Как стать автором
Обновить

Рюкзак с ЭКГ своими руками

Время на прочтение 10 мин
Количество просмотров 4.6K
Автор оригинала: gabigriffith27

У кампусов современных колледжей есть одна общая черта: напряжённые студенты!

Сегодняшние студенты часто разрываются между несколькими направлениями сразу, и всё из-за давления как с социальной, так и с научной стороны. Из-за этого многие студенты чувствуют, что не справляются, и в итоге демонстрируют плохие результаты как в науке и в спорте, так и в общении.

В этом семестре наш класс изучал различные биометрические инструменты, способные измерять всяческие биологические сигналы, испускаемые телом пациента, как-то: сокращение мускулов, мозговые волны и сердечные волны. Мы хотели разработать медицинский инструмент, который можно было бы использовать для отслеживания уровня стресса студентов на основе пульса. Наш «ЭКГ-рюкзак» оборудован датчиком ЭКГ, отслеживающим пульс пациента, и даёт мгновенную обратную связь через светодиоды и приложение для телефона, с которым он связывается через Bluetooth. ЭКГ-рюкзак предупредит пользователя при помощи светодиодов, когда его уровень стресса значительно превысит нормальный, исходя из пульса в покое. Данные с мобильного приложения можно экспортировать в Excel и использовать для дальнейшего анализа.

Шаг 1: материалы и инструменты




Чтобы сделать ЭКГ-рюкзак, вам понадобятся:

1. Любой рюкзак, хотя мне больше нравится такие, у которых снаружи есть карман — $7,99.
2. Adafruit FLORA ($14.95)
3. Flora Wearable Bluefruit LE Module ($17.50)
4. Светодиоды — по $0.03
5. Аккумуляторы ($12.50)
6. Потенциометр (нашёлся в наборе с Arduino)
7. Токопроводящая нить ($6.99)
8. Одёжные кнопки ($3.95)
9. Bitalino ЭКГ с кабелем для датчика и кабель с тремя электродами ($55)
10. Резистор на 220 Ом
11. 10 крокодилов ($5.99)
12. 3 тонких проводочка
13. 3 электрода

Всего около $125.

Необходимые инструменты:

1. Ножницы.
2. Швейная игла.

Полезно также будет иметь:

1. Паяльник с припоем.
2. Прозрачный лак для ногтей.
3. Нитки.
4. Изоленту (предпочтительно синюю).
5. Маркер.

Шаг 2: подготовка



Один сердечный цикл

Чтобы разобраться во всех возможностях ЭКГ-рюкзака, нужно сначала иметь базовое понимание того, а что он, собственно, записывает ЭКГ. ЭКГ записывает электрические сигналы, идущие от сердца. В каждом сердечном цикле сердце проходит через несколько различных систол (сжатий) и диастол (расслаблений), а каждый из них соответствует определённой волне. Изучая ЭКГ, мы видим три основных секции: P-волну, комплекс QRS и T-волну. Они показаны на рис. выше. Время между двумя комплексами QRS позволяет нам определить частоту сердцебиений. Всё это будет учтено в коде.

Кроме базового понимания метода считывания ЭКГ вы должны уметь программировать Arduino. Вам потребуется добавить поддержку платы Flora. И, наконец, вам нужно будет скачать библиотеку с GitHub для Adafruit Bluetooth.

Шаг 3: Безопасность




При работе с электронными схемами необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности:

  • Изменяя схему, убедитесь, что питание отключено.
  • Не располагайте жидкости и еду рядом со схемой.
  • Не носите ЭКГ-рюкзак во время физических упражнений, чтобы провода не оторвались от платы или пот не проник к электронике.
  • Работайте с изолированными проводами и инструментами.

Внимание! Это не медицинское устройство – это всего лишь инструмент для отслеживания пульса. За более точными измерениями и советами обратитесь к врачу.

Шаг 4: советы




Советы по созданию ЭКГ-рюкзака:

  • Паяйте аккуратнее, и не соедините два соседних контакта – это может закоротить схему. Для отладки и поиска ненадёжных соединений можно использовать мультиметр.
  • Убедитесь, что токопроводящие нити не пересекаются и не касаются друг друга. Это может привести к короткому замыканию и потенциально быть опасным.
  • Убедитесь, что концы нити не соприкасаются после завязывания.
  • Убедитесь, что платы прочно прикреплены к рюкзаку.
  • Перед началом сбора данных убедитесь, что плата Flora включена.
  • При выборе рюкзака учитывайте комплекцию пациента. К примеру, используйте рюкзак обычного размера для взрослого, или меньшего размера – для ребёнка. Лямки позволяют точнее настраивать устройство и размещать электроды в нужном месте.
  • Можно сэкономить деньги, переделав свой старый рюкзак.
  • Убедитесь, что электроды хорошо прилегают к коже. Для получения качественного сигнала нужно почистить кожу спиртом, удалить с неё пыль и другие частицы, убедиться в отсутствии помех.
  • Для экономии времени, перед запуском кода для ЭКГ проверьте правильность работы светодиода и потенциометра при помощи двух программ с GitHub, potentiometercheck и LEDcheck. Работу потенциометра можно проверить в последовательном плоттере. При повороте рукоятки линия должна пойти вверх и достичь плато, а при повороте в другую сторону – пойти вниз, пока не достигнет нуля. Это поможет подстраивать наш сигнал с ЭКГ. Светодиод работает, если он загорится после закачки кода.
  • Помечайте места для размещения проводов и контактов (землю, номера контактов, 3,3 В) внутри рюкзака при помощи маркера, чтобы не запутаться.

Шаг 5: принципиальная схема




Принципиальная схема соединений, которую мы подробно разберём далее. Для простоты прилагаю диаграмму из Fritzing.

Шаг 6: принципиальная схема, продолжение




Привожу диаграмму из Eagle, на которой показан Bluetooth-модуль (прямоугольник слева) и Flora (справа). Также на схеме присутствуют потенциометр, светодиод и ЭКГ.

ЭКГ, светодиод и резистор находятся в левом углу фигуры, в которую заключён микропроцессор Flora. Потенциометр расположен в правом нижнем углу этой же фигуры.

Шаг 7: начало сборки рюкзака




Ознакомившись с подготовительным этапом, безопасностью и советами, можно начинать собирать ЭКГ-рюкзак!

Шаг 8: припаяйте кнопки к Adafruit Flora




Кнопки сильно помогают присоединять платы к ткани. У Adafruit по поводу кнопок есть полезный обучающий материал. Важно паять очень осторожно, поскольку неверное соединение может испортить всю схему.

Микропроцессору потребуются следующие контакты:

  • Оба контакта 3.3 В.
  • RX #0.
  • TX #1.
  • 2 земли (GND) (на нашей картинке указано 3, но мы обнаружили, что можем использовать только 2 – левый нижний и левый верхний контакты).
  • Digital Pin #9
  • Digital Pin #10

Некоторые контакты на картинке (3-й GND и SCL #3 не нужны).

Шаг 9: Припаяйте кнопки на Bluefruit Bluetooth Module




Кнопки нужны на следующих контактах модуля:

  • Питание 3.3 В
  • TX
  • RX
  • GND

Шаг 10: пришейте кнопки и подключите Bluefruit Bluetooth к Flora




Сначала очень важно расположить кнопки так, чтобы они совпадали с расположением кнопок на микропроцессоре и модуле Bluetooth. Это можно сделать при помощи мела – потереть им каждую кнопку, а потом прижать платы к нужным местам.

После этого пришейте кнопку токопроводящей нитью, начиная с задней стороны рюкзака, и потом продевая нить через каждое из четырёх отверстий.

Чтобы соединить модуль Bluetooth и плату Flora между собой, токопроводящая нить должна соединять соответствующие кнопки.

По завершению процесса завяжите нить узелком с задней стороны рюкзака.

Чтобы соединить две платы, нужно провести нити между следующими контактами:

  • Flora GND — Bluetooth GND
  • Flora TX #1 — Bluetooth RX
  • Flora RX #0 — Bluetooth TX
  • Flora 3.3V — Bluetooth 3.3V

На фото выше модуль Bluetooth располагается слева, а плата Flora – справа.

Шаг 11: добавьте к схеме питание




Проделайте под Flora небольшое отверстие, чтобы протянуть провода от аккумулятора. Проведите провода через отверстие и подсоедините их к плате. При включении платы Flora должен загораться зелёный светодиод, а на Bluetooth – мигать красный.

Шаг 12: пришейте кнопки для питания потенциометра и светодиода




Теперь нам нужно пришить кнопки, расположенные сверху платы Flora. Среди них:

  • GND, которую мы подсоединим к светодиоду и потенциометру.
  • 3.3 В, которую мы подсоединим к потенциометру.
  • pin #10, которую мы подсоединим к потенциометру.
  • pin #9, которую мы подсоединим к светодиоду.

После пришивания кнопок и протягивания проводов к задней части рюкзака я рекомендую оставить запас нити, чтобы потом можно было продолжить шитьё. Некоторые из этих компонентов будут подсоединяться к кнопкам с другой стороны.

