Handhållen pulsmätare

Transkript

1 Institutionen för Datavetenskap och Elektronik Motion Control Handhållen pulsmätare Examensarbete, elektronik 20 poäng, D-nivå Civilingenjörsprogrammet i datateknik och elektronik Thomas Jansson Kurskod: LA2050 Uppdragsgivare: Motion Control Handledare (företag): Christer Gerdtman Handledare (högskola): Christer Gerdtman Examinator: Mikael Ekström Datum:

2 Abstract The thesis was performed at Motion Control in Västerås. The job was to investigate the possibilities of developing a heart rate monitor which can be used for outdoor exercises. This heart rate monitor was to detect the human pulse and display it during exercise. A market research was done in order to map out the market of different heart rate monitors and techniques. Having done that, three techniques were chosen for further study, and those were: Photoplethysmography, Electrocardiography and an impulse measurement technique. Both a theoretical and a practical study were done on all three techniques. Photoplethysmography was chosen as the technique with the best chance of working accordingly to the list of demands. A decision was made which stated that the product development was to continue and that the technique would be Photoplethysmography. A prototype was made, during which some problems reached the surface. They had to do with the signal being faulty as a result of motion artifacts and disturbances from fluorescent lamps. Another important study which was performed was a distance measurement study, at which the space between the transmitter and the receiver was varied. The signal strength changed significantly at different spaces. Finally, a second prototype was built and a final meeting was held; the future was discussed and a decision was taken on whether to take this project any further. II

3 Sammanfattning Ett examensarbete utfördes på uppdrag åt Motion Control i Västerås. Jobbet gick ut på att undersöka möjligheterna till att utveckla en pulsmätare för träningsbruk. Denna pulsmätare skulle kunna detektera den mänskliga pulsen och återge den för utövaren vid löpning. Först genomfördes en marknadsundersökning för att kartlägga marknaden, se vilka typer av pulsmätare som finns och vilka tekniker som används i dessa. När den undersökningen färdigställts så valdes tre tekniker ut för vidare undersökning: fotopletysmografi, elektrokardiografi och impulsmätning. Dessa undersöktes först teoretiskt och sedan praktiskt genom laboration för att ta reda på vilken teknik som var bäst lämpad. Mättekniken fotopletysmografi valdes. Ett kretskort konstruerades som sedermera placerades i en kapsling med en enklare display. Denna första prototyp visades upp, diskuterades kring och arbetet gick vidare. Problem med signalen från sensorn i pulsmätaren uppstod vilket medförde ytterliggare undersökningar för att reda ut var dessa störningar kom ifrån och vad man kunde göra åt dem. Störningarna visade sig komma från lysrör och rörelser vid sensorn till följd av att handen rör sig. En annan viktig undersökning som genomfördes var en avståndsundersökning. Avståndet mellan sändare och mottagare visade sig vara betydelsefullt. Signalstyrkan skiftade betydligt vid olika avstånd och ett bästa avstånd valdes. Parallellt med dessa undersökningar så fortsatte även utvecklingen och en ny display valdes. Prototyp nummer två konstruerades och beslut togs om huruvida man ville fortsätta projektet. III

4 Förord Jag skulle med detta förord vilja tacka Motion Control och min handledare Christer Gerdtman för det förtroende som givits mig. Det har varit ett intressant examensarbete som passat mig och min inriktning inom elektroniken. Jag gick in med målsättningen att finna ett examensarbete inom antingen inbyggda system eller medicinsk elektronik och fann i detta jobb båda delarna. Jag fick använda de kunskaper jag skaffat mig under mina fyra år på Mälardalens högskola och bygga på dessa med en hel del nya kunskaper. Jag hade grunderna för att fixa jobbet och lyckades skaffa de extra kunskaperna som gjorde att jag kunde slutföra detta examensarbete på ett framgångsrikt sätt. Extra viktiga har, de kunskaper jag skaffat mig inom kretskortsdesign, varit. Här fick jag möjligheten att lära mig ett nytt CAD-program, Cadstar, vilket jag tror kan vara av nytta i framtiden. För övrigt så har jag lärt mig mer kring filtrering och signalbehandling. Det jag tror jag kommer ha mest nytta av i framtiden är själva produktutvecklingen, där jag fått vara med från början av ett skarpt projekt och under vägen fått hjälpa till att driva på utvecklingen av produkten genom kontakt med kund och leverantörer. Detta examensarbete har innehållit allt som jag tycker att ett examensarbete ska innehålla och jag ser av den anledningen ljust på min framtid som ingenjör. IV

5 Innehållsförteckning 1. INLEDNING BAKGRUND SYFTE FÖRETAGETS INTRESSE KRING EXAMENSARBETET RELATERAT ARBETE DEFINITIONER PROBLEMFORMULERING INLEDANDE PROBLEMANALYS METOD PROJEKTGÅNG UTFÖRANDE BESKRIVNING AV HJÄRTATS FUNKTION UNDERSÖKNING 1 MARKNADSUNDERSÖKNING UNDERSÖKNING 2 UNDERSÖKNING AV ELEKTROKARDIOGRAFI UNDERSÖKNING 3 UNDERSÖKNING AV FOTOPLETYSMOGRAFI UNDERSÖKNING 4 UNDERSÖKNING AV IMPULSMÄTNING KRETSKORT 1.0 FOTOPLETYSMOGRAFI PROTOTYP 1.0 KONSTRUKTIONSBESKRIVNING UNDERSÖKNING 5 SENSORUNDERSÖKNING UNDERSÖKNING 6 SENSORPLACERINGSTEST UNDERSÖKNING 7 LCD-DISPLAYER PROTOTYP RESULTATSAMMANSTÄLLNING UNDERSÖKNINGAR REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE ANALYS AV ARBETSINSATS SLUTSATS OCH SAMMANFATTNING REFERENSER BILAGOR BILAGA 1 KRETSSCHEMAN (EKG) BILAGA 2 KOMPONENTER (PPG) BILAGA 3 KOMPONENTER (IMPULSMÄTNING) BILAGA 4 KRETSSCHEMA (IMPULSMÄTNING) BILAGA 5 FILTERSIMULERING (EKG) BILAGA 6 RESULTATTABELLER (PPG) BILAGA 7 FILTERSIMULERING (IMPULSMÄTNING)...77 V

6 Inledning 1. Inledning Detta dokument innehåller en rapportering av ett examensarbete som inleddes i mitten av oktober 2006 och avslutades i slutet av mars Examensarbetet genomfördes på ett företag som heter Motion Control, i Västerås. Examensarbetet gick ut på att undersöka möjligheterna till att designa en ny typ av handburet träningsredskap, ett träningsredskap tänkt att användas i motionssyfte, vid framförallt löpning. Den vitala delen i detta träningsredskap är att mäta den mänskliga pulsen. Produkten kan jämföras med dagens pulsklockor som används flitigt på gym och i löpspår. Vissa resultat redovisas ej i denna rapport av hänsyn till företaget bakom idén till pulsmätaren. Vissa delar i resultatsammanställningen kan verka tunna och svåra att jämföra med frågeställningen, men det beror på sekretess. Om så är fallet ska detta framgå i det aktuella avsnittet Bakgrund Motion Control kontaktades av ett nystartat företag i Stockholmsregionen. Detta företag hade en idé om en pulsmätare som man enkelt skulle kunna greppa tag i, och genom att göra så, kunna läsa av sin puls på en display. Projektet ansågs intressant för Motion Control och inledningen på projektet formades som ett examensarbete Syfte Syftet med examensarbetet var att undersöka vilka metoder som kan användas för att detektera pulsen; undersöka dessa och sedan rekommendera en eller flera metoder att gå vidare med. Syftet var även att påbörja utvecklingen av denna produkt baserat på kunskapen som givits vid de inledande undersökningarna 1.3. Företagets intresse kring examensarbetet Hela vägen, från början till slut av detta examensarbete, så var intresset stort från företagets sida. Man tycker att det är en intressant produkt och vill utveckla människonära produkter. Man har en del handikapprodukter på sin meritlista och vill bredda denna lista och skaffa sig erfarenhet genom fler medicintekniska lösningar. Hjälp har helat tiden funnits att få, antingen från handledaren eller anställda på företaget Relaterat arbete Relaterade arbete innefattar i stort sett alla pulsmätare på marknaden till en viss grad, men p.g.a. vissa produktkrav, så finns inget direkt relaterat arbete att referera till. Det finns idag många olika applikationer där man använder framförallt två av de mätmetoder som använts i denna undersökning, fotopletysmografi (PPG) och elektrokardiografi (EKG). EKG och PPG används båda inom sjukvård och friskvård. Vid konstruktion av pulsmätare som konsumentprodukt, används de olika mätmetoderna vid olika typer av applikationer. Kravspecifikationen styr ofta vilken teknik som väljs, då vissa grundkrav finns för att tekniken överhuvudtaget skall gå att använda. Man väljer antingen fotopletysmografi eller elektrokardiografi. Någon komplett sammanställning av mätmetoder fanns ej att tillgå. De val av mätmetoder som gjordes baserades på erfarenhet och en förundersökning. 1

7 Inledning 1.5. Definitioner Här definieras tekniska termer. 50 Hz-brus Brus i form utav elektromagnetisk strålning från kraftledningar. AC-komponent AC = Alternating Current. Växelströmskomponent, den del av signalen som växlar i riktning och styrka. Aktivt filter Ett filter konstruerat med minst en operationsförstärkare. Aktivt temperaturområde Beskriver under vilket temperaturområde komponenten kan arbeta utan större problem. Amplitud Höjden på en våg räknat från dess centrum, d.v.s. den största avvikelsen från dess medelvärde. Auto-zeroing En teknik som används för att åstadkomma väldigt låg offset och nära noll i drift över tid och temperatur. AV-knutan En ansamling pacemaker-celler som sitter nedtill och baktill i hjärtats högra förmak. Bandpassfilter Ett filter som filtrerar bort signaler med frekvenser över och under två bestämda värden. Bas-Collector-Emitter De tre pinnarna på en transistor. Bottna Operationsförstärkaren förstärker signalen ända ut till matningsspänningen. Exempel: operationsförstärkaren kan inte förstärka signalen till +6V om den matas med jord och +5V. Brytfrekvens (F 0 ) Den frekvens vid vilken stoppbandet startar och passbandet slutar, eller tvärtom. Butterworth-filter Ett filter som är stabilt i passbandet och har en ganska så brant övergång mellan passband och stoppband. Cadstar CAD-program för schema- och pcb-design. Chebychev-filter Ett filter som oscillerar lite i passbandet, men har en väldigt brant övergång mellan passband och stoppband. CMRR CMRR betyder Common Mode Rejection Ratio och det beskriver förmågan att undertrycka common-mode spänning, d.v.s. den spänning av samma amplitud och fas som kommer in på ingångar. DC-komponent DC = Direct Current. Likströmskomponent, den del av signalen som har samma riktning. Även kallad dc-offset, dc-spänning, likströmskomponent. DC-restorator En integrator använd i en återkoppling för att eliminera dckomponenten. Delay Programmet väntar en viss tid, sv. dröjsmål. EKG Elektrokardiografi. Mätmetod för att se hur hjärtat jobbar. Elektrod En ledare som används för att skapa kontakt med ickemetalliska föremål. EMG Electromyography. Används för att registrera muskelrörelser. Enkelmatning Med detta menas om komponenten kan matas med jord och positiv matningsspänning, istället för den bipolära matningen som de flesta operationsförstärkare behöver. Fotodetektor En fotodetektor kan mäta styrkan hos ljus. Fotodiod Fotodetektor. Leder när ljus av rätt våglängd träffar den. Fototransistor En transistor som öppnas när ljus av rätt våglängd träffar den. 2

8 Inledning GBWP His ska-bunten IA ICG IC-krets Impedans Infrarött ljus (IR) Ingångsimpedans Ingångskapacitans Input bias current Integrator IR-emitter IR-mottagare Kabelkapacitans Kapacitans Komparator LPF Lysdiod (LED) Lågpass-filter Notch-filter Offset Offsetdrift OP Ordning på filter Passband Passivt filter Piezoelektrisk film Piezosummer PPG P-Q-R-S-T-Våg Gain Bandwidth Product. Beroende av hur stor bandbredd som ska förstärkas och hur mycket signalen behöver förstärkas så behövs en anpassad GBWP. En samling celler i hjärtat som är specialiserade på att leda elektriska impulser. Instrumentation Amplifier = Instrumentförstärkare. Impedance Cardiography. Pulsmätningsmetod som mäter impedansändring. IC = Integrated Circuit. En miniatyriserad krets som tillverkats på ett halvledande material. Impedans är det elektriska motståndet för växelström. Ljus som har en våglängd mellan 750 nm och 1 mm. Impedansen som upplevs av en signal på ingången. Kapacitans mellan ingångar. Den ström som flyter till basen på de två transistorerna som sitter på ingångarna på en operationsförstärkare. Transistorerna behöver denna ström för att kunna arbeta. En förstärkarkoppling som bestämmer arean under en kurva. IR-sändare, lysdiod. Sänder infrarött ljus. Känner av infrarött ljus, typiskt fototransistor eller fotodiod. Kapacitansen i en kabel. Förhållandet mellan kondensatorns lagrade laddning och den spänning som ligger över kondensatorn. Jämför två signaler och kan ställas att agera när den ena signalen övereller understiger den andra Low Pass Filter = lågpassfilter. Filtrerar bort alla frekvenser ovan en viss brytfrekvens. En diod som utstrålar ljus i olika färger beroende av halvledarmaterialet i dioden. Ett filter som filtrerar bort alla frekvenser över en viss brytfrekvens. Ett filter som filtrerar bort en specifik frekvens. Offsetspänning är den spänning som måste läggas mellan ingångarna på en operationsförstärkare för att utsignalen skall vara 0V. En offset medför ett fel i utsignalen. Med offsetdrift menas hur mycket offsetspänningen ändras med temperaturen. Operationsförstärkare. En högre ordning på filtret ger en brantare övergång mellan passband och stoppband. Det frekvensområde som ett filter släpper igenom. Ett filter konstruerat utan operationsförstärkare. En tunn film med piezoelektriska egenskaper. Genererar ljud genom att piezoelementet krymper och utvidgas när en signal läggs ingången. Kort för Photoplethysmography = Fotopletysmografi Namn på vågtopparna i hjärtkurvan. 3

9 Inledning Rail-to-rail output Med detta menas att det går att förstärka insignalen väldigt nära matningsspänningen (V+), dvs. utsignalen kan slå över hela matningsspänningsintervallet, jord till V+. Referensspänning En slags virtuell jord som krävs när operationsförstärkarna matas med Vcc och jord. Den sätts oftast till Vcc/2. Runt denna virtuella jord svänger sedan signalen. Rött ljus Ljus som har en våglängd mellan 600 och 750 nm. Shutdown Shutdown är ett läge som går att sätta en komponent i och då drar den väldigt lite ström. Efter shutdown kan den snabbt väckas till liv. Spänningsbrus Störningar orsakade av komponenterna i t.ex. en operationsförstärkare. Stoppband Det frekvensområde som ett filter filtrerar bort. Strålvinkel Den vinkel med vilken en diod sänder ut (emitterar) ljus. TP Testpunkt. Transimpedansförstärkare Omvandlar ström till spänning. Våglängd Våglängdspik Avståndet mellan t.ex. två toppar på en våg. Vid vilken våglängd dioden lyser starkast/vid vilken våglängd transistorn är mest känslig. 4

