Sustav za personalizirano praenje pacijenata

Sveuilite u ZagrebuFakultet elektrotehnike i raunarstva

Luka Celi, Darko Trogrli

Beini sustav za personalizirano praenje zdravlja pacijenata

Zagreb, 2010

Ovaj rad izraen je na Zavodu za elektronike sustave i obradbu informacija Sveuilita u Zagrebu Fakulteta elektrotehnike i raunarstva pod vodstvom prof.dr.sc. Ratka Magjarevia i predan je na natjeaj za dodjelu Rektorove nagrade u akademskoj godini 2009/2010.

Sadraj

11Uvod

32Nove koncepcije i tehnologije u praenju pacijenata

43Opis sustava

43.1Dijelovi sustava

53.1.1Sloj senzorskih vorova

53.1.2Sloj komunikacijskih vorova

63.1.3Korisniko suelje

73.2Senzorski vorovi

73.2.1Glavni vor

123.2.2Periferni senzorski vorovi

133.3Komunikacijski moduli

133.3.1Modul ANT

133.3.2Krajnji vor

153.4Korisniko suelje

153.4.1Glavna aplikacija za prikaz fiziolokih parametara

153.4.2Registracija vora sa korisnikom

163.4.3Kontinuirani prikaz grafova signala i trendova

173.4.4Slanje obavijesti putem SMS-a

184Metode prikupljanja i obrade signala

184.1Prikupljanje i obrada EKG signala

204.2Odreivanje prostorne orijentacije trupa

204.3Odreivanje frekvencije disanja

225Rezultati

225.1Potronja

225.2Komunikacija

235.3Gotov sustav

246Zakljuak

257Zahvala

268Popis literature

279Saetak

2810Summary

1 Uvod

U vrijeme kada je poveanje kvalitete ivota postalo drutveni imperativ, a elektronike i informacijske tehnologije postale neizostavan dio svakodnevice, ideja i motivacija za izradu beinog sustava za personalizirano praenje pacijenata nametnula se kao logian koncept u modernom nainu ivota. Potreba ljudi, a pogotovo starijih osoba, da se u svakom trenutku osjeaju sigurno, ali i elja da se skrati vrijeme potroeno na odlaske i ekanja kod lijenika, usmjerila je ovaj projekt na razvoj uvijek dostupnog, autonomnog sustava koji se na jednostavan nain moe prilagoditi potrebama pojedinog pacijenta (patient management) [2],[3].Sustav za personalizirano praenje pacijenata zamiljen je kao mrea senzora postavljenih na pacijentu (to je mogue nevidljivije), koji kontinuirano prate pojedine fizioloke parametre pacijenta, obrauju ih, te tako dobivene informacije pohranjuju u jedan centralni vor (takoen na pacijentu), a u sluaju potrebe mogu se putem nekog komunikacijskog kanala ukljuiti u zdravstveni sustav i povezati s lijenikom primarne zatite ili hitnom slubom. Primjeri fiziolokih parametara su puls, elektrokardiogram (EKG), temperatura, disanje, fizika aktivnost, prepoznavanje pojedinih specifinih pokreta... Na zahtjev korisnika ili lijenika mogue je pregledavanje tih parametara u realnom vremenu, odnosno pregledavanje pohranjenih podataka, putem zasebne aplikacije. Govorno suelje na ureaju na samom pacijentu omoguuje provjeru tih podataka izravno na pacijentu. Ostvarenje ovakvog sustava omoguile su nam dananje moderne tehnologije, a kao kriterij za izbor pojedinih tehnologija bili su minimalna potronja i cijena. Mrea senzora ostvarena je beinom komunikacijom u besplatnom ISM (industrial science and medical) frekvencijskom podruju na 2,4 GHz. Koritenje suvremenih elektronikih komponenti omoguilo nam je minimizaciju kako fizikih dimenzija, tako i potronje samih senzora. Potronja je ovdje bitan faktor budui da su senzori napajani baterijski. Uporabom jednostavnijih senzora ostvarena je iznimno niska potronja, pa je postignuta eljena autonomnost - jedna baterija moe napajati pojedini vor i par tjedana. Velika prednost koncepcije naeg sustava je modularnost, jer se u bilo kojem trenutku pacijentu jednostavno i brzo mogu dodati ili ukloniti senzorski vorovi prijavljivanjem ili odjavljivanjem iz mree. Mrea nije ograniena samo na dosad razvijene senzorske vorove, ve se i nove vrste senzorskih vorova jednako brzo integriraju. Zbog toga je ova koncepcija odlina i kao osnovna platforma na kojoj se mogu temeljiti drugi sustavi beinih senzorskih mrea.Upotreba sustava za personalizirano praenje pacijenata svoju uporabu nalazi u dananje vrijeme prvenstveno u bolnikim okruenjima, rehabilitacijskim centrima, umirovljenikim domovima, ali sve vie i u vlastitim domovima pacijenata. Naime, uzevi u obzir globalno prisutno produljenje ivota populacije, kao i potrebu za smanjenjem trokova zdravstvene zatite, sve vei dio lijeenja eli se ostvariti izvan zdravstvenih ustanova, po mogunosti kod pacijenta. "Zdravlje" je jedan od prioriteta u projektima Europske komisije, i upravo tehnologije i usluge koje omoguuju pomak mjesta lijeenja iz zdravstvene ustanove u vlastiti dom istraivanja su od posebne vanosti. Raste takoer i zahtjev za razvijanje tehnologija za poveanu prevenciju i rano otkrivanje bolesti, u emu kontinuirano praenje fiziolokih parametara moe znaajno doprinijeti. Upotreba u bolnicama, rehabilitacijskim centrima i umirovljenikim domovima olakava nadzor nad pacijentima, gdje se sa jednog mjesta moe pratiti velik broj pacijenata, a ukoliko doe do po pacijenta opasnih situacija, sustav upozorava na pojedinog pacijenta. Jedna od posebno zanimljivih moguih primjena je i u praenju treniranja sportaa.

