Kez incelendi.

Kalp Atış Sensörü ve Arduion Uno ile Proteusda Kalp Atış Ölçer Projesi

     Kalp, kanı pompalamaktan ve vücuda oksijen ve besinleri dağıtmaktan sorumlu olduğu için vücuttaki en önemli organlardan biridir. Kalbin durumunu gösterdiği için kalp atış hızının izlenmesi de aynı derecede önemlidir. Kalp atış hızı, bir kişinin dakikada kalp atışının sayısıdır. Kalp atış hızını ölçmek için birçok seçenek vardır, ancak en kolay ve en ucuz olanı bir kalp atışı sensörü kullanmaktır. Bu nedenlerle bu projede kalp atışı sensörünü kullanarak Arduino destekli bir kalp atış hızı ölçer tasarladık. Bu tasarım, insanların kalp atış hızlarını kolay ve hızlı bir şekilde ölçmelerine yardımcı olacaktır.

     Özellikle yaşam tarzı değişiklikleri, sağlıksız beslenme alışkanlıkları ve hareketsizlik gibi birçok neden günümüzde kalp ve damar hastalıklarında gözle görülür artışa neden olmuştur. Bu da son yıllarda insanda meydana gelen kalp krizi ile ölüm oranını arttırmıştır, bu nedenle kalp atış hızı analizi, kalp hastalıklarının teşhisi ve tedavi araçlarında yapılacak her türlü iyileştirme dünyadaki ölüm oranını düşürmek ve sağlık açısından çok gerekli ve önemlidir.

Vücudumuzda kalbin işlevi kritik bir öneme sahiptir. Eğer kalp düzgün çalışmazsa hemen hemen her şey etkilenir.  Kalp atış hızı bu sürecin merkezinde yer alır, çünkü kalbin işlevi doğrudan kalp atış hızı ve atım hacmi ile ilgilidir.

     Bu yüzden kalp atış hızının ölçülmesi, bir kişinin kalple ilgili olası hastalıklarını önceden teşhis etmek ve tedavi sürecinin etkili olup olmadığını belirlemek yani bir kişinin sağlık durumu hakkında bilgi sahibi olabilmek için önemli bir göstergedir. Ayrıca sporcular tarafından maksimum verim elde etmek ve uygun egzersiz programını belirlemek için kullanılır.

     Kalp atış hızı veya nabız, kalbin 1 dakikada kaç kez attığıdır. Çeşitli nedenlerle kişiden kişiye değişir. Dinlenirken daha düşük, egzersiz yaparken daha yüksektir.

Kalp atış hızını ölçmek için kullanılan çeşitli yöntemler vardır. Bunlar;

-Damardaki kanın dalgalanmasını bir gerinim veya basınç sensörü kullanarak elektrik sinyallerine dönüştüren mekanik yöntemler ile kalp atış hızı ölçülebilir. Örneğin, kan basıncı monitörü; Ortalama kan basıncını ve nabız hızını ölçen bir alet. Hassas ve pahalıdır.

-Elektrik impulse alınımı için cilt üzerine 2 veya daha fazla elektrot yerleştirilerek nabız hızı elektrik sinyali algılama yöntemi ile kalp atış hızı ölçülebilir. Örneğin EKG cihazı; kalpteki elektriksel aktivitenin grafik halindeki bir temsilidir. EKG de kalp atış hızı hesaplaması için kullanılan kardiyak döngülerin sayısı genellikle oldukça azdır bu nedenle kalp atış hızını hesaplarken veriler çok yeterli değildir. Yüksek bir maliyeti vardır.

-Kalp aktivitesi yoluyla kan kılcal dolgusunu değiştirerek insan dokusu ışık soğurma seviyesi modülasyonuna dayanan optik nabız ölçüm yöntemi ile kalp atış hızı ölçülebilir.

Biz bu projede optik nabız ölçüm yöntemi kullanarak kalp atış hızını ölçtük.

Bu yöntemi seçme nedenlerimiz;

  • Diğer yöntemlere göre daha uygun maliyetli.

  • Cihaz, bilgisayarlar ve cep telefonlarıyla kolay bir şekilde arayüz oluşturabilir.

  • Kaydedilen veriler üzerinde daha fazla analiz yapılması için fırsatlar sunar.

  • Bir kişi kalp atış hızını ölçmek istediğinde başka bir kişinin yardımına ihtiyacı yoktur.

