Cardiofrequenzimetro fatto in casa funzionante, Laboratorio tesi di laurea

Progetto rilevazione battito cardiaco

25 giugno 2014

Introduzione

La frequenza cardiaca è il numero di battiti del cuore al minuto (BPM). Insieme alla temperatura corporea, la pressione sanguigna e il ritmo respiratorio, è una delle funzioni vitali.

Ricoprendo per l’appunto una così grande importanza nella nostra vita, è bene monitorare la frequenza cardiaca per un buon controllo del proprio fisico.

Tale controllo è consigliabile sia in test sotto sforzo che in test a riposo, dopo tali test bisogna comparare i valori ottenuti con quelli teoricamente ideali (dipendenti da fattori quali età, forma fisica, patologie varie e molto altro).

Per un monitoraggio preciso ed affidabile è quindi consigliabile adoperare apparecchiature mediche specializzate.

Ma nel caso si volesse avere un controllo “fai da te”, meno preciso ma comunque affidabile, si può ricorrere a vari metodi.

Nel nostro caso viene illustrato un metodo di rilevazione attuato sfruttando un sensore, una parte hardware composta da Arduino Uno e una visualizzazione su display del PC con relativa interfaccia utente.

Ecco ora una tabella con riportati i valori medi teorici di pulsazione cardiaca espressi in battiti per minuto.

Specifiche tecniche

Viene richiesto quindi il monitoraggio della frequenza cardiaca espressa in battiti per minuto (BPM) e la sua visualizzazione su un display con segnalazioni per eventuale superamento di soglie critiche.

Per impostare i valori delle soglie si fa riferimento a precisi valori ricavati da studi medici.

Specifiche aggiuntive

Innanzitutto bisogna scegliere il tipo di visualizzazione, ossia se adoperare una visualizzazione del battito Real Time o con un ritardo di visualizzazione.

Successivamente bisogna decidere se il dispositivo da realizzare debba essere portatile o non portatile.

Nel caso non fosse portatile bisogna anche decidere il tipo di telecomunicazione tra dispositivo e PC sul quale avviene la visualizzazione del dato.

Ricopre grande importanza la scelta di un sensore adeguato per la rilevazione della frequenza, ed il tipo di dispositivo adibito all’elaborazione del segnale ricevuto dal sensore.

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Progetto rilevazione battito cardiaco

25 giugno 2014

Scelte tecniche

1) Sensore e ricevitore

In primo luogo è bene valutare e scegliere il sensore che si addice di più ad un uso domestico o quantomeno, non professionale, del nostro dispositivo.

Il sensore più comune per tale impiego è il cardiofrequenzimetro.

Esso è un dispositivo elettronico in grado di misurare il battito cardiaco e, da questo, determinare la frequenza cardiaca Hr (heart rate), tipicamente usato dagli atleti durante allenamenti e gare.

Solitamente è composto da due elementi: un trasmettitore dall'interno di una fascia da avvolgere al petto e un ricevitore da polso (solitamente con funzioni di orologio e cronometro).

I modelli avanzati possono riportare altre informazioni relative alla variabilità del battito cardiaco, come l'impostazione di soglie di allarme per le zone aerobiche sulla base dei dati relativi alla fisiologia dell'utilizzatore.

La fascia da avvolgere al petto ha degli elettrodi a contatto con la pelle per monitorare la tensione elettrica del cuore.

Quando una pulsazione cardiaca viene individuata, viene trasmesso un segnale radio, che il ricevitore utilizza per determinare il battito cardiaco corrente.

Il segnale trasmesso via radio può essere un semplice impulso radio o un segnale codificato dal trasmettitore; nel secondo caso si evita all'utente di ricevere segnali provenienti da altri trasmettitori (ovvero si evita l'interferenza di cross-talk).

Moltissime aziende producono cardiofrequenzimetri, ma le caratteristiche da rispettare (parametri di scelta) nel nostro caso sono principalmente due: basso costo e ricezione del segnale da parte del ricevitore di un impulso radio e non di un segnale già codificato, in quanto altrimenti risulterebbe inutile un blocco hardware per l’elaborazione del segnale ricevuto dal sensore.

