مسجل بيانات القلب: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

على الرغم من توفر العديد من الأجهزة المحمولة في الوقت الحاضر (العصابات الذكية ، والساعات الذكية ، والهواتف الذكية ، …) التي يمكنها اكتشاف معدل ضربات القلب (HR) وإجراء تحليل التتبع ، إلا أن الأنظمة القائمة على أحزمة حزام الصدر (مثل تلك الموجودة في الجزء العلوي من الصورة) لا تزال موجودة واسع الانتشار ومستخدم ، لكنه يفتقر إلى إمكانية تسجيل وتصدير أثر القياسات.

في برنامج Instructable Cardiosim السابق ، قدمت جهاز محاكاة حزام الصدر (Cardio) موضحًا أن إحدى خطواتي التالية كانت تطوير مسجل بيانات معدل ضربات القلب. أنا الآن جاهز لتقديمه في Instructable. تتمثل وظيفة هذه الوحدة المحمولة في تلقي إشارة HR المُرسلة بواسطة حزام حزام الصدر (أو جهاز محاكاة Cardiosim) أثناء جلسة التدريب (التمرين / ركوب الدراجات / الجري ، …) وتسجيل التتبع على بطاقة SD ، من أجل قم بإجراء تحليل الأداء بعد التدريب (انظر التفاصيل في الفصل الأخير).

يتم تشغيل الوحدة بواسطة نظام بطارية قابلة لإعادة الشحن ، بما في ذلك دائرة الشحن ومنظم زيادة التيار المستمر.

من "المستودع" الخاص بي من المواد غير المستخدمة ، أخرجت علبة بلاستيكية مناسبة (135 مم × 45 مم × 20 مم) وقمت بتكييف مخطط الدائرة لتلائم معًا ، مما يجعل نموذجًا أوليًا للعمل يلبي احتياجاتي (ولكن تحقيقه يترك مجالًا لـ تحسين:-))

الخطوة 1: وصف موجز

يرجى الرجوع إلى الخطوة 1 من Cardiosim Instructable للحصول على مقدمة سريعة حول تقنية LFMC (الاتصالات المغناطيسية منخفضة التردد) التي يستخدمها هذا النوع من الأجهزة.

كانت نيتي الأولى هي استخدام وحدة Sparkfun RMCM01 كواجهة استقبال ، لكن هذا المنتج لم يعد متاحًا (ناهيك عن أنه كان مكلفًا للغاية على أي حال).

ومع ذلك ، بالنظر إلى WEB ، وجدت هذا البرنامج التعليمي المثير للاهتمام ، والذي يعرض بعض الحلول البديلة لاستبدال RMCM01. اخترت الخيار الثالث ("Peter Borst Design" ، شكرًا بيتر!) ، وحققت نتيجة ممتازة باستخدام نفس مكونات L / C في Cardiosim ، ولكن متصلة هنا كخزان طنين متوازي. يتم تضخيم الإشارة المكتشفة و "تنظيفها" وفك تشفيرها وإرسالها إلى متحكم Arduino Pro Mini. يقوم البرنامج بالتحقق من صحة النبضات المستلمة ، ويقيس معدل ضربات القلب (أو أفضل الفاصل الزمني بين نبضتين متتاليتين) ويخزن جميع الفواصل الزمنية المقاسة في ملف نصي ASCII (سطر واحد لكل نبضة صالحة ، 16 حرفًا بما في ذلك الفاصل الزمني والطابع الزمني و LF / CR) في بطاقة microSD. بافتراض أن متوسط معدل ضربات القلب يبلغ 80 نبضة في الدقيقة ، فإن تسجيل الساعة يحتاج فقط (4800 سطر نصي × 16 حرفًا) = 76800/1024 = 75 كيلو بايت ، لذلك حتى بطاقة SD 1 جيجابايت الرخيصة توفر الكثير من سعة التسجيل.

أثناء التسجيل ، يمكنك إدراج خطوط علامة لتقسيم التتبع وتقييم مراحل جلسة مختلفة بشكل منفصل.

