Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Citizen Science - DIY EKG

Schéma pro jednoduchý nástroj pro sledování elektrokardiogramu (snadno proveditelného doma).

Čerpací akce srdce je poháněna silnými vlnami elektrické aktivity, které způsobují, že v těle proudí slabé proudy a mění elektrický potenciál mezi různými body na kůži přibližně o jednu tisícinu voltu (jeden milivolt, 1 mV). Skryté v této činnosti je obrovské množství informací o tom, co srdce dělá, a každý, kdo ho dokáže odhalit, může nahlédnout do fungování tohoto neuvěřitelného orgánu.

Naštěstí nemusíte být kardiolog s drahým vybavením, abyste tento signál vyzvedli a rozluštili. S tímto domácím elektrokardiogramem (EKG), analogově-digitálním převodníkem (ADC), který digitalizuje signál a odesílá ho do počítače, je to kdokoli.

Můžete si sestavit okruh sám v odpoledních hodinách asi 40 dolarů. ADC bude stát o něco více, mezi $ 50 a $ 300. Ale tato zařízení otevírají vesmíru příležitostí pro domácího experimentátora, a tak by každý občanský vědec měl investovat do jednoho. (Dohodla jsem hodně na jednom z těchto zařízení, zejména pro čtenáře MAKE. Přečtěte si dále.)

Experimentální výzva spočívá v tom, že signál, který hledáme, měří pouze asi 1mV, může se měnit za pouhých 1/100 vteřiny a je vložen do hlučného prostředí. Chcete-li držet krok se signálem a zvýšit ho na digitalizovatelnou úroveň 1V, potřebujete zesilovač se ziskem přibližně 1000 a frekvenční odezvu alespoň 100Hz. Standardní operační zesilovače (op-ampéry) jako RadioShack 741 však nebudou fungovat kvůli okolnímu hluku.

Když jsou elektrody umístěny daleko na těle, naše kůže působí jako surová baterie a generuje nepravidelný potenciální rozdíl, který může překročit 2V, čímž se sníží náš 1mV srdeční signál. A co je ještě horší, vaše tělo a dráty, které se připojují k elektrodám, dělají nádherné rádiové antény, které zachytí 60 Hz hukot vycházející z každého napájecího kabelu ve vaší domácnosti. To přidává sinusové napětí, které dále zaplavuje malé pulsy z vašeho srdce, a protože jeho frekvence leží blízko rozlišení 100Hz, musíme sledovat vaše srdce, je těžké filtrovat.

Ty typy elektronů si teď mohou myslet, že by to nemělo být důležité, protože op-zesilovače jsou „diferenční zesilovače“ - to znamená, že odečítají jakékoli napětí, které běží stejně na oba vstupy. Operační zesilovače bohužel tuto práci neudělají dokonale, a když jsou otoky tisícekrát větší než signál, tak jak jsou tady, jste potopeni. Abychom zajistili, že tento „obyčejný“ odpad nezpůsobí více než 1% chybu v našem měření, potřebujeme to, co se nazývá „common-mode rejtion ratio“ (CMRR) nejméně 100 000 až 1. decibelů (dB), kde každý faktor 10 zvýšení napětí odpovídá 20dB. To činí náš požadovaný poměr 105, který se rovná 20 * 5 nebo 100dB - přesnosti přesahující většinu operačních zesilovačů.

Přístrojový zesilovač

Když aplikace vyžaduje jak vysoký zisk, tak CMRR 80dB nebo vyšší, zkušení experimentátoři se často obracejí na speciální zařízení zvaná přístrojové zesilovače. Tyto pozoruhodné přístroje byly kdysi objemné a drahé, ale dnes mohou být zakoupeny za pouhých pár dolarů jako integrovaný obvod. Aby byla konstrukce co nejjednodušší, navrhl jsem tento EKG kolem zesilovačů Rolls-Royce přístrojových zesilovačů AD624AD od Analog Devices, které si můžete zakoupit od Digi-Key (digikey.com) za méně než 25 USD. S AD624AD zvolíte zisk 1 000 jednoduchým zkrácením určitých pinů a při tomto nastavení CMRR zesilovače překročí 110 dB.

AD624AD je snadno ovladatelný, ale zkušený gadgeteers by také měli mít možnost experimentovat s levnějšími možnostmi, jako jsou analogové přístroje AD620AN. A pokud jste skutečným výrobcem typu Daniel Boone, můžete si postavit svůj vlastní přístrojový zesilovač pomocí tří operačních zesilovačů RadioShack a několika 100K rezistorů.

Některé jednoduché obvody podporují náš přístrojový zesilovač. Dvoufázový filtr s odporovým kondenzátorem (RC) vypíná kmitočty vyšší než 50Hz. Vzhledem k tomu, že filtry jdou, tohle je dost neslušné, ale funguje to dost dobře, aby to zvládlo. Použil jsem čtyřvodičový telefonní kabel k přenosu signálů mezi mým tělem a zesilovačem, ale potřebujete pouze tři vodiče. Na boku mého projektu box sportovní telefon jack pro snadné připojení a odpojení.

