Informa(kavtelemedicíně** FBMIČVUT

Informa(ka*v*telemedicíně** FBMI*ČVUT* Případové*studie*přenosu*informací*a*bezdratová*komunikace*WBAN*

Kolek(v*autorů:*Jiří*Brada,*Vladimír*Hrachovina,*Marie*Tichá,* Petr*Krajíček,*Vít*Janovský,*Radek*Fiala,*Lukáš*Kučera* * Číslo*projektu:*CZ.1.07/2.2.00/28.0322* Tento*projekt*je*realizován*za*podpory*MŠMT*ČR*a*ESF*ČR*v*rámci* Operačního*programu*vzdělávání*pro*konkurenceschopnost.*

(W)BAN sítě: příklady praktických řešení

●

ProeTEX: –

projekt EU zaměřený na vývoj osobního bezpečnostního monitorovacího systému pro hasiče,

–

výstroj z pokročilých materiálů s integrovanými senzory (např. vetkané EKG elektrody, ...),

–

prototyp: ● ●

spodní prádlo: EKG, dechová frekvence, teplota, svrchní oděv: akcelerometry, GPS, teplota, radio (Bluetooth), akumulátor, alarmy (akustický, optický),

●

boty: snímač CO2

●

drátové propojení senzorů.

Tento projekt je realizován za podpory MŠMT ČR a ESF ČR v rámci Operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost.


Převzato z http://www.proetex.org/first_prototypes.htm



Převzato z http://www.proetex.org


(W)BAN sítě: příklady praktických řešení ●

Zephyr BioHarness: –

komerčně dostupný produkt,

–

cíleno na sportovce, záchranáře, vojáky,

–

snímá: tepová + dechová frekvence, orientace těla, aktivita, GPS data.



Převzato z http://www.zephyr-technology.com/



Převzato z http://www.fact-canada.com/BioHarness/Zephyr-Bioharness.html



●

SoldierInspect: –

Projekt Spol. pracoviště ČVUT FBMI a 1. LF UK pro AČR,

–

monitorování HRV, aktivity, teploty vojáků při výcviku a zásahu,

–

drátová senzorová síť, bezdrátový přenos dat do vyhodnocovacího stanoviště.


●

(W)BAN sitě: příklady praktických řešení


●

FlexiGuard: –

Projekt Spol. pracoviště ČVUT FBMI a 1. LF UK pro MV ČR (IZS),

–

monitorování skupiny různých fyziologických a environmentálních parametrů při výcviku a zásahu jednotek IZS (hasiči, záchranáři, ...),

–

bezdrátová senzorová síť, bezdrátový přenos dat do vyhodnocovacího stanoviště, holterovský záznam,

–

aktivní projekt.






Využití 'BAN' sítí pro přenos biotelemetrických informací


●

Biologické informace: –

signály–parametry,

–

senzory,

–

principy snímání.

●

BAN sítě,

●

současná řešení,

●

referenční aplikace: protokol ANT. Tento projekt je realizován za podpory MŠMT ČR a ESF ČR v rámci Operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Přehled parametrů snímaných v rozličných odvětvích biomedicínského inženýrství


Parametry typicky snímané v BMI ●

Fyziologické:

●

●

●

Environmentální:

●

●

Přímo souvisí se subjektem, měřený subjekt je ovlivňuje. Souvisí především s okolím subjektu, měřený subjekt je jimi ovlivňován.



Fyziologické:

●

biosignály: EKG, EMG, EEG, EOG, ...,

●

GSR (kožní odpor),

●

bioimpedance,

●

poloha, aktivita, ...,

●

teplota,

●

koncentrace krevních či dýchacích plynů, ...



Environmentální veličiny:

●

Teplota,

●

vlhkost,

●

znečištění atmosféry,

●

intenzita osvětlení,

●

intenzita hluku,

●

...



Odvozené – např.:

●

EKG → HR (tepová frekvence),

●

dechová frekvence,

●

energetický výdej,

●

psychosomatický stav obecně (stres, únava, ...)


Přehled vlastností snímaných parametrů


Charakteristiky snímaných parametrů ●

EKG: –

bioelektrický potenciál vznikající díky činnosti srdečního svalu.

