Измерение пульса на основе сфигмографии

Способ сфигмографии реализует регистрацию артериального пульса по деформации стенки сосуда артерии. Зарегистрированная кривая аналогична кривой плетизмографии. Обычно регистрацию пульса проводят в местах, где артерии подходят близко к поверхности кожи. Биение стенки артерии очень мало, поэтому для усиления сигнала пережимают артерии до уровня, когда она еще пропускает кровоток, но создает препятствие ударной волне крови. В этом случае возникают сильные пульсации, которые фиксируются механическими средствами. [16]

Рис.4. Принцип действия сфигмографа

 

В рамках данной работы автору доступен носимый пульсометр GarminForerunner 110, отметим, что именно носимые пульсометры являются самым массовым вариантом устройств для измерения ЧСС (а в спортивном применении единственным). Соответственно при разработке ориентируем именно на данный сегмент устройств как на основной источник данных.

Глава II. Современные устройства для измерения ЧСС

Передача данных ЧСС

Использованное оборудование

В ходе работы нами был использован пульсометр Forerunner 110 компании Garmin. Устройство GarminForerunner 110 использует GPS-приемник для точной записи пройденного расстояния, времени, темпа и скорости на заданном отрезке. Данные каждого забега хранятся в памяти устройства. Устройство Forerunner 110 включает датчик частоты пульса (монитор сердечного ритма), с помощью которого можно наблюдать за количеством сокращения сердечной мышцы в минуту. Кроме того, на основе данных частоты пульса прибор обеспечивает точный расчет количества сожженных калорий. Отслеживать свои данные также можно с помощью GarminConnect – веб-сайта с бесплатными инструментами для анализа результатов и обмена информацией.

Каким образом информация с пульсометра поступает в часы? Передача данных происходит посредством радиоканала, формат данных – пакетный, цифровой. Таким образом, данные о ЧСС передаются в часы, где и хранятся (в памяти самого пульсометра). Монитор работает аналогично другим аппаратам для определения сердечного ритма – фотоэлектрический преобразователь превращает пульсовые колебания в электрические импульсы. Частота пульса - величина, отражающая число колебаний стенок артерии за единицу времени.

«Радиоканал - канал связи, в котором передача информации осуществляется с помощью радиоволн. Включает среду распространения радиоволн и устройства преобразования электрических сигналов в электромагнитное излучение (радиопередающее устройство) и электромагнитное излучение в электрические сигналы (радиоприёмное устройство). Технические характеристики радиоканала зависят от его функционального назначения и вида передаваемых сигналов: обслуживаемая зона, дальность передачи определяют применяемые частоты, вид антенн, мощность передатчика и чувствительность приёмника; вид сигналов (телефония или телеграфия, звуковое или телевизионное вещание и т. д.) определяет пропускную способность канала (полоса передаваемых частот, динамический диапазон и линейность амплитудной характеристики канала)»

Принцип работы

Способ передачи данных

Передача данных с пульсометра в ПК осуществляется посредством файловой передачи данных (в зависимости от модели пульсометра). Чтобы осуществлять передачу данных с пульсометра воспользуемся специальным USB – кабелем, разработанным специально для модели данного пульсометра. В нашем случае специальный USB – кабель с одного конца провода имеет датчик – прищепку с 4-мя контактами, с другого конца разъем USB 3.0.

Передача информации между датчиком ЧСС, часами-пульсометром и ПК происходит следующим образом: на передающей стороне (в радиопередатчике датчика ЧСС) формируются высокочастотные колебания (несущий сигнал) определенной частоты. На него накладывается сигнал, который нужно передать (звуки, изображения) - происходит модуляция несущей частоты полезным сигналом. Сформированный таким образом высокочастотный сигнал излучается антенной в пространство в виде радиоволн. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приемной антенне, он поступает в радиоприёмник. Здесь система фильтров выделяет из множества наведенных в антенне токов от разных передатчиков сигнал с нужной несущей частотой, а детектор выделяет из него модулирующий полезный сигнал. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком вследствие влияния разнообразных помех. Таким образом, в данном случае радиопередатчиком служит кардиомонитор, а радиоприемником – часы.

