Project Sensorshirt Omgevingsintelligentie en Interactie Eindrapport

Project Sensorshirt Omgevingsintelligentie en Interactie – Eindrapport

Saxion Hogescholen Enschede, 28-1-2013

Opdrachtgever: Dr. Ir. W.B. Teeuw Begeleider: Dr. Ir. R.J.W.T. Tangelder Dr. T.S. Goering-Zaburnenko Projectleden: Erik Bakker (94686) Kevin Oosterlaar (130484)

Versie 1.0 0

Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

Inhoud 1

Inleiding ........................................................................................................................................... 1 1.1

2

Aanleiding ................................................................................................................................ 1

Onderzoeksvragen........................................................................................................................... 2 2.1

Probleemstelling...................................................................................................................... 2

2.2

Hypothese ............................................................................................................................... 2

2.3

Deelvragen............................................................................................................................... 2

3

Onderzoeksmethoden ..................................................................................................................... 3

4

Requirements .................................................................................................................................. 4

5

Beweging meten .............................................................................................................................. 5 5.1

6

5.1.1

ProMove 3D ..................................................................................................................... 5

5.1.2

MPU 6050 ........................................................................................................................ 8

5.1.3

Smartphone apps ............................................................................................................ 9

5.2

Opzet experiment .................................................................................................................... 9

5.3

Resultaten.............................................................................................................................. 12

5.3.1

ProMove 3D ................................................................................................................... 12

5.3.2

MPU 6050 ...................................................................................................................... 17

Hartslag meten via elektrische signalen ........................................................................................ 18 6.1

State of the art ...................................................................................................................... 20

6.1.1

Holter-ECG-System HR 300, Bluetooth-langdurige ECG met display ............................ 20

6.1.2

Bluetooth-12 Kanaals ECG BT 12 ................................................................................... 20

6.1.3

ECG SenShirt .................................................................................................................. 20

6.2

7

Sensoren experiment .............................................................................................................. 5

DIY (Do It Yourself) ................................................................................................................ 23

6.2.1

DIY ECG Machine on the Cheap..................................................................................... 23

6.2.2

ECG Measurement System ............................................................................................ 24

6.3

Vergelijking producten .......................................................................................................... 25

6.4

Opzet experiment .................................................................................................................. 26

6.5

Resultaten.............................................................................................................................. 27

6.5.1

Simulatie ........................................................................................................................ 27

6.5.2

Implementatie ............................................................................................................... 31

Optisch meten ............................................................................................................................... 35 7.1

State of the art ...................................................................................................................... 35

7.1.1

Fingertip oximeter ......................................................................................................... 35


7.1.2

Fingerpulse oximeter ..................................................................................................... 35

7.1.3

Fingerpulse oximeter long term .................................................................................... 36

7.1.4

Wristpulse oximeter ...................................................................................................... 36

7.1.5

Pulse sensor ................................................................................................................... 37

7.2


7.3

Smartphone apps .................................................................................................................. 39

7.4


7.5

Opzet experiment .................................................................................................................. 42

7.6

Resultaten.............................................................................................................................. 43

8

7.6.1

Vingertest ...................................................................................................................... 43

7.6.2

Oor test .......................................................................................................................... 44

Geluid meten ................................................................................................................................. 46 8.1

State of the art ...................................................................................................................... 46

8.1.1

Elektronische stethoscoop ............................................................................................ 46

8.1.2

Draadloze elektronische stethoscoop ........................................................................... 47

8.1.3

Freedomscope ............................................................................................................... 47

8.1.4

Seeedstudio heart sound sensor ................................................................................... 48

8.2


8.3

Smartphone apps .................................................................................................................. 49

8.4


8.5

Experiment ............................................................................................................................ 50

9

Conclusies ...................................................................................................................................... 51

10

Aanbevelingen ........................................................................................................................... 53

11

Bronnen ........................................................................................................................................ i


1 Inleiding Dit document is het onderzoeksrapport voor het project Sensorshirt. Het project Sensorshirt is onderdeel van de minor Omgevingsintelligentie en Interactie (OII) en het project Veiligheid op de Werkvloer.

1.1 Aanleiding Veiligheid op de werkvloer begint een steeds belangrijker onderwerp te worden. In allerlei beroepen en sporten is het van belang dat mensen lichamelijk goed in de gaten worden gehouden om bijvoorbeeld ongevallen te voorkomen of prestaties te verbeteren. Door mevr. S. Wiering (Saxion) is al een onderzoek uitgevoerd naar een sensorshirt. Dit onderzoek is te vinden in de volgende bijlage [AFSTSC1]. Uit dit onderzoek kwam naar voren dat de belangrijke aspecten bij het in de gaten houden van de mensen als volgt zijn:   

Oververhitting Oververmoeidheid Uitdroging

Het onderzoek van mevr. S. Wiering gaat ook voornamelijk over de textiele eigenschappen van het shirt, geleidende draad, bevestiging van de pcb’s en welke typen sensoren gebruikt kunnen worden. Ze heeft ook al een prototype van het shirt gemaakt. De dhr. K. Zhang(PhD UT) is al bezig met het ontwerpen en maken van de pcb’s. Een eerste prototype is al gemaakt. De drivers voor de pcb worden ook gemaakt door dhr. K. Zhang. Voor dit project houdt dit team zich bezig met een onderzoek naar een goede methode voor hartslag meten. De specificaties hiervoor staan verderop in dit document.

1 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

2 Onderzoeksvragen In het vooronderzoek van mevr. S. Wiering kwam naar voor dat de indicaties voor oververhitting, oververmoeidheid en uitdroging voornamelijk bepaald worden door de hartslag, ademhaling en temperatuur. Dit onderzoek zal zich focussen op de hartslag. Indien er tijd over is kan de ademhaling en temperatuur onderzocht worden.

2.1 Probleemstelling In het vooronderzoek van mevr. S. Wiering is gekozen om de hartslag te meten via een accelerometer en gyroscoop. Of dit daadwerkelijk de beste methode is dat is nog niet bekend. In dit onderzoek wordt de huidige methode getest of vergeleken met alternatieve methoden. De probleemstelling is: is de huidige methode goed genoeg om de hartslag mee te meten of is er een betere methode beschikbaar?

2.2 Hypothese Wij verwachten dat hartslag meten met een accelerometer en gyroscoop niet de beste optie is voor dit shirt, omdat tijdens beweging de accelerometer en gyroscoop zullen uitslaan qua gegevens en daardoor wordt signaalanalyse behoorlijk moeilijker. Welke een geschiktere optie is op dit moment dat weten wij niet, omdat we eerst nog moeten onderzoeken welke manieren van hartslag meten er zijn. Uit de probleemstelling en onze hypothese komt een onderzoeksvraag voort en deze is als volgt: welke methode is het meest geschikt om de hartslag mee te meten?

2.3 Deelvragen Uit deze onderzoeksvraag zijn deelvragen af te leiden, deze zijn als volgt:  

Is de huidige methode goed genoeg voor het sensorshirt? Welke manier van hartslag meten is het meest geschikt voor het sensorshirt? o Welke sensor is het meest geschikt voor de gekozen manier van hartslag meten?


3 Onderzoeksmethoden Om alle onderzoeksvragen te kunnen beantwoorden zal er gebruik worden gemaakt van verschillende onderzoeksmethoden. Tijdens de start van het onderzoek zal er eerst middels een desktop research worden gezocht naar state of the art producten die relevant zijn voor het project. De state of the art producten worden geanalyseerd en met elkaar vergeleken. Hierna begint een tweede desktop research, deze focust zich op DIY (do it yourself) producten. Deze producten worden net zoals de state of the art producten geanalyseerd en vergeleken met elkaar. Na de desktop research kan het zijn dat er nog onduidelijkheden zijn over bepaalde producten en hun werking. Om deze onduidelijkheden op te lossen zal er een expert geraadpleegd worden. Middels een interview worden vragen over de producten en hun werking beantwoord. Na de desktop research en interviews zullen er een aantal producten zijn die veelbelovend lijken over het oplossen van het probleem. Om er daadwerkelijk erachter te komen welk producten het meest geschikt zijn worden er experimenten uitgevoerd. Voor een experiment kan beginnen wordt er eerst een testomgeving beschreven en een test plan per product. De resultaten van de experimenten zullen de basis vormen voor de aanbevelingen en implementatie. Na de experimenten zal de beste oplossing worden geïmplementeerd. Tijdens het implementeren zullen er meerdere testen worden uitgevoerd om te controleren of de oplossing werkt. De oplossing zal daarna geïntegreerd worden in het sensorshirt. Voor het integreren zullen ook een aantal testen moeten worden uitgevoerd om te controleren of de werking hetzelfde is gebleven.


4 Requirements De sensoren moeten aan verschillende requirements voldoen om geschikt te zijn voor het sensorshirt. De requirements zijn in overleg met de opdrachtgever en begeleiders samengesteld. Het uiteindelijk product moet voldoen uit een balans van de volgende requirements:      

De sensoren moeten accuraat genoeg zijn in vergelijking met een referentie. De sensoren moeten te integreren zijn in het sensorshirt. Het sensorshirt moet comfortabel zijn. Het sensorshirt moet makkelijk aan en uit te trekken zijn. Het sensorshirt moet wasbaar zijn. De sensoren moeten makkelijk bevestigd worden en eraf gehaald kunnen worden. De sensoren mogen niet te duur zijn.

Een kort vooronderzoek heeft aangetoond dat er 4 belangrijke manieren van hartslag meten zijn, namelijk:    

Beweging Elektrische signalen Optisch Geluid

Deze manieren van hartslag meten zullen in de volgende 4 hoofdstukken behandeld worden.


5 Beweging meten Aan het begin van dit project is er door een projectboard en experts besloten om een accelerometer en gyroscoop te gaan gebruiken om de hartslag te meten. Een accelerometer meet de acceleratie van een object in m/sec2, een gyroscoop meet de draaiing van een object in graden/sec. Bij elke hartslag zet de borstkas minimaal uit en dit is waarschijnlijk te meten. De hartslag meten met een accelerometer en gyroscoop wordt ook wel seismocardiografie genoemd. Hierover zijn een aantal artikelen aanwezig, de artikelen staan in de volgende bijlage [ACE1]. Er is ook een klein artikel gevonden over een pacemaker waarin een accelerometer is verwerkt. Hiermee wordt de hartslag geregistreerd. Verder staat in dat artikel geen nuttige informatie over de accelerometer en gyroscoop zelf. Het artikel en aanvullende informatie staan in de volgende bijlages [ACE2][ACE3]. Aangezien het sensorshirt gebruikt gaat worden voor onder andere sporters kunnen accelerometers en gyroscopen extra nuttige informatie bieden. Met de gegevens van de accelerometer en gyroscoop kan de afstand berekend worden die de sporters hebben afgelegd en hoe vaak en hoe lang ze accelereren. Deze informatie kan gebruikt worden om de atletische prestaties te kunnen monitoren. Aan de andere kant kunnen veel bewegingen de metingen verstoren, bijvoorbeeld als de persoon met het sensorshirt aan gaat lopen. De acceleratie van het lopen wordt opgeteld/afgetrokken van de acceleratie van het hart waardoor de hartslag eventueel niet meer te zien valt. Tests moeten nog uitsluiten of dit daadwerkelijk het geval is.

