Easy Pulse — самодельный датчик для измерения частоты пульса. Часть 1 — Теория и схема
На страницах портала Радиолоцман в разделе Схемы не так давно публиковалась статья «Измеритель пульса на микроконтроллере PIC16F628A», в которой рассматривались схема и конструкция ИК датчика для определения частоты пульса по изменению объема крови в артерии пальца. Такой метод относится к фотоплетизмографии – методу непрерывной графической регистрации изменений объема крови, отражающих динамику кровенаполнения сосудов исследуемых органов, части тела человека или животного, основанного на измерении оптической плотности. Однако спецификации датчика в этой статье не было. Несмотря на это, схема датчика была проста для повторения, причем можно было использовать различные ИК светодиоды и фотодиоды, и для корректной работы потребовалось бы лишь подобрать номинал токоограничительного резистора и резистора обратной связи.
Внешний вид платы ИК-датчика Easy Pulse
В этой статье речь пойдет о модернизированной версии сенсора, получившей название Easy Pulse. В проекте используется специальный ИК-датчик TCRT1000, который упрощает схему и конструкцию, так как ИК-светодиод и фототранзистор расположены в одном компактном экранированном корпусе. Его конструкция позволит снизить помехи от внешней засветки и повысить эффективность датчика. Конструктивно датчик представляет собой компактную печатную плату, содержащую также схему преобразования и нормирования сигнала. На выходе датчика мы получаем цифровые импульсы, синхронизированные с пульсом (Рисунок 1). Датчик может подключаться к АЦП или к цифровому входу микроконтроллера для дальнейшей обработки и вычисления значения пульса (количество ударов сердца в минуту).
Теория
Проект основан на принципе фотоплетизмографии, который является неинвазивным методом измерения изменения объема крови в тканях с помощью источника света и фотодетектора. Поскольку изменение объема крови синхронно с биением сердца, этот метод может использоваться для расчета частоты сердечных сокращений. Существует два основных типа фотоплетизмографии: один основан на пропускании света, другой на отражении. В первом случае световой пучок пропускается сквозь часть тела человека (например, через палец или мочку уха), а фотодетектор определяет результирующую интенсивность света, поэтому источник излучения и приемник располагаются напротив друг друга. Во втором случае источник света и фотоприемник располагаются на одной стороне, и информацию о пульсе несет отраженный сигнал. Измерение пульса по такому методу может производиться на любой части человеческого тела. При любом методе измерений в интенсивности света, отраженного от объекта или прошедшего через часть тела, будут обнаружены флуктуации в соответствии с пульсирующим потоком крови, вызванных биением сердца.
На Рисунке 2 схематически изображен датчик для получения сигнала пульса от пальца человека. ИК-светодиод используется для освещения пальца субъекта. В зависимости от объема крови в пальце, поглощается больше или меньше света, следовательно, меняется интенсивность отраженного света. Графическое представление зависимости изменений сигнала во времени и есть сигнал фотоплетизмографии.
Метод пальцевой фотоплетизмографии (исследование отраженного сигнала).
Фотоплетизмограмма имеет несколько составляющих, она регистрирует волны первого, второго и третьего порядка. Волны второго и третьего порядка относятся к медленным колебаниям (их можно назвать постоянной составляющей). Волны 1-го порядка относятся к быстрым колебаниям и соотносятся с пульсом (можно назвать переменной составляющей). Они отражают движение объема крови в измеряемой точке во время систолы и диастолы и могут использоваться в качестве источника информации о пульсе. Для извлечения данного сигнала потребуются эффективные схемы усиления и нормирования сигнала.
Принципиальная схема
Как было сказано выше, в качестве ИК сенсора используется TCRT1000 – экранированный оптический отражательный датчик компании Vishay , в состав которого входят ИК-светодиод и фототранзистор. На Рисунке 3 изображена схема включения внешних компонентов, необходимых для управления датчиком. Подача высокого уровня на вход Enable включает ИК-светодиод, т.е. активирует сенсор TCRT1000. Палец человека сверху датчика действует как отражатель, фототранзистор фиксирует отраженный свет.
