DIY: Auf den Spuren von "Silent Friend"; Plant Electrophysiology

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Ich muss noch mal den Film "Silent Friend" herausholen. Eigentlich fand ich den Film langweilig aber das Thema verfolgt mich schon seit Jahrzehnten: Bioelektrik. Auch die Film wiederkehrenden Muster haben mich durch mein Mandelbrotgenerator an komplexe Zusammenhänge mit der Natur erinnert.

Der Film spielt fast ausschließlich rund um den Alten Botanischen Garten der Universitätsstadt Marburg, kurze Szenen spielen in Paris und Hongkong. Im Zentrum dreier Geschichten, die sich über ein Jahrhundert erstrecken, steht ein Ginkgo, der über diesen Zeitraum hinweg die leisen Rhythmen der Transformation in drei Menschenleben beobachtet hat.

Im Jahr 2020 stellt ein Neurowissenschaftler aus Hongkong, der in Marburg eine Gastprofessur hat und das Gehirn von Babys erforscht, ein Experiment mit dem alten Baum an. Im Jahr 1972 erfährt der Student Hannes durch den einfachen Akt des Beobachtens und der Verbindung mit einer Geranie eine tiefgreifende Veränderung. Im Jahr 1908 entdeckt Grete, die erste Biologiestudentin der Universität, ihre Leidenschaft für die Fotografie. Insbesondere Pflanzen nimmt sie mit ihrer Linse genauer unter die Lupe und entdeckt dabei Erstaunliches, nämlich „heilige Muster des Universums“, verborgen in der bescheidensten aller Pflanzen.

Nicht das ich schon genug Bastelsachen mache (das Mandelbrotprojekt kostet mich mehr Zeit als geplant) aber durch Zufall bekam ich eine Herz EKG Platine in die Hand gedrückt. Eine simple Analogplatine für drei Elektroden mit einem relativ guten Verstärker für die MikroVolt EKG Ströme. Ich habe im Netz einen Umbau zum EEG gesehen: https://www.instructables.com/Mind-Cont ... G-Monitor/ (Vorsicht Lebensgefahr: Niemals (USB) Masse direkt am Körper befestigen! Immer nur galvanisch getrennt.)

Der AD8232 ist das Herzstück auf meiner kleinen Platine (14,- EUR) ist eigentlich NICHT für EEG gedacht. Der AD8232 Heart Rate Monitor AD8232 wurde entwickelt für:

- Herzsignale
- relativ langsame Biosignale
- größere Signalpegel als EEG

Das EEG ist nochmals schwieriger:

- deutlich kleinere Spannungen
- empfindlicher gegen Störungen (Handy, WLAN, Netzbrummen etc.)
- kritischere Tiefbassbereiche

Darum muss das Modul modifiziert werden. EEG ist analogtechnisch wirklich brutal empfindlich und mein Entwicklungsboard ist elektrisch eine Katastrophe - was Störungen von solch kleinen Strömen im Millionstel Volt betrifft. Es gibt schon seit Jahren Forschungen dazu (Pflanzen und Elektrik) und nennt sich im Oberbegriff: Plant Electrophysiology

Pflanzen erzeugen wirklich elektrische Signale.
Pflanzen haben zwar:

keine Nervenzellen
kein Gehirn

Aber:

Ionenströme
Membranpotentiale
elektrische Reaktionen

Und diese kann man messen.

Was misst man da? Typische Signale entstehen durch:

Lichtänderungen
Berührung
Temperatur
Wasserstress
Verletzung
chemische Reize

Also:
Die Pflanze „reagiert“ elektrisch auf ihre Umwelt.

