Как получить более точные показатели частоты сердечных сокращений — советы и устранение неисправностей

», 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.

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.

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 , 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.

На выходе датчика (V SENSOR ) 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.

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 (f c ) 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.

Все операционные усилители, используемые в схеме, находятся в одной четырехканальном микросхеме - . 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.

Диапазон напряжений питания платы сенсора, равный 3 - 5 В, позволяет использовать ее с семействами микроконтроллеров с напряжением питания 3.3 В или 5 В.

• В свое время пытались строить подобные датчики на базе клипсы на просвет как мобильные. Пытались, потому как наступил диплом и стало не до того. Датчик на отражение в принципе для этого должен подойти достаточно с обратной стороны подложить отражатель ик излучения.
• Все это хорошо для больного под наркозом (не движется). В такой схеме от мионаводок избавиться невозможно (проверено долгими клиническими испытаниями) - дернули пальчиком - получили крокозябру. Динамический диапазон сигнала фотоответа может превышать 60 дб (амплитуда может падать в 1000 и более раз даже у одного человека, в зависимости от его состояния в данный момент. Пример: измеряем амплитуду сигнала, глубоко вдыхаем и задерживаем дыхание. Гарантируется падение амплитуды в 10 - 100 раз.) Все эти схемки - радиолюбительство на школьном уровне. В нормальных детекторах лжи применяются те же принципы, но обработка сигнала иная.
• Это же элементарно, Ватсон.Параметры нормального пульса известны. Возможные отклонения тоже не секрет и не новость. Создаем генератор имитирующий пульс и корректируем его показаниями датчика.А поскольку такой приборчик все равно ну ни как не обойдется без процессора, то генератор запросто можно организовать программно. В этом случае помехи уже не важны. Программа не анализирует весь шум а только вылавливает полезный сигнал. Ну к примеру выделяет среднее значение на тех или иных участках, отсекает мгновенно возникающие большие помехи как неверояные, а следовательно ошибочные, в общем отслеживает полезный сигнал, сравнивает наблюдаемую динамику с виртуальной и корректирует временные параметры виртуального пульса. Даже если в какие то мгновения датчик окажется не на пальце, то программа отбросит эти замеры как невероятные.
• Неуверено, что схема выполненный на операционном усилителе (рис.4) активный фильтр нижних частот (ФНЧ).
• Artak_Barsegyan Откуда такие сомнения? В цепи отрицательной обратной связи стоит ёмкость.
• А почему только " пытались". У меня дома велотренажер и на нем есть такая клипса.

Дата: 23.08.2017 Время: 22:50 30962

Если вы хотите лучше следить за своей общей физиологической способностью, необходимо внимательно отслеживать частоту сердечных сокращений. Как показала практика, наилучшим образом это можно сделать с помощью нагрудного монитора сердечного ритма. В нашем обзоре мы поможем вам выбрать лучший нагрудный пульсометр.

Трекеры для измерения пульса в нагрудных ремнях обеспечивают наиболее последовательное и точное считывание сердечных ударов, нежели спортивные часы на руке. Это благодаря более высокой частоте считывания и меньшему их колебанию на теле. Тем не менее, не все спортсмены считают ремень удобным, уж тем более, если пользователь не умеет . Больше всего он подойдет бегунам или велосипедистам, но не для фитнес залов. Некоторые пловцы используют нагрудный пульсометр, хотя есть замечания, что он сдавливает грудную клетку и приносит дискомфорт.

В настоящее время многие фитнес-браслеты и умные часы включают оптический датчик сердечного ритма. Вместо измерения электрических импульсов, как в случае с ремнем, он использует свет для чтения пульса кровотока через кожу. В то время как эти гаджеты более удобны, оптические сенсоры не так точны и не всегда являются лучшим выбором. Они не станут хорошим компаньоном для людей, которые участвуют в высокоинтенсивном интервальном тренинге и других тренировках, во время которых случаются резкие изменения в частоте сердечных сокращений.

Есть три группы ремней с пульсометрами: одна по беспроводной сети подключается к смартфону или ПК, а другая использует сочетание двух датчиков, которые общаются друг с другом. В данном случае, используется устройство на запястье — будь то спортивные часы или фитнес-браслет, — которое обеспечивает беспроводное соединение с нагрудным ремнем. Третья группа способна подключаться как к смартфонам и ПК, так и фитнес-браслетам и часам. Связь с периферийными устройствами осуществляется с помощью канала Bluetooth или ANT+.

Используя ремень первой группы, у спортсмена не будет немедленной обратной связи при работе с нагрудным пульсометром, поскольку он не имеет дисплея. Все данные из его памяти будут переданы на смартфон или ПК после тренировки. В противном случае, телефон придется брать с собой на пробежку.