2 Nove koncepcije i tehnologije u praenju pacijenataSustav za personalizirano praenje pacijenata namijenjen je irokom krugu populacije, te njegova konstrukcija mora nuditi generika rjeenja koja se lako mogu prilagoditi pojedinom pacijentu. Prema potrebama pacijenta treba postojati mogunost odabira pojedinih biomedicinskih senzora, a njihovo povezivanje u mreu senzora za jednog pacijenta mora biti jednostavno.Budui da sustav mora biti prilagodljiv, prilikom razvoja treba uzeti u obzir razliite uvijete u kojima e se koristiti. Ako se primjerice sustav koristi za praenje starijih pacijenata, pretpostavka je da se oni sporije kreu, a esto im je potreban i 24 satni nadzor. Kod dueg koritenja ureaj pacijentu ne smije stvarati nelagodu, a ujedno mora biti pouzdan u vidu dostupnosti napajanja i pouzdanosti komunikacije. Ako se takav ureaj koristi kod praenja parametara sportaa tada on ne smije ometati izvoenje prirodnih pokreta te mora ostati ispravno privren i uslijed intenzivnijih pokreta, kao to su tranje, padovi i sl. Najvanije u oba sluaja je da pacijentova aktivnost ne smije ometati oitanja fiziolokih parametara te da parametri u realnom vremenu moraju biti dostupni lijeniku ili drugom medicinskom osoblju.Iz navedenih scenarija koritenja proizlaze sljedei zahtjevi na sustav:

Mala potronja ureaja zbog trajanja baterije i smanjenja mase baterije Beina komunikacija zbog neometanog kretanja pacijenata Male dimenzije zbog neometanog koritenja ureaja na pacijentu

Robusnost komunikacije zbog pouzdanosti prijenosa informacija

3 Opis sustava

3.1 Dijelovi sustava

Osnovna svrha ovog sustava je da izmjerene vrijednosti fiziolokih parametara pacijenta biljei, obradi, a informaciju prenese i prikae na udaljenom mjestu (lijeniku, medicinskom osoblju, treneru) Budui da zbog ergonomije koritenja ureaja sustav koristi beinu komunikaciju, a u odreenom podruju se moe pojaviti vie pacijenata sa istim sustavom, sustav mora raspoznavati senzore vezane za pojedinog pacijenta. Razvijeni sustav se moe podijeliti na tri razine: Sloj senzorskih vorova

Sloj komunikacijskih vorova

Korisniko suelje

Ovakva podjela odgovara i fizikoj realizaciji sustava (Slika 3.1).

