สุดยอด วิศวฯ ลาดกระบัง ประดิษฐ์ เครื่องบันทึกและแสดงผลกราฟคลื่นหัวใจแบบพกพา เพื่อประโยชน์ทางการแพทย์

การวัดสัญญาณคลื่นหัวใจ (Electrocardiogram, ECG) ได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องมาตลอด แต่ส่วนใหญ่จะมุ่งเน้นการใช้งานที่ตั้งอยู่เฉพาะที่ เนื่องจากเป็นเครื่องมือที่พัฒนาขึ้นหรือมีขายในปัจจุบันจะมีขนาดใหญ่ ส่วนเครื่องวัดขนาดเล็กที่สามารถพกพาไปได้นั้นจะมีราคาที่สูงมาก ดังนั้นในท้องที่ห่างไกลโดยเฉพาะในชนบท จะไม่มีความสะดวกในการใช้เครื่อง ECG ในการตรวจรักษาโรค ตลอดจนการตรวจของหน่วยแพทย์เคลื่อนที่ต่างๆ การตรวจวินิจฉัยของแพทย์จะทำได้เพียงการใช้เครื่องช่วยฟังเสียงการเต้นของ หัวใจเท่านั้น

ในการพัฒนาเครื่องวัดสัญญาณคลื่นหัวใจที่มีอยู่โดยทั่วไปจะแสดงผลของกราฟ เท่านั้น ในขณะเดียวกันการใช้งานของแพทย์ที่สามารถวิเคราะห์ผลของกราฟได้จะต้องใช้ กราฟอย่างน้อย 6 แบบ คือ I II III avR avL และ avF โดยจะต้องทำการบันทึกค่าที่ละครั้ง การบันทึกโดยทั่วไปจะใช้กระดาษกราฟในการบันทึก ซึ่งทำให้สิ้นเปลืองทั้งค่ากระดาษและพลังงาน ตลอดจนความไม่สะดวกในการพกพา ดังนั้นโครงการวิจัยนี้จึงได้เสนอการพัฒนาเพื่อสร้างตัวบันทึกและแสดงผลกราฟ คลื่นหัวใจแบบพกพา ซึ่งเครื่องที่พัฒนาขึ้นจะมีราคาต่ำและใช้งานง่าย มีขนาดที่เล็ก ในการวิเคราะห์คลื่นหัวใจจากกราฟสามารถนำข้อมูลที่บันทึกในหน่วยความจำแบบ CF ต่อเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์สำหรับแสดงค่ากราฟของคลื่นหัวใจที่บันทึกไว้ หรือส่งผ่านระบบเครือข่ายเพื่อศึกษาข้อมูลระยะไกลได้
ในหลักการวัดสัญญาณคลื่นหัวใจในโครงการวิจัยนี้จะใช้การวัดสัญญาณจากหัวใจใน 3 ตำแหน่ง โดยมีการจัดการสัญญาณเพื่อป้อนกลับเข้ามายังหัววัดสำหรับการเพิ่มค่าการลด ทอนร่วม หลักการของเครื่องแสดงผลกราฟคลื่นหัวใจเบื้องต้นแสดงในรูปที่ 1 การวัดสัญญาณจะใช้แผ่นอิเล็กโทรดสำเร็จรูปที่มีขายอยู่ทั่วไปซึ่งมีราคาถูก สัญญาณที่วัดได้จะถูกส่งผ่านมายังชุดจัดการสัญญาณที่พัฒนาขึ้นเพื่อทำการ ประมวลผลสัญญาณแบบแอนะลอก สัญญาณแอนะลอกที่ได้ทั้ง 3 สัญญาณจะถูกนำมาผ่านชุดเลือกสัญญาณเพื่อทำการกำหนดรูปแบบของกราฟที่ต้องการ แสดงผล และส่งต่อไปยังชุดแปลงค่าสัญญาณแอนะลอกเป็นดิจิตอล สัญญาณดิจิตอลจะถูกส่งต่อไปยังหน่วยประมวลผลกลาง เพื่อทำการประมวลผลหาค่ากราฟรูปคลื่นหัวใจ หน่วยประมวลผลกลางนี้จะใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล PIC เป็นส่วนประมวลผลทำการคำนวณและแสดงผลกราฟบนจอแสดงผล LCD กราฟฟิกขนาด 128 x 64 จุด โดยจะสามารถแสดงผลเป็นรูปสัญญาณคลื่นหัวใจแบบต่อเนื่อง สำหรับข้อมูลกราฟที่แสดงทั้งหมดยังถูกนำไปบันทึกค่าลงในหน่วยความจำแบบ CF ที่สามารถนำไปอ่านด้วยเครื่องอ่านในคอมพิวเตอร์ทั่วไปได้

