Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Citizen Science - DIY-EKGs

Schema für ein einfaches Instrument zur Überwachung des Elektrokardiogramms (einfach zu Hause erstellen).

Die Pumpwirkung des Herzens wird durch starke elektrische Wellen ausgelöst, durch die schwache Ströme im Körper fließen und das elektrische Potential zwischen verschiedenen Hautpunkten um etwa ein Tausendstel Volt (ein Millivolt, 1 mV) ändern. In dieser Aktivität verbirgt sich eine enorme Menge an Informationen darüber, was das Herz tut, und jeder, der es erkennen kann, kann einen Blick auf die Arbeit dieses unglaublichen Organs werfen.

Glücklicherweise müssen Sie kein Kardiologe mit teuren Geräten sein, um dieses Signal aufzunehmen und zu entschlüsseln. Jeder kann es mit diesem hausgemachten Elektrokardiogramm (EKG), einem Analog-Digital-Wandler (ADC), der das Signal digitalisiert und an einen Computer sendet, und einem bemerkenswerten Buch, das ich Ihnen später erzähle.

Sie können die Schaltung selbst an einem Nachmittag für etwa 40 US-Dollar zusammenbauen. Der ADC kostet etwas mehr, zwischen 50 und 300 Dollar. Diese Geräte eröffnen dem heimischen Experimentator jedoch eine Fülle von Möglichkeiten, und jeder Bürgerwissenschaftler sollte in eine davon investieren. (Ich habe mit einem dieser Geräte besonders für MAKE-Leser viel verhandelt. Lesen Sie weiter.)

Die experimentelle Herausforderung besteht darin, dass das Signal, nach dem wir suchen, nur etwa 1 mV misst. Es kann sich in weniger als 1/100 einer Sekunde ändern, und es ist in einer lauten Umgebung eingebettet. Um mit dem Signal Schritt zu halten und es auf einen digitalisierbaren 1-V-Pegel zu bringen, benötigen Sie einen Verstärker mit einer Verstärkung von ungefähr 1.000 und einen Frequenzgang von mindestens 100 Hz. Standard-Operationsverstärker (Operationsverstärker) wie der 741 von RadioShack funktionieren jedoch aufgrund des Umgebungsgeräusches nicht.

Wenn die Elektroden weit voneinander entfernt am Körper platziert werden, wirkt unsere Haut wie eine grobe Batterie und erzeugt eine unregelmäßige Potenzialdifferenz, die 2 V überschreiten kann, wodurch unser 1mV-Herzsignal in den Schatten gestellt wird. Schlimmer noch, Ihr Körper und die Drähte, die an die Elektroden angeschlossen werden, erzeugen wunderbare Funkantennen, die das 60-Hz-Brummen aufnehmen, das von jedem Stromkabel in Ihrem Zuhause ausgeht. Dies fügt eine sinusförmige Spannung hinzu, die die winzigen Impulse Ihres Herzens weiter verdichtet. Da die Frequenz nahe an der 100-Hz-Auflösung liegt, die wir benötigen, um Ihr Herz zu verfolgen, ist es schwierig herauszufiltern.

Nun, Ihre Elektroniktypen könnten denken, dass dies keine Rolle spielen sollte, da Operationsverstärker „Differenzverstärker“ sind - das heißt, sie ziehen jede Spannung ab, die an beiden Eingängen gleich ist. Leider erledigen Op-Amps diese Arbeit nicht perfekt, und wenn die Schwellungen tausend Mal größer sind als das Signal, wie hier, sind Sie gesunken. Um sicherzustellen, dass dieser „Common-Mode-Müll“ unserer Messung nicht mehr als einen Fehler von 1% hinzufügt, benötigen wir ein sogenanntes Common-Mode-Rejection-Ratio (CMRR) von mindestens 100.000 zu 1. Im elektronischen Sprachgebrauch wird CMRR gemessen Dezibel (dB), wobei jeder Faktor 10 Spannungsanstieg 20 dB entspricht. Das bedeutet, dass unser Verhältnis 105, also 20 * 5 oder 100 dB, erforderlich ist - eine Genauigkeit, die über die der meisten Operationsverstärker hinausgeht.

