Cardiofrequenzimetro fatto in casa funzionante, Laboratorio tesi di laurea

SPIEGAZIONE BLOCCHI

BlOCCO 1

Per alimentare il ricevitore Polar T-31 è necessario una tensione a scelta tra i 3.3 Volt ed i 5Volt. E’

da sottolineare il fatto che entrambi i valori limite erano disponibili direttamente sulla scheda di

Arduino rispettivamente dai pin 5V e 3.3V. Ma per sicurezza si è deciso di lavorare con una

tensione compresa tra i 3.9 ed i 4.1 Volt in modo tale da non portare il ricevitore in zona di

funzionamento critica e poterlo così utilizzare per un periodo di tempo più lungo e correndo

meno rischi di malfunzionamenti ed eventuali guasti. Per ottenere tale tensione era disponibile

una duplice soluzione. La prima prevedeva l’utilizzo di un alimentatore da 5 Volt, un partitore

resistivo per diminuire la tensione sul ricevitore a 4.1 Volt ed un circuito buffer per separare il

circuito di alimentazione dal resto della parte hardware in modo da evitare eventuali variazioni

delle cadute di tensione sulle resistenze in caso di variazione di impedenza tra partitore e resto del

sistema. Tale variazione di impedenza provocherebbe una variazione di caduta sulle resistenze ed

a sua volta quindi una variazione dei 4.1 Volt che devono alimentare il ricevitore. Il circuito Buffer

separatore adoperato è un semplice amplificatore operazionale inseguitore. La tensione in uscita

dal partitore va collocata all’ingresso non invertente dell’amplificatore. L’ingresso invertente è

collegato senza resistenze direttamente all’uscita in modo da tenere un guadagno unitario e

mantenere inalterata la tensione a 4.1 Volt.

Questo dispositivo si ottiene chiudendo in retroazione unitaria un amplificatore operazionale

ovvero riportando il segnale in uscita direttamente sull'ingresso invertente dell'amplificatore. Lo

scopo principale del buffer è quello di separare o disaccoppiare la sorgente del segnale dal resto

del circuito. Il disaccoppiamento consente di non assorbire corrente dalla sorgente di segnale, non 7

[“PROGETTO RILEVAZIONE BATTITO CARDIACO”] 25 giugno 2014

provocando così gli effetti di carico, ovvero un eccessivo assorbimento di corrente dal generatore

di segnale, e aumentare così la capacità di fornire potenza da parte del generatore.

Tale dispositivo però sarebbe dovuto essere stato alimentato con una tensione duale ricavata da

un altro alimentatore da +/- 15 Volt. Questa soluzione è particolarmente ingombrate e inutilmente

dispendiosa dal punto di vista dei componenti.

La seconda soluzione è molto più semplice e prevede l’utilizzo di un alimentatore da banco

collegato alla reta, con una tensione regolabile, tramite potenziometro, a 4.1 Volt.

BLOCCO 2

In questo blocco viene spiegato il funzionamento del sensore adoperato per la rilevazione del

battito cardiaco. Il sensore adoperato è un Polar T-31, il dispositivo è dotato di una cinghia elstica

regolabile che ne facilita il posizionamento all’altezza dei pettorali dell’utente che esegue il test. Ai

lati del sensore sono posti due elettrodi che misurano la differenza di potenziale cardiaco. Tali

elettrodi comunicano con un trasmettitore interno al sensore, il quale trasmette il dato su una

frequenza portante Fp di 5KHz(come da manuale d’uso dell’azienda). Il sensore ha inoltre delle

batterie interne non ricaricabili. Attivato per la prima volta, né viene garantito il funzionamento

per le successive 2500 ore. Ecco come appare il sensore realmente:

BLOCCO 3

Il ricevitore T-31 non ha connessioni fisiche con il sensore della Polar. Il segnale emesso dal

sensore è a radio frequenza. Tramite modulazione e demodulazione in frequenza, il ricevitore

ottiene il segnale originariamente spedito dal cardiofrequenzimetro e lo rende disponibile sul pin3.

Il ricevitore infatti dispone di una pedinatura molto semplice, dispone tre PIN:

Cosa c'è Colore 8

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PIN 1 VCC

PIN 2 GND

PIN 3 Vout

Nella sezione adibita all’analisi dell’algoritmo di trattamento del segnale, verrà spiegato bene che

tipo di segnale si ha in uscita dal ricevitore. Il ricevitore viene alimentato con una tensione

costante di 4.1 V. Ecco come si presenta esternamente il ricevitore:

BLOCCO 4

Arduino è una scheda elettronica di piccole dimensioni con un microcontrollore e circuiteria di

contorno, utile per creare rapidamente prototipi e per scopi hobbistici e didattici. Con Arduino si

possono realizzare in maniera relativamente rapida e semplice piccoli dispositivi come controllori

di luci, di velocità per motori, sensori di luce, temperatura e umidità e molti altri progetti che

utilizzano sensori, attuatori e comunicazione con altri dispositivi. È fornito con un

semplice ambiente di sviluppo integrato per la programmazione. Tutto il software a corredo

è libero, e gli schemi circuitali sono distribuiti come hardware libero.

Nel nostro caso Arduino svolge una funzione di elaborazione e coordinamento dell’intero sistema,

esso infatti costituisce il ponte di comunicazione tra il segnale fisico rilevato e quello visualizzato

sul display. Sul pin A2 (pin analogico) viene inserito il Pin 3 del ricevitore dal quale esce il segnale

ricevuto. Arduino trasforma questo segnale in un preciso valore espresso in Battiti per minuto.

