Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Sains Citizen - ECG DIY

Skematik untuk instrumen mudah untuk memantau electrocardiogram seseorang (mudah dibuat di rumah).

Tindakan mengepam jantung didorong oleh gelombang elektrik yang kuat yang menyebabkan arus yang lemah mengalir di dalam badan, mengubah potensi elektrik antara mata yang berbeza pada kulit dengan kira-kira seribu satu volt (satu milivol, 1mV). Tersembunyi dalam aktiviti itu adalah sejumlah besar maklumat mengenai apa yang sedang dilakukan oleh hati, dan sesiapa yang dapat mengesannya dapat melihat ke dalam pengoperasian organ luar biasa ini.

Mujurlah, anda tidak perlu menjadi pakar kardiologi dengan peralatan mahal untuk mengambil dan menguraikan isyarat itu. Sesiapa sahaja boleh melakukannya dengan peranti elektrokardiogram (ECG) buatan sendiri, penukar analog-ke-digital (ADC) untuk mendigitalkan isyarat dan menghantarnya ke komputer, dan sebuah buku yang luar biasa yang akan saya beritahu anda kemudian.

Anda boleh memasang litar sendiri pada waktu tengah hari untuk kira-kira $ 40. ADC akan kos lebih sedikit, antara $ 50 dan $ 300. Tetapi alat-alat ini membuka alam semesta peluang kepada penguji berasaskan rumah, dan oleh itu setiap saintis warga negara harus melabur dalam satu. (Saya telah berunding dengan banyak pada salah satu peranti ini terutamanya untuk MEMBUAT pembaca. Baca terus.)

Cabaran eksperimen ialah isyarat yang kita cari untuk ukuran hanya kira-kira 1mV, ia boleh berubah dalam sekurang-kurangnya 1/100 sesaat, dan ia tertanam dalam persekitaran yang bising. Untuk mengikuti isyarat dan meningkatkannya ke tahap 1V yang boleh diganti, anda memerlukan penguat dengan keuntungan kira-kira 1,000 dan tindak balas frekuensi sekurang-kurangnya 100Hz. Tetapi penguat operasi standard (op-amp) seperti 741 RadioShack tidak berfungsi kerana bunyi sekelilingnya.

Apabila elektrod diletakkan jauh di atas badan, kulit kita bertindak seperti bateri mentah dan menjana perbezaan potensi yang tidak teratur yang boleh melebihi 2V, membahayakan isyarat jantung 1mV kita. Lebih teruk lagi, badan dan wayar anda yang menyambung ke elektrod membuat antena radio yang menarik yang mengambil 60Hz hum dari setiap kabel kuasa di rumah anda. Ini menambah voltan sinusoidal, yang selanjutnya merapikan denyutan kecil dari hati anda, dan kerana kekerapannya terletak berdekatan dengan resolusi 100Hz yang kita perlukan untuk mengesan hati anda, sukar untuk ditapis.

Sekarang, anda jenis elektronik mungkin berfikir ini tidak penting kerana op-amp adalah "penguat perbezaan" - iaitu, mereka tolak mana-mana voltan yang berjalan sama kepada kedua-dua input. Malangnya, op-amp tidak melakukan pekerjaan itu dengan sempurna, dan apabila lekuk-lekuk itu beribu-ribu kali lebih besar daripada isyarat, kerana mereka berada di sini, anda tenggelam. Untuk memastikan sampah "biasa-biasa" ini tidak melebihi ralat 1% pada pengukuran kami, kami memerlukan apa yang dikenali sebagai nisbah penolakan mod biasa (CMRR) sekurang-kurangnya 100,000 kepada 1. Dalam istilah elektronik, CMRR diukur dalam desibel (dB), di mana setiap faktor 10 peningkatan voltan adalah bersamaan dengan 20 dB. Ini menjadikan nisbah yang dikehendaki kami 105, yang sama dengan 20 * 5 atau 100dB - ketepatan yang melebihi kebanyakan op-amp.

Penguat Instrumentasi

Apabila aplikasi memanggil kedua-dua keuntungan tinggi dan CMRR 80dB atau lebih, penguji berpengalaman sering berpaling kepada peranti khas yang disebut penguat instrumentasi. Peranti luar biasa ini sekali besar dan mahal, tetapi hari ini, mereka boleh dibeli hanya beberapa dolar sebagai litar bersepadu. Untuk membuat pembinaan semudah mungkin, saya direka ECG ini di sekitar Rolls-Royce penguat instrumentasi, AD624AD dari Peranti Analog, yang boleh anda beli dari Digi-Key (digikey.com) untuk di bawah $ 25. Anda memilih keuntungan sebanyak 1,000 dengan AD624AD dengan hanya memendekkan pin tertentu bersama-sama, dan pada tetapan ini CMRR amp melebihi 110dB.

AD624AD mudah digunakan, tetapi gadget yang berpengalaman juga harus merasa bebas untuk bereksperimen dengan pilihan yang lebih murah, seperti Peranti Analog AD620AN. Dan jika anda adalah pembuat Daniel Boone yang sebenar, anda boleh membina penguat instrumentasi anda sendiri menggunakan tiga op-amp RadioShack dan segelintir perintang 100K.

Sesetengah litar mudah menyokong penguat instrumentasi kami. Penuras kapasitor dua peringkat (RC) menenggelamkan frekuensi lebih tinggi daripada kira-kira 50Hz. Sebagai penapis pergi, yang satu ini cukup wimpy, tetapi ia berfungsi dengan baik untuk melakukan pekerjaan itu. Saya menggunakan kord telefon empat wayar untuk membawa isyarat antara badan saya dan penguat, tetapi anda hanya perlu tiga wayar. Sisi kotak projek saya sukankan bicu telefon untuk sambungan dan pemutusan yang mudah.

