Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Državljanska znanost - DIY EKG

Shema za enostaven instrument za spremljanje elektrokardiograma (zlahka izdelan doma).

Srčno črpalno delovanje poganjajo močni valovi električne aktivnosti, ki povzročajo, da v telesu tečejo šibki tokovi, ki spreminjajo električni potencial med različnimi točkami na koži za približno tisočinko volta (en milivolt, 1mV). V tej dejavnosti je skrita ogromna količina informacij o tem, kaj počne srce, in vsak, ki jo lahko zazna, lahko pogleda v delovanje tega neverjetnega organa.

Na srečo vam ni treba biti kardiolog z drago opremo, da poberete in dešifrirate ta signal. To lahko naredi vsakdo s to napravo za elektrokardiogram (ECG), analogno-digitalnim pretvornikom (ADC), ki digitalizira signal in ga pošlje v računalnik, ter izjemno knjigo, o kateri vam bom kasneje povedal.

Lahko sestavite vezje v popoldanskem času za približno 40 $. ADC bo stalo malo več, med 50 in 300 dolarjev. Toda te naprave odpirajo vesolje priložnosti domačemu eksperimentatorju, zato mora vsak državljan znanstvenik vlagati v enega. (Na enem od teh naprav sem se pogajal za veliko bralcev MAKE. Preberite še naprej.)

Eksperimentalni izziv je, da signal, ki ga iščemo, meri le približno 1mV, se lahko spremeni v samo 1/100 sekunde in je vgrajen v hrupnem okolju. Da bi sledili signalu in ga povečali na digitalizirano 1V raven, potrebujete ojačevalnik z dobičkom okoli 1000 in frekvenčni odziv vsaj 100 Hz. Ampak standardni operacijski ojačevalniki (op-amperji), kot je RadioShack 741, ne bodo delovali zaradi okoliškega hrupa.

Ko so elektrode nameščene daleč narazen od telesa, naša koža deluje kot surova baterija in ustvarja nepravilno potencialno razliko, ki lahko preseže 2V, zmanjša naš srčni signal 1mV. Še huje, vaše telo in žice, ki se povezujejo z elektrodami, naredijo čudovite radijske antene, ki dvignejo puh 60Hz, ki izhaja iz vsakega napajalnega kabla v vašem domu. S tem se doda sinusna napetost, ki dodatno moči drobne impulze iz vašega srca, in ker je njena frekvenca blizu 100 Hz ločljivosti, ki jo potrebujemo za sledenje srcu, je težko filtrirati.

Zdaj, ti vrste elektronike lahko misliš, da to ne bi smelo biti pomembno, ker so op-amperji "diferenčni ojačevalniki" - to pomeni, da odštejejo vsako napetost, ki teče enako za oba vhoda. Na žalost, op-amperov ne opravljajo tega dela popolnoma, in ko so valovi tisočkrat večji od signala, kot so tu, ste potonili. Da bi zagotovili, da ta »skupni« smeti dodajajo več kot 1% napake našim meritvam, potrebujemo tako imenovano razmerje skupnega načina zavračanja (CMRR), ki znaša najmanj 100.000 do 1. V izrazu elektronike se CMRR meri v decibelov (dB), kjer je vsak faktor 10 povečanje napetosti enak 20 dB. Zaradi tega je zahtevano razmerje 105, ki je enako 20 * 5 ali 100 dB, natančnost, ki presega večino op-amperjev.

Ojačevalnik instrumentov

Ko aplikacija zahteva visoko pridobitev in CMRR 80dB ali več, se izkušeni eksperimentatorji pogosto obrnejo na posebne naprave, imenovane instrumentacijski ojačevalniki. Te izjemne naprave so bile nekoč velike in drage, danes pa jih je mogoče kupiti za nekaj dolarjev kot integrirano vezje. Da bi bila konstrukcija čim enostavnejša, sem oblikoval ta EKG okoli Rolls-Royce z instrumentalnimi ojačevalniki, AD624AD podjetja Analog Devices, ki jih lahko kupite pri Digi-Key (digikey.com) za manj kot 25 $. Pri AD624AD izberete dobitek 1000, tako da preprosto zberete določene zatiče, pri tem pa CMRR amp preseže 110 dB.

AD624AD je enostaven za uporabo, vendar pa bi morali izkušeni pripomočki prav tako imeti možnost, da eksperimentirajo z manj dragimi možnostmi, kot je Analog Devices AD620AN. In če ste pravi izdelovalec tipa Daniel Boone, lahko izdelate svoj instrumentalni ojačevalnik s tremi opticnimi ojačevalniki RadioShack in peščico 100K uporov.

Nekateri preprosti tokokrogi podpirajo naš instrumentacijski ojačevalnik. Dvostopenjski upor-kondenzator (RC) filter odstrani frekvence višje od približno 50 Hz. Kot filtri gredo, ta je precej Wimpy, vendar deluje dovolj dobro, da opravi delo. Za prenos signalov med mojim telesom in ojačevalnikom sem uporabil štirižični telefonski kabel, vendar potrebujete le tri žice. Na strani mojega projektnega paketa je telefonska vtičnica za enostavno povezavo in odklop.