10 Problemformulering 2. Problemformulering En pulsmätare skall konstrueras. Pulsmätaren skall kunna återge den mänskliga pulsen på ett sätt som beskriver hur snabbt hjärtat slår. Detta får göras med vilken vetenskapligt bevisad metod som helst. Pulsmätaren kommer i slutändan att innehålla en del annan utrustning, men många funktioner är tänkta att bygga på själva detekteringen av pulsen. Av denna anledning är pulsmätningen den vitala delen i träningsredskapet. Om pulsmätningen ej fungerar på ett tillfredställande sätt, kommer alla andra funktioner att ses som ointressanta, då produkten skall lanseras som en pulsmätare. Pulsmätaren skall hållas i handen med fingrarna i ett omslutande läge. Alternativt får två handtag användas, där pulsmätaren utgörs av en del i varje hand. Pulsmätaren skall bestå av endast ett eller två handtag, ingen annan utrustning får användas. Detta innebär att all elektronik skall befinna sig i dessa handtag. Pulsmätaren skall gå att plocka upp från bordet med handen och visa pulsen inom en ej specificerad tidsrymd. Detta skall göras utan att någon del behöver spännas fast runt handled eller annan del av kroppen. Ingen del av pulsmätaren får fästas på handen; det skall gå att släppa taget om pulsmätaren på ett enkelt sätt. Ingen del av handen får låsas upp på något sätt, dvs. inget finger får t.ex. stickas in i ett hål. Inga yttre sladdar får finnas med, dvs. ingen sladd mellan handtag ett och det alternativa, handtag två. Det är dock fritt att använda trådlös kommunikation. Händerna får inte ha kontakt, utan skall kunna användas i en pendlande rörelse som vid normal löpning. Pulsen skall redovisas kontinuerligt för den utövande under träningen. 5

11 Inledande problemanalys 3. Inledande problemanalys Att använda två handtag som kommunicerar med varandra låter först som en bra idé. Tanken här är att använda sig av elektrokardiografi (EKG), som ger en exakt bild av hur hjärtat arbetar. För att kunna använda sig av EKG behövs två mätpunkter och dessa skulle kunna placeras i vardera hand. En förutsättning för att detta skall kunna fungera är att dessa två mätpunkter kan kommunicera. Det lämnar oss med två alternativ, antingen en sladd eller trådlös kommunikation mellan dem. Sladden är enligt problemformuleringen utesluten, och då finns enbart det trådlösa alternativet kvar. Problemet med att använda trådlös kommunikation är att avståndet mellan de två mätpunkterna hela tiden kommer att ändras, då armarna pendlar. Detta innebär att tiden det tar att skicka data från enhet 1 till enhet 2 kommer att variera under hela träningspasset, och det innebär i sin tur att EKG-tekniken inte går att använda på detta sätt, då det krävs en konstant tidsfördröjning från den ena enheten för korrekt puls. Vad detta innebär i praktiken är att man inte tjänar någonting på att använda två enheter, då man skulle bli tvungen att koppla samman dem med en sladd för att få ett konstant avstånd mellan dem. Enkelheten med produkten, att man ska kunna plocka upp den och få en puls utan krångel, är det som gör denna produkt till en utmaning. 6

12 Metod 4. Metod Under hela examensarbetet har ett strukturerat arbete använts, där varje steg i utvecklingen har kommit naturligt. Stegen har genomförts noga med hjälp av testprotokoll, granskningar och i efterhand beskrivningar och diverse undersökningsdokument. Allt som har gjorts har dokumenterats väl för att underlätta framtida arbete. Undersökningarna har genomförts i såväl böcker som på Internet, där Google och databaser använts. Viktig information har skaffats genom medarbetare och handledare på Motion Control. Vissa delar av de elektronikkonstruktioner som tillverkats har först simulerats för att se karakteristiken. Efter simulering har elektroniken byggts på kopplingsplatta och när tillfredställande resultat uppnåtts har kretskort konstruerats. Allt har testats noga och dokumenterats på ett noggrant sätt. Samtal har förts med kund till Motion Control och leverantörer av hårdvara. Möten och demonstrationer har genomförts för att säkerställa en lyckosam utveckling av projektet Projektgång För att kunna hitta en lämplig mätmetod som fungerar enligt kravspecifikationen, så inleddes arbetet med en marknadsundersökning där målet var att kartlägga vilka mätmetoder som används på de kommersiella pulsmätarna. Det var också viktigt att vara öppen för andra mätmetoder om sådana kunde hittas. Syftet med denna undersökning var att skapa sig en uppfattning om vilka metoder som kunde användas och vilka som används flitigast. De som används flitigast gör så av en anledning. Denna undersökning var också viktig för att ta reda på om man är unik med den nya produkten. När marknadsundersökningen avslutats, undersöktes utvalda mätmetoder grundligt med en teoretisk undersökning för att ta reda på hur tekniken fungerar. Syftet med denna teoretiska undersökning var också att skaffa sig en uppfattning om hur man kan konstruera elektroniken. Nästa steg var att genomföra en funktionsundersökning för varje mätmetod, där de olika mätmetoderna testades genom laboration. Syftet med denna undersökning var att se hur de fungerar och konstatera om de håller mot kravspecifikationen. Block- och kretsscheman visas för kopplingarna. En större komponentundersökning görs inför den första mätmetoden. I kommande undersökningar grundas valen av IC-kretsar på denna undersökning och andra faktorer. I denna rapport är den teoretiska undersökningen och funktionsundersökningen sammanfogad i ett kapitel. När dessa undersökningar var färdiganalyserade, togs ett beslut om det finns någon möjlighet till att konstruera en pulsmätare som håller för kraven. När detta beslut tagits fortsatte utvecklingen med fler undersökningar och konstruktioner. I början av denna rapport ges en beskrivning av hjärtats funktion för att ge ökad förståelse för resten av dokumentet. 7

13 Utförande Beskrivning av hjärtat 5. Utförande 5.1. Beskrivning av hjärtats funktion Hjärtats funktion som pump av blod i kroppen börjar i en liten del av hjärtat som heter sinusknutan. Sinusknutan startar regelbundna elektriska urladdningar (impulser) som sprids till båda förmaken. Mellan höger förmak och kammare stannar impulsen upp vid den så kallade AV-knutan så att förmaken hinner tömmas på blod. Sedan skickas en impuls till kamrarna så att de drar ihop sig. Impulsen skickas sedan vidare genom den så kallade His ska-bunten och ner mellan kamrarna till hjärtats spets. Denna impuls som startat i sinusknutan når sedermera hela hjärtat och leder till en sammandragning, ett hjärtslag. Detta hjärtslag leder till att blod pulserar i kroppen [6]. Varje hjärtslag beskrivs som en puls. En puls på t.ex. 70, betyder att hjärtat slår med 70 slag i minuten. Pulsen är alltså en direkt indikator på i vilken takt hjärtat slår. Figur 1. Bilden visar hjärtat och dess olika delar. Hjärtat är uppdelat i två halvor som arbetar synkront, dvs. båda halvorna vilar och arbetar samtidigt. Hjärtat varierar mellan två tillstånd, systole och diastole. Hjärtat dras samman (systole) och slappnar av (diastole). Under vilofasen fylls hjärtat med blod och under sammandragningen pumpas blod ut i lungpulsådern och kroppspulsådern (se figur 2). I lungorna syresätts blodet för att sedan förse kroppen med syresatt blod genom kroppspulsådern. Normalt pumpas fem till sex liter blod i minuten, ut i kroppen, men under ansträngning kan den siffran uppgå till liter blod per minut [6]. 8

14 Utförande Beskrivning av hjärtat Figur 2. Bilden visar hur hjärtat tar in blod och sedan pumpar ut det i kroppen. Det unika med hjärtat är att det arbetar på egen hand och inte kan styras med viljan, som andra muskler. Det sympatiska och det parasympatiska nervsystemet kan dock påverka hjärtat. Dessa två nervsystem styr våra inre organ och påverkas inte av viljan. När kroppen behöver mobilisera krafter, sätts det sympatiska nervsystemet igång. Detta sker i t.ex. stressituationer och det i sin tur medför att blodtrycket höjs och pulsen ökar. Det parasympatiska nervsystemet å andra sidan är det nervsystem som drar ner pulsen och sänker blodtrycket vid vila. Det har alltså motsatt effekt mot det sympatiska nervsystemet [6]. Genomsnittsmänniskan har en vilopuls mellan 60 och 80 slag/min. Vältränade personer kan ha en lägre puls än 60 slag/min. Vid ansträngning ökar pulsen och kan nå upp mot 200 slag/min [6]. 9

15 Utförande Undersökning 1 Marknadsundersökning 5.2. Undersökning 1 Marknadsundersökning Tillgängliga mätmetoder Två mätmetoder dominerar bland de kommersiella pulsmätarna. Dessa två är elektrokardiografi (EKG) och en metod som heter fotopletysmografi (PPG), som är en del av den klassiska pulsoximetrin som används för att mäta puls och syrehalten i blodet. Dessa två tekniker är de som används uteslutande på pulsmätare avsedda för träning. Övriga metoder som går att läsa om är bland annat en impulsmetod som mäter pulsen genom tryck, en mikrofonteknik där man lyssnar på pulsen samt en metod som kallas Impedance Cardiograph (ICG) där man utnyttjar impedansförändringen i blodet som ökar proportionellt med förändringen i blodvolym. Dessa fem mätmetoder är alla icke-invasiva metoder, vilket betyder att man inte behöver sticka in något i kroppen för att mäta pulsen dvs. man mäter pulsen utanpå kroppen. Det finns en del invasiva metoder också, men det finns ingen anledning till att ta upp dessa här. EKG Detekterar puls genom minst två elektroder som snappar upp den elektriska impulsen som startas i sinusknutan 1. PPG Detekterar puls optiskt genom att lysa på blodet och läsa av hur mycket blod som finns på det belysta stället [7]. Impuls Detekterar puls genom en tryckgivare som känner av när blodet pulserar fram [8]. Mikrofon Detekterar puls genom att lyssna på hjärtat. ICG Detekterar puls genom att föra in en liten växelström i kroppen och mäta impedansen, som förändras i takt med pulsen. EKG, PPG och impulsmätning presenteras mer ingående i undersökning Se kapitel 5.1 Beskrivning av hjärtats funktion 10

16 Utförande Undersökning 1 Marknadsundersökning Kommersiella produkter De kommersiella produkter som finns på marknaden är till majoriteten pulsband med tillhörande mottagarklocka, men det finns en del annat också. Allt som finns att köpa är inte anpassat för träning. Det är främst pulsklockorna som gäller för idrottsutövande. Pulsklocka med pulsband Denna teknik bygger på att man har ett pulsband precis under bröstet. Detta pulsband detekterar pulsen och skickar sedan denna information trådlöst till klockan, som gör ett antal beräkningar på pulsen till förmån för diverse funktioner. Denna produkt bygger på EKGtekniken där man mäter elektriska impulser från hjärtat. Pulsbandet, innehållande elektroder, placeras under bröstet och man får en kontinuerlig pulsuppdatering på klockdisplayen så länge pulsbandet har bra kontakt med bröstet Pulsklocka utan pulsband En produkt som kommer mer och mer är en pulsklocka där man slipper pulsbandet. Det görs mycket reklam på Internet för Strapless heart monitor. Denna produkt bygger på samma teknik som den ovan dvs. EKG, men här mäts potentialskillnad mellan händerna. Man kan inte mäta kontinuerligt utan placerar två fingrar på två sensorer på klockan och så sitter det en sensor under klockan mot huden på den andra handen. När fingrarna placeras ovanpå klockan tar det mellan tre och tio sekunder innan pulsen visas på displayen. Släpper man klockan, med den hand som den ej sitter på, försvinner pulsen från displayen. Figur 3. Pulsklocka med tillhörande pulsband (till vänster) och pulsklocka utan pulsband samt hur den används (till höger). Öronsensor Öronsensorn består av en klämma som sätts på örsnibben kopplat till en dosa med display där man kan avläsa sin puls. Denna produkt bygger på PPG, vilket innebär att man lyser på örat för att läsa av pulsen. Denna klämma kan även sättas på fingret. Figur 4. Pulsmätare kopplad till örsnibb eller finger. 11

17 Utförande Undersökning 1 Marknadsundersökning Handgreppssensor Finns som en variant på träningsmaskiner där sensorn sitter i handtaget man håller i. Finns även som en andra variant där man bara har en stav att hålla i, men det krävs att man håller båda händerna på den samtidigt. På denna produkt används EKG; potentialen mäts mellan höger och vänster hand. Figur 5. Handgreppspulsmätare i form av en stav. Pulsklocka med fingersensor Den här produkten bygger på tekniken PPG där man har ett spänne runt ett finger kopplat till klockan med en sladd. I spännet sitter en lysdiod som lyser på fingret och mottagare i form av en fotodiod eller fototransistor. Finns även som enfingershandske där man för i tummen. Figur 6. Pulsklocka med sladd till fingret där en optisk sensor detekterar pulsen. Enfingershandske med sensor mot tummen. 12

18 Utförande Undersökning 1 Marknadsundersökning Handhållen pulsmätare Detta är en produkt som mäter pulsen genom att man placerar sitt finger på en punkt på pulsmätaren där det sitter en sensor (troligtvis PPG) och detekterar pulsen. Figur 7. Handhållen pulsmätare. Fingret placeras på sensorn ner till höger. Övriga pulsmätare Alla dessa pulsmätare som beskrivits ovan är sådana som säljs mycket idag. Andra idéer som finns inom detta område är t.ex. en produkt som Adidas och Polar arbetar på där man integrerar sensorer i kläderna. En annan är ett par hörlurar som beskrivs i tidskriften Biomedical Engineering som optiskt mäter pulsen i örat och är utrustad med en accelerometer som känner av hur huvudet rör sig och kan på så sätt kompensera för denna rörelse då den ger upphov till störningar. Detta är bara några exempel, men de vanligast förekommande pulsmätarna är listade ovan Prestanda och pris I de pulsmätare som idag säljs på marknaden finns en rad funktioner utöver pulsmätning. På de flesta pulsmätare kan man göra en hel del med den puls som mätaren tar fram åt en. Det kan röra sig om procent av maxpuls, snittpuls, högst uppmätta puls under ett träningspass osv. Utöver dessa pulsfunktioner så finns också många andra funktioner och dessa kan vara: kalorimätning, höjdmätning, mp3, stegräkning, klocka, tidtagarur osv. Pris Typ av pulsmätare Ca pris i kronor internationellt sett Pulsklocka med pulsband >350 Pulsklocka utan pulsband >400 Öronsensor 1100 Handgreppssensor 2150 Pulsklocka med fingersensor >800 Handhållen pulsmätare 250 Tabell 1. Visar vad ovanstående pulsmätare kostar. 13

19 Utförande Undersökning 2 Elektrokardiografi 5.3. Undersökning 2 Undersökning av elektrokardiografi Teoretisk beskrivning av elektrokardiografi EKG är en metod där den elektriska aktiviteten i hjärtat mäts. Som beskrivits tidigare 2, så uppstår de elektriska impulserna i sinusknutan i hjärtat [6]. Dessa impulser kan mätas på hela kroppen, men de är olika starka på olika ställen, signalen försvagas. Vid normal EKG, som den används på sjukhus, fästs 12 elektroder på kroppen, sex på bröstet, en på vardera arm och ben och de sista två på buken. Utifrån dessa 12 elektroder kan man sedan avgöra hur friskt hjärtat är genom att mäta och förstärka den elektriska potentialskillnaden mellan olika punkter och visa signalen på en monitor. Beroende av mellan vilka elektroder man mäter så kan man t.ex. bestämma var någonstans på hjärtat det finns ett fel. Om man tittar på EKG-vågen, så ser man tre utmärkande vågor som kallas QRS-delen, där R-vågen är den största (se figur 8). Genom att till exempel räkna antalet R-vågor per minut så får man ut pulsen. Nedanstående EKG-kurva fås vid tvåtråds-ekg, där man mäter potentialskillnaden mellan höger och vänster arm. Vid pulsmätning räcker det alltså med tvåtråds-ekg där man kan räkna antalet R-vågor [6] [9] [10]. Figur 8. Visar den karakteristiska våg skapad av hjärtat. Figur 9. Visar hur man mäter över hjärtat mellan elektroder Tillförlitlighet Metoden är väldigt tillförlitlig och har använts väldigt länge. Den används framförallt i medicinskt syfte, men även i träningspulsmätare. När hjärtat undersöks med EKG, används s.k. leads (se figur 9), vilka delar in hjärtat i tårtbitar. Dessa leads är dragna mellan tolv elektroder som finns utsatta på kroppen och de dras diagonalt över hjärtat [1]. För att denna teknik ska fungera så måste elektroderna sammankopplas med sladd och för att det ska vara möjligt så får avståndet mellan elektroderna vara max avståndet som finns i handen, då ingen sladd får dras till en elektrod på något annat ställe på kroppen. Detta medför att signalen kommer att mätas på en sida av hjärtat i stället för över hjärtat som är det normala. Inga kända fakta stöder att detta fungerar, men eftersom det är den enda möjligheten om denna teknik ska användas, så undersöktes detta. 2 Se kapitel 5.1 Beskrivning av hjärtats funktion 14

