Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Гражданин Наука - Сделай сам ЭКГ

Схема для простого прибора для контроля электрокардиограммы (легко сделать дома).

Насосное действие сердца вызвано мощными волнами электрической активности, которые вызывают слабые токи в теле, изменяя электрический потенциал между различными точками на коже примерно на одну тысячную вольта (один милливольт, 1 мВ). Внутри этой деятельности скрыто огромное количество информации о том, что делает сердце, и любой, кто сможет его обнаружить, может вникнуть в суть работы этого невероятного органа.

К счастью, вам не нужно быть кардиологом с дорогостоящим оборудованием, чтобы уловить и расшифровать этот сигнал. Любой желающий может сделать это с помощью этого самодельного устройства ЭКГ, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для оцифровки сигнала и отправки его на компьютер и замечательной книги, о которой я расскажу позже.

Вы можете собрать саму схему за полдня примерно за 40 долларов. АЦП будет стоить немного дороже, от 50 до 300 долларов. Но эти устройства открывают всевозможные возможности для домашнего экспериментатора, и поэтому каждый гражданин-ученый должен инвестировать в него. (Я много договаривался об одном из этих устройств, особенно для читателей MAKE. Читайте дальше.)

Экспериментальная проблема заключается в том, что сигнал, который мы ищем, измеряет только около 1 мВ, он может изменяться всего за 1/100 секунды и встроен в шумную среду. Чтобы не отставать от сигнала и повысить его до уровня 1 В, оцифровываемого, вам необходим усилитель с усилением около 1000 и частотной характеристикой не менее 100 Гц. Но стандартные операционные усилители (операционные усилители), такие как RadioShack 741, не будут работать из-за окружающего шума.

Когда электроды расположены далеко друг от друга на теле, наша кожа действует как сырая батарея и генерирует нерегулярную разность потенциалов, которая может превышать 2 В, уменьшая сердечный сигнал в 1 мВ. Хуже того, ваше тело и провода, которые подключаются к электродам, создают замечательные радиоантенны, которые воспринимают шум 60 Гц, исходящий от каждого кабеля питания в вашем доме. Это добавляет синусоидальное напряжение, которое дополнительно поглощает крошечные импульсы из вашего сердца, и, поскольку его частота близка к разрешению 100 Гц, которое нам нужно для отслеживания вашего сердца, трудно отфильтровать.

Теперь вы, электроники, можете подумать, что это не должно иметь значения, потому что операционные усилители являются «разностными усилителями», то есть они вычитают любое напряжение, которое одинаково подается на оба входа. К сожалению, операционные усилители не справляются с этой задачей безупречно, и, когда волны в тысячи раз превышают сигнал, как он есть, вы погружаетесь. Чтобы гарантировать, что этот «синфазный» мусор добавляет к нашим измерениям погрешность не более 1%, нам нужно, чтобы коэффициент синфазного отклонения (CMRR) составлял не менее 100 000 к 1. На электронном языке CMRR измеряется в децибел (дБ), где каждое увеличение напряжения в 10 раз эквивалентно 20 дБ. Это делает наш требуемый коэффициент 105 равным 20 * 5 или 100 дБ - точность выше, чем у большинства операционных усилителей.

Инструментальный усилитель

Когда приложение требует как высокого усиления, так и CMRR 80 дБ или более, опытные экспериментаторы часто обращаются к специальным устройствам, называемым инструментальными усилителями. Эти замечательные устройства когда-то были громоздкими и дорогими, но сегодня их можно приобрести всего за несколько долларов в виде интегральной схемы. Чтобы максимально упростить конструкцию, я разработал эту ЭКГ на основе Rolls-Royce инструментальных усилителей AD624AD от Analog Devices, которую можно купить у Digi-Key (digikey.com) менее чем за 25 долларов. Вы выбираете усиление в 1000 с AD624AD, просто закорачивая определенные контакты вместе, и при этой настройке CMRR усилителя превышает 110 дБ.

AD624AD прост в использовании, но опытные гаджеты также должны свободно экспериментировать с менее дорогими вариантами, такими как Analog Devices AD620AN. И если вы настоящий производитель типа Daniel Boone, вы можете сконструировать свой собственный инструментальный усилитель, используя три операционных усилителя RadioShack и несколько резисторов по 100 кОм.

Некоторые простые схемы поддерживают наш инструментальный усилитель. Двухступенчатый резисторно-конденсаторный (RC) фильтр отсеивает частоты выше, чем примерно 50 Гц. Поскольку фильтры идут, этот довольно скудный, но он работает достаточно хорошо, чтобы сделать работу. Я использовал четырехпроводный телефонный шнур для передачи сигналов между моим телом и усилителем, но вам нужно только три провода. На боковой стороне коробки с моим проектом имеется телефонная розетка для удобного подключения и отключения.