Схема включения внешних компонентов для управления оптическим датчиком TCRT1000.
На выходе датчика (VSENSOR) мы получим периодический физиологический сигнал, связанный с изменением интенсивности отраженного ИК-излучения, обусловленным пульсирующим объемом крови в пальце. Сигнал, таким образом, синхронизирован с частотой сердцебиения. Следующая схема (Рисунок 4) представляет собой первый этап преобразования сигнала от ИК-датчика, на котором выполняется подавление достаточно больших медленных волн (постоянной составляющей) и повышение слабых быстрых волн (переменной составляющей), которые несут информацию о пульсе.
Схема пассивного фильтра верхних частот и активного фильтра нижних частот – первый этап преобразования и нормирования сигнала от ИК-датчика TCRT1000.
На схеме выше видно, что сигнал с ИК-сенсора сначала проходит через пассивный фильтр верхних частот (ФВЧ), чтобы избавиться от постоянной составляющей. Частота среза фильтра (fc) равна 0.7 Гц. Далее сигнал проходит через активный фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный на операционном усилителе. Коэффициент усиления фильтра равен 101, частота среза – 2.34 Гц. Такое решение позволяет устранить нежелательный сигнал постоянной составляющей и высокочастотные шумы, в том числе, наводку сети переменного тока 50 Гц (60 Гц), и усилить нужный сигнал, несущий информацию о пульсе, в 101 раз.
Далее следует еще одна подобная схема фильтрации (ФВЧ, ФНЧ) и усиления сигнала (Рисунок 5). Таким образом, общий коэффициент усиления составляет 101 × 101 = 10201. В результате, две стадии фильтрации и усиления преобразуют входной сигнал фотоплетизмографии в ТТЛ импульсы, которые синхронны с сердцебиением. Частота этих импульсов (f) связана с частотой сердечных сокращений (BPM) формулой:
Beats per minute (BPM) = 60 × f
Потенциометр 5 кОм на выходе первой схемы фильтрации и усиления нужен для достижения общего коэффициента менее 10201. Светодиод на выходе второй схемы фильтрации и усиления будет мигать с частотой сердцебиения. Заключительный узел схемы представляет собой простой не инвертирующий буфер для понижения выходного сопротивления. Это важно, если для чтения сигнала используется АЦП микроконтроллера.
Вторая стадия фильтрации и усиления сигнала и выходной неинвертирующий буфер.
Все операционные усилители, используемые в схеме, находятся в одной четырехканальном микросхеме – MCP6004. Усилители имеют низкое энергопотребление и сохраняют работоспособность при напряжении питания в диапазоне от 1.8 до 6.0 В.
ИК-сенсор можно установить на плату, а можно вынести на шлейфе (Рисунок 6). Это придает гибкость при использовании, так как в таком случае его можно закрепить между двумя пальцами или на ладони.
ИК-сенсор может подключаться к плате при помощи шлейфа.
Диапазон напряжений питания платы сенсора, равный 3 – 5 В, позволяет использовать ее с семействами микроконтроллеров с напряжением питания 3.3 В или 5 В.
Часть 2 – Проверка основных параметров, работа с датчиком.
Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман
Источник
Как сделать прибор для измерения пульса
Простейшие приборы для измерения пульса делаются на основе инфракрасного светодиода и фотодиода, поэтому их точность и качество не очень. Сегодня мы хотим поговорить о усовершенствованной версии проекта, которая использует отражательный оптический датчик для фотоплетизмографии TCRT1000. Использование TCRT100 упрощает процесс сборки датчика, так как диодный излучатель и детектор располагаются бок о бок в общем освинцованном пакете, блокируя окружающий рассеянный свет, которые в противном случае мог бы повлиять на характеристики датчика. Также разработана печатная плата, которая несет на себе оба датчика сигнала и блока обработки сигнала. Выходной импульс может подаваться либо на канал АЦП или цифровой вход PIC микроконтроллера для дальнейшей обработки и получения частоты пульса в ударах в минуту на индикаторе.
