Citizen Science - DIY-ECG's - 💡 Fix My Ideas

Citizen Science - DIY-ECG's

Citizen Science - DIY-ECG's


Auteur: Ethan Holmes, 2019

Schema voor een eenvoudig instrument om iemands elektrocardiogram te monitoren (gemakkelijk thuis te maken).

De pompwerking van het hart wordt aangedreven door krachtige golven van elektrische activiteit die ervoor zorgen dat zwakke stromen in het lichaam stromen, waardoor het elektrische potentiaal tussen verschillende punten op de huid wordt gewijzigd met ongeveer een duizendste van een volt (één millivolt, 1mV). Verborgen binnen die activiteit is een enorme hoeveelheid informatie over wat het hart aan het doen is, en iedereen die het kan detecteren, kan turen naar de werking van dit ongelooflijke orgaan.

Gelukkig hoef je geen cardioloog te zijn met dure apparatuur om dat signaal op te pikken en te ontcijferen. Iedereen kan het doen met dit zelfgemaakte elektrocardiogram (ECG) apparaat, een analoog-naar-digitaal omzetter (ADC) om het signaal te digitaliseren en naar een computer te sturen, en een opmerkelijk boek waarover ik je later zal vertellen.

Je kunt het circuit zelf in een middag samenstellen voor ongeveer $ 40. De ADC kost iets meer, tussen $ 50 en $ 300. Maar deze apparaten openen een universum van kansen voor de thuisgebaseerde onderzoeker, en dus zou elke burgerwetenschapper in één moeten investeren. (Ik heb veel onderhandeld over een van deze apparaten, vooral voor MAKE-lezers. Lees verder.)

De experimentele uitdaging is dat het signaal waarnaar we op zoek zijn slechts ongeveer 1mV meet, het kan veranderen in slechts 1/100 seconde, en het is ingebed in een lawaaierige omgeving. Om het signaal bij te houden en het naar een te digitaliseren 1V-niveau te brengen, hebt u een versterker met een versterking van ongeveer 1.000 en een frequentierespons van minstens 100 Hz nodig. Maar standaard operationele versterkers (op-amps) zoals RadioShack's 741 zullen niet werken vanwege de omringende ruis.

Wanneer elektroden ver uit elkaar op het lichaam worden geplaatst, werkt onze huid als een ruwe batterij en genereert een onregelmatig potentiaalverschil dat hoger kan zijn dan 2V, waardoor het hartsignaal van 1 mV wordt overschreden. Erger nog, je lichaam en de draden die op de elektroden zijn aangesloten, maken prachtige radioantennes die de 60Hz-brom opvangen die afkomstig is van elke stroomkabel in je huis. Dit voegt een sinusvormige spanning toe, die verder de kleine pulsen uit je hart overspoelt, en omdat de frequentie ervan dicht bij de 100 Hz resolutie ligt die we nodig hebben om je hart te volgen, is het moeilijk om eruit te filteren.

Nu, je elektronicasoorten denken misschien dat dit niet uitmaakt, omdat op-amps "verschilversterkers" zijn, dat wil zeggen dat ze alle spanning aftrekken die gelijkelijk op beide ingangen werkt. Helaas, op-amps doen dat werk niet perfect, en wanneer de deining duizenden keren groter is dan het signaal, zoals ze hier zijn, ben je tot zinken gebracht. Om ervoor te zorgen dat deze "common-mode" -ramp niet meer dan een fout van 1% toevoegt aan onze meting, hebben we een zogenaamde common-mode rejection ratio (CMRR) van ten minste 100.000 tot 1 nodig. In de elektronicalegelgeving wordt CMRR gemeten in decibels (dB), waarbij elke factor van 10 toename in spanning gelijk is aan 20dB. Dit maakt onze vereiste ratio 105, die gelijk is aan 20 * 5 of 100dB - een precisie die hoger is dan die van de meeste op-amps.

