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……..