قياس معدل ضربات القلب باستخدام شريحة BioAmp EXG

في هذا المشروع سنقوم بقياس معدل ضربات القلب باستخدام شريحة BioAmp EXG Pill.

ما هو تخطيط كهربية القلب (ECG)؟

تخطيط كهربية القلب هو عبارة عن قياس النشاط الكهربائي للقلب.

ما هو معدل ضربات القلب؟

معدل ضربات القلب هو عبارة عن عدد المرات في الدقيقة التي ينقبض فيها القلب أو ينبض، وبالنسبة لمعظم البالغين يتراوح معدل ضربات القلب الطبيعي في حالة الراحة بين 60 و100 نبضة في الدقيقة.

ما هي شرائح أو حبوب BioAmp EXG:

BioAmp EXG Pill هي شريحة فريدة من نوعها بحجم حبة الدواء والتي يمكنها تسجيل الإشارات الحيوية المحتملة من جسمك سواء كانت من القلب (ECG) أو الدماغ (EEG) أو العينين (EOG) أو العضلات (EMG) وتسجيل هذه الإشارات وفهم الأطباء لكيفية التغير الطارئ عليها بالسلب أو بالإيجاب.

يتم تصميم سلسلة أجهزة الاستشعار BioAmp بأكملها من Upside Down Labs وتتم بطريقة تعلمك أساسيات مضخم الصوت للأجهزة، المرشحات النشطة للنطاق الترددي، البرمجة، علم الأعصاب، واجهة الإنسان والحاسوب (HCI)، وواجهة الدماغ والحاسوب (BCI) على سبيل المثال لا الحصر.

المعدات:

• عدد 1 شريحة من BioAmp EXG مع موصل من نوع JST PH 2.0 ودبوس رأس.
• عدد 1 كابل BioAmp.
• عدد 3 أقطاب هلامية.
• عدد 3 كابلات توصيل.
• عدد 1 لوحة Arduino Uno ولوحة Maker Uno مع كابل USB (يمكنك أيضًا استخدام أي لوحة تحكم دقيقة أخرى مع ADC).
• عدد 1 جل نوپريب لتحضير الجلد.
• عدد 1 مناديل مبللة.
• عدد 1 سوار BioAmp للقلب (اختياري).
• عدد 1 جل الأقطاب (فقط في حالة استخدام سوار Heart BioAmp)

البرمجيات:

• بيئة تطوير متكاملة لأردوينو Arduino IDE.
• مجموعة أدوات علم الأعصاب الأساسية DIY.
• مجموعة شرائح BioAmp EXG.

تأتي شرائح BioAmp EXG وهي تكون ملحومة مسبقًا مع DIY Neuroscience Kit Basic، ولكن في حالة حصولك على شرائح BioAmp EXG Pill بشكل منفصل، فيستوجب عليك تجميع العديد من الشرائح لهذا المشروع عن طريق لحام دبابيس الرأس وموصل JST PH 2.0 كما هو موضح في الرسم التخطيطي.

تأتي شرائح BioAmp EXG Pill مضبوطة بشكل افتراضي لتسجيل مخطط كهربية الدماغ EEG أو مخطط كهربية العينين EOG، ولكن إذا كنت تريد تسجيل مخطط كهربية القلب ECG أو مخطط كهربية العضلات EMG بجودة عالية، فمن المستحسن أن يتم تهيئته عن طريق عمل وصلة لحام كما هو موضح في الصورة.

ملحوظة: حتى بدون عمل وصلة اللحام، فإنه يمكن لشريحة BioAmp EXG Pill أن تكون قادرة على تسجيل مخطط كهربية القلب (ECG) أو مخطط كهربية العضلات (EMG) حيث يسجل أيضًا الإشارات ولكن الإشارات ستكون أكثر دقة إذا قمت بتهيئتها ومن ثم القيام بعد ذلك بالتحليل.

قم بتوصيل كابل BioAmp بشريحة bioAmp exg pill ولدينا أنواع مختلفة من كابل bioamp، ولذلك لا تعتمد على الترميز اللوني بل ركز على REF،  IN+ و IN- المكتوبة على شرائح BioAmp EXG Pill.

يتم تحضير الچل للجلد من نوع Nuprep وهو عبارة عن چل يوضع عن سطح الجلد وسيتم وضع الأقطاب لإزالة خلايا الجلد الميتة، ويتم تنظيف الجلد من الأوساخ حتى لا تؤثر بشكل سلبي على التجربة، وبعد فرك سطح الجلد جيدا تقوم بتنظيفه بمناديل مبللة.

ما هو جل نوپريب:

جل NuPrep لتحضير الجلد هو عبارة عن چل موصل للكهرباء ومقشر خفيف ويتم وضعه قبل وضع الأقطاب على الجلد لتحسين القياسات، وعند وضعه بلطف فإنه يزيل الطبقة العليا من الجلد ويرطب طبقة الجلد السفلية ما يقلل من مقاومة الجلد مع الحد الأدنى من تهيج الجلد وعدم الراحة.

لدينا الآن خياران لقياس إشارات المخطط الكهربائي للقلب ECG، ويتم ذلك إما باستخدام الأقطاب الهلامية أو باستخدام سوار ECG القائم على الأقطاب الجافة، ويمكنك تجربة كليهما واحدًا تلو الآخر.

الخيار رقم 1: قياس تخطيط القلب ECG باستخدام الأقطاب الهلامية:

• قم بتوصيل كابل BioAmp بأقطاب الجل.
• قم بنزع الغطاء البلاستيكي من الأقطاب.
• ضع كابل IN- على الجانب الأيسر، وIN+ في المنتصف، وكابل REF (المرجعي) على الجانب الأيمن البعيد.

الخيار رقم 2: قياس تخطيط كهربية القلب ECG باستخدام سوار Heart BioAmp وهو شريط لتخطيط كهربية القلب وهو يعتمد على الأقطاب الجافة:

ضع كابل IN- على الجانب الأيسر، وIN+ في المنتصف، وREF (المرجعي) على أقصى الجانب الأيمن.

الآن ضع قطرة صغيرة من چيل الأقطاب على الأقطاب الجافة بين الجلد والجزء المعدني من كابل BioAmp للحصول على أفضل النتائج.

بعد ذلك قم بتوصيل BioAmp EXG Pill بـ Maker Uno وذلك باستخدام كابلات التوصيل كما هو موضح أدناه:

• VCC إلى 5V.
• GND إلى GND.
• الخرج إلى A0.

ملحوظة: كن حذرًا للغاية واتبع الرسم التخطيطي أعلاه أثناء إجراء التوصيلات بين BioAmp EXG Pill و Maker Uno، خاصة الجهازين GND وVCC وإلا فقد يؤدي ذلك إلى تلف المستشعر.

قم بتنزيل Arduino IDE (لقد استخدمت نسخة Arduino IDE 1.8.19 لهذا المشروع).

وبعد التنزيل قم بتوصيل Maker Uno بجهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بك باستخدام كابل USB (من النوع A إلى النوع B).

ملحوظة: يجب التأكد من عدم توصيل الكمبيوتر المحمول الخاص بك بالشاحن وابق على بعد 5 أمتار من أي أجهزة تعمل بالتيار المتردد للحصول على أفضل جودة لاكتشاف الإشارة حتى لا يحدث تأثير على الجهاز وتفقد بعض الإشارات وتكون النتائج سيئة.

في البداية قم بنسخ ولصق رسم Arduino في Arduino IDE من الكود الموضح أدناه:

1. /*
2.    HeartRateDetection
3.    https://github.com/upsidedownlabs/BioAmp-EXG-Pill
4.  
5.    Upside Down Labs invests time and resources providing this open source code,
6.    please support Upside Down Labs and open-source hardware by purchasing
7.    products from Upside Down Labs!
8.  
9.    Copyright (c) 2021 Moteen Shah moteenshah.02@gmail.com
10.    Copyright (c) 2024 Aryan Prakhar aryanprakhar1010@gmail.com
11.    Copyright (c) 2021 Upside Down Labs - contact@upsidedownlabs.tech
12.  
13.    Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
14.    of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
15.    in the Software without restriction, including without limitation the rights
16.    to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
17.    copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is
18.    furnished to do so, subject to the following conditions:
19.  
20.    The above copyright notice and this permission notice shall be included in all
21.    copies or substantial portions of the Software.
22.  
23.    THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
24.    IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
25.    FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE
26.    AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
27.    LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
28.    OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE
29.    SOFTWARE.
30. */
31.  
32. #include <math.h>
33. #include <CircularBuffer.h>
34.  
35. #define SAMPLE_RATE 125
36. #define BAUD_RATE 115200
37. #define INPUT_PIN A2 //Analog pin change if input connected to other pin
38. #define OUTPUT_PIN 13
39. #define DATA_LENGTH 16
40.  
41.  
42. uint32_t avg = 0;
43. int data_index = 0;
44. bool peak = false;
45. int reading = 0;
46.  
47. uint8_t BPM = 0;
48. bool IgnoreReading = false;
49. bool FirstPulseDetected = false;
50. unsigned long FirstPulseTime = 0;
51. unsigned long SecondPulseTime = 0;
52. unsigned long PulseInterval = 0;
53. CircularBuffer<int,30> buffer;
54.  
55. void setup() {
56.   // Serial connection begin
57.   Serial.begin(BAUD_RATE);
58.   // Setup Input & Output pin
59.   pinMode(INPUT_PIN, INPUT);
60.   pinMode(OUTPUT_PIN, OUTPUT);
61. }
62.  
63. void loop() {
64.   // Calculate elapsed time
65.   static unsigned long past = 0;
66.   unsigned long present = micros();
67.   unsigned long interval = present - past;
68.   past = present;
69.  
70.   // Run timer
71.   static long timer = 0;
72.   timer -= interval;
73.  
74.   // Sample
75.   if(timer < 0){
76.     timer += 1000000 / SAMPLE_RATE;
77.     // Sample and Nomalize input data (-1 to 1)
78.     float sensor_value = analogRead(INPUT_PIN);
79.     float signal = ECGFilter(sensor_value)/512;
80.     // Get peak
81.     peak = Getpeak(signal);
82.     // Print sensor_value and peak
83.     // Blink LED on peak
84.     digitalWrite(OUTPUT_PIN, peak);
85.  
86.     if(peak && IgnoreReading == false){
87.         if(FirstPulseDetected == false){
88.           FirstPulseTime = millis();
89.           FirstPulseDetected = true;
90.         }
91.         else{
92.           SecondPulseTime = millis();
93.           PulseInterval = SecondPulseTime - FirstPulseTime;
94.           buffer.unshift(PulseInterval);
95.           FirstPulseTime = SecondPulseTime;
96.         }
97.         IgnoreReading = true;
98.       }
99.       if(!peak){
100.         IgnoreReading = false;
101.       }  
102.       if (buffer.isFull()){
103.         for(int i = 0 ;i < buffer.size(); i++){
104.           avg+=buffer[i];
105.         }
106.         BPM = (1.0/avg) * 60.0 * 1000 * buffer.size();
107.         avg = 0;
108.         buffer.pop();
109.         if (BPM < 240){
110.           Serial.print("BPM: ");
111.           Serial.println(BPM);
112.           Serial.flush();
113.         }
114.       }  
115.   }
116. }
117.  
118. bool Getpeak(float new_sample) {
119.   // Buffers for data, mean, and standard deviation
120.   static float data_buffer[DATA_LENGTH];
121.   static float mean_buffer[DATA_LENGTH];
122.   static float standard_deviation_buffer[DATA_LENGTH];
123.   
124.   // Check for peak
125.   if (new_sample - mean_buffer[data_index] > (DATA_LENGTH/2) * standard_deviation_buffer[data_index]) {
126.     data_buffer[data_index] = new_sample + data_buffer[data_index];
127.     peak = true;
128.   } else {
129.     data_buffer[data_index] = new_sample;
130.     peak = false;
131.   }
132.  
133.   // Calculate mean
134.   float sum = 0.0, mean, standard_deviation = 0.0;
135.   for (int i = 0; i < DATA_LENGTH; ++i){
136.     sum += data_buffer[(data_index + i) % DATA_LENGTH];
137.   }
138.   mean = sum/DATA_LENGTH;
139.  
140.   // Calculate standard deviation
141.   for (int i = 0; i < DATA_LENGTH; ++i){
142.     standard_deviation += pow(data_buffer[(i) % DATA_LENGTH] - mean, 2);
143.   }
144.  
145.   // Update mean buffer
146.   mean_buffer[data_index] = mean;
147.  
148.   // Update standard deviation buffer
149.   standard_deviation_buffer[data_index] =  sqrt(standard_deviation/DATA_LENGTH);
150.  
151.   // Update data_index
152.   data_index = (data_index+1)%DATA_LENGTH;
153.  
154.   // Return peak
155.   return peak;
156. }
157.  
158. // Band-Pass Butterworth IIR digital filter, generated using filter_gen.py.
159. // Sampling rate: 125.0 Hz, frequency: [0.5, 44.5] Hz.
160. // Filter is order 4, implemented as second-order sections (biquads).
161. // Reference:
162. // https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/generated/scipy.signal.butter.html
163. // https://courses.ideate.cmu.edu/16-223/f2020/Arduino/FilterDemos/filter_gen.py
164. float ECGFilter(float input)
165. {
166.   float output = input;
167.   {
168.     static float z1, z2; // filter section state
169.     float x = output - 0.70682283*z1 - 0.15621030*z2;
170.     output = 0.28064917*x + 0.56129834*z1 + 0.28064917*z2;
171.     z2 = z1;
172.     z1 = x;
173.   }
174.   {
175.     static float z1, z2; // filter section state
176.     float x = output - 0.95028224*z1 - 0.54073140*z2;
177.     output = 1.00000000*x + 2.00000000*z1 + 1.00000000*z2;
178.     z2 = z1;
179.     z1 = x;
180.   }
181.   {
182.     static float z1, z2; // filter section state
183.     float x = output - -1.95360385*z1 - 0.95423412*z2;
184.     output = 1.00000000*x + -2.00000000*z1 + 1.00000000*z2;
185.     z2 = z1;
186.     z1 = x;
187.   }
188.   {
189.     static float z1, z2; // filter section state
190.     float x = output - -1.98048558*z1 - 0.98111344*z2;
191.     output = 1.00000000*x + -2.00000000*z1 + 1.00000000*z2;
192.     z2 = z1;
193.     z1 = x;
194.   }
195.   return output;
196. }

وبعد تحميل الكود، افتح "Serial Monitor" وانتظر 22 ثانية لرؤية قيمة معدل ضربات القلب.

المشروع الآن مكتمل تماماً!!

أخبرنا الآن بتعليقاتك في التعليقات ولا تتردد في طرح أي أسئلة.

يمكنك أيضًا مراسلتنا عبر البريد الإلكتروني للحصول على أي نوع من الدعم أثناء إنشاء هذا المشروع.