Электроды

Я вылепил свои первые электроды из четвертей, намазанных проводящим слоем шампуня, плотно приклеил их к телу и подключил к проводам. Они работали, вроде. Тогда я обнаружил, что каждый может купить мешки с настоящей вещью - электроды с кожурой и палкой, используемые кардиологами. Стоимость составляет около $ 13 за 50. (Google «Электроды ЭКГ» для множества поставщиков.) Я использовал зажимы аллигатора для соединения сигнальных проводов с металлическими ниппелями на задней стороне электродов.

Подсоедините отрицательный вывод измерительного усилителя под левой подмышкой вашего субъекта, а положительный вывод под правой подмышкой. Вы также должны подключить заземляющий провод для цепи к левой голени чуть выше лодыжки. Без ноги, как основания, с сигналом происходят плохие вещи, и это отличный маленький эксперимент, чтобы записать ЭКГ таким образом в течение примерно десяти минут и увидеть проблемы, которые закрадываются.

Регистрация данных

Чтобы проверить сигнал ЭКГ, вам нужно оцифровать и записать его на свой компьютер. Для этого требуется АЦП или устройство регистрации данных, которое может производить выборку с частотой 200 Гц. (Теорема Найквиста гласит, что для считывания колебательного сигнала требуется его дискретизация не менее чем в 2 раза чаще.) Я пробовал много регистраторов данных, и мой любимый - Go Link от Vernier Software, который имеет разрешение 12 бит и выборки при до 200 Гц. Добавьте соответствующий датчик напряжения, и вы готовы к рок-н-роллу буквально сотен других научных проектов. Я договорился с Вернье о сделке специально для читателей MAKE: 67 долларов за регистратор и пробник напряжения; см. sas.org/make.html для деталей.

После подключения электродов корпуса к нашей цепи, подключите Go Link к USB-порту ноутбука, подключите датчик напряжения к Go Link и подключите датчик к заземлению и выходу фильтра низких частот нашей цепи. В целях безопасности ноутбук должен быть отключен от сети.

БЕЗОПАСНОСТЬ

Если вы не делаете что-то экзотическое, инструменты на батарейках безопасны для подключения к людям. Питание Go Link осуществляется через USB-порт, поэтому, если ноутбук, который вы используете, отсоединен, у вас не будет никаких проблем.

В отличие от редакторов MAKE, я лично считаю, что можно использовать наше устройство ЭКГ с подключенным компьютером, если вы примете некоторые дополнительные меры предосторожности; см. больше обсуждений на моем сайте по адресу sas.org/make.html. Резистор 10М (это 10 миллионов Ом!) Между объектом и землей будет подавлять любой ток в маловероятном случае выхода из строя адаптера переменного тока и жжения ноутбука. Резисторы 47К также ограничивают ток. Даже при сильном скачке напряжения руки субъекта лежат за пределами любого пути между электродами, поэтому, если она испытывает какую-либо боль, она сможет схватить и оторвать провода. Держите кого-то еще в комнате, или, если это невозможно, сделайте короткие выводы электродов и проведите ЭКГ стоя. Таким образом, если ударит молния, вы нарушите связь, упав.

В любом случае, никогда не прикрепляйте электроды к рукам и не подключайте устройство к людям со слабым здоровьем. Независимо от того, сколько вы делаете, не запускайте свою ЭКГ, сделанную в домашних условиях, если вы думаете, что у вас может быть сердечный приступ. Не поддавайтесь своему любопытству и наберите 911.

В больницах некоторое контрольное оборудование добавляет еще один уровень безопасности: оптоизоляция. В этой схеме устройства с батарейным питанием, подключенные к пациенту, передают показания с помощью светодиодов на соответствующие оптические датчики внутри настенного устройства отображения. Поскольку единственной связью между этими двумя устройствами является поток фотонов, большие токи не могут достичь пациента через любые провода. Если вы хотите, вы можете добавить оптоизоляцию к вашей ЭКГ для защиты от цепочки событий уровня вероятности падения метеора с неба. Оптоизоляторы поставляются в виде микросхем DIP-типа, которые вы можете подключить к вашей системе между фильтром и регистратором данных. Вы заземлите сторону светодиодного передатчика к заземлению схемы усилителя, а приемник фотодиода к регистратору данных или к заземлению АЦП.

Интерпретация результатов

Как только вы овладеете искусством отслеживания своего тикера, вам нужно будет расшифровать, что все это значит. Дейл Дубин, доктор медицинских наук, должен упомянуть только одно: «Быстрая интерпретация ЭКГ». Вы найдете эту простую в освоении основу медицины почти на каждом книжном шкафу доктора в Америке. Доктор Дубин также оказался хорошим другом Общества ученых-любителей, поэтому мы можем предложить новые экземпляры этой классики СДЕЛАТЬ читателям со скидкой 30%; см. sas.org.

Поделиться

Оставить комментарий