Nota: el artículo está escrito solo con fines informativos y no constituye un llamado a repetir tales experimentos en el hogar debido al riesgo potencial de daño a la salud física (si se usan baterías y fotoresistores en dispositivos de iones de litio).
Buenos días, querido habrozuery y habrozhet) Este es mi primer artículo serio sobre el Habré, por lo tanto, JUZGUE LO MÁS ESTRICTAMENTE posible, prometo trabajar en estilo y contenido.
Brevemente sobre ti. Por educación: fabricante de instrumentos, maestro. Ocupación: emprendedor, soy cofundador de la red Robocor de clubes de robótica para niños. Durante sus estudios en la universidad, se dedicó a diversos tipos de investigación en el campo de los equipos de medición médica.
Mucho tiempo vamos a hablar sobre estos desarrollos, pero no llegaron todas las manos ...
Antecedentes Desde la infancia, a menudo veía vívidos y tramaba sueños. Tan trama y vívida que no fui flojo desde los siete años con una tenacidad envidiable para llevar un diario soñado. Y luego, una vez, en 2014, un curioso libro titulado "Dream Hackers" cayó en mis manos. ¿Necesito decir cuánto me interesaba el fenómeno en torno al cual se construyó la narrativa? Especialmente cuando se considera un diario que ha excedido el volumen para 2 cuadernos de 96 hojas cada uno, y desde 2012 se ha mantenido en una computadora.
Una búsqueda rápida en Google, después de un importante filtrado antiesotérico, me llevó a la investigación científica sobre sabzh. Al final resultó que, el comienzo del estudio del sistema operativo en la primera mitad del siglo 20 fue establecido por cierto psicólogo holandés, Frederick Van Eden. Su artículo, "Un estudio de los sueños" (Actas de la Sociedad para la Investigación Psíquica, Volumen 26, p. 431), dirigido a clasificar los sueños, contenía el término "sueños lúcidos", que se traduce literalmente como "sueños claros". Hasta donde sé, esta fue la primera mención de este fenómeno en la comunidad científica.
Pasaron los años, pero solo en 1975, el científico Ket Hearne (Keith Hearne, laboratorio de sueño de la Universidad de Hull (Inglaterra) realizó un experimento que demostró científicamente la existencia del sistema operativo. Como resultado del experimento, el experimental Alan Worley mostró movimientos oculares conscientes y planificados previamente cuando, según todas las indicaciones de los instrumentos, estaba en un estado de sueño. Este experimento fue repetido más tarde por el científico Stephen Laberge de la Universidad de Stanford.
Los resultados del experimento se hicieron ampliamente conocidos, ya que Laberge hizo una gran contribución a la popularización de este tema. Este científico también propuso el concepto de un dispositivo llamado "inductor de sueños lúcidos" que permitiría a cualquiera, incluso sin una larga sesión de entrenamiento, ingresar al estado del sistema operativo ...
Después de leer sobre el inductor del sistema operativo, ya no podía dormir tranquilo. ¡El alma del arduino se encendió con una increíble explosión de entusiasmo! El hecho es que en ese momento ya había leído sobre todo tipo de prácticas que me permitieron tomar conciencia de un sueño, y todas ellas, de ninguna manera, arrojaron resultados sin un largo entrenamiento y trabajando en mí mismo. ¡Un sueño para dirigir una cacería!)
Habiendo estudiado toda la variedad de inductores del sistema operativo, de los que estaba lleno el mercado, así como la base casera, de la que también había mucho en la Web, elaboré un estándar, cuya esencia se redujo a la siguiente redacción: "Make No Remee, pero más cerca de Dreamstalker, pero solo más conveniente". Los requisitos técnicos se redujeron a cuatro puntos:
- El dispositivo debe determinar de manera confiable la fase del sueño REM (y no "adivinar NE555", como fue, a juzgar por las descripciones, en versiones anteriores de la máscara Remee);
- El dispositivo debe ser compacto y no debe interferir con el proceso de suspensión;
- El dispositivo debe poder recopilar y mostrar información sobre el proceso de suspensión para realizar una investigación real, y no solo para jugar en el sistema operativo;
- El dispositivo debe ser seguro de usar.
