Нужен ли вам беспроводной кардиодатчик для тренировок на дорожке? Как работает пульсометр в спортивных часах Плюсы оптического датчика Scosche по сравнению со встроенным в часы.

Если вы хотите лучше следить за своей общей физиологической способностью, необходимо внимательно отслеживать частоту сердечных сокращений. Как показала практика, наилучшим образом это можно сделать с помощью нагрудного монитора сердечного ритма. В нашем обзоре мы поможем вам выбрать лучший нагрудный пульсометр.

Пульсометр нагрудный и в спортивных часах/фитнес-браслете: в чем разница?

Трекеры для измерения пульса в нагрудных ремнях обеспечивают наиболее последовательное и точное считывание сердечных ударов, нежели спортивные часы на руке. Это благодаря более высокой частоте считывания и меньшему их колебанию на теле. Тем не менее, не все спортсмены считают ремень удобным, уж тем более, если пользователь не умеет . Больше всего он подойдет бегунам или велосипедистам, но не для фитнес залов. Некоторые пловцы используют нагрудный пульсометр, хотя есть замечания, что он сдавливает грудную клетку и приносит дискомфорт.

В настоящее время многие фитнес-браслеты и умные часы включают оптический датчик сердечного ритма. Вместо измерения электрических импульсов, как в случае с ремнем, он использует свет для чтения пульса кровотока через кожу. В то время как эти гаджеты более удобны, оптические сенсоры не так точны и не всегда являются лучшим выбором. Они не станут хорошим компаньоном для людей, которые участвуют в высокоинтенсивном интервальном тренинге и других тренировках, во время которых случаются резкие изменения в частоте сердечных сокращений.

Есть три группы ремней с пульсометрами: одна по беспроводной сети подключается к смартфону или ПК, а другая использует сочетание двух датчиков, которые общаются друг с другом. В данном случае, используется устройство на запястье — будь то спортивные часы или фитнес-браслет, — которое обеспечивает беспроводное соединение с нагрудным ремнем. Третья группа способна подключаться как к смартфонам и ПК, так и фитнес-браслетам и часам. Связь с периферийными устройствами осуществляется с помощью канала Bluetooth или ANT+.

Используя ремень первой группы, у спортсмена не будет немедленной обратной связи при работе с нагрудным пульсометром, поскольку он не имеет дисплея. Все данные из его памяти будут переданы на смартфон или ПК после тренировки. В противном случае, телефон придется брать с собой на пробежку.

Тренируясь с ремнем второй группы, есть возможность наблюдать сердечный ритм и другие данные прямо на экране часов во время занятий.

В любом случае, решать именно вам, какой вид предпочтительнее.

Топ 5 нагрудных пульсометров

Сегодня на рынке существует множество моделей ремней для точного отслеживания сердечного ритма. Мы предлагаем обзор нагрудных пульсометров, которые предоставляют самые точные данные ЧСС, по сравнению с фитнес-браслетами и спортивными умными часами.

Ремень Tickr X включает в себя датчик, который подсчитывает повторения во время силовой тренировки и записывает расширенные показатели упражнений, такие как вертикальные колебания тела и время контакта с землей во время бега, а также фиксирует скорость и расстояние. Любители велосипедов смогут оценить каденс при использовании приложения Wahoo Fitness.

Этот нагрудный ремень с пульсометром надежно отслеживает сердечный ритм во время тренировок и отправляет данные через ANT + и Bluetooth на любое устройство, которое у вас есть под рукой, будь то телефон на Android/iOS или какой-нибудь фитнес-трекер. Tickr X имеет встроенную память до 16 часов информации, которую вы можете просмотреть в приложении позже.

Устройство предоставляет обратную связь с пользователем с помощью двух небольших мигающих светодиодов, один из которых — красный — указывает на то, что ЧСС обнаружена, а другой — синий — оповещает о том, что Tickr X подключен к другому устройству.

Другим типом обратной связи является вибрация во время определенных действий пользователя. Например, когда трекер запрограммирован на запуск или остановку музыкального трека при касании к нему.

Fitness Tickr X не только позиционирует себя как пульсометр для бега с нагрудным датчиком, но и вполне подходит для любителей фитнеса. Он предлагает больше, чем любой другой нагрудный пульсометр из нашего списка, поэтому мы присвоили ему первое место в этом рейтинге.

Работа с большим количеством приложений
Водонепроницаемость
Обратная связь с пользователем
Есть Bluetooth и ANT+

На подключенном устройстве (спортивных часах или фитнес-браслете) можно просмотреть только данные ЧСС — другие показатели просматриваются лишь с помощью приложений
Непригоден для плавания

Разработанный специально для триатлетов, нагрудный пульсометр Garmin с маленьким и легким трекером регулируется для удобства как в воде, так и на суше. Этот ремень можно использовать не только пловцам, но и спортсменам в тренажерном зале в качестве традиционного монитора сердечного пульса. Трекер отправляет данные сердцебиения в реальном времени на сопряженные часы с помощью технологии беспроводной передачи ANT+ (вместо Bluetooth LE).

Когда вы плаваете, датчик сердечного ритма хранит до 20 ч информации о ЧСС, а затем, когда вы выходите из бассейна, он передает ее на подключенные часы Garmin. Это связано с тем, что сигналы ANT+ не могут проходить сквозь воду.

Нагрудный пульсометр HRM Tri совместим с такими моделями часов Garmin:

Кроме стандартных показателей сердечного ритма при беге, HRM Tri обеспечивает динамику движений, включая частоту шагов, вертикальное колебание тела и время контакта с землей (используя его с Epix, Fenix 3 и Forerunner 920 XT).

В бесплатном онлайн-сообществе Garmin Connect можно хранить данные, планировать свои тренировки и делиться результатами с другими пользователями. Вы можете просматривать подробные показатели плавания, включая графики сердечного ритма, скорость плавания, тип удара, картографирование и многое другое. А также отслеживать статистику активности: ежедневные шаги, расстояние и количество сожженных калорий.

