この記事では、デバイスの設計に精通します。これにより、脈波を測定し、データを無線でAndroidデバイスに送信できます。
叙情的な紹介
フォトプレチスモグラフは、感光性要素を使用して人間の臓器のサイズの変化を決定するデバイスです。 心拍数の測定に使用できます。 この場合、パルス波の通過による人工光源からの光の強度の変化が記録されます。 通常、登録には指、耳たぶ、手首またはこめかみの最後の指骨が使用されます。 フォトプレチスモグラフィの原理は、多くの場合、さまざまなスポーツアクセサリーで使用されています。
フォトプレチスモグラムを登録するには、光源と光検出器が必要です。 通常、ソースはLEDで、レシーバーはフォトトランジスターまたはフォトダイオードです。 光源から放出された光は、人体に吸収されます。 最初の近似では、吸収の程度は、センサーが配置されている体内のそのポイントでの血液量に依存すると言うことができます。 血液の量が変化すると、光の吸収と光検出器の出力での信号が変化します。
相互に関連して、ソースとレシーバーは2つの方法で配置できます。 これらの方法は、「リフレクション」および「透明性」と呼ばれます。 「反射」の場合、レシーバーとソースは同じ平面に配置されます。 光源からの光は皮膚に入り、部分的に吸収され、反射されて受信機に入ります。 次の図は、私たち自身の制作の繊細な要素です。 これは、プリント回路基板にフォトトランジスタがはんだ付けされており、LEDで構成されています。 ワイヤーは測定ボックスに送られます。
「クリア」バージョンでは、ソースとレシーバーは身体の反対側にあります。 次の図では、心拍数クリップの異なる半分に配置されています。 放射された光は指を通過し、光検出器に入ります。 このクリップは、耳たぶの心拍数を測定するように設計されています。 写真を撮る方が便利なため、写真に指があります。
光検出器からの信号は、増幅およびフィルタリング回路に到達します。 このような回路の例を次の図に示します。 抵抗R1とR2は、それぞれLED電流とフォトトランジスタの動作点を設定します。 絶縁コンデンサC1は、測定が行われる部屋の照明により発生する一定の成分を除去します。 プルアップ抵抗R3は、電圧を正の領域にシフトします（増幅器がユニポーラであるため）。 飽和を回避するために、せん断応力もアンプのフィードバックに供給されます。 増幅後、信号は別の分離ステージに入り、せん断応力を最終的に除去します。 次に、ADCを使用してデータがデジタル化されます。
このパターンは一般的ですが、唯一のパターンではありません。 誰もがマイクロチップ社の興味深い記事へのリンクをたどることができます。 フォトダイオードの助けを借りてパルスを測定することに加えて、そこで血中酸素飽和度（酸素化）を測定する原理、使用される典型的な回路ソリューション、およびマイクロコントローラーのプログラムについても説明します。 ところで、最近では、マイクロチップには心拍数モニタリング用のデモボードがあります。
フォトプレチスモグラフの説明
パルソグラム測定の可動性を高めるために、「反射」センサー、増幅回路、マイクロコントローラー、およびBluetooth標準HC-05無線モジュールを含むデバイスが開発されました。
動作原理
センサーの主要な要素はPIC16F1705マイクロコントローラーです。 彼は、内蔵のオペアンプ、ADC、DAC、COMポート、および簡単な計算に十分なリソースを搭載しています。 最初に開発されたアンプ切り替え回路は、上記に対応しています。 テスト後、いくつかのコンポーネントが変更されました。 特に、バイアス電圧の代わりに47μFのコンデンサがフィードバックに追加されました。 分圧器によって作成されるDC成分を除去する機能を実行します。 消費電力を削減するために、LEDはDAC出力に接続されていますが、これはADCデータのサンプリング時にのみ機能します。 供給電圧は、容量250 mAhのLi-Ion LP502030バッテリーから供給されます。 充電は、ミニUSBコネクタとMCP73831充電コントローラーに実装された回路を介して行われます。 無線通信はHC-05モジュールによって提供されます。 文字プロトコルは、コンピューターまたはスマートフォンとの通信に使用されます。 センサーはOKWミニテックケース内にあり、手首に取り付けるためのストラップが付属しています。
センサーには次の特性があります。
- 脈波測定;
- サンプリングレート200 Hz;
- 250 mAhバッテリー、USBから充電。
- 少なくとも5時間の連続運転。
- 寸法50 x 45 x 16 mm;
- 重さ20 g
Androidプログラム、データ処理
Androidアプリケーションは、グラフに脈波を表示してデータを保存するために開発されました。 Bluetoothモジュールルーチンは、フリーウェアのBlueTermターミナルプログラムのコードを使用します。 Bluetoothアダプターから、データは復号化のためにデコーダークラスに転送され、次にハンドラークラスに転送されてサンプルの配列を形成し、必要に応じて必要な計算を実行します。 現時点では、心拍数やその他の重要なパラメータを計算するためのライブラリは接続されていません。 ハンドラーの後、データはメインアプリケーションウィンドウに入り、そこでチャートに表示され、サードパーティアプリケーションで開くことができるファイルに保存されます。 プロジェクトの作業中に、テキストファイルを含むいくつかのファイル形式で動作する優れたLabChartプログラムに出会いました。 このプログラムには有料版と無料版があります。 無料のものはチャートにデータを表示し、平滑化、フィルタリング、フーリエ解析などの数学的処理を実行できます。 次の図は、このプログラムのウィンドウとセンサーから受信したデータのグラフを示しています。 ハイパスフィルターが適用されます。
有料版のプログラムはまだ私の手に届きませんでした。 開発者のサイトでは、非常に興味深い特性が説明されています。 このプログラムを使用すると、心拍数、モード、モード振幅を計算し、インターバルグラムを作成できます。
続く
次の記事では、フォトプレチスモグラフのハードウェア、データ処理方法、干渉やアーティファクトの除去を設計する際に考慮する必要がある詳細について説明します。
PS
図面とセンサープログラム 、 および Androidアプリケーションのソースコードを理解できます 。
追加（2015年5月20日）
-10分以内に記録されたパルソグラムを含むファイルが、リポジトリのinfo /フォルダーに追加されました。
-センサーのアナログ部分の周波数応答を追加しました。元のファイルもリポジトリにあります。