Slika 31 Shematski prikaz sustava podijeljen na tri razine: sloj senzorskih vorova, sloj komunikacijskih vorova, korisniko suelje3.1.1 Sloj senzorskih vorova

Senzorski vorovi imaju funkciju praenja fiziolokih parametara ( temperatura, disanje, puls, EKG, praenje fizike aktivnosti pomou akcelerometara...) te prijenos tih podataka do glavnog vora na ovom sloju. Glavni vor je most (bridge) izmeu dva sloja, senzorskih i komunikacijskih vorova (Slika 3.2). Glavni vor brine se za prikupljanje podataka i upravljanje senzorskim vorovima.

Slika 32 Shematski prikaz smjetaja senzorskih vorova i glavnog vora na pacijentuBudui da beina komunikacija troi znatno vie energije od obrade informacija na razini mikrokontrolera na senzoru, svaki senzorski vor mjeri fizioloke parametre i ugraenim pametnim algoritmima donosi odluke da li treba uspostaviti komunikaciju s glavnim vorom. Komunikacija se takoer uspostavlja i na zahtjev glavnog vora (on-demand), kada se vanjskim zahtjevom trae podaci sa odreenog senzora.3.1.2 Sloj komunikacijskih vorova

Vie glavnih vorova, odnosno glavni vorovi s vie pacijenata ine sa krajnjim vorovima za prikupljanje podataka sloj komunikacijskih vorova. Krajnji vorovi za prikupljanje podataka spojeni su sa centralnim serverom koji odrava komunikaciju izmeu korisnika (korisniko suelje) i vorova u mrei.

Glavni vorovi prijavljuju se u mreu onim krajnjim vorovima s kojim imaju dovoljno jak signal za komunikaciju. Krajnji vorovi brinu se da ne doe do dvostruke komunikacije sa istim glavnim vorom, te uspostavljaju komunikaciju sa serverom.3.1.3 Korisniko suelje

Korisniko suelje nalazi se na glavnom serveru. Korisniko suelje je glavna aplikacija putem koje se: Upravlja prijavljenim glavnim vorovima (pacijentima) prilikom ega se pojedinim glavnim vorovima dodjeljuju adrese, imena pacijenata i ostali podaci.

Pregledavaju i prate podaci (fizioloki parametri) pojedinih pacijenata. Aplikacija nudi osnovni pogled (brojani pregled trenutnih vrijednosti) te proireni pregled fiziolokih parametara (grafikoni). Automatski alje obavijest putem SMS poruke lijeniku, medicinskom osoblju ili drugim odabranim osobama, u pravilnom vremenskom razdoblju ili upozorenje ukoliko stanje pacijenta postane kritino.Korisniko suelje biti e detaljnije opisano kasnije.

3.2 Senzorski vorovi

3.2.1 Glavni vor

Glavni vor (Slika 3.3) namijenjen je komunikaciji sa senzorskim i krajnjim vorovima. Osim komunikacije, na glavni vor je integrirano i sljedee slopovlje: microSD kartica

Glasovno suelje

EKG modul

Temperaturni senzor

Akcelerometri

EKG, temperatura i disanje mjere se na bliskom podruju (prsni ko), pa su senzori integrirani na isti modul, tj na glavni vor. Integracija svih navedenih senzora na glavni vor rezultira smanjenom potronjom energije, jer ovakvo rjeenje izbjegava upotrebu dodatnih beinih komunikacijskih modula, na ije koritenje se troi znatan dio energije. Osim utede energije integracija senzora rezultira i jednostavnijim postavljanjem vora na pacijenta, i smanjivanjem osjeaja nelagode, pogotovo kod starijih pacijenata, budui da se postavlja manji broj vorova. Bitan faktor je i smanjenje cijene, budui da je zbog integracije potreban i manji broj elektronikih komponenti, ime se ujedno pojednostavljuju i razvoj i proizvodnja.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Slika 33 Glavni vor: gornja strana (lijevo) i donja strana (desno)

SHAPE \* MERGEFORMAT

Slika 34 Blok shema glavnog voraMicroSD kartica.Razlog za integraciju microSD kartice na glavni vor je viestruk. Potreba za medijem visokog memorijskog kapaciteta ali malih dimenzija pojavila se kada smo u sustav eljeli implementirati glasovno suelje. Ukoliko sustav izgubi signal prema krajnjem voru ili ako se preko korisnikog suelja tako podesi, eljeni fizioloki parametri biljee se na SD karticu, tako da ne doe do gubitka podataka, a sustav se ujedno moe koristiti i kao holter. Cijena same kartice u odnosu na ostale medije velikog kapaciteta je najpovoljnija te je zbog toga odabrana kao tehnoloko rjeenje.

