Датчик сердечного ритма: особенности работы и применения

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 пульсометр в носимой электронике

Различная носимая электроника для спортивного применения оснащается датчиками, отслеживающими активность человека. В их число могут входить акселерометр, шагомер, GPS-приемник, датчик положения, пульсометр и другие сенсоры. Если с акселерометром все более-менее понятно, шагомером и гироскопом тоже, а работа GPS основана на измерении временных изменений в скорости прохождения сигнал от спутников до устройства, то с датчиком сердечного ритма все не так просто. Многие не в курсе, как работает пульсометр и по какому принципу получает данные.

Как измеряют пульс различные приборы

Существует три базовых способа измерения частоты сердечных сокращений, регистрируемых с помощью пульса: механический, электрический и оптический. Первый применяется в обычных тонометрах, фиксирующих частоту перепадов давления (тех самых 120/80 для здорового человека), вызванных работой сердца. Электрический метод возможен благодаря тому, что в процессе сокращения сердечные мышцы вырабатывают микротоки. Он чаще всего используется в оборудовании для снятия ЭКГ и нагрудных датчиках измерения пульса.

Недостатком механического и электрического методов измерения пульса является потребность в плотном контакте датчика с телом. В первом случае сенсор должен прижиматься к коже в месте неглубокого залегания большого сосуда, во втором – находиться как можно ближе к сердцу. Поэтому для оборудования вроде фитнес-браслета или смарт-часов оба варианта не подходят. Браслет, без малейшего зазора зажатый на запястье, может ухудшать кровоток (что опасно), а снятие электрических импульсов требует использования выносного датчика.

Читать еще:  Диапазон систолического и диастолического давления

Указанных недостатков лишен оптический пульсометр, которому нужно всего лишь иметь контакт с кожей, причем не обязательно плотный. Расположенный на нижней крышке часов или трекера, он не мешает пользователю, не оказывает влияния на кровоток, потребляет мало энергии и передает данные с достаточно высокой точностью. Поэтому именно оптические датчики сейчас используются наиболее широко.

Как работает оптический пульсометр

В основе работы оптического пульсометра, используемого в носимой электронике, лежит технология фотоплетизмографии. Такой сенсор состоит из светодиодов, испускающих свет, и датчиков, регистрирующих уровень его отражения.

Так как кровь человека имеет красный цвет (то есть, лучше всего отражает оптическое излучение, соответствующее красному), для лучшей точности необходимо использовать другой оттенок, хорошо поглощаемый ею. Таковым является зеленый, расположенный на спектральном круге напротив красного, а значит, хорошо поглощаемый кровью.

Кожа человека содержит множество тонких капилляров, наполненных кровью. В момент, когда сердце сокращается, давление крови повышается, она активнее поступает в сосуды, а значит, поглощает больше света. Датчик регистрирует это, и путем подсчета количества таких всплесков за минуту смарт-часы или фитнес-браслет определяют частоту сердечного ритма.

Плюсы и минусы пульсометра в смарт-часах и фитнес-трекерах

Достоинствами оптического пульсометра являются относительная простота устройства и невысокая цена, приемлемая точность срабатывания, отсутствие воздействия на организм. Однако есть у него и недостатки. Во-первых, при ношении браслета или часов с таким датчиком желательно соблюдать хороший контакт сенсора с телом.

Конечно, затягивать ремешок «до посинения» ни в коем случае нельзя, но и чрезмерного гуляния по запястью тоже следует избегать. Ведь в таком случае болтающийся на руке датчик может расценить приближение к коже на лишний миллиметр, как удар сердца, а в момент отдаления – пропустить настоящее сокращение. В итоге показатели, зафиксированные электроникой, могут отличаться от реальных не на пару-тройку ударов в минуту, а гораздо сильнее, тем самым снижая ценность полученных показаний.

Еще один минус оптических пульсометров – зависимость от реакции организма на холод. При охлаждении тела кровоток в капиллярах снижается, прибору становится гораздо труднее улавливать сокращения сердца. Поэтому если вы принадлежите к категории людей, у которых в прохладную погоду (даже при физических нагрузках) руки быстро светлеют и становятся холодными, оптический пульсометр может искажать данные, полученные в ходе осенних пробежек.

Наконец, третий недостаток пульсометров оптического типа – возможные погрешности при высокой частоте сердечного ритма. Если под большой нагрузкой пульс переваливает за 150-170 уд/мин – скорость кровотока становится слишком высокой. Моменты диастолического давления (нижнего, когда сердце расслабляется) длятся минимум времени и почти не отражаются на капиллярном кровотоке. В результате датчик не может распознавать эти моменты и начинает показывать «погоду на Марсе».