Warum der AD8232 für Pflanzen gut passt? Der AD8232 bringt bereits mit:

- Instrumentenverstärker
- hohe Eingangsimpedanz
- Filter
- Gleichtaktunterdrückung
- virtuelle Masse
- 3.3-V-kompatiblen Ausgang

Das spart enorm viel eigenen Analogaufwand. Es gibt noch bessere (teure) 24 Bit Biowandler so ab 40,- bis Mehrkanalentwicklerplatinen für mehrere hundert Euronen. Aber es liegt nun hier ein Billig EKG aus China auf meinen Schreibtisch, warum nicht mal damit kurz schauen was geht oder nicht geht. Im Netz gibt es auch Anwendungen wo die Pflanze am Synthesizer angeschlossen wird und Musik macht. Das halte ich für großen Irrtum, Pflanzen reagieren eher über Minuten und nicht mit 120 Beat pro Sekunde. Was dort gemessen wird sind vermutlich Störungen aus der Luft wie Netzbrummen. Die Ströme sind wirklich extrem schwach und wenn jemand dann mit 1m Draht, ungeschirmt, eine Verbindung zur Pflanze aufbaut, dann misst er alles - nur die Pflanze nicht.

Sobald ich Zeit finde, werde ich mal eine Zimmertomate verkabeln - versprochen. Vielleicht wird der Film Silent Friend und ich doch noch freunde.

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Ein Anfang für eine Biomessstation ist gemacht. Im Moment werden Zeit, Datum, Luftdruck, Temperatur, Gase (Luftqualität), Helligkeit in LUX gemessen, später auf SD Karte geloggt. Es fehlt noch Bodenfeuchte und vor allen die Blattmessungen. Der Messverstärker AD8232 soll ja 0,00001V auf 2V Verstärken damit der Teensy Prozessor an seinen AD Wandler was zum messen hat. Leider schwingt der Verstärker oder nimmt hier in der Umgebung WLAN oder BT auf. Bin aber an dem Problem dran mit reichlich selbstklebender Kupferfolie.

Noch eine Bemerkung zum Uhrenmodul, ich habe mich gewundert das die Zeit um 20 Sekunden nicht stimmt. Es liegt daran, dass die Zeit & Datum vom Programmiersystem kommt (bei mir WIN11), in dem Moment wenn ich die Flashtaste drücke, aber das flashen des Bausteins dauert auf meinen System genau 20 Sekunden ;-)

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P1000109.JPG

Das EKG läuft nun sehr sauber. Das Problem war mein PC, er erzeugt im Radius von 1,5 Meter elektromagnetische Wellen, die größer (stärker) sind als die EKG Signale vom Herzen. Das Display zeigte mir mit Akkubetrieb und 2 Meter vom PC entfernt ein sauberes EKG soweit ich das als Leihe überhaupt beurteilen kann. Der Teensy langweilig sich beim Darstellen auf dem Monitor und habe weiter experimentiert: Trotz programmieren eines Steilflankigen 50 Hz Notchfilter und einen weiteren Tiefpass, ist der Prozessor kaum beschäftigt. Ich denke er könnte zeitgleich die EKG Signale automatisch analysieren und Abweichungen vom Normalwert anzeigen. 4,5,6 typische Herzerkrankungen wären wahrscheinlich als Diagnose des Signals als Textausgabe möglich. Auch das Schreiben der Daten auf SD Karte wäre kein Problem, für Langzeit EKG.
Auch wenn es kein echtes abgenommenes Medizinisches Gerät mit EU Zulassung ist, denke ich für die dritte Welt in Dörfern wäre so ein Gerät (unter 100 Euro Materialkosten) empfehlenswert. Ein Handy haben die meisten, so könnten die gewonnen EKD Daten des Patienten zur nächsten größeren Stadt einem Kardiologen (oder demnächst der KI) zur Diagnose gesendet werden - besser wie nix.

Aber ich möchte ja eigentlich Biosensoren haben und ein Mensch ist keine Pflanze, Statt Arme, Brust und Beine messe ich an Blatt und Stengel. Dazu habe ich die EKG Platine überarbeitet und Teile getauscht, Platinenleiterbahnen geändert und damit den Arbeitszeitpunkt des AD Wandlers geändert. Ich habe dann Elektroden bei mir über die Augenbraunen geklebt. Ich konnte tatsächlich mit der umgebauten Platine Augenrollen, Augenlider Auf/Zu deutlich messen. Ob das wirklich schon EEG Messungen waren, werde ich morgen weiter ergründen. Auf jeden Fall ist die Empfindlichkeit nochmals gestiegen, siehe Bild. Die grüne Kurve ist vom umgebauten Modul, die gelbe von der normalen EKG Platine. Die grüne welle ist massiv stärker bei gleichen Eingang eines Signales.