5.1 Sensoren experiment Er zijn veel verschillende modellen accelerometers en gyroscopen verkrijgbaar. Voor dit onderzoek beperken we de keus. Er zal met de oorspronkelijk gekozen accelerometer en gyroscoop worden getest namelijk de MPU 6050. De testen zullen ook uitgevoerd worden met een accelerometer en gyroscoop die binnen het kenniscentrum design & technologie beschikbaar zijn namelijk de Inertia ProMove 3D. Eerst worden de 2 accelerometers en gyroscopen vergeleken zodat de verschillen tussen beide bekend zijn. 5.1.1 ProMove 3D De ProMove 3D wordt gemaakt door het bedrijf Inertia. Het is een professioneel product die al gebruikt wordt voor meerdere projecten. De ProMove 3D is kant en klaar om te gebruiken. De kenmerken van de ProMove 3D zijn volgt:        

De accelerometer heeft 3 assen. Het bereik van de accelerometer kan ingesteld worden op 2G of 6G. De accelerometer heeft een resolutie van 1mG. De gyroscoop heeft 3 assen. De gyroscoop kan maximaal een draaiing van 2000 graden/seconde registeren. De gyroscoop heeft een resolutie van 0.06 graden/sec. Het draadloze bereik van de ProMove 3D is ongeveer 50 meter bij een maximale power output. De dimensies van de ProMove 3D zijn: 62,5 X 96 X 16 mm. 5 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

   

Bevat een accu en draadloze module. Usb gateway voor het ontvangen van de data op een PC, dus is helaas niet aan te sluiten op een microcontroller. Grafische User Interface meegeleverd. Relatief grote behuizing.

Figuur 1 ProMove 3D

De datasheet kan gevonden worden in de volgende bijlage [ACE4]. Bij de ProMove 3D wordt ook software geleverd namelijk de ProMoveGUI, deze software maakt het gebruik van de ProMove 3D veel vriendelijker, maar er kleven ook nadelen aan.

Figuur 2 ProMoveGUI


Figuur 3 Voorbeeld van gegevens in de ProMoveGUI

De voordelen van de ProMoveGUI zijn als volgt:      

10 grafieken met informatie. Automatische y-as schaling. User Interface aanpasbaar. Gegevens worden bewaard in log files. Instellingen sensoren aanpasbaar. Meerdere verbindingsmogelijkheden.

In de user interface zijn 10 grafieken beschikbaar voor de gebruiker. Eén is voor de signaalsterkte, de overige 9 grafieken zijn voor de accelerometer, kompas en gyroscoop (deze hebben allen 3 grafieken, 1 voor elke as). Met deze grafieken zijn de gegevens makkelijker te analyseren. De grafieken schalen automatisch bij op de y-as waardoor de gebruiker niet zelf de grafieken hoeft bij te schalen om alle gegevens te kunnen zien. De grafieken kunnen in een andere volgorde worden gezet als de gebruiker hier de behoefte voor heeft. De kleuren van de gegevens op grafiek van de verschillende ProMove 3D nodes kunnen aangepast worden om meer contrast te geven tussen verschillende nodes. Alle gegevens worden opgeslagen in een log file, er zijn opties om uit te kiezen. Elke sessie een nieuwe loge file, elke sessie gegevens blijven toevoegen aan 1 log file of de log file elke sessie overschrijven. In de instellingen van de user interface kunnen de accelerometer, kompas en gyroscoop afzonderlijk aan of uit gezet worden. De bereik van de accelerometer en gyroscoop kunnen aangepast worden. De sample rate van het geheel kan ook aangepast worden. 7 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

De ProMove 3D heeft 3 manieren om de data te versturen, de standaard optie is via radio, de tweede optie is serieel oftewel via de usb kabel en de laatste optie is via bluetooth. De nadelen zijn als volgt:   

Gegevens zijn maar enkele seconden te zien. Geen playback functie. Analyseren gaat langzaam door hoeveelheid gegevens en bovenstaande criteria.

Eén van nadelen aan de ProMoveGUI is dat je alleen de gegevens van een relatief kleine tijdsperiode kunt inzien, er is geen mogelijkheid om de GUI op pauze te zetten en om terug te scrollen op de x-as (tijd). Hierdoor moeten de gegevens gelijk geanalyseerd worden of in de logfile terug gekeken worden. De GUI ondersteunt ook geen playback functie voor de log file. Dit betekend dus dat als de gegevens niet meer zichtbaar zijn in de grafiek dat je ze ook niet meer terug kunt zien in de grafiek. Een eventuele oplossing voor dit probleem kan zijn dat men Excel gebruikt om van de gegevens zelf een grafiek te maken. Aangezien de standaard sample rate erg hoog ligt produceert de GUI al 108000 gegevens per minuut, en dan zijn de timestamp, node-id, rssi en rtc nog niet eens meegerekend. Indien deze al wel meegerekend worden zijn er al 156000 gegevens per minuut. 5.1.2 MPU 6050 De MPU 6050 is een smd chip. Hierdoor is deze zeer compact. Voor het testgemak is er gekozen voor de versie die al bevestigd zit op een pcb. De kenmerken van de MPU 6050 zijn als volgt:          

3-assige accelerometer. Het bereik van de accelerometer kan ingesteld worden op 2, 4, 8 of 16G. 3-assige gyroscoop. De gyroscoop kan maximaal een draaiing van 2000 graden/seconde registeren. De resolutie van de accelerometer en gyroscoop zijn onbekend. Aansluiting voor een externe 3-assige magnetometer. Communicatie met de MPU 6050 gaat via I2C, oftewel aansluitbaar op een microcontroller. Formaat is zeer klein. Geen Grafische User Interface. Bevat geen accu of draadloze module.


Figuur 4 MPU 6050

Meer informatie hierover kan gevonden worden in de volgende bijlage [ACE5]. De MPU 6050 heeft geen GUI, een GUI is niet nodig om de experimenten mee uit te voeren, maar zou het wel makkelijker kunnen maken. Er is wel een code library beschikbaar voor de MPU 6050. Met deze library zijn de functies van de MPU 6050 wel makkelijker te gebruiken. Om volledig gebruik te maken van de MPU 6050 moet er eerst nog wat code bijgeschreven worden voor onder andere een conversie van eenheden van de gegevens. Uit eerdere ervaring is al bekend dat de MPU 6050 niet accuraat is. De afwijking van de MPU 6050 is van 20 graden per seconde. De MPU 6050 zal alleen gebruikt worden om de resultaten van experimenten te verifiëren. 5.1.3 Smartphone apps Zowel voor Android als IOS zijn er geen apps aanwezig om de hartslag te meten via een accelerometer. Er zijn wel enkele wetenschappers/engineers die hiernaar onderzoek hebben gedaan. Een aantal onderzoekers hebben voor de iPhone een app gemaakt waarmee de acceleratie data verkregen kon worden en verstuurd voor analyse[ACE6]. Van de 3 assen gaf de z-as het beste resultaat. De z-as gaat door het beeldscherm heen. Ze hadden de iPhone met de achterkant aan het borstbeen bevestigd via een elastiek. De gegevens van de z-as hebben ze gefilterd en vergeleken met een ecg referentie. De gefilterde gegevens en de ecg referentie kwamen overeen.

5.2 Opzet experiment Het belangrijkste bij deze testen is om erachter te komen of de hartslag gemeten kan worden met een accelerometer en gyroscoop. Indien de hartslag gemeten kan worden zullen er meer verschillende soorten testen uitgevoerd worden om te kijken in hoe verre de sensor beïnvloedt wordt door bepaalde aspecten. Om de hartslag überhaupt te kunnen vinden is de locatie van het hart bepalend.


Figuur 5 transparante mannelijk lichaam met de nadruk hart. [ACE7]

Het hart ligt in het midden van het lichaam, een deel van het hart steekt een beetje uit naar links. Het hart ligt ten hoogte van het borstbeen. Minder dan 1 op de 10000 mensen hebben een zeldzame verstoring van de links-rechts configuratie binnen het lichaam genaamd situs inversus, zie bijlage [ACE8]. Deze verstoring zorgt ervoor dat de organen in spiegelbeeld zijn gepositioneerd in het lichaam. Om te verkomen dat er aan de verkeerde kant gemeten wordt moet de proefpersoon eerst met zijn/haar hand op de borst controleren waar de hartslag het duidelijkst voelbaar is. Om een test goed uit te voeren moeten de accelerometers en gyroscopen goed bevestigd kunnen worden. Er zijn meerdere manieren van bevestiging aanwezig, deze zijn als volgt:   



ProMove 3D vast tapen aan het lichaam; in de rest van dit document zal dit als tape bevestiging genoemd worden. ProMove 3D met een hand tegen het lichaam aanhouden; in de rest van dit document zal dit als hand bevestiging genoemd worden. De test liggend uitvoeren zodat de ProMove 3D op het lichaam kan liggen zonder enige bevestiging nodig te hebben; in de rest van dit document zal dit als losse bevestiging genoemd worden. ProMove 3D onder een strak shirt plaatsen zodat deze klem komt te zitten; in de rest van dit document zal dit als shirt bevestiging genoemd worden.

De eerste test is te controleren of de accelerometer en gyroscoop hartslag kunnen meten. De accelerometer en gyroscoop moeten bij het hart bevestigd worden via de bovenstaande methodes. 10 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

Indien er bewezen is dat de accelerometer en gyroscoop hartslag kunnen meten zullen de volgende set test worden uitgevoerd:     

Test waarbij de proefpersoon ligt. Test waarbij de proefpersoon zit. Test waarbij de proefpersoon loopt. Test waarbij de proefpersoon rent. Test waarbij de proefpersoon fietst op een hometrainer.

Aangezien het shirt wordt gemaakt voor brandweermannen en sporters worden de ren, loop en fiets test zwaarder meegeteld in het eindoordeel. De bovenstaande testen bevatten ook nog extra sub-testen, deze zijn als volgt:   

Tijdens de test zal de proefpersoon niet praten. Tijdens de test zal de proefpersoon praten. Tijdens de test zal de proefpersoon expres overdreven ademhalen.