20 Utförande Undersökning 2 Elektrokardiografi Sensor De sensorer som används vid EKG är elektroder. Den elektrod som användes i denna undersökning kommer från 3M och tillhör familjen Red Dot. De finns i flera olika storlekar, vissa är omplacerbara och en del engångselektroder. Den elektrod som användes vid laboration heter Red Dot Electrode är omplacerbar och rektangulärt formad. Det gick inte att finna någon elektrod utan klister, men det är först intressant om tekniken visar sig fungera på det sätt som önskas. Figur 10. Bilden visar de elektroder som användes i EKG-undersökningen. 15

21 Utförande Undersökning 2 Elektrokardiografi Förstärkarelektronik När man mäter de elektriska impulserna från hjärtat så görs det genom att mäta potentialskillnad mellan två punkter, i det här fallet mellan höger och vänster arm. Detta kan göras med en instrumentförstärkare (IA) eller en differensförstärkare. Anledningen till att man bör välja en IA är att man får en mycket högre CMRR, vilket är väldigt viktigt när man mäter EKG. Med en hög CMRR kan man reducera liknande ovälkomna signaler som kommer in på båda ingångarna. En IA är uppbyggd med en differensförstärkare som kärna och ett par extra operationsförstärkare i början, en på varje insignal. Det differensförstärkaren gör är att förstärka upp skillnaden mellan de signaler som snappas upp av elektroderna. I denna undersökning valdes en instrumentförstärkare som kärna vid konstruktionen av EKGförstärkaren. Förstärkningen sattes här ganska så lågt, G 6 ggr 3. Resterande förstärkning gjordes i det sista steget. Målet var att få upp en hanterlig signal mellan noll och fem volt. Alternativ vid konstruktion Vid konstruktion av EKG-förstärkare undersöktes två olika typer av kopplingar (koppling 1 och koppling 2), egentligen samma typ av koppling. Skillnaden mellan de båda kopplingarna var att en färdig instrumentförstärkare på kisel användes i koppling 1, medan den konstruerades av operationsförstärkare i koppling 2. För övrigt skiljde ingenting mellan de båda kopplingarna. Tanken bakom att använda en färdig IA var att få ner antalet komponenter och pris samt att få mindre brus. Kretsscheman till de båda kopplingarna återfinns i 9.1 Bilaga 1. 3 Varför beskrivs i kapitel Signalbehandling 16

22 Utförande Undersökning 2 Elektrokardiografi Signalbehandling Vid EKG-mätning med instrumentförstärkare (IA) får man en dc-komponent och en ackomponent. Det är ac-komponenten som ger upphov till kurvan i figur 8. Det dckomponenten gör är att lägga den kurvan på en annan grundnivå, dvs. hela kurvan får en offset och högsta värdet (R-vågen) får ett högre värde (se figur 11). Offseten kan bli så stor som ± 300 mv och av den anledningen får man inte förstärka signalen för mycket med IA. En rekommendation är ungefär 10 gångers förstärkning, då kan dc-offseten endast bli 3V, vilket inte får IA att bottna. Efter IA måste dc-komponenten tas bort på något sätt, och detta gjordes med en dc-restorator; en integrator använd i en återkoppling för att eliminera dc-offseten. Den dc-offset som fås på utgången av IA återkopplas inverterat via en integrator till IA, vilket medför att dc-offseten elimineras av den inverterade signalen och en summerande effekt fås. Integratorn medför att IA blir ac-kopplad istället för dc-kopplad. Den betydande bandbredden för EKG sträcker sig från 0,05 Hz till 100 Hz. Det är inom detta område man tittar för diagnostiskt bruk. Om det endast handlar om övervakning, kan man välja att titta enbart mellan 0,5 och Hz [2]. Den stora bruskällan för EKG-utrustning är elektromagnetisk strålning från kraftledningar. Detta brus svänger i Sverige på 50 Hz och påverkar därför EKG-signalen. Då endast pulsmätning är intressant kan man välja att kapa alla frekvenser över t.ex. 30 Hz och då slipper man problemet med att behöva använda ett notch-filter för att bli av med 50 Hzstrålning. Det kan vara svårt att få till ett notch-filter med en skarp övergång mellan passband och stoppband, analogt. Figur 11. Visar EKG-kurvan med en dc-offset. Filtrering Den filtrering som användes bestod av ett aktivt och ett passivt lågpassfilter för att filtrera bort 50 Hz-brus. Filtret togs fram genom simulering i ett program som heter TINA och beräknades av ett annat program som heter FilterPro. Båda dessa program tillhandahölls av Texas Instruments. Filtreringen gjordes aktiv för att få en så brant övergång som möjligt mellan passband och stoppband. Till detta valdes ett Sallen-Key Butterworth-lågpassfilter. Alternativet till ett Butterworth-filter hade varit att använda ett Chebychev-filter, men stabilitet i passbandet värderades högre än branthet mellan passband och stoppband. Ett brant filter behövs när man filtrerar på låga frekvenser och med ett smalt passband. Om brantheten inte hade räckt med Butterworth-filtret, hade ett Chebychev-filter testats. Även ett passivt filter användes för ytterliggare filtrering av 50 Hz-brus, på slutet. Ordningen på Butterworthfiltret sattes till fyra och ordningen på det passiva filtret till ett. 17

23 Utförande Undersökning 2 Elektrokardiografi När det gäller brytfrekvensen på filtren så innebär en hårdare filtrering att 50 Hz-bruset dämpas mer, men det innebär också att man dämpar mer av den intressanta del av signalen som ligger i det området. För att se hur signalen skiljde sig vid olika brytfrekvenser simulerades först det aktiva filtret med fem olika brytfrekvenser, efter det testades filtren skarpt. I simuleringen användes både exakt framräknade och praktiskt gångbara kondensatoroch resistorvärden för att se hur pass- och stoppband förändrades. Följande brytfrekvenser testades på det aktiva filtret: 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz Figur 12. De två simuleringsprogrammen som användes. Efter att simuleringen avklarats så testades filtren genom att en sinusvåg lades mellan ingången på filtret och jord. Denna sinusvåg gavs frekvensen 10 Hz till en början och ökades sakta upp till 30 Hz. Detta för att se hur amplituden förändrades i passbandet och stoppbandet. 18

24 Utförande Undersökning 2 Elektrokardiografi Blockschema Stycklista En komponentundersökning gjordes där olika instrument- och operationsförstärkare jämfördes. På grund av problem med att få tag i önskade komponenter användes inte de, enligt undersökningen, bästa komponenterna på varje position. Dessa problem berodde delvis på restade komponenter och att vissa hade kapseln MSOP, som gjorde det svårt att laborera med dem. Vilka komponenter som användes framgår av kostnadskalkylen nedan. Kostnadskalkyl för båda kopplingarna Alternativkrets 1 Komponent Pris/st Antal Pris (kr) INA122 (IA) 40, ,30 TS924 (OP) 16, ,70 Motstånd 0, ,52 Kondensatorer ~0,40 6 2,40 Elektroder Ej utsatt 2 - Totalt 62,92 Tabell 2. Visar uppskattad komponentkostnad. Alternativkrets 2 Komponent Pris/st Antal Pris (kr) TS924 (OP) 16, ,40 Motstånd 0, ,84 Kondensatorer ~0,40 6 2,40 Elektroder Ej utsatt 2 - Totalt 40,64 Tabell 3. Visar uppskattad komponentkostnad. 19

25 Utförande Undersökning 2 Elektrokardiografi Pulsmätningstest Innan själva pulsmätningstestet, verifierades först kopplingen genom att använda en s.k. standard-lead, en elektrod på vardera handled (lead I). Genom att använda en standard-lead, som man vet hur hjärtkurvan ser ut för, kan man avgöra om kopplingen fungerar, se om förstärkningen är bra och om filtreringen fungerar som den ska, och med det menas inget brus på signalen. När kopplingen verifierats, utfördes pulsmätningstestet. Målet med testet var att se om det gick att placera två elektroder nära varandra på samma sida hjärtat och läsa av en puls. Om detta var möjligt skulle dessa två elektroder eventuellt kunna placeras i en hand, i pulsmätarhandtaget. Under testet undersöktes olika placeringar av elektroder längs armen för att avsluta med två elektroder i en hand. Anledningen till att pröva flera olika placeringar, förutom den intressanta placeringen i handen, var för att ta reda på var man kan sätta mätpunkterna om det visar sig att det inte går i handen. Sist undersöktes den placering som normalt används när man använder pulsklockor med tillhörande pulsband (bild 12). Nedanstående elektrodplaceringar prövades för att slutligen se om det går att detektera pulsen i en hand. Svarta ringar motsvarar de två elektroderna. Kroppen sedd framifrån, där torso är indelad i fyra delar. Bilderna visar bröst och armar, ej huvud. Bild 1. Bild 2. Bild 3. Bild 4. Bild 5. Bild 6. Bild 7. Bild 8. Bild 9. Bild 10. Bild 11. Bild Höger och vänster handled 2. Höger handled och vänster bröst 3. Höger handled och höger bröst 4. Höger handled och strax ovanför höger armhåla 5. Höger handled och höger axel 6. Höger handled och övre muskelfäste tillhörande biceps 7. Höger handled och utsidan av höger arm 8. Höger handled och insidan av höger arm 9. Höger handled och mitt på höger biceps 10. Höger handled och under höger armveck 11. Höger pekfinger och slutet på höger handflata (intressant testpunkt för pulsmätare) 12. Strax under höger och vänster bröst (pulsbanden sitter på detta sätt) Hjärtfrekvensen ser olika ut beroende på var på kroppen man placerar elektroderna. Det är det som är poängen med att ha olika leads 4 att mäta på. 4 Se kapitel Tillförlitlighet 20

26 Utförande Undersökning 3 Fotopletysmografi 5.4. Undersökning 3 Undersökning av fotopletysmografi Teoretisk beskrivning av fotopletysmografi Fotopletysmografi (PPG) är en optisk mätmetod för att detektera blodflöde. Vid mätning med PPG belyses huden av en lysdiod, normalt finger, tå eller örsnibb. Det ljus som används är antingen rött eller infrarött. Detta ljus absorberas, sprids och reflekteras av blod och vävnad. Hemoglobinet som finns i blodet absorberar mer rött än infrarött ljus när det ej är syresatt och mer infrarött än rött ljus när det är syresatt. En del ljus återvänder till den belysta ytan som reflekterat ljus och en del ljus tränger igenom den utsatta kroppsdelen. Detta medför att två metoder kan användas när man belyser t.ex. fingret, reflektions- eller transmissionsmetoden. Vid reflektionsmetoden placeras en fotodetektor på samma sida som lysdioden som detekterar intensiteten rött/infrarött ljus som reflekteras, alltså det ljus som ej tränger igenom fingret eller absorberas av vävnad och blod. Vid transmissionsmetoden används en fotodetektor på motsatt sida, i förhållande till lysdioden, och skillnaden här mot reflektionsmetoden blir att denna fotodetektor detekterar intensiteten av det ljus som transporteras igenom fingret. Detta medför att när mycket blod befinner sig i fingret så kommer mer ljusintensitet att absorberas i fingret än när blodvolymen är mindre. Alltså variationer i uppmätt ljusintensitet beror av variationer i blodvolym. Variationer i blodvolym beror i sin tur på att hjärtat slår. När man tittar på signalen från fotodetektorerna ser man en ac- och en dc-komponent, där ackomponenten är direkt kopplad till hjärtrytmen och dc-komponenten beskriver blodinnehållet i fingret [3][11]. Genom att titta på ac-delen av utsignalen och räkna intensitetstoppar så kan man bestämma pulsen. I detta projekt användes reflektionsmetoden Tillförlitlighet Fotopletysmografi är en tillförlitlig pulsmätningsteknik, men den används inte i samma utsträckning som pulsoxymetri. Det är samma grundtanke när det gäller båda metoderna och pulsoxymetrin används flitigt på sjukhus världen över. Pulsoxymetrins huvudsyfte är att mäta syrehalten i blodet. Det som skiljer den från fotopletysmografin är att två våglängder används istället för en. Det normala när man använder pulsoxymetri är att sätta sensorn på fingertoppen och i vissa fall på örsnibb eller tå. När det gäller finger så används normalt pekfingret, men om man ser till kommersiella produkter så används tekniken även på tummen. Om man ser till prototyper, så finns en del exempel där tekniken används på en ring som appliceras runt ett finger. Det finns i dagsläget många olika exempel på där fotopletysmografi/pulsoxymetri används, tekniken anses tillförlitlig och det finns dokumenterat att den fungerar i en hand. 21

27 Utförande Undersökning 3 Fotopletysmografi Sensor Sensorn som användes till fotopletysmografen bestod av en lysdiod och en fototransistor. Alternativen till att använda en fototransistor är att välja en fotoresistor eller fotodiod. Fotoresistorer används inte i någon stor utsträckning när det gäller den här typen av applikationer och det är svårt att hitta någon bra. När det gäller valet mellan fotodiod och fototransistor så har fototransistorn mycket högre känslighet för ljus p.g.a. den strömförstärkning som sker i en transistor, medan fotodioden har en snabbare responstid. Pulsmätning är ett långsamt förlopp och av den anledningen ansågs förstärkningen trumfa responstiden. Vid valet av lysdiod så kan man antingen välja en röd eller infraröd lysdiod, då båda reagerar på mängden blod. Eftersom båda dessa våglängder fungerar så togs beslutet att undersöka skillnaden mellan dem för att se vilken våglängd som fungerade bäst. I 9.2 Bilaga 2 visas vilka lysdioder/fototransistorer som användes. Figur 13. Bilderna visar en lysdiod (till vänster) och två fototransistorer (till höger). 22

28 Utförande Undersökning 3 Fotopletysmografi Förstärkarelektronik För att kunna behandla det ljus som emitteras av lysdioden så behöver det omvandlas från en optisk signal till en elektrisk signal. Detta gjordes med en fototransistor, ett motstånd och en spänningskälla. Fototransistorn öppnar olika mycket beroende av det ljus som träffar basen. När transistorn öppnar flyter en ström mellan collector och emitter, denna ström leds genom ett motstånd för att skapa en spänning som motsvarar ljusintensiteten. Efter att signalen har omvandlats från optisk till elektrisk så behöver den förstärkas upp till en hanterbar amplitud. Detta gjordes genom förstärkning i de filter som användes. Beroende av valet mellan röd och infraröd lysdiod och var på handen man belyser så behövs olika mycket förstärkning. Detta på grund av att karakteristiken på de valda komponenterna skiljer sig åt. Förstärkningen delades upp i två steg och beroende av hur stark signal som mottogs, till följd av karakteristiken, så hade man möjligheten att läsa av utsignalen i ett eventuellt tidigare steg. I de båda stegen sattes förstärkningen till G 25 ggr. Den totala förstärkningen blir G = 25*25 = 625 ggr. För extra finjustering, placerades en potentiometer på utgången av första förstärkarsteget. Förstärkningen gjordes med hjälp av två operationsförstärkare. Kretsschema till fotopletysmografen är ej medtaget i rapporten Signalbehandling Den analoga signalbehandlingen blev inte särskilt avancerad för denna koppling. Två bandpassfilter användes där dc-komponenten och höga, icke intressanta frekvenser, filtrerades bort. Precis som vid konstruktionen av EKG-förstärkaren, simulerades först filtren för att se hur pass- och stoppband låg i frekvens. Storleken på resistorer och kondensatorer räknades fram med hjälp av kalkylator. Filtrering Förutom den filtrering som är de två bandpassfiltrens huvudsakliga uppgift så jobbar de även som förstärkare. Passbandet på bandpassfiltren sattes till 1-6 Hz och detta för att filtrera bort dc-spänning och framförallt 50 Hz-brus. Utformningen på bandpassfiltren är ett högpassfilter på ingången och ett lågpassfilter i återkopplingen på operationsförstärkarna. Innan beslut togs att bara använda dessa två filter så prövades även ett lågpass Chebychev av två olika ordningar sist i kopplingen för att få bort ytterliggare 50 Hz-brus, men utan betydande verkan. Ordningen på de båda bandpassfiltren sattes till Blockschema 23

