Жироспалювання

Як отримати точніші показники частоти серцевих скорочень — поради та усунення несправностей

», в якій розглядалися схема та конструкція ІЧ датчика для визначення частоти пульсу щодо зміни об'єму крові в артерії пальця. Такий метод відноситься до фотоплетизмографії - методу безперервної графічної реєстрації змін об'єму крові, що відображають динаміку кровонаповнення судин досліджуваних органів, частини тіла людини або тварини, що ґрунтується на вимірі оптичної щільності. Проте специфікації датчика у цій статті не було. Незважаючи на це, схема датчика була проста для повторення, причому можна було використовувати різні ІЧ світлодіоди та фотодіоди, і для коректної роботи потрібно лише підібрати номінал струмообмежувального резистора і резистора зворотного зв'язку.

У цій статті йтиметься про модернізовану версію сенсора, яка отримала назву Easy Pulse. У проекті використовується спеціальний ІЧ-датчик TCRT1000, який спрощує схему та конструкцію, оскільки ІЧ-світлодіод і фототранзистор розташовані в одному компактному екранованому корпусі. Його конструкція дозволить знизити перешкоди від зовнішнього засвічення та підвищити ефективність датчика. Конструктивно датчик є компактною друкованою платою, що містить також схему перетворення і нормування сигналу. На виході датчика отримуємо цифрові імпульси, синхронізовані з пульсом (Малюнок 1). Датчик може підключатися до АЦП або до цифрового входу мікроконтролера для подальшої обробки та обчислення значення пульсу (кількість ударів серця на хвилину).

Теорія

Проект ґрунтується на принципі фотоплетизмографії, який є неінвазивним методом вимірювання зміни об'єму крові в тканинах за допомогою джерела світла та фотодетектора. Оскільки зміна об'єму крові є синхронною з биттям серця, цей метод може використовуватися для розрахунку частоти серцевих скорочень. Існує два основних типи фотоплетизмографії: один ґрунтується на пропущенні світла, інший на відображенні. У першому випадку світловий пучок пропускається крізь частину тіла людини (наприклад, через палець або мочку вуха), а фотодетектор визначає результуючу інтенсивність світла, тому джерело випромінювання та приймач розташовуються навпроти один одного. У другому випадку джерело світла і фотоприймач розташовуються з одного боку, і інформацію про пульсі несе відбитий сигнал. Вимірювання пульсу за таким методом може проводитись на будь-якій частині людського тіла. При будь-якому методі вимірювань в інтенсивності світла, відбитого від об'єкта або пройшов через частину тіла, будуть виявлені флуктуації відповідно до пульсуючого потоку крові, викликаних биттям серця.

На малюнку 2 схематично зображено датчик для отримання сигналу пульсу від пальця людини. ІЧ-світлодіод використовується для освітлення пальця суб'єкта. Залежно від об'єму крові в пальці поглинається більше або менше світла, отже, змінюється інтенсивність відбитого світла. Графічне подання залежності змін сигналу в часі і є сигналом фотоплетизмографії.

Фотоплетизмограма має кілька складових, вона реєструє хвилі першого, другого та третього порядку. Хвилі другого та третього порядку відносяться до повільних коливань (їх можна назвати постійною складовою). Хвилі 1-го порядку відносяться до швидких коливань і співвідносяться з пульсом (можна назвати змінною складовою). Вони відображають рух об'єму крові у вимірюваній точці під час систоли та діастоли і можуть використовуватися як джерело інформації про пульс. Для отримання цього сигналу будуть потрібні ефективні схеми посилення і нормування сигналу.

Принципова схема

Як було сказано вище, як ІЧ сенсор використовується TCRT1000 - екранований оптичний відбивний датчик компанії, до складу якого входять ІЧ-світлодіод і фототранзистор. На малюнку 3 зображена схема включення зовнішніх компонентів, необхідних управління датчиком. Подання високого рівня на вхід Enableвключає ІЧ-світлодіод, тобто. активує сенсор TCRT1000. Палець людини зверху датчика діє як відбивач, фототранзистор фіксує відбите світло.

На виході датчика ( V SENSOR) ми отримаємо періодичний фізіологічний сигнал, пов'язаний із зміною інтенсивності відбитого ІЧ-випромінювання, зумовленим пульсуючим об'ємом крові в пальці. Сигнал, таким чином, синхронізований із частотою серцебиття. Наступна схема (Малюнок 4) є першим етапом перетворення сигналу від ІЧ-датчика, на якому виконується пригнічення досить великих повільних хвиль (постійної складової) і підвищення слабких швидких хвиль (змінної складової), які несуть інформацію про пульс.

