Как сделать прибор для измерения пульса

Easy Pulse – самодельный датчик для измерения частоты пульса. Часть 1 – Теория и схема

На страницах портала Радиолоцман в разделе Схемы не так давно публиковалась статья «Измеритель пульса на микроконтроллере PIC16F628A», в которой рассматривались схема и конструкция ИК датчика для определения частоты пульса по изменению объема крови в артерии пальца. Такой метод относится к фотоплетизмографии – методу непрерывной графической регистрации изменений объема крови, отражающих динамику кровенаполнения сосудов исследуемых органов, части тела человека или животного, основанного на измерении оптической плотности. Однако спецификации датчика в этой статье не было. Несмотря на это, схема датчика была проста для повторения, причем можно было использовать различные ИК светодиоды и фотодиоды, и для корректной работы потребовалось бы лишь подобрать номинал токоограничительного резистора и резистора обратной связи.

Внешний вид платы ИК-датчика Easy Pulse

В этой статье речь пойдет о модернизированной версии сенсора, получившей название Easy Pulse. В проекте используется специальный ИК-датчик TCRT1000, который упрощает схему и конструкцию, так как ИК-светодиод и фототранзистор расположены в одном компактном экранированном корпусе. Его конструкция позволит снизить помехи от внешней засветки и повысить эффективность датчика. Конструктивно датчик представляет собой компактную печатную плату, содержащую также схему преобразования и нормирования сигнала. На выходе датчика мы получаем цифровые импульсы, синхронизированные с пульсом (Рисунок 1). Датчик может подключаться к АЦП или к цифровому входу микроконтроллера для дальнейшей обработки и вычисления значения пульса (количество ударов сердца в минуту).

Теория

Проект основан на принципе фотоплетизмографии, который является неинвазивным методом измерения изменения объема крови в тканях с помощью источника света и фотодетектора. Поскольку изменение объема крови синхронно с биением сердца, этот метод может использоваться для расчета частоты сердечных сокращений. Существует два основных типа фотоплетизмографии: один основан на пропускании света, другой на отражении. В первом случае световой пучок пропускается сквозь часть тела человека (например, через палец или мочку уха), а фотодетектор определяет результирующую интенсивность света, поэтому источник излучения и приемник располагаются напротив друг друга. Во втором случае источник света и фотоприемник располагаются на одной стороне, и информацию о пульсе несет отраженный сигнал. Измерение пульса по такому методу может производиться на любой части человеческого тела. При любом методе измерений в интенсивности света, отраженного от объекта или прошедшего через часть тела, будут обнаружены флуктуации в соответствии с пульсирующим потоком крови, вызванных биением сердца.

На Рисунке 2 схематически изображен датчик для получения сигнала пульса от пальца человека. ИК-светодиод используется для освещения пальца субъекта. В зависимости от объема крови в пальце, поглощается больше или меньше света, следовательно, меняется интенсивность отраженного света. Графическое представление зависимости изменений сигнала во времени и есть сигнал фотоплетизмографии.

Метод пальцевой фотоплетизмографии (исследование отраженного сигнала).

Фотоплетизмограмма имеет несколько составляющих, она регистрирует волны первого, второго и третьего порядка. Волны второго и третьего порядка относятся к медленным колебаниям (их можно назвать постоянной составляющей). Волны 1-го порядка относятся к быстрым колебаниям и соотносятся с пульсом (можно назвать переменной составляющей). Они отражают движение объема крови в измеряемой точке во время систолы и диастолы и могут использоваться в качестве источника информации о пульсе. Для извлечения данного сигнала потребуются эффективные схемы усиления и нормирования сигнала.

Принципиальная схема

Как было сказано выше, в качестве ИК сенсора используется TCRT1000 – экранированный оптический отражательный датчик компании Vishay , в состав которого входят ИК-светодиод и фототранзистор. На Рисунке 3 изображена схема включения внешних компонентов, необходимых для управления датчиком. Подача высокого уровня на вход Enable включает ИК-светодиод, т.е. активирует сенсор TCRT1000. Палец человека сверху датчика действует как отражатель, фототранзистор фиксирует отраженный свет.

Схема включения внешних компонентов для управления оптическим датчиком TCRT1000.

На выходе датчика (VSENSOR) мы получим периодический физиологический сигнал, связанный с изменением интенсивности отраженного ИК-излучения, обусловленным пульсирующим объемом крови в пальце. Сигнал, таким образом, синхронизирован с частотой сердцебиения. Следующая схема (Рисунок 4) представляет собой первый этап преобразования сигнала от ИК-датчика, на котором выполняется подавление достаточно больших медленных волн (постоянной составляющей) и повышение слабых быстрых волн (переменной составляющей), которые несут информацию о пульсе.

Схема пассивного фильтра верхних частот и активного фильтра нижних частот – первый этап преобразования и нормирования сигнала от ИК-датчика TCRT1000.

На схеме выше видно, что сигнал с ИК-сенсора сначала проходит через пассивный фильтр верхних частот (ФВЧ), чтобы избавиться от постоянной составляющей. Частота среза фильтра (fc) равна 0.7 Гц. Далее сигнал проходит через активный фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный на операционном усилителе. Коэффициент усиления фильтра равен 101, частота среза – 2.34 Гц. Такое решение позволяет устранить нежелательный сигнал постоянной составляющей и высокочастотные шумы, в том числе, наводку сети переменного тока 50 Гц (60 Гц), и усилить нужный сигнал, несущий информацию о пульсе, в 101 раз.

Далее следует еще одна подобная схема фильтрации (ФВЧ, ФНЧ) и усиления сигнала (Рисунок 5). Таким образом, общий коэффициент усиления составляет 101 × 101 = 10201. В результате, две стадии фильтрации и усиления преобразуют входной сигнал фотоплетизмографии в ТТЛ импульсы, которые синхронны с сердцебиением. Частота этих импульсов (f) связана с частотой сердечных сокращений (BPM) формулой:

Beats per minute (BPM) = 60 × f

Потенциометр 5 кОм на выходе первой схемы фильтрации и усиления нужен для достижения общего коэффициента менее 10201. Светодиод на выходе второй схемы фильтрации и усиления будет мигать с частотой сердцебиения. Заключительный узел схемы представляет собой простой не инвертирующий буфер для понижения выходного сопротивления. Это важно, если для чтения сигнала используется АЦП микроконтроллера.