Этот проект основан на принципе фотоплетизмографии (ФПГ), которая представляет собой неинвазивный метод измерения изменение объема крови в тканях с помощью источника света и детектора. Поскольку изменение объема крови синхронно с биением сердца, этот метод может использоваться для расчета частоты сердечных сокращений. Коэффициент пропускания и коэффициент отражения являются 2-мя основных параметрами фотоплетизмографии. Для ФПГ источник света и светодетектор помещается возле ткани для измерения результирующего света. Из-за ограниченной глубины проникновения света через ткани органов, ФПГ применим к ограниченной части тела, например для пальца или мочки уха. Тем не менее, благодаря высокой отражательной способности ФПГ, источник света и детектор света размещены на одной стороне части тела. Полученный сигнал по величине будет колебаться в зависимости от пульсового кровотока, вызванных биением сердца.
Электрическая схема
Датчик, используемый в данном проекте является TCRT1000 — это отражательный оптический датчик с инфракрасным излучателем света и фототранзистор, расположенные вместе и заключенные внутри модуля, так что есть минимальное воздействие окружающего видимого света. На схеме ниже указаны внешние цепи смещения для датчика TCRT1000. Количество света, отраженного назад от пальца, контролируется фототранзистором.
В схеме, выходной сигнал датчика проходит через rс фильтр высоких частот (ФВЧ), чтобы избавиться от постоянной составляющей. Отсечение частоты ФВЧ установлено на уровне 0.7 Гц. Следующий этап — активный фильтр низких частот (ФНЧ), который состоит из операционного усилителя ОУ. Коэффициент усиления и частота среза ФНЧ задаются 101 и 2.34 Гц, соответственно. Таким образом, комбинация ФВЧ и ФНЧ помогает удалить нежелательный сигнал постоянного тока и высокочастотные шумы 50 Гц электрической сети, в то же время как усиливая низкие амплитуды импульсного сигнала (переменной составляющей тока).
На выходе из первого каскада идет аналогичный ФВЧ/ФНЧ для дальнейшей фильтрации и усиления. Таким образом, общий коэффициент усиления по напряжению достигается от двух каскадов 101 х 101 = 10201. Частота (F) этих импульсов связана с частотой сердечных сокращений (уд / мин):
Подстроечный потенциометр 5К ставится на выходе первого каскада в случае, если суммарное усиление должно быть менее 10201. Светодиод подключен к выходу второго каскада, он будет мигать, когда будет обнаружено сердцебиение. Заключительный каскад представляет собой простой неинвертирующий буфер, чтобы снизить выходное сопротивление. Это полезно, если канал АЦП микроконтроллера используется для чтения усиленного сигнала ФПГ.
Использование пульсомера
Поместите кончик указательного пальца на датчик. Не нажимайте слишком сильно на датчик. Через пару секунд схема стабилизирует сигнал и вы увидите как светодиод мигает синхронно с биением сердца. Выходной сигнал (Uвых) можно подать на вход АЦП микроконтроллера для измерения частоты пульса. Выходное напряжение сигнала можно также просмотреть на экране осциллографа. Следующая фотография показывает этот сигнал.
Источник
Простой кардиомонитор своими руками
Еще одним методом получения информации о работе сердца является электрокардиография, который представляет собой недорогой метод инструментальной диагностики сердца, позволяющий проверить его работу и определить нарушения в ней. Для этой цели компанией Analog Devices разработана микросхема AD8232. AD8232 представляет собой интегрированный блок обработки сигнала для ЭКГ и других биопотенциальных задач. Микросхема предназначена для получения, усиления и фильтрации слабых биопотенциальных сигналов в условиях сильных помех.
