Citizen Science - DIY EKG'er - 💡 Fix My Ideas

Citizen Science - DIY EKG'er

Citizen Science - DIY EKG'er


Forfatter: Ethan Holmes, 2019

Skematisk for et simpelt instrument til overvågning af ens elektrokardiogram (let lavet hjemme).

Hjerteens pumpeaktion er drevet af kraftige bølger af elektrisk aktivitet, der forårsager svage strømme at strømme i kroppen, og ændrer det elektriske potentiale mellem forskellige punkter på huden med ca. en tusindedel af en volt (en millivolt, 1mV). Skjult inden for denne aktivitet er en enorm mængde information om, hvad hjertet gør, og alle, der kan opdage det, kan kigge ind i dette utrolige organs arbejde.

Heldigvis behøver du ikke være kardiolog med dyrt udstyr til at afhente og dechiffrere signalet. Enhver kan gøre det med denne hjemmelavede elektrokardiogram (EKG) enhed, en analog-til-digital konverter (ADC) til digitalisering af signalet og sende det til en computer, og en bemærkelsesværdig bog, som jeg fortæller om senere.

Du kan sammensætte selve kredsløbet i en eftermiddag for omkring $ 40. ADC vil koste lidt mere, mellem $ 50 og $ 300. Men disse enheder åbner et univers af muligheder for den hjemme-baserede eksperimenter, og derfor bor alle videnskabsmænd i en investering. (Jeg har forhandlet meget på en af ​​disse enheder, især for MAKE-læsere. Læs videre.)

Den eksperimentelle udfordring er, at signalet vi leder efter måler kun omkring 1mV, det kan ændre sig i så lidt som 1/100 af et sekund, og det er indlejret i et støjende miljø. For at holde styr på signalet og øge det til et digitaliserbart 1V niveau, har du brug for en forstærker med en forstærkning på ca. 1.000 og et frekvensrespons på mindst 100Hz. Men standard operationelle forstærkere (op-ampere) som RadioShacks 741 fungerer ikke på grund af omgivende støj.

Når elektroderne er anbragt langt fra hinanden på kroppen, virker vores hud som et rå batteri og genererer en uregelmæssig potentialeforskel, der kan overstige 2V, dværger vores 1mV hjertesignal. Endnu værre, din krop og de ledninger, der forbinder elektroderne, gør vidunderlige radioantenner, der henter 60Hz hummen, der kommer fra hvert strømkabel i dit hjem. Dette tilføjer en sinusformet spænding, som yderligere svømmer de små pulser fra dit hjerte, og fordi dens frekvens ligger tæt på 100Hz opløsningen, vi skal spore dit hjerte, er det svært at filtrere ud.

Nu kan du elektroniktyper synes, at det ikke er vigtigt, fordi op-ampere er "forskydningsforstærkere" - det vil sige, at de trækker ud nogen spænding, der løber lige for begge indgange. Desværre gør op-ampere ikke dette job perfekt, og når svulmerne er tusindvis af gange større end signalet, som de er her, er du nedsænket. For at sikre, at dette "common-mode" affald ikke mere end 1% giver fejl i vores måling, har vi brug for, hvad der kaldes et CMRR (Common Mode Mode Ratio) (CMRR) på mindst 100.000 til 1. I elektronikparlance måles CMRR i decibel (dB), hvor hver faktor med 10 stigning i spænding svarer til 20 dB. Dette gør vores krævede ratio 105, hvilket svarer til 20 * 5 eller 100dB - en præcision ud over de fleste op-ampere.

Instrumentationsforstærkeren

Når en applikation kræver både høj forstærkning og en CMRR på 80 dB eller højere, vender erfarne eksperimenter ofte til specielle enheder kaldet instrumentationsforstærkere. Disse bemærkelsesværdige enheder var engang voluminøse og dyre, men i dag kan de købes for blot et par dollars som et integreret kredsløb. For at gøre konstruktionen så enkel som muligt har jeg designet dette EKG omkring Rolls-Royce af instrumenteringsforstærkere, AD624AD fra Analog Devices, som du kan købe fra Digi-Key (digikey.com) for under $ 25. Du vælger en forstærkning på 1000 med AD624AD ved blot at kortlægge bestemte stifter sammen, og i denne indstilling overstiger forstærkerens CMRR 110dB.

AD624AD er nem at bruge, men erfarne gadgeteere bør også være velkomne til at eksperimentere med billigere indstillinger, såsom Analog Devices AD620AN. Og hvis du er en ægte Daniel Boone-type maker, kan du konstruere din egen instrumentforstærker ved hjælp af tre RadioShack op-ampere og en håndfuld 100K modstande.

Nogle enkle kredsløb understøtter vores instrumentationsforstærker. Et to-trins modstandskondensator (RC) filter lukker ud frekvenser højere end ca. 50 Hz. Som filtre går, er denne en smule wimpy, men det fungerer godt nok til at gøre jobbet. Jeg brugte en fireledet telefonledning til at bære signalerne mellem min krop og forstærkeren, men du behøver kun tre af ledningerne. På siden af ​​min projektkasse er der en telefonstik til nem forbindelse og afbrydelse.

