80 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000

Nauk

owiec amator

WSZYSTKIE ILUSTRACJE: DANIELS & DANIELS

S E R C E

_

R Y T M

Elektrokardiogram w domu

Kontroluj bicie swego serca urzàdzeniem w∏asnej roboty,
które opisuje Shawn Carlson

N

igdy nie by∏em tak przera˝ony, jak tego dnia, gdy
myÊla∏em, ˝e moja ˝ona umiera. W drodze do szpi-
tala zignorowa∏em wszystkie czerwone Êwiat∏a na
skrzy˝owaniach ulic, gdy˝ na siedzeniu obok Mi-

chelle s∏ab∏a w oczach. A zacz´∏o si´ to 10 min wczeÊniej, gdy mój
domowej roboty stetoskop elektroniczny [patrz: „Rejestrujemy
dêwi´ki ˝ycia”,

NAUKOWIEC AMATOR

; Âwiat Nauki, grudzieƒ

1997] potwierdzi∏ wra˝enie, ˝e jej serce ma nieregularny rytm.
Gdy wreszcie dotarliÊmy na parking przed szpitalem, ˝ona le-
dwie mog∏a mówiç. Musia∏em jà wnieÊç do izby przyj´ç.

Okaza∏o si´, ˝e to tylko ∏atwe do usuni´cia dzia∏anie niepo˝à-

dane za˝ywanego leku. Po szeÊciu godzinach byliÊmy z powro-
tem w domu. Incydent ten wystraszy∏ mnie jednak tak bardzo, ˝e
zbudowa∏em dla Michelle automatyczny uk∏ad do rejestracji ryt-
mu serca, by na wypadek, gdyby podobne symptomy kiedykol-
wiek si´ powtórzy∏y, mieç wyraêniejszy sygna∏ ostrzegawczy.
By∏ to przyrzàd akustyczny. Taki czujnik pozwala ∏atwo stwier-
dziç nieregularne bicie serca, lecz znacznie wi´cej informacji da-
je elektryczny zapis jego rytmu. Postanowi∏em wi´c zbudowaç
elektrokardiograf, a mo˝na to zrobiç w ciàgu jednego popo∏u-
dnia, wydajàc oko∏o 60 dolarów.

Nasze serce dzia∏a jak pompa pobudzana silnymi falami aktyw-

noÊci elektrycznej, dzi´ki którym nast´pujà skoordynowane
skurcze i rozkurcze w∏ókien mi´Êniowych [patrz: Alden H. Har-
ken, „Chirurgiczne leczenie zaburzeƒ rytmu serca”; Âwiat Nauki,
wrzesieƒ 1993]. Przez nasze cia∏o przep∏ywajà wówczas s∏abe
pràdy elektryczne, co daje zmiany ró˝nicy potencja∏ów o warto-
Êci oko∏o 1 mV mi´dzy ró˝nymi miejscami skóry. Te sygna∏y
elektryczne mogà si´ zmieniaç bardzo szybko, nawet w czasie

1

/

50

s. Aby wi´c dostaç ∏atwo mierzalne napi´cie oko∏o 1 V, trze-

ba mieç wzmacniacz o wzmocnieniu oko∏o 1000 i pasmie przeno-
szenia si´gajàcym przynajmniej do 50 Hz.

Pomiary elektryczne nie sà wam obce, wi´c pewnie zaraz po-

myÊlicie o wzmacniaczu operacyjnym. Sà jednak dwa drobne,
lecz dokuczliwe powody, dla których typowe wzmacniacze ope-
racyjne nie nadajà si´ do tego celu. Po pierwsze, gdy umieÊci si´
elektrody w dwóch odleg∏ych miejscach cia∏a, nasz naskórek
dzia∏a jak prymitywne ogniwo elektryczne, wytwarzajàce ciàgle
zmieniajàcà si´ si∏´ elektromotorycznà, która mo˝e nawet prze-
kroczyç 2 V, a wi´c jest wielokrotnie wi´ksza od s∏abego sygna-
∏u, który chcemy mierzyç. Po drugie, nasze cia∏o i przewody bie-
gnàce od elektrod stanowià znakomità anten´ radiowà, która bez
trudu odbiera zak∏ócenia o cz´stoÊci sieci elektrycznej (w∏aÊnie
50 Hz), pochodzàce z przewodów zasilajàcych wszystkie domo-
we urzàdzenia elektryczne. Daje to napi´cie zmienne, które jesz-
cze bardziej maskuje s∏abiutkie impulsy elektryczne pochodzà-
ce od bicia serca. Napi´cie to zmienia si´ z cz´stoÊcià bliskà
rytmowi zmian, które chcemy mierzyç, a wi´c nie da si´ go usu-
nàç za pomocà filtru.