The Electrodes

Saya membuat elektrod pertama saya keluar dari tempat yang dilapisi dengan lapisan syampu, dirawat dengan kuat ke badan saya, dan disambungkan kepada wayar. Mereka bekerja, jenis. Kemudian saya dapati sesiapa sahaja boleh membeli beg benda sebenar - elektrod kulit dan tongkat yang digunakan oleh ahli kardiologi. Kos kira-kira $ 13 untuk 50. (Google "elektroda ECG" untuk pelbagai pembekal.) Saya menggunakan klip buaya untuk menyambung wayar isyarat kepada puting logam di belakang elektrod.

Sambungkan petunjuk negatif instrumentasi amp ke bawah di bawah ketiak kiri subjek dan petunjuk positif di bawah ketiak kanan. Anda juga mesti menyambungkan petunjuk tanah untuk litar ke pangkal kiri di atas pergelangan kaki. Tanpa kaki sebagai alasan, perkara-perkara buruk berlaku pada isyarat, dan itu adalah satu percubaan kecil untuk merekodkan ECG dengan cara ini selama sepuluh minit dan melihat masalah yang merayap.

Membaca Data

Untuk memeriksa isyarat ECG, anda perlu mendigitalkan dan merekodkannya pada komputer anda. Ini memerlukan peranti ADC atau logger data yang boleh mencuba pada 200Hz. (The Nyquist Theorem menyatakan bahawa bacaan isyarat berayun memerlukan persampelannya dengan minimum 2x kekerapannya.) Saya telah mencuba banyak pembalak data, dan kegemaran saya adalah Go Link dari Vernier Software, yang mempunyai 12 bit resolusi dan sampel di sehingga 200Hz. Tambah unit siasatan voltan yang sepadan, dan anda bersedia untuk rock-and-roll secara harfiah beratus-ratus projek sains yang lain. Saya telah berunding dengan Vernier khususnya untuk MEMBUAT pembaca: $ 67 untuk penyelidikan logger dan voltan; lihat sas.org/make.html untuk maklumat lanjut.

Sebaik sahaja anda telah menyambungkan elektrod badan ke litar kami, palamkan Pautan Go ke port USB komputer riba anda, pasang siasatan voltan ke dalam Go Link, dan kimpal litar kami ke tanah dan output penapis rendah. Untuk keselamatan, komputer riba perlu dicabut.

KESELAMATAN

Kecuali anda melakukan sesuatu yang eksotik, instrumen yang berkuasa bateri umumnya selamat untuk disambungkan kepada orang ramai. Pautan Go dikuasakan melalui port USB, jadi jika komputer riba yang anda gunakan tidak dicabut, anda tidak akan risau.

Tidak seperti editor JUMLAH, saya sendiri fikir ia adalah OK untuk menggunakan peranti ECG kami dengan komputer yang dipasang, dengan syarat anda mengambil langkah berjaga-jaga tambahan; lihat lebih banyak perbincangan di laman web saya di sas.org/make.html. Perintang 10M (itu 10 juta ohms!) Di antara subjek dan tanah akan menyedut sebarang arus dalam keadaan tidak mungkin bahawa penyesuai AC gagal dan kentang goreng. Resistor 47K juga menghadkan semasa. Walaupun dengan lonjakan kuasa yang luar biasa, senjata subjek terletak di luar mana-mana laluan antara elektrod, jadi jika dia mengalami kesakitan, dia akan dapat memahami dan menarik wayar. Terus orang lain di dalam bilik, atau jika itu tidak mungkin, elakkan elektrod memimpin dan berjalan ECG semasa berdiri. Dengan cara itu, jika kilat tidak menyerang, anda akan memecahkan sambungan dengan jatuh.

Walau bagaimanapun, jangan sekali-kali melampirkan elektrod ke tangan, dan jangan sambungkan peranti itu kepada sesiapa sahaja yang lemah.Tidak peduli berapa banyak yang anda lakukan, jangan membakar ECG buatan sendiri jika anda menganggap anda mungkin mengalami serangan jantung. Tolak rasa ingin tahu anda dan dail 911.

Di hospital, beberapa peralatan pengawasan menambah lagi lapisan keselamatan: opto-isolation. Dalam skema ini, peranti berkuasa bateri disambungkan kepada pesakit yang menghantar bacaan melalui LED untuk memadankan sensor optik di dalam peranti paparan berkuasa dinding. Oleh kerana satu-satunya hubungan antara kedua-dua peranti adalah aliran foton, arus besar tidak boleh mencapai pesakit melalui sebarang wayar. Sekiranya anda mengambil berat, anda boleh menambah opto-isolasi ke ECG anda untuk melindungi terhadap rantaian peringkat peringkat meteor-falling-from-the-sky-kebarangkalian. Opto-isolator datang dalam IC gaya DIP yang anda boleh pasangkan ke dalam sistem anda antara penapis dan logger data. Anda akan menyalakan sisi pemancar LED ke litar penguat tanah, dan penerima fotodiode kepada penukar data atau ke tanah ADC.

Mentafsirkan Keputusan

Sebaik sahaja anda menguasai seni mengesan ticker anda, anda perlu menguraikan apa maksudnya. Terdapat satu rujukan yang mesti ada, Tafsiran Rapid EKG oleh Dale Dubin, MD. Anda akan menemui ubat ubat yang mudah dipelajari di hampir semua rak buku doktor di Amerika. Dr Dubin juga menjadi kawan baik Persatuan Para Ilmuwan Amatur, jadi kami dapat menawarkan salinan baru klasik ini untuk MEMBUAT pembaca pada diskaun 30%; lihat sas.org.

Kongsi

Meninggalkan Komen