ECG Light - USB кардиограф
По многочисленным просьбам о предпринятии дальнейших действий по проекту домашнего электрокардиографа (что приятно, хотя и немного напрягает), этой осенью было обновлено железо (и ПО, конечно же), и присуждено ему упомянутое в заголовке кодовое название :).В этой заметке предлагаю руководство по самостоятельному изготовлению приставки к компьютеру, с помощью которой (в комплекте с последней версией программы ECG Control) можно записывать и просматривать кардиограммы в стандартных I, II, III, avR, avL и avF отведениях (то есть всех, кроме грудных).
Прошу принять во внимание, что я не обещаю, что у Вас сразу получится изготовить приставку, и что это такое уж плевое дело. Как раз наоборот - для самостоятельного изготовления этого устройства Вы должны быть опытным радиолюбителем, и четко понимать, как и почему работают все его узлы.
Я не даю никаких гарантий касательно работы этого электрокардиографа и отказываюсь от любого вида ответственности, если Вы собрали его самостоятельно. К примеру, если собранный Вами образец ударит Вашу бабушку током (это вполне возможно при неаккуратном изготовлении) - я не имею к этому ни малейшего отношения. Договорились? Если нет - пожалуйста, закройте эту страницу и не читайте дальше ни в коем случае! 🙂
Я гарантирую только тот факт, что перед Вами последняя на этот момент, самая совершенная версия устройства, и в нашем исполнении она работает безотказно со всеми имеющимися в нашем распоряжении компьютерами и версиями ОС Windows, а также прекрасно работает на всех подопытных "пациентах".
Основные отличия этой версии платы кардиографа от предыдущей следующие:
- Преобразователь интерфейса USB-UART CP2102 заменен на более надежный (по драйверам), простой для монтажа (но более дорогой) FT232RL. Благодаря этому достигнута стабильная работа устройства под всеми версиями Windows (XP & 7 x86 & x64);
- Преобразователь питания со стабилизацией выходных напряжений выполнен на ШИМ-контроллере TL494, вместо мультивибратора и линейных стабилизаторов во вторичных цепях. Благодаря этому удалось существенно снизить уровень шума и повысить эффективность преобразователя;
- Совершенно новая разводка печатной платы, намного более аккуратная с точки зрения паразитных наводок и интерференции. Кроме того, она просторнее и на порядок удобнее при монтаже;
- Полностью обновленная прошивка и протокол обмена, частота дискретизации по каждому каналу повышена до 3 кГц. Поэтому для работы с данной версией устройства (прошивка 6) нужно использовать версию ПО не ниже ECG Control 1.2.
Принципиальную схему и всё необходимое для изготовления платы в домашних условиях по ЛУТ (в формате pdf) качайте по данной ссылке. В архиве находятся, помимо схемы, готовые к распечатке (учтите, зеркалить уже ничего не нужно, печатать без масштабирования, т.е. 1:1!) верхняя и нижняя стороны платы, карта переходных отверстий (вид сверху и снизу), карта расположения элементов.
Теперь немного поясню схемотехнику и на что следует обращать особое внимание при сборке устройства.
Электрокардиограф получает питание от компьютера по ЮСБ кабелю, и содержит импульсный высокочастотный трансформаторный преобразователь питания, обеспечивающий гальваническую развязку по питанию усилителей биопотенциалов (УБП) (и пациента, с ними непосредственно связанного) от цепей компьютера, а также стабильные напряжения для питания микроконтроллера (+5В) и операционников УБП (двуполярное +5В и -5В).
Всю "умную" работу выполняет ШИМ контроллер в лице замечательной классической и нестареющей микросхемы TL494, нагруженный непосредственно на первичную обмотку трансформатора, и работающий в двухтактном режиме. Обратная связь, обеспечивающая стабильность напряжений нагрузки, осуществлена через оптопару. Обратите внимание, что эта микросхема по даташиту должна работать при минимальном напряжении питания не ниже 7В, однако прекрасно работает начиная от 3В. Конечно же, её источник опорного напряжения (5В) и всё от него зависящее работают не совсем корректно, но в нашем включении это не играет никакой роли. Что очень важно - кем микросхема произведена. Нужно покупать только контроллеры от TI, поскольку в них нету цепей защиты от пониженного напряжения питания. Если пытаться поставить контроллер от Мотороллы - ничего не получится, потому что в их варианте контроллер не работает при напряжениях меньше 5В с копейками, благодаря наличию этой, нам очень вредной, блокировки.