Заключение

Учитывая все приведенные достоинства и недостатки оптических пульсометров, используемых в современной носимой электронике, стоит сформировать несколько правил, способствующих получению наиболее точных результатов. Во-первых, не стоит слишком свободно застегивать ремешок часов или трекера, особенно если вы много двигаете руками.

Во-вторых, следует избегать переохлаждения запястья в холодную погоду. Для этого можно во время осенних пробежек носить одежду с рукавом, чтобы участок кожи с часами/браслетом был в тепле.

Наконец, третий совет – не перегружать сердце во время физической активности и доверяться не только «бездушной железяке», но и своим ощущениям. Если вы чувствуете, что сердце стучит как отбойный молоток, а прибор показывает безобидные 90 уд/мин – возможно, он не в силах уловить реальный ритм из-за слишком быстрого пульса.

Суточный мониторинг сердца: контроль бесперебойной работы

Обычная электрокардиограмма в кабинете врача не всегда дает точный результат. За это короткое время нет возможности получить полную информацию о работе сердца во время сна, при физических и умственных нагрузках и при обычном образе жизни. Дополнить картину обследования помогает суточный мониторинг сердца по Холтеру.

ЭКГ по Холтеру, или суточный мониторинг сердца: суть обследования

Чтобы получить вышеуказанные данные, нужна электрокардиограмма (ЭКГ), проводимая в течение длительного времени. Для этого на тело пациента крепятся аналогичные обычному обследованию электроды, подсоединенные к носимому кардиорегистратору. Информация считывается прибором и записывается на карту памяти, а затем передается врачу функциональной диагностики для расшифровки и заключения. Такое обследование может длиться до семи суток.

Суточный мониторинг ЭКГ был впервые использован американским биофизиком Норманом Холтером в 1952 году, поэтому метод часто называют «ЭКГ по Холтеру». С появлением этой технологии стало намного проще выявить нарушения сердечного ритма и проводимости, прояснить причину внезапных обмороков, оценить работу кардиостимулятора, выявить ишемические изменения у пациента.

Прибор для мониторинга сердца (монитор) выглядит как небольшая коробочка с картой памяти внутри. К ней подсоединены провода, ведущие к нескольким одноразовым электродам на теле пациента. Сам регистратор находится в чехле на ремне, чтобы было удобно его носить. После окончания суточного ЭКГ электроды снимаются, а прибор подсоединяется к компьютеру, где данные становятся доступны для врача. Основное условие при ношении прибора — физическая нагрузка, если отсутствуют противопоказания.

В некоторых случаях пациенту назначают также суточное измерение артериального давления. Тогда к описанному выше оборудованию добавляют манжет-тонометр, который фиксирует АД и также передает информацию в монитор.

Читать еще:  Какие лекарственные средства принимают при инфаркте миокарда

Регистратор фиксирует ритм сердца в течение дня, а пациент в это время ведет дневник, в котором записывает время сна, работы, приема пищи, хождения по лестнице и т.д. Врач может также попросить пациента при ношении монитора выполнить задания: например, провести 5 минут лежа в определенном положении (на спине, боку, животе) и обозначить время в дневнике. Так суточное мониторирование ЭКГ будет максимально информативным.

Показания и противопоказания к суточному мониторированию сердца

Суточный мониторинг работы сердца назначают в следующих случаях:

  • для выявления аритмии, если есть жалобы на перебои или паузы в ритме сердца, слишком частое или очень медленное сердцебиение, головокружения или обмороки;
  • для выявления ишемических состояний (кислородного голодания) миокарда: пациент может жаловаться на давящую боль в груди, локтях и нижней челюсти;
  • для контроля определенных параметров работы электрокардиостимулятора;
  • для оценки эффективности назначенного лечения.

Некоторые аппараты для мониторинга ритма сердца позволяют провести первичную диагностику автоматически. Но не следует полностью полагаться на эти данные, окончательное заключение дает только врач после анализа расшифровки данных.

Другими показаниями для мониторинга сердца являются:

  • сильное сердцебиение;
  • стенокардия;
  • инфаркт миокарда;
  • кардиомиопатия.

Противопоказанием к суточному измерению ЭКГ считаются только острые воспалительные заболевания сердца. Во всех остальных случаях обследование не приносит вреда (и абсолютно безболезненно), в том числе при беременности, в детском и пожилом возрасте.

Процедура мониторинга сердца: порядок проведения

Многие пациенты интересуются, как проводится суточный мониторинг сердца, каким образом будет проходить установка прибора и нужно ли при этом проконсультироваться с доктором.