Za pristup podacima na SD kartici implementirana je FAT ( File Allocation Table) [8], [9] [14] struktura podataka, te se tako podaci zapisani na kartici mogu itati i na bilo kojem drugom ureaju koji podrava tu strukturu podataka, primjerice na osobnom raunalu.

Slika 35 Elektrika shema glavnog voraGlasovno suelje.

Glasovno suelje ostvareno je implementacijom algoritama za zapisivanje i itanje zvukovnih datoteka sa SD kartice. Glasovno suelje ima tri funkcije:

Glasovno upozorenje pacijenta na bitne promjene fiziolokih parametara

Glasovni dnevnik putem kojeg pacijent moe zabiljeiti trenutno stanje ili radnju Dnevni podsjetnik

Glasovno upozorenje aktivira se na neke granine vrijednosti fiziolokih parametara te obavjetava pacijenta na vrijednosti tih parametara. Primjerice, ukoliko puls pacijenta toliko poraste da se smatra ubrzanim sranim ritmom (trahikardijom), glasovna poruka e ga obavijestiti: "Trenutno imate 134 otkucaja u minuti". Ukoliko pacijent eli znati trenutno stanje svojih fiziolokih parametara, pritiskom na tipku sustav ga obavijesti o svim trenutnim vrijednostima. Mogue je spremiti i proizvoljne poruke, poput informacije o bolesti, uzimanju lijekova, preporuke lijenika o prehrani, tjelesnoj aktivnosti i sl.Glasovni dnevnik je funkcija koja osigurava jednostavno biljeenje pacijentovog stanja ili poetka radnje. Ukoliko se prate promjene parametara pri razliitim radnjama, pacijent moe primjerice prije poetka tranja pritiskom na tipku snimiti govornu poruku da poinje trati. Toj poruci dodaje se vremenska oznaka, tako da se prilikom naknadnog pregledavanja parametara moe odrediti vrijeme poetka radnje zabiljeene porukom.Dnevni podsjetnik obavjetava pacijenta o dnevnim aktivnostima koje mora poduzeti, poput uzimanja lijekova. Medicinsko osoblje podeava obavijesti i njihov broj.

Zbog manje potronje energije prilikom snimanja i reproduciranja zvukovnih poruka te zbog odravanja jednostavnosti sustava frekvencija uzorkovanja zvukovnih poruka je 16 kHz te 8 bita po uzorku. Zbog ovakvih parametara ovi algoritmi izvedivi su i na jednostavnijim mikrokontrolerima, pri emu je raspoznavanje govora zadrano. Takoer zbog minimizacije potronje i dimenzija sustava, izlazno audio pojaalo mora imati visok stupanj integracije i iskoristivosti. Jedino rjeenje koje odgovara ovim zahtjevima je koritenje digitalnih pojaala snage na principu pulsno irinske modulacije (PWM) [11]. Mikrokontroler [7] je generira zvuni signal koji se prosljeuje na ulaz digitalnih logikih vrata 74HC14. 74HC14 sadri CMOS tranzistore zaduene za pogon zvunika. Izlaz iz tranzistora spojen je na LC filtar koji osigurava guenje modulacijske frekvencije od 16kHz.

EKG modul.EKG modul (Slika 3.5) sastoji se od tri dijela: EKG pojaalo

Analogno - digitalni pretvornik Programska podrka za digitalnu obradu signala i detekciju otkucaja

Slika 36 EKG pojaalo

Slika 37 Elektrika shema EKG pojaalaEKG pojaalo [13] primijenjeno u sustavu za praenje elektrokardiograma koristi tri elektrode na principu Einthovenovog trokuta [1]. EKG pojaala moraju imati veliko pojaanje kako bi mali signal potencijala srca (red veliine 1 mV) dovoljno pojaala za analogno-digitalnu pretvorbu. Poznato je da praenje EGK-a na pokretnim subjektima oteavaju artefakti uslijed pomicanja elektroda, te da u tom sluaju pojaalo moe ui u zasienje ime je onemogueno daljnje praenje signala. Kada pojaalo ue u zasienje, implementirani algoritam na glavnom voru to detektira i aktivira tranzistorsku sklopku koja pojaalo vraa iz podruja zasienja. Implementacijom navedenog algoritma znaajno je poveana pouzdanost praenja EKG-a i odreivanja broja otkucaja srca pacijenta. Izvedeno je sa elektronikim komponentama za povrinsko postavljanje te su na taj nain dimenzije smanjene vie od 50%, te mu dimenzije iznose 3 x 2,5 cm.Za analogno digitalnu pretvorbu koristi se 10 bitni pretvornik na mikrokontroleru na glavnom voru, koji radi na principu sukcesivne aproksimacije. Digitalizirani EKG signal se pohranjuje na glavnom voru zbog daljnje obrade. Algoritmi za digitalnu obradu signala ukljuuju digitalne filtre te algoritam za detekciju QRS kompleksa u elektrokardiogramu, to je temelj za odreivanje broja otkucaja srca. Digitalni filtri uklanjaju smetnje i um superponirane na korisnom EKG signalu, a njihovom upotrebom smanjuju se zahtjevi na analogno EKG pojaalo te se samim time smanjuje potronja i cijena ureaja.

Algoritam za detekciju otkucaja srca temelji se na Pan Thompkinsovoj metodi. Iz digitaliziranog EKG signala digitalnom obradom izdvaja se QRS kompleks, te se na temelju pet detektiranih QRS kompleksa odreuje broj otkucaja srca.Temperaturni senzor.

Prilikom mjerenja temperature u prijenosnim ureajima veliki je problem izbor senzora zbog njihovog napona napajanja. Veina komercijalno dostupnih senzora rade uz napon napajanja od 4V do 15V i minimalnim radnim strujama rada od 400uA, to je jednako cjelokupnoj potronji glavnog vora. Osim visokog napona napajanja veina senzora ima razluljivost od samo 0,5C. Realizirani vor radi na nazivnom naponu napajanja od 1,8 V do 3,3 V. Na tako niskim naponima koritenje komercijalno dostupnih senzora je gotovo nemogue. Postoji mogunost udvostruavanja napona napajanja (6,6 V 3,6 V), to opet nije zadovoljavajue kada napon padne ispod 4V. Takoer, integrirani krug za udvostruavanje napona poveava dimenzije i potronju. Kako bi se izbjegli navedeni problemi koriten je silicijski temperaturno promjenjivi otpornik KTY-10 [10] nazivnog otpora 2 k, s linearnom temperaturnom karakteristikom, u kombinaciji s operacijskim pojaalom. Temperaturni raspon mjerenja je 25-45 C uz razluljivost od 0,1 C. Kompenzacija napona pomaka napravljena je umjeravanjem senzora i spremanjem podataka o pomaku u memoriju glavnog vora.

Akcelerometri

Na glavnom voru implementirane su dvije vrste akcelerometara, digitalni [6] i analogni [15]. Oba akcelerometra mjere komponente akceleracije u tri meusobno ortogonalna smjera, x,y i z. Digitalni akcelerometar koristi se za mjerenje broja udisaja, pri emu se podaci dobiveni sa njega obrauju za izdvajanje frekvencije disanja. Budui da akcelerometar biljei sve kretnje i do visokih frekvencija, iz signala se FFT (fast fourier transform) transformacijom iz spektra snage izdvajaju frekvencije iz podruja frekvencija disanja. Daljnjim filtriranjem i obradom izraunava se tona frekvencija disanja.

Podaci iz analognog akcelerometra koriste se za odreivanje poloaja tijela pacijenta, iz ega se zakljuuje o njegovoj aktivnosti (sjedenje, leanje, stajanje).Ovisno o vrsti fiziolokih parametara podaci se sa glavnog vora na server alju u razliitim vremenskim intervalima. Primjerice informacija o temperaturi, koja se ne mijenja toliko brzo, alje se 2 puta u minuti, dok se podaci o brzini otkucaja srca alju svakih 5 sekundi. vor ima mogunost i konstantnog slanja podataka prema serveru, ukoliko se eli na monitoru pratiti primjerice elektrokardiogram. Optimizacijom komunikacije izmeu glavnog vora i servera postiu se znatne utede u potronji energije.Koritenjem litijske baterije CR2320 u nainu rada praenja, glavni vor moe raditi do 500sati ili 20dana, dok se koritenjem punjivih litijskih baterija kakve se nalaze u veini mobitela od 1000mAh vijek produuje na 83dana ili skoro 3 mjeseca.