Огромное внимание уделите изготовлению трансформатора. Покупайте только настоящие сердечники от Эпкоса, полные названия комплектующих трансформатора приведены на схеме. Трансформатор может оказаться слабым местом в цепях гальванической развязки при неаккуратном изготовлении, что чревато поражением электрическим током. Наматывайте сначала первичную обмотку, равномерно распределяя провод по каркасу. Всего необходимо намотать 40 витков провода (20 + 20) с отводом от середины. Провод берите любой толщины, лишь бы было удобно. Потребляемая устройством мощность и число витков в обмотках ничтожны, так что мотайте хоть 0, 01 мм. Мне удобно мотать проводом около 0,1 мм. Тщательно изолируйте первичную обмотку тремя слоями ПВХ изоленты, а поверх нее намотайте таким же проводом вторичную обмотку, в которой должно быть 70 витков с отводом от середины. Для защиты от механических повреждений закройте обмотку парой слоев изоленты, и соберите вместе детали трансформатора. Сердечник должен свободно входить в каркас, усилия при сборке говорят о неаккуратно выполненной работе, и могут привести к поломке сердечника.
К цифровой части относится преобразователь интерфейса ЮСБ-ЮАРТ, связанный с микроконтроллером через оптопары, обеспечивающие гальваническую развязку шины данных. Общается преобразователь с микроконтрллером на скорости 0,5 Мбод, что и обусловило применение оптопар 6N137.
Элементы R46, R47 и VD10 можно не устанавливать, они могут понадобиться только для контроля обмена преобразователя с компьютером (что обычно интереса не представляет). К слову, все пассивные SMD компоненты кардиографа в корпусах размера 0805, довольно удобного для монтажа вручную.
Разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера X2 соответствует кабелю фирменного программатора Atmel STK-500. Во время монтажа микроконтроллера убедитесь, что все дорожки под ним целы, и вы собираетесь припаивать его "правильной" стороной. В случае ошибки без фена его будет отпаять довольно затруднительно, а феном легко перегреть, что нередко приводит к частичной неработоспособности (умирают пины), да и плату можно испортить.
Усилители биопотенциалов обеспечивают формирование и усиление (приблизительно в 500 раз) сигналов второго и третьего отведений, заодно с вычитанием помех путем подачи на инвертирующие входы усилителей электродов правой и левой руки сигнала с усилителя электрода левой ноги, также подаваемого на инвертирующий усилитель нейтрализации и виртуальную землю, подключаемую к правой ноге пациента. Конструкция совершенно классическая и лаконичная, и встречается нередко.
Все остальные отведения вычисляются по данным второго и третьего отведений. На всех входах установлены защитные цепи, обеспечивающие сохранность УБП при всех мыслимых и немыслимых с ним манипуляциях.
Важно точное соблюдение всех номиналов элементов в УБП, поскольку программа ECG Control откалибрована на корректную работу именно при указанных на схеме номиналах.
Электроды пациента подключайте только с помощью экранированных кабелей - это помогает значительно снизить уровень наводок от осветительной сети. Центральную жилу соединяйте с электродом и центральным контактом штеккера, оплетку со стороны штеккера соедините со вторым контактом (общий), а со стороны электрода обрежьте так, чтобы она не касалась центральной жилы и заизолируйте. Желательно использовать хлор-серебряные электроды с зажимами в виде прищепок, однако, если Вы испытываете затруднения с их приобретением, вполне можно нарезать электроды из кусочков жести-нержавейки площадью около 4 кв.см. И в любом случае увлажнение места наложения электрода на тело (лучше всего слегка подсоленной водой) благоприятно сказывается на качестве получаемой записи.
При сборке устройства учтите, что в нём нету ни одной лишней детали или переходного отверстия, и если Вам не совсем понятно их назначение - лучше сделайте так, как нарисовано на схеме. Помните, что усилители биопотенциалов очень чутко реагируют практически на всё, что обычно выражается в степени зашумленности кардиограммы.
После того, как Вы полностью соберете устройство, необходимо запрограммировать его микроконтроллер. Для этого Вам понадобится прошивка (ищем по этой ссылке), и программатор, работающий с Atmel AVR Studio (она совершенно бесплатная и находится на сайте Атмела). Перед прошивкой установите настройки так, как показано на следующих скриншотах.
Желаю Вам успеха в сборке вашего собственного домашнего электрокардиографа!
Купить уже собранную приставку
Добрый день!
Не ясно назначение гальванической развязки. Сам по себе компьютер уже развязан от сети - мы спокойно трогаем его корпус, контакты USB разъема и все ОК.
Лично для меня, необходимость гальванической развязки совершенно не очевидна, тем более что без нее можно организовать обычный boost ПН для питания операционников.
Не могли бы вы написать Ваши соображения по этому поводу. Спасибо.