De instrumentatie versterker

Wanneer een toepassing zowel high gain als een CMRR van 80dB of hoger vereist, schakelen ervaren experimentators vaak speciale apparaten in, instrumentatie-versterkers genoemd. Deze opmerkelijke apparaten waren ooit omvangrijk en duur, maar vandaag kunnen ze voor slechts een paar dollar worden gekocht als een geïntegreerd circuit. Om de constructie zo eenvoudig mogelijk te maken, heb ik dit ECG ontworpen rond de Rolls-Royce van instrumentversterkers, de AD624AD van Analog Devices, die je kunt kopen bij Digi-Key (digikey.com) voor minder dan $ 25. Je selecteert een winst van 1.000 met de AD624AD door simpelweg bepaalde pinnen samen te korten, en bij deze instelling overschrijdt de CMRR van de versterker 110dB.

De AD624AD is eenvoudig te gebruiken, maar ervaren gadgets moeten ook graag experimenteren met minder dure opties, zoals de Analog Devices AD620AN. En als je een echte Daniel Boone-achtige maker bent, kun je je eigen instrumentatieversterker bouwen met behulp van drie RadioShack op-amps en een handvol 100K-weerstanden.

Sommige eenvoudige circuits ondersteunen onze instrumentatieversterker. Een tweetraps weerstandscondensator (RC) filter vermindert frequenties hoger dan ongeveer 50 Hz. Zoals filters gaan, deze is vrij wimpy, maar het werkt goed genoeg om het werk te doen. Ik heb een vierdraads telefoonsnoer gebruikt om de signalen tussen mijn lichaam en de versterker te dragen, maar je hebt maar drie draden nodig. De zijkant van mijn projectbox heeft een telefoonaansluiting voor eenvoudige aansluiting en ontkoppeling.

De elektroden

Ik heb mijn eerste elektroden gemaakt van kwartjes besmeurd met een geleidende laag shampoo, stevig op mijn lichaam geplakt en verbonden met draadgeleiders. Ze werkten, soort van. Toen ontdekte ik dat iemand tassen van het echte ding kon kopen - de schil-en-stok-elektroden die door cardiologen worden gebruikt. De kosten zijn ongeveer $ 13 voor 50. (Google "ECG-elektroden" voor een groot aantal leveranciers.) Ik gebruikte krokodillenklemmen om de signaaldraden aan te sluiten op de metalen nippels op de achterkant van de elektroden.

Sluit de negatieve kabel van de instrumentversterker aan net onder de linker oksel van je onderwerp en de positieve draad net onder de rechter oksel. Je moet ook een massakabel voor het circuit aansluiten op de linker scheen net boven de enkel. Zonder het been als grond, gebeuren er slechte dingen met het signaal en het is een geweldig klein experiment om een ​​ECG ongeveer tien minuten op deze manier vast te leggen en de problemen te zien die binnenklimmen.

Logging van de gegevens

Om het ECG-signaal te onderzoeken, moet u het digitaliseren en opnemen op uw computer. Dit vereist een ADC- of dataloggerapparaat dat kan bemonsteren op 200Hz. (De Nyquist-stelling stelt dat het lezen van een oscillerend signaal het bemonsteren vereist met een minimum van 2x de frequentie ervan.) Ik heb veel dataloggers geprobeerd en mijn favoriet is de Go Link van Vernier Software, die 12 bits resolutie en samples heeft bij tot 200Hz. Voeg de bijpassende voltagesonde toe en u bent klaar om letterlijk honderden andere wetenschappelijke projecten te rocken. Ik heb onderhandeld over een deal met Vernier, speciaal voor MAKE-lezers: $ 67 voor zowel logger- als voltagesonde; zie sas.org/make.html voor details.

Nadat u lichaamselektroden op ons circuit hebt aangesloten, sluit u de Go Link aan op de USB-poort van uw laptop, sluit u de spanningssonde aan op de Go Link en sluit u de sonde aan op de aarde- en laagdoorlaatfilteruitgang van het circuit. Voor de veiligheid moet de laptop worden losgekoppeld.