На схемі вище видно, що сигнал з ІЧ-сенсора спочатку проходить через пасивний фільтр верхніх частот (ФВЧ), щоб позбавитися постійної складової. Частота зрізу фільтра ( f c) дорівнює 0.7 Гц. Далі сигнал проходить через активний фільтр нижніх частот (ФНЧ), виконаний на операційному підсилювачі. Коефіцієнт посилення фільтра дорівнює 101, частота зрізу – 2.34 Гц. Таке рішення дозволяє усунути небажаний сигнал постійної складової та високочастотні шуми, у тому числі, наведення мережі змінного струму 50 Гц (60 Гц), та посилити потрібний сигнал, що несе інформацію про пульс, у 101 раз.

Далі слідує ще одна подібна схема фільтрації (ФВЧ, ФНЧ) та посилення сигналу (Малюнок 5). Таким чином, загальний коефіцієнт посилення становить 101 × 101 = 10201. У результаті дві стадії фільтрації та посилення перетворюють вхідний сигнал фотоплетизмографії в ТТЛ імпульси, які синхронні з серцебиттям. Частота цих імпульсів (f) пов'язана із частотою серцевих скорочень (BPM) формулою:

Beats per minute (BPM) = 60 × f

Потенціометр 5 кОм на виході першої схеми фільтрації та посилення потрібен для досягнення загального коефіцієнта менше 10201. Світлодіод на виході другої схеми фільтрації та посилення блиматиме з частотою серцебиття. Заключний вузол схеми являє собою простий буфер, що не інвертує, для зниження вихідного опору. Це важливо, якщо для читання сигналу використовується мікроконтролер АЦП.

Усі операційні підсилювачі, що використовуються у схемі, знаходяться в одній чотириканальному мікросхемі - . Підсилювачі мають низьке енергоспоживання та зберігають працездатність при напрузі живлення в діапазоні від 1.8 до 6.0 Ст.

ІЧ-сенсор можна встановити на плату, а можна винести на шлейфі (Малюнок 6). Це надає гнучкість при використанні, тому що в такому випадку його можна закріпити між двома пальцями або на долоні.

Діапазон напруги живлення плати сенсора, що дорівнює 3 - 5 В, дозволяє використовувати її з сімействами мікроконтролерів з напругою живлення 3.3 В або 5 В.

Для коментування матеріалів із сайту та отримання повного доступу до нашого форуму Вам необхідно зареєструватися .

Свого часу намагалися будувати такі датчики на базі кліпси на просвіт як мобільні. Намагалися, бо настав диплом і стало не до того. Датчик на відображення в принципі для цього повинен підійти достатньо зі зворотного боку підкласти відбивач і випромінювання.
Все це добре для хворого під наркозом (не рухається). У такій схемі міонаведення позбутися неможливо (перевірено довгими клінічними випробуваннями) - смикнули пальчиком - отримали крокозябру. Динамічний діапазон сигналу фотовідповіді може перевищувати 60 дб. раз.) Усі ці схемки - радіоаматорство на шкільному рівні. У нормальних детекторах брехні застосовуються самі принципи, але обробка сигналу інша.
Це ж елементарно, Ватсон. Параметри нормального пульсу відомі. Можливі відхилення також не секрет і не новина. Створюємо генератор імітуючий пульс і коригуємо його показаннями датчика. А оскільки такий прилад все одно ну ні як не обійдеться без процесора, то генератор запросто можна організувати програмно. І тут перешкоди не важливі. Програма не аналізує весь шум, а тільки виловлює корисний сигнал. Приміром виділяє середнє значення тих чи інших ділянках, відсікає миттєво виникаючі великі перешкоди як неймовірні, отже помилкові, загалом відстежує корисний сигнал, порівнює спостерігається динаміку з віртуальної і коригує часові параметри віртуального пульсу. Навіть якщо в якусь мить датчик виявиться не на пальці, то програма відкине ці виміри як неймовірні.
Невпевнено, що схема виконана на операційному підсилювачі (рис.4) активний фільтр нижніх частот (ФНЧ).
Artak_Barsegyan Звідки такі сумніви? У ланцюзі негативного зворотного зв'язку стоїть ємність.
А чому тільки "намагалися". У мене вдома велотренажер, і на ньому є така кліпса.

Дата: 23.08.2017 Час: 22:50 30962

Якщо ви хочете краще стежити за загальною фізіологічною здатністю, необхідно уважно відстежувати частоту серцевих скорочень. Як показала практика, якнайкраще це можна зробити за допомогою нагрудного монітора серцевого ритму. У нашому огляді ми допоможемо вам вибрати найкращий нагрудний пульсометр.

Трекери для вимірювання пульсу в нагрудних ременях забезпечують найбільш послідовне і точне зчитування серцевих ударів, ніж спортивний годинник на руці. Це завдяки вищій частоті зчитування та меншому їх коливанню на тілі. Тим не менш, не всі спортсмени вважають ремінь зручним, особливо якщо користувач не вміє . Найбільше він підійде бігунам чи велосипедистам, але не для фітнес-залів. Деякі плавці використовують нагрудний пульсометр, хоча є зауваження, що він здавлює грудну клітку та приносить дискомфорт.