Der Instrumentenverstärker

Wenn eine Anwendung sowohl eine hohe Verstärkung als auch eine CMRR von 80 dB oder mehr erfordert, wenden sich erfahrene Experimentatoren häufig speziellen Geräten an, die als Instrumentenverstärker bezeichnet werden. Diese bemerkenswerten Geräte waren einst sperrig und teuer, aber heute können sie für nur wenige Dollar als integrierte Schaltung erworben werden. Um den Aufbau so einfach wie möglich zu gestalten, habe ich dieses EVG um den Rolls-Royce der Instrumentenverstärker AD624AD von Analog Devices entwickelt, den Sie bei Digi-Key (digikey.com) für unter 25 $ kaufen können. Mit dem AD624AD wählen Sie eine Verstärkung von 1.000 aus, indem Sie bestimmte Pins einfach kurzschließen. Bei dieser Einstellung überschreitet der CMRR des Verstärkers 110 dB.

Der AD624AD ist einfach zu bedienen, aber erfahrene Gadgeteer sollten auch gerne mit kostengünstigeren Optionen experimentieren, z. B. mit dem Analog Devices AD620AN. Wenn Sie ein echter Daniel Boone-Hersteller sind, können Sie Ihren eigenen Instrumentenverstärker mit drei RadioShack-Operationsverstärkern und einer Handvoll 100K-Widerständen aufbauen.

Einige einfache Schaltungen unterstützen unseren Instrumentenverstärker. Ein zweistufiger Widerstandskondensatorfilter (RC) filtert Frequenzen oberhalb von etwa 50 Hz aus. Der Filter ist zwar ziemlich wackelig, funktioniert aber gut genug, um die Arbeit zu erledigen. Ich habe ein vieradriges Telefonkabel verwendet, um die Signale zwischen meinem Körper und dem Verstärker zu übertragen, aber Sie benötigen nur drei der Kabel. An der Seite meines Projektkastens befindet sich eine Klinkenbuchse für einfaches Anschließen und Trennen.

Die Elektroden

Ich habe meine ersten Elektroden aus Vierteln geformt, die mit einer leitfähigen Schicht Shampoo verschmiert, fest mit meinem Körper verklebt und mit Drahtleitungen verbunden sind. Sie arbeiteten irgendwie. Dann entdeckte ich, dass jeder Taschen mit dem echten Etwas kaufen kann - die von Kardiologen verwendeten Peel-and-Stick-Elektroden. Die Kosten betragen ungefähr $ 13 für 50. (Google „EKG-Elektroden“ für eine Vielzahl von Anbietern.) Ich habe Alligatorclips verwendet, um die Signaldrähte mit den Metallnippeln an der Rückseite der Elektroden zu verbinden.

Schließen Sie die negative Leitung des Instrumentenverstärkers direkt unter der linken Achselhöhle des Patienten und die positive Leitung unter der rechten Achselhöhle an. Sie müssen auch eine Masseleitung für den Stromkreis an das linke Schienbein direkt über dem Knöchel anschließen. Ohne das Bein als Boden passieren schlechte Signale mit dem Signal, und es ist ein tolles kleines Experiment, ein EKG für ungefähr zehn Minuten auf diese Weise aufzunehmen und die Probleme zu sehen, die sich einschleichen.

Daten protokollieren

Um das EKG-Signal zu untersuchen, müssen Sie es digitalisieren und auf Ihrem Computer aufzeichnen. Dies erfordert einen ADC oder ein Datenloggergerät, das bei 200 Hz abtasten kann. (Das Nyquist-Theorem besagt, dass das Lesen eines oszillierenden Signals ein Abtasten mit mindestens der doppelten Frequenz erfordert.) Ich habe viele Datenlogger ausprobiert, und mein Favorit ist der Go Link von Vernier Software, der 12 Bit Auflösung und Samples hat bis zu 200Hz. Fügen Sie die passende Spannungsmesseinheit hinzu, und Sie sind bereit, hunderte von anderen wissenschaftlichen Projekten buchstäblich zu rocken. Ich habe mit Vernier speziell für MAKE-Leser einen Deal ausgehandelt: 67 US-Dollar für Logger und Spannungsprüfer; Weitere Informationen finden Sie unter sas.org/make.html.