Вторая стадия фильтрации и усиления сигнала и выходной неинвертирующий буфер.

Все операционные усилители, используемые в схеме, находятся в одной четырехканальном микросхеме – MCP6004. Усилители имеют низкое энергопотребление и сохраняют работоспособность при напряжении питания в диапазоне от 1.8 до 6.0 В.

ИК-сенсор можно установить на плату, а можно вынести на шлейфе (Рисунок 6). Это придает гибкость при использовании, так как в таком случае его можно закрепить между двумя пальцами или на ладони.

ИК-сенсор может подключаться к плате при помощи шлейфа.

Диапазон напряжений питания платы сенсора, равный 3 – 5 В, позволяет использовать ее с семействами микроконтроллеров с напряжением питания 3.3 В или 5 В.

Часть 2 – Проверка основных параметров, работа с датчиком.

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Оптические датчики сердечного ритма. Простой кардиомонитор

Одним из востребованных направлений электроники является медицинская электроника. Данный класс электроники реализует диагностические и лечебные аппараты, решающие какие-либо медико-биологические задачи. Также для медицинской электроники свойственна большая точность и стабильность, так как от этой техники часто зависит жизнь человека.

Болезни сердечно-сосудистой системы на сегодняшний день являются наиболее часто встречающимися болезнями у человека после кариеса. Заболевания сердечно-сосудистой системы могут быть опасны не только для больного, но и для окружающих в те моменты, когда он управляет техникой или в других ситуациях, связанных с выполнением каких-либо ответственных действий.

Начиная с максимально простого и доступного, состояние здоровья сердца и сердечно-сосудистой системы можно определять по частоте сердечных сокращений или по пульсу. Пульс — это важнейший показатель качества физиологических процессов в организме, позволяющий судить о здоровом состоянии организма и его тренированности, о различных заболеваниях организма, причем не только сердца, но и других органов и систем. Пульс — это толчок крови в сосудах при сокращении сердца, производящий колебания стенок кровеносных сосудов. Пульс характеризуется следующими пара метрами: частота, ритм, напряжение и наполнение.

Возвращаясь к электронике, измерить пульс можно разными способами: при помощи оптопары (светодиод, фотодиод) на просвет части тела или на отражение, при помощи микрофонной техники, при помощи измерения электрической активности сердечной мышцы (ЭКГ), при помощи пьезодатчиков и даже по видеоизображению лица в новейших разработках и др.

Одним из самых распространенных и недорогих способов является оптический метод, который при должном подходе может давать достаточно точный результат. В самом простом варианте можно использовать светодиод и фотодиод, с последнего просто снимается сигнал. При сокращении сердца кровь по сосудам движется неравномерно в зависимости от работы сердца и сосудов. В соответствии с этой неравномерностью будет изменяться отраженный или просвечивающий сигнал от светодиода на фотодиоде. Усилив этот сигнал можно получить не только количество сокращений сердца по амплитудам сигнала, но и приблизительную кардиограмму.

Такие датчики в продаже можно найти нескольких исполнений от простейшей пары светодиод – фотодиод, до модулей с усилением и фильтрацией сигнала. Примером последнего является датчик pulsesensor.com, который мы будем сегодня использовать.

Технические характеристики датчика пульса:

  • Напряжение питания от 3 до 5 В
  • Ток потребления при напряжении питания примерно 2 мА
  • Диаметр модуля 16 мм
  • Тип выходного сигнала аналоговый
  • Способ детектирования сердечных сокращений по отраженному сигналу

Подключив питание к этому датчику, с выходного контакта при помощи осциллографа можно получить приблизительную кардиограмму и по временному промежутку между пиками определить частоту пульса.

В качестве минусов данного метода необходимо отметить, что для получения стабильного результата нужно прикладывать датчик к пальцу с некоторым позиционированием и определенной силой прижатия (не сильно, но и не слабо), аналогично для мочки уха и шеи (т.к. на шее располагаются крупные артерии, именно там получается самый четкий результат). Также при измерении любое движение будет искажать результат. При использовании схема должна быть защищена от контакта с другими проводящими объектами, чтобы не допустить искажения и ослабления сигнала.

Однако использование осциллографа не всегда удобно или возможно, поэтому попробуем собрать самостоятельно простейший кардиомонитор.

Схема построена на базе микроконтроллера STM32F103C8T6. В качестве индикатора используется TFT LCD дисплей разрешением 240х320 c интерфейсом SPI на базе контроллера ILI9341. Питание схемы 3,3 В (при питании 3,3 В дисплей будет работать), что позволяет использовать Li-ion аккумуляторы при некоторой модернизации схемы для мобильности и безопасности устройства. Датчик пульса подключается к нулевому каналу АЦП1 микроконтроллера. Аналогично осциллографу по измерениям АЦП строится график на экране дисплея. По значению времени между пиками (отмеряется таймером микроконтроллера) кардиограммы определяем частоту пульса в единицу времени. Каждую миллисекунду происходит прерывание, в котором отсчитывается количество миллисекунд между пиками кардиограммы, то есть период. Для перевода в значение сердечных сокращений в минуту применяем формулу:

На экране устройства отображается приблизительная кардиограмма, получаемая с помощью датчика пульса и рассчитанное значение пульса в ударах в минуту. Таким образом, получаем простой недорогой кардиомонитор, функционал которого можно дорабатывать и дополнять.