Тренируясь с ремнем второй группы, есть возможность наблюдать сердечный ритм и другие данные прямо на экране часов во время занятий.

В любом случае, решать именно вам, какой вид предпочтительнее.

Топ 5 нагрудных пульсометров

Сегодня на рынке существует множество моделей ремней для точного отслеживания сердечного ритма. Мы предлагаем обзор нагрудных пульсометров, которые предоставляют самые точные данные ЧСС, по сравнению с фитнес-браслетами и спортивными умными часами.

Ремень Tickr X включает в себя датчик, который подсчитывает повторения во время силовой тренировки и записывает расширенные показатели упражнений, такие как вертикальные колебания тела и время контакта с землей во время бега, а также фиксирует скорость и расстояние. Любители велосипедов смогут оценить каденс при использовании приложения Wahoo Fitness.

Этот нагрудный ремень с пульсометром надежно отслеживает сердечный ритм во время тренировок и отправляет данные через ANT + и Bluetooth на любое устройство, которое у вас есть под рукой, будь то телефон на Android/iOS или какой-нибудь фитнес-трекер. Tickr X имеет встроенную память до 16 часов информации, которую вы можете просмотреть в приложении позже.

Устройство предоставляет обратную связь с пользователем с помощью двух небольших мигающих светодиодов, один из которых — красный — указывает на то, что ЧСС обнаружена, а другой — синий — оповещает о том, что Tickr X подключен к другому устройству.

Другим типом обратной связи является вибрация во время определенных действий пользователя. Например, когда трекер запрограммирован на запуск или остановку музыкального трека при касании к нему.

Fitness Tickr X не только позиционирует себя как пульсометр для бега с нагрудным датчиком, но и вполне подходит для любителей фитнеса. Он предлагает больше, чем любой другой нагрудный пульсометр из нашего списка, поэтому мы присвоили ему первое место в этом рейтинге.

• Работа с большим количеством приложений
• Водонепроницаемость
• Обратная связь с пользователем
• Есть Bluetooth и ANT+

• На подключенном устройстве (спортивных часах или фитнес-браслете) можно просмотреть только данные ЧСС — другие показатели просматриваются лишь с помощью приложений
• Непригоден для плавания

Разработанный специально для триатлетов, нагрудный пульсометр Garmin с маленьким и легким трекером регулируется для удобства как в воде, так и на суше. Этот ремень можно использовать не только пловцам, но и спортсменам в тренажерном зале в качестве традиционного монитора сердечного пульса. Трекер отправляет данные сердцебиения в реальном времени на сопряженные часы с помощью технологии беспроводной передачи ANT+ (вместо Bluetooth LE).

Когда вы плаваете, датчик сердечного ритма хранит до 20 ч информации о ЧСС, а затем, когда вы выходите из бассейна, он передает ее на подключенные часы Garmin. Это связано с тем, что сигналы ANT+ не могут проходить сквозь воду.

Нагрудный пульсометр HRM Tri совместим с такими моделями часов Garmin:

Кроме стандартных показателей сердечного ритма при беге, HRM Tri обеспечивает динамику движений, включая частоту шагов, вертикальное колебание тела и время контакта с землей (используя его с Epix, Fenix 3 и Forerunner 920 XT).

В бесплатном онлайн-сообществе Garmin Connect можно хранить данные, планировать свои тренировки и делиться результатами с другими пользователями. Вы можете просматривать подробные показатели плавания, включая графики сердечного ритма, скорость плавания, тип удара, картографирование и многое другое. А также отслеживать статистику активности: ежедневные шаги, расстояние и количество сожженных калорий.

Garmin HRM Tri — отличный нагрудный пульсометр для плавания, фитнеса, бега и езды на велосипеде с прочной конструкцией и точными показателями.

• Прочная конструкция
• Подходит для плавания
• Работает с часами Garmin

• Дорогой
• Только ANT + (нет Bluetooth LE)

Красивый и маленький нагрудный пульсометр Suunto Smart Belt прекрасно сочетается со спортивными часами Suunto AMBIT3 с использованием Bluetooth 4 Smart LE.

Главной чертой этого пульсометра для груди является то, что он не показывает информацию в реальном времени из-за отсутствия дисплея, а записывает все данные в память. Включить датчик пульса на ремешке можно с помощью приложения, доступное через смартфон или умные часы Suunto AMBIT3. Затем можно идти тренироваться: бегать, плавать, заниматься фитнесом. Точные данные о частоте сердечных сокращениях и сжигаемых калориях перейдут в программное обеспечение MOVESCOUNT для ведения журнала и последующего анализа. Выключить устройство необходимо также через ПО.

Поскольку пульсометр имеет технологию Bluetooth, он также будет работать с многими другими приложениями для фитнеса на iOS и Android.