В даний час багато фітнес-браслети і розумний годинник включають оптичний датчик серцевого ритму. Замість вимірювання електричних імпульсів, як у випадку з ременем, він використовує світло для читання пульсу кровотоку через шкіру. У той час як ці гаджети зручніші, оптичні сенсори не такі точні і не завжди є найкращим вибором. Вони не стануть добрим компаньйоном для людей, які беруть участь у високоінтенсивному інтервальному тренінгу та інших тренуваннях, під час яких трапляються різкі зміни у частоті серцевих скорочень.

Є три групи ременів з пульсометрами: одна бездротовою мережею підключається до смартфону або ПК, а інша використовує поєднання двох датчиків, які спілкуються один з одним. У даному випадку, використовується пристрій на зап'ястя — спортивний годинник або фітнес-браслет, який забезпечує бездротове з'єднання з нагрудним ременем. Третя група здатна підключатися як до смартфонів та ПК, так і фітнес-браслетів та годинників. Зв'язок із периферійними пристроями здійснюється за допомогою каналу Bluetooth або ANT+.

Використовуючи ремінь першої групи, спортсмен не матиме негайного зворотного зв'язку при роботі з нагрудним пульсометром, оскільки він не має дисплея. Усі дані з його пам'яті будуть передані на смартфон чи ПК після тренування. Інакше телефон доведеться брати з собою на пробіжку.

Тренуючись із ременем другої групи, є можливість спостерігати серцевий ритм та інші дані прямо на екрані годинника під час занять.

У будь-якому випадку, вирішувати саме вам, який вид кращий.

Топ 5 нагрудних пульсометрів

Сьогодні на ринку існує багато моделей ременів для точного відстеження серцевого ритму. Ми пропонуємо огляд нагрудних пульсометрів, які надають найточніші дані ЧСС, порівняно з фітнес-браслетами та спортивним розумним годинником.

Ремінь Tickr X включає датчик, який підраховує повторення під час силового тренування і записує розширені показники вправ, такі як вертикальні коливання тіла і час контакту із землею під час бігу, а також фіксує швидкість і відстань. Любителі велосипедів зможуть оцінити каденс під час використання програми Wahoo Fitness.

Цей нагрудний ремінь з пульсометром надійно відстежує серцевий ритм під час тренувань і відправляє дані через ANT+ та Bluetooth на будь-який пристрій, який у вас є під рукою, будь то телефон на Android/iOS або якийсь фітнес-трекер. Tickr X має вбудовану пам'ять до 16 годин інформації, яку ви можете переглянути в програмі пізніше.

Пристрій надає зворотний зв'язок з користувачем за допомогою двох невеликих світлодіодів, що миготять, один з яких — червоний — вказує на те, що ЧСС виявлена, а інший — синій — сповіщає про те, що Tickr X підключений до іншого пристрою.

Іншим типом зворотний зв'язок є вібрація під час певних дій користувача. Наприклад, коли трекер запрограмований на запуск або зупинку музичного треку при дотику до нього.

Fitness Tickr X не тільки позиціонує себе як пульсометр для бігу з нагрудним датчиком, а й цілком підходить для шанувальників фітнесу. Він пропонує більше, ніж будь-який інший нагрудний пульсометр з нашого списку, тому ми надали йому перше місце в цьому рейтингу.

Робота з великою кількістю додатків
Водонепроникність
Зворотній зв'язок з користувачем
Є Bluetooth та ANT+

На підключеному пристрої (спортивному годиннику або фітнес-браслеті) можна переглянути тільки дані ЧСС - інші показники проглядаються лише за допомогою додатків
Непридатний для плавання

Розроблений спеціально для тріатлетів нагрудний пульсометр Garmin з маленьким і легким трекером регулюється для зручності як у воді, так і на суші. Цей ремінь можна використовувати не лише плавцям, а й спортсменам у тренажерному залі як традиційний монітор серцевого пульсу. Трекер відправляє дані серцебиття в реальному часі на пару годин за допомогою технології бездротової передачі ANT+ (замість Bluetooth LE).

Коли ви плаваєте, датчик серцевого ритму зберігає до 20 годин інформації про ЧСС, а потім, коли ви виходите з басейну, він передає її на підключений годинник Garmin. Це з тим, що сигнали ANT+ що неспроможні проходити крізь воду.

Нагрудний пульсометр HRM Tri сумісний з такими моделями годинників Garmin:

Крім стандартних показників серцевого ритму при бігу, HRM Tri забезпечує динаміку рухів, включаючи частоту кроків, вертикальне коливання тіла та час контакту із землею (використовуючи його з Epix, Fenix 3 та Forerunner 920 XT).

