Sensore per battito cardiaco

La frequenza cardiaca è un parametro di salute molto importante ed è direttamente correlata allo stato del sistema cardiovascolare.

Esistono varie tecniche per effettuare questa misura, a partire dal "sentire il polso", cronometro alla mano, per passare allo stetoscopio e a più complesse interfacce elettromedicali. In effetti, può essere interessante conoscere questo dato attraverso una misura elettronica, il cui risultato potrà essere poi trattato da un successivo sistema informatico.

Dato che non ci interessa l'analisi della forma d'onda collegata al battito cardiaco (elettrocardiogramma), ma solo la sua frequenza, possiamo effettuare la misura con una interfaccia molto semplice e non invasiva, che non necessita di elettrodi applicati al corpo.
Se consideriamo che, mentre il cuore batte, il volume di sangue all'interno di una arteria cambia. Questa fluttuazione può essere rilevata attraverso un sistema ottico, applicato ad una parte del corpo ricca di vasi sanguigni, come le dita o i lobi delle orecchie.
Ad ogni battito cardiaco,  la quantità di sangue presente n ei capillari varierà.

Utilizziamo come sensore un emettitore di luce infrarosso ed un fotodiodo o foto transistor, affiancati;  la punta del dito viene posizionato sopra  sensore: il foto emettitore trasmette luce infrarossa nel polpastrello ed una parte viene riflessa dal sangue all'interno delle dita. Il foto ricevitore rileva questa la luce riflessa, che dipende dal volume di sangue all'interno del dito. Con il battito del cuore la quantità di luce riflessa si modificherà e la variazione sarà rilevata dal ricevitore. Facendo seguire questo da un amplificatore ad elevato guadagno possiamo convertirla in impulsi.

Si possono applicare numerosissimi schemi base per ottenere questo, ma qui vogliamo provare una interfaccia molto originale, derivata da un lavoro presentato tempo fa su Electronic Design.

Il diodo emettitore D1 è portato in conduzione con una resistenza di limitazione che assicura la corrente nominale.
Coprendo con un dito la coppia fotodiodo-foto transistor, parte della luce emessa si riflette in Q1 e produce un segnale di corrente attraverso R1, con un rapporto logaritmico rispetto alla riflettanza della pelle.
Questo rapporto è costante per molti ordini di grandezza e, di conseguenza, un funzionamento del circuito affidabile è possibile anche con ampie variazioni di contrasto della pelle e del livello di luce. 
L'operazionale U1A realizza un filtro adattivo ad alto guadagno che annulla il rumore ottico ed elettrico dell' ambiente e presenta un segnale ripulito al comparatore U1B in modo che all'uscita si possa prelevare il segnale della pulsazione. I transistor NPN Q2 e Q3 hanno funzione di diodi low leakage.

L'uscita è a livello TTL e potrà essere diretta ad un microcontroller o a qualsiasi altra applicazione. Qui vediamo il tracciato oscilloscopico delle pulsazioni in uscita. Il segnale all'uscita di U1B è costituito da impulsi perfettamente squadrati, tra 0 e la Vcc. Può venire applicato direttamente ad un I/O di microcontroller alimentato alla stessa tensione (PIC, Arduino, ecc.) oppure ad uno strumento di misura che potrà presentare su un display la frequenza.

Realizzazione pratica.

I componenti:

* R1 avrà un valore tale da far passare la corrente nominale nel foto emettitore in modo tale da ottenere il massimo di luce infrarossa; normalmente si tratta di 20mA, per cui una resistenza da 220ohm è adeguata.

Il sensore può essere realizzato semplicemente con una coppia fotodiodo- fototransistor, infrarossi, del genere di quelli utilizzati nei mouse per rilevare gli spostamenti attraverso una rotella a tacche. Però, è probabilmente più pratico utilizzare un sensore a riflessione che contenga già la coppia emettitore-ricevitore (HLC1395, TCRT1000, CNY70, ecc). Nel prototipo visibile nelle foto è stato usato un TCRT1000. Si tratta di un elemento piuttosto piccolo, ma con una superficie piatta, che ben si presta per appoggiare il polpastrello. Non è focalizzato e questo permette di ottenere i risultati migliori in questa applicazione.

I transistor sono comuni NPN. I preferiti sono BC547, 2N3904, 2N4401. 

		Una attenzione particolare va al montaggio di questi transistor, dato che i diversi modelli citati hanno disposizione dei terminali EBC completamente opposta.
2N3904-2N4401	BC547

L'operazionale è un elemento doppio, di buona qualità, rail-to-rail, ad esempio MCP602, MCP6042, LMC6484, ecc.
Le resistenze usate sono elementi a strato metallico, ma non è tassativo. Piuttosto, i condensatori devono essere di buona qualità, ceramici multistrato.

L'alimentazione è prevista a 5V, in modo da interfacciarsi direttamente con i circuiti logici successivi.

Dato che il corpo non ha alcun contatto elettrico con il circuito di misura, non occorre un isolamento galvanico per collegare il sensore a successivi apparecchi collegati alla rete.
In ogni caso, è opportuno realizzare il tutto in modo che non ci siano parti del circuito accessibili durante la misura, al di fuori della superficie del sensore.

Il dito va poggiato in modo tale da avere il sensore in corrispondenza della parte più carnosa del polpastrello (quella dove sono presenti il maggior numero di vasi sanguigni). Questa posizione richiede un attimo di ricerca, dato che basta uno spostamento di qualche millimetro per avere un segnale instabile.

Può essere di aiuto l' aggiunta di un LED che pulserà alla frequenza del battito cardiaco e indicherà chiaramente la giusta posizione.

Lo si può aggiungere in modo assolutamente semplice tra l' uscita del circuito e la massa (schema a sinistra), con una resistenza in serie; usando un elemento a bassa corrente (1-2mA) la resistenza R9 sarà da 1.5-2.7k.

Volendo, si potrà utilizzare un piccolo MOSFET in TO-92 (schema a destra) per comandare il LED. In questo caso si potranno usare 100ohm per R9 e 1.5-2.7K per R8.Anche in questo caso occorre verificare con cura la disposizione dei terminali, in quanto, ad esempio, BS170 e 2N7000, entrambi adatti allo scopo, hanno pinout differenti.

Il LED sarà normalmente acceso e pulserà col battito quando il polpastrello sarà giustamente posizionato; se il lampeggio è irregolare, occorrerà spostare il dito fino a trovare la giusta posizione. Attenzione, perchè  non è questione di premere maggiormente, dato che questo è controproducente: una eccessiva pressione chiude i capillari impedendo la circolazione del sangue. La giusta posizione si trova senza applicare alcuna pressione.

La costruzione non è critica è può anche essere realizzata su una scheda millefori. Però lo stampato non è complesso ed essendo ad una faccia, è realizzabile senza problemi anche in casa.

Ecco un campione nella versione con MOSFET per comandare il LED in uscita.

Si nota che il sensore è ben distanziato dagli altri componenti per permettere un comodo appoggio del dito. Lo stesso circuito potrà essere costruito in SMD con una sensibile riduzione della superficie dello stampato.

Peraltro, è possibile anche utilizzare una coppia fotodiodo-ricevitore inserita in un ditale di materiale elastico da infilare sulla punta del dito oppure sui due lati di una molletta per panni (con la molla opportunamente allentata per permettere un fissaggio al dito senza eccessiva pressione).