Garmin HRM Tri — отличный нагрудный пульсометр для плавания, фитнеса, бега и езды на велосипеде с прочной конструкцией и точными показателями.

Водостойкость	5 АТМ (50 м)
Батарея	срок жизни 10 месяцев (три тренировки 1 час в день)
Цена	$129,99

Прочная конструкция
Подходит для плавания
Работает с часами Garmin

Дорогой
Только ANT + (нет Bluetooth LE)

Красивый и маленький нагрудный пульсометр Suunto Smart Belt прекрасно сочетается со спортивными часами Suunto AMBIT3 с использованием Bluetooth 4 Smart LE.

Главной чертой этого пульсометра для груди является то, что он не показывает информацию в реальном времени из-за отсутствия дисплея, а записывает все данные в память. Включить датчик пульса на ремешке можно с помощью приложения, доступное через смартфон или умные часы Suunto AMBIT3. Затем можно идти тренироваться: бегать, плавать, заниматься фитнесом. Точные данные о частоте сердечных сокращениях и сжигаемых калориях перейдут в программное обеспечение MOVESCOUNT для ведения журнала и последующего анализа. Выключить устройство необходимо также через ПО.

Поскольку пульсометр имеет технологию Bluetooth, он также будет работать с многими другими приложениями для фитнеса на iOS и Android.

Suunto Smart Belt — самый маленький Bluetooth Smart-совместимый датчик сердечного ритма на рынке, который измеряет сердечный ритм с большим комфортом и точностью.

Компактная удобная посадка
Предоставляет точные данные
Водонепроницаемый
Совместим как с iOS, так и Android
Работает с приложением-компаньоном на смартфоне

Со временем теряет эластичность, что приводит к плохому контакту с кожей, а в последствии — неточным данным
Плохо спроектированное и неудобное приложение MOVESCOUNT

Пульсометр нагрудного ремня Polar H10 имеет встроенную память, имея возможность хранить один тренировочный сеанс до 65 часов перед синхронизацией с телефоном. Включается датчик с помощью приложения в смартфоне, а затем по окончанию тренировки вы сможете просмотреть данные о своем сердечном ритме.

Отсутствие экрана на устройстве ремня не дает возможности обратной связи в реальном времени. Поэтому можно использовать его с совместимым оборудованием для тренажеров этой же компании, а также умными часами и велосипедными компьютерами Polar. H10 с помощью Bluetooth объединяется с большинством современных смартфонов (iOS, iPhone и Android) и работает с приложениями для занятий фитнесом.

Polar H10 не отслеживает сон, ежедневную активность и не считает шаги, однако в паре со спортивными часами Polar он намного улучшит чтение вашей производительности. А вместе с V800 вы можете получать данные о пульсе при плавании.

Компания известна хорошей работой своей продукции, поэтому нагрудный пульсометр Polar имеет отличную репутацию в плане надежности и точности показателей и почетное место в нашем рейтинге.

Водостойкость	3 АТМ (30 м)
Батарея	сменная (CR2025), 400 часов
Цена	$89

Комфортный при носке
Точные показания пульсометра
Хорошее время автономной работы
Водонепроницаемый
Работает со сторонними приложениями
Не требует использования смартфона
Передает данные о ЧСС в экшн-камеры GoPro Hero 4 и 5

Платные общие функции в собственном приложении
Высокая цена

Нагрудный датчик MZ-3 имеет уникальный подход к использованию данных о сердечном ритме. Он использует пульс для вознаграждения пользователя на основе индивидуальных уровней его усилий. По сути, вы получаете баллы, основанные на ударах по различным диапазонам сердечного ритма. Количество баллов увеличивается с ростом вашей интенсивности.

В приложении имеется статистика конкурентов, где можно сравнить свои очки с друзьями и знакомыми. Этот игровой подход может применяться к любому упражнению, будь вы гребцом, бегуном или велосипедистом.

Включается трекер в том случае, когда обнаруживает контакт с кожей. Здесь не будет проблем с разрядкой батареи, если вы забудете отключить пульсометр через приложение в смартфоне, как в других нагрудных ремнях. Но есть риск запустить пульсометр, держа его просто в ладони. В этом случае устройство при включении и выключении подает характерный звуковой сигнал, чтобы оповестить пользователя.

Поскольку MZ-3 отслеживает ваш сердечный ритм, а не движения или шаги, он может быть в значительной степени применен к любому виду спорта — даже плаванию, так как он водонепроницаем до 5 АТМ. Датчик MZ-3 поддерживает ANT+, что позволяет ему работать со сторонними приложениями, такими как Strava или MapMyFitness, давая возможность передавать в них данные пульса и маршруты GPS во время бега или езды на велосипеде. Есть также спортивные часы MyZone MZ-50, которые можно спаривать с ремешком, чтобы обеспечить живую статистику во время тренировок.

Если вам нужна мотивация, а также точный показатель того, как много вы прикладываете усилий, мы рекомендуем MyZone MZ-3. Усилия вознаграждаются. Это делает MyZone MZ-3 надежным выбором для всех, начиная от фитнес-новичков и заканчивая профессионалами.

Водостойкость	5 АТМ (50 м)
Батарея	7 месяцев
Цена	$130

Конкурентный элемент платформы MyZone мотивирует и стимулирует
Точные показания ЧСС
Мультиспортивная универсальность
Длительное время автономной работы

Не всегда очевидно, что трекер включен
Может сползать во время плавания и интенсивных тренировок
Родное приложение нуждается в дополнительных функциях
Высокая цена

Большинство мониторов сердечного ритма используют перезаряжаемые аккумуляторы. Однако некоторые используют батареи размером с батарейку в часах, которые иногда требуют замены.
Не все мониторы сердечного ритма являются водонепроницаемыми. Если вы хотите поплавать с помощью нагрудного ремня, выберите тот, который рассчитан на занятия в воде.
Чтобы очистить экран монитора и датчики сердечного ритма, аккуратно протрите их мягкой тканью. Для избавления от сильных пятен сначала слегка смочите ткань.
Для чистки ремней используйте теплую мыльную воду. Высушите ремни на воздухе под солнцем.