Deze bovenstaande sub-testen zijn bedoeld om te controleren welke factoren de werking van de accelerometer en gyroscoop zullen beïnvloeden. De Test uitvoeren met de ProMove 3D en de MPU 6050 zullen net iets anders verlopen, dit heeft voornamelijk te maken met het analyseren van de gegevens. Bij de ProMove 3D is een GUI aanwezig, hierdoor kunnen de gegevens makkelijk afgelezen kunnen worden tijdens het testen. Na de sessie is er een log file opgeslagen in csv formaat. De log file kan helaas niet weer ingeladen worden in de ProMoveGUI om deze te analyseren, dus hiervoor gebruiken we de volgende omweg . De log file zal in Excel worden geïmporteerd als een gegevensbron. Dit zorgt ervoor dat alle afzonderlijke gegevens netjes in verschillende kolommen komen. De gegevens waarvan de hartslag valt af te lezen zullen omgezet worden naar en grafiek. Deze grafieken zijn dan klaar om geanalyseerd te worden. Bij de MPU 6050 wordt geen GUI bijgeleverd, dit zorgt ervoor dat de gegevens niet deels geanalyseerd kunnen worden tijdens het testen. De oplossing hiervoor is om de gegevens via een seriële verbinding te versturen. De gegevens op seriële verbinding zullen via het programma Processing ingelezen worden. Na de test zullen de gegevens worden opgeslagen als een csv file. Daarna kan de log file op dezelfde manier bewerkt worden als bij de ProMove 3D. De MPU 6050 wordt als volgt aangesloten op een Arduino Uno:          

Vdd -> 3,3V Gnd -> ground Int -> don’t connect Sync -> don’t connect Scl -> analog 5 Sda -> analog 4 Vio -> 3,3V Clk -> don’t connect Ascl -> analog 5 Asda -> analog 4 11 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

5.3 Resultaten De resultaten worden onderverdeeld per accelerometer en gyroscoop en per test type. 5.3.1

ProMove 3D

5.3.1.1 Hartlocatietest Om de locatie van het hart precies te bepalen gaat de proefpersoon liggen, de ProMove 3D wordt op de proefpersoon gelegd waar er gedacht wordt dat het hart zit. Door de ProMove 3D los op de proefpersoon te leggen wordt ervoor gezorgd dat deze vrije bewegingsmogelijkheden heeft. Als de borstkas inderdaad minimaal uitzet bij een hartslag dan kan er op deze manier waarschijnlijk het beste resultaat behaald worden. Bij de eerste locatie valt er geen hartslag te zien, wel is er een kleine verstoring in de gegevens vergeleken met rust van de ProMove 3D. Na een aantal keer de ProMove 3D te verplaatsen is de locatie van het hart gevonden. De hartslag van de proefpersoon is zichtbaar in de ProMoveGUI. De locatie bepalen was een trial & error proces.

Figuur 6 plaatsing ProMove 3D


Figuur 7 hartslag gemeten met ProMove 3D

De Locatie wordt gemarkeerd met een stift, om te controleren of het toepassingsgebied groter is dan op dit moment gevonden. De ProMove 3D wordt telkens een kleine afstand van het gemarkeerde gebied verplaatst. Na in elke richting de ProMove 3D te hebben verplaatst is het resultaat dat de ProMove 3D alleen werkt in het gemarkeerde gebied. Nu er bekend is dat de hartslag gemeten kan worden, worden de rest van de testen uitgevoerd. 5.3.1.2 Ligtest Tijdens deze test zal de proefpersoon liggen en de ProMove 3D zal in het gemarkeerde gebied geplaatst worden zonder extra bevestiging. De losse bevestiging kan alleen bij deze test gebruikt worden. Bij de andere testen de ProMove 3D zou vallen als de losse bevestiging wordt gebruikt. Bij deze test gaan we de sub-test uitvoeren om te controleren of een aantal factoren invloed hebben op de ProMove 3D. Door de hoge sample rate van de ProMove 3D zullen de test ieders een halve of hele minuut duren. Al eerste wordt er 1 minuut lang getest terwijl de proefpersoon niet praat. De resultaten van deze test zijn te vinden in de volgende bijlage: [ACE9].


Figuur 8 deel van de resultaten test 1 minuut rust, y-as -15 tot 25 graden/sec.

In de grafiek valt de hartslag goed te zien, de maximale top en dal zijn goed te herkennen van elke hartslag. Tussen de toppen en dalen zit een beetje storing. De storing heeft geen invloed op het kunnen herkennen van de hoeveelheid hartslagen. De volgende test duurt een halve minuut, na 5 seconden zal de proefpersoon gaan praten totdat de test voorbij is. Hiermee kan vergeleken worden of het praten invloed heeft op de werking van de ProMove 3D. De resultaten van deze test zijn te vinden in de volgende bijlage: [ACE10].

2

Figuur 9 deel van de resultaten test halve minuut praten, y-as -10 tot -7 m/s .

Voordat de praattest is uitgevoerd waren er problemen met het verkrijgen van de hartslag. Daarom is de test uitgevoerd toen de hartslag licht vindbaar was, er was wel enigszins storing aanwezig. In de grafiek markeert de pijl wanneer de 5 seconden voorbij zijn. Voor de 5 seconden stoort het signaal redelijk. Eenmaal de 5 seconden gepasseerd, wanneer de proefpersoon begint te praten neemt de storing aanzienlijk toe. Het praten zorgt dus voor extra storing in de meetgegevens. Of het praten de meting dusdanig kan beïnvloeden dat de hartslag niet meer zichtbaar kan niet met zekerheid gezegd worden. In de volgende test gaat de proefpersoon 1 minuut lang expres hevig ademhalen om te controleren of dit de resultaten beïnvloed. De resultaten van deze test zijn te vinden in de volgende bijlage: [ACE11].


Figuur 10 deel van de resultaten test 1 minuut hevig ademhalen, y-as -25 tot 35 graden/sec.

In de grafiek kan de hartslag nog wel herkend worden een aantal keer. De storing is in het algemeen veel erger geworden. Hierdoor is het niet mogelijk om de daadwerkelijke hartslag per minuut goed te kunnen berekenen. Na meerdere keren de lig test te hebben herhaald is er gebleken dat bij 9 van de 20 keer direct resultaat te behalen valt bij het plaatsen van de ProMove 3D. In de andere gevallen moest de ProMove 3D nog eerst een keer tegen het lichaam aangedrukt worden voordat er resultaten zichtbaar waren. Dit heeft hoogstwaarschijnlijk te maken met het feit dat het lichaam niet vlak is in het gemarkeerde gebied. 5.3.1.3 Zittest Tijdens deze test zal de proefpersoon zitten en worden de volgende bevestigingsmethodes getest:  

Vasttapen Handbevestiging

De shirtbevestiging wordt getest bij de loop test. Als eerste wordt de ProMove 3D in het gemarkeerde gebied geplaatst, hierna wordt deze vast getapet. Met de ProMove 3D vast op zijn plaatst getapet wordt er niks gemeten, zelfs de ProMove 3D aan drukken geeft geen resultaat. Er zit geen ruimte meer tussen de ProMove 3D en het lichaam, dus de ProMove 3D maakt goed contact. Het kan zijn dat de ProMove 3D zo stevig is vast getapet dat de tape trillingen en bewegingen van het hart/lichaam absorbeert.


Figuur 11 resultaat van het testen met getapet ProMove 3D

Bij de volgende test houd de proefpersoon zelf de ProMove 3D tegen het lichaam in het gemarkeerde gebied. Net als bij de tape bevestiging kan er ondanks meerdere pogingen de hartslag niet gemeten worden. Dit komt waarschijnlijk ook doordat de ProMove 3D stevig tegen het lichaam aan wordt gedrukt waardoor de trillingen en bewegingen geabsorbeerd worden. 5.3.1.4 Looptest Bij deze zal de proefpersoon een stukje rechtuit gaan lopen. De proefpersoon zal het prototype shirt aantrekken en de ProMove 3D plaatsen tussen het shirt en lichaam op de positie van de markering. Het eerste wat opvalt is dat de ProMove 3D gelijk al naar beneden zakt zonder dat er nog maar een stap is gezet. De proefpersoon zal deze keer zijn borstkas naar voren steken. Doordat de proefpersoon deze pose aanhoudt zakt de ProMove 3D niet meer naar beneden.


Figuur 12 test met het strakke shirt en ProMove 3D eronder

Desondanks dat het prototype shirt heel strak zit, valt er geen hartslag af te lezen van de ProMoveGUI. Omdat de 3 bevestigingsmethoden die nodig waren voor de ren en fiets test niet werken, kunnen deze 2 testen niet uitgevoerd worden . Op het moment werkt dus alleen de losse bevestigingsmethode. Deze bevestigingsmethode kan alleen gebruikt worden wanneer de proefpersoon ligt. 5.3.2 MPU 6050 De MPU 6050 wordt vast getapet op de borstkas van de proefpersoon ten hoogte van de tepels. Aangezien er geen GUI aanwezig die gegevens weergeeft wordt er eerst 1 minuut getest. Daarna zullen de gegevens omgezet worden naar grafieken zodat deze geanalyseerd kunnen worden.

Figuur 13 deel van de resultaten 1 minuut test rust MPU6050 Gyroscoop Y-as, y-as -1000 tot 1000 graden/sec.

In de grafieken valt een patroon te herkennen, dit komt voornamelijk voor bij de gyroscoop. Zoals in het figuur hierboven te zien valt er een hartslag te herkennen, maar niet altijd. Ondanks dat de MPU6050 een grote afwijking heeft kan deze nog steeds gebruikt worden om in rust de hartslag te meten. De resultaten van deze test zijn te vinden in de volgende bijlage: [ACE12].


6 Hartslag meten via elektrische signalen Een elektrocardiogram of ECG (ook wel een hartfilmpje genoemd) is een registratie van de elektrische activiteit van de hartspier. Het apparaat wat hiervoor gebruikt wordt heet een elektrocardiograaf. De ECG is een registratie van de resulterende som van alle afzonderlijke potentialen van alle hartspieren over de tijd. De gemeten spanning is in de orde grootte van 1 mV, er is dus zeer gevoelige apparatuur nodig. De apparatuur is zeer gevoelig voor stoorspanning van het lichtnet. Met een filter kunnen deze storingen eruit gefilterd worden. Tijdens de meting moet een patiënt stilliggen om de meting niet te laten beïnvloeden door activiteit van de andere spieren. Uit een ECG is veel informatie te verkrijgen over de werking van de hartspier, met name voor ritmestoornissen.

Figuur 14 hartcyclus. [ECG1]

Op de ECG zijn de belangrijkste elementen de ‘P-golf’, ‘QRS-complex’ en de ‘T-golf’ te zien. Soms volgt nog een zichtbare ‘U-golf’. De grote van de ECG elementen en de tijd ertussen in combinatie met een afleiding geven informatie over de gezondheid van een persoon. Een ECG hoeft niet gebruik te maken van alle 12 afleidingen. 3 of 5 afleidingen worden ook vaak gebruikt. Als een ECG niet op de juiste wijze is gemaakt, dan zijn de resultaten niet betrouwbaar.


