Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Știința cetățeanului - ECG-uri DIY

Schematică pentru un instrument simplu de monitorizare a electrocardiogramei (ușor realizat la domiciliu).

Acțiunea de pompare a inimii este condusă de valuri puternice de activitate electrică, care creează curenți slabi în corp, schimbând potențialul electric între diferitele puncte ale pielii cu aproximativ o mie de volți (1 milivolt, 1mV). Ascuns în cadrul acelei activități este o cantitate enormă de informații despre ceea ce face inima și oricine îl poate detecta, poate să se uite la lucrările acestui incredibil organ.

Din fericire, nu trebuie să fiți un cardiolog cu echipamente costisitoare pentru a ridica și a descifra semnalul respectiv. Oricine poate să o facă cu acest dispozitiv de electrocardiogramă (ECG), un convertor analog-digital (ADC) pentru a digitaliza semnalul și a-l trimite pe un computer și o carte remarcabilă despre care vă voi spune mai târziu.

Puteți asambla circuitul într-o după-amiază pentru aproximativ 40 de dolari. ADC va costa un pic mai mult, între 50 și 300 de dolari. Dar aceste dispozitive deschid un univers de oportunități pentru experimentatorul de la domiciliu, astfel încât fiecare om de știință să investească într-unul. (Am negociat foarte mult despre unul dintre aceste dispozitive, în special pentru cititorii MAKE.

Provocarea experimentală este că semnalul căutăm măsuri de numai 1mV, se poate schimba în doar 1/100 dintr-o secundă și este încorporat într-un mediu zgomotos. Pentru a ține pasul cu semnalul și a-l stimula la un nivel digitizabil de 1V, ai nevoie de un amplificator cu un câștig de aproximativ 1.000 și un răspuns de frecvență de cel puțin 100Hz. Dar amplificatoarele operaționale standard (op-amperi) precum RadioShack's 741 nu vor funcționa din cauza zgomotului din jur.

Atunci când electrozii sunt plasați foarte departe pe corp, pielea noastră acționează ca o baterie brută și generează o diferență de potențial neregulată care poate depăși 2V, dăunând semnalul cardiac de 1mV. Chiar mai rău, corpul dvs. și firele care se conectează la electrozi fac antene radio minunate care ridică zgomotul de 60 Hz provenit de la fiecare cablu de alimentare din casa dumneavoastră. Acest lucru adaugă o tensiune sinusoidală, care înnebunește mai departe impulsurile mici din inimă și deoarece frecvența sa se situează aproape de rezoluția de 100Hz de care avem nevoie pentru a vă urmări inima, este greu să filtrați.

Acum, tipurile de electronice ar putea crede că acest lucru nu ar conta, deoarece op-amperi sunt "amplificatoare de diferență" - adică, ei scad orice tensiune care rulează în mod egal la ambele intrări. Din nefericire, op-amperii nu fac acest lucru perfect, iar atunci când umflaturile sunt de mii de ori mai mari decât semnalul, așa cum sunt aici, ești scufundat. Pentru a ne asigura că acest gunoi "în mod obișnuit" nu adaugă mai mult de o eroare de 1% la măsurătorile noastre, avem nevoie de ceea ce se numește un raport de respingere în mod comun (CMRR) de cel puțin 100.000 la 1. În limbajul electronic, CMRR este măsurat în decibeli (dB), unde fiecare factor de creștere a tensiunii de 10 este echivalent cu 20dB. Acest lucru face ca raportul nostru necesar 105, care este egal cu 20 * 5 sau 100dB - o precizie peste cea a majorității op-amperi.

Instrumentul Amplificator

Atunci când o aplicație solicită câștiguri mari și un CMRR de 80 dB sau mai mare, experientele experimentate se îndreaptă adesea către dispozitive speciale numite amplificatoare de instrumentație. Aceste dispozitive remarcabile au fost odată voluminoase și scumpe, dar astăzi, ele pot fi achiziționate pentru doar câțiva dolari ca circuit integrat. Pentru a face construcția cât mai simplă, am proiectat acest ECG în jurul Rolls-Royce de amplificatoare de instrumentație, AD624AD de la Analog Devices, pe care îl puteți cumpăra de la Digi-Key (digikey.com) sub 25 $. Alegeți un câștig de 1.000 cu AD624AD prin simpla scurtare a anumitor pini împreună, iar la această setare CMRR-ul amperului depășește 110dB.

AD624AD este ușor de folosit, dar gadgeteerii cu experiență ar trebui, de asemenea, să se simtă liberi să experimenteze opțiuni mai puțin costisitoare, cum ar fi Analog Devices AD620AN. Și dacă ești un adevărat producător de tip Daniel Boone, poți construi un amplificator de instrumentație folosind trei op-amperi RadioShack și o mână de rezistențe de 100K.

Unele circuite simple suportă amplificatorul nostru de instrumentație. Un filtru rezistor-condensator cu două trepte (RC) elimină frecvențe mai mari de aproximativ 50 Hz. În timp ce filtrele merg, acesta este destul de ciudat, dar funcționează destul de bine pentru a face treaba. Am folosit un cablu telefonic cu patru fire pentru a transporta semnalele între corpul meu și amplificator, dar ai nevoie doar de trei fire. Partea casetei mele de proiect are o mufă de telefon pentru conectare și deconectare ușoară.