Сравнительная таблица характеристик

Для мобильных используйте горизонтальную прокрутку таблицы


Батарея	Сменный аккумулятор CR2032	Сменный аккумулятор CR2032	Сменный аккумулятор CR2025	Сменный аккумулятор CR2032	USB, литиевый аккумулятор
Срок службы батареи	До 12 месяцев	10 месяцев (три тренировки 1 час в день)	До 500 часов	До 400 ч	7 месяцев автономной работы от заряда
Водостойкость	IPX7 (водонепроницаемый до 10 АТМ)	5 АТМ (50 м)	3 АТМ (30 м)	3 АТМ (30 м)
Датчик		Датчик сердечного ритма, акселерометр	Датчик сердечного ритма	Датчик сердечного ритма	Датчик сердечного ритма
Связь	Bluetooth 4.0 и ANT + (двухдиапазонная технология)	ANT +	Bluetooth	Bluetooth (поддерживает одновременные подключения)	Bluetooth, ANT +
Внутреннее хранилище		Да	Да. До 3 часов данных тренировки	Да	Да. До 16 часов данных тренировки
Частота сердцебиения	Да	Да	Да	Да	Да
Изменчивость сердечного ритма	Нет	Да	Нет	Нет	Нет
Отслеживание	Калории, вертикальное колебание и время контакта с землей	Каденция, длина шага, время контакта с землей, баланс времени контакта с землей, вертикальное колебание и вертикальное соотношение	Данные о сердечном ритме в реальном времени и сжигаемых калориях	Следит за частотой сердечных сокращений с несколькими целевыми зонами, а также сжигаемыми калориями, сделанными шагами и расстоянием	Контролирует частоту сердечных сокращений, калории и время
Статистика плавания	Сердечный ритм	Сердечный ритм	Частота сердцебиения	Передаёт информацию о частоте сердечных сокращений во время плавания на устройства, поддерживающие передачу 5 кГц	Нет
Особенности	Работает с такими приложениями, как RunFit 7-минутная тренировка и многое другое Отслеживает каденс во время езду на велосипеде в паре с приложением Wahoo Fitness	Специально разработан для триатлетов		Совместимость с крытым тренажерным залом Подключение GoPro Дает возможность выбрать свое любимое занятие из более 100 спортивных профилей и получить голосовое руководство в режиме реального времени во время тренировки	Живое отображение данных через мобильное приложение, часы или тренажеры в спортзале Интернет-журнал с настройкой цели, биометрическими данными, задачами, статусом и социальными каналами

Помните: если у вас есть какие-либо опасения по поводу вашего здоровья или уровня физической подготовки, проконсультируйтесь с вашим врачом. И всегда полезно проконсультироваться с персональным тренером при разработке упражнений и целей. Берегите себя.

В этом уроке мы разберём, как подключить датчик пульса к Arduino и измерять сердечный ритм. Для работы воспользуемся оптическим датчиком Pulse Sensor.

Принцип работы датчика пульса

Датчик импульсов, с которым мы будем работать, представляет собой, фотоплетизмограф, который является хорошо известным медицинским устройством, используемым для мониторинга сердечного ритма.

Фотоплетизмограмма - метод регистрации кровяного потока с использованием источника инфракрасного или светового излучения и фоторезистора или фототранзистора.

Фоторезистор меняет сопротивление в зависимости от количества поглощённого света. Чем больше кровяной поток, тем меньше света поглощается в тканях организма, следовательно, больше света приходит на фоторезистор.

Фотоплетизмограмма позволяет измерять объёмный пульс крови, вызванный периодическим изменением кровяного объёма при каждом ударе сердца, частоту сердцебиения, вариабельность сердечного ритма.

Принцип действия фотоплетизмограммы:

Сигнал сердечного пульса, который выходит из фотоплетизмографа имеет форму волны.

ЭКГ — сверху, ФПГ — снизу

Импульсный датчик Pulse Sensor реагирует на относительные изменения интенсивности света. Если количество света, падающего на датчик, остается постоянным, значение сигнала останется на (или близко к) 512 (средняя точка 10-разрядного диапазона АЦП Arduino). Больше света и сигнал поднимается. Меньше света — падает.

Подключение датчика к Ардуино

Для соединения с микроконтроллером у Pulse Sensor имеется три вывода. Подключаем их к Ардуино по следующей схеме:

Pulse Sensor	GND	VCC	OUT
Arduino Uno	GND	+5V	A0

Принципиальная схема:

Внешний вид макета:

Программа:

Для того, чтобы наша Ардуино подружилась с датчиком пульса, нужно установить PulseSensor Playground Library.

Заходим в меню Эскиз > Include Library > Manage Library, вбиваем в поиске PulseSensor и устанавливаем последнюю версию среди найденных результатов.

После того, как библиотека успешно установилась, выбираем в меню Файл > Образцы > PulseSensor Playground > GettingStartedProject.

Листинг нашей программы:

int Signal;

void setup(){
pinMode(LED13, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}

void loop(){
Serial.println(Signal);
if (Signal > Threshold){
} else {
digitalWrite(LED13, LOW);
}
delay(10);
}

Компилируем проект и прошиваем в Ардуино.

В результате мы должны увидеть мигающий диод в такт нашему пульсу, когда подносим руку или палец к датчику пульса.