●

Amplituda: –

●

Frekvenční rozsah: –

●

řádově milivolty. std.: 0,67-200 Hz.

Metoda snímání: –

povrchové elektrody,

–

biosignálový zesilovač.


Zdroj obrázku: http://www.intmath.com/blog/math-of-ecgs-fourier-series/4281

Zdroj obrázku: http://www.nikomedusa.com/stress_lab.cfm

Upraveno z http://www.nikomedusa.com/stress_lab.cfm



EMG: –

●

bioelektrický potenciál vznikající činností svalů obecně. ●

Amplituda: –

záleží na svalu,

–

řádově desítky µV až mV.


●

jednotky Hz až kHz.


povrchové nebo jehlové elektrody,

–



Obrázek převzat z http://www.ruhr-uni-bochum.de/sprachkog/lab.html.en

Obrázek převzat z INNOVATIVE METHODOLOGY: Carlo J. De Luca, Alexander Adam, Robert Wotiz, L. Donald Gilmore, S. Hamid Nawab Decomposition of Surface EMG Signals J Neurophysiol September 2006 96:(3) 1646-1657; doi:10.1152/jn.00009.2006

Obrázek převzat z Hand Sign Classification Employing Myoelectric Signals of Forearm, Takeshi Tsujimura, DOI: 10.5772/51080

Obrázek převzat z http://kingmedical.com/neurology-diagnostics/emg-ncv-supplies/i njectable-needle-electrodes/ambu-neuroline-inoject-hypodermicemg-needle.html



EEG: –

bioelektrický potenciál vznikající činností mozku.

●

Amplituda: –

●


●

povrchové: řádově desítky µV. typ. 0,5-30 Hz.


povrchové (většinou) nebo jehlové elektrody,

–



Obrázek převzat z http://www.gtec.at/News-Events/Press


Převzato z Goldberger AL, Amaral LAN, Glass L, Hausdorff JM, Ivanov PCh, Mark RG, Mietus JE, Moody GB, Peng C-K, Stanley HE. PhysioBank, PhysioToolkit, and PhysioNet: Components of a New Research Resource for Complex Physiologic Signals. Circulation 101(23):e215-e220 [Circulation Electronic Pages; http://circ.ahajournals.org/cgi/content/full/101/23/e215]; 2000 (June 13).



EOG: –

bioelektrický potenciál měnící se v závislosti na poloze oka.

●

Amplituda: –

●


●

řádově milivolty. DC-100 Hz.



–



Obrázek převzat z http://www.soundandvision.com/content/analog-devices-electrooculogram



GSR: –

kožní odpor/vodivost,

–

a.k.a. EDA (electrodermal activity).

●

Amplituda: –

●

pro elektrody na dlani řádově 100 kΩ (desítky µS), vysoce individuální.

Frekvenční rozsah: signál se mění pomalu Metoda v řádu snímání: jednotek sekund. – povrchové elektrody, –

●

–

zdroj proudu + zesilovač.


Obrázek převzat z http://www.kvnonews.com/2011/04/nebraska-to-track-sex-offenders-with-polygraphs/

Obrázek převzat z http://www.angelfire.com/ar3/3204_physics/page4.html



Bioempedance: –

●

impedance měřená přes různé části těla, ●

●

impedanční tomografie hrudníku → monitoring ventilace; měření tělesné skladby (tuk), ...

●

Výsledek měření: poměr impedancí (absolutní zěmření hodnota závisí na konstrukci přístroje). Metoda snímání: –


–

zdroj střídavého proudu + zesilovač.


Převzato z http://sportssupply.com/Omron-HBF-306C-Body-Fat-Analyzer.html

Upraveno z http://www.item.hs-furtwangen.de/HFU/monitoring-ventilation-distribution



Poloha: –

–

●

aktivita určitých částí těla, např. ●

krokoměr,

●

snímač celkové aktivity,

monitoring různých pohybů (např. rehabilitace), ...

●

Spektrum a amplituda signálu závisí na druhu snímaných pohybů a metodice.


Akcelerometry, gyroskopy (MEMS),

–

kamera + markery.