Electrozii

Mi-am făcut primii electrozi din carcase, umplute cu un strat de șampon conductiv, lipit ferm de corpul meu și conectat la fire de sârmă. Ei au lucrat, cam așa. Apoi am descoperit că oricine poate cumpăra pungi de lucru real - electrozi de lipire și lipire folosiți de cardiologi. Costul este de aproximativ 13 dolari pentru 50. (Google "electrozi ECG" pentru o serie de furnizori.) Am folosit clipuri alligator pentru a conecta firele de semnal la sfarcurile de metal de pe spatele electrozi.

Conectați conducătorul negativ al instrumentarului la nivelul subpunctului stâng al subiectului și conduceți pozitiv chiar sub axila dreaptă. De asemenea, trebuie să conectați o conductă de masă pentru circuit la stânga stâlpului chiar deasupra gleznei. Fără piciorul ca un pământ, se întâmplă lucruri rele cu semnalul și este un experiment minunat de a înregistra un ECG în acest fel timp de aproximativ zece minute și de a vedea problemele care se strecoară.

Înregistrarea datelor

Pentru a examina semnalul ECG, va trebui să îl digitalizați și să îl înregistrați pe computer. Acest lucru necesită un dispozitiv ADC sau un dispozitiv de înregistrare a datelor care poate fi probat la 200Hz. (Teorema Nyquist spune că citirea unui semnal oscilant necesită prelevarea probelor la cel puțin două ori frecvența lui.) Am încercat multe înregistrări de date, iar preferatul meu este Go Link de la Vernier Software, care are 12 biți de rezoluție și mostre la până la 200 Hz. Adăugați unitatea potrivită de sonde de tensiune și sunteți gata să rotiți și să rostogoliți literalmente sute de alte proiecte de știință. Am negociat o înțelegere cu Vernier în special pentru cititorii MAKE: 67 USD atât pentru logger, cât și pentru sonda de tensiune; consultați sas.org/make.html pentru detalii.

Odată ce ați conectat electrozi de corp la circuitul nostru, conectați Go Link în portul USB al laptopului, conectați sonda de tensiune la conexiunea Go și conectați sonda la circuitul circuitului nostru și la ieșirea filtrului low-pass. Pentru siguranță, laptopul trebuie să fie deconectat.

SIGURANȚĂ

Cu excepția cazului în care faceți ceva exotic, instrumentele alimentate de baterii sunt, în general, sigure să se conecteze la oameni. Linkul Go este alimentat prin portul USB, astfel încât dacă laptopul pe care îl utilizați este deconectat, nu vă faceți griji.

Spre deosebire de editorii MAKE, personal cred că este bine să utilizați dispozitivul ECG cu un computer conectat, cu condiția să luați câteva măsuri de precauție suplimentare; consultați mai multe discuții pe site-ul meu la sas.org/make.html. Rezistența de 10 M (care este de 10 milioane ohmi!) Între subiect și sol va sufoca orice curent în cazul puțin probabil că un adaptor AC nu reușește și cartofi prajiti. Rezistențele 47K limitează de asemenea curentul. Chiar și cu o creștere de putere ciudată, brațele subiectului se află în afara oricărei căi dintre electrozii, astfel încât, dacă suferă orice durere, va putea să prindă și să scoată firele. Păstrați pe altcineva în cameră sau, dacă acest lucru nu este posibil, efectuați scurtcircuitarea electrozilor și rulați ECG în timp ce stați. În acest fel, dacă fulgerul lovește, veți rupe conexiunea prin cădere.

În orice caz, nu atribuiți niciodată electrozi la brațe și nu conectați dispozitivul la oricine are o stare de sănătate slabă. Indiferent cât de mult vă faceți, nu ardeți ECG-ul dvs. de casă dacă credeți că ați putea avea un atac de cord. Rezistați-vă curiozității și formați 911.

În spitale, unele echipamente de monitorizare adaugă un alt nivel de siguranță: optoizolarea. În această schemă, dispozitivele alimentate de la baterie conectate la pacient transmit lecturi prin intermediul LED-urilor la senzorii optici care se potrivesc în interiorul unui dispozitiv de afișare alimentat pe perete. Întrucât singura legătură între cele două dispozitive este un flux de fotoni, curenții mari nu pot ajunge la pacient prin intermediul oricăror fire. Dacă vă interesează, puteți adăuga optoizolarea la ECG-ul dvs. pentru a vă proteja împotriva unui lanț de evenimente cu nivel de probabilitate care cade de la cer. Optoizolatoarele vin în IC-uri în stil DIP pe care le puteți conecta în sistem între filtru și înregistratorul de date. Ați împământat partea transmițătorului LED pe solul circuitului amplificatorului și receptorul fotodiodă la loggerul de date sau la solul ADC.

Interpretarea rezultatelor

Odată ce ați stăpânit arta de urmărire a biletului, va trebui să descifrați ce înseamnă totul. Există doar o singură referință, Interpretarea Rapidă a EKG de către Dale Dubin, MD. Veți găsi acest suport ușor de utilizat la medicina pe raftul aproape de fiecare medic din America. Dr. Dubin se întâmplă, de asemenea, să fie un bun prieten al Societății pentru Oamenii de Știință amatori, astfel încât să putem oferi noi copii ale acestui clasic pentru a oferi cititorilor o reducere de 30%; consultați sas.org.

Acțiune

Lasa Un Comentariu