سلام به همگی. تو این پست به روشهای اندازی گیری ضربان قلب آشنا میشید. تو این پست با تئوری هاش آشنا میشیم تا در پست های آینده ، پروژه محور کار کنیم.
قبل از شروع ، اول بیاید با الکتروکاردیوگرام یا نوار قلب آشنا بشید.
گیف زیر تا حدودی کارکرد قلب رو براتون مشخص میکنه.اون نقاط قرمز سیگنال های الکتریکی هست که توسط شبکه هادی قلب ایجاد میشه.شبکه های قلب شامل دو قسمت بزگ هستن:
1-گره ها
2-الیاف گرهی
گره ها: شامل گره های سینوسی دهلیزی(پیشاهنگ) و گره دهلیزی بطنی هستن.
گره سینوسی دهلیزی پشت دهلیز راست و زیر منفذ بزرگ سیاهرگ زیرین قرار داره.بهش میگن گره پیشاهنگ چون شروع کننده ضربان قلب هست.تحریک تار ماهیچه ای این گره به سایر تار های میوکارد(لایه ماهیچه ای قلب) انتقال پیدا میکنه و باعث میشه دهلیز ها همزمان منقبض بشن . (نقطه قرمز که اول داخل گیف روشن میشه)
گره دهلیزی بطنی:بین دهلیز ها و بطن ها کمی متمایل به دهلیز راست قرار داره . این گره به گره اول متصل هست و پیام انقباض رو بعد از دریافت از گره اول به الیاف گرهی بین دیواره دو بطن انتقال میده.(همون نقطه قرمز دوم که در گیف روشن میشه)
الیاف گرهی: اینا مثل سیم توی مدار الکترونیکی عمل میکنن. بین دوتا گره سینوسی دهلیزی و دهلیزی بطنی قرار دارن و پیام رو از گره اول به دوم انتقال میدن و دوباره از گره دوم (دهلیزی بطنی) پیام انقباض رو از گره دوم تا نوک بطن ها انتقال میدن . سرعت انتقال پیام خیلی بالاست و همین پیام موجب ایجاد ضربان در قلب میشه. الیاف گرهی رو میتونید داخل گیف بصورت رشته ببینید.
خب تا اینجا فهمیدیم که یک ضربان قلب چگونه شکل میگیره . برای یک مهندس طراح ، بهتره که تا جاییکه میتونه همه چیز رو بدونه تا بهتر بتونه همه جهات طراحیش رو در نظر بگیره و در نهایت بهترین سیستم رو ارائه کنه .
الان وقتشه بریم سراغ تحلیل الکتروکاردیوگرام.
الکتروکاردیوگرام نوار قلب هست و یادتون باشه تحلیلش برعهده پزشک متخصصه و ما اینجا تا حد آشنایی دربارش یاد میگیریم .
الکتروکاردیوگرام یک فرد بالغ و نرمال که هیچ مشکلی نداره چیزی شبیه تصویر بالاست. حالا این تصویر به ما چی میگه؟
این تصویر زمان یک تپش کامل قلب رو به ما نشون میده .از انقباض دهلیز تا استراحت بطنی.حالا بیاید نمودار رو تحلیل کنیم:
از قسمت P تا مابین R و S ما انقباض دهلیزی رو داریم که مدت زمانش 0.1 ثانیه هست.دقیقا اونجاست که صدای اول قلب رو میشه شنید!تو اون نقطه (یعنی بین RوS) هر چهارتا دریچه قلب بستست.بعد از اون تا T ما انقباض بطنی رو داریم (دهلیز ها در حالت استراحت قرار دارن و دارن پر از خون میشن برای تپش بعدی) این هم 0.3 ثانیه طول میکشه وقتی که به انتهای T رسیدیم صدای دوم قلب رو میشنویم و بازهم هر چهار دریچه بسته هستن. از انتهای T تا P بعدی قلب توی استراحت عمومی قرار داره و مدت زمانش 0.4 ثانیه هست . و در ادامه همین روال رو پیش میره.کلا یک ضربان 0.8 ثانیه طول میکشه برای یک فرد بالغ و عادی.جالبه بدونید اگر افزایش ارتفاع QRSداشته باشیم ممکنه فرد تنگی دریچه یا فشار خون مضمن داشته باشه . یا اگر کاهش ارتفاع QRSرو داشته باشیم ممکنه فرد دچار سکته قلبی شده باشه. پس بهتره حتما تحلیل های تخصصی نمودار رو به پزشک متخصص بسپارید و در همین حد فعلا ازش بدونید کافیه.عکس پایین هم توضیحات تصویری متن بالاست به زبان ساده .