3.2.2 Periferni senzorski vorovi

Kao to je prethodno napomenuto, senzorski vorovi mogu biti bilo koji tipovi senzora koji prate fizioloke parametre pacijenta. Razvijeni protokol za komunikaciju omoguuje dodavanje i uklanjanje senzorskih vorova u mreu a vrsta senzora ovisi o potrebama pacijenta. Neki primjeri funkcija senzorskih vorova koji su jo u razvoju su elektromiograf, tlakomjer, pulsni oksimetar3.3 Komunikacijski moduli3.3.1 Modul ANTSvi vorovi opremljeni su beinim komunikacijskim modulima ANT (Slika 3.7) [4], [5]. ANT je 2,4 GHz dvosmjerna beina tehnologija namijenjena za izgradnju osobnih lokalnih mrea (Personal Area Network, PAN). Optimiziran je za prijenos podataka niske i srednje brzine prijenosa, ali osigurava mala kanjenja pri prijenosu podataka. Glavna prednost ovih modula su jako niski iznosi potronje elektrine energije, to osigurava produeni radni vijek baterije. ANT moduli zbog svoje veliine od samo 2 x 2 cm omoguuju minimizaciju cijelog senzorskog vora.

Slika 38 ANT modulANT omoguuje jednostavnu implementaciju beine komunikacije jer se ANT protokol brine za fiziki, mreni i transportni OSI komunikacijski sloj. Odabirom ovih komunikacijskih modula pojednostavljen je razvoj samih vorova, budui da je uz jednostavnu implementaciju beine komunikacije glavni dio posveen razvoju kvalitetnih senzora i algoritama za obradu podataka.

Dodatne prednosti ANT komunikacijskih modula su:

64 bita mrenim kljuem za poveanje sigurnosti mree 16 bita CRC provjera ispravnosti prenesene poruke

Otpornost na presluavanja s drugih kanala Brzine prijenosa 8 bajtnih poruka od 0,5 Hz do 200 Hz Mogunost stvaranje mree vie od 65000 ureaja u istom prostoru3.3.2 Krajnji vorKrajnji vor (Slika 3.8) je suelje koje komunikaciju beinom mreom pretvara u komunikaciju inim putem te tako omoguuje prikupljanje podataka iz mree na server. Realizirani krajnji vor spaja se na server putem USB suelja. Krajnji vora koristi sve prednosti jednostavnosti integracije ANT modula, te je i njegova izvedba jako jednostavna. Ova jednostavnost osigurava nisku cijenu samog krajnjeg vora, a budui da je zbog pokrivenosti nekog ireg prostora signalom potreban vei broj ovakvih vorova, za veu proizvodnju ovakva izvedba je puno isplativija. SHAPE \* MERGEFORMAT

Slika 39 Izgled krajnjeg vora

Slika 310 Elektrika shema krajnjeg vora3.4 Korisniko sueljeKorisniko suelje je aplikacija koja omoguuje podeavanje vorova, pregledavanje fiziolokih parametara, pregledavanje signala EKG-a, disanja i trenda temperature, te podeavanje slanja SMS poruka. Aplikacija namijenjena lijeniku ima pristup svim pacijentima, dok aplikacija namijenjena pacijentu ima pristup samo voru tog pacijenta.3.4.1 Glavna aplikacija za prikaz fiziolokih parametara

Na centralnom prozoru aplikacije za personalizirano praenje pacijenata prikazuju se podaci sa senzora na tom pacijentu (Slika 3.9). Svaki senzor na pacijentu ima zaseban prikaz za parametare koje taj senzor alje, grupirane za pojedini senzor zbog preglednosti. U ovisnosti o definiranim sigurnim granicama parametara, prikazi za pojedini senzor mijenjaju boju da predoe trenutno stanje parametara (zelena za normalno stanje, uta za opasno a crvena za kritino). Osim stanja fiziolokih parametara pacijenta prikazuju se i aktivnosti pojedinog vora, te napon baterije vora. Za pregled valnih oblika EKG-a, disanja i trenda temperature mogu se ukljuiti prikazi pojedinih grafova. Za pregled parametara sa vora drugog pacijenta moe se pristupiti dodatnim postavkama.