Suunto Smart Belt — самый маленький Bluetooth Smart-совместимый датчик сердечного ритма на рынке, который измеряет сердечный ритм с большим комфортом и точностью.

• Компактная удобная посадка
• Предоставляет точные данные
• Водонепроницаемый
• Совместим как с iOS, так и Android
• Работает с приложением-компаньоном на смартфоне

• Со временем теряет эластичность, что приводит к плохому контакту с кожей, а в последствии — неточным данным
• Плохо спроектированное и неудобное приложение MOVESCOUNT

Пульсометр нагрудного ремня Polar H10 имеет встроенную память, имея возможность хранить один тренировочный сеанс до 65 часов перед синхронизацией с телефоном. Включается датчик с помощью приложения в смартфоне, а затем по окончанию тренировки вы сможете просмотреть данные о своем сердечном ритме.

Отсутствие экрана на устройстве ремня не дает возможности обратной связи в реальном времени. Поэтому можно использовать его с совместимым оборудованием для тренажеров этой же компании, а также умными часами и велосипедными компьютерами Polar. H10 с помощью Bluetooth объединяется с большинством современных смартфонов (iOS, iPhone и Android) и работает с приложениями для занятий фитнесом.

Polar H10 не отслеживает сон, ежедневную активность и не считает шаги, однако в паре со спортивными часами Polar он намного улучшит чтение вашей производительности. А вместе с V800 вы можете получать данные о пульсе при плавании.

Компания известна хорошей работой своей продукции, поэтому нагрудный пульсометр Polar имеет отличную репутацию в плане надежности и точности показателей и почетное место в нашем рейтинге.

• Комфортный при носке
• Точные показания пульсометра
• Хорошее время автономной работы
• Водонепроницаемый
• Работает со сторонними приложениями
• Не требует использования смартфона
• Передает данные о ЧСС в экшн-камеры GoPro Hero 4 и 5

• Платные общие функции в собственном приложении
• Высокая цена

Нагрудный датчик MZ-3 имеет уникальный подход к использованию данных о сердечном ритме. Он использует пульс для вознаграждения пользователя на основе индивидуальных уровней его усилий. По сути, вы получаете баллы, основанные на ударах по различным диапазонам сердечного ритма. Количество баллов увеличивается с ростом вашей интенсивности.

В приложении имеется статистика конкурентов, где можно сравнить свои очки с друзьями и знакомыми. Этот игровой подход может применяться к любому упражнению, будь вы гребцом, бегуном или велосипедистом.

Включается трекер в том случае, когда обнаруживает контакт с кожей. Здесь не будет проблем с разрядкой батареи, если вы забудете отключить пульсометр через приложение в смартфоне, как в других нагрудных ремнях. Но есть риск запустить пульсометр, держа его просто в ладони. В этом случае устройство при включении и выключении подает характерный звуковой сигнал, чтобы оповестить пользователя.

Поскольку MZ-3 отслеживает ваш сердечный ритм, а не движения или шаги, он может быть в значительной степени применен к любому виду спорта — даже плаванию, так как он водонепроницаем до 5 АТМ. Датчик MZ-3 поддерживает ANT+, что позволяет ему работать со сторонними приложениями, такими как Strava или MapMyFitness, давая возможность передавать в них данные пульса и маршруты GPS во время бега или езды на велосипеде. Есть также спортивные часы MyZone MZ-50, которые можно спаривать с ремешком, чтобы обеспечить живую статистику во время тренировок.

Если вам нужна мотивация, а также точный показатель того, как много вы прикладываете усилий, мы рекомендуем MyZone MZ-3. Усилия вознаграждаются. Это делает MyZone MZ-3 надежным выбором для всех, начиная от фитнес-новичков и заканчивая профессионалами.

• Конкурентный элемент платформы MyZone мотивирует и стимулирует
• Точные показания ЧСС
• Мультиспортивная универсальность
• Длительное время автономной работы

• Не всегда очевидно, что трекер включен
• Может сползать во время плавания и интенсивных тренировок
• Родное приложение нуждается в дополнительных функциях
• Высокая цена

• Большинство мониторов сердечного ритма используют перезаряжаемые аккумуляторы. Однако некоторые используют батареи размером с батарейку в часах, которые иногда требуют замены.
• Не все мониторы сердечного ритма являются водонепроницаемыми. Если вы хотите поплавать с помощью нагрудного ремня, выберите тот, который рассчитан на занятия в воде.
• Чтобы очистить экран монитора и датчики сердечного ритма, аккуратно протрите их мягкой тканью. Для избавления от сильных пятен сначала слегка смочите ткань.
• Для чистки ремней используйте теплую мыльную воду. Высушите ремни на воздухе под солнцем.