Еще вопрос - почему бы не написать то же самое на at91sam7? минус только один - шаг выводов 0.5мм. Зато плюсы - прошивка через юсб (программатор не нужен), никаких фьюзов, которые вывзывают проблемы у радиолюбителей, никаких микросхем последовательного порта (com-порт эмулируется программно, драйверы для PC не нужны вообще). Могу содействовать в написании (работаю программистом ARM).
Здравствуйте.
Можете не развязывать, во всяком случае с ноутбуком. Если повезет, даже работать будет вполне сносно.
Обычный компьютерный БП гальванической развязки от сети не имеет и иметь не обязан. Без подключенного зануления в розетке, благодаря конденсаторам ВЧ-фильтра, на корпусе присутствует половина сетевого напряжения. Ток, небольшой (из-за малой емкости), для здорового человека далеко не смертельный, а вот кардиограмму испортить способен напрочь. Плюс компьютер сам по себе очень шумит по питанию.
Так что гальваническая развязка, помимо соображений электробезопасности, играет важнейшую роль в борьбе с шумами.
Что касается сам7 - принципиально ничего против этого чипа не имею. Но для проекта настолько детского уровня - стрельба из гранатомета по воробьям. Плюс (точнее, минус) сложнее монтаж и раз в 5 дороже меги48. Как раз за счет разницы в цене получаем гальваническую развязку и надежнейший из мне известных преобразователь интерфейса. Так в чем же смысл?
Если есть желание сделать свою железку - можете скачать исходники прошивки, там нету ровным счетом ничего экстраординарного. Для человека с опытом перенос на любое другое ядро много времени не займет.
Здравствуйте.
спасибо за Ваш ТРУД.
Я не нашел - как долго ведётся запись экг, есть ли скатерограммы? Скаттерограмма здорового человека представляет собой небольшое "облачко" - вытянутое вдоль биссектрисы левого нижнего угла графика. При возникновении нарушений ритма "облачко" меняет форму. При мерцательной аритмии "облачко" расползается, увеличивается в размерах. При экстрасистолии "облачко" разделяется на несколько частей. Слишком маленькое облачко соответствует ригидному (слишком монотонному) ритму сердца и отображается при напряжении регуляторных систем организма и может служить предвестником серъезных заболеваний (необязательно сердечно-сосудистых)
http://www.cardio.sp.ru/about.php
treat , спасибо за Ваш интерес.
Ограничений на длительность записи нету.
В этой разработке анализ ВСР не реализован.
Её основное назначение - продвижение одного из классических методов функционального контроля ССС (электрокардиографии) "в народ", то есть целевой аудиторией является неподготовленная публика (начиная со школьников-радиолюбителей), способная самостоятельно изготовить устройство, но испытывающая затруднения с ПО.
Вы можете самостоятельно анализировать кардиосигнал, поскольку его можно экспортировать из ECG Control в простом текстовом формате.
Сейчас разрабатывается вариант системы для исследователей и врачей, обладающий как гораздо лучшими аппаратными характеристиками, так и программным обеспечением (в числе прочего планируется анализ ВСР по Баевскому и компании); первые рабочие образцы ориентировочно будут к ноябрю.
Большое спасибо за статью и прибор! Хотел спросить, насколько обязателен такой блок питания, точнее какие каким требования он должен удовлетворять блок питания (в представленной Вами схеме больше всего пугает, то что нужно где то найти ферритовые стержни, а потом еще мотать катушки, нельзя ли это как нибудь обойти, насколько это скажется на работе ОУ?). И еще один вопрос: как я понял данные передаются на ком порт, можно ли их оттуда считывать, например с помощью стандартного Hyperterminal?
Nikolay,
когда Вы купите все необходимые детали, Ваши страхи сразу исчезнут. 🙂
Что касается чтения из последовательного порта - то ничего толкового не получится.
Для установления и поддержания связи с устройством необходимо обрабатывать около десяти команд и последовательностей, в достаточно строгих временных рамках, что делает невозможным ручной режим через терминал.
Проблема решена. Не могу с полной уверенностью сказать в чем была причина (менял микросхемы, перепрошивал заново , менял некоторые элементы, тщательная проверка монтажа с исправлением подозрительных мест с последующей промывкой спмртом) но приставка заработала. В целом я очень доволен работой приставки и ПО, но так как автор просил высказывать свои соображения и пожелания хочу поделиться своими мыслями.
Поскольку приставка ориентирована на бытового потребителя, т.к. сам им являюсь, я понимаю что анализ кардиограммы является весьма приблизительным и не может итерпретироваться как истинный диагноз заболевания. Сравнивая с кардиограммой записанной на стационарном, фирменном кардиографе в стационаре всеми отмечена практически 100% идиентичность графиков, что весьма радует.