Tales son los requisitos ... Nekhilo para alguien que en ese momento apenas tocaba los conceptos básicos de trabajar con amplificadores operacionales, y en general mal versado en circuitos) Sin embargo, el "joven verde", y comencé a desarrollarme.
Para empezar, decidí quedarme desconcertado con la pregunta más simple: ¿qué tipo de parámetros fisiológicos cambian durante el sueño? El resultado de la búsqueda fue una tabla de este tipo (si alguien puede agregar, escriba en los comentarios, estaré muy contento):
Un sólido conocimiento del curso escolar en biología y física, junto con habilidades de programación mediocres en C ++ y LabVIEW, así como la posesión de cierta información del campo de la tecnología de medición, me permitió desarrollar un diagrama de bloques del dispositivo. Se parecía a esto:
La lógica fue la siguiente. Para no bloquear el laboratorio de medición en la frente de una persona (y no volverse como una máscara Dreamstalker funcional, pero terriblemente incómoda), se deben quitar todos los bloques de medición de la máscara. Además, los esquemas encontrados de oculografía óptica eran demasiado complejos o extremadamente engorrosos. ¿Pero qué hay de registrar un oculograma, preguntas? De hecho, los movimientos oculares en un sueño son el signo más confiable de la fase de sueño REM.
Bueno, entonces decidí que dado que el latido del corazón también está cambiando de alguna manera allí, entonces será posible encontrar la fase de sueño REM. Por lo tanto, un cierto brazalete apareció en el dispositivo, con un sensor de pulso a bordo. Y solo la unidad de radio y un puñado de LED permanecieron en la máscara, que debería haber sido activada por un comando de una computadora.
La pregunta lógica es: ¿por qué hay una computadora y por qué era imposible enviar comandos inmediatamente desde el brazalete cuando detectaría los cambios necesarios en la frecuencia cardíaca? En primer lugar, no sabía qué cambios se consideraban "necesarios". Además, en ese momento, tenía poca idea de cómo se ve un diagrama de frecuencia cardíaca humana, qué es un cardiointervalograma y la variabilidad de la frecuencia cardíaca ... En segundo lugar, es mucho más fácil y claro escribir diferentes algoritmos complejos en un entorno de desarrollo gráfico, y la búsqueda de la fase de sueño deseada por latidos cardíacos es claramente clara. no se aplicaron algoritmos simples y, por lo tanto, LabVIEW para ayudar.
Circuitería
Máscara:
- Plataforma Arduino Micro Pro (ATmega32U4 Stone)
- LED WS2812B
- Módulo de radio estándar con una frecuencia portadora de 433 MHz
- Batería de iones de litio de 200 mAh
- El módulo de carga para la batería en el chip TP4056
En orden de elección de componentes. Se eligió la plataforma Micro Pro debido a su tamaño compacto (debido a la falta de CH3400 y la presencia de PLL y USB incorporados, pero esto es letra), así como el bajo consumo de energía y una apariencia agradable.
Elegí los LED RGB direccionables porque quería ver si la frecuencia de los golpes en el sistema operativo se correlacionaría con el color del efecto estimulante. Sé lo que suena más o menos, pero quién sabe, ¿verdad?)
Elegí el módulo de 433 MHz por dos razones: porque todavía no había probado nada más de la tecnología inalámbrica, y porque no sabía qué gran cerdo pondría este módulo para mí ... Cuando se trataba de pruebas, resultó que una antena meticulosamente medida cosido a lo largo del contorno de la máscara, estar cerca del cuerpo, en principio, no puede funcionar. Como me explicaron en el grupo de Radioaficionados, donde a veces hago preguntas, porque el cuerpo humano tiene una cierta capacidad, que es muy significativa, y debido a esto, la frecuencia del receptor se pierde, porque tiene un circuito oscilante y un extra la capacidad lo interfiere. No entiendo todo eso, no quiero deshonrar, solo diré que en ese momento no pude realizar experimentos con la máscara.
Elegí la batería debido a su tamaño compacto, sacrificando un requisito de seguridad: una celda de iones de litio montada en el puente de la nariz, aunque tenía una capacidad pequeña, podría causar daños a los ojos durante una explosión. Por lo tanto, como pude, lo empaqué en plástico desde el lado adyacente a la cara y dejé abierto el lado opuesto. La compacidad del diseño no se vio afectada mucho, pero agregó calma, aunque irrazonable.
Con el módulo de carga, todo es simple: es casi el estándar de la industria para todo tipo de productos caseros, y aquí no me preocupaba nada.
Pulsera
- Plataforma Arduino Nano
- Sensor óptico de frecuencia cardíaca casero (te contaré más sobre esto más adelante)
- Módulo transmisor de radio estándar (mismo 433 MHz)
- Soporte para cuatro AA
- 4 baterías de Ni-Mh a 2700 mAh cada una
Con un brazalete, las cosas estaban mejor. Recogí la primera versión directamente en la placa de prueba, y la antena del módulo de transmisión no se encontraba directamente sobre el cuerpo, por lo tanto, todo funcionaba como un reloj. Lo único que merece atención en la primera versión del brazalete es el sensor de frecuencia cardíaca, que era casi mi mayor problema, ya que nadaba en electrónica analógica.
El punto de apoyo fue un muy buen artículo sobre qué es la fotopletismografía y cómo se organizan las diferentes pulseras para el ejercicio. Después de revisar la esencia del funcionamiento de los sensores ópticos de frecuencia cardíaca, comencé a buscar soluciones de circuitos listas para usar. Como resultado, me decidí por este esquema, que funcionó casi de inmediato incluso en el tablero. No busqué un optoacoplador de canal abierto, que fue recomendado por el autor del artículo, y simplemente arranqué el TCRT5000 del sensor de línea, que accidentalmente estaba en casa. Reemplacé el amplificador operacional con el LM358 más común.
El sensor se hizo en forma de un anillo usado en la punta del dedo. El TCRT5000 presionó con bastante fuerza contra la piel, y la señal del fototransistor se amplificó y transmitió a través de los cables al microcontrolador, donde se digitalizó y se envió a las autoridades.
Unidad transmisora:
- Plataforma Arduino Nano
- Módulo de radio estándar con una frecuencia portadora de 433 MHz
- Módulo transmisor de radio estándar (mismo 433 MHz)
Aquí todo es cursi: cuando el brazalete envía datos, el receptor los recibe y, a través del puerto COM, lo envían a la computadora, donde se encuentran con las patas de mi VI autoescrito. La primera versión del instrumento virtual trazó estúpidamente las lecturas de ADC, y no trató de analizar nada en sí mismo. Posteriormente, cuando se hizo más o menos claro que era necesario analizar no el pulsograma, sino el intervalograma construido a partir de él, y se detectaron los patrones que a menudo ocurren en la fase del BDG, los datos comenzaron a enviarse desde VI a la máscara, dando una señal para activar la estimulación. Pero hasta este punto todavía estaba muy lejos))
La primera noche con un monitor de frecuencia cardíaca reveló de inmediato varios hechos desagradables.
Primero: debido a que en un sueño el flujo de sangre en el brazo cambia (por ejemplo, cuando doblo el brazo y permanezco en esta posición durante mucho tiempo), el sensor pierde su señal y el gráfico se vuelve ilegible. Ajusta automáticamente la ganancia, entonces todavía no podía imaginar cómo.