Ka˝de z tych zjawisk powoduje takie same zmiany napi´cia

na obu wejÊciach wzmacniacza. Niestety, typowy wzmacniacz
operacyjny nie pozwala usunàç tego niepo˝àdanego sygna∏u
wspó∏bie˝nego. JeÊli chcemy, by sygna∏ wspó∏bie˝ny (którego
amplituda – pami´tajmy – mo˝e byç ponad 1000 razy wi´ksza
ni˝ poszukiwanego sygna∏u) powodowa∏ b∏àd pomiaru ró˝nicy

–9 V

+9 V

0.1 µF

1.0 µF

0.1 µF

0.1 µF

10 M

Ω

16

12

13

11

3

2

+

–

1

8

4

5

7

6

10

4.7 k

Ω

47 k

Ω

10 k

Ω

, Potencjometr 10-obrotowy

Prosty filtr dolnoprzepustowy

AD624AD

9

47 k

Ω

47 k

Ω

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 2000 81

Nauk

owiec amator

napi´ç nie wi´kszy ni˝ 1%, to potrzebny
jest nam wzmacniacz o wspó∏czynniku
t∏umienia sygna∏u wspó∏bie˝nego co naj-
mniej 100 000:1 (czyli 100 dB). Dla wi´k-
szoÊci wzmacniaczy operacyjnych jest to
wartoÊç nieosiàgalna.

W zastosowaniach wymagajàcych za-

równo du˝ego wzmocnienia, jak i
wspó∏czynnika t∏umienia sygna∏u
wspó∏bie˝nego 80 dB lub wi´cej do-
Êwiadczeni badacze si´gajà po specjalne
uk∏ady zwane wzmacniaczami po-
miarowymi (instrumentation ampli-
fiers). Bardzo dobry jest wzmac-
niacz AD624AD firmy Analog Devices
(www.analog.com), który przy wzmoc-
nieniu 1000 ma wspó∏czynnik t∏umie-
nia sygna∏u wspó∏bie˝nego wi´kszy ni˝
110 dB, a kosztuje niewiele ponad 20 do-
larów (www.pios.com). Zawzi´ci maj-
sterkowicze mogà te˝ wypróbowaç taƒ-
sze modele, na przyk∏ad AD620AN.

U˝ywajàc wzmacniacza AD624AD,

mo˝na bez trudu rejestrowaç rytm ser-
ca. WartoÊç wzmocnienia ustala si´ przez
zwieranie niektórych nó˝ek uk∏adu – na
rysunku pokazano, jak ustawiç wzmoc-
nienie równe 1000. Dwustopniowy filtr
RC s∏u˝y do odci´cia cz´stoÊci wi´kszych
od oko∏o 50 Hz. Do po∏àczenia elektrod
ze wzmacniaczem wykorzysta∏em czte-
ro˝y∏owy kabel telefoniczny, ale potrzeb-
ne sà tylko trzy przewody. Na Êciance
skrzynki pomiarowej zamontowa∏em
gniazdko telefoniczne, by kabel mo˝na
by∏o ∏atwo przy∏àczaç i od∏àczaç.

W pierwszych doÊwiadczeniach za

elektrody s∏u˝y∏y mi monety çwierçdo-
larowe, które posmarowa∏em przewo-

dzàcà warstwà szamponu, przyklei∏em
ciasno do cia∏a plastrem i do∏àczy∏em do
nich przewody. To dzia∏a∏o, lecz nieba-
wem odkry∏em, jak ∏atwo jest zdobyç
profesjonalne elektrody u˝ywane przez
kardiologów – za kilkanaÊcie dolarów
mo˝na kupiç 50 elektrod gotowych do
natychmiastowego u˝ycia: po prostu od-
klejamy je od arkusza i przylepiamy do
cia∏a (www.medicalbuyer.com). Koƒce
przewodów zaopatrzy∏em w krokodyl-
ki do po∏àczenia z metalowà z∏àczkà na
tylnej Êciance elektrody.