Falls jemand ein Sketch für EKG benötigt, hier mein erster Test

Code: Alles auswählen

// Ruesseltechnik EKG V1 18.06.2026
// inkl. 50Hz Notchfilter und Hochpass gegen Störungen
// läuft einwandfrei mit der AD8232 Herzplatine (aus China) auf einem 2.8 Zoll TFT Bildschirm
// Achtung!!! Am Herzen nur mit Akkubetrieb messen, niemals direkt von einem PC mit Netzteil über USB betreiben. Lebensgefahr!!
// Der Sketch ist für den Teensy 4.1; Output der EKG Platine an A0 des Teensy. TfT Bildschirmanschluss dem Sketch entnehmen.

#include <SPI.h>
#include <ILI9341_t3.h>

#define TFT_CS   10
#define TFT_DC    9
#define TFT_RST   8

#define ECG_PIN  A0

ILI9341_t3 tft(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);

// Farben
#define COL_BG    0x0008
#define COL_GRID  0x52AA
#define COL_TEXT  0x7C0F
#define COL_TRACE ILI9341_YELLOW

int xPos = 0;
int oldY = 120;

const int AVG_N = 8;
int avgBuf[AVG_N];
int avgIdx = 0;

float baseline = 2048.0;

void drawGrid()
{
  tft.fillScreen(COL_BG);

  // feines Raster
  for (int x = 0; x < 320; x += 8)
    tft.drawFastVLine(x, 30, 210, COL_GRID);

  for (int y = 30; y < 240; y += 8)
    tft.drawFastHLine(0, y, 320, COL_GRID);

  // grobes Raster
  for (int x = 0; x < 320; x += 40)
    tft.drawFastVLine(x, 30, 210, COL_TEXT);

  for (int y = 30; y < 240; y += 40)
    tft.drawFastHLine(0, y, 320, COL_TEXT);

  tft.setTextColor(COL_TEXT);
  tft.setTextSize(2);

  tft.setCursor(8, 5);
  tft.print("BioMonitor V1");

  tft.setCursor(220, 5);
  tft.print("EKG");
}

int smooth(int sample)
{
  avgBuf[avgIdx] = sample;
  avgIdx++;
  if (avgIdx >= AVG_N) avgIdx = 0;

  long sum = 0;

  for (int i = 0; i < AVG_N; i++)
    sum += avgBuf[i];

  return sum / AVG_N;
}

void setup()
{
  analogReadResolution(12);
  analogReadAveraging(16);

  tft.begin();
  tft.setRotation(1);

  drawGrid();
}

void loop()
{
  int raw = analogRead(ECG_PIN);

  raw = smooth(raw);

  // langsame Nachführung der Mittellinie
  baseline = baseline * 0.999 + raw * 0.001;

  float signal = raw - baseline;

  // Verstärkung
  signal *= 0.10;

  int y = 135 - signal;

  y = constrain(y, 35, 235);

  if (xPos > 0)
  {
    tft.drawLine(xPos - 1, oldY,
                 xPos, y,
                 COL_TRACE);
  }

  oldY = y;
  xPos++;

  if (xPos >= 320)
  {
    xPos = 0;
    drawGrid();
  }

  delay(4);   // ~250 Hz
}

P.S.
Da ich für die EKG Messungen zuerst keinen TfT Bildschirm dran hatte und auch nicht in der Nähe des PC sein durfte, habe ich die Rohdaten der EKG Platine (AD Wandlerwerte) auf SD Karte geschrieben und ChtGPT die Rohdaten hochgeladen. Es hat keine Sekunde gedauert und die KI hatte die Daten als erstes richtiges EKG erkannt und konnte daraus auch meinen Puls mit angeben - aus einen langen Haufen Zahlen. Da merke ich wieder wie überlegen die KI über eines Menschen ist. Ist halt Mustererkennung.

hier noch ein kurzer Überblick des Testaufbau mit 2 EKG Platinen:

P1000110.JPG