Elektrode

Prve elektrode sem oblikoval iz četrtin, premazanih z vodnim slojem šampona, trdno pritrjen na moje telo in povezan s kabli. Delali so, nekako. Potem sem odkril, da lahko kdorkoli kupi vrečke prave stvari - elektrode, ki jih uporabljajo kardiologi. Strošek je približno 13 dolarjev za 50. (Google "elektrode EKG" za številne dobavitelje.) Uporabil sem aligatorske sponke za povezavo signalnih žic s kovinskimi bradavicami na hrbtni strani elektrod.

Priključite negativni vodnik instrumentnega instrumenta na levo pod pazduho pod pazduho vašega subjekta in njegov pozitivni vodnik tik pod desno pazduho. Prav tako morate priključiti ozemljitveni vod za vezje na levo golenico tik nad gležnjem. Brez noge kot tal se na signalu zgodijo slabe stvari, in to je velik majhen poskus, da snemamo EKG na ta način približno deset minut in vidimo težave, ki se vlečejo.

Beleženje podatkov

Če želite pregledati signal EKG, ga boste morali digitalizirati in posneti v računalnik. To zahteva ADC ali napravo za zapisovanje podatkov, ki lahko vzorči pri 200 Hz. (Nyquistova teorema navaja, da branje oscilacijskega signala zahteva vzorčenje na minimalni 2x frekvenci.) Preizkusila sem veliko podatkovnih zapisovalnikov in moja najljubša je Go Link iz programske opreme Vernier, ki ima 12 bitov ločljivosti in vzorce na do 200Hz. Dodajte ustrezno enoto za merjenje napetosti in ste pripravljeni na rock-and-roll dobesedno na stotine drugih znanstvenih projektov. S Vernierjem sem se pogajal o poslu, zlasti za bralce MAKE: 67 USD za snemalnik in merilnik napetosti; za podrobnosti glejte sas.org/make.html.

Ko priključite elektrode telesa v naš krog, priključite Go Link v USB vrata vašega prenosnega računalnika, priključite napetostno sondo v Go Link in priključite sondo na izhodno maso in nizkoprepustni filter našega vezja. Zaradi varnosti mora biti prenosni računalnik izključen.

VARNOST

Če ne delate nekaj eksotičnega, so instrumenti, ki jih poganja baterija, na splošno varni za povezavo z ljudmi. Go Link se napaja preko USB vmesnika, zato, če je prenosni računalnik, ki ga uporabljate, izklopljen, vam ni treba skrbeti.

Za razliko od urednikov MAKE, osebno mislim, da je v redu, da uporabite našo napravo EKG z vtičenim računalnikom, pod pogojem, da sprejmete dodatne varnostne ukrepe; poglejte več razprave na moji spletni strani na sas.org/make.html. 10M (to je 10 milijonov ohmov!) Upor med subjektom in zemljo bo zadušil vsak tok v malo verjetnem primeru, da napajalnik AC ne uspe in laptop pomfrit. Uporniki 47K prav tako omejujejo tok. Tudi z nenavadnim udarcem moči so roke subjekta zunaj katere koli poti med elektrodama, tako da, če doživi kakršnokoli bolečino, bo lahko zategnila in izvlekla žice. V sobi naj ostane nekdo drug ali, če to ni mogoče, elektrodo vodi do kratkega stika in teče EKG, ko stoji. Na ta način, če strela udari, boste prekinili povezavo s padcem.

V vsakem primeru nikoli ne pritrdite elektrod na roke in naprave ne povežite z nikogar, ki ima slabo zdravje. Ne glede na to, koliko ste do-it-yourselfer, ne sprožite svojega domačega EKG-ja, če mislite, da imate srčni napad. Odprite svojo radovednost in pokličite 911.

Nekatere naprave za spremljanje v bolnišnicah dodajajo še eno plast varnosti: opto-izolacija. V tej shemi naprave z baterijskim napajanjem, ki so povezane s pacientom, prenašajo odčitke z LED-lučmi do ustreznih optičnih senzorjev znotraj stenske naprave za prikazovanje. Ker je edina povezava med obema napravama tok fotonov, velike struje ne morejo doseči pacienta skozi žice. Če želite, lahko svojemu EKG-ju dodate opto-izolacijo, da se zaščitite pred verigo dogodkov, ki padajo iz neba in padajo iz neba. Opto-izolatorji so na voljo v IC v slogu DIP, ki jih lahko priključite v sistem med filtrom in zapisovalnikom podatkov. Stran oddajnika LED ozemljite na ozemljitev ojačevalnega vezja, sprejemnik fotodiode pa na zapisovalnik podatkov ali na ozemljitev ADC-ja.

Razlaga rezultatov

Ko obvladaš umetnost sledenja tikterja, boš moral razvozlati, kaj vse to pomeni. Obstaja samo ena nujna referenca, Hitra razlaga EKG-ja, ki jo je izvedel dr. Dale Dubin. Na skoraj vsaki zdravniški polici v Ameriki boste našli zdravo glavno zdravilo. Dr. Dubin je tudi dober prijatelj Društva za amaterske znanstvenike, zato lahko ponudimo nove kopije te klasike MAKE bralcem s 30% popustom; glejte sas.org.

Delež

Pustite Komentar