Figuur 15 : 6 standaard afleidingen van een ECG. [ECG2]

Standaard worden elektrodes bevestigd aan de linker- en rechterarm en het linkerbeen. Hiermee kunnen 6 afleidingen gemaakt worden:      

I (linkerarm t.o.v. rechterarm) II (rechterarm t.o.v. linkerbeen) III (linkerarm t.o.v. linkerbeen) aVR (rechterarm t.o.v. gecombineerde linkerarm en linkerbeen) aVL (linkerarm t.o.v. gecombineerde rechterarm en linkerbeen) aVF (linkerbeen t.o.v. gecombineerde linkerarm en rechterarm)

Langs een traject op de borstkas wordt een zestal contacten gemaakt genaamd V1-V6. Hiermee kunnen de 6 precordiale afleidingen gemaakt worden.

Figuur 16 locaties traject elektrodes voor precordiale afleidingen


6.1 State of the art 6.1.1 Holter-ECG-System HR 300, Bluetooth-langdurige ECG met display  Redelijk compact.  Bluetooth interface.  Pacemaker herkenning.  Real time gegevens overdracht naar SD kaart module.  6985 euro.  2/3 kanaals registratie. Meer informatie hierover kan gevonden worden in de volgende bijlage [ECG3].

Figuur 17 Holter-ECG-System HR 300, Bluetooth-langdurige ECG met display.

Een alternatief voor dit product met ongeveer dezelfde eigenschappen kan gevonden in de volgende bijlage [ECG4] 6.1.2     

Bluetooth-12 Kanaals ECG BT 12 Bluetooth interface. Redelijk compact. 12 afleidingen. Moet binnen 25 meter van een computer blijven. 1499 euro.

Meer informatie hierover kan gevonden worden in de volgende bijlage [ECG5]. 6.1.3 ECG SenShirt Op het Hanze Institute of Technologie is in Assen (2010/2011) tevens een onderzoek [AFSTSC2] gedaan naar een sensorshirt. Dit onderzoek is uitgevoerd door Tim Stoppelenburg en is voortgekomen uit twee eerdere onderzoeken genaamd “Heart Revalidation en Obsessive Compulsive Disorder (OCD). Deze twee onderzoeken zijn uitgebreid en samengevoegd, en de uitkomst hiervan is het onderzoek SenShirt. De focus in dit onderzoek lag vooral op het maken van een proof of concept van een sensorshirt waarbij de hartactiviteiten, ademhalingsactiviteiten, transpiratie en temperatuur


gemeten kan worden. De uitkomst van dit proof of concept is dat het SenShirt werkend is maar de textiele elektrodes kunnen nog verbeterd worden. Met name de hartactiviteiten wat bij het SenShirt (Assen) via een ECG systeem wordt gemeten is voor het project Sensorshirt (Enschede) interessant. De voordelen van dit ECG systeem is dat het draagbaar is en dat het in een shirt verwerkt kan worden waarbij de elektrodes in een shirt gewoven zijn. Voor het project sensorshirt is de basis met drie elektrodes in eerste instantie prima. Het ECG apparaat wordt opgesplitst in drie elementen. Draden zijn verbonden met een operationele amplifier die de signalen verwerkt naar een ECG signaal. Een operationele amplifier heeft ter vergelijking met een normale differentiaal amplifier de functie om ruis van de lijnen af te halen. Nadat de amplifier en diverse filters de ruis hebben weggehaald kan het uitgangssignaal door een microcontroller worden berekend om bijvoorbeeld hartslagen per minuut te berekenen. Een deel van de weerstand en ruis komt van het contact tussen de bedrading en elektrode. Het contact tussen de elektrodes en de huid wat normaal gesproken via elektrodes gebeurt is de grootste weerstand die te overwinnen valt. Normaal gesproken hebben de elektrodes binnenin een geleidend metaal met daarop een geleidend gel om zo goed mogelijk te geleiden.


Figuur 18 Final proof of concept ECG monitor SenShirt


In het bovenstaande figuur is het final proof of concept zien van de ECG monitor uit de scriptie van het SenShirt. Deze monitor geeft volgens de scriptie goede test resultaten. Het hardware schema bestaat uit het volgende:    

8 operationele versterkers High pass CR-series filter met een cutoff frequency of 0.05Hz 50 Hz twin tail notch filter Low pass RC-series filter met een cutoff frequency of 150Hz

Tijdens het maken van een simulatie van dit hardschema zijn er meerdere fouten tegengekomen. De condensatoren C4 en C5 staan aangegeven als 6.8F. Nadat er contact opgenomen was met Tim Stoppelenburg bleek dat deze condensator 6.8nF moesten zijn zoals vermoed. De twin t notch filter bleek niet goed te zijn. Meer informatie over de foutieve filter staat bij resultaten. Met deze ecg kan maar 1 afleiding tegelijkertijd gemaakt worden, tot 3 afleidingen zijn mogelijk als de elektrodes verplaatst worden. Er moet nog wel getest worden hoe accuraat deze ECG is en een vergeleken worden of textiele elektroden beter zijn dan standaard elektroden. Er zijn nog meer state of the art elektrocardiografen maar deze worden niet in dit rapport opgenomen vanwege het feit dat ze niet compact zijn.

6.2 DIY (Do It Yourself) 6.2.1 DIY ECG Machine on the Cheap Harden, S. levert op zijn website een goede uitleg en aanpak. Hij heeft een prototype gemaakt van dit diagram:

Figuur 19 simple ECG circuit.

Hiervan heeft hij de gegevens geanalyseerd, ondanks dat er wel redelijk goede resultaten zijn is deze oplossing nog niet helemaal af. Deze prototype bevat maar 2 elektrodes en daarmee kun je geen 3 23 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

lead ECG afleiden. Een 3 lead ECG heeft het minste elektrodes nodig en dat zijn er 3. Nguyen, J. heeft dit circuit verbeterd, dit verbeterde circuit ziet er als volgt uit:

Figuur 20 electrocardiograph.

Dit ontwerp is minder gevoelig voor storing dan het eerste ontwerp. Tevens is dit ontwerp veiliger voor de patiënt omdat de elektrodes beveiligd zijn met diodes, deze zorgen er voor dat de stroom maar in 1 richting kan stromen. Dit voorkomt dat de proefpersoon onder stroom kan staan. Het nadeel aan beide ontwerpen blijft dat deze moeten worden aangesloten op een pc. Op de pc wordt digitaal de rest van de storing eruit gefilterd. Het zou beter zijn als dit in de hardware gebeurde. Voor meer informatie over deze 2 ontwerpen kan gevonden worden in de bijlages [ECG6][ECG7]. 6.2.2 ECG Measurement System Terwijl opzoek naar een DIY ontwerp zonder koppeling aan een pc en met een goede filter zijn we uit eindelijk terecht gekomen bij het ECG Measurement System. Het ontwerp hiervan ziet er als volgt uit:


Figuur 21 circuits of the ECG system.

Dit ontwerp begint ook bij de basis met een operationele versterker(opamp), na de opamp is er gekozen voor een opto-coupler voor isolatie met de rest van het project. Als laatste bestaat dit ontwerp uit een band-pass filter. Een band-pass filter is een combinatie van een low-pass filter en een high-pass filter. Deze filter laat 0.04Hz tot 150Hz door, de rest wordt weggefilterd. Meer informatie over dit ontwerp kan gevonden worden in de bijlage [ECG8].

6.3 Vergelijking producten Om tot een conclusie te komen welk product in deze categorie het beste is, wordt een vergelijking gemaakt. Deze vergelijking wordt gebaseerd op de eisen die in het begin van dit document gesteld zijn. Deze conclusie is gemaakt na de marktonderzoek, in het hoofdstuk conclusie zal een vergelijking komen van de resultaten van de experimenten.


Legenda kolommen:       

Punt A : De sensoren moeten accuraat zijn, een afwijking van maximaal 2% is acceptabel voor state of the art producten en 5% is acceptabel voor DIY producten. Punt B : De sensoren moeten te integreren zijn in het sensorshirt. Punt C : Het sensorshirt moet comfortabel zijn. Punt D : Het sensorshirt moet makkelijk aan en uit te trekken zijn. Punt E : Het sensorshirt moet wasbaar zijn. De sensoren moeten makkelijk bevestigd worden en eraf gehaald kunnen worden. Punt F: De sensoren mogen niet te duur zijn. Punt G: Er kan meer informatie uit de gegevens halen dan alleen maar de hartslag.

Legenda beoordeling:    

- : voldoet niet aan de eis. + : voldoet wel aan eis. ? : informatie niet beschikbaar. X : niet van toepassing.

Sensor/product Holter-ECG-System HR 300 Bluetooth-12 Kanaals ECG BT 12 DIY ECG Machine on the Cheap ECG Measurement System ECG SenShirt

A

B

C

D

E

F

G

++ ++ +/-

+/+/+ + +

+/+/+/+/+/-

+/+/+/+/+/-

+ + + + +

--++ ++ ++

+ + + + +

De Holter-ECG-System HR 300 en de Bluetooth-12 Kanaals ECG BT 12 zijn producten die in medische wereld gebruikt worden. Beide apparaten zijn heel nauwkeurig en compact. Maar beide producten zijn ook te duur om te gebruiken in dit project. De DIY ECG Machine on the Cheap, ECG Measurement System en ECG SenShirt zijn do it yourself producten. Alle 3 zijn goedkoop om te maken, compact en kunnen aangesloten worden op een microcontroller. Ze kunnen via knopen op de printplaat bevestigd worden aan het shirt. Op deze manier kan de printplaat makkelijk verwijderd worden en het shirt gewassen worden. De DIY ECG Machine on the Cheap moet op een pc worden aangesloten voor filtering. De ECG Measurement System is niet veel over bekend. De ECG SenShirt is redelijk goed gedocumenteerd, de schakeling bevat zelf al filters en er is al veel meer bekend over de resultaten die ermee zijn behaald. Van deze 3 do it yourself producten is de ECG SenShirt de beste keuze.

6.4 Opzet experiment Om de ECG SenShirt te gaan testen is het eerst van belang dat de schakeling gesimuleerd wordt. Hierdoor kan getest worden of afzonderlijke delen van het ontwerp naar behoren werken. Als de simulaties zijn gedaan kan de schakeling nagemaakt worden op een printplaat. De schakeling zal eerst getest worden met gewone elektrodes. De volgende stap is om in een shirt textiele elektrodes te plaatsen en daarmee te testen. 26 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

Het hardware ontwerp zal eerst in zijn geheel worden gesimuleerd. Daarna wordt het circuit opgebroken in functionele modules. Een module is de versterking, andere modules zijn de filters. Helaas kan niet alles gesimuleerd worden. Bij de versterking wordt gecontroleerd of deze de juiste hoeveelheid versterkt. Bij de filters wordt gecontroleerd of ze daadwerkelijk de juiste frequenties eruit filteren. Sommige omstandigheden zijn niet te simuleren zoals een hartslag. Na de simulatie worden de modules gemaakt op een printplaat. Door elke module los te maken kunnen ze makkelijker getest worden. Indien er iets fout is met de schakeling hoeft niet het hele printplaatje vervangen te worden. Op deze manier moet er hooguit een nieuwe module gemaakt worden. Pas als alle modules naar behoren werken zal de complete schakeling gemaakt worden. De hardware zal worden aangesloten op een Arduino Uno. De Arduino zal via een seriële verbinding de gegevens doorsturen naar een pc. Op de pc draait een Processing applicatie. Deze applicatie zal de gegevens van de seriële verbinding ontvangen en grafisch weergeven. De applicatie zal de ontvangen gegevens ook wegschrijven naar een csv bestand. Hierdoor kunnen de gegevens later nog omgezet worden naar een grafiek.