نقاط قرمز:در انقباض / نقاط سبز: در استراحت
حالا ما با ضربان قلب بصورت تخصصی تری آشنا شدیم . بریم ببینیم دستگاه های اندازه گیری ضربان قلب چطور کار میکنن و با کارکردشون آشنا بشیم . بیشتر این دستگاه هارو میشه بر پایه آردوینو ساخت ولی در حد نمونه بیمارستانی دقیق و کالیبره نیستن پس زیاد بهشون اعتماد نکنید.
دستگاه های اندازه گیری ضربان قلب مبتنی بر نور:
اگر الکترونیکی باشید، حتما شما هم این سنسور ها و ماژول هارو دیدید که با نام سنسور ضربان قلب فروخته میشن:
این سنسور ها همشون مبتنی بر نور هستن . همونطور که میدونید ، با هر تپش قلب جریان خون در بدن حرکت میکنه . این جریان متحرک که هر 0.8 ثانیه اتفاق میوفته قابل دیدن حتی با چشم هم هست. امتحانش خیلی سادست فلش گوشیتون رو روشن کنید و انگشت اشاره دست چپتون رو بزارید روش. اگر دقت کنید میتونید از پشت انگشتتون ببینید که مقدار نوری که انگشت عبور میده با هر ضربان تغییذ میکنه و کم و زیاد میشه. حالا اگر ما همین اثر رو با یک LEDو فوتودیود یا فوتوترانزیستور یا LDR ایجاد کنیم ، میشه سنسور ضربان قلب!شکل زیر رویه ساده ای از فرآیند سنس تپش توسط منبع نور و گیرنده نور رو نشون میده:
همونطور که داخل تصویر هم مشخصه ، جریان خون وقتی وارد مویرگ های مثلا انگشت میشه ، باعث تغییر سایز مویرگ میشه و شدت گذر نور از مویرگ تغییر میکنه و سنس انجام میشه . حالا این دستگاه اندازه گیری رو از یک طرف انگشت انجام میده . پس کل نوری که وارد انگشت شده رو سنسور گیرنده نور سنس نمیکنه درنتیجه خطا خیلی میره بالا ! پس راه حل چیه؟
راه حل اندازه گیری نور از طرف دیگه انگشت هست .
خب تا اینجا براتون سوال نشد نوع نور چی باشه ؟ همونطور که توی پستای تحلیل طیف الکترومغناطیسی جدول رو دیدید باید بدونید که طیف وسیعی از موج الکترومغناطیسی وجود داره . خب پس ممکنه مهم نباشه که ما چه نوری استفاده کنیم؟
چرا نباید مهم باشه؟ سنسور های ضربان قلب ، از دونوع نور استفاده میکنن : IR (مادون قرمز) و نور سبز.
چرا سبز و چرا مادون قرمز؟
همه اینا به عنصری بنام گلبول قرمز برمیگرده . این تنها سلول بدون هسته و DNA باعث شده که از این دو نوع نور استفاده کنیم . نور IR توسط گلبول های قرمز بازتاب میشه . وقتی قلب تپش میکنه میزان بازتاب این نور بیشتر میشه در نتیجه گیرنده نور بیشتری دریافت میکنه و جریان بیشتری رو عبور میده و در نهایت افت ولتاژ رو در مدار تقویت کننده خواهیم داشت و یک تپش سنس میشه.
حالانور سبز چی؟ این نور توسط گلبول های قرمز جذب میشه! دقیقا برعکس بالایی عمل میکنه.این نور رو زمانی به کار میبرن که از یک جهت بخوان ضربان رو اندازه گیری کنن یعنی زمانیکه گیرنده و منبع نور کنار هم باشن . یه نور شدید سبز رنگی توسط LED منتشر میشه و با فوتودیود یا فوتوترانزیستور سنس میشه . از اونجاییکه خون نور سبز رو جذب میکنه و هر نبض جهشی رو توی جریان خون ایجاد میکنه ،تعیین ضربان قلب از روی تغییرات جذب نور سبز انجام میشه.