Аппарат для наблюдения сердечного ритма

Теперь немного усложним нашу схему и сделаем аналог прибора, который используют в больницах, чтобы отслеживать пульс пациента. Для этого добавим зуммер и светодиод, о которых рассказывалось в предыдущих уроках ( и ). Принцип действия нашего устройства будет следующим: при подключении датчика пульса должны срабатывать световой и звуковой сигналы в такт сердцебиению, при отсутствии пульса звучит непрерывный сигнал с зуммера.

Примерный вид модели прибора:

График пульса, полученный по показаниям с нашего прибора:

Прибор в действии:

Листинг программы:

Int PulseSensorPurplePin = 0; // выход Ардуино А0
int LED13 = 13; // светодиод на плате
int Signal;
int Threshold = 550; // значение для данных сенсора, после которого подаётся сигнал
const byte dynPin = 2; // зуммер

void setup() {
pinMode(LED13, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
pinMode(dynPin, OUTPUT);
}

void loop(){
Signal = analogRead(PulseSensorPurplePin); // чтение данных с сенсора
Serial.println(Signal);
if (Signal > Threshold){
digitalWrite(LED13, HIGH); // если значение выше "550", то сигнал на светодиод
digitalWrite(dynPin, HIGH); // если значение выше "550", то включение зуммера
} else {
digitalWrite(LED13, LOW);
digitalWrite(dynPin, LOW);
}
delay(10);
}

Следует отметить, что значение для данных сенсора (переменная Threshold) равно 550 в нашем примере, но оно может изменяться при использовании прибора разными людьми.

По многочисленным просьбам читателей нашего блога, в дополнение к материалам по самостоятельной сборке электрокардиографа , публикуем все необходимое для сборки пульсометра. Измерять ЧСС будем оптическим методом "на отражение". В качестве датчика используется светодиод и фотоприемник, монтируемые в корпус прибора. Вы же можете сделать свой датчик любой другой конструкции (например, датчик "на просвет" из бельевой прищепки). Вашему вниманию представляем первую публичную (на самом деле - восьмую опытную) версию устройства "Pulse Lite" .

Уважаемые радиолюбители, обращаю ваше внимание, что фотоплетизмограф - устройство сложное , в котором при сборке можно наделать массу ошибок, и с "двух пинков" оно не заведется. Если вы собираетесь собирать устройство из того, что у вас есть под рукой, заменяя приведенные на принципиальной схеме детали и номиналы, учтите, что, скорее всего, устройство работать не будет. Даже домашний кардиограф "ECG Lite" в этом плане намного менее привередлив. Не следует потом пенять на разработчиков за потраченное впустую время, текстолит и радиодетали. Если Вам нужен пульсометр из парочки усилителей, светодиода и фотоприемника, используйте другие схемы, .

Первые трудности

Пару слов о том, почему фотоплетизмограф намного сложнее, чем кардиограф, с точки зрения схемотехники.

Вспомним, что электрокардиограф регистрирует электрические потенциалы, наводимые электрической активностью сердечной мышцы на теле. Эти самые бипотенциалы не имеют сильных отличий у разных людей, и в норме амплитуда сигнала (от конечностей) составляет 1 ± 0,2 мВ.

Пульсограф регистрирует сигналы оптическим методом - фотоприемник регистрирует изменение интенсивности света (в качестве источника выступает светодиод), прошедшего через палец (или рассеянного им - для датчика "на отражение"), вызванное насосной работой нашего сердца - периодическим увеличением кровенаполнения тканей.

Казалось бы, ничего сложного, если бы не два главных "НО" . Кровенаполнение, эластичность сосудов, давление и, самое главное, - толщина кожного покрова у людей отличаются чрезвычайно сильно . Это приводит к тому, что уровень постоянной засветки фотоприемника (на который влияет наша кожа и размер пальцев) и уровень переменной составляющей (давление, сосуды, состояние кровоснабжения в конечностях и проч.) отличаются у разных людей в сотни раз.

Для создания пульсографа нужны цепи формирования сигнала (драйвер) источника света, сложные инфра-низкочастотные усилители (ЭКГ - более высокочастотный сигнал), цепи, подавляющие помехи от постоянной засветки сторонних источников; а также хитрые цепи автоматической регулировки усиления.
Можете, для интереса, сравнить цены профессиональных кардиографов и пульсоксиметров (последние - намного дороже).
Надеюсь, мы вас достаточно напугали 🙂 , чтобы пропало желание собрать фотоплетизмограф самому. Не пропало? Тогда читайте дальше.

Характеристики прибора

Если вы все сделали правильно - без ошибок в плате и изменений схемы и без бракованных деталей, то на выходе вы получите устройство, которое порадует Вас следующими фичами:

регистрирует пульсовую волну датчиком, состоящим из светодиода и фотоприемника (можно делать датчик на просвет или на отражение);
передает сигнал в ПК по USB, а ПО для ПК умеет немало:
вычисляет мгновенную ЧСС;
выполняет контурный анализ пульсовой волны и анализ вариабельности сердечного ритма;
записывает фотоплетизмограмму любой длительности в файл;
выполняет автоматизированную диагностику (база диагнозов настраивается);
выводит на печать результаты исследований.

Ограничения данного компьютерного пульсографа:

не работает с прищепками Nellcor и ушными клипсами с Aliexpress!
не работает с последней версией программы Pulse Lite Control!
не измеряет оксигенацию!

Еще раз повторюсь: схема, плата и прошивка пульсометра - первой хорошо отлаженной версии фотоплетизмографа "Pulse Lite" , поэтому с прищепкой Nellcor не работает, с последней версией ПО тоже не работает. "Открывать" последнюю версию пульсографа Pulse Lite не планируем.

Все для самостоятельного изготовления

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.

Хитрости при построении схемных решений

Автор этих строк предполагает, что вы уже скачали и увидели электрическую схему фотоплетизмографа. Если вы читаете дальше, значит, желание сделать прибор все еще не пропало, и это не может не радовать 🙂 . Только таким упорным читателям мы и откроем главные тайны создания нашего девайса. Итак, чтобы принципиальная схема фотоплетизмографа стала более понятной, проясним самые важные технические решения и причины, побудившие внедрить таковые в наш прибор.