الخطوة 2: مزود الطاقة LiPo - المخططات والأجزاء والتجميع

يحتل مصدر الطاقة الجزء السفلي من العلبة. باستثناء القصاصة ، لا يتجاوز أي مكون ارتفاعه 7 مم ، مما يعطي مساحة لتركيب مستقبل الموارد البشرية ودائرة متحكم فوق مصدر الطاقة.

لقد استخدمت الأجزاء التالية:

• بطارية LiPo 3.7 فولت (يمكن إعادة تدوير أي بطارية هاتف ، والسعة المنخفضة ليست مشكلة هنا)
• وحدة شحن USB TP4056 ، اشتريتها هنا
• محول دفعة SX1308 DC ، اشتريته هنا
• لوحة نماذج صغيرة 40 × 30 مم
• كابل مع موصل JST 2 ، 54 مم 2 دبوس ، مثل هذا
• (اختياري) موصل JST 2 مم 2 دبوس ، مثل هذا

• (اختياري) كبل مع موصل JST 2 مم 2 دبوس ، مثل هذا

يعتمد استخدام آخر عنصرين على البطارية التي ستستخدمها والطريقة التي تنوي توصيلها بوحدة الشاحن. أقترح موصل JST بحجم 2 مم لأن العديد من البطاريات يتم توصيلها بكابل متصل بالفعل وقابس 2 مم ، أي حل آخر مناسب طالما أنه يسمح باستبدال البطارية بسهولة إذا لزم الأمر. في أي حال ، كن حذرًا لتجنب حدوث دوائر قصر بين أقطاب البطارية أثناء التجميع.

يتم تشغيل الوحدة النمطية TP4056 من منفذ USB صغير وهي مصممة لشحن بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن باستخدام طريقة الشحن ذات التيار المستمر / الجهد الثابت (CC / CV). بالإضافة إلى الشحن الآمن لبطارية الليثيوم ، توفر الوحدة أيضًا الحماية اللازمة التي تتطلبها بطاريات الليثيوم.

SX1308 عبارة عن محول قابل للتعديل DC / DC ذو كفاءة عالية يحافظ على جهد الخرج ثابتًا عند +5 فولت مع أدنى جهد دخل يبلغ 3 فولت ، مما يسمح بالاستغلال الكامل لسعة البطارية. اضبط جهد الخرج باستخدام أداة القطع عند + 5 فولت قبل توصيل دائرة الميكروكونترولر!

يبلغ إجمالي استهلاك مسجل البيانات حوالي 20 مللي أمبير ، وبالتالي فإن البطارية المستخدمة بسعة متبقية تبلغ 200 مللي أمبير في الساعة (أقل من 20٪ من السعة الأولية لبطارية الهاتف الجديدة) ستسمح بالتسجيل لمدة 10 ساعات. العيب الوحيد هو أن التيار الهادئ SX1308 يبلغ حوالي 2 مللي أمبير ، لذلك من الأفضل فصل البطارية إذا لم تستخدم Data Logger لفترة طويلة.

نظرًا لصغر حجمها ، يجب إصلاح كلتا الوحدتين باستخدام فتحات التوصيل للتوصيل الكهربائي والميكانيكي مع لوحة النماذج الأولية ، من خلال قطع قصيرة من الأسلاك النحاسية. في المقابل ، يتم توصيل اللوحة بقاعدة العلبة بمسمار 3 مم × 15 مم (الطول يكفي لربط دائرة متحكم أعلاه بنفس المسمار). تستضيف اللوحة موصل JST 2 مم للبطارية (متوفر فقط في إصدار SMD ، ولكن عند طي المسامير رأسياً يمكنك "تحويلها" في إصدار PTH) وجميع الأسلاك وفقًا للمخططات. فقط للتأكد ، لقد قمت بلصق جسم الموصل باللوحة لتحقيق ختم ميكانيكي جيد.

يتم وضع البطارية بشكل مسطح في المنطقة المتبقية من الجزء السفلي من العلبة ، وخلفها يوجد برغي ثانٍ مقاس 3 مم × 15 مم مع مباعد رأسي 8 مم لتجنب التلامس بين الجزء العلوي من البطارية (وهو معزول على أي حال) وأسفل الدائرة العلوية.

