Toto zapojení je první praktickou konstrukcí, navazující na sérii článků Operační zesilovače polopatě. Může být zajímavým projektem pro začátečníky, nebo názornou učební pomůckou.
Srdeční tep se snímá fotoplethysmografickými[1] (PPG) snímači dvěma různými způsoby – odrazovým nebo průchozím.
Dva typy senzorů PPG. IR světlo je prochází tkání a je detekováno fotodiodou / fototranzistorem. IR světlo prochází pokožkou a tkání, odráží se od kosti a je detekováno fotodiodou / fototranzistorem.
Princip obou senzoru je stejný. Srdeční tep se snímá jako změna objemu krve v prstu nebo ušním lalůčku. Jako zdroj světla se běžně používá LED, svítící v neviditelném infračerveném pásmu, protože při této vlnové délce může být dosaženo největší amplitudy signálu díky absorpci světla v hemoglobinu, obsaženém v krvi. Odražený nebo procházející signál se snímá fotodiodou nebo fototranzistorem. Modulace signálu na výstupu snímače je závislá na objemu krve ve tkáni, který se mění v rytmu srdečního tepu. Amplituda tohoto signálu je ovšem příliš malá pro přímé zpracování mikrokontrolérem. Pro zesílení je proto použit zesilovač, sestavený ze dvou operačních zesilovačů, které na svém výstupu již poskytují dostatečnou úroveň napětí tepového signálu a zároveň odfiltrují rušivá napětí.
Obě tato PPG čidla mají své výhody i nevýhody.
Průchozí typ obvykle vyžaduje svěrku, ve které je umístěna LED i fototranzistor a do které se sevře tkáň.
Reflexní typ může být realizován jako doteková ploška, ale je citlivý na pohyb prstu během měření.
Zisk každého z neinvertujících zesilovačů se vypočte podle vzorce:
Au = 1 + (Rt / Ri) = 1 + (680k / 6k8) = 101
Celkové zesílení je součinem zesílení každého stupně, tedy 101 * 101 = 10 201.
Mezní frekvence aktivních dolních propustí je:
Fc = 1 / (2*pi*R*C) = 1 / (2 * 3,14 * 680000 * 0,0000001) = 2,34 Hz [ Hz, Ohm, F]
To znamená, že maximální měřitelná tepová frekvence je přibližně 140 tepů za minutu. Pokud je třeba měřit vyšší tepovou frekvenci, je třeba změnit parametry filtrů.
Kombinace kondenzátoru 1M a rezistoru 68k jsou pasivní horní propusti prvního řádu, které blokují stejnosměrnou složku signálu.
Trimr 5k slouží k nastavení citlivosti zapojení. Přiložte na senzor prst a otáčejte pomalu trimrem, dokud LED nezačne pravidelně blikat v rytmu vašeho tepu.
Blikání je sice hezké, ale počítat jednotlivé záblesky je poněkud neohrabané.
Pro zobrazení tepové frekvence využijeme mikrokontrolér PICAXE s tímto programem:
#rem
Snímač tepové frekvence
K článku "Monitor srdečního tepu" na www.robodoupe.cz
(c) Hobbyrobot 1607
#endrem
#picaxe 08m2 ; typ PICAXE
#no_data ; neukládej data do paměti (rychlejší nahrávání programu)
#terminal 4800 ; otevři terminálové okno a nastav komunikační rychlost 4800 Bd
do
count C.4, 15000, b0 ; počítá pulzy na pinu C.4 po dobu 15 s (15.000 ms) a ukládá výsledek do proměnné b0
b0=b0*4 ; výsledek násobíme 4x, aby vyšel počet tepů za 1 minutu
sertxd ("Tepová frekvence: ",#b0,13,10) ; zobrazení výsledku v terminálovém okně
loop
Digitální výstup zesilovače je spojen se vstupem C.4 mikrokontroléru.
Program je velmi jednoduchý. Využívá příkaz count pro počítání impulzů za určitý čas a příkaz sertxd pro zobrazení výsledku počítání v terminálovém okně programovacího prostředí..
Aby nebylo nutno na výsledek čekat celou minutu, pulzy se počítají jen 15 sekund (parametr 15000 = 15000 ms) a výsledek se znásobí čtyřmi. Pochopitelně, že se ve stejném poměru násobí i chyba měření, takže pokud bychom chtěli dostat přesnější údaj, je třeba tep monitorovat celou minutu.
Program by v takovém případě byl ještě jednodušší:
#picaxe 08m2 ; typ PICAXE
#no_data ; neukládej data do paměti (rychlejší nahrávání programu)
#terminal 4800 ; otevři terminálové okno a nastav komunikační rychlost 4800 Bd
do
count C.4, 60000, b0 ; počítá pulzy na pinu C.4 po dobu 60 s (60.000 ms) a ukládá výsledek do proměnné b0
sertxd ("Tepová frekvence: ",#b0,13,10) ; zobrazení výsledku v terminálovém okně
loop
[1] Fotoplethysmografie (PPG)
Fotoplethysmografie je založena na principu prosvícení zkoumané tkáně, jehož intenzita světla kolísá s množstvím krve ve tkáni obsažené. Světelný zdroj prosvětluje tkáň a na jiném místě je přiložen fotoelektrický senzor, který hodnotí intenzitu pronikajícího světla. Při transmisivní fotoplethysmografii je tkáň umístěna mezi světelný zdroj a fotosenzor (konečky prstů, ušní lalůček). Reflexní fotoplethysmografie využívá hodnocení světla ze tkáně odraženého. V tomto případě jsou světelný zdroj i senzor umístěny vedle sebe.