ممکنه دستگاه های اندازه گیری ضربان قلب بیمارستانی یا این انگشتی هارو دیده باشد و بگید اینکه نورش قرمزه! باید بگم که نه ! اون نور قرمز برای کار دیگه ایه! اگر دوربین گوشی رو بکار بندازید نور IR رو هم میتونید ببینید.نور قرمز برای اندازه گیری چیزی بنام SPO2 هست . یعنی اکسیژن خون . تو دوره کرونا شاید اسمشو شنیده باشید که مقدار نرمالش برای یک فرد عادی 94-97 هست و برای ورزشکار 97-99 هست .(کسی 100 نیست اگر توی دستگاه صد دیدید یعنی دستگاه خرابه یا قبل دیدنش خدا بیامرز شدید صد دیگه مسمومیت با اکسیژن حساب میشه). برای افراد مبتلا به کرونا یا کساییکه کرونا گرفتن و خوب شدن و افرادی که مشکلات ریوی دارن هم ممکنه از 94 پایین تر بیاد که باز هم پزشک باید معاینه کنه و نظر بده . حالا چطوری SPO2 توسط نور قرمز اندازه گیری میشه؟
خب اینجا دیگه باید ترکیبی عمل کنیم . یعنی نور مادون قرمز هارو بریزیم توی قرمزا ! باید از نور قرمز با طول موج 600تا 750 نانومتر و نور مادون قرمز یا همون IR با طول موج 850-1000 نانومتر استفاده کنیم.حالا چرا اینقد دقیق؟ تو این طول موج هموگلوبین اکسیژنه( یعنی هموگلوبینی که اکسیژن حمل میکنه . سطح اکسیژن خون بستگی به این هموگلوبین های اکسیژنه داره) میتونه مقدار بیشتری از نور IR رو جذب کنه و به نور قرمز بیشتری اجازه عبور بده . خب اینجا اگر ماتفاضلی عمل کنیم میتونیم با یکم محاسبات درصد اکسیژن خون رو بدست بیاریم. طرز قرار گیری سنسور ها و LEDها هم فرقی با نمونه های قبلی نداره تو عکس زیر میتونید ببینید:
سنسور های مبتنی بر اثر پیزوالکتریک:
اثر پیزوالکتریک اثریه که بعضی از پلیمر ها و سرامیک ها از خودشون نشون میدن . تو این اثر با اعمال نیروی خارجی دو قطبی ها تحریک میشن و میدان الکتریکی ایجاد میکنن و با تغییر جهت نیروی اعمال شده جهت میدان هم عوض میشه.پس ما میتونیم از این اثر استفاده کنیم و ضربان قلب رو اندازه بگیریم. اما این اثر دقت کافی رو نداره و در خروجی نویز شدید داریم . مگر اینکه تغییراتی درش اعمال کنید. اول نوع ساده رو ببینیم:
این نمونه برای مانیتوریگ ضربان قلب با آردوینو و سنسور پیزوالکتریک توسط یه بنده خدایی تو وبسایت hackaday ساخته شده . اما قطعا خیلی دقیق نیست و همونطور که میبینید برای تولید ولتاژ باید حسابی چسب کاری بشه روی انگشت حتی میتونید روی نبض هم چسب کاریش کنید ولی باز دقتش فرق خاصی نمیکنه! خب پس راه حل چیه؟ راه حلش تبدیل انرژی تپش به یه حالت دیگه که تاثیر بیشتری روی پیزو بزاره . این راهکار در دستگاه های فشارسنج خون استفاده میشه . به اینصورت که یک پمپ محفظه ای رو پرفشار پر میکنه و یک پیزو متصل به محفظه وجود داره که مدام فشار رو اندازه گیری میکنه و با هر تپش قلب فشار محفظه بالا پایین میشه درنتیجه پیزو با دقت خیلی بالا میتونه ضربان قلب رو اندازه بگیره!
توی شکل زیر میتونید یه شماتیک ساده از کارکرد فشارسنج دیجیتالی ببینید :
شکل پایین هم یک برد دستگاه فشارسنج دیجیتالی هست که میتونید سنسور پیزو رو داخلش ببینید:
پمپ این نوع فشار سنج ها فشاری معادل 40kPa یا 300mmHg تولید میکنن.