Slika 311 Izgled centralnog prozora aplikacije za personalizirano praenje pacijenata3.4.2 Registracija vora sa korisnikom

Postavljanje pojedinog vora radi se klikom na tipku Postavke u centralnom prozoru. Tu je mogue unijeti ime pacijenta te postaviti tipove senzora koje pacijent ima ukljuene u mreu, kao i podatke potrebne za spajanje na taj senzor. Konfiguraciju senzora za pojedinog pacijenta mogue je spremiti te prilikom sljedeeg spajanja na pacijenta otvoriti spremljene postavke. Pritiskom tipke Postavi na centralnom prozoru prikazuju se kontrole senzora podeene za tog pacijenta (Slika 3.10).

Slika 312 Izgled prozora postavke3.4.3 Kontinuirani prikaz grafova signala i trendova

U korisnikom suelju mogu se prikazivati i grafovi fiziolokih parametara trenda temperature, krivulja disanja kroz vrijeme, te EKG kroz vrijeme. Do prikaza pojedinih grafova dolazi se pritiskom na tipku Graf u kontroli pojedinog senzora.

U prikazu krivulje EKG-a ujedno se prikazuje i broj otkucaja kao proireni prikaz, te markeri na mjestu svakog detektiranog otkucaja (Slika 3.11).

Slika 313 Izgled prikaza krivulje EKG-a3.4.4 Slanje obavijesti putem SMS-aPrilikom aktivacije jednog ili vie alarma za fizioloke parametre alje se zahtjev za slanje SMS poruke vanjskoj aplikaciji na serveru. Aplikacija zatim generira SMS poruku sa sadrajem stanja trenutnih parametara te je alje nadlenoj osobi iz imenika. Na slici (Slika 3.12) je prikazano suelje za podeavanje parametara komunikacije putem SMS poruka koje za slanje poruka koristi vanjski GSM ureaj. Tu je dovoljno spojiti se i podesiti vanjski GSM ureaj. Glavna aplikacija prilikom aktivacije alarma generira podatke za pojedinog pacijenta, te se poruka dalje alje automatski. Ovo omoguuje aplikaciji za slanje SMS poruka da radi u pozadini te ne komplicira koritenje glavne aplikacije.

Slika 314 Suelje za spajanje sa vanjskim GSM ureajem te njegovo podeavanje4 Metode prikupljanja i obrade signala

4.1 Mjerni prsluk

Prilikom praenja fiziolokih parametara pacijenta kroz dui vremenski period vano je ne naruavati pacijentov komfor prilikom noenja ureaja. Kako se smanjila nelagoda prilikom noenja te zadrala mogunost neometanog obavljanja svih aktivnosti, za privrivanje ureaja, mjernih senzora i elektroda napravljen je mjerni prsluk. Njegova upotreba maksimalno je pojednostavljena tako da nije primjerice potrebno nanoenje EKG gela ili upotreba samoljepljivih elektroda za mjerenje EKG-a, budui da su elektrode integrirane u sam prsluk. Prsluk je dizajniran s ciljem da se lako odjene, bez potrebe za prethodnim nanoenjem gela ili podeavanja ureaja. Svi dijelovi beinog sustava za praenje zdravlja pacijenta ugraeni su u prsluk.

Slika 41 Izgled mjernog prsluka na pacijentu sa smjetajem senzoraNa slici (Slika 41) vidimo smjetaj elektroda EKG elektroda. Elektrode su priivene ispod rastezljive trake, s ciljem da se osigura prianjanje elektroda i koritenje bez vodljivog gela. Elektrode su sfernog oblika ime ostvaruje ravnomjernija raspodjela pritiska elektroda na povrinu koe te se time smanjuje nelagoda prilikom noenja elektroda. Takoer takav oblik smanjuje pomicanje elektroda prilikom kretanja pacijenta.Temperaturni senzor priiven je u podruje ispod pazuha. Tiskana ploica s akcelerometrom, EKG modul i baterija smjeteni su u dep na podruju abdomena.

Prsluk je izveden pomou rastezljivih traka te se tako smanjuje nelagoda za pacijenta prilikom noenja, a ujedno se osigurava dobro prianjanje uz tijelo. Ovakav dizajn odabran je kako bi se prsluk prilagoavao kretanju pacijenta, te kako bi bio prozraan.

