В этой статье вы познакомитесь с конструкцией прибора, позволяющего измерять пульсовую волну и передавать данные по радиоканалу на андроид устройство.

Лирическое вступление

Фотоплетизмограф – прибор, который определяет изменение размера органов человека с помощью фоточувствительных элементов. Он может использоваться для измерения пульса. В этом случае регистрируется изменение интенсивности света от искусственного источника из-за прохождения пульсовой волны. Как правило, для регистрации используются последняя фаланга пальца, мочка уха, запястье или висок. Очень часто принцип фотоплетизмографии применяется в различных спортивных аксессуарах.

Для регистрации фотоплетизмограммы нужны источник света и фотоприемник. Источником обычно служит светодиод, а приемником – фототранзистор или фотодиод. Свет, излученный источником, поглощается телом человека. В первом приближении можно сказать, что степень поглощения зависит от количества крови в той точке тела, где находится датчик. При изменении количества крови, изменяется поглощение света и сигнал на выходе фотоприемника.
По отношению друг к другу источник и приемник могут располагаться двумя способами. Эти способы называются «на отражение» и «на просвет». В случае «на отражение» приемник и источник располагаются в одной плоскости. Свет от источника попадает на кожу, частично поглощается и, отражаясь, попадает на приемник. На следующем рисунке чувствительный элемент собственного производства. Он состоит из печатной платы, с напаянными на неё фототранзистором и светодиодом. Провод идет к измерительной коробочке.



В варианте «на просвет» источник и приемник располагаются по разные стороны от части тела. На следующем рисунке они находятся в разных половинках пульсометрической клипсы. Излученный свет проходит палец насквозь и попадает в фотоприемник. Эта клипса предназначена для измерения пульса с мочки уха. На картинке палец, потому что так удобнее фотографировать.



Сигнал с фотоприемника поступает на схему усиления и фильтрации. Пример такой схемы приведен на следующем рисунке. Резисторы R1 и R2 задают ток светодиода и рабочую точку фототранзистора соответственно. Разделительный конденсатор C1 убирает постоянную составляющую, которая возникает из-за освещенности помещения, где происходит измерение. Подтягивающий резистор R3 сдвигает напряжение в положительную область (так как усилитель однополярный). Напряжение сдвига подается также в обратную связь усилителя, чтобы избежать насыщения. После усиления сигнал поступает на еще один разделительный каскад, чтобы окончательно убрать напряжение сдвига. Затем происходит оцифровка данных с помощью АЦП.



Эта схема является распространённой, но не единственной. Все желающие могут пройти по ссылке к интересной статье фирмы Микрочип. Кроме измерения пульса с помощью фотодиодов вы там прочитаете о принципах измерения насыщения крови кислородом (оксигенации), там же приведены используемые типовые схемные решения, и программы для микроконтроллера. Кстати, совсем недавно у Микрочипа появилась демонстрационная плата для пульсометрии.

Описание фотоплетизмографа

Для повышения мобильности измерения пульсограммы было разработано устройство, содержащее сенсор «на отражение», схему усиления, микроконтроллер и радиомодуль HC-05 стандарта блютус.

Принцип действия

Основным элементом датчика является микроконтроллер PIC16F1705. У него на борту встроенный операционный усилитель, АЦП, ЦАП, COM порт и достаточно ресурсов для проведения несложных вычислений. Первоначально разработанная схема включения усилителя соответствовала приведенной выше. После испытаний некоторые узлы были изменены. В частности, в обратную связь вместо напряжения смещения добавлен конденсатор 47 мкФ. Он выполняет функцию устранения постоянной составляющей, которая создается делителем напряжения. Для снижения энергопотребления светодиод подключается к выходу ЦАП, который работает только в момент выборки данных АЦП. Питающее напряжение поступает от Li-Ion аккумулятора LP502030 емкостью 250 мАч. Зарядка происходит через разъем мини-USB и схему, реализованную на контроллере заряда MCP73831. Радиосвязь обеспечивается модулем HC-05. Для связи с компьютером или смартфоном используется символьный протокол. Датчик располагается в корпусе OKW minitec, в комплекте с которым может идти ремешок для крепления на запястье.



Датчик имеет следующие характеристики:

• измерение пульсовой волны;
• частота дискретизации 200 Гц;
• аккумулятор 250 мАч, заряд от USB;
• не менее пяти часов непрерывной работы;
• размеры 50 х 45 х 16 мм;
• вес 20 г.

Программа для Android, обработка данных

Для отображения пульсовой волны на графике и сохранения данных было разработано андроид приложение. Подпрограмма работы с блютус модулем использует коды из свободно распространяемой программы терминала BlueTerm. От блютус адаптера данные передаются в класс-декодер для расшифровки, а затем в класс-обработчик для формирования массива выборок и, возможно, проведения необходимых расчетов. В настоящий момент библиотеки расчета ЧСС и других значимых параметров не подключены. После обработчика данные поступают в главное окно приложения, где выводятся на графике и сохраняются в файл, который может быть открыт сторонним приложением. Во время работы над проектом я наткнулся на хорошую программу LabChart, которая работает с несколькими форматами файлов, в том числе текстовыми. Существуют платная и бесплатная версии этой программы. Бесплатная отображает данные на графике и позволяет проводить математическую обработку: сглаживание, фильтрацию и Фурье анализ. На следующем рисунке изображено окно этой программы с графиком данных, полученных от датчика. Применен фильтр высоких частот.



Платная версия программы пока не попала мне в руки. На сайте разработчика описываются весьма любопытные характеристики. Программа позволяет рассчитывать ЧСС, моду, амплитуду моды, строить интервалограммы и многое другое.

Продолжение следует

В следующих статьях я расскажу о некоторых деталях, которые необходимо учитывать при проектировании аппаратной части фотоплетизмографа, методах обработки данных, устранения помех и артефактов.

P.S.

Вы можете ознакомиться с чертежами и программой датчика, а также с исходными кодами андроид приложения.

Добавлено (20.05.2015)

— в репозиторий в папку info/ добавлен файл с записью пульсограммы за 10 минут;
— добавлена АЧХ аналоговой части датчика, её оригинальный файл также в репозитории;