الخطوة 3: مستقبل الموارد البشرية ومسجل البيانات - المخططات والأجزاء والتجميع

يتكون المجلس الرئيسي من:

• لوحة النماذج الأولية 40 مم × 120 مم
• الحث 39mH ، استخدمت BOURNS RLB0913-393K
• 2 × مكثف 22nF
• مكثف 4.7nF
• مكثف 47nF
• مكثف 39pF
• مكثف كهربائيا 10 فائق التوهج / 25 فولت
• مكثف كهربائيا 1 فائق التوهج / 50 فولت
• 3 × المقاوم 10 كيلو
• 2 × المقاوم 100 كيلو
• 3 × المقاوم 1 كيلو
• 4 × المقاوم 220R
• المقاوم 1 م
• المقاوم 47 كيلو
• المقاوم 22 كيلو
• تريمبوت 50 كيلو
• الصمام الثنائي 1N4148
• LED 3 مم أزرق
• 2 × LED 3 مم أخضر
• الصمام 3 مم أصفر
• LED 3 مم أحمر
• مكبرات صوت تشغيلية مزدوجة منخفضة الضوضاء JFET-Input TL072P
• الزناد سداسي عرافة 74HC14
• موصل JST 2.54 مم 2 دبوس ، مثل هذا
• عدد 2 مفاتيح ميكروسويتش من نوع الكوسويتش
• متحكم اردوينو برو ميني ، 16 ميجا هرتز 5 فولت
• وحدة بطاقة Micro SD SPI 5V من DFRobots

يبلغ تردد الرنين لخزان الطنين المتوازي المكون من L1 و C1 حوالي 5.4 كيلو هرتز ، وهو ما يطابق ما يقرب من 5.3 كيلو هرتز لحامل المجال المغناطيسي للإشارة المرسلة لتحويلها إلى جهد. تذكر أنه ، في معظم الحالات ، يتم تعديل الناقل على أساس تنسيق OOK بسيط (On-OFF Keying) ، حيث تقوم كل نبضة قلب بتبديل الناقل "ON" لحوالي 10 مللي ثانية. الإشارة المكتشفة ضعيفة للغاية (موجة جيبية تبلغ 1 مللي فولت على مسافة 60-80 سم من المصدر ، بشرط أن يكون محور الحث محاذيًا بشكل صحيح مع المجال المغناطيسي) ، وبالتالي يجب تضخيمها بعناية لتجنب التداخلات والتزييف الاكتشافات. الدائرة المقترحة هي نتيجة لأقصى جهودي وساعات من الاختبار في ظروف مختلفة. إذا كنت مهتمًا بتعميق هذا الجانب - وربما تحسينه - ألق نظرة على الخطوة التالية ، وإلا يمكنك تخطيها.

تؤدي بوابات Schmitt Trigger التالية وظيفة الرقمنة والكشف عن الذروة ، واستعادة إشارة التعديل الأصلية ، والتي يتم إرسالها إلى Arduino Pro Mini.

تعتبر لوحة وحدة التحكم الدقيقة Pro Mini مثالية لهذا المشروع لأن البلور الموجود على اللوحة يسمح بدقة عالية للقياسات (والتي تعتبر ضرورية من وجهة النظر "الطبية" ، انظر الخطوة الأخيرة) ، وفي نفس الوقت تكون خالية من أي قياسات أخرى لا حاجة للجهاز ، مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة. العيب الوحيد هو أنه لتحميل الكود ، ستحتاج إلى واجهة FTDI لتوصيل Pro Mini بمنفذ USB بجهاز الكمبيوتر الخاص بك. جهاز Pro Mini متصل بـ:

• المحول S1: ابدأ التسجيل
• المحول S2: أدخل علامة
• مؤشر LED أزرق: يومض عند اكتشاف نبضة صحيحة
• LED الأخضر: بدأ التسجيل
• مؤشر LED باللون الأصفر: تم إدخال علامة (وميض قصير) / مهلة (ثابتة)
• وحدة بطاقة MicroSD (عبر ناقل SPI)

بشكل مختلف عن العديد من وحدات بطاقة SD التي تعمل عند 3.3 فولت ، تعمل وحدة DFRobot بجهد 5 فولت ، لذلك لا حاجة إلى ناقل حركة مستوي.