У безкоштовній онлайн-спільноті Garmin Connect можна зберігати дані, планувати свої тренування та ділитися результатами з іншими користувачами. Ви можете переглядати докладні показники плавання, включаючи графіки серцевого ритму, швидкість плавання, тип удару, картографування та багато іншого. А також відстежувати статистику активності: щоденні кроки, відстань та кількість спалених калорій.

Garmin HRM Tri - відмінний нагрудний пульсометр для плавання, фітнесу, бігу та їзди на велосипеді з міцною конструкцією та точними показниками.

Водостійкість	5 АТМ (50 м)
Батарея	термін життя 10 місяців (три тренування 1 година на день)
Ціна	$129,99

Міцна конструкція
Підходить для плавання
Працює з годинником Garmin

Дорогий
Тільки ANT+ (ні Bluetooth LE)

Красивий і маленький нагрудний пульсометр Suunto Smart Belt чудово поєднується зі спортивним годинником Suunto AMBIT3 з використанням Bluetooth 4 Smart LE.

Головною рисою цього пульсометра для грудей є те, що він не показує інформацію в реальному часі через відсутність дисплея, а записує всі дані на згадку. Увімкнути датчик пульсу на ремінці можна за допомогою програми, доступної через смартфон або розумний годинник Suunto AMBIT3. Потім можна йти тренуватись: бігати, плавати, займатися фітнесом. Точні дані про частоту серцевих скорочень і калорії, що спалюються, перейдуть у програмне забезпечення MOVESCOUNT для ведення журналу та подальшого аналізу. Вимкнути пристрій необхідно також через програмне забезпечення.

Оскільки пульсометр має технологію Bluetooth, він також працюватиме з багатьма іншими програмами для фітнесу на iOS та Android.

Suunto Smart Belt – найменший Bluetooth Smart-сумісний датчик серцевого ритму на ринку, який вимірює серцевий ритм із великим комфортом та точністю.

Компактна зручна посадка
Надає точні дані
Водонепроникний
Сумісний як з iOS, так і Android
Працює із додатком-компаньйоном на смартфоні

Згодом втрачає еластичність, що призводить до поганого контакту зі шкірою, а згодом — неточним даними.
Погано спроектований та незручний додаток MOVESCOUNT

Пульсометр нагрудного ременя Polar H10 має вбудовану пам'ять, маючи можливість зберігати один сеанс тренування до 65 годин перед синхронізацією з телефоном. Вмикається датчик за допомогою програми у смартфоні, а потім після закінчення тренування ви зможете переглянути дані про свій серцевий ритм.

Відсутність екрана на пристрої ременя не дає можливості зворотного зв'язку в реальному часі. Тому можна використовувати його із сумісним обладнанням для тренажерів цієї ж компанії, а також розумним годинником та велосипедними комп'ютерами Polar. H10 за допомогою Bluetooth об'єднується з більшістю сучасних смартфонів (iOS, iPhone та Android) та працює з додатками для занять фітнесом.

Polar H10 не відстежує сон, щоденну активність і не рахує кроки, однак у парі зі спортивним годинником Polar він набагато покращить читання вашої продуктивності. А разом з V800 ви можете отримувати дані про пульс плавання.

Компанія відома гарною роботою своєї продукції, тому нагрудний пульсометр Polar має відмінну репутацію у плані надійності та точності показників та почесне місце у нашому рейтингу.

Водостійкість	3 АТМ (30 м)
Батарея	змінна (CR2025), 400 годин
Ціна	$89

Комфортний при носінні
Точні свідчення пульсометра
Гарний час автономної роботи
Водонепроникний
Працює зі сторонніми програмами
Не вимагає використання смартфона
Передає дані про ЧСС в екшн-камери GoPro Hero 4 та 5

Платні загальні функції у власному додатку
Висока ціна

Нагрудний датчик MZ-3 має унікальний підхід до використання даних про серцевий ритм. Він використовує пульс для винагороди користувача з урахуванням індивідуальних рівнів його зусиль. По суті ви отримуєте бали, засновані на ударах по різних діапазонах серцевого ритму. Кількість балів збільшується із зростанням вашої інтенсивності.

У додатку є статистика конкурентів, де можна порівняти свої очки з друзями та знайомими. Цей ігровий підхід може застосовуватися до будь-якої вправи, будь ви весляром, бігуном або велосипедистом.

Вмикається трекер у тому випадку, коли виявляє контакт зі шкірою. Тут не буде проблем із розрядкою батареї, якщо ви забудете відключити пульсометр через додаток у смартфоні, як у інших нагрудних ременях. Але є ризик запустити пульсометр, тримаючи його у долоні. У цьому випадку пристрій увімкнення та вимкнення подає відповідний звуковий сигнал для сповіщення користувача.