Шаг 13: пришейте внутренние кнопки, к которым будет подсоединено несколько компонентов




Поскольку к земле и 3,3 В нужно будет подсоединить несколько компонентов, обязательно нужно добавить ещё одну кнопку внутри рюкзака – так, чтобы к ней могли подсоединиться несколько «крокодилов».

На предыдущем шаге мы оставили запас нити. Пришейте с её помощью ещё одну кнопку, только убедитесь, что провода не пересекаются друг с другом.

Шаг 14: соберите кабель для ЭКГ




Кабель состоит из чипа ЭКГ, электродного кабеля с тремя контактами и кабеля UC-E6. Для подключения кабеля к схеме я подсоединил крокодилы к различным компонентам ЭКГ:

  • Красный провод ЭКГ – к красному крокодилу.
  • Чёрный провод ЭКГ – к зелёному крокодилу.
  • Пурпурный провод ЭКГ – к синему крокодилу.

Шаг 15: продолжаем собирать кабель ЭКГ




Продолжаем дополнять кабель ЭКГ, добавляя к нему при помощи крокодилов короткие проводки. Как я подсоединил провода:

  • Красный кабель ЭКГ – красный крокодил – оранжевый провод.
  • Чёрный кабель ЭКГ – зелёный крокодил – жёлтый провод.
  • Пурпурный кабель ЭКГ – синий крокодил – зелёный провод.

Для надёжности обмотал соединения изолентой. Эти короткие проводки нужны для подсоединения схемы к плате Flora.

Шаг 16: прорежьте дыру, чтобы провести провода от ЭКГ к верхней части рюкзака




В дальнем уголке переднего кармана, где расположены все провода, прорежьте дыру, соединяющую карман с основным отделением рюкзака. Это позволит расположить в главном отделении провода от ЭКГ-электродов и Bitalino. На фото выше видно, как провода проходят через отверстие.

Шаг 17: проведите провода для ЭКГ через рюкзак, чтобы провода шли по лямкам




Как показано выше, после того, как вы провели провода через отверстие (обведено красным квадратом), их нужно провести через основное отделение так, чтобы они болтались сверху.

Шаг 18: проведите провода через лямки рюкзака




Прорежьте отверстие в верхней части каждой из лямок, там, где расположена подкладка. Проведите провода вниз по лямкам до указанных мест.

Чёрный электрод должен быть с правой стороны пользователя и располагаться выше красного. Красный электрод должен быть с левой стороны и находиться ниже. Линия между ними должна образовывать диагональ, идущую через сердце. Белый электрод нужно поместить на кость. Его можно расположить наверху лямки, чтобы поместить на кость плеча.

Шаг 19: подключите ЭКГ к Flora




Как я описывал выше, ЭКГ была подсоединена к крокодилам, к которым затем я прикрепил провода:

  • Красный кабель ЭКГ – красный крокодил – оранжевый провод.
  • Чёрный кабель ЭКГ – зелёный крокодил – жёлтый провод.
  • Пурпурный кабель ЭКГ – синий крокодил – зелёный провод.

После этого нужно подвести провода к контакту №6 (аналог 7), земле (GND) и 3,3 В.

Я сделал в рюкзаке несколько небольших отверстий, чтобы провода прошли изнутри кармана наружу.

Вот, как нужно подсоединять провода к контактам:

  • Зелёный провод (пурпурный ЭКГ) – контакт №6.
  • Оранжевый (красный ЭКГ) – 3,3 В.
  • Жёлтый (чёрный ЭКГ) – земля (GND).

Подсоединённые к земле и 3,3 В провода я обмотал вокруг соответствующих кнопок. Зелёный провод обмотан вокруг контакта №6.

Шаг 20: подсоединяем потенциометр к Flora




Потенциометр нужно подключить к контакту №10, земле и 3,3 В. Эти места отмечены кружочками на фото. Контакт №10 – это просто нить, подсоединённая к этой кнопке и плате Flora. Скачайте схему подсоединения потенциометра, чтобы было понятнее.

Шаг 21: сделайте небольшое отверстие, чтобы пользователь видел светодиод




Как показано на фото выше, сделайте небольшое отверстие, через которое сможет проникать свет светодиода. Слева – фото после того, как я сделал отверстие. Справа – уже со вставленным светодиодом. Чтобы он светился, я подключил его и загрузил код.

Шаг 22: Подключите светодиод к Flora




Чтобы подключить светодиод:

  • Проденьте светодиод через отверстие и прижмите его ножки, чтобы они шли параллельно рюкзаку.
  • Короткую ногу (катод) подсоедините к крокодилу, а потом к резистору на 220 Ом. При помощи второго крокодила подсоедините резистор к земле.
  • Подсоедините анод (длинную ногу) светодиода к контакту №9.