     Kalp atış ölçer, insan parmak ucuna yerleştirilen ve kalp atış sensörü aracılığıyla kalp atış hızını ölçen ve kalp atışını LCD ekrana göndereren bir cihazdır.

     Mümkün olan her ortamda kalp atış hızını ölçebilmeye büyük ihtiyaç vardır. Bu zorunluluk bizi kalbin durumu hakkında hızlı ve kolay bilgi sağlayan bir kalp atış hızı ölçer tasarlamaya yöneltti.

Cihazda bulunan komponentler;

  • Kalp atış sensörü,

  • Arduino uno,

  • LCD (16x2),

  • Açma kapama düğmesi,

  • Voltmetre,

  • Yüksek Granülarite Etkileşimli Potansiyometre.

     Kalp atışı, kalp kasının tek bir tam kasılma ve genişleme döngüsüdür. Kalbin dakikadaki atış sayısı (BPM) kalp atış hızıdır. Kalp atışı iki şekilde izlenebilir:

  • Manuel yol: Kalp atışı bileklerden veya boynundan kontrol edilebilir.

  • Sensör kullanma: Kalp atışı sensörü, kalp atış hızını ölçmek için kullanılan elektronik bir cihazdır.

Kalp Atış Sensörünün çalışma prensibi;

  • Kalp atışı sensörü, fotopletismografi prensibine göre çalışır. Pletismografi, bir organda bulunan kan veya hava miktarındaki dalgalanmalardan kaynaklanan hacimsel bir ölçümdür. Kan hacmindeki değişiklik kalp atışı ile senkronize olduğundan, kalp atış hızını belirlemek için kullanılabilir. Fotopletismografi, optik tekniklerin kullanıldığı bir pletismografi yöntemidir. İki tür fotopletismografi vardır:

  • Transmission: Işık yayan cihaz tarafından yayılan ışık, kulak memesi gibi vücudun herhangi bir damar bölgesinden iletilir ve dedektör tarafından alınır.

  •  Reflection: Işık yayan cihazdan yayılan ışık bölgeler tarafından yansıtılır.

  • Kalp atış sensörü, bir ışık kaynağı ve bir ışık detektöründen oluşan bir sensördür. Işık kaynağı genellikle kızılötesi ışık yayan bir diyottur ve genellikle kullanılan dedektör bir fototransistördür. LED, parmağa yayılabilmesi ve dedektör tarafından algılanabilmesi için süper parlak olmalıdır. Bu şekilde, kalp kan damarlarından bir nabız attığında, parmak biraz daha opak hale gelir ve detektöre daha az ışık ulaşır. Dedektör sinyali her kalp atışında değişir ve bu değişiklik bir elektrik darbesine dönüştürülür. Bu sinyal, + 5V lojik seviye sinyali veren bir amplifikatör ile güçlendirilir ve tetiklenir. Ayrıca, çıkış sinyali, kalbin her atışında yanıp sönen bir LED ile gösterilir.

  • Önce sensör insan parmak ucuna sabitlenir ve düğmeye basılır. Kan parmak ucunda dolaşırken sensör parmak ucuna kızılötesi ışık gönderir. Parmak ucu sensör tarafından aydınlatıldığında, parmak ucundaki kanın hacmine bağlı olarak üç şey gerçekleşecektir: belirli miktarda ışık emilecek, belirli miktarda ışık iletilecek ve belirli miktarda ışık yansıtılacaktır. Yansıtılan ışığın yoğunluğu parmak ucundaki kan hacmine göre değişir ve bu da kalp atışına göre değişir. Spesifik olarak, yansıyan ışığın düşük yoğunluğu, daha yüksek kan hacmini gösterir ya da yansıyan ışığın yüksek yoğunluğu, daha düşük kan hacmini gösterir.

  •        Zamanla değişen bu ışık yoğunluğunun bir grafiği fotopletismografik (PPG) sinyal olarak bilinir. Sinyaldeki her nabzın süresi, kalp atışı ile belirlenir ve genlik, arteryel kanın çeşitli bileşen kısımlarının konsantrasyonu tarafından belirlenir. PPG sinyali iki bileşenden oluşur: AC ve DC. AC bileşeni, DC bileşeninin üzerine yerleştirilmiştir. AC bileşeni, arteriyel kan hacmindeki pulsatil değişikliklerin sonucudur. Bu arteriyel kan hacmi kalp atışı ile eşzamanlı olduğundan, AC bileşeni kalp atış hızını ölçmek için kullanılabilir.