Оскільки MZ-3 відстежує ваш серцевий ритм, а не рухи чи кроки, він може бути значною мірою застосований до будь-якого виду спорту – навіть плавання, оскільки він водонепроникний до 5 АТМ. Датчик MZ-3 підтримує ANT+, що дозволяє йому працювати зі сторонніми програмами, такими як Strava або MapMyFitness, даючи можливість передавати в них дані пульсу та маршрути GPS під час бігу або їзди на велосипеді. Є також спортивний годинник MyZone MZ-50, який можна спарювати з ремінцем, щоб забезпечити живу статистику під час тренувань.

Якщо вам потрібна мотивація, а також точний показник того, як багато ви докладаєте зусиль, ми рекомендуємо MyZone MZ-3. Зусилля винагороджуються. Це робить MyZone MZ-3 надійним вибором для всіх, починаючи від фітнес-новачків та закінчуючи професіоналами.

Водостійкість	5 АТМ (50 м)
Батарея	7 місяців
Ціна	$130

Конкурентний елемент платформи MyZone мотивує та стимулює
Точні свідчення ЧСС
Мультиспортивна універсальність
Тривалий час автономної роботи

Не завжди очевидно, що трекер увімкнений
Може сповзати під час плавання та інтенсивних тренувань
Рідний додаток потребує додаткових функцій
Висока ціна

Більшість моніторів серцевого ритму використовують акумулятори, що перезаряджаються. Проте деякі використовують батареї розміром з батарейку в годиннику, який іноді потребує заміни.
Не всі монітори серцевого ритму водонепроникні. Якщо ви бажаєте поплавати за допомогою нагрудного ременя, виберіть той, який розрахований на заняття у воді.
Щоб очистити екран монітора та датчики серцевого ритму, акуратно протріть їх м'якою тканиною. Для рятування від сильних плям спочатку злегка змочіть тканину.
Для чищення ременів використовуйте теплу мильну воду. Висушіть ремені на повітрі під сонцем.

Порівняльна таблиця характеристик

Використовуйте горизонтальне прокручування внизу таблиці


Батарея	Змінний акумулятор CR2032	Змінний акумулятор CR2032	Змінний акумулятор CR2025	Змінний акумулятор CR2032	USB, літієвий акумулятор
Строк служби батареї	До 12 місяців	10 місяців (три тренування 1 година на день)	До 500 годин	До 400 год	7 місяців автономної роботи від заряду
Водостійкість	IPX7 (водонепроникний до 10 АТМ)	5 АТМ (50 м)	3 АТМ (30 м)	3 АТМ (30 м)
Датчик		Датчик серцевого ритму, акселерометр	Датчик серцевого ритму	Датчик серцевого ритму	Датчик серцевого ритму
Зв'язок	Bluetooth 4.0 та ANT+ (двохдіапазонна технологія)	ANT+	Bluetooth	Bluetooth (підтримує одночасне підключення)	Bluetooth, ANT+
Внутрішнє сховище		Так	Так. До 3 годин даних тренування	Так	Так. До 16 годин даних тренування
Частота серцебиття	Так	Так	Так	Так	Так
Мінливість серцевого ритму	Ні	Так	Ні	Ні	Ні
Відстеження	Калорії, вертикальне коливання та час контакту із землею	Каденція, довжина кроку, час контакту із землею, баланс часу контакту із землею, вертикальне коливання та вертикальне співвідношення	Дані про серцевий ритм у реальному часі та спалювані калорії	Слідкує за частотою серцевих скорочень з кількома цільовими зонами, а також калоріями, що спалюються, зробленими кроками і відстанню	Контролює частоту серцевих скорочень, калорії та час
Статистика плавання	Серцевий ритм	Серцевий ритм	Частота серцебиття	Передає інформацію про частоту серцевих скорочень під час плавання на пристрої, що підтримують передачу 5 кГц	Ні
Особливості	Працює з такими програмами, як RunFit 7-хвилинне тренування та багато іншого Відстежує каденс під час їзди велосипедом у парі з додатком Wahoo Fitness	Спеціально розроблений для тріатлетів		Сумісність із критим тренажерним залом Підключення GoPro Дає можливість вибрати своє улюблене заняття із понад 100 спортивних профілів та отримати голосове керівництво в режимі реального часу під час тренування	Живе відображення даних через мобільний додаток, годинник або тренажери у спортзалі Інтернет-журнал з налаштуванням мети, біометричними даними, завданнями, статусом та соціальними каналами

Пам'ятайте: якщо у вас є побоювання з приводу вашого здоров'я або рівня фізичної підготовки, проконсультуйтеся з вашим лікарем. І завжди корисно проконсультуватися з персональним тренером при розробці вправ та цілей. Бережіть себе.