6.5 Resultaten 6.5.1

Simulatie

6.5.1.1 ECG SenShirt Om het hele ontwerp te simuleren moet deze eerst in Multisim gemaakt worden. Na het maken van het ontwerp wordt de spanningsbron en aarde aangesloten. De volgende stap is om een oscilloscoop toe te voegen en een functiegenerator. Eventueel kunnen er nog multimeters toegevoegd worden naar wens. Het resultaat ziet er uit als volgt:


Figuur 22 schakeling ECG SenShirt Multisim


Voor de eerste simulatie is de functiegenerator ingesteld op 60 Hz met een amplitude van 50 mV en 0 offset. Tijdens het runnen van de eerste simulatie valt gelijk al op dat de tijd in de simulatie heel erg langzaam gaat. Dit is te wijten aan het complexe circuit. Als er meer componenten en lijnen zijn, dan zijn er meer berekeningen te maken. Als men in Multisim naar Simulate gaat en daarna Interactive Simulation Settings kiest dan kan de simulatie tijd aangepast worden. Door de maximum time step (TMAX) op handmatig te zetten en deze waarde te vergroten kan er sneller gesimuleerd worden. Door een hogere snelheid in te stellen is de kans groter dat de gebruiker iets over het hoofd ziet bij het analyseren van de simulatie. Het simuleren van dit circuit onder de gewone omstandigheden is onmogelijk. In Multisim kan een hartslag gesimuleerd worden, maar dat is heel erg lastig. Tevens de storing die veroorzaakt wordt door het lichtnet kan niet gesimuleerd worden. De weerstand tussen de electrode en de huid en de weerstand tussen de electrode en de ecg kabel kunnen pas gesimuleerd worden als men precies weet wat de frequentie is van deze weerstand/storing. 6.5.1.2 Twin T notch filter Tijdens het simuleren van de Twin t notch filter viel op dat het filter niet goed aangesloten was. In het figuur hieronder valt het verschil te zien. Het linker circuit is een Twin T notch filter zoals deze aangesloten hoort te zijn. Het rechter circuit is de Twin T notch filter uit de ECG van het SenShirt project. In het rechter circuit zijn de condensatoren C7 & C8 in serie aangesloten, deze condensatoren horen parallel aangesloten te zijn.

Figuur 23 Twin T notch filter (links correct, rechts uit het SenShirt niet correct)

Een Twin T notch filter wordt gebruikt om de storing van het lichtnet uit een systeem te filteren. Een Twin T notch filter kan afgesteld worden voor zowel 50 als 60 Hz. In dit geval gaat het om 50 Hz, daarom wordt de functiegenerator ingesteld volgens de waarden in het onderstaande figuur.


Figuur 24 Functiegenerator settings

Als de simulatie gedraaid wordt dan valt op de oscilloscopen te zien dat er bijna niks meer over is van het ingangssignaal. Om de werking van het filter op alle frequenties te testen wordt er een bodeplot gemaakt. In een bodeplot valt te zien hoe het circuit reageert op verschillende frequenties.

Figuur 25 Bodeplot Twin T notch filter

In het bovenstaande figuur valt de bodeplot van beide circuits te zien. De groene lijn is voor het linker circuit. De rode lijn is voor het rechter circuit. In het bovenste deel van de bodeplot valt te zien dat het linker circuit bij 50 Hz het signaal zo goed als weg filtert. Terwijl de het rechter circuit de amper het signaal weg filtert. Meer simulaties en extra informatie hierover kan gevonden worden in de volgende bijlage[ECG9]. 30 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

6.5.2 Implementatie In de tweede fase van het project sensorshirt is het ECG hardware schema uit het afstudeerverslag van Tim Stoppelenburg (Senshirt) geïmplementeerd. Toentertijd is er in overleg met begeleiders besloten dit schema na te bouwen en met dit ECG systeem te experimenteren. Er wordt in dit verslag gesproken over een werkend ECG maar naar het bestuderen van dit schema zijn er een aantal kleine fouten ontdekt. Hierover is contact opgenomen met Tim Stoppelenburg en hij heeft de fouten erkend. Het ging hierover een aantal condensators met de verkeerde capaciteit. Deze fouten zijn voor het implementeren van de print verbeterd.

Figuur 26 ECG met filters

Nadat dit ECG schema met filters is geïmplementeerd op een printplaat bleek deze alsnog niet te werken. Dit is getest met zowel een Arduino en een oscilloscoop. Na onderzoek bleek dat de 50 Hz twin t notch filter in het schema fout is geïmplementeerd. Vervolgens is er opnieuw overleg gepleegd met de opdrachtgevers en is er besloten om het eerste gedeelte van het ECG schema na te bouwen zonder filters. Hieruit is een werkend ECG systeem gekomen. Het ECG systeem geeft een spanning die wordt uitgelezen door de analoge input van een Arduino. Deze input van de Arduino in een analoog naar digitaal converter die de spanning van 0v tot 5v omzet in waardes van 0 t/m 1024. Deze waardes worden serieel doorgestuurd naar de computer.


Figuur 27 ECG schema zonder filters

In bovenstaande figuur staan 3 headers. De elektrodes met de gele en rode adapter worden op de linker 2 headers aangesloten. Op de rechter header gaat de elektrode met de groene adapter. De locatie van de elektrodes zijn te zien in figuur 29. De bedoeling van het ECG systeem is het experimenteren met de verschillende elektrodes. De textiele- en de plak elektrodes. De plak elektrodes zijn rond en bevatten aan de zijde die op de huid komt een geleidend gel. De textiele elektrodes is een geleidend stof is zijn aan de binnenkant van een shirt genaaid.

Figuur 28 plakelektrodes

De bekabeling van het ECG systeem kan zowel op het shirt als de plakelektrodes worden bevestigd met drukknoop connectoren. De eerste experimenten met de plakelektrodes zijn redelijk goed


verlopen. Voor het testen is een programma geschreven die de data live in een grafiek laat zien en deze data ook naar een CSV file wegschrijft.

Figuur 29 plaatsing elektrodes

Figuur 30 resultaten plakelektrodes met notebook voeding, y-as analoge waardes 0-1023, x-as in seconden.

Figuur 31 resultaten meting plakelektrodes zonder notebook voeding, y-as analoge waardes 0-1023, x-as in seconden.

In de twee bovenstaande afbeeldingen is te zien dat de metingen niet helemaal een scherp resultaat weergeven en dat er nog veel storing aanwezig is. Tijdens het testen is duidelijk geworden dat bewegingen met de armen al te zien zijn in GUI. Ook als de computer waarop de resultaten te zien zijn wordt aangeraakt geeft dit een grote storing. Een andere optie is dat op een notebook zonder adapter die dus draait op een accu veel minder interferentie weergeeft dan met adapter. Dit geeft eigenlijk aan dat de filters nodig zijn.


Figuur 32 resultaten meting sensorshirt 1 met notebook adapter, y-as analoge waardes 0-1023, x-as in seconden.

Figuur 33 resultaten meting sensorshirt 2 zonder notebook adapter, y-as analoge waardes 0-1023, x-as in seconden.

Bij de twee afbeeldingen hierboven is getest met elektrodes op een sensorshirt. Bij het aandrukken van de elektrodes die in het shirt zijn genaaid wordt een redelijk resultaat gegeven. De elektrodes moeten worden aangedrukt om goed contact te maken met de huid. Het nat maken van de elektrodes geeft geen ander resultaat dan de droge elektrodes. Ook is de twin t notch filter in het hardwarschema nog gerepareerd en gesimuleerd in het softwarepakket Multisim. Uit deze simulatie is gebleken dat de 50 Hz (uit het lichtnet) gefilterd kan worden. Vervolgens is er nog geprobeerd het eerste ECG systeem aan te passen door de twin t notch filter na verbetering in de simulatie goed te solderen maar ook na de verbetering van deze filter blijkt het volledige systeem van Tim Stoppelenburg niet te werken. Uit deze experimenten kunnen al een aantal kleine conclusies worden getrokken. -

Filters voor ruis bij een ECG systeem zijn nodig voor goede resultaten. Het natmaken van de elektrodes op het sensorshirt heeft geen invloed voor de resultaten. De elektrodes moeten strakker tegen de huid aanzitten om te kunnen meten.


7 Optisch meten Het optisch meten van de hartslag wordt ook wel Photoplethysmografie (PPG) genoemd. Een PPG is een volumetrische meting van een orgaan. Een PPG wordt meestal verkregen door gebruik te maken van een pulserende oximeter. Een oximeter verlicht de huid en meet de veranderingen in de lichtabsorptie [PPG1]. Een oximeter detecteert SpO2 (zuurstofsaturatie, hoeveelheid zuurstof die aan hemoglobine gebonden is) en de hartslag. In het bloed zitten rode bloedcellen. In deze cellen zit hemoglobine die voor de zuurstoftransport zorgt. Wanneer hemoglobine gebonden is aan zuurstofmoleculen heeft het een rodere kleur dan wanneer deze niet gebonden is. Om dit te meten maakt een oximeter gebruik van 2 verschillende golflengten (infrarood en rood). Uit de verhouding tussen de absorptie van geoxygeneerd hemoglobine en de totale hoeveelheid hemoglobine is de SpO2 te berekenen. Tevens is ook de hartslag af te lezen uit de meting. Deze valt als een puls af te lezen. Een PPG valt helaas niet op het hele lichaam af te lezen. De beste plaatsing is op het vingertopje. Het hoofd is ook geschikt hiervoor, waarbij het oor de beste plaats is op het hoofd.

7.1 State of the art 7.1.1 Fingertip oximeter Dit zijn de eenvoudigste soort oximeters, die verkrijgbaar zijn. Dit model heeft een simpel display met alleen de noodzakelijke informatie erop. De Fingertip is goedkoop (75 euro), simpel in gebruik en werkt met AAA baterijen.

Figuur 34 Fingertip oximeter [PPG2]

7.1.2 Fingerpulse oximeter De Fingerpulse is iets geavanceerder dan de Fingertip. De werking is hetzelfde behalve dat het display 6 verschillende modi heeft. Deze verschillende modi kunnen de gegevens veel gebruiksvriendelijker weergeven. De Fingerpulse werkt met 2 AAA baterijen en kost 99 euro.