Читайте также:  Вольтметр, амперметр и измеритель ёмкости аккумуляторов на микроконтроллере

Итак, получив данные о сердечных сокращениях, можно судить о здоровье следующим образом. У среднестатистического взрослого человека нормальный пульс составляет 60-80 ударов в минуту. У спортсменов это значение значительно ниже и более стабильно при физических нагрузках. У женщин обычно пульс чаще, а у детей в зависимости от возраста значительно чаще, чем у взрослых. Необходимо отметить, что учащение пульса возникает при физической нагрузке, при нервном напряжении, курении, потреблении чая, кофе и алкогольных напитков. Измерьте пульс в то время, когда вас посетили волнения и нервное напряжение. По величине отклонения пульса можно определить, что у вас уже имеется невроз. Наиболее нервные люди, часто волнуясь по пустякам, напрягают свою нервную систему, и тут же сердце реагирует учащенным пульсом, а сосудистая система — увеличением артериального давления. Вначале у таких людей появляется сердечно-сосудистая дистония, невроз сердца, а затем наступают серьезные заболевания сердечно-сосудистой системы. Если ваш пульс реагирует учащением на мелкие неприятности, то необходимо срочно дать отдых организму и заняться собственным оздоровлением. Учащение пульса более 100 ударов в минуту называется тахикардией и требует к себе особого внимания. По этому поводу вы обязательно должны показаться врачу. Понижение пульса до значения ниже 50 ударов в минуту называется брадикардией и также требует к себе особого внимания. По этому поводу вы обязательно должны показаться врачу, если только вы не являетесь спортсменом или не практикуете йогу. При сердечной недостаточности пульс очень медленный и слабый. Сердечная недостаточность требует обязательного вызова врача.

Ритм пульса определяется интервалами между отдельными пульсовыми ударами. У здорового человека пульсовые временные интервалы всегда одинаковы. Аритмия – это неправильность пульса, характеризуемая неодинаковыми интервалами. Неритмичный пульс может иметь несколько разновидностей. Экстрасистолия – это аритмия, связанная с появлением на интервале лишнего удара. Мерцательная аритмия характеризуется беспорядочностью пульса. Пароксизмальная тахикардия — это внезапное сильное сердцебиение.


Какой пульсометр лучше выбрать

Определить частоту сердечных сокращений позволяет пульсометр на руку. Прибор предназначен для анализа диапазона ЧСС, контроля нагрузок и работы сердца. Устройства на рынке представлены в широком ассортименте.

Преимущества пульсометра

Спортсменам и физически активным людям требуется следить за функционированием сердечной мышцы. Хорошим помощником в этом станет пульсометр. Устройство позволяет поддерживать требуемый показатель ЧСС, узнать количество потраченных калорий и подобрать соответствующую нагрузку для тренировок. Монитор сердечного ритма применяется при выполнении интервальных и кардиологических упражнений. Не лишним будет прибор во время силовых нагрузок и дневной активности.

  • защита сердца от перегрузок благодаря контролю ЧСС;
  • помощь в корректировке направленности тренировки (на выносливость или для похудения);
  • отслеживание прогресса с последующим анализом нагрузки и ее воздействия на организм;
  • точный подсчет сожженных калорий;
  • возможность использования для оценки работы сердечно-сосудистой системы.

Основные функции пульсометра

  • слежение за ЧСС (частотой сердечных сокращений);
  • корректировка диапазона пульса;
  • сообщение о смене зоны звуковым или вибрационным сигналом;
  • вычисление средней и предельной ЧСС;
  • счетчик сожженных калорий;
  • таймер, секундомер, время и дата.

На некоторых моделях внедрен дополнительный функционал (шагомер, навигация с GPS, память тренировок, будильник, синхронизация со смартфоном). Цена устройства во многом зависит от его «начинки».

Виды пульсометров и их особенности

Мониторы сердечного ритма условно разделяют на 2 большие категории: нагрудные и запястные варианты. Первые приборы выдают точный результат, пользуются спросом у атлетов и любителей фитнеса. С внедрением новых технологий появилась возможность измерять ЧСС компактными и удобными приспособлениями, фиксирующимися на запястье.

Пульсометр с нагрудным датчиком для бега и силовых тренировок

Девайс этого типа оснащается электродами и крепится на грудь, транслируя информацию на приемник в виде часов или через мобильное приложение. В первом случае сведения обрабатываются после получения соответствующих импульсов, отображаются на экране. На улице подобные модификации удобнее, поскольку не требуют использования смартфона. Имеется 2 варианта передачи данных (посредством аналогового некодированного или цифрового канала).

Пульсометры запястные

Прибор на запястье удобен тем, что пользователю не нужно носить нагрудный ремень с датчиком. Устройство напоминает наручные часы и может работать 2 способами. В первом пульс замеряется во время контакта пальца и сенсора. Достаточно надеть приспособление на руку, коснуться его и узнать значение ЧСС. К минусам относится отсутствие возможности контроля пульса без контакта пальца и электрода. Основное применение — туризм, скалолазание, предписания врачей.

Во втором случае ЧСС замеряется посредством слежения за кровеносной системой. Браслет надевают на руку, светодиоды сканируют кожу, а оптический сенсор фиксирует сужение сосудов, выдавая значение на экран. Минус — необходимо жестко застегивать ремешок, что некомфортно во время выполнения упражнений.

Фитнес браслеты с пульсометром и другими функциями

Трекеры (например, браслет Xiaomi Mi Band 2) ориентированы на непрофессиональных спортсменов. Они подойдут, если не требуются точные показания ЧСС, однако есть желание контролировать тренировочный процесс для достижения поставленных результатов. Устройство отличается малым весом, компактностью и тонким корпусом.

Умные часы с шагомером и пульсометром на руку

Указанный датчик на руку удобен, не требует дополнительных приспособлений. Смарт-часы оснащаются монитором сердечного ритма и шагомером, подходят для любительских занятий спортом и тренировок в фитнес-залах, используются людьми, имеющими болезни сердечно-сосудистой системы. Недостаток — требуют постоянной синхронизации со смартфоном (Android или iOS).