Шаг 23: загрузите код в Flora!



Для того, чтобы пользоваться Flora, нужно загрузить в неё код. Его можно скачать с GitHub. На видео дана подробная инструкция по загрузке и использованию кода.

Перед загрузкой вам, возможно, потребуется установить нужное ПО. Инструкция по этому поводу есть на сайте Adafruit.

Рюкзак практически готов!

Шаг 24: подправьте код, чтобы светодиод включался, когда пульс превышает нормальное значение




В табличке приведены нормальные значения пульса в зависимости от пола и возраста. Найдите своё значение и вставьте его в код.

В коде установлена верхняя граница пульса, равная 90. Если вы хотите оставить эту границу, то ничего не меняйте. В противном случае поменяйте цифру в следующем участке кода:

if (HR > 90) { 
  digitalWrite(LEDpin, HIGH);
} // If the resting HR is above 90, or another preset HR, turn the LED on. HR number can be changed based off of chart in Instructable

Шаг 25: расположите липкие электроды на теле




Поместите электроды на тело человека в указанные на картинке точки. Электрод, отмеченный зелёной точкой, располагается на кости плеча. Красная точка обозначает чёрный провод нашего ЭКГ, а жёлтая – красный провод нашего ЭКГ.

Шаг 26: подключите кабели из рюкзака к электродам на теле




Электроды подключаются рядом с теми местами, где они выглядывают из лямок. Подправьте лямки так, чтобы они подходили пользователю и позволяли подключить расположенные на теле электроды.

Шаг 27: подстройте потенциометр




Подключите Flora к компьютеру и загрузите код, нажав стрелочку в левом верхнем углу. После загрузки выберите «последовательный плоттер» (serial plotter). При повороте потенциометра вы должны видеть линию на графике. Убедитесь, что через линию потенциометра проходят пики комплекса QRS, как показано на картинке выше, иначе подсчёт сердечных сокращений будет работать неточно.

Шаг 28: скачайте Bluefruit LE Connect




Скачайте приложение Bluefruit LE connect. С его помощью вы сможете скачивать данные на телефон.

Шаг 29: подсоедините телефон к Bluetooth




Запустите приложение и подсоединитесь к Adafruit Bluefruit LE с настройками, показанными выше. Нажмите Uart, и после этого появятся данные. Частота сердечных сокращений будет первым числом в строке.

Шаг 30: наденьте рюкзак




Сначала включите Flora. Затем наденьте рюкзак и носите его, стараясь избегать прыжков и бега – такие движения могут привести к появлению артефактов.

Шаг 31: экспорт данных




Набрав данных, нажмите на шестерёнку в правом верхнем углу приложения, и нажмите Export. Вы сможете отправить по емейлу текстовый файл себе или тому, кто захочет их проанализировать.

Шаг 32: изучайте данные в Excel




Скопируйте данные в Excel. Выберите все данные и постройте линейный график. Жёлтая линия обозначает порог потенциометра, а серая – сердечные сокращения. Пульс определяется как количество сокращений в минуту, то есть, сколько раз серая линия пересекла жёлтую за минуту.

Шаг 33: что можно улучшить




Эту схему можно улучшить:

  • Разместив потенциометр в более удобном месте для подстройки. Сейчас каждый раз для этого мне нужно открывать карман с электроникой.
  • Добавить датчик давления для отслеживания количества вдохов и выдохов. Это позволит отслеживать повышенную частоту дыхания и делать выводы о напряжении и расслаблении пациента. У рюкзаков обычно есть застёжки, соединяющие лямки на груди, и туда как раз удобно будет поместить такой датчик.

Шаг 34: конечный продукт






На первом фото – данные, полученные приложением через Bluetooth. В это время пульс составил 96 ударов в минуту. Я сравнил данные с показаниями Apple Watch, и они неплохо совпадают – в этот же промежуток времени часы показывали от 95 до 98 уд/мин. Светодиод на фото горит, потому что пульс превышает 90 уд/мин. 90 в моём случае – пороговое значение, и его превышение говорит о высоком уровне напряжения и возбуждения.

См. также:

Теги:
Хабы:
Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку
+6
Комментарии 2
Комментарии Комментарии 2

Публикации

Истории

Ближайшие события

Московский туристический хакатон
Дата 23 марта – 7 апреля
Место
Москва Онлайн
Геймтон «DatsEdenSpace» от DatsTeam
Дата 5 – 6 апреля
Время 17:00 – 20:00
Место
Онлайн