Wenn Sie die Körperelektroden an unsere Schaltung angeschlossen haben, stecken Sie den Go Link in den USB-Port Ihres Laptops, stecken Sie den Spannungssensor in den Go Link und verbinden Sie die Sonde mit dem Masse- und Tiefpassfilterausgang unserer Schaltung. Aus Sicherheitsgründen sollte der Laptop vom Stromnetz getrennt werden.

SICHERHEIT

Wenn Sie nicht gerade etwas Exotisches tun, können batteriebetriebene Instrumente im Allgemeinen sicher mit Personen verbunden werden. Der Go Link wird über seinen USB-Anschluss mit Strom versorgt. Wenn der Laptop, den Sie verwenden, nicht angeschlossen ist, müssen Sie sich keine Sorgen machen.

Im Gegensatz zu den Editoren von MAKE ist es meiner Meinung nach ganz in Ordnung, unser EKG-Gerät mit einem angeschlossenen Computer zu verwenden, vorausgesetzt, Sie treffen einige zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen. Weitere Diskussionen finden Sie auf meiner Website unter sas.org/make.html. Der 10M (das sind 10 Millionen Ohm!) Widerstand zwischen dem Subjekt und Masse wird jeden Strom unterdrücken, falls ein Netzteil ausfällt und der Laptop Pommes frites. Die 47K-Widerstände begrenzen auch den Strom. Selbst bei einer ungewöhnlichen Stromstörung liegen die Arme der Person außerhalb eines Weges zwischen den Elektroden. Wenn sie Schmerzen hat, kann sie die Drähte greifen und abziehen. Lassen Sie eine andere Person im Raum, oder wenn dies nicht möglich ist, schließen Sie die Elektrodenleitungen kurz und führen Sie die EKGs im Stehen aus. Auf diese Weise unterbrechen Sie die Verbindung, wenn der Blitz zuschlägt.

Bringen Sie auf keinen Fall Elektroden an den Armen an und verbinden Sie das Gerät nicht mit Personen, die sich in einem schwachen Zustand befinden. Egal wie viel Sie selbst tun, schießen Sie Ihr hausgemachtes EKG nicht hoch, wenn Sie denken, Sie könnten einen Herzinfarkt haben. Widerstehen Sie Ihrer Neugier und wählen Sie 911.

In Krankenhäusern sorgen einige Überwachungsgeräte für zusätzliche Sicherheit: Opto-Isolation. Bei diesem Schema übertragen batteriebetriebene Geräte, die mit dem Patienten verbunden sind, Messwerte über LEDs an passende optische Sensoren in einer wandbetriebenen Anzeigevorrichtung. Da die einzige Verbindung zwischen den beiden Geräten ein Strom von Photonen ist, können große Ströme den Patienten nicht über Drähte erreichen. Wenn Sie möchten, können Sie Ihrem EKG eine Opto-Isolation hinzufügen, um sich vor einer Ereigniskette von Meteor, die vom Himmel fällt, zu vermeiden. Opto-Isolatoren sind in DIP-artigen ICs erhältlich, die Sie zwischen Filter und Datenlogger in Ihr System einstecken können. Sie müssen die LED-Senderseite mit der Masse des Verstärkerkreises und den Fotodiodenempfänger mit dem Datenlogger oder mit dem ADC-Boden verbinden.

Interpretation der Ergebnisse

Sobald Sie die Kunst des Nachverfolgens Ihres Tickers beherrschen, müssen Sie herausfinden, was alles bedeutet. Es gibt nur eine unverzichtbare Referenz, die Rapid Interpretation of EKGs von Dale Dubin, MD. Sie finden dieses leicht beherrschbare Standbein der Medizin in fast jedem Bücherregal eines Arztes in Amerika. Dr. Dubin ist auch ein guter Freund der Society for Amateur Scientists. Daher können wir MAKE-Lesern neue Exemplare dieses Klassikers mit einem Rabatt von 30% anbieten. siehe sas.org.

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