Одна из проблем фотоплетизмографии уже была нами озвучена - это чувствительность прибора к засветкам сторонних источников, влияние которых очень сложно исключить столь очевидным применением фильтрующих цепей, потому что полезный сигнал лежит в том же диапазоне частот, что и НЧ помехи (от долей до десятков Герц). Для усиления полезного сигнала (фотоплетизмограммы) было принято решение использовать принцип модуляции - демодуляции, который заключается в следующем:

Переносим полезный сигнал в область высоких частот. Для этого светодиод питается не постоянным током, а переменным, частотой 5 кГц. Таким образом формируется несущий сигнал высокой частоты. При прохождении через палец интенсивность света (пульсирующего с частотой 5 кГц) меняется из-за периодических колебаний кровенаполнения. Следовательно, на фотодетектор попадает ВЧ сигнал, промодулированный по амплитуде полезным сигналом фотоплетизмограммы.
Далее вполне безопасно и относительно просто выполняем фильтрацию низкочастотных помех, обусловленных сторонней засветкой, поскольку спектр полезного сигнала лежит в ВЧ диапазоне (5 кГц).
Усиливаем ВЧ сигнал классическими усилителями на дешевых операционниках.
Выполняем амплитудное детектирование для извлечения полезного низкочастотного сигнала (огибающей).
Фильтруем и усиливаем сигнал низкой частоты.

Проблему №2 (разное кровенаполнение, толщина кожных покровов и прочее) решали реализацией автоматической регулировки коэффициента усиления высокочастотного и низкочастотного усилительных каскадов.

Собственно говоря, это все хитрости, которые, с одной стороны, усложнили схему до безобразия, с другой - сделали возможным создание фотоплетизмографа, который стабильно регистрирует пульсовую волну не только у пациента, который его разрабатывал, а у всех желающих, и который построен на базе недорогих электронных комплектующих, доступных в каждом уважающем себя магазине радиодеталей.

Поясняем схемотехнику

Теперь перейдем к подробностям. Питание фотоплетизмограф получает от ПК по кабелю USB. Гальваническая развязка прибора с ПК не реализована, поскольку при регистрации пульса электрического контакта с пациентом нет. Повышающий импульсный преобразовать питания на базе boost-контроллера NCP1406, выход которого подключен к удвоителю напряжения со средней точкой, подключенной к общему проводу GND, обеспечивает двуполярное питание ± 4В для усилительного тракта, генератора и драйвера светодиода. Питание контроллера обеспечивается отдельно от всей аналоговой части линейным стабилизатором на 3,3В NCP1117ST33T3G, поскольку для работы устройства с ПК по USB (прибор работает как HID-совместимое устройство) на линиях контроллера D+ и D- уровни не должны превышать 3,3В. Можно, конечно, поставить на линиях D+ и D- стабилитроны на 3,3В, сбрасывающие лишнее напряжение, но это приводит к лишнему потреблению, да и сама по себе развязка цепей питания аналоговой и цифровой части - это всегда плюс.

Генератор на базе микросхемы ОУ TL072 (каскад DA1:A) формирует синусоидальный сигнал, драйвер питания светодиода (DA1:B) обеспечивает электрический ток через светодиод, сила которого пропорциональна выходному напряжению генератора. Вместе генератор и драйвер обеспечивают пульсирующее излучение светодиода X1 с частотой 5 кГц и минимальными высшими гармониками. Питание светодиода прямоугольными импульсами приводит к значительному искажению полезного сигнала высшими гармониками после детектирования, поэтому и питаем светодиод синусом.

Фотодиод включен в режиме фотогальванического элемента (без внешнего обратного напряжения), R29 - нагрузочный резистор, который позволяет увеличить быстродействие датчика при таком включении. Конденсаторы C29 и C36 позволяют убрать постоянную составляющую сигнала, которая вызвана сторонними засветками. После первого ВЧ каскада усиления установлен регулируемый микроконтроллером резистивный делитель (на цифровом потенциометре MCP41010, управляемом по интерфейсу SPI).
Поскольку питание MCP41010 однополярное (+4В), ВЧ сигнал смещаем на половину питания (R35-R37). После ослабления сигнала делителем (с заданным контроллером ATMega уровнем ослабления) постоянное смещение убираем конденсатором C31, а ВЧ сигнал подаем на вход ВЧ усилителя с частотно-избирательными цепями в обратной связи (с максимумом усиления на 5 кГц) и далее на амплитудный детектор VD7-R28-C28 для извлечения полезного сигнала ФПГ (демодуляции).

Уровень ослабления сигнала резистивным делителем в ВЧ тракте подбирается исходя из величины постоянной составляющей, измеряемой АЦП контроллера на выходе детектора ADC_AMP.

После амплитудного детектирования полезный сигнал поступает на повторитель на ОУ, который служит для согласования сопротивлений, и усилитель низкой частоты на составном транзисторе VT1-VT2. Схема Дарлингтона позволяет получить минимальный уровень инфранизкочастотных шумов при высоком усилении НЧ сигнала. После усилительного НЧ каскада сигнал подается на цифровой потенциометр MCP41010 и последний каскад усиления DA2:A. Уровень ослабления сигнала потенциометром подбирается исходя из размаха сигнала, измеряемого на входе АЦП контроллера ADC_IN.

Цифровая часть фотоплетизмографа построена на базе микроконтроллера семейства AVR ATMega48. Контроллер осуществляет автоматическую регулировку усиления высокочастотных и низкочастотных каскадов, измеряет сигналы на каналах АЦП (постоянная составляющая ФПГ после демодуляции ADC_AMP и усиленный сигнал пульсограммы ADC_IN).