«USB (от англ. UniversalSerialBus) «универсальная последовательная шина») - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включениииспользуются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства.Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА, у USB 3.0 — 900 мА)»

Рис.4. Кабель USB 3.0 в разрезе

Рис.5. Схема передачи данных

Хранение данных

В современных пульсометрах формат хранения информации о тренировке (в том числе ЧСС унифицирован), для описания данных используется язык описания данных XML, на нем описаны форматы файлов TCX, FIT, GPX (включают в себя данные о ЧСС, местоположении, скорости движения и т.д.). Компания Garmin разработала собственный формат данных –TrainingCenter XML (TCX). Формат TCXтакже как и GPX является XML описанием и подобен GPX (по набору данных). TCX устанавливает стандарты для хранения ЧСС, темпа бега, количества кругов. Данные с пульсометра приходят в формате.tcx,.gpx,.fit. Разработанное в данной работе ПО разбирает данные файлы и сохраняет результаты в файл собственного формата, так как нам необходимо хранить ФИО спортсмена, параметры его ЧСС и время тренировки (часть информации отсутствует в GPX, поэтому собственный формат файла фактически дополняет данные, информация о местоположении в данном случае является избыточной).

Так как все варианты хранения информации в разрабатываемом и используемом нами ПО опираются на XML – рассмотрим его подробнее. «XML — универсальный, платформонезависимый язык разметки, используемый для представления иерархических данных и унификации формата передаваемой информации. Аббревиатура XML расшифровывается как ExtensibleMarkupLanguage - «расширяемый язык разметки» (англ.).

XML используется в любых приложениях, где необходима структурированная информация - от сложных геоинформационных систем, где обрабатываются гигантские объемы передаваемой информации до относительно простых однопользовательских программ, где XML используется для описания служебной информации. Так как XML является универсальным, то он нашел применение во множестве различных задач связанных с созданием и обработкой структурированной информации.

В сложных информационных системах, где обрабатываются большие информационные потоки, имеющие различную структуру XML - документы выполняют роль универсального формата для обмена информацией между отдельными компонентами системы. В качестве примера приведем современные системы документооборота – где документ (кейс) представляет собой XML описание, содержащее собственно файл данных, данные об авторе документа, данные о движении документа, правках и т.д.

Язык XML позволяет описывать данные произвольного типа, в частности XML используется для представления специализированной информации - математических, физических формул (в некоторых редакторах форм и программах для проведения вычислений), медицинских рецептов (медицинские информационные системы) и т.п.

Информация на страницах сайтов в сети Интернет описывается специализированным языком разметки гипертекста (HTML). В отличие от HTML в XML существует возможность задавать пользовательские теги (а соответственно описывать любую информацию), соответственно XML может служить мощным дополнением к HTML для распространения в сети Интернет "нестандартной" информации.

Существует возможность изменять, передавать на машину клиента и обновлять информацию в XML-документах по частям. Спецификации XLink и Xpointer позволяют ссылаться на отдельные элементы XML документа, c учетом вложенности и значений атрибутов.

XML-документы могут использоваться в качестве промежуточного формата данных в трехзвенных системах (Клиент-Сервер приложений-Сервер баз данных). Как правило схема взаимодействия между серверами приложений и баз данных зависит от конкретной СУБД и диалекта SQL, используемого для доступа к данным. В случае, если результаты запроса будут представлены в некотором универсальном текстовом формате, то звено СУБД, станет "прозрачным" для приложения (на данном факте строятся средства объектно-реляционного маппинга, активно применяемые в современном объектно-ориентированном программировании).

Стилевые таблицы (XSL) позволяют обеспечить независимое от конкретного устройства вывода отображение XML- документов.

XML-документ представляет собой обычный текстовый файл, в котором при помощи специальных маркеров создаются элементы данных, последовательность и вложенность которых определяет структуру документа и его содержание. Преимуществом XML является то, что при относительно простом способе создания и обработки (так как обычный текст может редактироваться любым тестовым процессором и обрабатываться стандартными XML анализаторами), существует возможность описывать структурированную информацию, удобную для дальнейшей программной обработки и относительно просто понимаемую человеком.

XML документ выстраивается по определенным правилам, набор этих правил задается в так называемых XSD схемах. XSD - это язык описания структуры XML документа (XML Schema). Используя XSD - программа, разбирающая XML (XML парсер) может проверить не только правильность синтаксиса XML документа, но и структуру, модель содержания и типы данных (отдельно для каждого тега XML документа). Данный подход позволяет объектно-ориентированным языкам программирования создавать объекты в памяти по XML описанию объекта (теги соответствуют полям класса описывающего объект).

XSD расширяем, кроме того существует возможность подключать готовые словари для описания типовых задач, например для описании SOAP веб-сервисов. В XSD есть встроенные средства документирования, что позволяет создавать самодостаточные документы, не требующие дополнительного описания.