VEILIGHEID

Tenzij u iets exotischs doet, zijn instrumenten die op batterijen werken doorgaans veilig om met mensen te verbinden. De Go Link wordt gevoed via de USB-poort, dus als de laptop die u gebruikt, is losgekoppeld, hoeft u zich geen zorgen te maken.

In tegenstelling tot de editors van MAKE, vind ik het persoonlijk OK om ons ECG-apparaat te gebruiken met een aangesloten computer, op voorwaarde dat je een aantal extra voorzorgsmaatregelen neemt; zie meer discussie op mijn website op sas.org/make.html. De 10M (dat is 10 miljoen ohm!) Weerstand tussen het onderwerp en de grond zal elke stroom verstikken in het onwaarschijnlijke geval dat een AC-adapter uitvalt en de laptop patat. De 47K-weerstanden beperken ook de stroom. Zelfs met een extreme stroomstoot liggen de armen van het onderwerp buiten elk pad tussen de elektroden, dus als ze pijn ervaart, zal ze in staat zijn de draden vast te pakken en los te trekken. Houd iemand anders in de kamer of, als dat niet mogelijk is, maak de elektrodekabels kort en laat ECG's in staande toestand lopen. Op die manier, als de bliksem inslaat, verbreek je de verbinding door naar beneden te vallen.

Sluit in geen geval elektroden aan op de armen en sluit het apparaat niet aan op personen met een zwakke gezondheid. Het doet er niet toe hoeveel u zelf een doe-het-zelver bent, zet uw zelfgemaakte ECG niet aan als u denkt dat u misschien een hartaanval krijgt. Weersta je nieuwsgierigheid en bel 911.

In ziekenhuizen voegt sommige bewakingsapparatuur nog een extra laag veiligheid toe: opto-isolatie. In dit schema verzenden apparaten op batterijen die op de patiënt zijn aangesloten, lezingen via LED's naar bijpassende optische sensoren in een muurgestuurd weergaveapparaat. Omdat de enige link tussen de twee apparaten een stroom fotonen is, kunnen grote stromen de patiënt via geen enkele draad bereiken. Als u wilt, kunt u opto-isolatie toevoegen aan uw ECG om te beschermen tegen een meteoor-vallende-van-de-lucht-kans-niveau keten van gebeurtenissen. Opto-isolatoren zijn verkrijgbaar in IC's die in DIP-stijl zijn en die u kunt aansluiten op uw systeem tussen het filter en de datalogger. Je zou de LED-zenderzijde aan de aarde van het versterkercircuit en de fotodiode-ontvanger aan de datalogger of aan de grond van ADC gronden.

Interpretatie van de resultaten

Als je eenmaal de kunst van het volgen van je ticker onder de knie hebt, moet je ontcijferen wat het allemaal betekent. Er is slechts één referentie nodig, Rapid Interpretation of EKG's van Dale Dubin, MD. Je zult deze eenvoudig te beheersen steunpilaar van medicijnen op bijna elke doktersboekenplank in Amerika vinden. Dr. Dubin is toevallig ook een goede vriend van de Society for Amateur Scientists, dus we kunnen nieuwe kopieën van deze klassieker aanbieden aan MAKE-lezers met een korting van 30%; zie sas.org.



U Bent Wellicht Geïnteresseerd Zijn

Open schoenen, open robots, open gezondheid: Bilbao Mini Maker Faire 2014

Open schoenen, open robots, open gezondheid: Bilbao Mini Maker Faire 2014


Milwaukee Maker Faire Oproep voor Makers

Milwaukee Maker Faire Oproep voor Makers


3 geweldige projecten die u kunt doen met de nieuwe LittleBits CloudBit-module

3 geweldige projecten die u kunt doen met de nieuwe LittleBits CloudBit-module


Meer Maker Eerlijke foto's

Meer Maker Eerlijke foto's






Recente Berichten