Итог - схема фотоплетизмографа далека от тривиальной. В ней нет лишних деталей и электрических соединений. Если вы собираетесь использоваться нашу прошивку пульсометра и нашу программу для ПК, ничего не меняйте в схеме. Если вам нужны только идеи, а реализовать собираетесь свой девайс со своей программной частью - набивайте себе шишки экспериментируйте на здоровье!

Программирование микроконтроллера

Программируется контроллер через разъем для внутрисхемного программирования X3 по интерфейсу SPI c помощью программатора STK-500, ucGoZillla , USBtiny или др. Для прошивки контроллера вам также потребуется среда Atmel AVR Studio, которую можно скачать на официальном сайте Microchip .

При программировании микроконтроллера настройки установите согласно скриншотам ниже (внимательно отнеситесь к данному пункту, дабы не превратить контроллер в "кирпич").

Что можно

Использовать схему (или ее части) в любых Ваших проектах (в том числе коммерческих).
Собирать компьютерный фотоплетизмограф для себя и своих близких, для научных экспериментов и других благих целей.
Написать в комментариях на сайте о проблемах или успехах в сборке прибора.
Сообщить в комментариях о неясностях, неточностях, о неполноте материалов по сборке фотоплетизмографа.
Сообщить в комментариях на сайте о возможных ошибках в материалах по сборке пульсографа.
Предлагать в комментариях более разумные технические решения для задач регистрации пульсовой волны.
Делиться информацией о сборке прибора на тематических блогах, форумах со ссылкой на первоисточник.
Оставлять ссылку на наш сайт в качестве благодарности авторам проекта.

Что нельзя

Просить исходные коды прошивки и программы для ПК 🙂 .
Требовать от нас написать дополнительные материалы любого содержания на тему компьютерного фотоплетизмографа (техническое задание, бизнес-план, диплом, паспорт на изделие и т.д.).
Просить разместить открытые материалы по сборке последней версии компьютерного фотоплетизмографа "Pulse Lite".
Менять схему пульсографа по своему усмотрению, а потом ругать разработчиков за неработающий результат.
Критиковать схемные решения без весомых аргументов и разумных предложений.

В Интернете вы без большого труда найдете более простые и дешевые схемы датчиков пульса. Наш прибор не для тех, кому просто захотелось "скоротать вечерок за паяльником и поиграть с ЧСС". Здесь мы опубликовали схему нашего восьмого по счету опытного образца фотоплетизмографа, поэтому можем с уверенностью сказать - данный прибор позволит вам зарегистрировать пульсовую волну с минимальным уровнем шума у абсолютного большинства людей. Вам не придется крутить ручки подстроечных резисторов, чтобы увидеть на экране пульс. По форме пульсовой волны вы сможете посчитать индексы жесткости и отражения, а не только мгновенную ЧСС (тем более, что программа всё сделает для вас). Данный прибор - не китайская игрушка, с "недопиленным" ПО и глюкавой прошивкой, и не поделка, сделанная навесным монтажом из "старого распая". Это полноценный компьютерный фотоплетизмограф, который может стать надежным помощником в вопросах объективного контроля вашего здоровья.

Спасибо за внимание к нашим разработкам и всем успехов в сборке вашего домашнего пульсографа!

пульсометр схема фотоплетизмограф схема пульсоксиметр своими руками пульсометр своими руками схема фотоплетизмографа купить фотоплетизмограф купить ведапульс схема элдар датчик пульса самому датчик пульса схема

А вы знали, что от бега бывают шрамы? Причем на грудной клетке. Конечно, не от самого бега, а от нагрудного пульсометра. Зачем нужны тренировки по пульсу, можно прочитать в .

Мне не повезло иметь конструкцию, при которой лента натирает, особенно на длинных дистанциях. Длительная тренировка около 30 км с пульсометром - гарантированные кровь-кишки натертости, боль в процессе и долго заживающие шрамы. Пробовала менять ленты, надевать ленту чуть выше и ниже, затягивать сильнее и слабее - безрезультатно. К тому же, нагрудный датчик пульса нужно регулярно стирать и менять в нем батарейку. Иначе он начинает бредить, часто в самый ответственный момент.

Все это изрядно раздражает, поэтому я давно хотела попробовать альтернативный вариант - оптический пульсометр . Выбор пал в пользу устройства Scosche Rhythm+ , которое мне удачно подарили на день рождения 😉 Что из этого получилось, читайте ниже. Осторожно: много графиков!

Как работает нагрудный датчик пульса

Нагрудный датчик пульса , он же нагрудный кардиомонитор (HRM strap, HRM band) - это эластичный ремень с двумя электродами в виде полосок из проводящего материала и кардиопередатчиком. Технология его работы построена на таком явлении как электрическая активность сердца, обнаруженном в конце 19 века.

Датчик крепится на груди, электроды увлажняются водой или специальным гелем для лучшей проводимости. В момент сокращения сердечной мышцы на коже регистрируется разность потенциалов - таким образом происходит измерение частоты пульса. С датчика информация по беспроводной технологии непрерывно передается на принимающее устройство: часы, велокомпьютер, фитнес-браслет, смартфон и т.п.

Как работает оптический датчик пульса

Оптический датчик пульса с помощью светодиодов просвечивает кожный покров мощным пучком света. Затем происходит измерение отраженного количества света, рассеянного кровотоком. Технология строится на том, что рассеивание света в тканях происходит определенным образом в зависимости от динамики кровотока в капиллярах, что позволяет отследить изменения пульса.

Оптические датчики требовательны к плотному прилеганию к коже (не работают через одежду) и расположению. Их работа построена на определении кровотока в тканях, поэтому чем больше тканей доступно для считывания, тем лучше.

Нагрудный и оптический датчик пульса для бегуна: сравним?

Почему Scosche RHYTHM+, а не встроенный в спортивные часы датчик пульса?