Пульс – це ритмічні коливання стінок кровоносних судин, що відбуваються під час скорочень серця. Вимірювання пульсу дуже важливі для діагностики серцево-судинних захворювань. Важливо стежити за змінами серцевого ритму, щоб не допустити навантаження організму, особливо під час занять спортом. Один із зрозумілих параметрів пульсу – частота пульсу. Вимірюється у кількості ударів за хвилину.

Розглянемо доступний датчик вимірювання серцевого ритму – Pulse Sensor (рисунок 1).

Малюнок 1. Датчик пульсу

Це аналоговий датчик, заснований на методі фотоплетизмографії - зміні оптичної щільності об'єму крові в області, на якій проводиться вимірювання (наприклад, палець руки або мочка вуха), внаслідок зміни кровотоку судинами залежно від фази серцевого циклу. Датчик містить джерело світлового випромінювання (світлодіод зеленого кольору) та фотоприймач (рис. 2), напруга на якому змінюється залежно від об'єму крові під час серцевих пульсацій. Це графік (фотоплетизмограма або ППГ-діаграма) має форму, подану на рис. 3.

Малюнок 2.

Малюнок 3. Фотоплетизмограма

Датчик пульсу підсилює аналоговий сигнал та нормалізує щодо точки середнього значення напруги живлення датчика (V/2). Датчик пульсу реагує відносні зміни інтенсивності світла. Якщо кількість світла, що падає на датчик, залишається постійним, величина сигналу залишатиметься поблизу середини діапазону АЦП. Якщо реєструється велика інтенсивність вивчення, то крива сигналу йде нагору, якщо менше інтенсивність, то, навпаки, крива йде вниз.

Рисунок 4. Реєстрація удару пульсу

Наш датчик пульсу ми використовуватимемо для вимірювання частоти пульсу, фіксуючи проміжок між точками графіка, коли сигнал має значення 50% від амплітуди хвилі під час початку імпульсу.

Технічні характеристики датчика

Напруга живлення – 5 В;
Струм споживання - 4 мА;

Підключення до Arduino

Датчик має три висновки:

VCC – 5 В;
GND – земля;
S – аналоговий вихід.

Для підключення датчика пульсу до плати Арудіно необхідно приєднати контакт S датчика до аналогового входу Arduino (рисунок 5).

Рисунок 5. Підключення датчика пульсу до плати Arduino

Приклад використання

Розглянемо приклад визначення значення частоти імпульсу та візуалізації даних серцевого циклу. Нам знадобляться такі деталі:

плата Arduino Uno
датчик пульсу

Спочатку підключимо датчик пульсу до плати Arduino згідно з рис. 6. Завантажимо на плату Arduino скетч з лістингу 1. У цьому скетчі ми використовуємо бібліотеку iarduino_SensorPulse.

Лістинг 1 //3d-diy.ru // підключення бібліотеки #include // створення екземпляра об'єкта // підключення до контакту A0 iarduino_SensorPulse Pulse (A0); void setup() ( // запуск послідовного порту Serial.begin(9600); // запуск датчика пульсу Pulse.begin(); ) void loop() ( // якщо датчик підключений до пальця if(Pulse.check(ISP_VALID))= =ISP_CONNECTED)( // друк аналогового сигналу Serial.print(Pulse.check(ISP_ANALOG))); Serial.print(" "); // друк значення пульсу Serial.print(Pulse.check(ISP_PULSE)); Serial.println( ); ) else Serial.println("error");

Рисунок 6. Виведення даних аналогового значення та частоти пульсу до монітора послідовного порту.

Для отримання графіка фотоплетизмограми на екрані комп'ютера будемо використовувати добре знайоме Ардуїнщик середовище програмування Processing, схоже на Arduino IDE. Завантажимо на плату скетч Arduino (PulseSensorAmped_Arduino_1dot1.zip), а на комп'ютері з Processing завантажимо скетч (PulseSensorAmpd_Processing_1dot1.zip). Передані з плати Arduino в послідовний порт дані ми будемо отримувати в Processing і будувати графік (рис. 7).

Малюнок 7. Візуалізація даних у Processing.

Ще один варіант візуалізації (для комп'ютерів Mac) – програма Pulse Sensor. Вона також отримує дані, що надходять у послідовний порт від Arduino (завантажити скетч PulseSensorAmped_Arduino_1dot1.zip) і виводить графік, рівень сигналу та значення пульсу (рис. 8).

Рисунок 8. Візуалізація даних із датчика пульсу у програмі Pulse Sensor.

Часті питання FAQ

1. Не світиться зелений світлодіод датчика пульсу

Перевірте правильність підключення датчика пульсу.

2. Значення, що виводяться з датчика пульсу "скачуть"

Для створення постійного зовнішнього фону освітлення, що не змінюється, оберніть датчик з одного боку чорною стрічкою.

3. Явно неправильні показання з датчика пульсу

Прикладати датчик пульсу слід правильно між центром подушечки і вигином пальця.