Но основное практическое достоинство данного прибора должно быть в его действительной помощи. А эту помощь я представляю себе так: при появившемся недомогании члены семьи пациента должны привести в действие прибор и получив график кардиограммы отправить его через интернет электронной почтой, через скайп или другую популярную службу доставки графической информации в мед. службу скорой помощи или консультационный центр и те в свою очередь проанализировав кардиограмму и дополнительно полученную информацию (по телефону или тому же скайпу) принимают решение какая конкретно помощь необходима пациенту. Может быть достаточно порекомндовать принять необходимые лекарства (в семье с человеком имеющим проблемы с сердечнососудистой системой всегда имеется набор препаратов для оказания экстренной помощи) и обратится в поликлиннику или направить к пациенту реанимационную бригаду скорой помощи.
В связи с изложенным я предлагаю некоторые добавления к существующей приставке.
1. в режиме просмотра кардиограмм добавить в меню кнопку: "кардиограмма-отправка" при нажатии этой кнопки экранная область (выбранный фрагмент графика или страница анализа) должна конвертироваться в один из графических форматов который без проблем читается ОС со стандартным набором кодеков, открывается окно в котором предлагается выбрать через какой сервис будет отправляться изображение (эл.почта, скайп) далее подменю со строкой набора или выбора ранее набранного адреса получателя и отправка.
2. При сердечных приступах второй очень важный параметр,- артериальное давление. Поэтому если прибор дополнительно будет иметь функцию измерения артериального давления с выводом на экран окна с данными о давлении,- это будет большущий плюс при диагностировании недуга. В принципе практически у всех сердечников есть прибор для измерения давления (электронный тонометр) и если организовать связь с программой по блютузу с последующей обработкой данных для графического вывода на экран было бы чудесно.
В принципе все предлагаемые доработки сводятся к тому чтобы с минимальными телодвижениями и навыками работы с компьютером доставить компетентным специалистам информацию о состоянии сердечнососудистой системы пациента для постановки экспресс диагноза и принятия соответствующего решения по спасению жизни человека. Если учесть что не малая часть людей живет в местах где оперативно, по объективным причинам, нет возможности оказать мед. помощь,- данный прибор окажется как раз той соломинкой которая вытащит человека с того света.
С большим уважением Валерий.
valerij248 13.02.2012 в 20:16
Еще раз спасибо Вам за Ваши усилия и за Ваше мнение.
Чаще всего, если устройство не запускается с первого раза, проблема кроется в пайке контроллера или преобразователя интерфейса - либо непропай, либо замыкание между ног.
Уважаемый админ! Ваш софт и приставка действительно эффективная вещь,спасибо огромное. Я занимаюсь цифровой обработкой сигналов, в том числе стат. обработкой. И мне бы хотелось получить доступ к самому кардиосигналу(для последующей обработки в Матлабе). Но у меня нескромный вопрос. Можно ли получит доступ к формату файла? Или, например, к софту, который позволит его конвертировать в какой-нибудь общепринятый открытый формат (типа SCP-ECG)?
С ув.,Сергей
Можно попросить автора сделать спецификацию деталей для кардиографа?
Трудновато обозначение некоторых деталей искать по всей теме.
Kiril 23.12.2011 в 23:20
Можно, в недалеком будущем добавлю.
Извините, что сразу сам не подумал об этом.
Доброго вечора! Я давно подумую над простим саморобним електрокардіомонітором... Розглядаючи схему, не повністю вникав в усю суть, (і прошу пробачення, якщо моє питання буде тупим) але хотів запитати, чи можливий такий варіант: зпаяти окремо підсилювач, а вихідні канали пі'єднати до осцилографа і подальшу реєстрацію/додаткове фільтрування проводити на ньому? Суть в тому що я подумую ще і про електоенцефалограф, для якого мені треба буде, мабудь, схожий підсилювач, але працювати з підсиленими сигналами більш варіабельних АЧХ.
Xazm 19.12.2011 в 01:49
Доброго вечора.
Звісно, Ви можете використати осцилограф для відображення підсилених сигналів.
Якщо у Вас є сучасний цифровий осцилограф, що має функцію цифрового фільтра,
Ви можете отримати якісний сигнал. Для цього необхідно вилучити зі спектру 50 Гц та гармоніки (100, 150, 200, ...).
Для енцефалографії використаний у наведеному приладі підсилювач не підійде, у нього досить високий рівень шуму. Необхідно застосувати операційні підсилювачі вищого класу, наприклад, OPA2333. Найголовніша складність реєстрації електроенцефалограми порівняно з електрокардіограмою - амплітуда біосигналу менша у 1000 разів.
Що стосується спектрального складу ЕЕГ сигналу - він більш високочастотний, і з цієї точки зору все простіше, ніж з ЕКГ.