Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Ciência cidadã - ECGs DIY

Esquema de um instrumento simples para monitorar o eletrocardiograma (facilmente feito em casa).

A ação de bombeamento do coração é impulsionada por ondas poderosas de atividade elétrica que fazem com que correntes fracas fluam no corpo, alterando o potencial elétrico entre diferentes pontos da pele em cerca de um milésimo de um volt (um milivolt, 1mV). Escondido dentro dessa atividade há uma enorme quantidade de informações sobre o que o coração está fazendo, e qualquer um que possa detectá-lo pode espiar o funcionamento desse incrível órgão.

Felizmente, você não precisa ser um cardiologista com equipamentos caros para pegar e decifrar esse sinal. Qualquer um pode fazer isso com este eletrocardiograma caseiro (ECG), um conversor analógico-digital (ADC) para digitalizar o sinal e enviá-lo para um computador, e um livro notável que lhe direi mais tarde.

Você pode montar o circuito em uma tarde por cerca de US $ 40. O ADC custará um pouco mais, entre US $ 50 e US $ 300. Mas esses dispositivos abrem um universo de oportunidades para o experimentador domiciliar e, portanto, todo cientista cidadão deve investir em um. (Negociei bastante com um desses dispositivos, especialmente para os leitores MAKE. Continue lendo.)

O desafio experimental é que o sinal que procuramos mede apenas cerca de 1mV, pode mudar em apenas 1/100 de segundo e está incorporado num ambiente ruidoso. Para acompanhar o sinal e impulsioná-lo para um nível de 1V digitalizável, você precisa de um amplificador com um ganho de cerca de 1.000 e uma resposta de freqüência de pelo menos 100Hz. Mas os amplificadores operacionais padrão (amplificadores operacionais) como o 741 da RadioShack não funcionarão devido ao ruído ao redor.

Quando os eletrodos são colocados bem afastados do corpo, nossa pele age como uma bateria grosseira e gera uma diferença de potencial irregular que pode exceder 2V, superando nosso sinal cardíaco de 1mV. Pior ainda, seu corpo e os fios que se conectam aos eletrodos criam antenas de rádio maravilhosas que captam o zumbido de 60Hz que emana de cada cabo de energia em sua casa. Isso adiciona uma voltagem sinusoidal, que sobrecarrega ainda mais os pulsos minúsculos do seu coração e, como sua frequência está próxima da resolução de 100 Hz que precisamos para rastrear seu coração, é difícil filtrar.

Agora, seus tipos de produtos eletrônicos podem pensar que isso não deve ser importante, pois os amplificadores operacionais são "amplificadores de diferença", ou seja, eles retiram qualquer voltagem que seja aplicada igualmente a ambas as entradas. Infelizmente, op-amps não fazem esse trabalho perfeitamente, e quando as ondas são milhares de vezes maiores que o sinal, como estão aqui, você está perdido. Para garantir que esse lixo de "modo comum" não acrescente mais do que 1% de erro à nossa medição, precisamos do que é chamado de CMRR (common-mode rejetion ratio) de pelo menos 100.000 para 1. Na linguagem eletrônica, CMRR é medido em decibéis (dB), onde cada fator de aumento de 10 na tensão é equivalente a 20dB. Isso faz com que a taxa necessária seja 105, o que equivale a 20 * 5 ou 100dB - uma precisão além da maioria dos amplificadores operacionais.

O amplificador de instrumentação

Quando um aplicativo exige alto ganho e um CMRR de 80 dB ou mais, experientes experientes recorrem frequentemente a dispositivos especiais chamados amplificadores de instrumentação. Esses dispositivos notáveis ​​já foram volumosos e caros, mas hoje podem ser comprados por apenas alguns dólares como um circuito integrado. Para tornar a construção o mais simples possível, projetei esse ECG em torno do Rolls-Royce de amplificadores de instrumentação, o AD624AD da Analog Devices, que você pode comprar da Digi-Key (digikey.com) por menos de US $ 25. Você seleciona um ganho de 1.000 com o AD624AD simplesmente reduzindo alguns pinos juntos e, nessa configuração, o CMRR do amplificador excede 110dB.

O AD624AD é fácil de usar, mas os gadgers experientes também devem se sentir à vontade para experimentar opções menos caras, como o Analog Devices AD620AN. E se você é um verdadeiro criador do tipo Daniel Boone, pode construir seu próprio amplificador de instrumentação usando três amplificadores operacionais RadioShack e um punhado de resistores de 100K.

Alguns circuitos simples suportam nosso amplificador de instrumentação. Um filtro resistor-capacitor (RC) de dois estágios elimina frequências maiores que cerca de 50Hz. Como filtros, este é bem fraco, mas funciona bem o suficiente para fazer o trabalho. Eu usei um cabo telefônico de quatro fios para transportar os sinais entre meu corpo e o amplificador, mas você só precisa de três dos fios. O lado da minha caixa de projeto ostenta uma tomada de telefone para fácil conexão e desconexão.