У цій статті ви дізнаєтесь про декілька деталей, на які потрібно звертати увагу при розробці сенсорів фотоплетизмографа.

Вступ

У попередній статті ви познайомилися з конструкцією. Сьогодні я поділюсь деякими напрацюваннями, які можуть бути корисними при виборі елементної бази плетизмографа та розробці його електричної схеми. Вони допоможуть покращити якість корисного сигналу, на який насамперед впливають такі фактори:

відсутність артефактів;
наявність вираженої пульсової хвилі у точці реєстрації;
конструкція чутливого елемента

Артефакт – зміна форми сигналу, що не відноситься до корисної складової, спектрально і амплітудно схоже з ним.

Існує кілька джерел артефактів:

пересування людини, яка використовує фотоплетизмограф, відносного джерела освітлення, природного чи штучного, наприклад, переміщення тіні від сонця під час занять спортом;
пересування джерела світла щодо людини чи зміна яскравості цього джерела. Наприклад, мерехтіння люмінесцентних ламп;
не пов'язані з пульсом руху частин тіла, що викликають рухи фотоплетизмографа або точок тіла в тому місці, де встановлено чутливий елемент. Наприклад, рухи кісток передпліччя, що виникають при рухах пальцями, рухи кісток голови, пов'язані з промовою та мімікою.

Крім артефактів, якість вимірювання пульсу залежить від вираженості пульсової хвилі. У однієї людини пульс може бути виявлений дуже добре і дуже погано. Наприклад, я багато разів спостерігав за зміною пульсу під час тригодинного комп'ютерного психофізіологічного тестування. Вимірювання пульсограми проводилося з мочки вуха. При цьому сигнал погіршувався з часом. Це могло відбуватися досить швидко - за півгодини, і пов'язано, ймовірно, з тим, що вушна кліпса погіршує кровообіг, а також з вимушеною нерухомістю випробуваного.

Схожа ситуація спостерігається під час вимірювання пульсу з фаланги пальця. Зміна температури в приміщенні або легка зміна пози людини і викликане цим зміщення точки реєстрації на невелику відстань можуть призвести до зниження рівня сигналу або зовсім його зникнення.

При вимірі пульсу з скроні проблема відсутності сигналів загострюється. Площа скроні більше площі пальця, важче знайти точку, в якій пульс краще виявлений, і більша ймовірність, що користувач надягне датчик неправильно.

Багатоканальні чутливі елементи

Для вирішення описаної проблеми може бути застосований поширений у техніці принцип дублювання, яке в даному випадку передбачає використання датчика з декількома чутливими елементами. p align="justify"> Принципова схема, що реалізує таку ідею, наведена на наступному малюнку.

Передбачаю скептичні думки читачів щодо паралельно включених світлодіодів. Прошу не судити суворо, тому що це досвідчений зразок, який не повинен був експлуатуватись тривалий час.

Світлодіоди та фототранзистори на друкованій платі розташовуються попарно. Розмір плати вибирається таким, щоб перекривати всю область скроні, це дозволяє розташовувати там схему посилення і фільтрації сигналу. Плата може містити отвори для кріплення до стрічки-тосьми. Зовнішній вигляд датчика з дев'ятьма чутливими елементами представлений на малюнку.

Аналогічне рішення може бути використане для вимірювання пульсу з пальця або зап'ястя. Нижче зображено схему датчика, що складається з чотирьох фототранзисторів і одного світлодіода.

Емітери фототранзисторів можуть не з'єднуватися і сигнали з кожного з них вимірюються незалежно, в цьому випадку потрібен спеціальний багатоканальний вимірювальний пристрій. Багатоканальне виконання може бути корисним для усунення артефактів. Якщо артефакт виникає лише в районі одного фотоелемента, він фіксується та не враховується у загальній картині виміру. Однак використання такої схеми не завжди зручне, тому що призводить до збільшення габаритів. Зовсім інша річ, якщо з'єднати фоточутливі елементи паралельно. В цьому випадку потрібно лише один вимірювальний канал. На наступному малюнку наведено прототип такого датчика. Він працює за схемою "на відображення". Світлодіод розташовується в центрі, а фототранзистори по краях. Датчик може бути використаний для реєстрації пульсограми з фаланги пальця або зап'ястя. Друкована плата розведена так, щоб мати можливість підключати фототранзистори в багатоканальні або одноканальні варіанти.

Компаудіювання

Для кращої фіксації фотоелементів поверхню друкованої плати можна залити компаундом. Для заливки виготовляється спеціальна форма, яку ви бачите на малюнку. Щоб компаунд не прилипав до форми, її краще виготовляти із фторопласту. Якщо форму виконати з іншого матеріалу, наприклад з металу, перед заливкою компаунда її слід змастити спеціальним складом. Якщо такого складу немає, підійде звичайний вазелін. Слід також уважно підходити до вибору компаунда, оскільки неправильно вибраний склад може деформувати елементи затвердіння.