Segundo: el sensor podría perder la señal de la nada, y el ruido de muy baja frecuencia con una amplitud muy grande se superpone en el gráfico mismo, por lo que a veces desaparece. A continuación se muestra una pantalla de lecturas de una de las primeras (pero no la primera) versiones de trabajo del dispositivo virtual. El gráfico del pulsograma (rojo) está al revés, y el ruido de baja frecuencia se puede ver en los picos más bajos.
El tercer hecho: dormir con una placa de prueba y cuatro baterías en la mano no es del todo imposible, sino extremadamente incómodo. Cómo se veía al principio, se puede ver a continuación (por desgracia. Además de las fotos del diploma, no quedó nada de ese boceto)))
"¡Necesitamos mejoras serias!" - mirando los datos amordazados, con sopa de col severa, concluí. Y, en primer lugar, decidí terminar el sensor, que era necesario en primer lugar para continuar trabajando en el dispositivo.
Después de volver a leer el artículo sobre fotopletismografías, me di cuenta de lo siguiente: pero ¿por qué, de hecho,
me puse un cable alrededor del brazo para usar un optoacoplador IR si podía usar cualquier otro color? Del mismo artículo se tomó un gráfico que ilustra la dependencia del coeficiente de absorción de luz de la hemoglobina con respecto a la longitud de onda.
Según el gráfico, elegí el verde como el más absorbido por la hemoglobina en sus dos estados (oxigenado e insaturado). En consecuencia, el sensor se volverá más sensible precisamente a un cambio en el volumen de sangre y no a la saturación de oxígeno (sospeché que debía la interferencia de baja frecuencia al hecho de que la sensibilidad del sensor de rango IR cambia significativamente debido a la saturación de oxígeno en la sangre).
Debajo del spoiler: me pregunto si es posible controlar la frecuencia respiratoria solo con este ruido de baja frecuencia.
Y todo estaría bien, pero amordazar: ¿qué elegir como elemento sensible? Después de una breve búsqueda, encontré una opción barata: un fotorresistor. Las ventajas eran obvias: el pico espectral en los modelos más comunes, apenas alrededor de 500 nm, es barato, y su inercia, que a menudo se critica, no es significativa en este caso: el latido del corazón en sí no es muy rápido.
De los inconvenientes, solo noté por mí mismo que los fotoresistores contienen cadmio y plomo (por lo que fueron completamente prohibidos en algunos países), y no es muy bueno usarlos en equipos que contactan directamente con el cuerpo. Pero, la ciencia requiere sacrificio, y comprimí la segunda versión del sensor: en dos LED direccionables (según la hoja de datos, la longitud de onda de su color verde era la que necesitabas). Una ventaja fue el hecho de que ahora era posible cambiar programáticamente el brillo, ajustando así la sensibilidad, aunque dentro de límites pequeños.
Como puede ver, el esquema de filtrado y amplificación analfabeto (pero mínimamente funcional) se mantuvo en su lugar, y el sensor ahora tiene hasta dos cables para comunicarse con MK.
Cuando se ensambló el diseño, las pruebas mostraron una mejora significativa en los resultados de la medición. Aunque el sensor no podía funcionar "para la reflexión" (quería hacer que el brazalete fuera un brazalete completo, pero no funcionó, la señal reflejada era demasiado débil), pero funcionó muy bien en la luz. La interferencia de baja frecuencia también desapareció, lo que puso fin a la pérdida de señal.
El desarrollo del dispositivo ha entrado en una nueva etapa: ahora todos los esfuerzos se han dirigido a recopilar datos e intentar encontrar la fase de sueño deseada entre ellos.
Pero más sobre eso en el próximo artículo, pero ahora es más tarde, pero no puede interrumpir el modo de suspensión)
PD Si la voluntad de los lectores, publicaré en el acceso abierto todos los esquemas y códigos fuente del proyecto, para que los bytes no estén cubiertos de polvo en mi disco duro.
Todo tipo de utilidad:
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