Attraverso il collegamento seriale, Arduino può contemporaneamente essere alimentato e

comunicare con il computer stesso. Nel nostro sistema questa funzione è sfruttata al massimo in

quanto il dato elaborato tramite algoritmo e programmazione software, viene inviato al computer

tramite cavo USB. Ecco come si presenta esternamente la piattaforma Arduino Uno: 9

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BLOCCO 5

Questo blocco risulta molto semplice da spiegare, l’alimentazione di arduino arriva direttamente

dal pc tramite cavo USB.

BLOCCO 6

In questo ultimo blocco viene gestita tutta l’interfaccia utente. L’utente stesso può regolare a suo

piacimento direttamente i parametri e le soglie di rilevazione in base alle sue esigenze. In questo

blocco si usa principalmente il software LabView per la creazione della grafica di interfaccia e la

gestione dei dati in arrivo dalla seriale. 10

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HARDWARE

La parte Hardware è costituita principalmente dai collegamenti tra i componenti ed i componenti

stessi. Il sistema non necessita di componenti aggiuntivi per regolare tensioni o correnti

(resistenze, ampli ecc..). Ecco di seguito rappresentato uno schema complessivo del collegamento

hardware del sistema.

SPIEGAZIONE SOFTWARE

Innanzitutto bisogna suddividere in due parti la spiegazione della parte software:

1) ANALISI E CODIFICA Del SEGNALE (Arduino);

2) ANALISI E PROGETTAZIONE DELL’INTERFACCIA UTENTE (LabView);

1) Nell’analisi del primo punto ricopre una grande rilevanza lo sviluppo di un algoritmo

efficiente che mi permetta la codifica del segnale in uscita dal ricevitore. Prima di

procedere allo studio dell’algoritmo bisogna capire cosa esce dal ricevitore, ossia che

forma d’onda rileva il sensore Polar T-31. Quindi ora sarà effettuato un piccolo studio

sulla forma d’onda del cuore.

ELETTROCARDIOGRAMMA

L'elettrocardiogramma (ECG) è la riproduzione grafica dell'attività elettrica

del cuore durante il suo funzionamento, registrata dalla superficie del corpo Il principio

.

su cui si basa la misurazione dell'attività elettrica del cuore è prettamente fisiologico:

l'insorgere degli impulsi nel miocardio porta alla generazione di differenze di

potenziale, che variano nello spazio e nel tempo e che possono essere registrate

tramite degli elettrodi. La registrazione della differenza di potenziale da parte di 11

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elettrodi posti sulla superficie corporea avviene grazie alla conducibilità dei liquidi

interstiziali del corpo umano. Il tracciato elettrocardiografico rappresenta il metodo più

facile, meno dispendioso e più pratico per osservare se l'attività elettrica del cuore è

normale oppure se sono presenti patologie di natura meccanica o bioelettrica. Il

normale tracciato ECG presenta un aspetto caratteristico che varia soltanto in presenza

di problemi. Il tracciato è caratterizzato da diversi tratti denominati onde, positive e

negative, che si ripetono ad ogni ciclo cardiaco. Ecco la forma tipica di un

elettrocardiogramma:

Onda P: è la prima onda che si genera nel ciclo, e corrisponde alla depolarizzazione

degli atri. È di piccole dimensioni, poiché la contrazione degli atri non è così potente.

La sua durata varia tra i 60 e i 120 ms, l'ampiezza (o altezza) è uguale o inferiore ai

2,5 mm.

Complesso QRS: si tratta di un insieme di tre onde che si susseguono l'una all'altra, e

corrisponde alla depolarizzazione dei ventricoli. L'onda Q è negativa e di piccole

dimensioni, e corrisponde alla depolarizzazione del setto interventricolare; la R è un

picco molto alto positivo, e corrisponde alla depolarizzazione dell'apice del ventricolo

sinistro; la S è un'onda negativa anch'essa di piccole dimensioni, e corrisponde alla

depolarizzazione delle regioni basale e posteriore del ventricolo sinistro. La durata

dell'intero complesso è compresa tra i 60 e 90 ms. In questo intervallo avviene anche

la ripolarizzazione atriale che però non risulta visibile perché mascherata dalla

depolarizzazione ventricolare. 12

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Onda T: rappresenta la ripolarizzazione dei ventricoli. Non sempre è identificabile,

perché può anche essere di valore molto piccolo.

Onda U: è un'onda che non sempre è possibile apprezzare in un tracciato, dovuta

alla ripolarizzazione dei muscoli papillari.

Tratto ST: rappresenta il periodo in cui le cellule ventricolari sono tutte

depolarizzate e pertanto non sono rilevabili movimenti elettrici. Da ciò deriva che di

norma è isoelettrico, cioè posto sulla linea di base del tracciato, da cui si può

spostare verso l'alto o il basso di non più di 1 mm.

Intervallo QT: rappresenta la sistole elettrica, cioè il tempo in cui avviene la

depolarizzazione e la ripolarizzazione ventricolare. La sua durata varia al variare della

frequenza cardiaca, generalmente si mantiene tra i 350 e i 440ms.

Il tracciato ECG viene compilato su carta millimetrata, che scorre

nell'elettrocardiografo ad una velocità di 25 mm al secondo, quindi cinque lati di

quadrati da 5 mm rappresentano 1 secondo. È quindi facile immaginare come si

possa immediatamente ricavare la frequenza cardiaca, valutando quanto tempo

passa tra u