Elektrody

Vymyslel jsem své první elektrody ze čtvrtí, rozmazané vodivou vrstvou šamponu, pevně přilepenou k tělu a připojené k vodičům drátu. Pracovali, tak nějak. Pak jsem zjistil, že kdokoliv si může koupit pytle skutečné věci - elektrody, které používají kardiologové. Cena je asi $ 13 pro 50. (Google “EKG elektrody” pro řadu dodavatelů.) Použil jsem aligátorové klipy pro připojení signálních vodičů k kovovým bradavkám na zadní straně elektrod.

Negativní vedení zesilovače přístroje připojte těsně pod levý podpaží vašeho subjektu a jeho pozitivní vodič pod pravým podpažím. Musíte také připojit zemnicí vodič pro obvod k levé holeně těsně nad kotníkem. Bez nohy jako země se s tímto signálem stávají špatné věci a je to velký malý pokus zaznamenat EKG tímto způsobem po dobu asi deseti minut a vidět problémy, do kterých se vkrádá.

Protokolování dat

Chcete-li prozkoumat signál EKG, budete jej muset digitalizovat a zaznamenat do počítače. To vyžaduje zařízení ADC nebo zařízení pro záznam dat, které může odebírat vzorky při frekvenci 200 Hz. (Nyquistova věta uvádí, že čtení oscilačního signálu vyžaduje jeho odběr na minimálně 2x jeho frekvenci.) Vyzkoušela jsem mnoho záznamníků dat a můj oblíbený je Go Link ze společnosti Vernier Software, který má 12 bitů rozlišení a vzorků na adrese. až 200Hz. Přidejte odpovídající jednotku napěťové sondy a jste připraveni na rock-and-roll doslova stovky dalších vědeckých projektů. Vyjednal jsem dohodu s Vernierem zejména pro čtenáře MAKE: $ 67 pro logger a napěťovou sondu; Podrobnosti viz sas.org/make.html.

Jakmile připojíte tělesné elektrody k našemu obvodu, zapojte Go Link do USB portu vašeho notebooku, zapojte napěťovou sondu do Go Link a připojte sondu k výstupu zemního a nízkopásmového filtru našeho obvodu. Pro bezpečnost by měl být notebook odpojen.

BEZPEČNOST

Pokud neuděláte něco exotického, akumulátorové nástroje jsou obecně bezpečné pro připojení k lidem. Go Link je napájen přes USB port, takže pokud je notebook, který používáte, odpojen, nemáte žádné starosti.

Na rozdíl od redaktorů MAKE si myslím, že je v pořádku používat naše EKG zařízení s připojeným počítačem za předpokladu, že podniknete některá další opatření; více diskuse na mých webových stránkách na sas.org/make.html. Rezistor 10M (tj. 10 milionů ohmů!) Mezi objektem a zemí bude udusit jakýkoliv proud v nepravděpodobném případě, že dojde k výpadku síťového adaptéru a hranolům notebooku. Rezistory 47K také omezují proud. Dokonce i při prudkém nárůstu energie leží paže předmětu mimo jakoukoli cestu mezi elektrodami, takže pokud zažije jakoukoli bolest, bude schopna uchopit a vytáhnout dráty. Udržujte v místnosti někoho jiného, ​​nebo pokud to není možné, proveďte krátkou elektrodu a spusťte EKG při stání. Pokud tak blesk udeří, přerušíte spojení pádem dolů.

V žádném případě nikdy nepřipevňujte elektrody k ramenům a nepřipojujte zařízení k nikoho, kdo je ve slabém zdravotním stavu. Nezáleží na tom, jak moc jste kutilovi, nezapálte si svůj domácí EKG, pokud si myslíte, že máte infarkt. Odolajte své zvědavosti a vytočte číslo 911.

V nemocnicích přidává některé monitorovací zařízení další vrstvu bezpečnosti: optoizolaci. V tomto schématu zařízení napájená bateriemi připojená k pacientovi přenášejí údaje prostřednictvím LED diod do odpovídajících optických senzorů uvnitř nástěnného zobrazovacího zařízení. Vzhledem k tomu, že jediným spojením mezi oběma zařízeními je proud fotonů, velké proudy nemohou dosáhnout pacienta přes žádné dráty. Pokud vám to záleží, můžete do svého EKG přidat opto-izolaci, abyste ochránili před událostmi na úrovni meteorů, které spadají na úroveň meteorů spadajících pod úroveň oblohy. Opto-izolátory jsou dodávány v DIP obvodech, které můžete zapojit do systému mezi filtrem a ústřednou. Zapojte stranu vysílače LED do země obvodu zesilovače a přijímač fotodiod do přijímače dat nebo do země ADC.

Interpretace výsledků

Jakmile zvládnete umění sledování vašeho tickeru, budete muset dešifrovat, co to všechno znamená. Je zde jen jeden odkaz, rychlý výklad EKG od Dale Dubina, MD. Tento lehce ovladatelný základ medicíny najdete na téměř každé polici v Americe. Dr. Dubin se také stává dobrým přítelem Společnosti pro amatérské vědce, takže jsme schopni nabídnout nové kopie této klasiky čtenářům MAKE s 30% slevou; viz sas.org.

Podíl

Zanechat Komentář