بالنسبة للتجميع ، قد تلاحظ أنني قسمت لوحة النماذج الأولية إلى قطعتين ، متصلتين بـ "جسرين" صغيرين من الأسلاك النحاسية الصلبة 1 مم. كان هذا ضروريًا لرفع وحدة بطاقة MicroSD إلى "مستوى بناء" ثالث ومواءمتها مع التجويف الذي نحتته على العلبة ، أعلى فتحة منفذ USB مباشرةً. علاوة على ذلك ، قمت بنحت ثلاث فترات استراحة على اللوحة نفسها ، واحدة للوصول إلى مقياس الجهد لمحول DC / DC ، وأخرى للوصول إلى موصل الناقل التسلسلي الخاص بـ Arduino Pro Mini (مُركب "مقلوبًا") ، والثالث لـ الحث.

الخطوة 4: مستقبل الموارد البشرية - محاكاة التوابل

بدءًا من تصميم Peter Borst الذي ذكرته سابقًا ، كان هدفي هو محاولة توسيع نطاق الكشف قدر الإمكان ، وفي نفس الوقت الحد من الحساسية للتداخلات وتوليد نبضات كاذبة.

قررت تغيير حل Op-Amp الأصلي لأنه ثبت أنه حساس للغاية للتدخلات ، ربما لأن قيمة المقاوم ردود الفعل 10M عالية جدًا ، ولتقسيم الكسب الإجمالي على مرحلتين.

كلا المرحلتين لهما كسب للتيار المستمر G = 100 ، يتناقص بحوالي 70 @ 5.4 كيلو هرتز ، ولكن مع مقاومة إدخال مختلفة لتحسين الحساسية.

لذلك لنفترض أن الجهد الأضعف للإشارة الناتجة عن خزان LC هو 1mV.

إذا قمنا بتبديل دائرة الاستقبال بأكملها في بيئة التوابل (أستخدم ADIsimPE) لاستبدال الدائرة الموازية LC بمولد جيبي بنفس الجهد والتردد (5.4 كيلو هرتز) وقمنا بتشغيل المحاكاة ، نلاحظ أن جهد الخرج V1 من الأول لا يزال مكبر الصوت عبارة عن موجة جيبية (بسبب عامل المقياس ، لا يمكن ملاحظة موجة جيبية الإدخال) ، ti يعمل مكبر الصوت في المنطقة الخطية. ولكن بعد المرحلة الثانية ، يظهر جهد الخرج V2 أننا وصلنا الآن إلى التشبع (Vhigh = Vcc-1.5V / Vlow = 1.5V). في الواقع ، لم يتم تصميم عائلة TL07x للسكك الحديدية إلى نطاق الإخراج ، ولكن هذا يكفي لتجاوز كل من مستويات الحد الأدنى لبوابة Schmitt Trigger وإنشاء موجة مربعة نظيفة (V3).

الخطوة 5: البرمجيات

بسبب الكسب المرتفع لمرحلة جهاز الاستقبال ، وعلى الرغم من أن مرحلة الكشف الذروة تعمل بشكل أساسي كمرشح تمرير منخفض ، فإن إشارة الإدخال الموجودة على الطرف D3 في Arduino Pro Mini يمكن أن تظل مضطربة بشدة وتحتاج إلى معالجة رقمية مسبقًا من خلال التحقق من الصلاحية ضد الاكتشافات الخاطئة. يضمن الكود استيفاء شرطين لاعتبار النبض صالحًا:

1. يجب أن يستمر النبض 5 مللي ثانية على الأقل
2. الحد الأدنى للفاصل الزمني المقبول بين نبضتين متتاليتين هو 100 مللي ثانية (المقابلة لـ 600 نبضة في الدقيقة ، وهي أبعد بكثير من حد تسرع القلب الشديد!)

