Celem projektu było zrealizowanie czujnika tętna. Projektowany czujnik miał działać na bazie sygnałów elektrycznych pochodzących od ludzkiego serca – w sposób podobny do elektrokardiografu.

1. Dobór układu wzmacniacza.

Po rozeznaniu rynkowym (m.in. produkty Analog Devices, Texas Intruments), wybrany został układ Analog Devices AD8232. Jest to układ wzmacniacza precyzyjnego przeznaczonego specjalnie do pomiarów EKG. Posiada on dodatkową funkcjonalność, taką jak:

– niwelowanie potencjałów elektrod,
– wskaźnik odłączenia elektrod (wyjście cyfrowe),
– tryb niskiego poboru energii (Shutdown),
– szybkie odzyskiwanie sprawności filtru górnoprzepustowego o małej częstotliwości odcięcia (Fast Recovery).

Do testów i rozwoju koncepcji urządzenia, zdecydowano się na zakup gotowej płytki ewaluacyjnej do układu AD8232. Płytka (oznaczenie AD8232-EVALZ) posiada wiele wyprowadzeń, które pozwalają na łatwy pomiar sygnałów końcowych i pośrednich. Parametry odpowiednich filtrów ustawione są w sposób domyślny (zalecany), istnieje także możliwość ich modyfikacji (wymiana komponentów lub umieszczenie w wolnych polach lutowniczych). Dodatkowo, na płytce znajdują się przełączniki pozwalająca na odpowiednie dobranie konfiguracji do pracy w trybie dwóch lub trzech elektrod. Płytka ewaluacyjna jest również produktem Analog Devices, pokazano ją na ryc.1.

Ryc.1. Płytka ewaluacyjna AD8232-EVALZ.

2. Konfiguracja i testy układu na płytce AD8232-EVALZ.
3. a) Elektrody

Przeprowadzone zostały testy w konfiguracji dwóch elektrod umieszczanych na klatce piersiowej. Do pomiarów użyte zostały samoprzylepne jednorazowe elektrody z żelem, pokazane na ryc.2.

Ryc.2. Elektrody żelowe.

W późniejszym etapie zbudowany został pas na klatkę piersiową z elektrodami z folii aluminiowej (ryc.3).

Ryc.3. Pas na klatkę piersiową z elektrodami z folii aluminiowej.

1. b) Sygnał

Zebrane zostały przebiegi sygnału. Przykładowy wykres sygnału po wzmocnieniu i filtracji analogowej pokazano na ryc.4. Odpowiadające mu widmo częstotliwościowe. Przedstawiono na ryc.5.

Ryc.4. Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza widoczny na oscyloskopie Tektronix.

Ryc.5. Widmo sygnału z ryc.4 (zakres 0 – 500 Hz).

Sygnał z ryc.4 jest bardzo wyraźny i cechuje go duży współczynnik mocy sygnału do szumów (SNR). W trakcie badań zauważono jednakże dużą podatność sygnału na artefakty mięśniowe i zmiany parametrów styku elektrod z ciałem. Widmo sygnału (ryc.5) posiada wysoki pik interferującej częstotliwości sieci zasilającej (50 Hz), poza tym najwyższą amplitudę wykazują częstotliwości w okolicach 17 Hz – centralnej częstotliwości zespołu QRS.

1. c) Przetwarzanie sygnału i prototyp kompletnego układu

W celu odczytywania chwilowego tętna, powstał algorytm przetwarzania sygnału, który zaimplementowano w mikrokontrolerze ATmega32 na płytce ewaluacyjnej EvB 4.3. Do przesyłania danych wykorzystano moduł Bluetooth BTM-222 na płytce ewaluacyjnej KAmodBTM222. Połączenie trzech płytek ewaluacyjnych – prototyp kompletnego
układu – pokazano na zdjęciu z ryc.6.

Ryc.6. Prototyp kompletnego układu złożony z trzech płytek ewaluacyjnych.

1. d) Aplikacja wizualizacyjna

Aby śledzić wyniki pomiarów, powstała aplikacja wizualizacyjna napisana w języku Java. Widok z pomiaru, podczas którego badany wykonywał zróżnicowaną aktywność fizyczną przedstawiono na ryc.7. Aplikacja wykorzystuje wskaźnik odłączenia elektrod układu AD8232, zaznaczając na niebiesko i sprowadzając wynik do zera w momentach, w których nastąpiło odłączenie którejkolwiek elektrody.

Ryc.7. Widok z aplikacji wizualizacyjnej w trybie kreślenia obliczonego tętna jako funkcja czasu. Istnieje też alternatywny tryb kreślenia chwilowego sygnału
(przed przetworzeniem) w czasie.

This content, modified, origins from the MSc thesis, which has been developed as an extension of the Heart Rate Sensor project. The author, Marcin Kaszczyk, would like to thank all members of SKN TELIN and its supervisor, Łukasz Januszkiewicz PhD, for their support during realization of the project.