Figuur 35 Fingerpulse oximeter [PPG3]


Figure 1 Fingerpulse 6 display modi

7.1.3 Fingerpulse oximeter long term Dit is de geavanceerde versie van de Fingerpulse oximeter. Deze oximeter stelt de gebruiker in staat om 30 uur aan data op te slaan. Deze gegevens kunnen via een usb-connectie overgezet worden naar een PC. In tegenstelling tot zijn voorganger gebruikt dit model geen batterijen meer. Dit model gebruikt een oplaadbare 3,7V lithium accu. De Fingerpulse long term kost 149 euro. De afmetingen zijn 57x 32 x 31 mm.

Figuur 36 Fingerpulse oximeter long term [PPG4]

7.1.4 Wristpulse oximeter Dit model deelt de meeste eigenschappen met Fingerpulse oximeter long term. Het grootste verschil is dat de display niet meer om de vinger zit maar om de pols. Hierdoor is dit model compacter dan zijn voorganger maar is ook duurder (199 euro).

Figuur 37 Wristpulse oximeter [PPG5]

Alle 4 bovenstaande oximeters hebben een afwijking van ongeveer 2% saturatie, alleen in de range van 70 tot 99 %. De zuurstofsaturatie normaalwaarden voor een gezonde volwassene is van 93%36 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

100%. Als een persoon een zuurstofsaturatie van minder dan 90% heeft dan ademt hij/zij te weinig zuurstof in of de zuurstofuitwisseling van de longen en bloed functioneert niet naar behoren[PPG6]. Over de comfort van deze 4 oximeters is niks bekend. 7.1.5 Pulse sensor Joel Murphy en Yury Gitman waren aan het experimenteren met DIY optische hartslag sensoren en kwamen erachter dat de meeste gevonden ontwerpen niet werkten of niet goed werkten[PPG7]. Toen hadden ze besloten om er zelf één te gaan ontwerpen. Hun ontwerp heet de “Pulse Sensor”. Ze wilden dat het direct gebruikt kan worden met een Arduino of andere microcontrollers. Het product moest heel klein worden en meerdere soorten bevestigingsmogelijkheden hebben. De Pulse sensor kan via een clipje aan je vinger of oor bevestigd worden. Toen ze eenmaal een werkend prototype hadden hebben ze het project laten financieren via kickstarter.

Figuur 38 Pulse Sensor geplaatst op een vingertopje

Nadat hun kickstarter actie een succes was hebben ze modellen uitgebracht, een 5V en een 3,3V versie. Uiteindelijk hebben ze hun ontwerp nog verder uitgewerkt. Het verbeterde ontwerp werkt met 3V t/m 5V. De verbeterde versie heet de Pulse Sensor Amped.

Figuur 39 Pulse Sensor close up

Het uiteindelijk ontwerp heeft een diameter van nog geen 1,6cm. Het is een open source hardware project. De Pulse Sensor heeft geen open source licentie. De Pulse sensor kan helaas alleen maar de hartslag meten en niet de zuurstofsaturatie zoals oximeters. De zuurstofsaturatie wordt misschien in 37 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

de toekomst toegevoegd. Informatie hierover valt te vinden op het forum van hun website. De Pulse sensor is tevens heel goedkoop vergeleken met de professionele oximeters. De Pulse sensor is zelf geen oximeter maar een photoplethysmograaf. Een oximeter maakt gebruikt van 2 verschillende golflengtes om zowel de hartslag als de zuurstofsaturatie te meten. De Pulse Sensor gebruikt maar 1 golflengte om de hartslag te meten. Meer informatie over het hardware ontwerp en software zijn te vinden in de bijlage [PPG8].

7.2 DIY (Do It Yourself) Een circuit maken om optisch hartslag te meten hoeft niet ingewikkeld te zijn. In principe zijn er twee componenten nodig. Een component om licht in haarvaatjes te sturen en een component om het weerkaatste licht op te vangen. Het licht moet een specifieke golflengte hebben. Vaak wordt hier een infrarode led voor gebruikt. Om het licht op te vangen kan een fototransistor gebruikt worden.

Figuur 40 voorbeeld van simpel schema optisch meten [PPG9]

Onderdelen lijst:      

R1 - 120 ohms 1/4W. R2 - 330 ohms 1/4W. POT1 - 10 kilo ohms potentiometer. LED - Infrared (IR) LED. Q1 - SY32PT of een soort gelijke Fototransistor. Q2 - 2N2222, 9013, of een soort gelijke NPN transistor.

Om tot een accurater resultaat te komen heeft Rajendra Bhatt de Easy Pulse gemaakt[PPG10]. Omdat het signaal te zwak is gebruikt de Easy Pulse een operationele versterkers en een twee stappen high gain actieve low pass filters. Door gebruik te maken van de versterkers en filters heeft Rajendra Bhatt en beter resultaat kunnen behalen. Later is er nog een pcb versie op de markt gebracht[PPG11].


Figuur 41 Easy Pulse eerste versie

Figuur 42 Easy Pulse pcb versie

De eerste versie van de Easy Pulse bevat een microcontroller die de pulsen telt en weergeeft. De pcb versie is bedoeld om aan te sluiten op een microcontroller.

7.3 Smartphone apps Zowel voor Android als IOS zijn een apps beschikbaar waarbij de hartslag gemeten kan worden via de camera en flashlight. De app die op beide platformen het meest gedownload en best beoordeeld is heet: Instant Heart Rate. De app gebruikt de flashlight om licht in de vinger te sturen. Vervolgens meet de app de lichtintensiteit van de vinger. De pulseren intensiteit kan daarna geteld worden als hartslagen.


Figuur 43 Instant Heart Rate Main Screen. [PPG12][PPG13]

De App is zeer gebruiksvriendelijk. Men start de app op en krijgt het scherm hierboven te zien. Op dit moment plaatst men een vinger op de lens van de camera. Na een paar seconden zal er een hartslag op het beeld verschijnen. De blauwe cirkel laat men zien hoever de vooruitgang is. Tevens staat dit ook aangegeven in seconden boven de hartslag. Het nadeel van een smartphone app gebruiken is dat de gebruiker een smartphone moet hebben. De meting moet daarna nog verzonden worden naar een microcontroller of pc. Het verzenden van de gegevens zit niet in de app. Om deze redenen wordt de app niet opgenomen in de vergelijking.







Sensor/product Fingertip Fingerpulse Fingerpulse Long Term Wristpulse Pulse Sensor Amped Easy Pulse

A

B

C

D

E

F

G

+ + + + +/?

+/+/-

X X X X + +/-

X X X X + +

X X X X + +

+ + + + ++ ++

+ + + + -

De Fingertip, Fingerpulse, Fingerpulse long term en Wristpulse oximeters vallen qua prijs allemaal binnen de eisen. Qua accuraatheid zitten ze allemaal op ongeveer 2% wat dus voldoet aan de accuraatheid eis. Deze producten kunnen niet in het shirt geplaatst worden. Tevens kunnen ze ook niet aangesloten worden op een microcontroller. Deze producten bieden wel extra informatie, ze meten namelijk ook de zuurstofsaturatie. De Fingertip en Fingerpulse kunnen niet verbonden worden met een microcontroller of pc. De Fingerpulse Long Term en Wristpulse kunnen via usb de gegevens overzetten naar een pc. De Easy Pulse is een do it yourself product. De Easy Pulse is goedkoop om te maken en compact. De Easy Pulse kan via knopen op de printplaat bevestigd worden aan het shirt. Op deze manier kan de printplaat makkelijk verwijderd worden en het shirt gewassen worden. Er is niks bekend over de accuraatheid van de Easy Pulse. De PCB versie kan aangesloten worden op een microcontroller. De code om de pulsen te tellen moet nog zelf geschreven worden. De Pulse Sensor Amped is zeer compact en goedkoop. De Pulse Sensor Amped wordt aangesloten op een vinger of oor. De Pulse Sensor Amped kan via de data aangesloten worden op een microcontroller en shirt. In het geval van het shirt zal het met geleidend draad verder verbonden moeten worden naar de microcontroller. De Pulse Sensor Amped is een kant en klaar product en de


software en GUI worden meegeleverd. De Pulse Sensor Amped komt het beste uit de vergelijking daarom wordt deze getest.

7.5 Opzet experiment Voor een experiment wordt er gebruik gemaakt van de Pulse Sensor. De Pulse Sensor kan het beste gebruikt worden op twee gebieden. Namelijk de vingers en de oorlellen. De Pulse Sensor kan op twee manieren bevestigd worden. Bij de Pulse Sensor wordt een clipje geleverd voor bevestiging aan het oor en velcro tape voor bevestiging aan een vinger.

Figuur 44 Pulse Sensor ear clip

Figuur 45 Pulse Sensor velcro tape

Er worden twee verschillende testen uitgevoerd met de Pulse Sensor, deze zijn als volgt:  

De Pulse Sensor bevestigd aan een vinger (vingertest). De Pulse Sensor bevestigd aan een oorlel (oor test).

Om de resultaten van de Pulse Sensor te kunnen bekijken kan de Pulse Sensor Amped Visualizer gebruikt worden. In het figuur hieronder staat een overzicht van de functionaliteit ervan.


Figuur 46 Pulse Sensor Amped Visualizer

7.6 Resultaten 7.6.1 Vingertest Bij de vingertest is de Pulse Sensor bevestigd aan de proefpersoon via de velcro tape. In de handleiding van de Pulse Sensor valt te zien dat deze wordt bevestigd aan de bovenkant van de vinger. Voor de test wordt dus de bovenkant van de vinger gebruikt, zoals te zien in de figuren hieronder.

Figuur 47 Pulse Sensor bevestigd aan een vinger


Figuur 48 Pulse Sensor bevestigd aan een vinger, ander aanzicht

In het figuur hieronder vallen de resultaten te zien. In het linkerdeel van de Visualizer valt een hartslag te zien. De hartslag ziet er zwak uit, dit kan komen door een slechte bloedcirculatie. Rechtsboven in de Visualizer valt te zien dat de proefpersoon ongeveer 80 hartslagen per minuut heeft. De proefpersoon heeft zelf zijn hartslag gemeten op de pols en die kwam op ongeveer 77 uit. De proefpersoon heeft daarna nog een aantal keer zijn hartslag gemeten via de pols. De hartslag verschilde nooit meer dan 3 ten opzichte van de waarde op de Visualizer.

Figuur 49 hartslag gemeten met Pulse Sensor

7.6.2 Oor test Bij de oor test is de Pulse Sensor bevestigd aan de proefpersoon via de ear clip. In de handleiding leggen ze uit dat het handig is om met lijm de ear clip vast te maken. Dit raden ze aan vanwege het feit dat niet iedereen een even dikke oorlel heeft. Dus bij iemand die een dunne oorlel heeft zou de ear clip misschien niet goed kunnen vast klemmen. In het volgende figuur valt te zien dat de Pulse Sensor met ear clip bevestigd zijn aan de proefpersoon. Pas bij een aantal pogingen zat de ear clip goed vast.