بمجرد التحقق من صحة النبض ، يتم قياس الفاصل الزمني (بالمللي ثانية) من الفترة السابقة وتخزينه على بطاقة SD في ملف "datalog.txt" ، جنبًا إلى جنب مع طابع زمني بتنسيق hh: mm: ss ، حيث 00:00: يمثل 00 وقت آخر إعادة تعيين للميكروكونترولر. إذا كانت بطاقة SD مفقودة ، يضيء مؤشر LED الأحمر مشيرًا إلى وجود خطأ.

يمكن بدء / إيقاف تتبع تسجيل جديد باستخدام مفتاح بدء / إيقاف S1 ، وسيتم تحديده بواسطة سطر علامة "؛ ابدأ" و "؛ إيقاف" على التوالي في بداية الملف النصي ونهايته.

إذا لم يتم اكتشاف نبضة لفترة أطول من 2400 مللي ثانية (25 نبضة في الدقيقة) ، يتم وضع خط علامة "؛ مهلة" في الملف ويتم تشغيل مؤشر LED الأصفر D4.

إذا تم الضغط على Marker Switch S2 أثناء تسجيل خط علامة إضافي بالتنسيق "؛ MarkerNumber" ، مع الزيادة التلقائية لرقم العلامة بدءًا من 0 ، تتم كتابته في الملف ، ويومض مؤشر LED الأصفر قريبًا.

إرفاق كود اردوينو الكامل.

الخطوة 6: الإعداد والاختبار الأولي

الخطوة 7: الاستعمال - تحليل الإشارات الطبية

شكل العلبة التي استخدمتها قريب بدرجة كافية من شكل الهاتف الذكي حتى تتمكن من العثور على الكثير من الملحقات في السوق لارتدائها أو لتثبيتها على جهاز تمرين. على وجه الخصوص بالنسبة للدراجة ، يمكنني اقتراح حامل الهاتف الذكي العالمي المسمى "Finn" ، من إنتاج شركة Bike Citizens النمساوية. رخيص (€ 15 ، 00) وسهل التركيب ، إنه عالمي حقًا وكما ترون في الصورة مثالي أيضًا لـ Cardio Data Logger

إن أبسط طريقة لاستخدام البيانات الأولية المسجلة بواسطة Data Logger هي رسمها في رسم بياني باستخدام برامج الكمبيوتر القياسية (مثل Excel). من خلال مقارنة الرسوم البيانية التي تم الحصول عليها بتكرار نفس التمرين ، أو تحليل الارتباط بين اختلافات الموارد البشرية والجهود البدنية ، يمكنك تحسين جرعة القوى أثناء النشاط.

ولكن من الأهمية بمكان دراسة الموارد البشرية ، ولا سيما دراسة تغير الموارد البشرية (HRV) ، للأغراض الطبية. على عكس مسار تخطيط القلب ، لا يحتوي تتبع الموارد البشرية على معلومات مباشرة حول أداء عضلة القلب. ومع ذلك ، فإن تحليله من وجهة نظر إحصائية يسمح بالحصول على معلومات أخرى ذات أهمية إكلينيكية.

أكثر مصادر المعرفة شمولاً حول HRV هي شركة KUBIOS الفنلندية. على موقعهم يمكنك العثور على الكثير من المعلومات حول الإشارات الطبية الحيوية ويمكنك تنزيل "KUBIOS HRV Standard" ، وهو برنامج مجاني لتحليل تقلب معدل ضربات القلب للأبحاث غير التجارية والاستخدام الشخصي. لا تسمح لك هذه الأداة فقط برسم الرسوم البيانية من ملف نصي بسيط (يجب عليك إزالة الطوابع الزمنية) ولكن أيضًا لإجراء تقييمات إحصائية ورياضية (بما في ذلك FFT) وإنتاج تقرير مفصل وقيِّم بشكل لا يصدق ، مثل ذلك المرفق أدناه.

تذكر أن الطبيب المتخصص فقط هو القادر على تحديد الاختبارات اللازمة لممارسة الرياضة على أي مستوى ، وتقييم نتائجها.

تمت كتابة Instructable بهدف وحيد هو خلق الاهتمام والمرح في تطبيق الإلكترونيات على الرعاية الصحية.

أتمنى أن تكون قد استمتعت به ، التعليقات مرحب بها!