Самый очевидный вариант при выборе оптического пульсометра - купить спортивные часы со встроенным датчиком. Большинство относительно новых моделей часов известных производителей уже включают в себя эту опцию. На первый взгляд, удобно: все в одном, не нужно отдельно заряжать и надевать на себя еще одно устройство.

Но если присмотреться, то такой вариант имеет свои подводные камни. Первым из них для меня стало то, что оптический пульсометр должен плотно прилегать к коже, через ткань, даже самую тонкую, он не работает.

Мои основные тренировки обычно приходятся на конец осени и зиму - подготовка к весеннему марафону. К жаре адаптируюсь плохо, летом бегаю больше для поддержания, а прогресс и улучшение формы удается получить только по холодной погоде.

Часы при этом всегда ношу поверх рукава лонгслива или ветровки. Задирать рукав каждый раз, чтобы посмотреть на показания пульса и темпа - вообще не вариант. Особенно это касается бега на ПАНО, где пульс должен попадать в достаточно узкий коридор и его нужно все время контролировать, чтобы не ускакал выше.

Вторая причина, почему мне не подходит встроенный в часы датчик, обнаружилась уже во время тестирования, о ней ниже.

Оптический датчик пульса Scosche RHYTHM+: краткий обзор

Полное название устройства: Scosche RHYTHM+ Dual ANT+/Bluetooth Smart Optical HR .

Было выпущено в 2014 году. До сих пор считается одной из самых удачных и точных моделей среди оптических датчиков пульса. Подробнее можно почитать в мега-основательном обзоре на сайте Рэя , который DCRainmaker.

Так выглядит Scosche RHYTHM+, просто и с минимумом наворотов

Scosche RHYTHM+ — отдельное устройство в виде браслета с оптическим датчиком, которое надевается на руку и передает показания на любой гаджет, поддерживающий технологию ANT+ или Bluetooth Smart. Фактически это все современные спортивные часы, смартфоны (iPhone 4s и выше, Android 4.3 и выше) и другие устройства. Также работает с любыми приложениями, поддерживающими измерение пульса. Короче, полностью универсальная штука.

Scosche RHYTHM+ имеет три оптических сенсора

В комплекте к датчику идет USB зарядка, заявленное время работы 7-8 часов . Минус: индикация уровня заряда отсутствует. Я вышла из положения, просто ставя Scosche на зарядку после каждой тренировки.

Scosche RHYTHM+ на USB зарядке

По характеру Scosche - типичный интроверт. Все взаимодействие с внешней средой происходит при помощи единственного огонька, который во время зарядки устройства изредка мигает красным, во включенном состоянии — красным и синим, при выключении - снова красным, но чаще. Кнопка тоже одна, для включения достаточно просто нажать ее, для выключения - нажать и подержать. Другая коммуникация с устройством не предусмотрена, любители минимализма и голой функциональности оценят.

Размер браслета датчика регулируется при помощи липучек

Тестирование оптического датчика пульса Scosche RHYTHM+

Чтобы оценить точность оптического датчика по сравнению с нагрудным, я пошла самым простым путем: нацепила на себя двое часов, оба датчика и отправилась на пробежку. Scosche передавал показания пульса на Garmin 920XT, нагрудный датчик - на старый заклеенный изолентой заслуженный Garmin Forerunner 410.

Набор юного исследователя: часы 2 шт, датчики пульса 2 шт

В результате со всех тренировок было получено по два графика пульса - по версии каждого из датчиков. Затем для наглядного сравнения графики были наложены друг на друга. Подразумеваем, что показатели нагрудного пульсометра условно точны. Хотя с ним тоже не все так однозначно, как можно убедиться на одном из примеров ниже.

Почувствуй себя гиком. Весь январь бегала с двумя часами

За месяц были получены данные с разных типов тренировок :

трусца на низком пульсе
легкий бег на уровне аэробного порога (АП), в том числе с короткими ускорениями по 20-30 секунд (страйдами)
бег в марафонском темпе
темповый бег на уровне анаэробного порога (ПАНО)
МПК-интервалы по 1 км
повторы по 400 м

Посмотрим, что получилось.

Часть 1, неудачная

Если сидеть, стоять или ходить, то показания Scosche и нагрудного пульсометра совпадают практически полностью, отклонение не более одного удара (оптический датчик чуть запаздывает).

Пока не бежишь, датчики меряют одинаково

Попытка №1: легкий бег на аэробном пороге

Расположение по инструкции

На первую тестовую тренировку я надела только оптический датчик, т.к. уже пару раз успела с ним побегать, показания были вменяемые, подставы не ожидала.

Почти сразу начались глюки, но через пару километров вроде бы все устаканилось. Ровный бег на 150-154 по ровному Труханову, пробежала около 8 км, и тут бах! пульс подпрыгивает под 180 и не снижается. Задумалась, бежать в больницу или вызывать скорую на место. Для справки: до 180+ мое сердце удается разогнать только на интервалах по 1 км, ну или на финишном ускорении на соревнованиях. И это явно не медитативный бег и единение с природой, а счет выдохов, чтобы отвлечь мозг и дотерпеть последние несколько сот метров.

Показания оптического датчика при беге на АП, расположение по инструкции

На графике видно, что я 3 раза останавливалась, пыталась как-то поправить датчик, но безуспешно. Дальше бежала по темпу, пульс колебался от 175 до 180 . Почему именно эти устрашающие цифры? А потому, что примерно такой у меня каденс . Видимо, из-за неудачного (в моем случае) расположения при движениях рукой на датчик как-то хитро попадает свет, и он считает эти колебания вместо пульса.

Вывод: размещение датчика по инструкции мне не подходит.