Os eletrodos

Formei meus primeiros eletrodos em quartos cobertos com uma camada condutora de xampu, colei-os firmemente ao corpo e conectei-os a fios condutores. Eles trabalhavam, mais ou menos. Então eu descobri que qualquer um pode comprar sacos da coisa real - os eletrodos de descascar e usar usados ​​pelos cardiologistas. O custo é de cerca de US $ 13 para 50. (Google "eletrodos de ECG" para uma série de fornecedores). Eu usei clipes jacaré para conectar os fios de sinal aos mamilos de metal na parte de trás dos eletrodos.

Conecte o lead negativo do amplificador de instrumentação a apenas sob a axila esquerda do seu sujeito e a sua pista positiva logo abaixo da axila direita. Você também deve conectar um fio terra para o circuito à canela esquerda logo acima do tornozelo. Sem a perna como um terreno, coisas ruins acontecem com o sinal, e é um ótimo experimento gravar um ECG dessa forma por cerca de dez minutos e ver os problemas que acontecem.

Registrando os dados

Para examinar o sinal de ECG, você precisará digitalizá-lo e gravá-lo no seu computador. Isso requer um dispositivo ADC ou registrador de dados que possa amostrar a 200Hz. (O Teorema de Nyquist afirma que a leitura de um sinal oscilante requer uma amostragem de no mínimo 2x sua frequência.) Eu experimentei muitos registradores de dados, e meu favorito é o Go Link da Vernier Software, que tem 12 bits de resolução e amostras em até 200Hz. Adicione a unidade de ponta de prova de tensão correspondente e você estará pronto para o rock-and-roll literalmente centenas de outros projetos científicos. Negociei um acordo com a Vernier especialmente para os leitores MAKE: $ 67 para o registrador e a sonda de voltagem; veja sas.org/make.html para detalhes.

Depois de conectar os eletrodos do corpo ao circuito, conecte o Go Link à porta USB do laptop, conecte a ponta de prova de voltagem ao Go Link e conecte a ponta de prova ao aterramento do nosso circuito e à saída do filtro passa-baixa. Por segurança, o laptop deve ser desconectado.

SEGURANÇA

A menos que você esteja fazendo algo exótico, os instrumentos movidos a bateria geralmente são seguros para se conectar às pessoas. O Go Link é ativado por meio de sua porta USB, portanto, se o laptop que você estiver usando estiver desconectado, não haverá preocupações.

Ao contrário dos editores da MAKE, pessoalmente, acho que não há problema em usar nosso dispositivo de ECG com um computador conectado, desde que você tome algumas precauções adicionais; veja mais discussão no meu site em sas.org/make.html. O resistor de 10M (ou seja, 10 milhões de ohms!) Entre o objeto e o solo sufocará qualquer corrente no caso improvável de um adaptador CA falhar e o laptop fritar. Os resistores de 47K também limitam a corrente. Mesmo com uma onda de energia esquisita, os braços do sujeito ficam de fora de qualquer caminho entre os eletrodos, então se ela sentir alguma dor, ela será capaz de agarrar e puxar os fios. Mantenha alguém na sala, ou, se isso não for possível, faça com que os eletrodos fiquem curtos e faça os ECGs em pé. Dessa forma, se um raio atingir, você quebrará a conexão ao cair.

Em qualquer caso, nunca conecte eletrodos aos braços e não conecte o dispositivo a pessoas com problemas de saúde. Não importa o quanto você o faça, não ligue seu ECG caseiro se achar que está tendo um ataque cardíaco. Resista à sua curiosidade e disque 911.

Nos hospitais, alguns equipamentos de monitoramento acrescentam mais uma camada de segurança: o opto-isolamento. Neste esquema, os dispositivos alimentados por bateria conectados ao paciente transmitem leituras via LEDs para os sensores ópticos correspondentes dentro de um dispositivo de exibição alimentado por parede. Como o único elo entre os dois dispositivos é um fluxo de fótons, grandes correntes não podem atingir o paciente por meio de fios. Se desejar, você pode adicionar isolamento óptico ao seu ECG para se proteger contra uma cadeia de eventos de nível de probabilidade que cai do céu. Os opto-isoladores vêm em CIs no estilo DIP que você pode conectar ao seu sistema entre o filtro e o registrador de dados. Você teria aterrado o lado do transmissor de LED ao terra do circuito do amplificador e o receptor do fotodiodo ao registrador de dados ou ao terra do ADC.

Interpretando os Resultados

Depois de dominar a arte de rastrear seu ticker, você precisará decifrar o que isso significa. Há apenas uma referência obrigatória, Rapid Interpretation of EKG, de Dale Dubin, MD. Você encontrará este pilar de medicina fácil de dominar na estante de quase todos os médicos nos Estados Unidos. O Dr. Dubin também é um bom amigo da Sociedade de Cientistas Amadores, por isso podemos oferecer novas cópias deste clássico para fazer os leitores com 30% de desconto; veja sas.org.

Ação

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