Elektroderne

Jeg formede min første elektroder ud af kvartaler smurt med et ledende lag af shampoo, fastgjort til min krop og forbundet til ledninger. De arbejdede som en slags. Så opdagede jeg, at alle kan købe tasker af den rigtige ting - de skal-og-stick elektroder, der anvendes af kardiologer. Omkostningerne er omkring $ 13 for 50. (Google "EKG-elektroder" for en lang række leverandører.) Jeg brugte alligator klip til at forbinde signalkablerne til metalnipplerne på elektrodernes bagside.

Tilslut instrumentatorforstærkerens negative ledning lige under dit motivs venstre armhule og dets positive ledning lige under højre armhule. Du skal også tilslutte en jordledning til kredsløbet til venstre shin lige over ankelen. Uden benet som jord bliver der dårlige ting med signalet, og det er et godt lille eksperiment at registrere et EKG på denne måde i cirka ti minutter og se de problemer, der kryber ind.

Logning af dataene

For at undersøge EKG-signalet skal du digitalisere og optage det på din computer. Dette kræver en ADC eller data logger enhed, der kan prøve på 200Hz. (Nyquist-sætningen siger, at læsning af et oscillerende signal kræver prøveudtagning i mindst 2x dens frekvens.) Jeg har prøvet mange dataloggere, og min favorit er Go Link fra Vernier Software, som har 12 bits opløsning og prøver på op til 200Hz. Tilføj den tilsvarende spændingssensor, og du er klar til at rock-and-roll bogstaveligt talt hundredvis af andre videnskabsprojekter. Jeg har forhandlet en aftale med Vernier specielt for MAKE-læsere: $ 67 for både logger og spændingssonde; se sas.org/make.html for detaljer.

Når du har tilsluttet kropselektroder til vores kredsløb, skal du tilslutte Go Link til din bærbare computerens USB-port, tilslut spændingssonden til Go Link, og tilslut sonden til vores kredsløbs jord- og lavpasfilterudgang. Af sikkerhedsmæssige årsager skal bærbar computer afbrydes.

SIKKERHED

Medmindre du laver noget eksotisk, er batteridrevne instrumenter generelt sikre at forbinde med folk. Go Link er drevet gennem sin USB-port, så hvis den bærbare computer du bruger er frakoblet, har du ingen bekymringer.

I modsætning til redaktørerne af MAKE mener jeg personligt, at det er OK at bruge vores EKG-enhed med en plug-in computer, forudsat at du tager nogle yderligere forholdsregler; Se mere diskussion på min hjemmeside på sas.org/make.html. Den 10M (det er 10 millioner ohm!) Modstand mellem motivet og jorden vil stramme enhver strøm i det usandsynlige tilfælde, at en vekselstrømsadapter mislykkes og den bærbare frites. 47K modstande begrænser også strømmen. Selv med en freak power surge ligger fagets arme uden for nogen vej mellem elektroderne, så hvis hun oplever smerter, kan hun forstå og trække ledningerne. Hold en anden i rummet, eller hvis det ikke er muligt, lav elektrodeledningerne kort og kør EKG'er, mens de står. På den måde, hvis lynet strejker, bryder du forbindelsen ved at falde ned.

Under alle omstændigheder skal du aldrig fastgøre elektroder på armene, og tilslut ikke enheden til nogen i svagt helbred. Ligegyldigt hvor meget af en gør-det-selvfølger du er, tag ikke op med dit hjemmelavede EKG, hvis du tror at du måske har et hjerteanfald. Modstå din nysgerrighed og ring 911.

På hospitaler tilføjer nogle overvågningsudstyr endnu et sikkerhedslag: opto-isolation. I denne ordning sender batteridrevne enheder tilsluttet patienten aflæsninger via LED'er til matchende optiske sensorer inde i en vægdrevet displayenhed. Da den eneste forbindelse mellem de to enheder er en strøm af fotoner, kan store strømme ikke nå patienten gennem nogen ledninger. Hvis du er interesseret i, kan du tilføje opto-isolation til dit EKG for at beskytte mod en meteor-faldende-fra-himmel-sandsynlighedskæde af begivenheder. Opto-isolatorer kommer i DIP-stil IC'er, som du kan tilslutte til dit system mellem filteret og dataloggeren. Du havde formet LED sender siden til forstærkerkredsens jord, og fotodiode modtageren til dataloggeren eller til ADC's jord.

Fortolkning af resultaterne

Når du har mestret kunsten at spore din ticker, skal du dechifrere hvad det hele betyder. Der er kun en må-have reference, hurtig fortolkning af EKG'er af Dale Dubin, MD. Du finder denne nemme at være hovedrolle af medicin på næsten alle lægeres bogreol i Amerika. Dr. Dubin forekommer også at være en god ven for Society for Amateur Scientists, så vi kan tilbyde nye kopier af denne klassiker til at gøre læsere til 30% rabat; se sas.org.



Du Kan Være Interesseret

Abney Park spiller Maker Faire

Abney Park spiller Maker Faire


3D-udskrivning Topografiske kort fra rumfærdsdata

3D-udskrivning Topografiske kort fra rumfærdsdata


Åbne indkøbsplaner for "Low-Tech, High-Thinking" Vandfiltre

Åbne indkøbsplaner for "Low-Tech, High-Thinking" Vandfiltre


Denne autonome båd gik fra Californien til Hawaii og Beyond

Denne autonome båd gik fra Californien til Hawaii og Beyond