  • DC bileşeni dokular, kemikler ve ortalama kan hacmi ile ilgilidir. AC bileşenini analiz etmek için bu DC bileşeninin çıkarılması gerekir.AC bileşeni, tüm sinyalin çok küçük bir kısmıdır. Sonuç olarak ortaya çıkan PPG sinyali, kalp atış hızının tespitinde kullanılmadan önce filtrelenmeli ve güçlendirilmelidir.

  • Sensör, PPG sinyali oluşturduktan sonra PPG sinyalini okumak için bir arduinoya gider. Arduino tüm sistemi kontrol eder. Arduino, kalp atım sensörü modülünden gelen PPG sinyal darbelerini okur ve kalp atış hızını hesaplayıp bunu LCD ekranda bpm cinsinden gösterecektir.

  • Kalp atışı sensörünün çıkış pini, Arduino'nun 8. pinine bağladık. Kalp atış sensörünün çıkışından gelen sinyalleri gözlemlemek için osiloskop ve voltmetre bağladık. 1. basma düğmesine bastığımızda, sistem darbeleri saymaya başlar. 2. düğmeye bastığımızda sistem kendini resetler. Sistemimiz beş atış alıp bu formülü kullanarak toplam kalp atış hızını dakika cinsinden hesaplıyor.

  • Five pulse time = time2 – time1

  • Single pulse time = five pulse time /5

  •  Rate = 60000/ single pulse time;

  • time1 ilk nabız sayacı değeri, time2 liste nabız sayacı, rate değeri son kalp atış hızıdır.

Blok Diyagramı;

Arduino Kodu;

Proteus Devremiz

Devre şeması;

1. Butona bastığımızda sistem nabızları saymaya başlıyor;

2. butona bastığımızda sistem kendini sıfırlıyor;

Osiloskop çıktısı;

Son olarak;

  • Kalp, vücuttaki en kritik organlardan biridir. Kalp düzgün çalışmazsa, vücudumuzdaki tüm fenomenler bundan etkilenecektir. Bu nedenle kalp atış hızının ölçülmesi kişinin sağlık durumu hakkında bilgi sahibi olmak için çok önemlidir. Nabız hızı elektrik sinyali algılama yöntemi (EGC cihazı) ve kan basıncı monitörü gibi kalp atış hızını ölçmenin birçok yolu vardır.

  •      Bu yöntemler yerine, düşük maliyeti ve kimseye ihtiyaç duymadan kalp atış hızını ölçebilme kolaylığı nedeniyle optik nabız ölçüm yöntemini (nabız ölçer) seçtik. Ayrıca, bu yöntem bize kalp atış hızı hakkında hızlı ve kolay bilgi verir.

  •      Cihaz, kabul edilebilir aralıkta sonuçlar üretir. Sensöre tutulan vücut kısmı, kalp atış hızı ölçülürken çok hareketsiz tutulmalıdır. Hafif bir hareket bile biraz farklılığa neden olur.

  •      Projemizdeki Proteus devremizin Arduino kodu ve Heart Beat Sensor 2 kütüphanesi ide programında çalışır. Kalp Atışı Sensörünün 2 Vout çıkışına bir voltmetre ve osiloskop bağlayarak da kalibre ettik. Her nabız geldiğinde voltmetremizin değeri 5V olarak istediğimiz gibi çıkıyor. Osiloskopta görünen Vout sinyallerimiz istediğimiz gibi görünür. LCD'de gördüğümüz kalp atış hızı değeri istediğimiz aralıkta. 1. butona bastığımızda kalp atış hızı hesaplanmaya başlar ve 2. butona bastığımızda sıfırlanır, böylece Arduino kodumuzun doğru çalıştığını görürüz.

  •      Bu proje, kişinin kalp atış hızını her yerde doğru bir şekilde ölçebilmesi ve izleyebilmesi için önemli bir fayda sağlamıştır.

Hazırlayanlar;

  • Tuğçe BAYER

  • Buse BAŞOL

  • Ezgi KAYA

  • İrem YILMAZ

Referanslar

© 2017-2021 by IEEE Izmir Katip Celebi University.