Sensore ottico per la ricerca delle aritmie

Questa è la sesta versione del sensore ottico “Theremino Pulsometer”
e raccoglie tutti i miglioramenti sperimentati negli ultimi mesi.

 

Un sensore OCG (Nota 1), da applicare su un dito può fornire più informazioni di quel che si pensa normalmente. Oltre alla frequenza cardiaca si possono osservare le aritmie e classificarle nei tipi principali. Si possono anche osservare gli effetti della bassa pressione sulla ampiezza del segnale e persino le variazioni periodiche della frequenza cardiaca causate dalla respirazione.
Pulsometer V6 connections

(Nota 1) Il nome esatto per la rilevazione ottica sarebbe “photoplethysmography” ma è difficile da ricordare e anche mal composto. Dato che si rilevano variazioni ottiche invece che elettriche, l’equivalente di “Electro” non è “PhotoPlethysmo” ma “Optical” e quindi da ora in poi li chiameremo ECG e OCG.

 

Aritmie

Le aritmie spesso non causano sintomi. Ma si può sentire una strana sensazione nel petto, come ad esempio:

  • Palpitazioni
  • Peso al petto
  • Tuffo al cuore (spesso descritto così dai pazienti)
  • Una maggiore consapevolezza del battito cardiaco
  • Sensazione di battito mancante

Molti di noi hanno avuto queste sensazioni e quasi nessuno è andato a fare un ECG per controllare. Per fare un ECG bisogna prenotarsi, ci vogliono ore ed è quasi certo che nel breve tempo dell’esame non si osserveranno eventi significativi. Lo dice la legge di Murphy ma è anche dovuto al fatto che un ECG viene fatto in orari, ambienti e stati mentali diversi da quelli che potrebbero generare aritmie.

 

Principio di funzionamento

Un LED a infrarossi illumina il dito dalla punta. La luce infrarossa passa attraverso la pelle e viene più o meno attenuata a seconda della pressione arteriosa. Un foto-transistor (che si vede in trasparenza) raccoglie la luce attraverso un foro.

Il blocco grigio è in materiale spugnoso costituisce una base morbida per il dito e nel contempo isola il sensore dalla luce esterna. La luce può passare solo attraverso il dito e poi dal foro.

Con questa disposizione si ottiene un segnale migliore rispetto ai sensori che lavorano con LED e foto-transistor dai lati opposti del dito e anche con quelli che li hanno ambedue in basso.

Questo sensore (se usato con l’amplificatore da noi progettato) genera un segnale di ampiezza abbastanza costante anche con persone che hanno la pelle scura o poco trasparente, o che hanno lo smalto sulle unghie e anche con persone che hanno la pressione bassa.

 

Costruzione del sensore

La parte elastica del sensore è costruibile con un pezzo di tubo isolante per il riscaldamento e una vite da 3mm.

   

Ulteriori particolari sulla costruzione meccanica nel file PDF che si scarica da qui.

Costruzione dell’elettronica

Sia il PCB del sensore che quello dell’amplificatore sono molto semplici e possono essere costruiti “fai da te” su un millefori.

   

I numeri servono per contare i fori e facilitare il posizionamento dei componenti su una basetta millefori. Poi con gli stessi fili che si tagliano dai resistori si fanno i pochi collegamenti necessari.

 

Schema elettrico

Il resistore R1 invia una corrente di circa 16 mA al LED del sensore.

Il resistore R2, di valore più alto rispetto a schemi simili, fornisce una corrente molto bassa al foto-transistor (meno di 5 uA). Con questo accorgimento, quando si toglie il dito e la luce del LED non è più filtrata, la tensione sul transistor scende dai normali due volt (circa) a un valore molto basso e il transistor va in saturazione. In questo modo si eliminano i disturbi dovuti alla luce esterna che potrebbero generare falsi segnali.

I condensatori C1 e C3 da 1uF determinano la frequenza di taglio bassa. Si consiglia di usare il valore di 1 uF o di abbassarli a 470nF, come spiegato nelle prossime pagine.

Le sezioni IC1A, IC1B, IC1C e IC1F amplificano il segnale di oltre mille volte (66 dB con TRIM1 al massimo) e nello stesso tempo filtrano efficacemente le frequenze alte in modo da eliminare completamente i disturbi a frequenza di rete.

Il resistore R9 sbilancia l’ultima sezione in modo che l’uscita a riposo sia al di sotto della mezza tensione e il LED1 resti spento. Le sezioni IC1E e IC1D squadrano il segnale e fanno lampeggiare il LED ad ogni battito.

Il regolatore U1 stabilizza il 5 volt in arrivo dalla USB in un 3.3 volt stabile e poco rumoroso.

Disposizione dei componenti

Questa immagine può essere utile quando si posizionano e si saldano i componenti.

Il trimmer TRIM1 deve essere di quelli piccoli (7×7 o al massimo 8×8 mm). Ci sono tre fori extra che permettono di utilizzare diversi modelli di trimmer, o di ruotarlo di 180 gradi, per fare in modo che ruotando in senso orario il segnale aumenti.

Tutti i resistori possono essere da un quarto di watt, ma se si riesce a trovarli da un ottavo di watt è meglio. Sarà più facile posizionarli e sono anche più belli da vedere.

I resistori R3, R5 e R7 vanno posizionati in piedi, piegando una delle due gambe lungo il corpo. Per evitare che le gambe lunghe possano toccarsi tra loro è bene disporli tutti e tre con il corpo dallo stesso lato. Nella immagine si vede che il cerchietto in alto ha il bordo nero e quel lato rappresenta il corpo della resistenza.

Fare attenzione che i condensatori C5 e C6 sono polarizzati e si deve ruotarli con il “+” come indicato in questa immagine.

Per questo circuito non è necessario utilizzare componenti di precisione. Non servono condensatori in mylar, si possono usare i piccoli ed economici ceramici.

I condensatori C1 e C3 non devono essere polarizzati, e preferibilmente da 470 nF o da 1 uF.

 

Software per leggere il sensore

Per visualizzare gli ECG, ma principalmente per la ricerca delle aritmie, si utilizza la applicazione Theremino ECG che si scarica da qui.

 

Approfondimento

   

Per chi volesse approfondire i particolari del funzionamento e i particolari della costruzione meccanica, abbiamo preparato un file PDF che si scarica da quiNel file PDF troverete anche i collegamenti per scaricare i progetti dei circuiti stampati.

In questa pagina del sito theremino si possono trovare altre informazioni e anche la versione inglese del file di documentazione.

 

VOTO
2 commenti
  1. Just4Fun
    Just4Fun dice:

    Interessante lo studio del sensore e lo schema elettrico.
    Era parecchio che non vedevo usare gli inverter CMOS della serie 4000 (rigorosamente di tipo “unbuffered”) in modalità “analogica” (la prima volta che lessi la relativa Application Note sul datasheet blu della National andavo al liceo… 🙂 )

    Approvazioni
    • theremino dice:

      Il vantaggio rispetto agli operazionali è la compattezza.

      Con gli operazionali si dovrebbero aggiungere componenti per polarizzare gli ingressi invece qui gli ingressi si polarizzano da soli. Inoltre con gli operazionali è più difficile far passare le piste di un PCB monofaccia, dato che ci sarebbero due ingressi invece di uno. E infine non esistono operazionali sestupli in un case da 14 pin.

      Naturalmente le caratteristiche degli operazionali potrebbero essere molto superiori sia come amplificazione che come rumore. Ma per molti progetti tipo questo i 4069UB sono comodissimi.

      Approvazioni

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