Компактный и точный пульсометр на палец

Этот прибор высчитывает ЧСС по пульсирующей крови в пальце. Преимущество приспособления в том, что оно не требует крепления на груди или запястье, имеет сверхкомпактные размеры. Работает устройство по следующему принципу: информация оперативно передается на дисплей, показывая пульс в период физических нагрузок. Среди дополнительного функционала — показатель насыщенности крови кислородом, температура воздуха, секундомер, часы. Беспроводной аппарат оснащен регулятором полноты, подходит для пользователей любой комплекции.

Пульсометр на руку или нагрудный датчик, что лучше для беговых тренировок?

Сравнительные характеристики обоих приспособлений:

  1. Точность показаний. Нагрудный пульсометр быстрее реагирует на сокращение сердечной мышцы, отражая ее работу на мониторе. Запястный датчик выдает несколько искаженные сведения, поскольку информация считывается после того, как кровь доходит до руки, имея иную плотность. Прибор не успевает среагировать на нагрузку в первые секунды занятий после отдыха.
  2. Удобство эксплуатации. Нагрудные устройства некомфортны, т.к. трение ремня вызывает неудобства, особенно в жару. Этот элемент впитывает пот атлета, приобретая стойкий неприятный запах. Всех этих недостатков лишены мониторы ЧСС, надеваемые на руку.
  3. Добавочный функционал. Ременное устройство обладает опцией записи трека, поддержкой «Блютус» или АНТ+. Большинство запястных моделей таких возможностей не имеют.
  4. Питающий элемент. Нагрудный гаджет с ремнем может функционировать без подзарядки несколько месяцев. Модификации на руку требуют подпитки каждые 6-10 часов.

Из сравнительного анализа видно, что для любительских пробежек и тренировок бегунов лучше подойдет запястный прибор, несмотря на выдаваемые погрешности.

Как выбрать пульсометр: модели с GPS и функцией трекинга

Любой монитор сердечного ритма является узконаправленным прибором, ориентированным на контроль ЧСС. Он позволяет отслеживать темп и корректировать используемые нагрузки. Бюджетные модели еще оснащаются шагомером, часами и секундомером.

Более дорогие девайсы имеют функцию трекинга и GPS. Подобные гаджеты нужны спортсменам, которые хотят знать скорость, до которой они разгонялись во время занятий, а также корректировать тренировку, исходя из карт, хранящихся в памяти устройства.

Рейтинг лучших пульсометров на запястье

В обзоре наручных мониторов сердечного ритма представлено несколько популярных модификаций от проверенных производителей. Гаджеты пользуются спросом на рынке, отличаются формой, параметрами, ценой и дополнительным функционалом. Указаны как профессиональные версии, так и девайсы для нагрузок кардио и атлетов-любителей.

Honor band 3

Характеристики и функционал, заявленный производителем:

  • учет израсходованных калорий и шагов;
  • контроль фаз сна;
  • измерение ЧСС в 3 режимах (тренировочный, текущий, принудительный);
  • уведомление о всех изменениях в процессе занятий;
  • будильник;
  • настройка для спорта (бег, плавание);
  • монохромный экран (0,91 дюйма);
  • bluetooth 4.2;
  • АБ на 100 мАч;
  • размеры — 10,3/16,5/43 мм;
  • масса — 18 г;
  • водонепроницаемость — до 50 м.

Девайс выпускается в 3 цветах, отлично сидит на руке, на ремешке много регулировочных отверстий, защелка — двойной конфигурации.

Tomtom spark 3 cardio music

Этот пульсометр подойдет не только для бегунов и пловцов, но и для лыжников, которые во время занятий не прочь послушать любимую музыку.

  • измеряемые показатели — количество шагов, пройденная дистанция, мониторинг сна, потраченные калории;
  • память внутренняя — 3 Гб;
  • разъем для наушников — A2DP и AVR;
  • воспроизводимые форматы музыки — ААС и МР3;
  • масса — 50 г;
  • пульсометр с GPS работает без подзарядки до 11 часов, с прослушиванием треков — до 5.

В зависимости от вида спорта, гаджет выдает предварительно загруженные трассы, траекторию движения, скорость.

Garmin vivoactive hr

Среди особенностей гибрида умных часов и фитнес-браслета — цветной трансрефлективный монитор, GPS и постоянно функционирующий датчик ЧСС. Корпус устройства защищен от попадания воды, а оригинальное ПО включает несколько режимов (бега, велотренажера, плавания, гольфа). Функционал гаджета шире, чем у стандартных трекеров с шагомером.

  • ремешок — съемного типа в 2 размерах;
  • работа аккумулятора — до 5 дней;
  • вес — 47,6 г;
  • высотомер, датчик сердечного ритма, GPS, «Блютус» 4.0;
  • защита от воды — до 5 Атм.

Nokia steel hr

Спортивный пульсометр на руку выполнен в 2 цветовых оттенках (черном и белом), паре размеров в диаметре (36 и 40 мм). Смарт-часы отличаются легкостью, силиконовый ремешок не доставляет дискомфорта при ношении и беге. Прибор начинен всевозможным функционалом, включая счетчик шагов и потраченных калорий, мониторинг сна, круглосуточное измерение пульса. Датчик ЧСС работает точно, как для запястных модификаций. В конструкции предусмотрен режим бега, фиксация пройденной дистанции и зон пульса. Показания выводятся на электронный монитор.

Polar v800 gps

В ТОП лучших запястных пульсометров входит эта марка. Прибор сделан в корпусе из металла, ремешок — из каучука, цветовая гамма — 3 оттенка (красный, черный, синий). Управление функционалом осуществляется при помощи 5 кнопок. Количество экранов — 8, на каждый может выводиться до 4 показателей. Настройка девайса производится через компьютер. О зонах пульса, темпе занятий и окончании интервала часы оповещают посредством звукового сигнала или вибрации.