Bisogna inserire quindi ora all’interno delle scelte tecniche anche la scelta di un ricevitore adeguato.

Osserviamo ora una tabella dove sono riportati vari tipi di sensori e di ricevitori con relativi parametri:

Semplicità

Prezzo d'uso codifica

Sensori

Alpha Sensor alto elevata

Polar T-31 medio intermedia

Suunto Quest alto intermedia

On Rythmn

50 basso elevata

Ricevitori

Alpha Sensor alto elevata diretta

Polar T-31 medio intermedia non dir.

Suunto Quest alto intermedia non dir.

On Rythmn

50 basso elevata diretta

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Progetto rilevazione battito cardiaco

25 giugno 2014

Nel nostro caso sono teoricamente richiesti i seguenti parametri: prezzo medio-basso (90,00 euro); prodotto di facile utilizzo, il ricevitore non deve effettuare direttamente la codifica.

In base a queste richieste si è deciso di scegliere ed adoperare il sensore della Polar T-31 ed il rispettivo ricevitore T-31, in quanto il costo rispettivamente del sensore (56,00 euro) e del ricevitore (32,00 euro) non supera la soglia dei 90, 00 euro.

La semplicità d’uso è intermedia in quanto la codifica non avviene direttamente sul ricevitore ma si necessita di un successivo blocco hardware (gestito e temporizzato tramite software) che gestisce il segnale del cardiofrequenzimetro.

2) Tipologia di trasmissione dati

Si deve scegliere tra due metodologie di comunicazione: wireless o seriale.

Anche in questo caso bisogna prima stabilire il tipo di comunicazione wireless e fissare dei parametri di scelta.

In questo caso si fissano solo due parametri: semplicità d’uso e prezzo.

Il vantaggio di una comunicazione wireless è per l’appunto la mancanza di connessioni fisiche tra il blocco di elaborazione dati ed il PC, tale connessione senza fili favorisce la realizzazione di un dispositivo portatile che il cui utilizzo è quindi consentito anche lontano dal PC su cui si visualizzano il battito e gli altri parametri.

Lo svantaggio è che il sistema realizzato con necessita dell’applicazione di moduli aggiuntivi sia in trasmissione che comunicazione wireless in ricezione che fungono da antenne, si incrementa quindi l’ingombro del sistema, il costo e la difficoltà di utilizzo in quanto quasi sempre tali moduli necessitano di specifica programmazione.

Ecco un piccolo schema che spiega meglio come sarebbe il sistema con trasmissione wireless:

Una comunicazione di tipo seriale non permette di realizzare un dispositivo portatile in quanto la connessione fisica al PC non permette grande movimento a distanza da parte dell’utente.

Il prezzo di un sistema a comunicazione seriale è notevolmente più basso e di notevole facilità d’impiego.

Fissiamo ora quindi i parametri di valutazione per la scelta della comunicazione dei dati tra sensore e PC: prezzo, dispositivo portatile o non portatile, facilità d’impiego.

Nel caso della comunicazione wireless la scelta dei moduli deve essere indirizzata alle funzionalità di Arduino.

Per la scelta di trasmettitori e ricevitori wireless ci si può orientare verso i moduli XBee, progettati apposta per interfacciarsi con le piattaforme Arduino ed essere programmate con il suo linguaggio tramite l’utilizzo di specifiche librerie.

Ecco una tabella riassuntiva:

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Semplicità

Prezzo d'uso tipologia

Xbee elevato bassa wireless

Cavo USB basso elevata seriale

In base ai parametri di valutazione scelti, vista la realizzazione domestica del dispositivo, si procederà con una comunicazione seriale privilegiata grazie ai bassi costi dei cavi USB in confronto ai 40,00 euro dei moduli XBee.

L’impiego di cavi USB non prevede particolari conoscenze di programmazione software.

Il nostro dispositivo non sarà quindi portatile.

3) Parametri per elaborazione del segnale

Per elaborare il segnale in uscita dal ricevitore si può usare un microcontrollore.

Nel nostro caso si è deciso di usare Arduino Uno in quanto molto semplice da usare e soprattutto il linguaggio di programmazione Arduino è pressoché identico al linguaggio C.