Крім фіксації компаунд виконує роль світлофільтру. Для цієї мети підходять епоксидні компаунди із барвниками. Наприклад, може використовуватися компаунд «Епоксикон» виробництва СПбГТИ.

Альтернативу компаундам можуть становити тверді світлофільтри. Вони впритул прилягають до друкованої плати, а для світлодіодів і фототранзисторів виконуються пази фрезою або лазером. На наступному малюнку зображено датчик із елементами, закритими відфрезерованою пластиною.

Наявність світлофільтра дозволяє мінімізувати артефакти, які створюються зовнішніми джерелами світла. На наступному зображенні представлений вид оптичних компаундів до затвердіння та після.

Особливості вибору фототранзисторів та світлодіодів

Для реєстрації пульсової хвилі використовуються фоточутливі елементи фотодіоди або фототранзистори. У цій статті йдеться лише про фототранзисторів. Тому що на момент мого початку робіт у цьому напрямку вже були на руках кілька десятків різних транзисторних сенсорів (кліпс, прищіпок та напалечників), а також напрацьовані схемотехнічні рішення. Використання діодів при цьому не гірше і повсюдно застосовується в різних додатках, наприклад, у поширених медичних датчиках стандарту Nellcor.

При виборі фототранзисторів та світлодіодів насамперед слід звертати увагу на такі характеристики:

довжину хвилі (максимум спектральної характеристики) [нм];
кут половинної яскравості для світлодіодів та кут охоплення для фототранзисторів [град.];
інтенсивність випромінювання [мВт/ср] для світлодіодів та чутливість для фототранзисторів [мА/(мВт/см2)];
номінальний струм фототранзистора та світлодіода [мА];
темновий струм фототранзистора [мА];
наявність вбудованих у корпус лінз та світлофільтрів.

Для вимірювання пульсу найкраще підходять довжини хвиль, які найсильніше поглинаються кров'ю. Це хвилі, що відповідають зеленому кольору 530 нм. Так само використовуються червоний та інфрачервоний діапазони. Дуже рекомендую з класифікацією методів вимірювання пульсу, там же ви дізнаєтеся про діапазон поглинання гемоглобіну.

При виборі фотоелементів слід звертати увагу на наявність лінз та світлофільтрів, які дозволяють досягти бажаного кута половинної яскравості та охоплення, а отже, бути менш чутливим до випромінювання від інших джерел. Вбудовані фільтри дозволяють працювати лише у вибраному спектральному діапазоні. Якщо вибрати світлодіод з великим кутом половинної яскравості і фототранзистор з великим кутом охоплення, світло буде проходити, минаючи поверхню шкіри. Це призведе до погіршення вимірювального діапазону і світловий потік, що модулюється пульсовою хвилею, практично не впливатиме на вихідний сигнал вимірювальної схеми. Ця ситуація проілюстрована на наступному малюнку

Кут а2 є допустимим, а кут а1 занадто великий для того, щоб використовувати світлодіод з таким кутом у пристрої вимірювання пульсу. Цей приклад відноситься до випадку вимірювання пульсу «відбиття». Вибір світлодіода з великим кутом половинної яскравості в пристроях, що працюють «на просвіт», призведе до того, що велика потужність випромінювання проходитиме повз фотоприймач. Це небажано, особливо у мобільних пристроях.

Також слід звертати увагу на інтенсивність випромінювання світлодіода, що вимірюється в міліватах на стерадіан [мВт/ср]. У документах на світлодіоди вона вказується зазвичай при струмах 20, 100 та 1000 мА. Для економії електроенергії краще вибирати світлодіоди, у яких ця характеристика вища за одного і того ж споживаного струму. Слід брати до уваги величину фотоелектричного струму фототранзистора, що більше її значення, краще. Останні дві характеристики пов'язані між собою. В результаті, рівень мінімально очікуваного сигналу повинен бути хоча б у кілька разів вище за очікуваний рівень шумів у вимірювальному пристрої.

Світлодіоди та фототранзистори часто продаються парами, що підходять один до одного конструктивно та за спектральними характеристиками. У таблиці наведено характеристики кількох пар світлодіодів та фототранзисторів. Пари в рядках 2 і 3 не підходять для використання в пульсометрах через великий кут і низьку потужність випромінювання. Пари 1, 4 і 5 підходять, причому перша пара підходить найкраще. Це було підтверджено випробуваннями. За інших рівних умов найкращий сигнал пульсограми знімався під час використання першої пари. Потрібно відзначити, що якщо між світлодіодом і фототранзистором поставити непрозору перешкоду, то кут випромінювання та чутливості не так сильно впливатимуть на якість вимірювання пульсу.