Основные характеристики AD8232:
- Низкое потребление тока: 170 мкА
- Напряжение питание: однополярное от 2 до 3,5 В
- Rail to Rail выходной сигнал
- Количество электродов: 2 или 3
- Количество отведений ЭКГ: 1
- Встроенный фильтр ВЧ помех
- 2-полюсный фильтр высоких частот
- 3-полюсный фильтр низких частот
- Коэффициент ослабления синфазного сигнала: 80 дБ
- Детектор контакта электродов
- Выходной сигнал: аналоговый
На основе данной микросхемы в продаже присутствуют модули, удобные для изучения и использования, в комплект входит не только плата с AD8232 и обвязкой, но и набор электродов в зависимости от комплектации.
Для получения кардиограммы электроды прикрепляются на грудь и конечности (в зависимости от выбранного отведения), с которых снимаются сигналы электрической активности сердца.
Электрическая система сердца управляет генерацией и распространением электрических сигналов по сердечной мышце, в результате чего сердце периодически сокращается и расслабляется, перекачивая кровь. В процессе цикла работы сердца происходит упорядоченный процесс деполяризации. Деполяризация – это резкое изменение электрического состояния клетки, когда отрицательный внутренний заряд клетки становится на короткое время положительным. В сердце деполяризация начинается в специализированных клетках водителя сердечного ритма в синусно-предсердном узле. Далее волна возбуждения распространяется через атриовентикулярный (предсердно-желудочковый) узел вниз к пучку Гиса, переходя в волокна Пуркинье и далее приводит к сокращению желудочков. В отличие от других нервных клеток, которые неспособны генерировать электрический сигнал в автоколебательном режиме, клетки синусно-предсердного узла способны создавать ритмичный электрический сигнал без внешнего воздействия. Точнее, внешние воздействия (например, физическая нагрузка) влияют только на частоту колебаний, но не нужны для запуска этого «генератора». При этом происходит периодическая деполяризация и реполяризация клеток водителя ритма. В электрокардиостимуляторе также имеется генератор стабильной частоты, выполняющий роль синусно-предсердного узла. Мембраны живых клеток действуют как конденсаторы. Из-за того, что процессы в клетках электрохимические, а не электрические, деполяризация и реполяризация в них происходят намного медленнее, чем в конденсаторе той же емкости.
Расположенные на теле пациента электроды обнаруживают небольшие изменения потенциалов на коже, которые возникают вследствие деполяризации сердечной мышцы при каждом ее сокращении.
Таким образом, на основе AD8232 можно строить портативные устройства для мониторинга за здоровьем сердечной системы (ЭКГ, кардиомониторы и др.). А кроме этого данная микросхема пригодна для использования получения данных о сокращениях других мышц, что потенциально дает возможность использовать ее в бионике и протезировании. В этом случае необходимо подключать электроды к мышцам, активность которых контролируется.
Выбирая микроконтроллеры STM32 для портативных устройств рационально использовать микроконтроллеры серии L с низким потреблением тока для увеличения времени работы от аккумулятора. В нашем случае для ознакомления используется STM32F1.
В основе схемы лежит микроконтроллер STM32F103C8T6, для индикации используется TFT LCD дисплей ILI9341 с интерфейсом SPI. Схема питается от 5 вольт (можно использовать Power Bank), до необходимого уровня напряжение питания понижается с помощью стабилизатора напряжения AMS1117 3v3 или любого другого стабилизатора напряжения с нужными параметрами. Кроме дисплея в качестве индикатора сердцебиения используется бузер со встроенным генератором. При появлении пика удара сердца на время этого пика включается бузер.