การทำงานของวงจร
หลักการทำงานของเครื่องบันทึกและแสดงผลกราฟคลื่นหัวใจแบบผกพาที่ได้พัฒนาขึ้นในงานวิจัยนี้ ซึ่งประกอบด้วยกัน 6 ส่วนดังนี้
1. หัววัดอิเล็กโทรด
เป็นหัววัดที่ทำหน้าที่ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณคลื่นหัวใจจากผิวหนังของร่างกาย
2. วงจรจัดการสัญญาณ
เป็นวงจรที่ทำหน้าที่ขยายสัญญาณคลื่นหัวใจไฟฟ้าที่วัดได้จากหัววัดอิเล็กโท รด ป้อนกลับสัญญาณกราวน์ และปรับระดับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณที่วัดได้ให้อยู่ในช่วง 0 – 5 V ซึ่งมีรายละเอียดของวงจรดังนี้
ส่วนแรกเป็นวงจรขยายความแตกต่าง (Differential Amplifier) ทำหน้าที่ขยายสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจที่มีขนาดประมาณ 1 mV ซึ่งเป็นสัญญาณขนาดเล็กมาก ซึ่งคุณสมบัติของวงจรที่สำคัญในการออกแบบจะต้องมี
- มีความต้านทานทางด้านอินพุต (Input Impedance) สูงเมื่อเทียบกับความต้านทานของผิวหนังของผู้ทำการวัด เพื่อป้องกันผลของความต้านทานของผิวหนังมาทำให้วงจรขยายที่ออกแบบเกิดความ เสียหาย
- จะต้องมีอัตราขยายแบบดิฟเฟอเรนเชียล (Differential gain) มากกว่าอัตราขยายคอมมอนโหมด (Common mode gain) มากๆ หรือมีค่า CMRR (Common Mode Rejection) สูงมาก เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการได้
- เป็นวงจรที่ยอมให้สัญญาณความถี่ต่ำผ่านได้ หรือที่เรียกว่าวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low Pass Filter) และสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนที่ความถี่ 50 Hz ที่เกิดจากสัญญาณไฟฟ้าบ้านได้
ส่วนแรกวงจรขยายความแตกต่างที่ออกแบบแสดงในรูป(a) ซึ่งประกอบด้วยออปแอมป์ 3 ตัว คือ U1, U2 และ U3 ที่มีอัตราขยายประมาณ 20 เท่า และตัวเก็บประจุ C3 และ C4 ที่ต่ออยู่กับออปแอมป์ U3 ยังทำหน้าที่เป็นวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านซึ่งจะยอมให้สัญญาณที่มีความถี่ต่ำ กว่า 300 Hz ผ่านไปได้เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูงออกไป สำหรับออปแอมป์ U4 จะทำหน้าที่เป็นวงจรป้อนกลับแบบลบ (Negative feedback) เพื่อสร้างสัญญาณกราวน์เสมือน หรือที่เรียกว่า RL driver (Right Leg driver)
เมื่อสัญญาณคลื่นหัวใจผ่านวงจรขยายความแตกต่าง จะทำให้สัญญาณคลื่นสัญญาณไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กขยายใหญ่ขึ้น แต่ว่าจะสัญญาณแรงดันไฟฟ้าตรงส่วนเกินถูกขยายมาด้วยดังนั้นจะทำให้สัญญาณ คลื่นหัวใจที่ขยายลอยห่างจากระดับศูนย์ การแก้ไขสามารถทำได้โดยนำสัญญาณที่ได้ไปผ่านวงจรปรับศูนย์ซึ่งมีวงจรดังแสดง ในรูป(b) ประกอบด้วยออปแอมป์ U5 และทรานซิสเตอร์ จากนั้นสัญญาณจะผ่านเข้าไปในส่วนวงจรกรองกำจัดความถี่มีวงจรดังแสดงในรูป(c) เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนความถี่ 50 Hz ซึ่งเป็นวงจรกรองความถี่แบบ Notch Filter ส่วนวงจรส่วนสุดท้ายเป็นวงจรปรับระดับสัญญาณคลื่นไฟฟ้าให้อยู่ในช่วง 0 – 5 V ดังแสดงดังรูป(d) เพื่อปรับระดับแรงดันไฟฟ้าให้มีขนาดเหมาะสมที่จะป้อนให้กับวงจร A/D ต่อไป

3. วงจรแปลงสัญญาณแอนะลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล (A/D)เป็น ส่วนทำการแปลงสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจที่เป็นสัญญาณแอนะลอก ให้เป็นสัญญาณดิจิตอลเพื่อนำไปประมวลผลต่อไป วงจร A/D ที่ใช้จะใช้วงจร A/D ภายในของไมโครคอนโทรล PIC16F877 ที่มีความละเอียดขนาด 10 บิต เวลาในการแปลงสัญญาณ (Conversion time) ประมาณ 2-4 us เป็น A/D ที่มีการทำงานแบบ dual-slope ซึ่งการเลือกใช้ A/D ภายในจะทำให้การสิ้นเปลืองอุปกรณ์ที่ใช้ในการออกแบบน้อยลง ลดเนื้อที่การออกแบบวงจร และช่วยลดการเพี้ยนของสัญญาณให้น้อยลงได้
4. ไมโครคอนโทรลเลอร์
เป็นส่วนควบคุมการทำงานโดยจะทำหน้าที่แปลงสัญญาณคลื่นไฟฟ้าหัวใจที่วัดได้ เป็นรูปกราฟเพื่อนำไปแสดงผลโดยส่งต่อให้กับหน่วยแสดงผล และส่งไปบันทึกค่าโดยส่งต่อให้กับหน่วยบันทึกผล ซึ่งไมโครคอนโทรลเลอร์ที่งานวิจัยนี้เลือกใช้เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC16F877 ซึ่งมีรายละเอียดการเชื่อมต่อกับส่วนอื่นดังรูป
5. ส่วนแสดงผล
จะใช้จอแสดงผลแบบผลึกเหลว (LCD) ที่มีขนาดจุดที่ใช้แสดงผล (pixel) 128 X 64 จุด ซึ่งมีรายละเอียดของวงจรที่ใช้เชื่อมต่อกับส่วนควบคุมดังรูป

ผลการทดลอง
ในการทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องบันทึกและแสดงผลกราฟคลื่นหัวใจแบบ พกพา สามารถทำได้โดยการนำเครื่องที่พัฒนาขึ้นไปวัดสัญญาณคลื่นหัวใจกับคนจริงๆ โดยรูปที่ แสดงกราฟคลื่นหัวใจจากจอภาพออสซิโลสโคปที่วัดจากส่วนเอาท์พุตของวงจรจัดการ สัญญาณ รูป แสดงรูปกราฟคลื่นหัวใจจากจอ LCD และรูปที่แสดงกราฟคลื่นหัวใจที่แสดงบนจอคอมพิวเตอร์ จากรูป แสดงให้เห็นว่าวงจรจัดการสัญญาณที่ออกแบบ สามารถขยายและปรับปรุงสัญญาณคลื่นหัวใจจากขั้ว อิเล็กโทรดทั้ง 3 ขั้วได้อย่างถูกต้องซึ่งดูได้จากความถูกต้องและความชัดเจนของกราฟที่แสดงบน จอออสซิโลสโคป แต่สำหรับรูปกราฟที่แสดงบนจอ LCD ที่แสดงไว้ในรูปไม่ชัดเจนเท่ากับรูปกราฟในรูป เนื่องจากความละเอียดของการแสดงผลของจอ LCD มีค่าน้อย ซึ่งสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มความละเอียดของจอ LCD ให้มากขึ้น ส่วนรูปกราฟที่บันทึกไว้ซึ่งนำมาแสดงผลบนจอคอมพิวเตอร์ นั้นจะมีความชัดเจนใกล้เคียงกัน มากกว่าเมื่อเทียบกับรูปบนจอ LCD เนื่องมาจากความละเอียดของจอคอมพิวเตอร์มีค่ามากกว่าจอ LCD มาก ซึ่งจากผลการทดลองสามารถยืนยันได้ว่าเครื่องบันทึกและแสดงผลกราฟคลื่นหัวใจ ที่ออกแบบ สามารถทำงานได้ถูกต้องตามคุณสมบัติที่กำหนดไว้