29 Utförande Undersökning 3 Fotopletysmografi Stycklista Den IC-krets som användes vid konstruktionen av PPG-förstärkaren tillverkas av Microchip (MCP6271). Denna operationsförstärkare fanns ej tillgängliga vid konstruktionen av EKGförstärkaren och användes av den anledningen ej då. Skillnaden mellan den och TS924 är att MCP6271 har lite bättre karakteristik och att den innehåller enkla op. Av kostnadskalkylen nedan framgår vilka komponenter som användes, vad de kostade samt vad totala konstruktionen kostade. Kostnadskalkyl Komponent Pris/st Antal Pris (kr) MCP6271 (OP) ~3 2 6 Motstånd 0,22 9 1,98 Kondensatorer ~0,40 4 1,60 Lysdiod 1,05 1 1,05 Fototransistor 0,67 1 0,67 Totalt 11,30 Tabell 4. Visar uppskattad komponentkostnad. I 9.2 Bilaga 2 visas fakta om IC-kretsen och sensorerna. 24

30 Utförande Undersökning 3 Fotopletysmografi Pulsmätningstest Målet med detta test var att se hur bra det går att mäta puls i handen och på vilka ställen detta fungerar. För att kunna testa elektroniken och undersöka om pulsmätning var möjlig behövdes en modell att sätta sensorerna i. Denna modell svarvades i trä till vad som liknar en stafettpinne. I denna borrades hål på diverse ställen till fördel för dioder och transistorer. Olika placeringar runt pinnen prövades för att se var man kan tänkas mäta pulsen med PPG. Den här pinnen ska hållas i en hand. Figur 14. Handen håller runt pinnen och tummen sätts till vänster. I de stora hålen sätts en lysdiod och i de små, en fototransistor. Följande kombinationer testades: A1 A2 B3 B4 C3 C4 D3 D4 Förutom dessa olika kombinationer så testades även att mäta på ett avstånd från handen. Detta gjordes genom att fototransistorn flyttades från fyra centimeters avstånd till handen, till en centimeter och till sist precis under handen, d.v.s. X2 = 4 cm, X2 = 1 cm och X2 = 0 cm. X1 hölls konstant under hela experimentet till två centimeter. Figur 15. Visar hur diod och fototransistor placerades i höjdled inuti pinnen. 25

31 Utförande Undersökning 4 Impulsmätning 5.5. Undersökning 4 Undersökning av impulsmätning Teoretisk beskrivning av impulsmätning Teorin bakom denna mätmetod är ganska simpel. Den bygger på att använda en sensor känslig för tryck, en sensor som reagerar på mekanisk kraft och omvandlar den till en elektrisk spänning. Till detta kan man använda en piezoelektrisk sensor. När det piezoelektriska materialet deformeras förstörs symmetrin av negativa och positiva laddningar som finns i materialet och en spänning genereras [4]. Tanken med denna teori är att placera en piezoelektrisk sensor någonstans på handen där den kan detektera pulsen genom att materialet deformeras som en följd av den tryckändring som sker när blodet pulserar. Denna deformation kommer att leda till en elektrisk signal som uppvisar pulsen. En piezoelektrisk sensor valdes som tryckkänslig sensor Tillförlitlighet Det här är en teknik som inte används i någon större utbredning. Det går att hitta en del rapporter och artiklar där man använt piezoelektriskt material till att mäta puls och blodtryck. I rent medicinskt syfte används möjligtvis denna teknik i större utbredning, men ej på kommersiella produkter. På de produkter man använt denna teknik så har man använt sig utav piezoelektrisk film (se figur 16, till vänster), och det framgångsrikt. Denna film har då applicerats på handleden där pulsen är väldigt stark. Att använda en piezosummer (se figur 16, till höger) är också något som ska fungera, men inga artiklar har funnits där man gjort på det sättet. Idén bygger på att, precis som med piezofilmen, placera piezosummern på handleden och då denna utsätts för tryck få ut en elektrisk signal Sensor Två varianter av piezoelektriska sensorer testades, piezofilm och piezosummer. Detta gjordes för att se skillnaden mellan dem. Piezosummern används normalt som ljudkälla genom att man lägger på en signal på ingången. I denna undersökning användes summern bakvänt genom att man utför en kompression på det membran som normalt genererar ljud och erhåller en signal mellan de sladdar där man normalt lägger på en signal. Piezofilmen däremot är konstruerad för det ändamålet att man ska deformera piezomaterialet och läsa av en signal. Figur 16. Bilderna visar de piezosensorer som användes i undersökningen. Filmen till vänster och summern till höger. 26

32 Utförande Undersökning 4 Impulsmätning Förstärkarelektronik Till en piezoelektrisk sensor kan man koppla antingen en spänningsförstärkare eller en laddningsförstärkare. En laddningsförstärkare använder en kapacitiv återkoppling istället för en resistiv. Fördelen med att använda en laddningsförstärkare är att man tar bort beroendet av kabelkapacitansen mellan sensorn och kopplingsplattan. Detta är bra om kabeln är lång [5]. En piezoelektrisk film har inte endast en piezoelektrisk effekt utan även en pyroelektrisk effekt. Detta innebär att filmen även reagerar på värme. Om man kopplar filmen med en laddningsförstärkare så framhäver man de pyroelektriska egenskaperna hos filmen. Detta är något man inte vill då piezofilmen ska användas till att detektera puls och inte värme. Som förstärkare valdes en spänningsförstärkare. Förstärkningen i denna spänningsförstärkare gjordes mot slutet, efter ett bandpassfilter. Förstärkningen delades här upp i två inverterade steg. Förstärkningen i det första inverterade steget sattes till G 21 ggr och i det andra steget till G 17 ggr. Totalt ger detta en förstärkning på G 360. Denna förstärkarkoppling kommer i fortsättningen att refereras till som koppling 1. Alternativ vid konstruktion När man använder en trycksensor är störningar ett stort problem, då filmen och summern förändrar utsignalen vid minsta deformation av piezomembranet. Dessa deformationer sker väldigt lätt när till exempel en liten muskel rör sig. Tyvärr så är pulsen en svag signal och därför är det svårt att skilja på önskad och oönskad signal. En idé för att bli av brus, som prövades, är att använda två sensorer kopplade till en instrumentförstärkare. Tanken här var att den ena sensorn endast skulle registrera muskelrörelser och rörelser i stort medan den andra sensorn skulle registrera samma saker plus pulsen. När sedan differensen tas mellan dessa två signaler så försvinner de oönskade signalerna och den önskade signalen bibehålls. Förstärkningen sker i instrumentförstärkaren som sitter i början. Efter detta sker endast filtrering. Förstärkningen i denna koppling sattes till G 250 ggr. Lite svagare än ovan, men det är för att kopplingen ovan är justerad för att få ut största möjliga våg, vilket ej gjordes med denna koppling. Denna förstärkarkoppling kommer i fortsättningen att refereras till som koppling 2. Kretsschema till den första kopplingen återfinns i 9.4 Bilaga 4. Kretsschema för den andra kopplingen är ej medtaget, då ingen förbättring gavs i jämförelse med den första kopplingen. 27

33 Utförande Undersökning 4 Impulsmätning Signalbehandling Vid impulsmätning är det förändringen i tryck som är intressant och då är det, precis som vid tidigare undersökningar, ac-delen av signalen som är intressant och likspänningen som måste filtreras bort. Även höga frekvenser är onödiga och de filtrerades bort; ett bandpassfilter användes. Att mäta tryck är ett långsamt förlopp vilket betyder att den övre gränsen på bandpassfiltret kunde sättas ganska så lågt. Filtrering Som filtrering i början av kopplingen användes två Butterworth-filter av andra ordningen, ett lågpass- och ett högpassfilter. Filtret sattes att släppa igenom 0,5 till 8 Hz. Ett ganska så brett spektra av frekvenser, då 8 Hz motsvarar en väldigt hög puls (480 slag/min). Denna övre gräns går att sänka med ett par hertz. I slutet av kopplingen sattes ytterliggare ett lågpassfilter för filtrering av 50 Hz-brus som tagits upp av kopplingen, efter förstärkningen. Alla Filter simulerades innan de konstruerades i praktiken Blockschema Stycklista Här användes samma IC-krets som till PPG-förstärkaren, MCP6271. Kostnadskalkylen nedan visar vilka komponenter som användes. Kostnadskalkyl Komponent Pris/st Antal Pris (kr) MCP6271 ~ Motstånd 0, ,86 Kondensatorer ~0,40 6 2,40 Piezofilm 23, ,76 Totalt 27 50,02 Tabell 5. Visar uppskattad komponentkostnad. I 9.2 Bilaga 2 visas fakta om IC-kretsen och i 9.3 Bilaga 3 visas fakta om sensorerna. 28

34 Utförande Undersökning 4 Impulsmätning Pulsmätningstest Vid test av piezoförstärkaren så användes samma placeringar för såväl piezosummern som piezofilmen. Först applicerades de på kända pulsstarka ställen för att sedan flyttas till handen för att se om det även fungerade där. Följande ställen prövades: Hals Handled Hand 29

35 Utförande Kretskort 1.0 (PPG) 5.6. Kretskort 1.0 Fotopletysmografi Syfte Efter att de grundläggande undersökningarna genomförts, där tre mätmetoder studerats, togs beslut om att gå vidare med en av dessa. Fotopletysmografi ansågs vara den enda teknik av de tre som hade en möjlighet att fungera. Ett beslut togs att gå vidare med PPG och nästa steg bestod i att konstruera ett kretskort. Grunden till beslutet presenteras och diskuteras i kapitel 6 Resultatsammanställning Mönsterkortsdesign Schema och pcb designades med hjälp av cad-verktyget Cadstar. Krav fanns på storlek av kortet, då det skulle passas in i en framtagen kapsling. Vissa modifikationer gjordes på schemat i jämförelse med det schema som användes i den inledande undersökningen. En Förändring som gjordes är en del filterjusteringar för att kunna mäta en puls mellan 40 och 200 slag/min, vilket är ett standardintervall på kommersiella pulsmätare. För att åstadkomma detta intervall, sänktes brytfrekvensen aningen på både högpass- och lågpassfiltret. Lågpassfiltret sattes att bryta strax över 0,5 Hz och högpassfiltret vid 3,5 Hz. En annan förändring som gjordes var att addera en komparator på utgången av andra operationsförstärkaren. Den placerades där för att gå hög vid varje pulstopp Test av kretskort Efter att kretskortet konstruerats, testades det mot, ett på förhand skrivet, granskningsprotokoll. När kortet checkats av mot detta granskningsprotokoll, skrevs ett enklare dokument med kommentarer kring förbättringar inför nästa version. 30

36 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) 5.7. Prototyp 1.0 Konstruktionsbeskrivning Nästa steg i utvecklingen av pulsmätaren var att konstruera en prototyp. Genom att göra så, fick man något att diskutera kring och eventuella brister skulle uppdagas då produkten togs från kopplingsplattan till vad som började likna en produkt. Att få ner all elektronik på kort och få in denna elektronik i en kapsling var viktigt ur det hänseendet att produkten togs närmre verkligheten och man fick möjligheten att testa den på allvar. Det huvudsakliga målet med denna prototyp var att kunna redovisa en puls på en display i en lugn miljö för att på så sätt visa att tekniken håller. Kring denna konstruktion gjordes en konstruktionsbeskrivning som beskriver och kartlägger prototypen för framtida modifikationer Kapsling Den kapsling som användes togs fram av kund. En del av elektroniken (kretskort 1.0) placerades i denna kapsling. Resterande elektronik placerades utanpå kapslingen p.g.a. utrymmesproblem. Hål borrades i kapslingen till förmån för sensorn, som består av en lysdiod och en fototransistor Systemöversikt Teknik Tekniken som används i pulsmätaren är fotopletysmografi (PPG). Block 1 - Sensordel Sensordelen i pulsmätaren består av analog elektronik för förstärkning och filtrering i form utav operationsförstärkare och filterkomponenter. Komponenterna är monterade på ett mönsterkort (kretskort 1.0) framtaget i Cadstar. Kretskortet placerades i handtaget på pulsmätaren och sensorn drogs till ovansidan på pulsmätaren. Block 2 - Processordel Processordelen består av en PIC-processor (PIC18F2550) från Microchip, och kringelektronik för att driva processorn. Denna elektronik placerades på ett labkort. Labkortet sattes utanpå handtaget. Valet av processor grundades på ett antal kriterier som ställdes innan beslut togs. Ett krav var att processorn skulle vara USB-kompatibel, liten, men också tillräcklig i det hänseendet att det fanns tillräckligt med I/O:s för ändamålet och att vissa viktiga funktioner fanns tillgängliga såsom inbyggd komparator och A/D-omvandlare. Liten för att ta lite plats, USB för att kunna skicka data i snabb hastighet till en persondator, komparator och A/D för att kunna hantera signalen på ett smidigt sätt. På kretskort 1.0 sitter en komparator, men den kopplades bort, då inbyggd komparator finns i processorn. 31

37 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) Block 3 - Display Den display som användes var en 3x7 segments LED-display. Displayen placerades på samma labkort som processorn sitter på. Denna display valdes för att den har tre siffror vilket är nödvändigt för att kunna visa en puls högre än 99 och för att den ansågs enkel. Figur 19. Bilden visar en LED-display, liknande den som användes i prototyp 1.0. Matning Pulsmätaren matas med antingen ett 9V-batteri eller en AC/DC-adapter. SENSOR PROCESSOR PIC18F2550 DISPLAY 3x7 LED Figur 20. Blockschema som visar de tre blocken som tillsammans skapar pulsmätaren. 32

38 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) Systembeskrivning Block 1 - Sensor I detta block tas pulsen fram i form utav en analog kurva där vågtoppar motsvarar hjärtslag. Efter att signalen filtrerats så vidarebefordras den till block 2, där en processor tar emot den för att beräkna pulsen. Block 2 - Processor I detta block läses den analoga signalen in för beräkning av pulsen. Detta görs med hjälp av en, i processorn inbyggd, komparator samt instruktioner (kod). Komparatorns uppgift är att känna av när det kommer en puls och när det inte gör det. När det kommer en puls så ska komparatorn jämföra amplituden (nivån) på pulstoppen med en referensnivå för att sedan antingen godkänna pulsen som en etta eller underkänna pulsen som en nolla. På detta sätt vet processorn när det kommer en puls från block 1. Sedan räknas pulsen fram av processorn efter de instruktioner som givits. En beskrivning av koden ges i kapitel Firmware. Block 3 - Display Detta är det visuella blocket, där resultatet visas av den signal som startade i block 1. Resultatet visas på en display i form utav siffror på tre positioner. Vad som visas på displayen bestäms av processorn i block 2. LED-displayen har 10 ben som styrs av processorn. Sju av dem styr vilka segment som ska lysa och de övriga tre styr vilken position som ska användas Firmware Kodbeskrivning När programmet startar görs först en del initieringar och efter det väntar en fördröjning på ett par sekunder innan huvudprogrammet startar. Efter fördröjningen körs en loop i väntan på en puls. När en puls kommer så startar en timer för att mäta tiden från denna första puls till nästa puls och med hjälp av den tiden kan pulsen räknas fram. Detta sker sedan tio gånger för att samla in tio pulsvärden. Dessa pulsvärden sorteras sedan från den högst uppmätta pulsen till den lägsta, sedan tas de två högsta och två lägsta värdena bort från listan och sex pulsvärden återstår. På dessa sex pulsvärden tas sedan ett snitt som återges på displayen. Programmet fortsätter och nu puttas det äldsta värdet av de tio bort för vart nytt värde som läggs in. Listan med värden innehåller med andra ord hela tiden tio värden. Nu presenteras pulsen mer frekvent. Efter att tre nya värden samlats in så görs proceduren igen med sortering, bortplockning av data och snittberäkning. När detta gjorts redovisas pulsen på displayen igen. Programmet fortsätter efter detta på samma sätt genom att hela tiden samla in tre nya värden och redovisa pulsen. 33

39 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) Figur 21. Blockdiagram som beskriver firmware för huvuddelen av programmet, där de första 10 värdena samlas in och pulsen redovisas. 34

40 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) Algoritmbeskrivning Algoritmbeskrivning De algoritmer som användes var av enklare slag och dessa beskrivs nedan. Anledningen till att de var av enklare slag är att denna prototyp endast skulle visa hur och att tekniken fungerar. Algoritm 1 Den analoga pulskurvan som läses in av processorn består av en stor puckel och en liten släpande puckel för varje hjärtslag (se figur 22). När pulsen ska beräknas måste en puckel väljas att arbeta med för att det inte ska bli inkonsekvent vilket har till följd att den beräknade pulsen blir felaktig. Figur 22. Bilden visar ett pulståg bestående av sex hjärtslag. Om den första puckeln (den stora) väljs, vilket faller sig naturligt, så kan det vara smart att vänta i en fördröjnings-loop till nästa puckel (den lilla) har passerat för att inte läsa av den också. Tiden man behöver vänta mättes upp på ett oscilloskop. Det finns en maxtid som man får vänta och den maxtiden är 0,3 sekunder. 0,3 sekunder motsvarar 200 slag/min (se ekvation 2). Vad som menas med detta är att vid en puls på 200 slag/minut så kommer pulstopparna med 0,3 sekunders mellanrum. Anledningen till att man inte bör vänta längre är att en puls på uppåt 200 slag/minut ska gå att mäta, dvs. det är fysiskt möjligt att ha en så hög puls. Konsekvensen av att vänta lite till är den att högsta nivån på antal slag per minut som går att mäta upp, sänks. 0,4 sekunders fördröjning skulle innebära att maxpulsen som går att mäta blir 150 slag/minut (se ekvation 3). Konsekvensen av att vänta mindre än 0,3 sekunder är den att högsta pulsen som går att mäta upp ökar till en orimlig nivå rent fysiskt sett. Ingen normal människa kan ha en högre puls än runt 200 slag/minut. Då högstanivån ökar till orimliga höjder, ökar risken för att mäta upp ett felaktigt värde. 35

41 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) Det går alltså att vänta 0,3 sekunder. Att vänta i 0,3 sekunder behövs dock ej för att täcka in den lilla puckeln, men det finns en fördel med att vänta maxtiden och den är att man filtrerar bort alla osannolikt höga pulser och andra störningar under fördröjnings-loopen. Om man ser till figur 45 så skulle en 0,3-sekunders fördröjning innebära att varannan pulstopp filtreras bort, vilket är helt okej eftersom att pulsen i exemplet är uppe i 300 slag/minut. Om man då skulle filtrera bort varannan topp i exemplet, så skulle en puls på 150 slag/minut redovisas, vilket också är fel! Men detta är inget man behöver fundera kring då ingen människa kan uppvisa denna höga puls. Enda tillfället då två pulstoppar skulle komma så tätt inpå varandra är vid en störning av signalen, men då är det inte troligt att denna störning upprepas gång på gång. Så länge man har de fysiska min- och maxgränserna i åtanke så finns ingen risk för feltolkningar. I programmet som skrevs till denna prototyp sattes fördröjningen till 0,28 sekunder, vilket motsvarar 214 slag/min. Anledningen till 0,28 istället för 0,3 är att det blev praktiskt gångbart vid skrivningen till timern i processorn, plus att det är bra att ha lite marginal till högstanivån. 60 Ekvation 2: = 200 slag/minut 0,3 60 Ekvation 3: = 150 slag/minut 0,4 Figur 45. Bilden visar ett pulståg med takten 300 slag/minut. 36

42 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) Algoritm 2 Vid insamling av data så får man räkna med att det kommer in en del konstiga pulsvärden av diverse anledningar. Om tio pulsvärden samlas in så kan man på förhand räkna med att 1-4 stycken troligtvis inte stämmer. Hur många de felaktiga värdena egentligen är vet man inte, det beror på hur pulsmätaren används och av den anledningen måste man uppskatta antalet felaktigheter. I detta fall har antalet felaktiga pulser uppskattats till att ligga uppåt max 40 %. För att inte redovisa dessa felaktiga pulser så kan man samla in tio värden och plocka bort de fyra troliga felen. Denna algoritm bygger på att man samlar in tio värden, sorterar dem i ordning och plockar bort de två högsta och de två lägsta värdena. När sedan de felaktiga värdena plockats bort så återstår sex värden. Nu tas ett snitt på dessa sex värden för att få ett mer trovärdigt resultat. Algoritmen fungerar enligt figur 23. Genom att göra på det här sättet har man fått bort de felaktiga värdena och på så sätt ett mer trovärdigt resultat. Om det visar sig att dessa 1-4 värden stämmer till trots, så är ingen skada skedd. Pulsen förändras så pass sakta att det inte är av någon större betydelse om ett riktigt värde sorteras bort. Den enda påverkan denna algoritm har på resultatet är att man får ett släpande beteende på utsignalen, då de äldre värdena är med och påverkar de nyinkomna värdena. Om man istället skulle redovisa varje värde för sig istället för ett snitt, så skulle resultatet bli väldigt hoppigt och ryckigt. Nu blir istället resultatet en mjuk förändringshastighet. I figuren på nästa blad (se figur 23) kan man se när ett nytt pulsvärde tas in (79), vilket medför att snittpulsen stiger från 75 till 76. Om ytterliggare en puls på 79 skulle komma in så skulle pulsen stiga ytterliggare, men dock sakta. Till slut skulle man nå 79 i puls om man fortsatte att läsa in det värdet. Det skulle ta en fem-sex sekunder att reglera upp snittet till det korrekta pulsvärdet, men det är en eftersläpning man får ta då vinsten är att man till exempel kan sortera bort ett uppenbart fel som 109 då resterande värden ligger nedåt

43 Utförande Prototyp 1.0 (PPG) Exempel på hur pulsen räknas fram: 1. Tio pulsvärden samlas in Värdena sorteras i ordning De två lägsta och de två högsta värdena tas bort Snitt räknas på de sex kvarvarande värdena PULS = ( ) / 6 75 (Avrundat till närmsta heltal) 5. En ny puls (79) läses in, äldsta pulsen (77) kastas :: Värdena sorteras i ordning återigen De två lägsta och de två högsta värdena tas bort Snitt räknas på de sex kvarvarande värdena PULS = ( ) / 6 76 (Avrundat till närmsta heltal) Figur 23. Visar hur algoritm 2 fungerar. 38

44 Utförande Undersökning 5 Sensorundersökning 5.8. Undersökning 5 Sensorundersökning Syfte Syftet med denna undersökning var att säkerställa att de bästa komponenterna valts till sensorn. Bakgrunden var den att oroande mycket störningar uppträdde i signalen och för att försäkra sig om att dessa störningar inte hade med diod och transistor att göra, så undersöktes andra modeller av lysdioder och fototransistorer, men även fotodioder. Alla komponenter testades under samma förhållanden Intressanta parametrar När valen av olika dioder och transistorer gjordes, grundades dessa på följande parametrar: Typ av IR-mottagare Våglängd Strålningsvinkel Montering (hål- eller ytmontering) Signalstyrka Sensorer Följande komponenter valdes med ovanstående parametrar som grund: IR383 (Lysdiod, Har använts sedan tidigare) SFH4503 (Lysdiod) GL100MN1MP1 (Lysdiod, ytmonterad) PD202B (Fotodiod) SFH203FA (Fotodiod) PT204-6B (Fototransistor, Har använts sedan tidigare) OP705A (Fototransistor) TEFT4300 (Fototransistor) PT100MC0MP (Fototransistor, ytmonterad) Störningstest Dessa totalt nio komponenter testades i tre olika ljusförhållanden och vid tre olika rörelser. De testades i alla möjliga kombinationer, totalt 11 stycken. De två ytmonterade komponenterna testades enbart mot varandra. Följande ljusförhållanden testades: Vanligt kontorsljus (lysrör ca två meter ifrån sensorn) Mörker Lysrör en decimeter ifrån sensorn Följande rörelser åsamkades sensorn: Ingen rörelse Periodvis lugn rörelse (en lugn och jämn rörelse) Snabb rörelse (en ryckig rörelse) 39

45 Utförande Undersökning 6 Sensorplaceringstest 5.9. Undersökning 6 Sensorplaceringstest Syfte Det visade sig under de inledande undersökningarna att avståndet mellan sändare och mottagare spelade ganska så stor roll. Av den anledningen genomfördes denna undersökning för att ta reda på vilket avstånd som är optimalt. Med optimalt menas det avstånd som ger starkast signal. Med en stark signal behövs mindre förstärkning och mindre förstärkning innebär bättre batteritid. En stark signal innebär även ett bättre signal/brus-förhållande Testrigg För att kunna undersöka detta på ett noggrant sätt så togs sju modeller (klossar) fram av ett designföretag, i vilka sensorn placerades. Klossarna utrustades med två hål, ett för lysdioden och ett för fototransistorn. På varje kloss sattes avståndet mellan lysdiod och fototransistor till olika avstånd, i steg om en millimeter. Klossarna ser ut enligt ritningen nedan (figur 24). Figur 24. Visar hur testklossarna ser ut som användes vid avståndsundersökning mellan lysdiod och fototransistor. 40

46 Utförande Undersökning 6 Sensorplaceringstest Signaltest i handen Testklossarna flyttades runt i handen för att undersöka hur stark signalen är på olika ställen. 19 testpunkter valdes. Vid varje testpunkt undersöktes de sju avstånden. Totalt genomfördes 133 mätningar (19x7). Bilden nedan (figur 25) visar var de 19 testpunkterna är lokaliserade på handen. Ringen med siffran i visar var klossen placerades och rektangeln bredvid testpunkten visar hur klossen var vänd. Det stora hålet i rektangeln motsvarar lysdiodens placering och det lilla, fototransistorns placering. På nästa sida förklaras i bättre detalj hur klossarna placerades på handen. 2a 1a 2b 3a 1b 3b 1c 2c 3c 4 5 9a 9b 9c 6b 8 7b 7a 6a 43 mm Figur 25. Figuren visar en vänsterhand där alla testpunkter är utsatta. Figuren innehåller även testklossarna för att visa hur de var vridna under testet. 41

47 Utförande Undersökning 6 Sensorplaceringstest Placering av klossarna När klossarna sattes mot de olika delarna av handen så gjordes detta med hjälp av den andra handen. Det tryck som applicerades på dem kan ha varierat en aning mellan mätningarna och på det sättet påverkat resultatet, men strävan var att hålla ett så jämnt tryck som möjligt vid varje mätning. När testpunkterna på fingrarna undersöktes så placerades klossarna i mitten av varje segment som tillsammans skapar fingrarna. På lillfingret undersöktes endast det övre segmentet då de andra är för små för att få ett tillfredställande avstånd mellan diod och transistor. Klossarna placerades på detta viset vid testpunkt 1-5. Vid testpunkt 6a placerades klossen så att lysdiodens centrum hamnade ca 43 mm från roten på lillfingret och ca 15 mm in från sidan av handen. Vid testpunkt 6b placerades klossen med samma avstånd till lillfingret och direkt jämte klossen i 6a. Vid testpunkt 7ab placerades klossarna direkt under klossarna i 6ab. Vid testpunkt 8 placerades klossen mitt på den stora muskeln till tummen. Vid testpunkt 9abc placerades klossarna ca mm från roten till fingrarna på tre ställen jämte varandra. På de ställen där det ansågs nödvändigt så snurrades klossen ett halvt varv för att undersöka skillnaden. 42

48 Utförande Undersökning 7 LCD-displayer Undersökning 7 LCD-displayer Syfte På en eventuell slutprodukt vill man presentera pulsen på en LCD-display. Av den anledningen genomfördes en undersökning av displayer, där svenska underleverantörer av LCD-displayer kontaktades för att diskutera pris, modeller och typ av display Typ av LCD Valet stod mellan två typer av displayer, grafisk eller alfanumerisk. Den alfanumeriska har den fördelen att den har ascii-tabellens tecken förinstallerade, vilket betyder att det är enkelt att skriva ut dessa tecken på displayen. Man kan också välja bort vissa av dessa tecken för att lägga in ett eget tecken. Dessa tecken kan endast skrivas på avgränsade pixelytor. I figur 26 visas en alfanumerisk LCD och där kan man se dessa pixelytor som mörka block där ingen text är skriven. Dessa pixelytor sitter inte ihop, utan har ett avstånd mellan sig. Detta medför ett problem om man skulle vilja skriva ut ett tecken som är större än en sådan pixelyta. Då skulle tecknet ej sitta ihop och skulle av den anledningen se konstigt ut. En idé när displayer har diskuterats är att låta ett hjärta blinka i takt med pulsen, men skulle man då vilja lägga in en sådan symbol så skulle det hjärtat behöva läggas in på en sådan smal pixelyta. Ett annat problem med de alfanumeriska displayerna är att de ofta är väldigt breda, vilket medför att pulsmätaren skulle behöva bli lika bred plus extra material runt displayen. Alternativet till den alfanumeriska displayen är en grafisk display (se figur 27). På en grafisk display ges möjligheten att skriva precis vad man vill. Alla pixlar ligger inpå varandra och inga mellanrum ställer till det. Nu till nackdelen med de grafiska displayerna, alla tecken, symboler, bokstäver och siffror måste byggas upp med kod, genom att vrida varenda pixel som behövs för det aktuella tecknet. Figur 26. Alfanumerisk LCD-display. Figur 27. Grafisk LCD-display. Displayerna ovan visar bara på skillnaden mellan den grafiska och den alfanumeriska displayen, ingen av dem hade med projektet att göra. 43

49 Utförande Undersökning 7 LCD-displayer Krav på display Följande krav ställdes på displayen: Max bredd 5-6 cm. Max höjd 3-4 cm Tunn Kunna skriva ut specialtecken, typ hjärta Bakgrundsbelysning Seriellt interface Integrerad kontrollerkrets Tillräckligt temperaturområde Matning i intervallet 0-5 V Strömsnål Billig Displayen skulle vara relativt liten för att hålla pulsmätaren så liten som möjligt. Liten både till ytan och tjockleken, för att spara utrymme i kapslingen. Att kunna skriva specialdesignade tecken såsom batterisymbol och hjärta var ett tydligt krav och detta gjorde att de alfanumeriska displayerna genast sorterades bort. Bakgrundsbeslysning var ett krav för att kunna använda pulsmätaren under hela dygnet. Seriellt interface var inget egentligt krav, men det spar en massa I/O:s och underlättar vid programmeringen av displayen. Integrerad kontrollerkrets är viktigt för att kunna styra displayen på ett smidigt sätt. Temperaturområdet skulle sträcka sig ner mot minusgrader, då kyla är ett problem i norden. Lägre än minus är svårt att hitta en LCD som klarar. LCD-displayen matas med en stor negativ spänning (ner mot -12 V). För att slippa mata LCD:n med -12 V externt så var det viktigt att det finns en integrerad DC/DC-omvandlare, som medförde att man kunde mata hela kretsen med en positiv spänning mellan 0 och 5 volt. Displayen skulle vara strömsnål och här handlar det främst om bakgrundsbeslysningen som normalt kräver 40 ma. Denna bakgrundsbelysning fick absolut inte dra mer än 40mA. Slutligen skulle displayen vara billig. Ett tak sattes vid kronor/styck, vid en kvantitet av stycken. 44

50 Utförande Undersökning 7 LCD-displayer Val av display När kraven bestämts så undersöktes marknaden och kontakt togs med fyra företag. Möten stämdes med två utav dem, där de fick prata för sina produkter. Efter att beslut tagits att välja en grafisk displaye, så fanns fortfarande två alternativ, standard eller specialtillverkad display. En specialtillverkad display skulle kosta mer vid köp i låg kvantitet, då en initial verktygskostnad krävs, men i större volymer skulle man kunna få precis den design man vill till ett bra pris. Här var det inte tal om några större volymer till en början och en standardlösning valdes. Prover beställdes hem från tre leverantörer. Den typ av LCD som höll för kraven var en COG (Chip On Glass) liknande den i figur 44. De tre proverna hade olika upplösning och var av olika storlekar. Priset på alla tre låg runt 50 kr/st. Figur 44. Grafisk LCD (COG). 45

51 Utförande Prototyp 1.1 (PPG) Prototyp Syfte Syftet med att konstruera denna andra prototyp var att kunna visa upp pulsmätaren för kund i en annan tappning. En annan display och kapsling användes, men elektroniken i den var densamma som till prototyp 1.0, förutom den extra elektronik som krävdes för displayen Kapsling En annan kapsling användes än den som tidigare använts. Denna kapsling fyllde samma funktion, men den innehöll mer utrymme för elektroniken, vilket medförde att all elektronik kunde placeras i kapslingen Övrigt Inga förändringar gjordes när det gäller systemet. Kretskort 1.0 och samma processor (PIC18F2550) användes. Samma program användes som grund, med en del justeringar när det handlar om att skicka data till displayen. Kortet som processorn sitter på behövde justeras även den då displayen krävde en del kringelektronik för att fungera. Inga kretsscheman eller systemskisser redovisas för denna prototyp då de är de samma som för tidigare prototyp. 46

52 Resultatsammanställning Undersökning 2 Elektrokardiografi 6. Resultatsammanställning 6.1. Undersökningar Undersökning 2 Elektrokardiografi Två kopplingar testades vid konstruktionen av EKG-förstärkaren, koppling 1 med instrumentförstärkare (IA) på kisel och koppling 2 uppbyggd av operationsförstärkare (OP). Elektroderna sattes på höger och vänster handled vid test av båda förstärkarna. Koppling 1 Kopplingen gav en fin signal, men alldeles för stor drift i höjdled vid rörelse. Signalen var för instabil för att experimentera vidare med och koppling 2 prövades. Analys Att koppling 1 inte fungerade bra kan ha med olika parametrar att göra. INA122 (IA) är uppbyggd av två operationsförstärkare (se figur 28), vilket leder till ett par problem. För det första har signalen från Vin- en större utbredningsfördröjning än signalen från Vin+, och för det andra så bör man förstärka ganska så mycket med en IA uppbyggd av två OP för att få den stabil. I EKG-förstärkaren finns det ej någon möjlighet till detta, då rekommendationen är att endast förstärka 1-10 ggr 5. För det tredje så går det inte att koppla in dc-restoratorn på önskat ställe p.g.a. utformningen av IA. Instrumentförstärkare uppbyggda av två operationsförstärkare är generellt inte att rekommendera, då de är instabila. Möjligtvis kunde det ha fungerat bättre med en instrumentförstärkare konstruerad av tre operationsförstärkare. Figur 28. Instrumentförstärkare uppbyggd av två operationsförstärkare. 5 Se kapitel Signalbehandling 47

53 Resultatsammanställning Undersökning 2 Elektrokardiografi Koppling 2 Denna koppling gav en fin signal, med lite brus i förhållande till signal. Väldigt lite drift i höjdled. (se figur 29) Analys Med koppling 2 gick det att koppla som det var tänkt från början, och signalen blev också mycket stabilare. DC-restoratorn gick att koppla in på ett från början tänkt ställe, vilket medförde att dc-nivån hölls stabil. De förbättringar man kan göra på förstärkardelen är att bryta upp sista steget i två steg för att få kopplingen lite stabilare, då 1400 gångers förstärkning är alldeles för högt för ett steg. Det kan vara en anledning till att man i figur 29 ser lite oscillering mellan topparna. Helst skulle man också vilja ha dc-restoreringen lite tidigare (direkt efter IA) för att få den summeringen att gå snabbare, men ett filter behövdes där. Figur 29. Bilden är tagen från ett oscilloskop och visar hjärtfrekvensen framtagen med hjälp av koppling 2 mellan höger och vänster handled. Den högsta vågen är den så kallade R- vågen. Efter att goda resultat mellan höger och vänster handled fåtts med koppling två, valdes den förstärkaren att användas för vidare experiment. 48

54 Resultatsammanställning Undersökning 2 Elektrokardiografi Filtersimulering En filtersimulering gjordes med olika brytfrekvenser och nedanstående tabell visar hur mycket 50 Hz-bruset dämpas vid de olika brytfrekvenserna. Brytfrekvens (Hz) Dämpning vid 50 Hz (db) Tabell 6. Visar hur mycket brus med frekvensen 50 Hz dämpas beroende av hur tidigt man sätter brytfrekvensen. Filterlaborering Filtren undersöktes skarpt med hjälp av en funktionsgenerator och ett oscilloskop. Laborering med olika brytfrekvenser på det aktiva filtret gav följande resultat: Att kapa alla frekvenser över 15 Hz gav en mycket fin signal, men R-vågen blev alldeles för låg i amplitud. Det var knappt någon skillnad mellan R- och T-vågen. Kapning vid 20 Hz gav en lite högre R-våg och lite brusigare signal. Vid 25 Hz börjar R-vågen bli så pass hög att det inte blir några problem med att missta den för T-vågen. Ingen större skillnad i brusnivå mot att kapa vid 20 Hz. Vid 30 Hz blir det brusigare och amplituden på R-vågen stiger. Brytfrekvensen sattes efter detta experiment till 25 Hz för vidare experiment. I kapitel 9.5 Bilaga 5, visas en graf över simuleringen av det aktiva filtret med den valda brytfrekvensen 25 Hz. Analys Vid filtersimuleringen kan man se att det går att dämpa brus med ganska så många decibel om man bryter nära sitt önskade frekvensområde. Sätter man gränsen vid t.ex. 10 Hz så kan man se att 50 Hz-bruset dämpas med 55 db, vilket motsvarar ~560 gångers dämpning av signalen. Jämfört med 24 db dämpning som det är med den brytfrekvens som till sist valdes. 24 db motsvarar endast ~16 gångers dämpning av bruset, men det är viktigt vid pulsmätning att man behåller amplituden på R-vågen, så att man kan läsa av den. Det lilla brus som syns i Figur 29 skapar inga problem vid pulsmätning. Av den anledningen valdes 25 Hz som brytfrekvens. 49

55 Resultatsammanställning Undersökning 2 Elektrokardiografi Pulsmätningstest Vid pulsmätningstestet, testades olika placeringar av elektroder och följande resultat gavs: 1. Ger signalen i figur 29. En fin våg med lite brus. 2. Ger signalen i figur 30. En ganska så klar våg med lite oscillation mellan Q-R-Skomplexen. T- och R-vågen är lika höga. 3. När båda elektroderna hamnade på samma sida kan man genast se en brusigare signal, men med pulsen klart synlig i form utav R-vågen. (figur 31) 4. Amplituden har nu halverats och bruset blir alltmer påtagligt. Pulsen går fortfarande att detektera. Signalen börjar nu bli mindre motståndskraftig mot rörelser. (figur 32) 5. Nu har amplituden nästan halverats igen och mer brus syns i bild. (Notera att varje ruta nu är på 200 mv istället för som tidigare, 1 V). Pulsen syns fortfarande genom regelbundna spikar. Signalen är nu väldigt känslig för muskelrörelser. Rör man armen så drunknar signalen. (figur 33) 6. Amplituden har nu halverats igen. Spikar som motsvarar pulsen syns, men bruset är nu väldigt kraftigt. Minsta muskelrörelse och signalen försvinner. EKG-förstärkaren fungerar nu mer som en EMG-förstärkare. (figur 34) 7. Med lite fantasi kanske man kan urskilja hjärtfrekvensen i detta brus. (figur 35) 8. Denna placering gav samma resultat, en massa muskelbrus. (figur 35) 9. Denna placering gav samma resultat, en massa muskelbrus. (figur 35) 10. Ger ännu tätare brus utan någon som helst puls. (figur 36) 11. Här ser det ut som i figuren tillhörande punkt 10. Lyckas man hålla fingret helt stilla så fyller inte bruset hela skärmen. (figur 36) 12. Pulsbandsplaceringen ger en mycket fin signal, ren och utan brus. Nackdel att R-vågen är så låg i jämförelse med T-vågen. En del oscillation mellan Q-R-S-komplexen. (figur 37) Numreringen tillhör bilderna i kapitel Pulsmätningstest. Figurer på nästa sida. Analys När olika testpunkter för elektroderna testats så kunde man konstatera att det går att mäta pulsen på en arm, men att man måste hålla sig helt still för att inte brus ska dränka signalen. EKG-förstärkaren förstärker muskelrörelser som blir mycket större än hjärtsignalen. Vill man kunna röra på sig och samtidigt mäta pulsen så bör man alltså sätta mätpunkterna på olika sidor hjärtat. Helst enligt pulsbandstekniken som gav en väldigt fin kurva, men även en elektrod på vardera handled fungerar bra. Slutligen kan man konstatera att det inte går att hålla sig helt stilla och samtidigt löpträna och av den anledningen går ej denna mätmetod att bruka enligt kravspecifikation. 50

56 Resultatsammanställning Undersökning 2 Elektrokardiografi Figur 30. Resultatet av bild 2. (upp vänster) Figur 32. Resultatet av bild 4. (ner vänster) Figur 31. Resultatet av bild 3. (upp höger) Figur 33. Resultatet av bild 5. (ner höger) Figur 34. Resultatet av bild 6. (upp vänster) Figur 36. Resultatet av bild 10 och 11. (ner vänster) Figur 35. Resultatet av bild 7, 8 och 9. (upp höger) Figur 37. Resultatet av bild 12. (ner höger) 51

57 Resultatsammanställning Undersökning 3 Fotopletysmografi Undersökning 3 Fotopletysmografi Filtersimulering Innan konstruktion av PPG-förstärkaren, gjordes en simulering av de tänkta filtren för att se karakteristiken. De två graferna nedan visar passband och stoppband. Den undre kurvan (figur 39) är den intressanta då Chebychev-filtret ej användes. Här kan man se att 50 Hz-bruset dämpas med ca 30 db jämfört med en signal på 1-10 Hz. Figur 38. Detta är en kurva över ett av de Chebychev-filter som prövades. Detta filter är av ordning 2. Figur 39. Denna graf visar filtreringen när två bandpassfilter av ordning ett (övre kurvan) och ett bandpassfilter av ordning ett (undre kurvan) användes. Filtret har en pik vid 2,5 3 Hz. Den övre kurvan beskriver det filter som till slut valdes. 52

58 Resultatsammanställning Undersökning 3 Fotopletysmografi Analys Filterkurvan som simulerades fram där två bandpassfilter används är en bra kurva med tillräcklig dämpning av 50 Hz-brus. Om ett ytterliggare filter placeras i slutet, vilket även prövades, så får man en brantare dämpning efter 6 Hz, men detta är inget som behövs då signalen blev så pass fin ändå. Det finns däremot en negativ aspekt med att lägga till ett ytterliggare filter i slutet, och det är att den högsta vågtoppen kapas och smälter ihop mer med den påföljande vågtoppen. Detta är något som kan ställa till problem vid mätning av pulsen om det skulle visa sig att dessa två toppar varierar i amplitud till följd av varierat tryck på sensorn. Topp nummer två kan bli större än topp ett och detta leder till fel tidsintervall mellan vågtopparna. Om det är en tydlig skillnad mellan topparna så är risken mindre att topparna får samma amplitud vid till exempel tryck på sensorn. Det är bättre att man har en klar topp att mäta på. Den enda fördelen med att filtrera mer på slutet är att kurvan blir finare att titta på, kurvan ser lite renare och finare ut, men utan den extra filtreringen är kurvan tillräckligt fin för att kunna räkna pulsen på. Att ha två bandpassfilter istället för ett är däremot nödvändigt av två anledningar; ett bandpassfilter ger inte tillräcklig filtrering och signalen bör förstärkas i två steg. Att förstärkningen bör förstärkas i två steg är enligt databladet för komponenterna ingen nödvändighet, då de endast förstärker ett litet frekvensområde, men sunt förnuft säger att man inte bör förstärka 600 ggr i ett steg. 53

59 Resultatsammanställning Undersökning 3 Fotopletysmografi Pulsmätningstest Ett pulsmätningstest genomfördes med röd och infraröd lysdiod. Röd lysdiod Bäst placering: A2 och C3 Bäst X2: 0 cm Övrigt: Mellan mätningarna hoppade och studsade signalen hela tiden till följd av ljus från omgivningen. Vid varierat tryck med fingret varierar amplituden. Infraröd lysdiod Bäst placering: A2, B3 och C3 Bäst X2: 0 cm Övrigt: Mellan mätningarna hoppade och studsade signalen hela tiden till följd av ljus från omgivningen. Vid varierat tryck med fingret varierar amplituden. Resultat Typ av diod att föredra: Placering att föredra: Tryck: Infraröd Ett finger, med lysdiod och fototransistor nära varandra (A2) Lagom tryck, vid för högt tryck, trycks blodkärlen ihop och signalen försvinner. På följande sida syns kurvan för A2 i figur 40. Övrigt På placeringen för finger (A, 1, 2) fungerar det med alla fingrar, men aningen starkare signal på vissa fingrar. Placeringarna visas i kapitel Pulsmätningstest. Resultattabeller visas i kapitel 9.6 Bilaga 6. Infraröd lysdiod valdes att användas vid ytterliggare utveckling av fotopletysmografen. 54

60 Resultatsammanställning Undersökning 3 Fotopletysmografi Att de ovanstående kurvorna ser lite olika ut i form beror på att signalen är lite svagare i handen (undre bilden). Signalen i fingret ser egentligen likadan ut bara att operationsförstärkaren går i taket av för hög förstärkning. 55