Программа микроконтроллера имеет два меню: основное меню, где на дисплее строится кардиограмма и отображается частота сердечных сокращений и меню настроек, где можно задать коэффициенты для отображения кардиограммы по высоте и по ширине, а также задать порог счета сердечных сокращений. Последний параметр задается относительно окна кардиограммы от 0 до 200 – это порог, в который входят только пики ударов сердца. Настройки сохраняются в flash памяти микроконтроллера. Для надежности используется последняя страница памяти, чтобы наверняка не пересекать память, в которую записана программа микроконтроллера. Для управления меню используется три кнопки S2-S4. Кнопка S2 переключает меню, а кнопки S3 и S4 регулируют настройки. Значения настроек здесь достаточно абстрактны и привязаны к коду. Первая настройка задает время задержки между измерениями АЦП и построением графика, то есть чем больше задержка, тем больше времени нужно на заполнение экрана и тем более сжат график. Вторая настройка задает коэффициент, который делит измеренное значение АЦП — при максимальном значении 4095 делим на 20 и получаем 204,75, то есть практически весь размах значений мы укладываем в 200 пикселей экрана, отведенного под график. Изменением этого коэффициента можно увеличивать или уменьшать график по оси Y. Последняя настройка задает порог с учетом второй настройки для определения пика. Выходя за это значение программа понимает когда произошел удар сердца. Между Этими пиками фиксируется время, по которому рассчитывается частота сердечных сокращений.
В программе присутствует визуализация отклонения ЧСС (частоты сердечных сокращений), если она слишком маленькая или слишком большая график ЭКГ на дисплее начинает отрисовываться красным цветом. Модуль MOD1 это рассматриваемый модуль на основе AD8232. Частота сердечных сокращений вычисляется как среднее значение пяти последних измерений.
Три электрода, входящих в комплект, подключаются к модулю через разъем и сами электроды крепятся на теле человека. В моем случае желтый электрод соответствует RL (правая нога), красный RA (правая рука), зеленый LA (левая рука). Так же соответственно электроды крепятся и на груди. Эти контакты электродов на модуле так же продублированы в виде контактов, к которым можно подключать свои провода с электродами. При использовании проводов из комплекта обязательно стоит прозвонить контакты, чтобы убедиться, что они соответствуют цветам, что не всегда встречается. Круглые электроды, которые входят в комплект являются одноразовыми. После их использование клейкость резко ухудшается, а гель в середине для получения надежного контакта с кожей высыхает. После первых экспериментов не стоит спешить их выбрасывать, для продолжения экспериментов достаточно смочить гель водой (я воду немного подсаливал), тогда он станет снова вязким, клейким и токопроводящим. Такие электроды самые дешевые и простые, при желании можно найти в продаже многоразовые электроды без клейких элементов, работающие как присоски. Но даже в этом случае нужно использовать специальный гель для надежного контакта электрода с кожей. Самым простым вариантом электрода может быть металлическая пластинка или шайба (монета), смоченная в соленой воде, подключенная к модулю AD8232. Такой вариант электрода максимально бюджетный и не сгодится для продолжительного использования — при высыхании воды контакт начнет ухудшаться, что приведет к ухудшению результатов измерения.
Модуль AD8232 имеет детектор подключения электродов – контакты L+ и L- выдают логическую единиц, если электроды не подключены и логический ноль, если подключены. На экране дисплея это отображается символами L+ и L-. Если их цвет зеленый, значит электроды подключены, если красный – отключены. Наличие шума на графике ЭКГ может быть связано с такими нюансами как контакт электродов и их верное расположение на теле, наличие дефектов в проводах электродов и их повреждение. В отличии от оптических датчиков, движения тела при измерении дают намного меньшие искажения графика на экране, но все же дают, так как при движении напряжения других мышц тела, расположенных близко к электроду, также дают некоторые импульсы.
Данная схема не исключает использования других датчиков с аналоговым выходом, например, затрагиваемых ранее оптических датчиков. Достаточно выводы PA1 и PA2 микроконтроллера подключить к земле или питанию, чтобы символы на дисплее не моргали.
P.S. Данное устройство не может быть применено для самостоятельно диагностики, только квалифицированный врач может делать какие-либо заключения о здоровье. Данное устройство создавалось только в познавательных и ознакомительных целях.
Источник