמות, חלקים והרכבה

הלוח הראשי מורכב מ:

• לוח אב טיפוס 40 מ"מ על 120 מ"מ
• השראות 39mH, השתמשתי ב- BOURNS RLB0913-393K
• 2 x קבלים 22nF
• קבלים 4.7nF
• קבלים 47nF
• קבלים 39pF
• קבלים אלקטרוליטיים 10uF/25V
• קבלים אלקטרוליטיים 1uF/50V
• 3 x הנגד 10K
• 2 x הנגד 100K
• 3 x הנגד 1K
• 4 x הנגד 220R
• הנגד 1M
• הנגד 47K
• הנגד 22K
• טרימפוט 50K
• דיודה 1N4148
• LED כחול 3 מ"מ
• 2 x LED 3 מ"מ ירוק
• LED 3 מ"מ צהוב
• LED 3 מ"מ אדום
• מגברים תפעוליים מסוג JFET עם כניסת רעש כפולה TL072P
• Hex Inverting Schmitt Trrigger 74HC14
• מחבר JST 2.54 מ"מ 2 פינים, כמו זה
• 2 x מיקרו -מתגים, סוג Alcoswitch
• מיקרו -בקר Arduino Pro Mini, 16MHz 5V
• מודול כרטיס מיקרו SD SPI 5V מ- DFRobots

תדר התהודה של מיכל התהודה המקבילה המורכב על ידי L1 ו- C1 הוא בסביבות 5.4 קילוהרץ, התואם מספיק קרוב ל -5.3 קילוהרץ של נושא השדה המגנטי של האות המועבר כדי להפוך אותו למתח. זכור כי ברוב המקרים המנשא מאופנן על בסיס פורמט פשוט OOK (On-OFF Keying), כאשר כל דופק לב מפעיל את המנשא "ON" למשך כ- 10ms. האות שזוהה הוא חלש מאוד (בדרך כלל גלי סינוס של 1mV במרחק של 60-80 ס"מ מהמקור, בתנאי שציר ההשראות מיושר כראוי לשדה המגנטי), ולכן יש צורך להעצים אותו בזהירות כדי למנוע הפרעות וזיופים. גילוי. המעגל המוצע הוא תוצאה של כל המאמצים שלי ושל שעות של בדיקות בתנאים שונים. אם אתה מעוניין להעמיק היבט זה - ואולי לשפר אותו - תסתכל על השלב הבא, אחרת תוכל לדלג עליו.

השערים הבאים של שמיט טריגר מבצעים את הדיגיטליזציה ופונקציית זיהוי שיא, ומשחזרים את האות המקנן המווסת, המועבר ל- Arduino Pro Mini.

לוח המיקרו -בקר Pro Mini מושלם לפרויקט זה מכיוון שהגביש על הלוח מאפשר דיוק גבוה של המדידות (שהן חיוניות מבחינה "רפואית", ראו שלב אחרון), ויחד עם זאת הוא נקי מכל אחר. מכשיר לא נחוץ, מה שמביא לצריכת חשמל נמוכה. החיסרון היחיד הוא שכדי לטעון את הקוד תזדקק לממשק FTDI כדי לחבר את ה- Pro Mini ליציאת ה- USB של המחשב שלך. ה- Pro Mini מחובר ל:

• מתג S1: התחל להקליט
• מתג S2: הכנס סמן
• LED כחול: מהבהב כאשר מתגלה דופק תקף
• LED ירוק: ההקלטה החלה
• LED צהוב: סמן מוכנס (מצמוץ קצר) / פסק זמן (קבוע)
• מודול כרטיס MicroSD (באמצעות אוטובוס SPI)

בשונה ממודולי כרטיסי SD רבים הפועלים על 3.3V, מודול DFRobot פועל על 5V, כך שאין צורך בשינוי רמות.

באשר להרכבה, ייתכן שתבחין שחילקתי את לוח האב טיפוס לשני חלקים המחוברים לשני "גשרים" קטנים של חוט נחושת קשיח באורך 1 מ"מ. זה היה הכרחי כדי להעלות את מודול כרטיס ה- MicroSD ל"רמת בנייה "שלישית וליישר אותו עם השקע שגיבשתי על המארז, ממש מעל החריץ ליציאת ה- USB. יתר על כן, גילפתי שלוש שקעים על הלוח עצמו, אחד לגישה לפוטנציומטר של ממיר DC/DC, אחר לגישה למחבר האוטובוס הטורי של ה- Arduino Pro Mini (מותקן "עם הפנים כלפי מטה"), והשלישי עבור הַשׁרָאוּת.

שלב 4: מקלט HR - הדמיית תבלינים

החל מהעיצוב של פיטר בורסט שהזכרתי בעבר, מטרתי הייתה לנסות להרחיב את טווח הזיהוי ככל האפשר, ובמקביל להגביל את הרגישות להפרעות ולייצר פולסים שקרים.

החלטתי לשנות את הפתרון היחיד המקורי של Op-Amp מכיוון שהוא הוכיח שהוא רגיש מדי להפרעות, כנראה מכיוון שערכו של הנגד המשוב 10M גבוה מדי, ולחלק את הרווח הכולל לשני שלבים.

לשני השלבים יש רווח DC G = 100, היורד סביב 70 @5.4KHz, אך עם עכבת קלט שונה לייעל את הרגישות.

אז נניח שהמתח של האות החלש ביותר שמייצר מיכל ה- LC הוא 1mV.