Сравнительная таблица характеристик

Используйте горизонтальную прокрутку внизу таблицы

Батарея	Сменный аккумулятор CR2032	Сменный аккумулятор CR2032	Сменный аккумулятор CR2025	Сменный аккумулятор CR2032	USB, литиевый аккумулятор
Срок службы батареи	До 12 месяцев	10 месяцев (три тренировки 1 час в день)	До 500 часов	До 400 ч	7 месяцев автономной работы от заряда
Водостойкость	IPX7 (водонепроницаемый до 10 АТМ)	5 АТМ (50 м)	3 АТМ (30 м)	3 АТМ (30 м)
Датчик		Датчик сердечного ритма, акселерометр	Датчик сердечного ритма	Датчик сердечного ритма	Датчик сердечного ритма
Связь	Bluetooth 4.0 и ANT + (двухдиапазонная технология)	ANT +	Bluetooth	Bluetooth (поддерживает одновременные подключения)	Bluetooth, ANT +
Внутреннее хранилище		Да	Да. До 3 часов данных тренировки	Да	Да. До 16 часов данных тренировки
Частота сердцебиения	Да	Да	Да	Да	Да
Изменчивость сердечного ритма	Нет	Да	Нет	Нет	Нет
Отслеживание	Калории, вертикальное колебание и время контакта с землей	Каденция, длина шага, время контакта с землей, баланс времени контакта с землей, вертикальное колебание и вертикальное соотношение	Данные о сердечном ритме в реальном времени и сжигаемых калориях	Следит за частотой сердечных сокращений с несколькими целевыми зонами, а также сжигаемыми калориями, сделанными шагами и расстоянием	Контролирует частоту сердечных сокращений, калории и время
Статистика плавания	Сердечный ритм	Сердечный ритм	Частота сердцебиения	Передаёт информацию о частоте сердечных сокращений во время плавания на устройства, поддерживающие передачу 5 кГц	Нет
Особенности	Работает с такими приложениями, как RunFit 7-минутная тренировка и многое другое Отслеживает каденс во время езду на велосипеде в паре с приложением Wahoo Fitness	Специально разработан для триатлетов		Совместимость с крытым тренажерным залом Подключение GoPro Дает возможность выбрать свое любимое занятие из более 100 спортивных профилей и получить голосовое руководство в режиме реального времени во время тренировки	Живое отображение данных через мобильное приложение, часы или тренажеры в спортзале Интернет-журнал с настройкой цели, биометрическими данными, задачами, статусом и социальными каналами

Помните: если у вас есть какие-либо опасения по поводу вашего здоровья или уровня физической подготовки, проконсультируйтесь с вашим врачом. И всегда полезно проконсультироваться с персональным тренером при разработке упражнений и целей. Берегите себя.

Пульс - это ритмичные колебания стенок кровеносных сосудов, происходящие во время сокращений сердца. Измерения пульса очень важны для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Важно следить за изменениями сердечного ритма, чтобы не допустить перегрузки организма, особенно во время занятий спортом. Один из понятных параметров пульса – частота пульса. Измеряется в количестве ударов в минуту.

Рассмотрим доступный датчик для измерения сердечного ритма – Pulse Sensor (рисунок 1).

Рисунок 1. Датчик пульса

Это аналоговый датчик, основанный на методе фотоплетизмографии - изменении оптической плотности объема крови в области, на которой проводится измерение (например, палец руки или мочка уха), вследствие изменения кровотока по сосудам в зависимости от фазы сердечного цикла. Датчик содержит источник светового излучения (светодиод зеленого цвета) и фотоприемник (рис. 2), напряжение на котором изменяется в зависимости от объема крови во время сердечных пульсаций. Это график (фотоплетизмограмма или ППГ-диаграмма) имеет форму, представленную на рис. 3.

Рисунок 2.

Рисунок 3. Фотоплетизмограмма

Датчик пульса усиливает аналоговый сигнал и нормализует относительно точки среднего значения напряжения питания датчика (V/2). Датчик пульса реагирует на относительные изменения интенсивности света. Если количество света, падающего на датчик остается постоянным, величина сигнала будет оставаться вблизи середины диапазона АЦП. Если регистрируется большая интенсивность изучения, то кривая сигнала идет вверх, если меньше интенсивность, то, наоборот, кривая идет вниз.

Рисунок 4. Регистрация удара пульса

Технические характеристики датчика

• Напряжение питания - 5 В;
• Ток потребления - 4 мА;

Подключение к Arduino

• VCC - 5 В;
• GND - земля;
• S - аналоговый выход.

Рисунок 5. Подключение датчика пульса к плате Arduino

Пример использования

• плата Arduino Uno
• датчик пульса