Предусмотрена функция, позволяющая постукиванием по прибору отмечать круг. На велосипеде эту опцию лучше отключать, во избежание самопроизвольной активации из-за тряски. Дополнения — альтиметр для измерения высоты, отображение величины угла наклона.

Beurer pm25

  • фиксация ЧСС;
  • время и дата;
  • сигнализация о выходе за пределы тренировочных нагрузок;
  • секундомер;
  • корректировка зон пульса;
  • энергосбережение;
  • подсветка;
  • дневник занятий.

Запястный пульсометр подходит для бега, в том числе кроссфита, подсказывая атлету, когда нужно набирать или сбрасывать скорость.

Читайте также:  Электронный термометр своими руками

Isport w117

Прибор представляет собой нагрудный датчик в комплексе с часами, на которые выводятся необходимые сведения. Результаты высвечиваются мгновенно, хотя оптика недостаточно точна и часто теряет пульс.

  • высокий показатель автономной работы;
  • большой информативный дисплей;
  • контроль ЧСС;
  • синхронизация
  • защита от влаги.
  • дизайн;
  • английский интерфейс;
  • сбои в точности пульсометра.

Конструкция часов проста, рассчитана на эксплуатацию во время тренировок по бегу или велоспорту. Если прикрепить гаджет на плечо, можно пользоваться практически всем функционалом, кроме монитора сердечного ритма.

Датчик пульса

Товары

Пульс — это ритмичные колебания стенок кровеносных сосудов, происходящие во время сокращений сердца. Измерения пульса очень важны для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Важно следить за изменениями сердечного ритма, чтобы не допустить перегрузки организма, особенно во время занятий спортом.

Содержание

Обзор датчика пульса Arduino

Пульс — это ритмичные колебания стенок кровеносных сосудов, происходящие во время сокращений сердца. Измерения пульса очень важны для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Важно следить за изменениями сердечного ритма, чтобы не допустить перегрузки организма, особенно во время занятий спортом. Один из понятных параметров пульса – частота пульса. Измеряется в количестве ударов в минуту.

Рассмотрим доступный датчик для измерения сердечного ритма – Pulse Sensor (рисунок 1).

Рисунок 1. Датчик пульса

Это аналоговый датчик, основанный на методе фотоплетизмографии — изменении оптической плотности объема крови в области, на которой проводится измерение (например, палец руки или мочка уха), вследствие изменения кровотока по сосудам в зависимости от фазы сердечного цикла. Датчик содержит источник светового излучения (светодиод зеленого цвета) и фотоприемник (рис. 2), напряжение на котором изменяется в зависимости от объема крови во время сердечных пульсаций. Это график (фотоплетизмограмма или ППГ-диаграмма) имеет форму, представленную на рис. 3.

Рисунок 3. Фотоплетизмограмма

Датчик пульса усиливает аналоговый сигнал и нормализует относительно точки среднего значения напряжения питания датчика ( V/2 ). Датчик пульса реагирует на относительные изменения интенсивности света. Если количество света, падающего на датчик остается постоянным, величина сигнала будет оставаться вблизи середины диапазона АЦП. Если регистрируется большая интенсивность изучения, то кривая сигнала идет вверх, если меньше интенсивность, то, наоборот, кривая идет вниз.

Рисунок 4. Регистрация удара пульса

Наш датчик пульса мы будем использовать для измерения частоты пульса, фиксируя промежуток между точками графика, когда сигнал имеет значение 50% от амплитуды волны во время начала импульса.

Технические характеристики датчика

  • Напряжение питания – 5 В;
  • Ток потребления – 4 мА;

Подключение к Arduino

Датчик имеет три вывода:

  • VCC — 5 В;
  • GND — земля;
  • S — аналоговый выход.

Для подключения датчика пульса к плате Арудино необходимо контакт S датчика подсоединить к аналоговому входу Arduino (рисунок 5).

Рисунок 5. Подключение датчика пульса к плате Arduino

Пример использования

Рассмотрим пример определения значения частоты импульса и визуализации данных сердечного цикла. Нам понадобятся следующие детали:

  • плата Arduino Uno
  • датчик пульса

Сначала подключим датчик пульса к плате Arduino согласно рис. 6. Загрузим на плату Arduino скетч из листинга 1. В данном скетче мы используем библиотеку iarduino_SensorPulse.

Листинг 1 Вывод данных в монитор последовательного порта Arduino (рис. 6).

Рисунок 6. Вывод данных аналогового значения и частоты пульса в монитор последовательного порта.

Для получения графика фотоплетизмограммы на экране компьютера будем использовать хорошо знакомую Ардуинщикам среду программирования Processing, похожую на Arduino IDE. Загрузим на плату Arduino скетч (PulseSensorAmped_Arduino_1dot1.zip), а на компьютере из Processing загрузим скетч (PulseSensorAmpd_Processing_1dot1.zip). Передаваемые с платы Arduino в последовательный порт данные, мы будем получать в Processing и строить график (рис. 7).

Рисунок 7. Визуализация данных в Processing.

Еще один вариант визуализации (для компьютеров Mac) – программа Pulse Sensor. Она также получает данные, приходящие в последовательный порт от Arduino (скачать скетч PulseSensorAmped_Arduino_1dot1.zip) и выводит график, уровень сигнала и значение пульса (рис. 8).

Рисунок 8. Визуализация данных с датчика пульса в программе Pulse Sensor.

Часто задаваемые вопросы FAQ

3. Явно неверные показания с датчика пульса

  • Прикладывать датчик пульса следует правильно – между центром подушечки и изгибом пальца.

Как работает определение пульса в носимых устройствах

Сегодня на рынке ежеквартально появляется множество спортивных браслетов, предназначенных для мониторинга активности, а также измерения пульса.

Что примечательно, многие мои знакомые покупали себе фитнес–трекеры именно для слежения за показателями частоты сердечного ритма. Но многие из них так толком и не знают, как конкретно работают оптические пульсометры. Давайте разбираться.

Первый аппарат ЭКГ

Впервые в истории электрическая активность сердца была обнаружена учеными еще в конце 19 века, а в начале 20–го уже была технически зарегистрирована нидерландским физиологом Виллемом Эйнтховеном при помощи специального струнного гальванометра. Им же была записана и первая в мире электрокардиограмма. За свой вклад, внесенный в развитие науки и медицины, ученый был награжден Нобелевской премией.

Процесс записи ЭКГ с помощью струнного гальванометра

Благодаря разработанной Виллемом системы отведений, сегодня стали существовать специализированные аппараты для снятия ЭКГ (электрокардиограмм), благодаря которым врачи получили возможность детального изучения работы сердца.

Кроме аппаратов ЭКГ, требующих подключения массивных электродов к разным частям тела, появились и миниатюрные аппараты измерения ЧСС (частоты сердечных сокращений), которые мы с вами называем попросту пульсометрами.

Комплект пульсометра Tunturi Pulser

Самый первый в мире портативный пульсометр появился в 1977 году и буквально сразу стал незаменимым гаджетом в тренировках Финских спортсменов. К 1983 году на рынке стали появляться первые в мире пульсометры, предназначенные для бытового использования. То есть тренд на использования устройств мониторинга пульса среди профессионалов и спортсменов–любителей стал зарождаться еще в конце прошлого века.

В современных спортивных помощниках система отведений была упрощена до двух электродов. За счет этого в 1990–х на потребительском рынке стали активно появляться решения пульсометров в виде нагрудного ремешка, электроды в которых были выполнены в виде двух полосок из специального проводящего материала. Из–за точности в показаниях многие спортсмены используют подобные гаджеты до сих пор, несмотря на то, что на рынке существует множество более компактных аналогов, помещающихся на запястье.

Результаты измерений в таких ремешках, как правило, отправляются на умные часы, либо смартфон по протоколу Bluetooth.

Сегодня же самым распространенным и по–настоящему массовым способом измерения пульса стала технология оптической плетизмографии, применяемой в смартфонах, спортивных часах и браслетах. Самые первые попытки по реализации данной технологии предпринимались учеными еще в начале 19–го века, но особого успеха не сыскали, так как еще не было толком понятно куда её применить.

Визуализация процесса оптического измерения пульса

Принцип работы фотоплетизмографии заключается в регистрации сужения и расширения сосудов под воздействием кровотока. Фотоприемник определяет колебания, подсчитывает их количество за определенное время и полученное значение вставляет в формулу, после вычисления которой выводит на экран частоту пульса в ударах в минуту.

Благодаря появлению и популяризации плетизмографии, сегодня мы имеем множество вариантов компактных браслетов, с помощью которых можно более детально следить за своим здоровьем. Одним из первых устройств в которых была применена эта технология стали часы Mio Alpha, ставшие новой вехой в развитии современных спортивных гаджетов.

Давайте углубимся и подробнее рассмотрим нюансы в работе оптического мониторинга пульса.

Зеленый цвет для светодиодов был выбран не случайно. Оказывается для измерения пульса необходимо поглощение излучаемого цвета кровью. С помощью исследований было выяснено, что диапазон поглощаемого света варьируется от 500 до 600 нм. Зеленый цвет как раз соответствует заветным 510-525 нм.

Сегодня эта технология отработана до мелочей и применяется практически во всех наручных спортивных трекерах за разную стоимость.

Технология оптического определения пульса конечно же имеет неточности. Было выявлено, что при повышении частоты до 160–170 ударов в минуту, кровоток настолько быстро проходит через лучи датчика, что показатели при измерении становятся менее точными, но незначительно.

К примеру, нагрудные измерители пульса имеют точность считывания 91%, тогда как оптические датчики в фитнес браслетах имеют точность 85%. Эти цифры были выяснены в ходе экспериментов с двумя фокус группами, одна из которых выполняла физические упражнения с нагрудном пульсометром, а другая с запястным.

По данным компании Mio Global, являющейся пионером в разработке технологий плетизмографии, ни один из оптических датчиков измерения пульса на сегодняшний день по уровню точности считывания не приблизился к нагрудным вариантам.

К слову, оптические пульсометры, используемые в привычных для нас фитнес–трекерах и умных часах, имеют ряд нюансов, из–за которых оптический датчик может не работать, либо работать с серьезными погрешностями. Например, из–за набитого на запястье тату излучаемый свет не сможет проникать под кожу и просвечивать сосуды. Соответственно ни о какой точности показаний речи идти не может. Поэтому ребятам с обеими руками покрытыми тату резона в приобретении компактных фитнес–браслетов и часов для мониторинга пульса нет.

Теперь мы примерно знаем, как происходит процесс считывания пульса с помощью данной технологии. Давайте еще чуточку углубимся и поговорим о том, какие показания для улучшения своих тренировок можно получить при помощи использования носимых девайсов.

Так как речь сегодня у нас идет о фитнес–браслетах и умных часах, выступающих зачастую в роли электронных помощников для спортсменов, производителями был предусмотрен мониторинг еще нескольких показателей. В более продвинутых моделях носимых устройств от таких производителей как Garmin и Suunto есть мониторинг подъема, благодаря использованию барометра и альтиметра. А также присутствует возможность слежения за GCT (временем контакта с землей), VO (вертикальными колебаниями), VO2Max (максимальным потреблением кислорода), RP (беговой производительностью), каденсом (частотой шагов) и еще много чем другим.

Если вы серьезно занимаетесь бегом или велотренировками, то знание определений показателей каждого из пунктов вам очень пригодится. Поэтому при выборе спортивного браслета или часов обращайте внимание на их наличие. Так как их наличие позволит более продуктивно проводить тренировки, и со временем вы сможете улучшить свои показатели. Это очень важно.

Чтобы вы понимали, что все это не просто так, и эти цифры вам пригодятся, поясню что все это значит.

GCT или попросту время контакта с землей – показатель отвечающий за измерение времени, которое вы тратите на контакт подошвы с поверхностью. Как правило это 160–300 мс, но у всех показатели могут быть разными.

Если вы ускоряете темп, то соответственно время, затрачиваемое на контакт с землей уменьшается, тем самым поддерживая определенную частоту вы можете во время тренировки сжечь больше калорий, а также понизить шанс получения травм. Обычно тактикой, которой пользуются спортсмены, является в первую очередь включение коротких спринт–забежек в тренировке, а также уменьшение длины шага. Таким образом, помимо укрепления икроножных мышц, в работу подключаются ягодичные мышцы.

Читайте также:  USB тестер напряжения и тока своими руками – инструкция по сборке, схема

Показатель каденса (частоты шагов) определяет ваше количество сделанных шагов за определенный промежуток времени, как правило за минуту. Самым оптимальным значением каденса является бег с частотой 180 шагов в минуту.

VO (вертикальные колебания) — это показатель того, насколько часто ваше туловище при беге совершает движения по вертикали. Если посмотреть со стороны на технику бега профессиональных спортсменов, то можно заметить, что верхняя часть их тела практически не двигается (не подпрыгивает). Чтобы повысить качество результатов бега, следует стараться следить за этим показателем и пытаться совершать как можно меньше вертикальных колебаний. Достичь этого можно, к слову, при помощи повышения частоты каденса.

Следующее, за чем можно следить в ходе своих тренировок при помощи умных часов, либо фитнес–браслетом, является уровень максимального насыщения крови кислородом. Это является одним из важнейших показателей для любых кардионагрузок. Повышения его уровня можно добиться путем регулярных тренировок.

К примеру, в моем фитнес–браслете Huawei Band 2 Pro, который я купил за относительно небольшие деньги, есть такая функция, позволяющая после пробежки или велотренировки просмотреть показания насыщения крови кислородом. Выполняется это при помощи анализа сердечного ритма и динамических показателей активности при тренировке.

Следующей немаловажной функцией в спортивных трекерах является определение зон пульса. То есть, зная ваш максимальный порог сердечной активности, многие спортивные часы и браслеты имеют возможность определять уровень и тип кардионагрузки.

Что примечательно, такая возможность есть даже в бюджетных моделях большинства известных производителей. В используемом мной на данный момент фитнес–трекере предусмотрено пять порогов и границ пульса, как и в более профессиональных устройствах.

Теперь мы знаем с вами нюансы в работе одной из самых важных технологий в спортивных часах и браслетах, благодаря которой я думаю они появились. Многие почему–то ошибочно считают фитнес–трекеры и спортивные часы бесполезным гаджетами, когда речь идет о занятиях спортом. Я, как человек, который недавно начал заниматься собой, не могу сказать, что фитнес–браслет это какой–то незаменимый гаджет, без которого я не могу бегать, кататься на велосипеде.

Но после того, как я разобрался во всех нюансах его работы, мне удалось понять, каким образом можно улучшить результаты тренировок.

Как выбрать пульсоксиметр на палец

Пульсометр на палец – разновидность приборов для показаний частоты сердцебиения человека. Они могут измерять не только количество ударов сердца, но и скорость передвижения во время бега, а также другие показатели. Пульсометры крепятся в разных местах: на ушной мочке, пальце, груди, бывают с пальцевым сенсором, встроенным в часы или грудным ремнем.

Обычно такой прибор незаменим во время спортивных тренировок. Люди, ведущие активный образ жизни и небезразличные к состоянию своего здоровья, приобретают такой прибор, выбирая наиболее удобный и подходящий по многим параметрам вариант.

Особенность устройства

Прибор для измерения пульса на палец высчитывает частоту биения сердца по пульсирующей в пальце крови.

По сравнению с другими, это более удобная модель, потому что она закреплена на пальце руки, при этом нет необходимости носить нагрудный ремень или закреплять прибор на запястье. Его миниатюрность – это еще один плюс в копилку достоинств пальцевого пульсометра.

Принцип его работы следующий: этот электронный прибор в реальном времени передает на дисплей результаты своей работы, то есть частоту пульса человека во время физических нагрузок.

Функции, которыми оснащены модели таких пульсометров, отличаются. Это влияет и на ценовую политику товара.

Кроме измерения сердечных сокращений, в приборе могут быть активированы другие функции

  1. Показатель количества кислорода в крови.
  2. Измерение температуры окружающей среды.
  3. Часы.
  4. Секундомер.

Пульсометр, который надевается на палец, подойдет человеку в любом возрасте и любой комплекции, потому что имеет преимущества.

  1. Он оснащен механизмом регулировки полноты.
  2. Легко надевается и снимается.
  3. К нему не подсоединены провода.

Еще одно преимущество: по сравнению с тем прибором, который крепится на запястье, пальчиковый аналог дает более точные показания.

Прибор для больных и здоровых

В зависимости от того, кто и с какой целью хочет делать мониторинг сердечных сокращений, аппарат на палец для измерения пульса бывает двух видов:

Любители спорта или профессионалы в этой области с помощью пульсометра определяют режим тренировок и нагрузок на сердце, которые наиболее приемлемы для каждого индивидуально. Не зная, насколько сильно нагружено сердце во время занятий в спортзале или на беговой дорожке, можно проглядеть сердечный приступ. Поэтому такой миниатюрный и удобный прибор окажет помощь в определении максимальной степени нагрузки.

Тем, кто занимается спортом, не используя этот прибор, приходится периодически останавливать тренировку, чтобы измерить пульс. Пальцевой пульсоксиметр позволяет на это не отвлекаться и не тратить время. С его помощью разрабатываются индивидуальные программы занятий.

Измерение количества ударов сердца важно не только для спортсменов во время спортивных тренировок, но и для людей, имеющих проблемы с сердцем.

Когда сердечная мышца имеет патологии (артериальная гипертензия, аритмия), имеет значение показатель количества ее сокращений в минуту.

Пульсометр медицинский на палец советуют даже тем, у кого есть кардиостимулятор. Это позволяет всегда быть в курсе состояния работы миокарда.