Figuur 50 Pulse Sensor bevestigd aan een oorlel

In het figuur hieronder vallen de resultaten te zien. In tegenstelling tot de vingertest is de hartslag niet zwak. Linksonder in de Visualizer valt de hartslag goed te zien. De ruwe data lijkt al zelfs een beetje op een ecg afleiding. Rechtsboven in de Visualizer valt te zien dat proefpersoon op dat moment 73 hartslagen per minuut had. Ook bij deze test zal de proefpersoon zelf zijn pols controleren. Na een aantal keer de pols te hebben gemeten is het verschil nooit groter dan twee.

Figuur 51 hartslag gemeten met Pulse Sensor

Meer resultaten van Pulse Sensor zijn te vinden in de volgende bijlage [PPG14].


8 Geluid meten Bij het meten van de hartslag d.m.v. geluid denkt men als eerste aan een stethoscoop. Een stethoscoop bevat een membraam dat gespannen is over een verder afgesloten holte waar een slang in uit komt. Deze mondt uit in 2 oordopjes die de gehoorgang van de onderzoeker luchtdicht afsluiten. Het hart veroorzaakt trillingen in het membraam die worden overgebracht via lucht naar de onderzoeker.

Figuur 52 standaard stethoscoop [HMG1]

Tegenwoordig zijn er elektrische stethoscopen op de markt. De eerste elektrische stethoscopen bevatten alleen maar een microfoon. Deze hadden last van het geluid van de omgeving. Het duurde niet lang voordat er in de elektrische modellen een versterker en omgevingsgeluidfilter zaten. Deze uitbreidingen zorgde ervoor dat ze voldoende bruikbaar waren in medische wereld. Een groot voordeel van de elektronische stethoscoop is dat het een draadloos apparaat kan worden of dat het de meting opslaat. Het nadeel van deze draadloze oplossingen is dat het nog steeds een normaal formaat stethoscoop is. Alleen zit er elektronica in die de gegevens doorstuurt naar een pc. Voor dit project is het handiger als er alleen een kleine module is met microfoon, versterker, omgevingsgeluidfilter en draadloze module.

8.1 State of the art 8.1.1 Elektronische stethoscoop Een voorbeeld van een standaard elektronische stethoscoop is de Littmann Elektronische Stethoscoop 3100.       

Reduceert storende omgevingsgeluiden met 85%. Versterking tot 24 keer. Gebruiksvriendelijk Lichtgewicht Reduceert storende wrijvingsgeluiden. LCD-display die de modus, volume, batterij en hartslag frequentie laat zien. De stethoscoop kost 329 euro.


Figuur 53 elektronische stethoscoop

Meer informatie over dit product staat in de volgende bijlage [HMG2]. 8.1.2 Draadloze elektronische stethoscoop De Littmann Elektronische Stethoscoop 3200 is de verbeterde versie van de Littmann Elektronische Stethoscoop 3100. Deze versie bevat namelijk een bluetooth module om de gegevens te versturen naar een pc en heeft de volgende eigenschappen:         

Reduceert storende omgevingsgeluiden met 85%. Versterking tot 24 keer. Gebruiksvriendelijk Lichtgewicht Reduceert storende wrijvingsgeluiden. LCD-display die de modus, volume, batterij en hartslag frequentie laat zien. Bluetooth Steth Assist-software. De stethoscoop kost 399 euro.

Dankzij de bluetooth module kunnen de resultaten van het onderzoek worden opgeslagen op een pc. Deze gegevens kunnen op een later tijdstip beluisterd worden of er kan gekozen worden voor een visuele weergave van de resultaten. De draadloze elektronische stethoscoop heeft hetzelfde formaat en uiterlijk als de gewone elektronische stethoscoop. Meer informatie over dit product staat in de volgende bijlage [HMG3]. 8.1.3 Freedomscope Freedomscope is een alternatief voor de elektronische stethoscopen. De Freedomscope is een module met microfoon, versterker, omgevingsgeluidfilter en bluetooth module. De Freedomscope bevat dus niet de buis en oordopjes die een standaard stethoscoop heeft. Over dit product is nog niet veel bekend omdat het nog een prototype is.


Figuur 54 Freedomscope

Meer informatie over dit product staat in de volgende bijlage [HMG4]. 8.1.4 Seeedstudio heart sound sensor De Seeedstudio heart sound sensor is een zeer kleine module. De module bevat een microfoon en filter. Dankzij de 3.5 mm aansluiting is deze makkelijk aan te sluiten op microcontrollers. Verder heeft die de volgende voor- en nadelen:     

Omgevingsgeluidfilter Erg stabiele en betrouwbare metingen. De microfoon is erg gevoelig. Audio signaal heeft lage impedantie. 59 dollar.

Helaas is dit product niet meer verkrijgbaar.

Figuur 55 Seeedstudio heart sound sensor

Meer informatie over dit product staat in de volgende bijlage [HMG5].

8.2 DIY (Do It Yourself) Een schakeling om de hartslag te meten via geluid kan ook zelf gemaakt worden. Zo’n schakeling bestaat uit een kleine microfoon en filters. De schakeling begint eerst met alleen een microfoon. De microfoon wordt dan bevestigd bij het hart en aangesloten op een oscilloscoop. Op de oscilloscoop is dan de hartslag zichtbaar. Om erachter te komen welke filters nodig zijn voor beter resultaat moet er vergelijkingsmateriaal gevonden worden. Als er vergelijkingsmateriaal gevonden is kan het resultaat van de eigen schakeling geanalyseerd worden. De uitkomst van die analyse bepaald welke filters 48 Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

nodig zijn om het resultaat te verbeteren. Na toevoegen van de filters moet er weer getest worden om te controleren of het resultaat beter is dan eerder.

8.3 Smartphone apps Voor IOS is een app beschikbaar die de hartslag weer kan geven door gebruik te maken van de microfoon. De app heet Soundpulse en is zeer makkelijk te gebruiken. Indien je hoesje om je apparaat heen hebt deze eerst verwijderen. Druk op de meet knop en hou het apparaat tegen de linkerborst aan. Het is vanzelfsprekend dat de microfoon tegen de huid geplaatst wordt. Na ongeveer 10 seconden heet de app de meting gedaan. Daarna valt op het scherm je hartslag af te lezen.

Figuur 56 IOS app Soundpulse [HMG6]

Het nadeel van een smartphone app gebruiken is dat de gebruiker een smartphone moet hebben. De meting moet daarna nog verzonden worden naar een microcontroller of pc. Het is onbekend of de app de gegevens kan verzenden. Om deze redenen wordt de app niet opgenomen in de vergelijking.







Sensor/product

A

B

C

D

E

F

G

Littmann Elektronische Stethoscoop 3100 Littmann Elektronische Stethoscoop 3200 Freedomscope Seeedstudio heart sound sensor

? ? ? ?

+ ++

X X +/+

X X + +

X X + +

+/+/? +

+ + + +

Deze vergelijking maken was nogal lastig omdat geen enkel product aanwezig was om te testen. Dankzij specificaties zoals formaat en prijzen kon er enigszins een vergelijking gemaakt worden. Uit de vergelijking komt de Seeedstudio heart sound sensor als beste eruit. De Seeedstudio heart sound sensor is helaas niet meer verkrijgbaar, anders was deze zeker aangeschaft en getest. In deze categorie zijn maar weinig producten te vinden. Dit komt waarschijnlijk doordat je met een microfoon niet alleen de hartslag hoort. Andere lichaamsfuncties zijn waarschijnlijk ook te horen en dan is er nog steeds het omgevingsgeluid. Om goede resultaten te behalen met een microfoon moeten meerdere filters toegevoegd worden. Het testen en afstellen van de filters kost waarschijnlijk te veel moeite terwijl het resultaat daarna nog niet eens 100% zuiver is.

8.5 Experiment Om een experiment uit te voeren was de voorkeur gevallen op de Seeedstudio heart sound sensor. Dit product is namelijk al kant-en-klaar te gebruiken. De Seeedstudio heart sound sensor wordt niet meer gemaakt dus deze optie valt al af. Een andere optie is om de schakeling te gaan maken die staat beschreven in hoofdstuk 8.2. Het maken en testen van deze schakeling kan veel tijd gaan kosten. De focus bij dit projectteam ligt bij de accelerometer en gyroscoop en bij de ECG. Indien deze 2 methodes volledig getest zijn en er tijd over is zal het projectteam dit experiment gaan uitvoeren.


9 Conclusies Na het uitvoeren van alle experimenten worden de geteste producten/sensoren met elkaar vergeleken. Legenda kolommen:       




Sensor/product Pulse Sensor Amped ECG SenShirt Inertia ProMove 3D MPU 6050

A

B

C

D

E

F

G

+ +/--

+/+ +/+

+ +/+/-

+ +/+/+

+ + +/+

+ + ? +

+ + +

Voor de start van het project is er voor gekozen om te experimenteren met een accelerometer en gyroscoop om te kijken of het mogelijk is om met deze sensoren hartslag te meten. Hiervoor zijn de MPU 6050 en de Inertia ProMove 3D gebruikt. Kyle Zhang hield zich bezig met de productie van een prototype controller voor het uitlezen van de sensoren en heeft ook zeer kort geëxperimenteerd met de MPU 6050 (accelerometer gyroscoop) om hartslag te meten. Hij heeft tijdens het experimenteren een hartslag kunnen zien en verder geen meetresultaten geadministreerd. Voor ons was bekent (uit een eerder project) dat de MPU 6050 een grote afwijking krijgt als deze sensor een (onbepaalde) tijd actief is. Met goede software kan de afwijking enigszins verholpen worden. Met deze sensor was het zeer moeilijk om een hartslag te meten. Tijdens het experimenteren met de Inertia ProMove 3D is gebleken dat de hartslag gemeten kan worden, maar dat de meetresultaten hevig worden verstoord als de persoon ademhaalt of praat. Ook een nadeel is dat de sensor zeer nauwkeurig geplaatst moet worden en bij de kleinste verschuiving al geen hartslag meer laat zien. Ook is het lastig voor de accelerometer de hartslag en beweging te onderscheiden.


Voor dit project is ook onderzoek gedaan naar een ECG systeem voor in het sensorshirt. De ECG SenShirt was om te experimenteren een goede optie. In eerste instantie is de schakeling gesimuleerd maar omdat het lastig is om alles te simuleren is het circuit nagebouwd. Na verdere inspectie van de schakeling bleken er meerdere fouten in te zitten. Na de fouten te hebben verbeterd is de schakeling opnieuw getest zonder resultaat. Vervolgens is de schakeling modulair opgedeeld en het gedeelte van de versterking gebouwd. Deze module werkte naar behoren en gaf goede resultaten. Tijdens het testen van de verschillende elektrodes is gebleken dat plakelektrodes betere resultaten geven dan de textiele elektrodes in het shirt. Tijdens het testen van het shirt bleek dat de elektrodes niet goed contact maakten met de huid maar na het aandrukken van de elektrodes in het shirt was er een hartslag te zien. Het laatste product is de Pulse Sensor Amped. Deze sensor geeft goede resultaten wanneer deze bevestigd wordt aan een oorlel. De sensor zelf kan niet in de shirt geplaatst worden, maar de data kabel kan wel geïntegreerd worden in het shirt. Terugkomend bij de onderzoeksvragen: Is de huidige methode goed genoeg voor het sensorshirt? Na de uitgevoerde experimenten is gebleken dat de huidige methode niet goed genoeg is. Welke manier van hartslag meten is het meest geschikt voor het sensorshirt? De beste methode is middels een elektrocardiograaf. Welke sensor is het meest geschikt voor de gekozen manier van hartslag meten? De ECG SenShirt mits deze nog verbeterd zoals aangegeven in het hoofdstuk aanbevelingen.