61 Resultatsammanställning Undersökning 3 Fotopletysmografi Analys Att mäta pulsen i handen gick att göra på de flesta ställen, men vissa ställen bättre än andra. Det var egentligen ingen större skillnad mellan röd och infraröd diod. Det var lite småsaker, som att pulskurvan var olika stark, men det beror på att dioderna lyser olika starkt och att de har olika smal strålvinkel. Den avgörande faktorn till valet av infraröd diod var den att fototransistorn tillhörande den röda dioden tar upp mycket mer ljus än bara det som emitteras från lysdioden, till exempel ljus från lampor. Infrarött ljus är inte lika vanligt förekommande vilket gör att man får bort huvuddelen av störande ljus. Det ligger nära till hands att tro att inget ljus kan störa fototransistorn när man har handen över den, men faktum är att omgivande ljus strålar igenom handen och ner till transistorn på samma sätt som det ljus man bestrålar handen med, medvetet, vilket stör signalen. Fototransistorn vill man ha nära handen och det beror på att ljuset annars studsar och far i korridoren ner till transistorn och det blir ljusförluster. Detta kunde även ses i undersökningen där det ganska så snabbt framgick att X2 bör vara 0 cm. När det var klarlagt kunde man fokusera på placering av diod och transistor. Med röd lysdiod gick det bra att placera dessa nära varandra, men ej en längre bit ifrån varandra, och detta beror på att den röda dioden har en väldigt snäv emitteringsvinkel, vilket gör att ljuset inte studsar ut så långt ifrån lysdioden. Med infraröd diod gick det bra att placera sändare och mottagare en längre bit ifrån varandra, då emitteringsvinkeln är större för den infraröda dioden. Det gick lika bra att ha sensorn i handen som mot tummen, men med lite svagare signal. Anledningen till att man ändå bör välja tummen är att den är lättare att placera på en pulsmätare då man kan reglera den i en grop. Om sensorn är placerad mot handen är det lättare att välja att placera handen olika från gång till gång, vilket får konsekvensen att signalen kommer att se olika ut varje gång. När man använder en fotopletysmograf måste man tänka på att inte variera trycket för mycket, då detta medför varierad amplitud. Man får heller inte trycka för hårt då blodkärlen trycks ihop och inget blod kan pulsera igenom fingret. Fotopletysmografi är en teknik som skulle gå att använda och förutsättningarna går inte emot kravspecifikationen. Det finns många problem med tekniken, störningar som uppstår av olika anledningar, men kan man få bukt med dessa är det fullt möjligt att implementera denna teknik i en pulsmätare. Några sista ord kring denna teknik är att den inte fungerar på alla människor. Det finns många färgnyanser och storlekar/former på fingrar, och det är känt att fotopletysmografi inte fungerar på alla dessa fingrar. Detta bör man ha i åtanke när man marknadsför en eventuell pulsmätare med denna teknik som kärna. 56

62 Resultatsammanställning Undersökning 4 Impulsmätning Undersökning 4 Impulsmätning Två olika typer av kopplingar undersöktes när piezoförstärkaren skulle konstrueras. Detta för att få bukt med störningar. Först testades koppling 1. När förstärkning och filtrering var färdigjusterad så testades förstärkaren med piezoelektrisk film på handleden, där pulsen är stark. En fin signal erhölls när armen hölls blixtstilla (se figur 42). Vid minsta rörelse så svängde signalen kraftigt åt alla håll. När det konstaterats att sensorn är väldigt känslig för rörelser så testades koppling 2. Två sensorer kopplades in, en på varje ingång mot jord. Dessa två sensorer placerades sedan på ett litet avstånd från varandra på handleden. Detta gav inget vettigt, bara en massa störningar som uppenbarligen inte hade försvunnit. Koppling 2 övergavs och koppling 1 valdes för fortsatt undersökning. Även om sensorn är väldigt känslig för störningar så var det ändå intressant att se var man kunde använda den för att läsa av pulsen. Analys Den koppling som till slut valdes (koppling 1) är det inget fel på. Den fungerar bra och signalen blir riktigt fin när man sitter still. Att arbeta med en trycksensor på detta vis är svårt, då sensorn sitter där för att registrera vibrationer, vilket betyder att den verkligen registrerar alla små vibrationer. Dessa uppstår till följd av muskelrörelser, armrörelser, luftvirvlar osv. Nu är sensorn blottad och antagligen inte bäst reglerad, så att det går säkert att få bort en del störande föremål, men allt går definitivt inte att få bort genom analog filtrering. Sensorerna tejpades fast på armen, vilket inte skulle fungera om man valde att implementera denna sensor i pulsmätaren som är tänkt att användas. Den pulsmätaren vill man bara kunna greppa tag i och då uppstår nog det största problemet med den här sensorn; man måste kunna reglera det tryck som man själv applicerar på sensorn. Detta tryck måste vara konstant för att inte vågen ska driva i höjdled, vilket är omöjligt. Om man ska kunna använda en piezoelektrisk sensor så måste man nog kunna fästa den på något stabilt sätt och sedan inte påverka den. Filtersimulering En simulering gjordes med de filter som användes i koppling 1. Resultatet av denna simulering visas i kapitel 9.7 Bilaga 7. 57

63 Resultatsammanställning Undersökning 4 Impulsmätning Figur 42. Bilderna visar pulsen i form utav en tryckförändring på handleden. Övre bilden visar tre hjärtslag och nedre bilden visar ett hjärtslag. Graferna är framtagna med hjälp av en piezoelektrisk film. 58

64 Resultatsammanställning Undersökning 4 Impulsmätning Pulsmätningstest Tre ställen på kroppen testades för både piezofilmen och piezosummern. Placering Piezofilm Piezosummer Handled Hals Hand Väldigt fin signal utan brus om handen hålls stilla. (se figur 42) Fin signal, men svårt att sätta fast sensorn på ett bra sätt. Svag signal, men dock en signal. Behöver bara förstärkas mer. Knapp signal, svag med mycket störningar. Fin signal, enklare att hålla kvar, då den har ett stabilt skal. (se figur 43) Ingen signal, bara brus. Tabell 7. Visar resultatet av olika placeringar för sensorerna. Figur 43. Bilden visar pulsen i form utav en tryckförändring på halsen. Grafen är framtagen med hjälp av en piezosummer. Analys Vid jämförelse av de olika sensorerna, piezosummern och piezofilmen, så fungerade de båda, men olika bra. När de placerades på handleden så fungerade inte summern lika bra som filmen, men detta kan ha att göra med att filmen låg mycket tajtare mot huden än summern. Membranet på summern sitter någon millimeter upp i sensorn vilket gör att det blir en liten luftspalt mellan sensor och hud. När summern däremot placerades mot halsen gavs bättre resultat. Här finns mer hud och mjuk vävnad, vilket gör att sensorn får bättre kontakt. Samma resultat som gavs med summern på handleden, gavs med summern på handen, men med en svagare signal. Detta känns rimligt, pulsen är inte lika stark här och summern får lika dålig kontakt här som på handleden. För övrigt så kan man väl säga att kurvan som fås vid stillasittande är mycket fin och klart visar pulsen. Vad gäller filtreringen så är den tillräckligt bra, inget 50 Hz-brus syns i bilderna. Ingen av dessa piezosensorer går att använda i en pulsmätare för träningsbruk, för mycket störningar vid rörelse. 59

65 Resultatsammanställning Undersökning 5 Sensorundersökning Undersökning 5 Sensorundersökning En undersökning genomfördes för att ta reda på vilka sensorkomponenter till fotopletysmografen som fungerar bäst. Resultat enligt nedan: Den fotodiod som fungerade bäst var PD202B och då tillsammans med lysdioden IR383. Den fototransistor som fungerade bäst var PT204-6B och då tillsammans med antingen IR383 eller SFH4503. De ytmonterade komponenterna fungerade bra i mörker, men var alldeles för känsliga under lysrör. Alternativ 1: Alternativ 2: Alternativ 3: IR383 PD202B (fotodiod) IR383 PT204-6B (fototransistor, denna kombination har använts fram till denna undersökning) SFH4503 PT204-6B (fototransistor) Resultattabeller över denna undersökning är ej medtagna i rapporten. Analys Av resultatet att döma finns fortfarande två alternativ när det gäller mottagare, fotodiod eller fototransistor. Skillnaden mellan dessa två är inte så fasligt stor. Här bör man välja transistorn och detta av två anledningar. För det första så förstärker transistorn signalen och detta gör att mindre förstärkning behövs efter det inledande steget, och för det andra så behöver fotodioden kopplas på ett annorlunda sätt, vilket kräver minst en ytterliggare operationsförstärkare om man inte vill tumma på filtreringen. PT204-6B valdes för fortsatt arbete. När det gäller sändare finns två valmöjligheter, IR383, som valdes till en början, och SFH4503. Skillnaden mellan dessa två är den att SFH4503 har en smalare strålningsvinkel, vilket medför att avståndet mellan sändare och mottagare kan och behöver krympas för starkast signal om man jämför med PT204-6B. Skillnaden är också den att SFH4503 strålar med en högre intensitet än IR383, vilket innebär att den kan drivas med en lägre ström än IR383. Det går naturligtvis även att driva IR383 med lika lite ström, men då måste man förstärka signalen mer istället. Prismässigt så är SFH4503 ca tre gånger dyrare än IR383. Efter ytterliggare tester mellan IR383 och SFH4503 så kan man se en del skillnader i egenskaper, men ingen sticker egentligen ut som bättre eller sämre när det gäller att tåla strålning från lysrör eller stå emot skakningar på ett effektivt sätt. Ingen större skillnad förutom den prismässiga och IR383 valdes därför för fortsatt arbete. 60

66 Resultatsammanställning Undersökning 5 Sensorundersökning Man kunde efter denna undersökning konstatera att problemen som finns i signalen är infraröd strålning från lysrör och rörelser av kontaktytan mot sensorn. Strålningen påverkar vissa sensorer mer än andra, så där kan man förbättra kvaliteten på signalen genom att välja en bra sensor. När det gäller rörelser som påverkar glappet mellan sensor och hud så är det inget man kan få bort genom byte av sensor. Här handlar det mer om att få till en bra design så att detta problem blir så hanterbart som möjligt. Problemen med lysrör finns inte utomhus, där bör signalen vara bättre. Inomhus och då framförallt på ett gym återfinns dessa lysrör. Problemen med dessa blir större ju närmare man kommer dem. Kan man hålla sig på ett par, tre meters avstånd så påverkas signalen mindre. Olika lysrör strålar antagligen olika mycket och detta gör det jättesvårt att bedöma i vilka miljöer pulsmätaren kan komma att fungera på ett tillförlitligt sätt. En idé är att placera sensorn på undersidan av pulsmätaren så att den för det mesta är riktad mot golvet, där inte lika mycket strålning existerar. IR383 och PT204-6B valdes efter denna undersökning för fortsatt arbete. Dessa komponenter användes redan innan denna undersökning, alltså ingen skillnad mot tidigare. 61

67 Resultatsammanställning Undersökning 6 Sensorplaceringstest Undersökning 6 Sensorplaceringstest En undersökning gjordes för att reda på var i handen det är bäst att placera sensorn till fotopletysmografen och följande resultat gavs: Amplituden skiftar ganska så mycket när man flyttar testklossen upp och ner längs fingrarna på de tre testpositionerna. Starkast signal fås högst upp på fingret och de bästa fingrarna visar sig vara pek- och långfingret. Vid mätning mitt på handen (6ab, 7ab och 8) ges starkast signal vid testpunkt 7b. Vid mätning precis under fingrarna (9) visar testpunkt 9a starkast signal. Vid testpunkt 5 och 8 prövades att snurra på klossen ett halvt varv, men det gav ingen förändring av signalen. Testpunkterna återfinns i kapitel Signaltest i handen. Resultattabeller och grafer finns över dessa mätningar, men är inte medtagna i denna rapport. Dessa mätresultat är uppmätta med författaren av denna rapport som försöksperson och kan därav skilja vid test på annan person. Bästa testpunkter (starkast signal): 1a och 2a Bra testpunkter: 1a, 2a, 3a, 4, 5, 7b, 9a och 9b Analys Av denna undersökning att döma kan man konstatera att det går att mäta pulsen i hela handen, men med olika stark signal. Starkast signal ges på fingrarna, men vissa ställen i handen ger i stort sett lika stark signal. Om man väljer att placera sensorn på ett finger så bör man välja det övre segmentet som ger starkast signal. Den största störkällan är glappet mellan sensor och hud. Detta glapp förändras beroende av olika faktorer, t.ex. muskler som spänns/slappnar av, eller ett medvetet/omedvetet tryck på sensorn. Med detta i åtanke bör man välja ett ställe för sensorn där man är minst benägen att påverka detta glapp och som ger stark signal. Vilket detta ställe är, är svårt att svara på utifrån denna undersökning. För att ta reda på vilket/vilka ställen man bör välja så får man gissa på ett par, tre ställen, integrera sensorer på dessa ställen i ett prototyphandtag och utifrån mer tester bedöma hur bra signalen är. 62

68 Resultatsammanställning Rekommendationer och framtida arbete 6.2. Rekommendationer och framtida arbete Efter att ha genomfört de fyra inledande undersökningarna så var rekommendationen att gå vidare med fotopletysmografi för att bland annat se om resultaten blev bättre när elektroniken togs från en kopplingsplatta till ett mönsterkort. När sedan detta gjorts, ett par prototyper konstruerats och logik lagts in i form utav en processor, så gavs viktiga svar på vart störningarna kommer ifrån. Dessa svar gavs också genom ytterliggare undersökningar. När man nu vet grunden till störningarna så är det naturliga steget att göra vad man kan för att reducera, och i bästa fall eliminera, dessa störningar. Om detta inte går så är min rekommendation att lägga ner projektet. Rekommendationen för fortsatt arbete med denna pulsmätare är att låta designteamet ta fram en ny kapsling med undersökningarna i denna rapport som grund. En kapsling som tar hand om problemet med att huden vid mätpunkten rör sig, en kapsling där man använder det bästa avståndet mellan mottagare och sändare och en kapsling där man placerar sensorn/sensorerna på väl valda ställen runt handen. Denna kapsling bör innehålla plats för fler än en sensor och gott om plats för elektronik Fler än en sensor bör sättas in för att om möjligt kunna växla mellan dessa och endast läsa av den eller de som visar korrekt puls. Svårigheten i det är att bestämma vilken av sensorerna som visar korrekt puls. När en kapsling tagits fram med plats för tre, fyra sensorer (tre, fyra kanaler), så är rekommendationen att placera elektronik i handtaget som kan ta hand om och läsa av fyra kanaler samtidigt. Dessa kanaler bör A/D-omvandlas parallellt under ett fälttest och sparas undan på en PC eller ett externt minne. Med ett fälttest menas ett test där några försökspersoner tar pulsmätaren med sig till ett gym och upp på ett löpband. Under detta fälttest loggas all data och sedan kan man i efterhand analysera dessa kurvor för att se om det går att implementera algoritmer som gör att det går att läsa av pulsen utan större felmarginal. När man i efterhand analyserar denna data så bör man redan i det stadiet kunna se om det överhuvudtaget är möjligt att konstruera denna pulsmätare med tillräcklig noggrannhet. På grund av utrymmesproblem bör man även konstruera all elektronik ytmonterat. Om fälttestet visar sig bli lyckat och man tror sig kunna få pulsmätaren trovärdig så är det bara att avsluta vad som påbörjats, genom att börja skriva funktioner och konstruera annan nödvändig elektronik för att kunna färdigställa pulsmätaren. 63