Вторым типом таких приборов обычно пользуются люди с патологиями сердечно-сосудистой системы. Он помогает им измерять:

  • количество ударов сердца;
  • кислородный уровень;
  • артериальное давление.

Электронная система прибора для сердечного мониторинга позволяет выставлять индивидуальные нормативные показатели пульса и давления. Если в определенный период времени эти данные не соответствуют норме, прибор подает сигнал, оповещающий его владельца о критическом состоянии.

Прибор отслеживает то, как сердце реагирует на любую нагрузку (например, при подъеме по лестнице или во время зарядки), позволяет лучше адаптироваться к постепенно нарастающим нагрузкам в послеоперационный период или после лечения сердечных заболеваний. Миокард приходит в норму не сразу, и если нагружать его постепенно, то восстановительный период будет проходить без осложнений.

Для здоровья человека важно знать, насколько гемоглобин крови насыщен кислородом. Это нужно для диагностики болезней дыхательной, сердечно-сосудистой и других систем организма, а также для правильного плана терапии.

Проблемы с насыщением гемоглобина кислородом отражаются на работе сердца. Поэтому измеритель пульса на палец дает точные цифры этого показателя.

Характеристики

Дисплеи датчика бывают:

В современных моделях есть функция памяти. Минимальный показатель пульса – 20 ударов в минуту, максимальный – 270. В холодную погоду этот аппарат работать не сможет, поскольку это возможно лишь в диапазоне от 20 до 65˚С.

Так что в холодное время года лучше пользоваться другими способами мониторинга.

Пульсоксиметр на палец привлекает внимание такими положительными характеристиками:

  1. Миниатюрностью.
  2. Низким потреблением энергии.
  3. Простотой пользования.

Он оснащен датчиком, который высоко чувствительный к свету, и считывает показания, поступающие на индикатор.

Модели таких микроконтроллеров отличаются своими характеристиками. Для любителей бега или плаванья в некоторых моделях есть функция защиты от воды или влаги.

Поэтому плавание в закрытом или открытом водоеме, бег под дождем не помеха, если на пальце будет такой измеритель пульса.

Выбирать подходящий вариант следует, предварительно ознакомившись с инструкцией.

Она содержит информацию о том, что собой представляет прибор, как им правильно пользоваться и какими функциями он снабжен.

Приборы Niksy

Например, популярный пульсометр Niksy работает на батарейках 30 часов без перерыва, частоту пульса измеряет в диапазоне от 30 до 254 ударов, автоматически отключается, если больше 8 секунд устройство не будет надето на палец.

Пульсоксиметрия с таким прибором возможна и дома, и в условиях пребывания пациента в стационаре во время проведения терапии или реанимации. Показания прибора используют во время анестезии, хирургических мероприятий и даже в детском лечении.

Удобно им пользоваться во время медосмотров до или после спортивных мероприятий.

В обслуживании прибор неприхотлив: достаточно периодически менять батарейки, а также до и после использования обрабатывать его спиртом. Но есть и предостережения: этот прибор нельзя использовать непрерывно (данные будут искажены).

В пульсометре есть индикатор, сообщающий о низкой зарядке батарей. Если прибор долгое время не используется, следует вынуть из него батарейки.

Этот товар можно купить в интернет-магазинах, цена на него может отличаться, это зависит от фирмы производителя.

Oximax

В рейтинге приборов для измерения пульса первые позиции занимают приборы нового поколения, изготавливаемые с помощью цифровой технологии Oximax.

Эта технология обеспечивает высокую точность измерений даже при слабом сигнале или каких-либо помехах.

Возраст пользователей этим прибором не ограничен, что обеспечило ему большую популярность. Он используется даже при диагностике и терапии новорожденных детей в неонатальном периоде и грудничков.

Характеристики пальцевого пульсометра Nellcor Oximax N-65:

  1. 20 часов непрерывной работы.
  2. Четкое изображение на дисплее, позволяющее считывать информацию в любое время суток и при любом освещении.
  3. Простота управления (кнопки, обеспечивающие выполнение множества функций).
  4. Звуковой сигнал-оповещение о критических значениях пульса.
  5. Измеряет пульс в пределах 20–250 ударов.
  6. Небольшие габариты.
  7. Высокое качество изготовления.
  8. Быстрота и высокая достоверность измерений.

Такие характеристики обеспечили популярность прибора среди спортсменов и медиков, его используют даже в машинах скорой помощи и санитарной авиации.

Choicemmed MD 300 C22

Пальцевый пульсоксиметр Choicemmed MD 300 C22 решает многие важные вопросы, касающиеся самочувствия человека в разные периоды его жизни.

  1. Меряет пульс.
  2. Измеряет уровень кислорода в крови.
  3. Изображает плетизмографию (кривую пульса).
  4. Благодаря функции автоотключения позволяет быть в рабочем автономном состоянии длительное время.

Все эти показания в совокупности создают картину состояния сердечно-сосудистой и нервной систем (это считывается по плетизмограмме).

Таким прибором могут пользоваться:

  • люди с патологиями сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной систем;
  • больные в период реабилитации после перенесенного инфаркта;
  • спортсмены-профессионалы или любители;
  • медики во время проведения реанимационных работ, при обезболивании, проведении хирургических операций или терапии.

Перед тем как купить пальцевой пульсометр, следует внимательно изучить инструкцию, ознакомиться с преимуществами и недостатками (если таковые будут иметь место). посоветоваться с тренером или врачом. Не помешает ознакомиться с отзывами. Это поможет сориентироваться в выборе названия модели.

Этот товар продается в аптеках, интернет-магазинах или магазинах, специализирующихся на продажах медицинской техники или спорттоваров. Цена на этот прибор зависит от страны-производителя, бренда, встроенных функций.

Учитывая эту информацию, свой выбор нужно остановить на той модели, которая максимально будет выполнять требования покупателя.

Ссылка на основную публикацию