  1. Сначала нужно получить назначение врача. Должно быть четкое направление с целью исследования, а также рекомендации: например, следует ли отменить какие-либо принимаемые лекарства на время мониторирования.
  2. Перед обследованием советуют выспаться и начать день как обычно. Желательно принять душ, ничем не смазывая кожу после него. Если есть волосы на груди, следует их сбрить для лучшего контакта электродов с кожей и последующего безболезненного снятия. Одежду желательно надеть свободную, чтобы скрыть прибор и электроды и комфортно с ними ходить. Женщинам нежелательно надевать бюстгальтер с косточками.
  3. В процедурном кабинете медсестра прикрепляет клейкие одноразовые электроды на грудную клетку пациента спереди. Обычно их пять–семь штук, но число может доходить до 12. Иногда один электрод крепят ближе к паху. Сам аппарат находится в специальной сумке, ее можно повесить на шею, через плечо или на пояс.
  4. Включает регистратор тоже медсестра, и после этого прибор уже не нужно трогать до конца обследования. Иногда пациенту дают задание нажимать на кнопку в определенный момент, но это бывает не каждый раз.
  5. Суточный мониторинг сердца проводится не обязательно в течение суток. Продолжительность исследования определяется врачом. После истечения назначенного времени пациент снова приходит в процедурный кабинет, где с него снимают прибор и электроды, проверяют качество записи данных и отправляют их на расшифровку.
  6. При обследовании сотовый телефон не должен находиться в кармане, также запрещено подходить к электроприборам с излучением.

Что нельзя делать во время исследования?

Во время суточного мониторинга категорически запрещены любые водные процедуры (за исключением тех, при которых вода не касается оборудования).

Не стоит спать на животе, так как это может спровоцировать открепление электродов. Если они все же отклеились, следует вернуть их на место. В иных случаях не следует трогать электроды и нажимать какие-либо кнопки на аппарате без указания врача или медсестры.

Нужно записывать в дневник все действия согласно рекомендациям врача (сон, прием пищи, прием лекарств, изменения самочувствия и т. д.).

Если есть возможность, следует дать себе физическую нагрузку (обычно хождение по лестнице) с записью ее вида, длительности и самочувствия после нее.

Результаты обследования

Человеку, не являющемуся специалистом в функциональной диагностике, сложно разобраться, что показывает суточный мониторинг сердца. Данные, записанные на прибор, состоят из терминов, числовых значений, диаграмм и графиков. Поэтому пациенту следует предоставить врачу исследование данных и постановку диагноза, назначение лечения или дополнительных обследований. Расшифровка записей обычно отнимает несколько часов, так что в большинстве случаев пациента просят прийти на консультацию на следующий день.

Заключение врача позволит понять, есть ли у пациента признаки таких расстройств, как ишемия и аритмия, есть ли опасность для жизни и здоровья, нужна ли госпитализация или оперативное вмешательство. Необходимо подойти к обследованию серьезно и выполнять все указания специалиста, так как от этого зависит, удастся ли остановить развитие выявленных нарушений.

При соответствующем указании врача не стоит пренебрегать суточным мониторингом ЭКГ. Патологии сердца при их наличии лучше обнаружить заранее и начать лечение необходимо как можно скорее. Вреда такое обследование не нанесет — никаких ухудшений самочувствия у пациентов после холтеровского мониторирования не наблюдалось. Поэтому, если вам назначили суточный мониторинг ЭКГ, сразу узнайте, где его сделать, и начинайте приготовления к процедуре.

Пом­ни­те, что во вре­мя мо­ни­то­рин­га не­льзя про­хо­дить че­рез рам­ки ме­тал­ло­ис­ка­те­лей в мет­ро и дру­гих мес­тах, про­во­дить рент­ген или МРТ лю­бых ор­га­нов. УЗИ раз­ре­ше­но, если оно не за­тра­ги­ва­ет груд­ную клет­ку и не по­ме­ша­ет ра­бо­те кар­дио­ре­гист­ра­то­ра.

Читать еще:  Таблетки от головной боли при грудном вскармливании

Как работает пульсометр в носимой электронике

Различная носимая электроника для спортивного применения оснащается датчиками, отслеживающими активность человека. В их число могут входить акселерометр, шагомер, GPS-приемник, датчик положения, пульсометр и другие сенсоры. Если с акселерометром все более-менее понятно, шагомером и гироскопом тоже, а работа GPS основана на измерении временных изменений в скорости прохождения сигнал от спутников до устройства, то с датчиком сердечного ритма все не так просто. Многие не в курсе, как работает пульсометр и по какому принципу получает данные.