اندازه گیری ضربان قلب با سنسور های فشارخون:
این سنسور هارو ممکنه تو بازار ببینید که کالیبراسیون بسیار سختی دارن و راه اندازیشون از کالیبراسیونشون سخت تره! بهرحال با اینها هم میشه فشار خون رو اندازه گرفت ولی حتما لازمه که دستگاه فشارسنج خراب داشته باشید چون کارکرد و قرار گیریش دقیقا مثل سنسور پیزو الکتریک هست فقط اساس کارکردشون باهم فرق داره . در سنسور پیزوالکتریک ما فشار رو تبدیل به نیروی الکتریکی میکنیم اما تو این مدل سنسور ها فشار تبدیل به مقاومت الکتریکی میشه:
همونطور که توی تصویر بالا میبینید این سنسور از چهار صفحه تشکیل شده که یک لوزی رو ایجاد میکنن و با تغییر شکل صفحات با فشار هوا مقاومت صفحات تغییر میکنه .
پارت نامبر سنسور:MPS20N0040D
در آینده مقاله ای درباره نحوه راه اندازی و کالیبراسون این سنسور روی سایت آپلود میکنم.
دستگاه های ECG
دستگاه های الکتروکاردیوگرام یا نوار قلب دقیق ترین نوع دستگاه های اندازه گیری ضربان قلب به همراه رسم الکتروکاردیوگرافی هستن که اینطوری بگم که از اینا دقیق تر نداریم! ته دقت هستن اینا . کالیبراسیون این دستگاه ها تجربه و تجهیزات خاصی میخواد. حالا اینا چطور کار میکنن؟
سلول ها در انسان مثل باتری های کوچک عمل می کنن. این سلول ها غلظت یونی مختلفی در داخل و خارج غشای خود دارن که پتانسیل های الکتریکی کوچکی به نام بیو پتانسیل ایجاد می کنن. هنگامی که اختلالی در یک پتانسیل زیستی ایجاد بشه ، این پتانسیل عملی را ایجاد می کنه که همان دپلاریزاسیون و قطبش مجدد سلول هست . توی شکل زیر میتونید ببینیدش:
حالا پتانسیل عمل چیه؟ همونطور که اول پست توضیح دادم ، گره های قلب وظیفه ایجاد جریان الکتریکی برای شروع انقباض قلب رو دارن . حالا اگر ما این سیگنال هارو با ولت متر اندازه بگیریم ، درنتیجه ضربان قلب رو اندازه گرفتیم . و اگر نمودارش رو بصورت آنالوگ رسم کنیم میتونیم الکتروکاردیوگرافی داشته باشیم و تحلیلش کنیم!
توی تصویر بالا میتونید ببینید که هر قسمت الکترو کاردیوگرافی مربوط به کدوم قسمت قلبه .حالا دستگاه هاش به چه شکلی هستن؟
همونطور که توی شکل بالا میبینید تو این روش پراب هایی رو به ما وصل میکنن و جریان الکتریکی قلب رو باهاش اندازه گیری میکنن. این جریان پس از تقویت و فیلتراسیون دوباره تقویت میشه و توسط میکرو خونده میشه .
تو این پست با روشهای اندازه گیری ضربان قلب و نوار قلب آشنا شدید . توی پست های بعدی روشهای عملی رو به همراه پروژه باهم بررسی میکنیم . اگر علاقمند هستید ، فایلهای PDF زیر رو دانلود کنید و مطالعه کنید خالی از لطف نیست. یه جورایی منابع این پست هم بودن.کافیه روی اسم مقاله کلیک کنید تا دانلود بشه.(مقاله ها به زبان انگلیسی هستن)
Using Piezoelectric Sensor for Continuous-Contact-Free Monitoring of Heart
من دانشجو پرستاری هستم، مطالب جامع و صحیحی گذاشته بودید. فقط لطف کنید یک پست برای نحوه دریافت پالس ها و تقویت آنها بسازید. تشکر🌹…
سلام
ممنونم از نظرتون.
حتما در آینده پست هایی درباره دریافت و تقویت و پردازش سیگنالها قرار میدیم.