10 Aanbevelingen Onze aanbeveling om hartslag te meten met een sensorshirt is een ECG systeem. De ECG heeft het voordeel dat dit volledig in een shirt verwerkt kan worden en dat het weinig last heeft van calamiteiten zoals verschuiving van de elektrodes of beweging. Ook is er voor een ECG systeem nog veel verbetering mogelijk zoals filters voor ruis en een shirt waar de elektrodes goed aansluiten op de huid. Ook de bekabeling kan worden verbeterd zodat ze minder storingsgevoelig zijn. Na het experimenteren zijn met het ECG systeem de beste resultaten behaald. De Pulse Sensor Amped komt op de tweede plaats in onze aanbeveling. Grotendeels doordat de metingen zeer nauwkeurig zijn. Een groot nadeel van deze sensor is dat de plaatsing nauwkeurig moet zijn. Ook hiervoor geld dat na een kleine verschuiving van de sensor op de oorlellen of vingers geen hartslag meer te zien is. Een ander nadeel is dat de sensor niet in het shirt zelf verwerkt kan worden. De vingers en oorlellen zijn de enige plaatsten waar hartslag met de Pulse Sensor Amped gemeten kan worden. De accelerometer en gyroscoop komt als laatste aanbod in onze aanbeveling. De aanbeveling voor deze sensor is om deze niet te gaan gebruiken in een sensorshirt om hartslag te meten. Dit omdat de acceleraties van bewegingen veel sterker zijn dan de uitzetting van de borstkas die door het hart ontwikkeld worden. Ook omdat het veel tijd kost om de juiste positie te vinden waar deze uitzetting plaats vind.


11 Bronnen [AFSTSC1] Wiering, S (2012). Sensorshirt (Afstudeerscriptie). Saxion Hogescholen Design Technologie, Enschede [AFSTSC2] Stoppelenburg, T (2011). SenShirt (Afstudeerscriptie). Hanze Institute of Technologie, Assen [ACE1] Verwijzing naar artikelen over seismocardiografie Verkregen in December, 2012 via: https://www.dropbox.com/s/si105qkugmd1w0f/Literature%20%28ECG-Resp-Seismo%29.zip [ACE2] Verwijzing naar een artikel over pacemakers Verkregen in november, 2012 via: http://www.ehow.com/list_7426060_types-pacemakersensors.html [ACE3] Verwijzing naar informatie over pacemakers Verkregen in november, 2012 via: http://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_cardiac_pacemaker [ACE4] Verwijzing naar een product in de categorie beweging meten. Verkregen in oktober, 2012 via: http://inertia-technology.com/ [ACE5] Verwijzing naar een product in de categorie beweging meten. Verkregen in november, 2012 via: https://iprototype.nl/products/components/sensors/MPU-6050triple-axis-accelerometer-gyro [ACE6] Kwon, S. Lee, J. Sung Chung, G. Suk Park, K. Validation of heart rate extraction through an iPhone accelerometer. Verkregen december, 2012 via: http://abrc.snu.ac.kr/sjkwon/EMBC2011.pdf [ACE7] Kaulitzki, S. transparante mannelijk lichaam met de nadruk hart. Verkregen oktober, 2012 via: http://nl.123rf.com/photo_4683055_transparante-mannelijk-lichaam-met-de-nadruk-hart.html [ACE8] Molen, S. (2004, September 26). Situs inversus. Verkregen 12-11-2012 via: http://nl.wikipedia.org/wiki/Situs_inversus [ACE9] Verwijzing naar test resultaten in de categorie beweging meten. Bakker, E. Oosterlaar, K. (2012). inertia_resultaten_14-11-2012-rust_1minute_processed. Saxion, Enschede. i Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

[ACE10] Verwijzing naar test resultaten in de categorie beweging meten. Bakker, E. Oosterlaar, K. (2012). inertia_resultaten_16-01-2013-praten_halveminute_processed. Saxion, Enschede. [ACE11] Verwijzing naar test resultaten in de categorie beweging meten. Bakker, E. Oosterlaar, K. (2012). inertia_resultaten_14-11-2012hevig_ademhalen_1minute_processed. Saxion, Enschede. [ACE12] Verwijzing naar test resultaten in de categorie beweging meten. Bakker, E. Oosterlaar, K. (2012). resultaten mpu6050 rust. Saxion, Enschede. [ECG1] Herk, B. eigen schema EvH. (2004-09-15). Verkregen in september, 2012 via: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ECG01.png [ECG2] Doede. == Licentie ==. (2006-02-26). Verkregen in september, 2012 via: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ecg_einthoven.gif [ECG3] Verwijzing naar een product in de categorie ECG. Verkregen in september, 2012 via: http://www.praxisdienst.nl/nl/Diagnostiek/Vakspecifieke+diagnostiek/ECG+apparaten+en+toebehor en/oxid/Holter+ECG+System+HR+300+Bluetooth+langdurige+ECG+met+display.html [ECG4] Verwijzing naar een product in de categorie ECG. Verkregen in september, 2012 via:http://www.daxtrio.nl/medische-apparatuur/ecg/cardioperfectrust-ecg-systeem-met-interpretatie.html [ECG5] Verwijzing naar een product in de categorie ECG. Verkregen in september, 2012 via: http://www.praxisdienst.nl/nl/Diagnostiek/Vakspecifieke+diagnostiek/ECG+apparaten+en+toebehor en/oxid/Bluetooth+12+Kanaals+ECG+BT+12.html [ECG6] Harden, S (2009, Augustus 14). DIY ECG Machine on the Cheap. SWharden. Verkregen in september, 2012 via: http://www.swharden.com/blog/2009-08-14-diy-ecg-machine-on-the-cheap/ [ECG7] Nguyen, J (2003, November). Homemade Electrocardiograph. Verkregen in september, 2012 via: ii Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

http://www.eng.utah.edu/~jnguyen/ecg/ecg_index.html [ECG8] Chen, C-H. Pan, S-G. Kinget, P. Circuits of the ECG system. Verkregen in september, 2012 via: http://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20fin al%20report.htm [ECG9] Verwijzing naar het simulatierapport. Bakker, E. Oosterlaar, K. (2013). Sensorshirt_Simulatierapport_v0.3. Saxion, Enschede. [PPG1] K. Shelley and S. Shelley, Pulse Oximeter Waveform: Photoelectric Plethysmography, in Clinical Monitoring, Carol Lake, R. Hines, and C. Blitt, Eds.: W.B. Saunders Company, 2001, pp. 420-428. [PPG2] Verwijzing naar een product in de categorie optisch meten. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.saturatiemeter.com/fingertip.php#.UKzKL4faXQs [PPG3] Verwijzing naar een product in de categorie optisch meten. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.saturatiemeter.com/fingerpulse.php#.UKzKrYfaXQs [PPG4] Verwijzing naar een product in de categorie optisch meten. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.saturatiemeter.com/fingerpulseLT.php#.UKzKxIfaXQs [PPG5] Verwijzing naar een product in de categorie optisch meten. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.saturatiemeter.com/wristpulse.php#.UKzK1YfaXQs [PPG6] Informatie over zuurstofsaturatie. Verkregen in November, 2012 via: http://users.telenet.be/huisarts-dokternaesens/zuurstofsaturatie.html [PPG7] Verwijzing naar een artikel over de Pulse Sensor. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.kickstarter.com/projects/1342192419/pulse-sensor-anopen-source-heart-rate-sensor-that [PPG8] Verwijzing naar een product in de categorie optisch meten. Verkregen in oktober, 2012 via: http://pulsesensor.com/ [PPG9] Verwijzing naar een hardschema in de categorie optisch meten. Verkregen in september, 2012 via: http://www.simple-electronics.com/2012/02/heart-beatcounter.html [PPG10] Verwijzing naar een product in de categorie optisch meten. iii Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

Verkregen in september, 2012 via: http://embedded-lab.com/blog/?p=1671 [PPG11] Verwijzing naar een product in de categorie optisch meten. Verkregen in september, 2012 via: http://embedded-lab.com/blog/?p=5508 [PPG12] Verwijzing naar een Android app in de categorie optisch meten. Verkregen in december, 2012 via: https://play.google.com/store/apps/details?id=si.modula.android.instantheartrate&feature=search_ result#?t=W251bGwsMSwxLDEsInNpLm1vZHVsYS5hbmRyb2lkLmluc3RhbnRoZWFydHJhdGUiXQ.. [PPG13] Verwijzing naar een IOS app in de categorie optisch meten. Verkregen in december, 2012 via: https://itunes.apple.com/nl/app/instant-heart-rate-heartrate/id395042892?mt=8 [PPG14] Verwijzing naar test rapport in de categorie optisch meten. Bakker, E. Oosterlaar, K. (2013). Sensorshirt_Testrapport_Hartslagmeting_Pulse_Sensor_v0.2. Saxion, Enschede. [HMG1] Huji. Stethoscope. (2008-05-13). Verkregen in oktober, 2012 via: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stethoscope-2.png [HMG2] Verwijzing naar een product in de categorie hartslag meten d.m.v. geluid. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.praxisdienst.nl/nl/Diagnostiek/Algemene+diagnostiek/Stethoscopen/Littmann+Elektroni sche+Stethoscoop+3100+zwart.html [HMG3] Verwijzing naar een product in de categorie hartslag meten d.m.v. geluid. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.praxisdienst.nl/nl/Diagnostiek/Algemene+diagnostiek/Stethoscopen/Littmann+Elektroni sche+Stethoscoop+3200+bordeaux.html [HMG4] Verwijzing naar een product in de categorie hartslag meten d.m.v. geluid. Freedomscope LLC. Freedomscope_size_comparion_coin(2012). Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.freedomscope.com/freedomscope4.htm [HMG5] Verwijzing naar een product in de categorie hartslag meten d.m.v. geluid. Verkregen in oktober, 2012 via: http://www.seeedstudio.com/depot/heart-sound-sensor-p-833.html [HGM6] Verwijzing naar een IOS app in de categorie hartslag meten d.m.v. geluid. Verkregen in december, 2012 via: https://itunes.apple.com/us/app/soundpulse/id511288248?mt=8 iv Minor OII - Sensorshirt / Eindrapport / Erik Bakker & Kevin Oosterlaar

Project Sensorshirt Omgevingsintelligentie en Interactie Eindrapport

Recommend Documents