69 Resultatsammanställning Analys av arbetsinsats 6.3. Analys av arbetsinsats Positivt Under hela arbetet har jag använt mig av ett strukturerat arbetssätt. Innan elektronikkonstruktion på kopplingsplatta, så har simulering gjorts och innan kretskortskonstruktion, så har laboration på kopplingsplatta gjorts. De mättekniker, förstärkaroch filterkopplingar som jag använt har alla grundats på vedertagna lösningar i sig, som jag i slutändan sammanfogat till en analog presentation av den mänskliga pulsen. Viktiga tester och undersökningar har gjorts på vägen som i slutändan resulterat i kartläggning av de problem som uppstått. I stort sett allt som gjorts och all materiel som använts har grundats på en undersökning för att säkerställa funktion. När examensarbetet togs från undersökningar av olika mätmetoder till utveckling av en produkt så tillkom uppgifter som är viktiga i utvecklingen av en produkt. Uppgifter som varit viktiga för mig som student och min utveckling. I dessa uppgifter ingick kontakt med kund och leverantörer. Detta har flutit på bra under hela projektet Negativt Det som gjorts mindre bra från min sida i detta examensarbete är att jag inte alltid varit konsekvent när det handlat om detaljer i kopplingar. De tre inledande undersökningarna har kopplats upp på olika sätt, med olika bra filter osv. och detta har inte alltid varit nödvändigt. När fotopletysmografen konstruerades t.ex. så gjordes förstärkaren enkel, två enkla förstärkarsteg som båda innehöll filtrering. I detta fall räckte detta, det fanns ingen anledning att krångla till kopplingen och kostnaden kunde hållas låg. När piezoförstärkaren å andra sidan byggdes så användes tre andra ordningen Butterworthfilter plus förstärkning efter dessa. Detta medförde att kurvan blev väldigt fin, men det är inte alls det som är viktigt när endast pulsen ska räknas. Jag har alltså byggt mina tre kopplingar olika avancerat. Detta har å andra sidan inte betytt någonting för resultatet då det endast medfört att kurvorna varit olika fina. Funktion eller inte funktion har ändå framgått och viktiga beslut har inte grundats på att förstärkning och filtrering gjorts olika. Jag kan ju tycka att jag tagit en del konstiga beslut längs vägen när det handlar om komponenter och konstruktion, och det grundar sig på att jag inte då satt med den kunskap som jag sitter med idag, vilket är en bra sak. Det betyder att jag lärt mig och utvecklats under mitt examensarbete Slutord Jag tycker att jag genomfört detta examensarbete på ett bra sätt och gett dessa mätmetoder en ärlig chans. En mätmetod visade sig fungera på ett hyfsat sätt i vår applikation och jag tycker att jag presenterat detta på ett klart och tydligt sätt för vår kund, där jag tryckt på svårigheten med att få detta att fungera i slutändan. Med den kunskap jag sitter med idag så känner jag mig pessimistisk vad gäller framtiden för detta projekt, men är det något jag lärt mig så är det att inte ropa hej förrän man tagit sig över bron. Detta projekt kan mycket väl lyckas i slutänden och jag tror att mina undersökningar kommer att ha haft betydelse. 64

70 Slutsats och sammanfattning 7. Slutsats och sammanfattning En kund kontaktade Motion Control med en idé om ett träningsredskap som skulle kunna läsa den mänskliga pulsen när man springer. För att ta reda på hur detta skulle kunna göras, så formades början på detta projekt till ett examensarbete, som gick ut på att kartlägga vilka mätmetoder som kan användas för att sedan undersöka dessa och ta sig vidare i projektet. Elektrokardiografi (EKG), fotopletysmografi (PPG) och impulsmätning var de tre mätmetoder som undersöktes mer ingående både teoretiskt och praktiskt. I den teoretiska delen undersöktes hur dessa mätmetoder fungerar och hur elektroniken skulle kunna kopplas. När detta var gjort så gjordes en enklare komponentundersökning där olika komponenter jämfördes för att hitta några som passade applikationen. I den praktiska delen undersöktes funktionen hos dessa tre mätmetoder genom att de kopplades upp i enlighet med den kunskap som skaffats i den teoretiska delen. Först undersöktes om pulsen överhuvudtaget gick att läsa med de tre teknikerna, sedan genomfördes en del test för att se om de gick att använda på ett sätt som gick hand i hand med kravspecifikationen. När dessa test genomförts för alla tre mätmetoder så hölls ett möte med kund för att diskutera fortsättningen på projektet. Resultaten redovisades och ett beslut togs om att fortsätta projektet med mätmetoden PPG, som visade sig fungera bäst av de tre. Nästa steg var att konstruera ett kretskort för att bli av med en del störningar som fås med kopplingsplatta. När detta kort var klart så byggdes en enklare prototyp som kortet placerades i. En sensor placerades i prototypen och ytterliggare ett kort konstruerades där en processor och en LED-display placerades. Detta kort tillkom för att kunna beräkna pulsen och kunna visa upp den. När denna prototyp var klar hölls ett möte med kund för att visa att tekniken fungerar genom en enklare demonstration. På mötet diskuterades hur man skulle fortsätta projektet och här hade även ett designteam inkluderats. I detta läget började det bli intressant med design, då det visade sig att störningar var ett stort problem med denna pulsmätare, störningar som uppstår till följd av att man skakar på den. Att i viss mån kunna skaka på pulsmätaren är en förutsättning för att kunna springa med den. Skakningar medför att handen rör sig och det i sin tur innebär problem med signalen. Med hjälp av designteamet så skulle man kunna ta fram en ny prototyp där handen låses på ett naturligt sätt för att minimera dessa störningar. En annan viktig punkt som togs upp på detta möte var att det, genom undersökningar, konstaterats att avståndet mellan mottagare och sändare i sensorn spelade en stor roll. För att ta reda på vilket avstånd som är bäst, så konstruerades sju stycken klossar med sju olika avstånd, av designteamet, som sensorn kunde placeras i. Dessa klossar placerades på olika ställen i handen för att på så sätt kartlägga handen. Här ville man veta var det är bäst att placera sensorn och vilket avstånd man skulle välja mellan sändare och mottagare. När denna undersökning genomfördes så blev störningarna i signalen mer påtagliga och ett beslut togs att pröva andra sensorer och testa dessa sensorer under olika förutsättningar. Fler sensorkomponenter köptes in och dessa testades i alla möjliga kombinationer, med skakningar och utan, under lysrör och utan. Att de testades under lysrör beror på att PPG-tekniken, som bygger på en optisk sensor, stördes av det infraröda ljuset i lysrören. 65

71 Slutsats och sammanfattning Efter denna undersökning, konstaterades att det finns störande föremål och de beror på rörelser och ljus. Det går att bygga runt dessa problem till en viss mån, men de kommer alltid att finnas med som ett problem man inte blir av med. Inför ett sista möte, innan examensarbetet nått sitt slut, så konstruerades en ny prototyp av en ny kapsling. Denna gång byttes LED-displayen ut mot en grafisk LCD-display som tagits fram genom en undersökning av displaymarknaden. Prototypen visades upp på mötet och här diskuterades de problem som finns och hur man ville gå vidare med projektet. Beslut togs om att gå vidare med ett så kallat fälttest där signalen skulle kartläggas mer noggrant för att se om störningarna skulle kunna filtreras bort digitalt med hjälp av algoritmer. Detta fälttest rymdes ej inom tiden för examensarbetet och med detta sista möte så avslutades examensarbetet. 66

72 Referenser 8. Referenser Litteratur 1. Introduction to biomedical Joseph Carr/John Brown (2001) s. 199 equipment technology 2. Introduction to biomedical Joseph Carr/John Brown (2001) s equipment technology 3. Introduction to biomedical Joseph Carr/John Brown (2001) s. 278 equipment technology 4. Modern industriell Grahm, Jubrink, Lauber (1996) s Mätteknik 5. Modern industriell Grahm, Jubrink, Lauber (1996) s mätteknik Internet 6. Sjukvårdsrådgivningen ( & ) 7. Exempel på hur fotopletysmografi kan användas. ( ) 8. Exempel på hur tryckgivare kan användas för pulsmätning. ( ) 9. Stroke Center ( ) 10. Cardiovascular Physiology ( ) 11. Texas Instruments ( ) 67

73 Bilagor Bilaga 1 9. Bilagor 9.1. Bilaga 1 Kretsscheman (EKG) Koppling 1 Koppling 1. Med instrumentförstärkare på kisel. Jord (GND) betecknad med triangel motsvarar virtuell jord, referensspänning. Operationsförstärkarna i schemat användes inte vid laborationen. TS924 användes. 68

74 Bilagor Bilaga 1 Beskrivning av blocken i koppling 1: 1) Detta block innehåller instrumentförstärkaren. IA är uppbyggd på kisel och innehåller två OP. Förstärkningen sätts genom ett externt motstånd som i detta fall är satt till 6 ggr. Det är här som skillnaden mellan mätpunkterna beräknas. 2) Block nummer två är ett filterblock som består av ett 4:e ordningens Butterworthlågpass-filter. Detta filter sitter här för att filtrera bort framförallt 50 Hz-störningar. Brytfrekvensen är satt till 25 Hz. Anledningen till att filtret sitter här och inte sist i schemat är för att inte förstärka brus. Ingen förstärkning sker i filtret. 3) Här sker det mesta av förstärkningen genom ett icke-inverterande förstärkarsteg, ~1400 ggr. På utgången av OP:n sitter ett passivt filter med brytfrekvensen 10 Hz (se ekvation 1). Detta filter sitter här för att filtrera bort det 50 Hz-brus som tas upp av sista förstärkarsteget. 4) Block nummer fyra är en dc-restorator, en integrator som återkopplas till referenspinnen på IA, för att få bort dc-offseten. 5) Det sista blocket är till för att skapa en referensspänning (virtuell jord) till ICkretsarna, då de matas med jord och +5 V. Referensspänningen sätts normalt till halva matningsspänningen, i detta fall 2,5 V. Beroende på var i förhållande till jord man vill lägga signalkurvan så kan man höja och sänka denna referens. Ekvation 1: F 0 = 1 2πRC Brytfrekvensen (F 0 ) beräknas enligt ekvationen, där R = resistansen, C = kapacitansen. 69

75 Bilagor Bilaga 1 Koppling 2 Koppling 2. Med konstruerad instrumentförstärkare. Jord (GND) betecknad med triangel motsvarar virtuell jord, referensspänning. Operationsförstärkarna i schemat användes inte vid laborationen. TS924 användes. 70

76 Bilagor Bilaga 1 Beskrivning av blocken i koppling 2: 1) Detta block innehåller instrumentförstärkaren. IA är byggd av tre OP. Förstärkningen sätts i början vid de två första operationsförstärkarna till ~6 ggr. Den sista OP:n sköter endast differentieringen. Det är i första blocket som skillnaden mellan mätpunkterna beräknas. 2) Block nummer två är ett filterblock som består av ett 4:e ordningens Butterworthlågpass-filter. Detta filter sitter här för att filtrera bort framförallt 50 Hz-störningar. Brytfrekvensen är satt till 25 Hz. Anledningen till att filtret sitter här och inte sist i schemat är för att inte förstärka brus. Ingen förstärkning sker i filtret. 3) Här sker det mesta av förstärkningen genom ett icke-inverterande förstärkarsteg, ~1400 ggr. På utgången av OP:n sitter ett passivt filter med brytfrekvensen 10 Hz (se ekvation 1). Detta filter sitter här för att filtrera bort det 50 Hz-brus som tas upp av sista förstärkarsteget. 4) Block nummer fyra är en dc-restorator, en integrator som återkopplas till den inverterande ingången på sista OP:n i IA, för att få bort dc-offseten. 5) Det sista blocket är till för att skapa en referensspänning (virtuell jord) till ICkretsarna, då de matas med jord och +5 V. Referensspänningen sätts normalt till halva matningsspänningen, i detta fall 2,5 V. Beroende på var i förhållande till jord man vill lägga signalkurvan så kan man höja och sänka denna referens. 71

77 Bilagor Bilaga Bilaga 2 Komponenter (PPG) Lysdioder Modell: Tillverkare: Datablad: Typ av lysdiod: Modell: Tillverkare: Datablad: Typ av lysdiod: EL-383 Everlight Röd (λ = 650 nm) IR-383 Everlight Infraröd (λ = 940 nm) Fototransistorer Modell: Tillverkare: Datablad: Känslighetstopp: Modell: Tillverkare: Datablad: Känslighetstopp: PT204 Everlight nm PT202 Everlight nm Operationsförstärkare Modell: MCP6271 Tillverkare: Microchip Datablad: Typ av OP: Rail-to-Rail Input/Output Kapsel: Hålmonterat (PDIP) Antal förstärkare / kapsel: 1 72

78 Bilagor Bilaga 3 & Bilaga 3 Komponenter (Impulsmätning) Piezosummer Typ: Tillverkare: Datablad: Storlek: KPE-110 Kingstate 24 x 5 mm Piezofilm Fototransistor: Tillverkare: Datablad: Storlek: FS-2513P Prowave 25 x 13 mm 9.4. Bilaga 4 Kretsschema (Impulsmätning) Operationsförstärkarna i schemat användes inte vid laborationen. MCP6271 användes. 1) Spänningsdelning för att skapa en referensspänning på 2,5 V till kopplingen. 2) Sensor med högohmigt motstånd parallellkopplat och en spänningsföljare för att inte belasta sensorn. 3) Bandpassfilter konstruerat av två 2:a ordningens Butterworthfilter i kaskad. Passband 0,5 8 Hz. 4) Förstärkning av signalen i två inverterade steg, G 360 ggr. 5) 2:a ordningens Butterworth lågpassfilter, f 0 = 8 Hz. 73

79 Bilagor Bilaga Bilaga 5 Filtersimulering (EKG) Bilden visar ett fjärde ordningens lågpassfilter med en brytfrekvens vid 25 Hz. I diagrammet (ner till vänster i bild) kan man utläsa att signalen har dämpats med ca 24 db vid 50 Hz. Två kurvor är inlagda i diagrammet, kurva 1 motsvarar det filter där motstånd och kondensatorer har fått justeras för att passa standardvärden och kurva 2 har de optimala värdena på motstånd och kondensatorer framräknade av programmet FilterPro. På oscilloskopet (till höger i bild) kan man se en signal med frekvensen 25 Hz. Den mörka mindre kurvan är utsignalen och den större ljusa kurvan är insignalen. Man kan se att signalen dämpats med, vilket motsvarar -3 db. 74

80 Bilagor Bilaga Bilaga 6 Resultattabeller (PPG) Röd lysdiod Kombination Resultat A1 (X2 = 0 cm) Dålig signal Mycket känslig för rörelser A1 (X2 = 1 cm) Dålig signal Mycket känslig för rörelser A1 (X2 = 4 cm) Knappt någon signal alls A2 (X2 = 0 cm) Bra, fin puls Ganska så resistent mot rörelser A2 (X2 = 1 cm) Fin signal som ovan, men svagare, d.v.s. mindre amplitud A2 (X2 = 4 cm) Fin signal, men ännu svagare Mycket känslig för rörelser B3 (X2 = 0 cm) Hyfsad signal Känslig för rörelser B4 (X2 = 0 cm) Ingen signal C3 (X2 = 0 cm) Fin signal Ganska resistent mot rörelser C4 (X2 = 0 cm) Bra, fin signal Stora problem med rörelser D3 (X2 = 0 cm) Väldigt känslig för rörelser D4 (X2 = 0 cm) Väldigt känslig för rörelser Variation i höjdled undersöktes endast i början, då det snabbt insågs att det var bäst att hålla fototransistorn nära huden. 75

81 Bilagor Bilaga 6 Infraröd lysdiod Kombination Resultat A1 (X2 = 0 cm) Bra fin signal Känslig för rörelser A2 (X2 = 0 cm) Bra, fin signal Ganska resistent mot rörelser A2 (X2 = 1 cm) Mer förstärkning behövs Väldigt känslig för rörelser B3 (X2 = 0 cm) Bra signal Hyfsat resistent mot rörelser B4 (X2 = 0 cm) Dålig signal C3 (X2 = 0 cm) Bra signal Ganska bra mot rörelser C4 (X2 = 0 cm) Lite sämre än ovan Variation i höjdled undersöktes endast på en placering, då det snabbt insågs att det var bäst att hålla fototransistorn nära huden. 76

82 Bilagor Bilaga Bilaga 7 Filtersimulering (Impulsmätning) Bilden visar en simulering med de två lågpass-butterworthfiltren kopplade i kaskad. Kurvan är väldigt brant och signaler med frekvensen 50 Hz dämpas med ~65 db. I kretsschemat är dessa två filter ej kopplade i kaskad, utan sitter på två andra ställen i kopplingen, men simuleringsprogrammet tillät ej att man simulerade med fler än två IC-kretsar. Denna bild borde kunna ge en något sånär bild av hur lågpassfiltreringen ser ut. 77

83 Bilagor Bilaga 7 Bilden visar det bandpassfilter som återfinns i kopplingen. Man kan se att passbandet sträcker sig från 0,5 till 8 Hz. Den totala filtreringen borde se ut på detta sätt, men med en brantare lutning vid slutet av passbandet, då ytterliggare ett lågpassfilter sitter i slutet av kopplingen. 78