Как измеряют пульс различные приборы

Существует три базовых способа измерения частоты сердечных сокращений, регистрируемых с помощью пульса: механический, электрический и оптический. Первый применяется в обычных тонометрах, фиксирующих частоту перепадов давления (тех самых 120/80 для здорового человека), вызванных работой сердца. Электрический метод возможен благодаря тому, что в процессе сокращения сердечные мышцы вырабатывают микротоки. Он чаще всего используется в оборудовании для снятия ЭКГ и нагрудных датчиках измерения пульса.

Недостатком механического и электрического методов измерения пульса является потребность в плотном контакте датчика с телом. В первом случае сенсор должен прижиматься к коже в месте неглубокого залегания большого сосуда, во втором – находиться как можно ближе к сердцу. Поэтому для оборудования вроде фитнес-браслета или смарт-часов оба варианта не подходят. Браслет, без малейшего зазора зажатый на запястье, может ухудшать кровоток (что опасно), а снятие электрических импульсов требует использования выносного датчика.

Указанных недостатков лишен оптический пульсометр, которому нужно всего лишь иметь контакт с кожей, причем не обязательно плотный. Расположенный на нижней крышке часов или трекера, он не мешает пользователю, не оказывает влияния на кровоток, потребляет мало энергии и передает данные с достаточно высокой точностью. Поэтому именно оптические датчики сейчас используются наиболее широко.

Как работает оптический пульсометр

В основе работы оптического пульсометра, используемого в носимой электронике, лежит технология фотоплетизмографии. Такой сенсор состоит из светодиодов, испускающих свет, и датчиков, регистрирующих уровень его отражения.

Так как кровь человека имеет красный цвет (то есть, лучше всего отражает оптическое излучение, соответствующее красному), для лучшей точности необходимо использовать другой оттенок, хорошо поглощаемый ею. Таковым является зеленый, расположенный на спектральном круге напротив красного, а значит, хорошо поглощаемый кровью.

Кожа человека содержит множество тонких капилляров, наполненных кровью. В момент, когда сердце сокращается, давление крови повышается, она активнее поступает в сосуды, а значит, поглощает больше света. Датчик регистрирует это, и путем подсчета количества таких всплесков за минуту смарт-часы или фитнес-браслет определяют частоту сердечного ритма.

Плюсы и минусы пульсометра в смарт-часах и фитнес-трекерах

Достоинствами оптического пульсометра являются относительная простота устройства и невысокая цена, приемлемая точность срабатывания, отсутствие воздействия на организм. Однако есть у него и недостатки. Во-первых, при ношении браслета или часов с таким датчиком желательно соблюдать хороший контакт сенсора с телом.

Конечно, затягивать ремешок «до посинения» ни в коем случае нельзя, но и чрезмерного гуляния по запястью тоже следует избегать. Ведь в таком случае болтающийся на руке датчик может расценить приближение к коже на лишний миллиметр, как удар сердца, а в момент отдаления – пропустить настоящее сокращение. В итоге показатели, зафиксированные электроникой, могут отличаться от реальных не на пару-тройку ударов в минуту, а гораздо сильнее, тем самым снижая ценность полученных показаний.

Еще один минус оптических пульсометров – зависимость от реакции организма на холод. При охлаждении тела кровоток в капиллярах снижается, прибору становится гораздо труднее улавливать сокращения сердца. Поэтому если вы принадлежите к категории людей, у которых в прохладную погоду (даже при физических нагрузках) руки быстро светлеют и становятся холодными, оптический пульсометр может искажать данные, полученные в ходе осенних пробежек.

Наконец, третий недостаток пульсометров оптического типа – возможные погрешности при высокой частоте сердечного ритма. Если под большой нагрузкой пульс переваливает за 150-170 уд/мин – скорость кровотока становится слишком высокой. Моменты диастолического давления (нижнего, когда сердце расслабляется) длятся минимум времени и почти не отражаются на капиллярном кровотоке. В результате датчик не может распознавать эти моменты и начинает показывать «погоду на Марсе».

Заключение

Учитывая все приведенные достоинства и недостатки оптических пульсометров, используемых в современной носимой электронике, стоит сформировать несколько правил, способствующих получению наиболее точных результатов. Во-первых, не стоит слишком свободно застегивать ремешок часов или трекера, особенно если вы много двигаете руками.

Во-вторых, следует избегать переохлаждения запястья в холодную погоду. Для этого можно во время осенних пробежек носить одежду с рукавом, чтобы участок кожи с часами/браслетом был в тепле.

Наконец, третий совет – не перегружать сердце во время физической активности и доверяться не только «бездушной железяке», но и своим ощущениям. Если вы чувствуете, что сердце стучит как отбойный молоток, а прибор показывает безобидные 90 уд/мин – возможно, он не в силах уловить реальный ритм из-за слишком быстрого пульса.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector