วงจรวัดอัตราการเต้นของหัวใจ (Heart rate Monitor) แบบราคาประหยัด

สัญญาณชีพจรมีความสำคัญในการวิเคราะห์สภาวะปัจจุบันของตัวมนุษย์ ทั้งด้านปริมาณการเต้นของหัวใจและลักษณะของสัญญาณชีพจรที่วัดได้ การสร้างวงจรวัดสัญญาณชีพจรอย่างง่ายและราคาถูก เพื่อมีไว้ใช้ประโยชน์ในการวิเคราะห์ความผิดปกติการเต้นของหัวใจ……..

Heart rate หมายถึง อัตราการเต้นของหัวใจ (Heart Rate) คือ จำนวนครั้งของการบีบตัวและคลายตัวของหัวใจ ในระยะเวลา 1 นาที (bpm) โดยสามารถแสดงกลไกการทำงานและสัญญาณชีพจรได้ ดังรูปที่1

 

รูปที่1. แสดงการกลไกทำงานของหัวใจที่กำเนิดสัญญาณชีพจร

สัญญาณชีพจรมีความสำคัญในการวิเคราะห์สภาวะปัจจุบันของตัวมนุษย์ ทั้งด้านปริมาณ(จำนวนการเต้นของหัวใจ) และคุณภาพ (ลักษณะของสัญญาณชีพจรที่วัดได้) ซึ่งข้อมูลดังกล่าวมานี้มีประโยชน์ในการนำไปวิเคราะห์เพื่อใช้ประโยชน์ทางการแพทย์และวิทยาศาสตร์การกีฬา ในโครงงานนี้จะอธิบายถึงการสร้างวงจรวัดสัญญาณชีพจรอย่างง่าย ช่วงระยะห่างของสัญญาณที่วัดได้มีประโยชน์ในการวิเคราะห์ความผิดปกติการเต้นของหัวใจ สัญญาณชีพจรแสดงดังรูปที่1. คือ สัญญาณชีพจรเกิดขึ้นจากการบีบและคลายตัวของกล้ามเนื้อหัวใจ โดยลักษณะของการเต้นของหัวใจสามารถแบ่งออกเป็น 3 ช่วง คือ

- หัวใจห้องบนบีบตัว เพื่อส่งเลือดมายังหัวใจช่องล่าง (สัญญาณ P)

- หัวใจช่องล่างบีบตัวทำให้เลือดไหลออกจากหัวใจ (QRS)

- ช่วงที่หัวใจช่องล่างคลายตัว (สัญญาณT)

กลไกการทำงานของหัวใจจากรูปที่1. มีลำดับขั้นตอนดังต่อไปนี้ คือ

1.             เลือดเข้าสู่หัวใจห้องบนขวาโดยหลอดเลือดดำ (Vena Cava)

2.              เลือดเข้าสู่หัวใจห้องล่างขวาผ่านลิ้น Tricuspid

3.             เลือดที่มี O₂ ต่ำถูกส่งไปฟอกที่ปอด

4.             เลือดที่มี O₂ สูงจากปอด ส่งกลับมาที่หัวใจห้องบนซ้าย

5.             เลือดถูกส่งจากหัวใจห้องบนซ้ายมายังหัวใจห้องล่างซ้าย

6.             เลือดถูกส่งจากหัวใจห้องล่างซ้ายเพื่อไปเลี้ยงส่วนต่างๆของร่างกาย

วัดโดยการตรวจคลำชีพจรแบบทั่วไป

หลักการวัดอัตราการเต้นของหัวใจ ซึ่งตรวจวัดจากการอิ่มตัวออกซิเจนของฮีโมโกลบินจากชีพจร โดยการวัดความอิ่มตัวของออกซิเจนในหลอดเลือดแดง (Arterial Oxygen Saturation) โดยอาศัยการดูดซับคลื่นแสงที่แตกต่างกันของฮีโมโกลบินที่จับตัวกับออกซิเจน (Oxyhemoglobin, HbO₂) และฮีโมโกลบินที่ไม่เกิดการจับตัวกับออกซิเจน (Deoxyhemeglobin หรือ Reduced Hemoglobin, HbR) สำหรับ HbO₂ จะดูดซับคลื่นแสงช่วงความยาวคลื่นแสงในช่วงความยาวคลื่น 850-1,000 นาโนเมตร (คลื่นอินฟาเรด) ดังนั้น เมื่อหัวใจเกิดการบีบตัวและคลายตัว จึงทำให้สัญญาณชีพจรที่เกิดขึ้นถ่ายทอดมายังประมาณเลือด ซึ่งสามารถตรวจจับสัญญาณได้ โดยการใช้หลอด LED อินฟาเรด (Ultra bright Led) ส่องไปยังเลือดที่แสงสามารถเข้าถึงและทะลุผ่านได้  อัตราเต้นของชีพจร (Arterial Pulse Rate) โดยทั่วไปจะเท่ากับอัตราการเต้นของหัวใจ (Heart Rate) ในคนปกติ สามารถวัดอัตราเต้นของชีพจรได้ โดยการคลำบริเวณที่สามารถพบเส้นเลือดแดงได้อย่างชัดเจน เช่น บริเวณข้อมือ บริเวณมุมของขากรรไกร บริเวณขมับ เป็นต้น

(ที่มา The Best of Project เซมิฯ ปี2553 ฉบับที่ 339-352)

 

รูปที่2. แสดงการตรวจจับการเต้นของเส้นเลือดแดงที่ขากรรไกรและข้อมือ

อัตราการเต้นของชีพจรของคนปกติในแต่ละวัย

ทารกแรกเกิด ถึง 1 เดือน                ประมาณ        120-160 bpm

1-12 เดือน                                                  ประมาณ        80 – 140 bpm

12-2 ปี                                                       ประมาณ        80 – 130 bpm

2 – 6 ปี                                                      ประมาณ        75 – 120 bpm

6 – 12 ปี                                                     ประมาณ        75 – 110 bpm

วัยรุ่น-วัยผู้ใหญ่                                           ประมาณ        60 – 100 bpm

ข้อสังเกต: เมื่อเราเจริญวัยมากขึ้น อัตราการเต้นของสัญญาณชีพจรจะมีค่าต่ำลงเรื่อยๆ

อุปกรณ์เซนเซอร์และวงจรวัดอัตราการเต้นของหัวใจ

เมื่อผู้อ่านที่เคยไปโรงพยาบาลจะสังเกตเห็นอุปกรณ์ตรวจวัดอัตราการเต้นของหัวใจ โดยอาศัยหลักการตรวจวัดการอิ่มตัวออกซิเจนของฮีโมโกลบินจากชีพจร โดยการดูดซับคลื่นแสงที่แตกต่างกันของฮีโมโกลบินที่จับกับออกซิเจน (HbO₂)  กับการที่ออกซิเจนไม่เกิดการจับตัว (HbR) อุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจจับดังกล่าวนี้มีชื่อเรียกว่า “Finger Clip” แสดงการใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวนี้ ได้ดังรูปที่3

 

รูปที่3. แสดงการใช้งาน Finger Clip และตัวเซ็นเซอร์ในการตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ

การสร้างและประกอบของ Finger Clip ผู้อ่านสามารถใช้อุปกรณ์ที่หาง่ายและราคาประหยัด ซึ่งอาจใช้ไม้หนีบผ้าแบบพลาสติกที่มีความคงทนแข็งแรงนำมาเจาะรูทางด้านบนและด้านล่าง ดังรูปที่ 4 (A). จากนั้น นำหลอดไดโอดทั้งตัวส่งและตัวรับมาติดตั้งเข้ากับไม้หนีบผ้า เมื่อติดตั้งเสร็จเรียบร้อยให้ตั้งย่านวัดมัลติมิเตอร์แบบเข็มที่ R X 1 วัดไบแอสตรงที่ตัวไดโอดอินฟาเรด จากนั้น จะสังเกตการทำงานด้วยการใช้กล้องถ่ายภาพขณะที่วัด จะสังเกตเห็นแสงอินฟาเรด ดังรูปที่ 4 (B).

รูปที่4. (A),(B) แสดงการติดตั้ง LED ตัวส่งและรับกับการทดสอบแสงอินฟาเรด ตามลำดับ

การทำงานของวงจร

รูปที่5. แสดงวงจรการวัดอัตราการเต้นของหัวใจ

รูปที่7.  แสดงสัญญาณชีพจรที่วัดได้และวงจรที่ใช้ในการวัดและทดสอบ

เพียงเท่านี้ ผู้อ่านก็สามารถวัดสัญญาณชีพจรที่วัดได้จากการวงจรวัดสัญญาณชีพจรอย่างง่ายและราคาถูก เพื่อมีไว้ใช้ประโยชน์ในการวิเคราะห์ความผิดปกติเบื้องต้น(เท่านั้น) การเต้นของหัวใจ……..

 

 

ตอนที่1. อุปกรณ์ LEGO MINDSTORMS Education NXT

การฝึกทักษะพื้นฐานการต่อโครงสร้างหุ่นยนต์และการเขียนโปรแกรมควบคุมการทำงานอย่างง่ายและไม่ซับซ้อนด้วย LEGO MINDSTORMS Education NXT ………………..

“LEGO MINDSTORMS Education NXT”  คือ ชุดเรียนรู้ทางกาศึกษาที่เกี่ยวข้องกับพื้นฐานในการสร้างและประกอบชื้นส่วนของหุ่นยนต์ ผู้ที่ศึกษาสามารถใช้เป็นสื่อกลางในการเรียนรู้ด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ได้เป็นอย่างดีในการพัฒนาทักษะทางด้านการประกอบชิ้นส่วนต่างๆของฮาร์แวร์และทักษะพื้นฐานการเขียนโปรแกรมเบื้องต้นได้อย่างสนุกและน่าสนใจด้วยเทคโนโลยี ผู้ที่ศึกษาสามารถออกแบบและสร้างสรรค์หุ่นยนต์ตามจินตนาได้อย่างอิสระด้วยการเขียนโปรแกรมที่ง่ายและไม่ซับซ้อนด้วยโปรแกรมภาษาโลโก้ (Logo Program) ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างแนวคิดและการประยุกต์ใช้ชุดการเรียนรู้ ดังกล่าวนี้เป็นโครงงานทางด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมขั้นพื้นฐาน ส่งผลให้ผู้ที่ศึกษาพัฒนาทักษะการคิด การสังเกตและทักษะทางด้านการแก้ปัญหาได้ ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของการเรียนรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ นอกจากนี้ ผู้ที่ศึกษายังได้พัฒนาทักษะด้านการสื่อสาร การทำงานเป็นทีมและการค้นคว้าทดลอง ซึ่งช่วยให้ผู้ที่ศึกษาเตรียมความพร้อมสำหรับการศึกษาในระดับที่สูงต่อไป

 

รูปที่1. แสดงการประกอบหุ่นยนต์ที่ใช้ LEGO MINDSTORMS Education NXT

LEGO ได้ผลิตชิ้นส่วนอุปกรณ์ตัวต่อของเล่นมากมาย แต่ในส่วนของหุ่นยนต์ LEGO ได้ผลิตหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่มีชื่อว่า “LEGO MINDSTORMS “ ผลิตออกมาในรุ่นแรก เรียกว่า LEGO MINDSTORMS RCX ซึ่งสามารถเขียนโปรแกรมควบคุมให้ทำงานได้อย่างอัตโนมัติ ต่อมาทางบริษัทได้ผลิตหุ่นยนต์ขึ้นอีกหนึ่งรุ่น คือ LEGO MINDSTORMS NXT (เพื่อให้เรียกชื่อกระชับขึ้นในบทความนี้จะใช้คำว่า NXT แทนชื่อเต็มครับ) ซึ่งอุปกรณ์พื้นฐาน  โดยชุดของ LEGO Group ชุด NXT ประกอบด้วยโมดูลไมโครคอมพิวเตอร์ ที่ผู้ใช้งานสามารถเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ควบคุมอุปกรณ์ มอเตอร์และเซ็นเซอร์ต่างๆ รวมไปถึงสายต่อเชื่อมสัญญาณ โครงสร้างของตัวต่อรูปทรงต่างๆ มาประกอบสร้างหุ่นยนต์ได้ตามต้องการ ดังรูปที่2.  

รูปที่2. แสดงชุดโมดูลไมโครคอมพิวเตอร์ มอเตอร์และเซ็นเซอร์ต่างๆ

1.1 ส่วนควบคุมการทำงานหรือสมองกล

อุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมการทำงานหรือสมองกลตรง เรียกว่า NXT Brick ซึ่งทำหน้าที่เป็นสมองหรือส่วนควบคุมของหุ่นยนต์ NXT MINDSTORMS ข้างในจะมีไมโครคอนโทรลเลอร์ที่สามารถดาวน์โหลดโปรแกรมใส่เข้าไปผ่านทางพอร์ต USB และผ่านการสื่อสารไร้สายหรือ Bluetooth ซึ่ง NXT Brick จะมีพอร์ต 4 พอร์ตสำหรับใส่เซ็นเซอร์ (พอร์ต 1, 2, 3 และ 4) และพอร์ต 3 พอร์ตสำหรับการส่งข้อมูลควบคุมส่งออก (A, B และ C) เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์และอุปกรณ์เสริมการเชื่อมต่ออื่นๆ นอกจากนี้ยังมีจอ LCD สำหรับแสดงข้อมูลและมีปุ่มสำหรับการเลือกเมนูต่าง ๆ บนตัว Brick NXT Brick ที่ใช้แหล่งจ่ายแบตเตอรี่ขนาด AA จำนวน 6 ก้อน แต่ในชุดมาตรฐาน Education Base Set (รหัส 9797) จะมาพร้อมกับชุดแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จพลังงานไฟฟ้าได้อีกด้วย

1.2 Sensor และอุปกรณ์เสริม ในชุด LEGO MINDSTORMS Education มีดังนี้ คือ

            Touch Sensors คือ อุปกรณ์ที่ทำให้หุ่นยนต์สามารถตอบสนองต่อสิ่งกีดขวางรอบตัวได้

         Sound Sensor คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ตรวจจับเสียงเป็นระดับเดซิเบล(Decibel) สามารถตรวจจับเสียงได้ทั้ง dB และ dBA

-  dBA คือ เสียงที่มนุษย์สามารถได้ยิน

-  dB คือ เสียงทั้งหมด รวมถึงเสียงที่สูงหรือต่ำไปเกินกว่าที่มนุษย์จะได้ยินด้วย

Sound Sensor สามารถตรวจจับเสียงได้สูงสุด 90 dB การอ่านค่าของ Sound Sensor จะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์

 

Light Sensor คือ อุปกรณ์ที่ทำให้หุ่นยนต์สามารถตอบสนองต่อค่าแสงและสีได้ สามารถใช้ Light Sensor ในการวัดสีของสิ่งของ หรือใช้ในการเดินตามเส้น

            Ultrasonic Sensor คือ อุปกรณ์ที่ทำให้หุ่นยนต์สามารถวัดระยะห่างของวัตถุและตอบสนองต่อการเคลื่อนที่ได้ Ultrasonic Sensor ทำงานโดยใช้หลักการเดียวกันกับค้างคาว นั่นก็คือ ตรวจวัดระยะห่าง โดยการส่งคลื่นเสียงออกไป แล้ววัดระยะเวลาที่คลื่นเสียง สะท้อนกลับมา โดย Ultrasonic Sensor สามารถวัดระยะทางได้ทั้งในหน่วยนิ้ว และหน่วยเซนติเมตร และสามารถวัดระยะห่างจากวัตถุได้ตั้งแต่ 0 - 2.5 เมตร โดยมีความคลาดเคลื่อนเพียง ± 3 เซนติเมตรเท่านั้น วัตถุแข็งที่มีขนาดใหญ่ จะทำให้อ่านค่าได้ดีที่สุด ส่วนวัตถุนุ่มๆ หรือมีพื้นผิวโค้ง หรือบางมาก จะทำให้เซ็นเซอร์ตรวจจับได้ยาก การนำไปใช้งานสามารถใช้ Ultrasonic Sensor ในการหลบหลีกสิ่งกีดขวาง

              Interactive Servo Motors คือ อุปกรณ์ที่ช่วยให้หุ่นยนต์ของคุณเคลื่อนที่ได้อย่างราบรื่นและแม่นยำนอกจากนี้ ยังมีเซ็นเซอร์วัดการหมุนของมอเตอร์ในตัว ทำให้ หุ่นยนต์ NXT สามารถควบคุมการหมุนได้อย่างแม่นยำ เซ็นเซอร์วัดการหมุนของมอเตอร์สามารถวัดการหมุนของมันได้เป็นองศา หรือนับเป็นรอบก็ได้ โดยที่การหมุน 1 รอบเท่ากับ 360 องศา การนำไปใช้งาน สามารถใช้ Interactive Servo Motorในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์ และบังคับ ส่วนประกอบอื่นๆ ของหุ่นยนต์