Lavorando con Arduino si rinuncia però, per esigenze di programmazione, all’elaborazione Real Time del dato, la spiegazione di questo passaggio è consultabile nella sezione Software e programmazione.

Il secondo software, usato per la realizzazione dell’interfaccia utente è realizzato con LabView 2012.

4) Alimentazione

Per alimentare il nostro sistema si potrebbe usare tranquillamente una batteria da 5 volt in quanto Arduino funziona con 5 volt in alimentazione, il sensore cardiofrequenzimetro è già dotato di batterie interne, mentre il ricevitore funziona a partire da 3,3 Volt minimi ed arriva a 5 volt massimi.

Un sistema di alimentazione a batteria sarebbe indispensabile nel caso che il dispositivo fosse portatile.

Dato che nel nostro caso non lo è, si può tranquillamente usare un alimentatore da banco regolato a 4.1 volt.

Arduino, essendo collegato tramite cavo USB al PC non necessita di collegamenti esterni, esso viene automaticamente alimentato tramite la porta seriale dal computer.

Rimane quindi solo il ricevitore che verrà alimentato da un alimentatore da banco regolato a 4.1 V.

Riassunto specifiche e scelte tecniche

• Alimentatore da banco regolato a 4.1 volt che permette il funzionamento del ricevitore;
• Realizzazione di un dispositivo non portatile;
• Elaborazione dati non Real Time;
• Rilevazione del battito cardiaco tramite sensore della Polar T-31;
• Ricezione del battito tramite ricevitore della Polar, non effettua codifica del segnale;
• Utilizzo di Arduino Uno per elaborazione del segnale;
• Connessione tra blocco di elaborazione e blocco di visualizzazione tramite cavo seriale;

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Studio di fattibilità (iniziale)

Fase Esecutore

→ 1 persone

Analisi e completamento delle specifiche

• Completamento specifiche Ferrandico
• Documentazione del lavoro svolto Ferrandico

→ persona

Studio di fattibilità 2

• Individuazione delle fasi di lavoro Ferrandico
• Assegnazione dei compiti Ferrandico
• Organizzazione delle risorse a disposizione Pisano
• Stima dei tempi di esecuzione delle varie fasi Ferrandico
• Organizzazione del tempo a disposizione Ferrandico
• Documentazione del lavoro svolto Ferrandico-Pisano

→ 2 persona

Schema a blocchi

• Individuazione degli input e degli output Ferrandico
• Stesura dello schema a blocchi di massima Ferrandico-Pisano
• Definizione dei blocchi dello schema di massima Ferrandico
• Stesura dello schema a blocchi definitivo Ferrandico

→ 2 persone

Progetto software

• Definizione dell'algoritmo di massima per il trattamento Ferrandico del segnale
• Ferrandico-Pisano

Definizione del programma su Arduino

Definizione dell’algoritmo di massima per l’interfaccia

• Pisano

Utente

• Implementazione del programma Arduino Ferrandico
• Implementazione del programma su LabView Pisano
• Documentazione del lavoro svolto Ferrandico-Pisano

→ persone

Interfaccia utente 1

• Strategie per la realizzazione di un'interfaccia utente Pisano ottimale
• Definizione dell'interfaccia utente Pisano
• Implementazione dell'interfaccia utilizzando gli strumenti Pisano offerti da LabVIEW
• Documentazione del lavoro svolto Pisano

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→ 2 persone

Stesura relazione

• Organizzazione della documentazione di progetto parziale Ferrandico-Pisano
• Incorporamento delle varie documentazioni delle fasi Ferrandico

Definizione delle “check list”

• Ferrandico
• Controllo e completamento della relazione Pisano
• Grafica della relazione definitiva Ferrandico
• Stampa della relazione Pisano

Schema a blocchi di massima

In questo schema a blocchi ci si limita alla individuazione degli input e degli output del sistema.

Nel nostro caso il nostro segnale di ingresso sarà il segnale rilevato dal sensore Cardiofrequenzimetro, quale verrà captato dal ricevitore direttamente posizionato su Arduino.