Nabız Sensörü: Kalp Atışını Işıkla Saymak

Nabız sensörü, parmak ucuna ya da kulak memesine tutulduğunda kalp atışını sayan küçük bir moduldür. Kullandığı yöntemin adı fotopletismografi (PPG) — kulağa karmaşık gelse de fikri son derece sadedir.

Işıkla nasıl ölçülüyor?

Sensörün bir yüzünde bir LED, yanında bir ışık algılayıcı bulunur:

1. LED, deriye ışık gönderir.
2. Kalp attığında damarlar bir anlığına kanla dolar.
3. Dolu damar daha çok ışık soğurur, algılayıcıya daha az ışık döner.
4. Kalp gevşediğinde geri dönen ışık artar.

Sonuçta algılayıcıdan gelen sinyal, kalp atışıyla aynı ritimde iniş çıkış yapar. Sensör kanı görmez, ışığın azalıp çoğalmasını görür.

Ham sinyalden BPM'e

Okunan değer düzgün bir kare dalga değil, gürültülü bir eğridir. Dakikadaki atış sayısını (BPM) bulmak için:

1. Sinyalin ortalamasını izleyip yavaş kaymayı (parmağın kıpırdaması) süzersiniz.
2. Ortalamanın belirgin biçimde üstüne çıkan tepeleri ararsınız.
3. İki tepe arasındaki süreyi ölçersiniz.
4. 60000'i bu süreye (milisaniye) bölerseniz BPM çıkar.

Tek bir aralığa güvenmek yerine son birkaç aralığın ortalamasını almak, sayının zıplamasını engeller.

Ölçümü bozan şeyler

• Basınç: Parmağı çok bastırmak damarı kapatır, sinyal kaybolur. Çok gevşek tutmak ise ışık sızdırır.
• Hareket: En büyük gürültü kaynağıdır; ölçüm sırasında el sabit durmalıdır.
• Ortam ışığı: Sensörün üstünü parmak tamamen kapatmalıdır.
• Soğuk: Üşüyen parmakta kan akışı azalır ve sinyal zayıflar.

Önemli sınır

Bu sensör bir oyuncak ve öğrenme aracıdır, tıbbi cihaz değildir. Sağlıkla ilgili bir karar için kullanılamaz. Sınıfta değerli olan tarafı şudur: soyut bir kavram olan "sinyal işleme" burada kendi kalp atışınızla somutlaşır.

Sinyali görmek öğretir

Ölçüme başlamadan önce ham değeri seri çizici ile grafiğe dökmek çok şey öğretir: kalp atışının tepe deseni gözle görünür hâle gelir, parmağın kıpırdaması sinyalde ani sıçrama olarak belirir.

Öğrenci, filtrelemenin neden gerektiğini bu grafikte anlar. Aynı şeyi anlatmak için kullanılan bütün sözler, tek bir dalga görüntüsü kadar açık değildir.

Basit bir filtre

Sinyali yumuşatmanın en kolay yolu hareketli ortalamadır: son beş ölçümün ortalamasını almak, gürültüyü belirgin biçimde azaltır ve tepeleri yerinde bırakır.

Fazla yumuşatmak ise tepeleri de ezer ve nabız sayılamaz hâle gelir. Bu denge, sinyal işlemenin temel gerilimidir ve burada elle deneyerek keşfedilir.

HipoCodes devre simülasyonunda sensörü bağlayıp tepe sayma mantığını kurabilirsiniz.