Μέτρηση καρδιακού ρυθμού

Χρησιμοποιώντας ένα Arduino, έναν αισθητήρια μέτρησης καρδιακού ρυθμού, τις κατάλληλες συνδέσεις και προγραμματισμό σε απλή γλώσσα προγραμματισμού, έχουμε τη δυνατότητα να καταγράψουμε άμεσα τον καρδιακό ρυθμό. Και όλα αυτά με σχετικά χαμηλό κόστος (περίπου 5-6 ευρώ).

Λίγα λόγια για τα υλικά που χρησιμοποίησα:

• Arduino: μία απλή μητρική πλακέτα ανοικτού κώδικα, η οποία διαθέτει εισόδους και εξόδους. Σε αυτή θα συνδέσω τον αισθητήρα μέτρησης καρδιακού ρυθμού.

Η μητρική Arduino

• Αισθητήρας: πρόκειται για τον ‘Finger Heartbeat Detection Sensor Module (KY-039)’, δηλαδή έναν αισθητήρα που καταγράφει την αρτηριακή πίεση στην άκρη του δαχτύλου. Αποτελείται από μία πηγή υπέρυθρης ακτινοβολίας και έναν καταγραφέα φωτός. Ο αισθητήρας στην πραγματικότητα δεν καταγράφει καρδιακούς χτύπους. Απλά καταγράφει μια αναλογική τιμή από το 0 έως το 1023, λέγοντας πόση υπέρυθρη ακτινοβολία λαμβάνει ο αισθητήρας φωτός ή πόσο κάτι σκιάζει τον αισθητήρα φωτός. Όσο υψηλότερη τιμή, τόσο μικρότερη είναι η υπέρυθρη ακτινοβολία που καταγράφει ο αισθητήρας φωτός. Τοποθετούμε το δάχτυλο ανάμεσα στον αισθητήρα υπερύθρου (IR) και το τρανζίστορ φωτός του αισθητήρα. Ο καρδιακός παλμός διαστέλλει τα αιμοφόρα αγγεία στο δάχτυλό μας, τα οποία θα φιλτράρουν το IR. Έτσι δημιουργείται ένα παλλόμενο σήμα.

Ο αισθητήρας μέτρησης του καρδιακού ρυθμού

• Στο παρακάτω διάγραμμα βλέπουμε τους παλμούς της καρδιάς όπως καταγράφηκαν από το σύστημα λήψης δεδομένων (arduino+αισθητήρας) που χρησιμοποίησα. Από τη χρονική διαφορά μεταξύ δύο μεγίστων του παλμού, μπορούμε να υπολογίσουμε τον καρδιακό ρυθμό ανά λεπτό (BPM) (για κάποιους λόγους θα πρέπει η καταγραφή να μην γίνεται παρουσία τεχνητού φωτός, καθώς δημιουργείται ‘θόρυβος’).

Καταγραφή καρδιακού ρυθμού

• Προγραμματισμός: η πλακέτα ‘φορτώνεται’ με πρόγραμμα που έχει γραφτεί σε γλώσσα C++ (εδώ αρχίζουν τα δύσκολα). Για αρχή, μπορούμε είτε να χρησιμοποιήσουμε έτοιμο κώδικα ή να φτιάξουμε κώδικα με τη χρήση του λογισμικού mBlock, το οποίο διαθέτοντας ‘drag&drop’ γραφικό περιβάλλον εντολών μπορεί να παράξει κώδικα. Για το συγκεκριμένο κύκλωμα χρησιμοποίησα έτοιμο κώδικα, που είναι ελεύθερα διαθέσιμος στο διαδίκτυο.

Δείτε το παρακάτω βίντεο που έφτιαξα με τις καταγραφές για περίπου 2 λεπτά, καθώς και τη σύνδεση του κυκλώματος που χρησιμοποίησα.

Επόμενος στόχος είναι να συνδέσω στο κύκλωμα μία οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD), ώστε η καταγραφή να φαίνεται πάνω στη ψηφιακή οθόνη του κυκλώματος.

Αν ενδιαφέρεστε για περισσότερες πληροφορίες για τον αισθητήρα, μπορείτε να δείτε ένα βίντεο ή να διαβάσετε ένα σχετικό φόρουμ.

Για τη διδακτική χρήση; Πάρα πολλά. Κατά αρχάς το πιο απλό, να δουν οι μαθητές πώς μεταβάλλεται ο καρδιακό τους ρυθμός. Σε επόμενο στάδιο, θα μπορούσε να διαπιστωθεί πώς μεταβάλλεται ο ρυθμός ανάλογα με τη δραστηριότητα (π.χ. αν κάποιος μαθητής κάνει επιτόπιο τρέξιμο και μετά μετρήσουμε το ρυθμό του) ή να καταγραφούν διαφορές ανάλογα με το φύλο, την ηλικία, κτλ. Θα μπορούσε επίσης να υπολογιστεί από τα διαγράμματα ο καρδιακός ρυθμός, ενώ θα ήταν θεμιτό να συζητηθεί η διαγνωστική χρήση τέτοιων διαγραμμάτων (αφού βέβαια εξηγηθεί πως η εν λόγω μέτρηση δεν είναι μεγάλης ακρίβειας, λόγω κυρίως μικρών σφαλμάτων στο καταγραφικό σύστημα). Το πιο καλό το αφήνω για το τέλος: οι μαθητές θα λατρέψουν την εμπλοκή τους στην κατασκευή και ενεργοποίηση του κυκλώματος, ενώ για τους πιο ειδικούς θα έχει ενδιαφέρον και το κομμάτι του προγραμματισμού. Το σίγουρο είναι πως θα γίνει μία δραστηριότητα με πολλά ερεθίσματα, σε διερευνητική βάση, με άμεση εμπλοκή των μαθητών, δυνατότητα διεξαγωγής πειραμάτων και άμεσης καταγραφής δεδομένων, κτλ. Σίγουρα, θα είναι μία διδακτική εμπειρία για όλους/όλες τους/τις εμπλεκόμενους/εμπλεκόμενες.

Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Μαστρογιάννη Ιάκωβο και Σωτηρίου Σοφία οι οποίοι στο σεμινάριο ‘Scratch+Arduino = mBlock για Ρομποτική’, Επιμορφωτικό-βιωματικό σεμινάριο στο 5ο Πανελλήνιο Εκπαιδευτικό Συνέδριο Κεντρικής Μακεδονίας «Αξιοποίηση των Τεχνολογιών της Πληροφορίας Και των Επικοινωνιών στη Διδακτική Πράξη, Τεχνολογίες, Τέχνες & Πολιτισμός στην Εκπαίδευση», 27-29 Απριλίου 2017, Θεσσαλονίκη, https://5syn-thess2018.ekped.gr/ergasies/viomatika-ergastiria/scratch_arduino/ , μου δώσανε όλες αυτές τις ιδέες και τα ερεθίσματα. Πολύτιμη και η βοήθειά τους στην αγορά των πρώτων υλικών.