Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Medborgarvetenskap - DIY EKG

Schematisk för ett enkelt instrument för att övervaka sitt elektrokardiogram (lätt gjort hemma).

Hjärtans pumpningsverkan drivs av kraftfulla vågor av elektrisk aktivitet som orsakar svaga strömningar att strömma i kroppen, vilket ändrar den elektriska potentialen mellan olika punkter på huden med ungefär en tusen volt (en millivolt, 1mV). Dolda inom den aktiviteten är en enorm mängd information om vad hjärtat gör, och alla som kan upptäcka det kan jämföras med detta otroliga organs verkningar.

Lyckligtvis behöver du inte vara kardiolog med dyr utrustning att hämta och avkoda den signalen. Vem som helst kan göra det med det här hemgjorda elektrokardiogrammet (ECG), en analog-digital-omvandlare (ADC) för att digitalisera signalen och skicka den till en dator och en anmärkningsvärd bok som jag kommer att berätta om senare.

Du kan montera kretsen själv på en eftermiddag för ca $ 40. ADC kostar lite mer mellan $ 50 och $ 300. Men dessa enheter öppnar ett universum av möjligheter till den hembaserade experimenteraren, och så borde varje medborgareforskare investera i en. (Jag har förhandlat mycket på en av dessa enheter speciellt för MAKE-läsare. Läs vidare.)

Den experimentella utmaningen är att signalen vi letar efter endast mäter ca 1mV, den kan ändras på så lite som 1/100 av en sekund, och den är inbäddad i en högljudd miljö. För att hålla koll på signalen och öka den till en digitaliserbar 1V-nivå behöver du en förstärkare med en förstärkning på cirka 1000 och ett frekvenssvar på minst 100Hz. Men standard operationsförstärkare (op-amp) som RadioShacks 741 fungerar inte på grund av det omgivande bruset.

När elektroderna placeras långt ifrån varandra på kroppen, fungerar vår hud som ett råbatteri och genererar en oregelbunden potentiell skillnad som kan överstiga 2V, dwarfing vår 1mV hjärtsignal. Ännu värre, din kropp och de trådar som ansluter till elektroderna gör underbara radioantenner som plockar upp 60Hz hummen som kommer från varje strömkabel i ditt hem. Detta lägger till en sinusformad spänning, som ytterligare svampar de små pulserna från ditt hjärta och eftersom dess frekvens ligger nära 100Hz upplösningen vi behöver spåra ditt hjärta, är det svårt att filtrera ut.

Nu kan du elektroniktyper tycka att detta inte spelar någon roll eftersom op-amps är "skillnadsförstärkare" - det vill säga subtraherar de spänning som löper lika mycket för båda ingångarna. Olyckligtvis gör op-amps inte det här jobbet perfekt, och när svällningarna är tusentals gånger större än signalen, som de är här, är du nedsänkt. För att säkerställa att detta "gemensamt läge" sopor inte mer än ett 1% fel till vår mätning behöver vi det som kallas ett gemensamt modifieringsförhållande (CMRR) på minst 100 000 till 1. I elektronikparlans mäts CMRR i decibel (dB), där varje faktor med 10 ökning i spänning motsvarar 20 dB. Detta gör vårt önskade förhållande 105, vilket är lika med 20 * 5 eller 100dB - en precision utöver det för de flesta op-amps.

Instrumentationsförstärkaren

När en applikation kräver både hög förstärkning och en CMRR på 80 dB eller högre, vänder sig erfarna experter ofta till speciella enheter som kallas instrumentförstärkare. Dessa anmärkningsvärda enheter var en gång skrymmande och dyra, men idag kan de köpas för bara några dollar som en integrerad krets. För att göra konstruktionen så enkel som möjligt, utformade jag denna EKG kring Rolls-Royce av instrumentförstärkare, AD624AD från Analog Devices, som du kan köpa från Digi-Key (digikey.com) för under $ 25. Du väljer en förstärkning på 1000 med AD624AD genom att helt enkelt korta vissa stift tillsammans, och vid denna inställning överstiger ampens CMRR 110dB.

AD624AD är lätt att använda, men erfarna gadgeteers bör också gärna experimentera med billigare alternativ, till exempel Analog Devices AD620AN. Och om du är en riktig Daniel Boone-typ tillverkare kan du konstruera din egen instrumentförstärkare med tre RadioShack-ampere och en handfull 100K-resistorer.

Vissa enkla kretsar stöder vår instrumentationsförstärkare. Ett tvåstegs-motståndskondensator (RC) -filtret odlar ut frekvenser högre än cirka 50 Hz. Som filter går det här ganska vackert, men det fungerar bra för att göra jobbet. Jag använde en tråd med fyra ledningar för att bära signalerna mellan min kropp och förstärkaren, men du behöver bara tre av ledningarna. Sidan av min projektlåda sportar en telefonjack för enkel anslutning och frånkoppling.