Попытка №2: трусца

Расположение датчика: на запястье - как у встроенного в спортивных часах

Расположение как в часах, плотная фиксация с помощью подручных материалов

Результат еще печальнее, правильных показаний не было вообще, сплошной каденс. На графике пульса с нагрудного датчика (синем) все четко: видны подъемы и спуски с лестниц, остановка на светофоре.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при трусце, расположение на запястье

Уже позже прочитала, что часы со встроенным датчиком рекомендуют надевать чуть выше, чем обычно, чтобы для считывания было доступно больше тканей. В моем случае это не помогает: и там, и там дефицит мягких тканей, одна кожа и кости 🙂

Вывод: размещение датчика на запястье (и часы со встроенным оптическим датчиком) мне не подходит.

Попытка №3: разминка / темповая работа на ПАНО 5 + 3 + 3 км / заминка

Расположение датчика: на бицепсе, с внутренней стороны. Подсмотрела такой вариант у Рэя (ссылка на его обзор выше), у него он работает. У меня - снова безобразие.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при работе на ПАНО, расположение на внутренней стороне бицепса

Попытка №4: снова трусца

Расположение датчика: немного выше локтя, сбоку (спереди)

Местами Scosche даже работал правильно, но не удержался, чтобы не изобразить на графике темповую тренировку.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при трусце, расположение выше локтя спереди

Здесь я задолбалась расстроилась и нажаловалась в фейсбуке на все эти продвинутые технологии. Автор подарка, который сам бегает с таким же пульсометром уже больше года, подсказал, что надевает его так, чтобы датчик располагался на внешней стороне бицепса. Ладно, еще одна попытка. И вуаля! Это помогло.

Часть 2, удачная

Расположение оптического датчика, которое у меня работает

Попытка №5: еще одна трусца

Расположение датчика: с внешней стороны бицепса

Идеальное совпадение графиков, включая отработку лестниц и переходов

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при трусце, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №6: темповая на ПАНО 5 + 3 + 3 + 1 км

Расположение датчика: там же

У нагрудного пульсометра получился чуть более сглаженный график, но все средние показатели на км совпадают.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при темповой работе на ПАНО, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №7: легкий бег на АП + 6 коротких ускорений по 20-30 сек.

Расположение датчика: там же

Единственное различие в том, что оптический показывает более высокий пульс на страйдах. Кто из них прав, не знаю, но это не принципиально — для коротких ускорений пульс абсолютно не важен.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при беге на АП с короткими ускорениями, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №8: интервалы 5х1км + повторы 4х400м

Расположение датчика: там же

На интервалах график с показателями оптического пульсометра чуть более «забористый», и есть небольшие запаздывания. Впрочем, отклонения мелкие, и на общую картину никак не влияют.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при интервалах 5х1км, расположение с внешней стороны бицепса

А вот на повторах несовпадение графиков уже серьезнее, хотя, как и в случае с короткими ускорениями, по пульсу их никто не бегает.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при повторах 4х400м, расположение с внешней стороны бицепса

Попытка №9: разминка / 13 + 5 км в марафонском темпе / заминка

Расположение датчика: там же

Здесь редкий случай - глюк нагрудного датчика . Его видно в начале синего графика, где пульс на разминке улетает на 180.

Как уже упоминалось, электроды нагрудного датчика для лучшей электропроводимости нужно смачивать - либо специальным гелем, либо водой. Лично я на них чаще всего просто плюю (пардон за натурализм), надеваю ленту и почти сразу выхожу на тренировку. Если не смочить электроды заранее, то поначалу пульсометр может глючить, но потом они увлажнятся естественным образом - с помощью пота.

Алгоритм был нарушен: в уже полностью одетом виде меня застал телефонный звонок, и выйти получилось только минут через 15. Лента высохла, да и на улице самоувлажняться не спешила из-за холода. Там видно еще одну остановку в самом начале М-темпа - тоже из-за телефона. При более высокой интенсивности процессы пошли быстрее, и нагрудный датчик пришел в чувство.

Еще был непонятный прыжок пульса по версии оптики во время легкого бега между работами - причину не нашла.

Показания оптического (красный график) и нагрудного датчиков (синий) при М-темпе, расположение с внешней стороны бицепса

Пожалуй, на этом с графиками пора завязывать.

С тех пор я полностью перешла на Scosche и попрощалась со шрамами. С подобранным местом расположения оптического датчика его показатели достаточно точны для моих целей, никаких заметных глюков больше не наблюдалось. Надеюсь скоро пробежать с ним марафон и наконец-то узнать, с каким пульсом я это делаю (до этого ни разу не бегала 42 км с пульсометром по понятным причинам).

Плюсы/минусы оптического датчика по сравнению с нагрудным

Удобство: не натирает, не сползает, не мешает

В нем не разряжается батарейка, что случается редко, но в самый неподходящий момент

Его не нужно стирать, в отличие от нагрудного, который в просоленном состоянии может показывать некорректные данные (при активных тренировках стираю ленту раз в неделю)

Его не нужно смачивать перед использованием

При подборе удачного места размещения оптический датчик достаточно точен для решения задач бегуна-любителя

Нагрудный или оптический пульсометр?

— нагрудный датчик по умолчанию точнее, технология его работы не требует танцев с бубном подбора оптимального расположения на теле и идеального прилегания

— оптический датчик в виде устройства (не встроенный в часы) нужно отдельно заряжать, а это еще +1 зарядка ко всей имеющейся куче проводов

Плюсы оптического датчика Scosche по сравнению со встроенным в часы

Путем экспериментов можно подобрать оптимальное место размещения, при котором показания будут наиболее точны. В случае с часами со встроенным датчиком пульса варианты ограничиваются запястьем - не у всех оптика работает корректно в этом месте (я тому пример).

Оптический датчик в виде отдельного устройства можно надевать под одежду, при этом показания выводятся на часы, надетые поверх рукава. Часы со встроенным датчиком должны прилегать к телу, что делает их использование в холодное время года неудобным.

А вы пробовали пользоваться оптическим пульсометром? Как впечатления?

Хотите получать обновления блога на почту? .