אם נעביר את כל מעגל המקלט בסביבת ספייס (אני משתמש ב- ADIsimPE) מחליף את מעגל ה- LC המקביל בגנרטור סינוס עם אותו מתח ותדר (5.4KHz) ונריץ את הסימולציה, נבחין כי מתח המוצא V1 מה -1 המגבר הוא עדיין גל סינוס (בשל גורם קנה המידה סינוס הכניסה אינו ניכר), כאשר המגבר פועל באזור הליניארי. אך לאחר השלב השני, מתח המוצא V2 מראה כי אנו מגיעים כעת לרוויה (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). למעשה, משפחת TL07x אינה מיועדת לטווח פלט מסילה עד מסילה, אך די בכך כדי לחרוג בפער בטוח משתי רמות הסף של שער שמיט טריגר וליצור גל מרובע נקי (V3).

שלב 5: תוכנה

בגלל הרווח הגבוה של שלב המקלט, ולמרות שלב גלאי השיא המתפקד בעצם כמסנן מעבר נמוך, עדיין ניתן להפריע מאוד את אות הכניסה על פין D3 של Arduino Pro Mini וצריך לעבד אותו דיגיטלית מראש באמצעות בדיקת תוקף כנגד גילוי שווא. הקוד מבטיח כי מתקיימים שני תנאים כדי לראות את הדופק כתוקף:

1. הדופק חייב להימשך לפחות 5 ms
2. המרווח המינימלי המקובל בין שני פולסים עוקבים הוא 100 ms (המקביל ל- 600 bpm, הרבה מעבר לגבול של טכיקרדיה חמורה!)

לאחר אימות הדופק, המרווח (ב- ms) מהקודם נמדד ונשמר בכרטיס ה- SD בקובץ "datalog.txt", יחד עם חותמת זמן בפורמט hh: mm: ss, כאשר 00:00: 00 מייצג את זמן האיפוס האחרון של הבקר. אם כרטיס ה- SD חסר, הנורית האדומה נדלקת ומציינת שגיאה.

ניתן להתחיל/לעצור מסלול הקלטה חדש באמצעות מתג התחל/עצור S1, ויזוהה על ידי קו סימון "; התחל" ו"; עצור "בהתאמה בתחילת ובסוף קובץ הטקסט.

אם לא מזוהה דופק למשך זמן ארוך מ- 2400 ms (25 bpm), קו סמן "; פסק זמן" מוצב בקובץ ונורית ה- D4 הצהובה מופעלת.

אם לוחצים על מתג הסמן S2 במהלך ההקלטה שורה נוספת של סמן בתבנית "; MarkerNumber", עם תוספת אוטומטית של מספר הסמן החל מ- 0, הקובץ כתוב, והנורית הצהובה מהבהבת תוך זמן קצר.

מצורף את קוד ה- Arduino המלא.

שלב 6: התקנה ראשונה ובדיקה

שלב 7: שימוש - ניתוח אותות רפואיים

צורת המארז שהשתמשתי בו מספיק קרובה לזה של סמארטפון כך שתוכל למצוא בשוק הרבה אביזרים ללבישה או להרכבה על ציוד אימון. במיוחד עבור האופניים אני יכול להציע את הרכבת הסמארטפון האוניברסלית בשם "פין", המיוצרת על ידי חברת אזרחי האופניים האוסטרית. זול (15, 00 €) וקל להתקנה, הוא באמת אוניברסלי וכפי שאתה יכול לראות בתמונה מושלם גם עבור Logio Data Logger

הדרך הפשוטה ביותר להשתמש בנתוני הגלם שנרשמו על ידי לוגר הנתונים היא לשרטט אותם בגרף באמצעות תוכניות מחשב רגילות (למשל Excel). על ידי השוואת גרפים המתקבלים חזרה על אותו תרגיל, או ניתוח המתאם בין וריאציות משאבי אנוש לבין מאמצים פיזיים, תוכל לייעל את מינון הכוחות במהלך הפעילות.

אך העניין הגדול ביותר הוא מחקר HR, ובמיוחד משתנות HR (HRV) למטרות רפואיות. שלא כמו מסלול א.ק.ג.מעקב ה- HR אינו מכיל מידע ישיר על תפקוד שריר הלב. אולם הניתוח שלה מנקודת מבט סטטיסטית מאפשר לקבל מידע אחר בעל עניין קליני.

מקור הידע המקיף ביותר על HRV הוא חברת KUBIOS הפינית. באתר שלהם תוכלו למצוא מידע רב על אותות ביו-רפואיים ותוכלו להוריד את "KUBIOS HRV Standard", תוכנת ניתוח שונות של דופק לב למחקר לא מסחרי ולשימוש אישי. כלי זה לא רק מאפשר לך לשרטט גרפים מקובץ טקסט פשוט (עליך להסיר את חותמות הזמן) אלא גם לבצע הערכות סטטיסטיות ומתמטיות (כולל FFT) ולהפיק דו"ח מפורט ובעל ערך להפליא, כמו זה המצורף להלן.

זכור כי רק רופא מומחה מסוגל להחליט אילו בחינות נדרשות לתרגול ספורט בכל רמה ולהעריך את תוצאותיהן.

מדריך זה נכתב מתוך כוונה יחידה ליצור עניין וכיף ביישום מוצרי אלקטרוניקה על שירותי בריאות.

אני מקווה שנהניתם, הערות יתקבלו בברכה!