Elektroderna

Jag formade mina första elektroder ur kvartalen utsmyckade med ett ledande lager av schampo, bandade fast i min kropp och ansluten till ledningar. De arbetade, sorts. Då upptäckte jag att vem som helst kan köpa påsar av den riktiga saken - peel-and-stick elektroderna som används av kardiologer. Kostnaden är ungefär $ 13 till 50. (Google "EKG-elektroder" för en mängd leverantörer.) Jag använde alligatorklips för att ansluta signaltrådarna till metallniplarna på elektrodernas baksida.

Anslut instrumentets förstärkars negativa ledning till strax under ditt ämnes vänstra armhålan och dess positiva ledning precis under höger armhålan. Du måste också ansluta en jordledning för kretsen till vänster shin strax ovanför fotleden. Utan benet är marken dåliga saker och signalen, och det är ett bra litet experiment att spela in ett EKG så här i ungefär tio minuter och se problemen som kryper in.

Registrering av data

För att undersöka EKG-signalen måste du digitalisera och spela in den på din dator. Detta kräver en ADC eller data logger enhet som kan prova på 200Hz. (Nyquist-teorin säger att läsning av en oscillerande signal kräver provtagning på minst 2x sin frekvens.) Jag har provat många dataloggar, och min favorit är Go Link från Vernier Software, som har 12 bitars upplösning och prover på upp till 200Hz. Lägg till matchande spänningssondsenhet, och du är redo att rock-and-roll bokstavligen hundratals andra vetenskapliga projekt. Jag har förhandlat fram en överenskommelse med Vernier speciellt för MAKE-läsare: $ 67 för både logger och spänningssond; se sas.org/make.html för detaljer.

När du har anslutit kroppselektroder till vår krets, anslut Go Link till din bärbara USB-port, anslut spänningssonden till Go Link och koppla sonden till vår krets jord- och lågpassfilterutgång. För säkerheten bör den bärbara datorn vara frånkopplad.

SÄKERHET

Om du inte gör något exotiskt är batteridriven instrument vanligtvis säkra att ansluta till människor. Go Link drivs via sin USB-port, så om den bärbara datorn du använder är urkopplad har du inga bekymmer.

Till skillnad från redaktörerna för MAKE, tycker jag personligen att det är OK att använda vår EKG-enhet med en inkopplad dator, förutsatt att du vidtar några ytterligare försiktighetsåtgärder. se mer diskussion på min hemsida på sas.org/make.html. 10M (det är 10 miljoner ohm!) Motstånd mellan motivet och marken kommer att kväva någon ström i det osannolika fallet att en nätadapter misslyckas och den bärbara pommes frites. 47K-motstånden begränsar också strömmen. Även med en freak power surge ligger subjektets armar utanför någon väg mellan elektroderna, så om hon upplever smärta kommer hon att kunna ta tag i och dra av ledningarna. Håll någon annan i rummet, eller om det inte är möjligt, gör elektrodledarna korta och kör EKG medan du står. På det sättet, om blixten slår, bryter du upp anslutningen genom att falla ner.

Anslut aldrig elektroderna till armarna, och anslut inte enheten till någon i svag hälsa. Oavsett hur mycket av en do-it-yourselfer du är, släck inte ditt hemlagade EKG om du tror att du kanske har en hjärtinfarkt. Motstå din nyfikenhet och ring 911.

På sjukhus lägger en del övervakningsutrustning ytterligare ett säkerhetsskikt: opto-isolering. I detta system överför batteridrivenheter som är anslutna till patienten sändningar via LED-lampor till matchande optiska sensorer inuti en väggdriven displayenhet. Eftersom den enda länken mellan de två enheterna är en ström av fotoner, kan stora strömmar inte nå patienten genom några ledningar. Om du bryr dig, kan du lägga till opto-isolering i ditt EKG för att skydda mot händelser med en meteor-fallande-från-himmel-sannolikhetskedja. Optoisolatorer finns i DIP-format-IC som du kan ansluta till ditt system mellan filtret och dataloggen. Du hade markerat LED-sändarsidan till förstärkarkretsens mark och fotodiodmottagaren till dataloggen eller till ADC: s mark.

Tolkning av resultaten

När du har behärskat konsten att spåra din ticker måste du dechifiera vad det betyder. Det finns bara en måste-referens, Rapid Interpretation of EKGs av Dale Dubin, MD. Du hittar den här lättlästaste grundstenen på medicin på nästan varje läkares bokhylla i Amerika. Dr. Dubin råkar också vara en god vän till Society for Amateur Scientists, så vi kan erbjuda nya kopior av denna klassiker för att göra läsare till 30% rabatt. se sas.org.

Del

Lämna En Kommentar