Nale˝y po∏àczyç przewód ujemny

z lewym, a dodatni z prawym nadgarst-
kiem badanej osoby, przewód uziemio-
ny do∏àczyç do lewej goleni tu˝ nad
kostkà. Okaza∏o si´, ˝e nie jest zbyt wy-
godnie robiç pomiary z przewodami do-
∏àczonymi do nadgarstków, przenio-
s∏em wi´c te dwie elektrody w pobli˝e
pach, a przewody umieÊci∏em pod ubra-
niem, tak by wychodzi∏y na zewnàtrz
nad klamrà paska do spodni.

Elektrokardiogram wspaniale widaç

na ka˝dym oscyloskopie. Oscyloskop
jest wprost niezb´dny ka˝demu elek-
tronikowi hobbyÊcie, wi´c jeÊli jeszcze
go nie masz, to koniecznie powinie-
neÊ zdobyç. Mo˝e w jakimÊ sklepie
elektronicznym wypatrzysz dwukana-
∏owy oscyloskop o pasmie przenosze-
nia 100 MHz – czyli znacznie szybszy
ni˝ potrzebny do tak prostego do-
Êwiadczenia. Jeszcze korzystniejsze
zakupy mo˝na zrobiç na gie∏dach in-
ternetowych, jak eBay.com, a tak˝e na
elektronicznych lub dla radioamatorów.
JeÊli musisz oszcz´dzaç, podejmij pró-

b´ budowy taniego monitora – porady
na ten temat znajdziesz na internetowej
stronie dyskusyjnej Society for Amateur
Scientists.

JeÊli chcesz wykonaç analiz´ kompu-

terowà rytmu swego serca, musisz prze-
tworzyç sygna∏ na postaç cyfrowà za
pomocà przetwornika analogowo-cy-
frowego. Musi on mieç cz´stoÊç prób-
kowania co najmniej 100 Hz, tzn. co naj-
mniej dwa razy wi´kszà od najwi´kszej
cz´stoÊci sygna∏u. Takie przetworniki
wytwarzajà na przyk∏ad firmy Vernier
Software (www.vernier.com) i National
Instruments (www.ni.com). Powa˝ni
badacze amatorzy powinni te˝ zapo-
znaç si´ z obszernà ofertà oprogramo-
wania firmy National Instruments,
gdzie mo˝na znaleêç natychmiastowe
rozwiàzanie niemal ka˝dego zadania
z zakresu zbierania i analizy danych.
Nie jest to oprogramowanie tanie, ale
mo˝e ono ca∏kiem odmieniç twoje ˝y-
cie eksperymentatora.

T∏umaczy∏

Miros∏aw ¸ukaszewski

Dodatkowe informacje na temat tego i in-

nych projektów dla naukowców amatorów
mo˝na znaleêç na stronie internetowej So-
ciety for Amateur Scientists: sas.org. Aby
pomóc naukowcom amatorom, SAS oferuje
elementy elektroniczne, w tym elektrody
(ale nie p∏ytki drukowane ani skrzynk´ po-
miarowà) za 60 dolarów. Mo˝ecie tak˝e pi-
saç do nas pod adresem: 4735 Clairemont
Square, PMB 179, San Diego, CA 92117,
USA, lub telefonowaç pod numer: 0-01 619-
-239-8807 (USA).

SERCEM PRZYRZÑDU POMIAROWEGO

jest uk∏ad zawierajàcy

wzmacniacz i filtr, który zwielokrotnia s∏abe sygna∏y napi´cia mi´-
dzy ró˝nymi miejscami skóry. Zastosowanie wzmacniacza pomia-
rowego, a nie standardowego wzmacniacza operacyjnego, pozwa-
la na dok∏adny pomiar ró˝nicy napi´ç nawet w obecnoÊci du˝ych
fluktuacji napi´cia t∏a. Sygna∏ wyjÊciowy mo˝na oglàdaç na oscylo-
skopie lub na monitorze w∏asnej roboty.

Zasilacz

+9 V

–9 V

9 V

+

–

+

–

9 V

1.0 µF

1.0 µF

Oscyloskop