Providing Real-Time Biofeedback for Amputee Gait Retraining Using LabVIEW. Graham Webb, University of Surrey, upraveno z http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs



Krevní/dýchací plyny: –

saturace krve kyslíkem,

–

analýza vydechovaného mixu plynů.

●

●

Amplitudy, frekvence změn: viz konkrétní plyn/měřená kvantita.


SpO2: většinou opticky – pulzní oxymetrie,

–

O2, CO2, laktát, ... – laboratorní analyzátory.


Upraveno z CareFusion: Oxycon Mobile Brochure http://www.carefusion.com/pdf/Respiratory/CPET_-_Metablic_Carts/Oxycon_Mobile_Brochure.pdf



Teplota: –

–

●

těla: ●

povrchová,

●

teplota jádra.

okolí.

Amplituda: –

tělo:36,5 °C ± 5 °C (extrémy).

–

okolí: podle klimatu :) .

●

Frekvence:

●

tělo: pomalé změny (τ ~ desítkysnímání: s), Metoda –

– –

okolí – závislé na termistor/termočlánek/ prostředí. integrovaný obvod,

–

IR teploměry, mechanické teploměry,


Wikimedia Commons / Public Domain

Wikimedia Commons / Public Domain

1,6 x 1x2 mm Obrázek převzat z: http://www.windpowerengineering.com/policy/environmental/mouser-e-now-stocks-tiny-ti-temperature-sensor/



Vlhkost: –

téměř vždy relativní vlhkost.

●

Amplituda: –

●

Frekvence: –

●

0-100 % (z definice). závislé na prostředí.


integrované CMOS snímače,

–

kapacitní snímače.


Zdroj obrázku: http://www.temperatur-shop.de/index.php?cat=KAT254&lang=ENG&product=HYT939

Zdroj obrázku: http://www.temperatur-shop.de/index.php?cat=KAT360&lang=ENG&product=EFS10

Zdroj obrázku: http://www.apc-hero.co.uk/news/11/69/Radiation-and-C02-Sensors-from-APC


PŘÍPADOVÁ STUDIE: návrh verifikačního modelu WBAN sítě pro projekt FlexiGuard


Návrh verifikačního modelu WBAN sítě pro projekt FlexiGuard:


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard ●

Požadavky na „chytrý“ (smart) senzor: –

modulární koncepce (flexibilita v ohledu měřené veličiny),

–

nízká spotřeba,

–

malá velikost,

–

standardizované řešení radiového rozhraní.


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard



Po něklika iteracích zvoleny následující technologie: –

Mikrokontrolér ARM Cortex-M0,

–

radiové rozhraní ANT,

–

napájení 3V lithiovou baterií („knoflíková“),

–

systémový konektor s vyvedenými ADC, I2C, USART, GPIO.


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard



Vlastnosti MCU (LPC1114): –

Jádro Cortex-M0,

–

různé konfigurace flash a RAM,

–

rozličné zabudované periferie: USART, I2C, čítače/časovače, ...

–

různé módy úspory energie,

–

... viz nxp.com



Vlastnosti ANT: –

přenos v pásmu 2,4 GHz,

–

nízký příkon, krátký dosah,

–

přenos dat v časovém multiplexu, periodicky,

–

pevná délka datového paketu,

–

možnost „burst“ přenosu,

–

ANT+: standardizované profily určitých typů zařízení (HRM, krokoměr, ...)


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard první verze systému


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – firmware



●

Realizované senzory: –

teplota,

–

vlhkost,

–

aktivita,

–

návrh univerzálního modulu pro snímání koncentrace plynů.

Pro měření tepové frekvence a HRV analýzu s výhodou využit komerční hrudní pás pracující na stejném protokolu. Tento projekt je realizován za podpory MŠMT ČR a ESF ČR v rámci Operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost.

PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – teplotní senzor


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – senzor vlhkosti


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – senzor aktivity


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – hrudní pás

Obrázek převzat z wiggle.co.uk


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – test kompatibility


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – test kompatibility


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard systém v1 – teplotní zkoušky


PŘÍPADOVÁ STUDIE: WBAN síť pro projekt FlexiGuard druhá – prototypová verze


Informa(ka*v*telemedicíně** FBMI*ČVUT*

Recommend Documents

Informa(kavtelemedicíně** FBMIČVUT