4.2 Prikupljanje i obrada EKG signala

Analogna akvizicija

EKG pojaala za dijagnostiku rada srca pacijenata rade najee u frekvencijskom rasponu od 0,5 Hz do 120 Hz. Prilikom takvih mjerenja pacijent mora biti miran da bi se izbjegli artefakti uslijed pomaka i signal ispravno izmjerio. Kako se ovdje radi o sustavu za praenje pacijenata u njihovim svakodnevnom ivotu, sa svim uobiajenim radnjama koje ukljuuju razne pokrete, takvo EKG pojaalo ne bi davalo signal dovoljno dobar i pouzdan za daljnju obradu. Kako je primarna funkcija EKG vora odrediti broj otkucaja srca i za vrijeme bilo kakve aktivnosti, donja granina frekvencija moe se podignuti do frekvencije na 14 Hz da se smanji osjetljivost na pokrete pacijenta.

Za gornju graninu frekvenciju ostavljena je frekvencija 120 Hz, te se taj filtar ujedno koristi i kao anti-aliasing filtar za AD pretvorbu. Takav signal se zatim uzorkuje analogno-digitalnim pretvornikom na principu sukcesivne aproksimacije u razluljivosti 10 bit-a, frekvencijom 300 Hz. Digitalna obrada

Na signal EKG-a mogu se superponirati razliite smetnje iz okoline, a najvie i najee je izraena smetnja elektroenergetske mree frekvencije 50 Hz. Da bi se izbjegle sloene izvedbe kvalitetnih analognih filtara, a ujedno i pojednostavio dizajn sklopa, za filtriranje ovakvih smetnji koriteni su niskopropusni i visokopropusni digitalni filtri :

Niskopropusni filtar 12-og reda: y(n) = 2y(n - 1) - y(n - 2) + x(n) - 2x(n - 6) + x(n - 12)Visokopropusni filtar 32-og reda: y(n) = y(n-1) 1/32 x(n) + x(n-16) x(n 17) + 1/32 x(n-32)Primjenom digitalnih filtara mogue je gotovo potpuno uklanjanje smetnji i uma iz EKG signala, to je vidljivo na slici (Slika 4.1)

Detekcija otkucaja srca temelji se na metodi Pana i Thompkinsa [12]. Ovaj algoritam za detekciju otkucaja srca temelji se na izdvajanju QRS kompleksa iz EKG-a. Algoritam se temelji na tome da se filtrirani signal derivira, ime se naglaava visokofrekvencijska komponenta (QRS kompleks). Zatim se taj signal kvadrira ime se dodatno naglaava QRS kompleks. Dalje se takav kvadrirani signal integrira s pominim vremenskim prozorom ime se dobiva pravilnija povrina ispod QRS kompleksa. Iz takvog signala jednostavno je odrediti mjesto QRS kompleksa budui da su sve ostale komponente jako priguene. Rezultati su prikazani na slikama (Slika 4.2) Odreivanje mjesta QRS kompleksa radi se tako da se postavi prag detekcije na kojem se detektira rastui brid integriranog signala. Iznos praga odreuje prema maksimumu integriranog signala u nekom periodu, te se postavlja na vrijednost 1/3 tog maksimuma. Mogue je ukljuiti prikaz markera na mjestu detektiranog otkucaja (Slika 4.3).

Slika 42 Izgled EKG signala prije (gore) i poslije (dolje) filtriranja

Slika 43 Prikaz rezultata pojedinog koraka Pan-Thompkins algoritma: A) derivirani signal, B)kvadrirani signal, C) integrirani signal

Slika 44 Prikaz EKG signala s ukljuenim markerima detekcije otkucaja4.3 Odreivanje prostorne orijentacije trupaOdreivanje prostorne orijentacije trupa bitan je podatak prilikom praenja aktivnosti pacijenta kroz dui vremenski period zbog usporedbe i donoenja zakljuaka iz veeg broja parametara. Kako bi se odredila njegova orijentacija, koriste se vrijednosti izmjerene akcelerometrom. Mjerni vor privren je na trup s poznatom orijentacijom X, Y i Z osi prema trupu. Iz akceleracije se moe zakljuiti o trenutnom smjeru gibanja pacijenta. Ukoliko se eli odrediti orijentacija pacijenta s obzirom na smjer gravitacije potrebno je gledati niske frekvencije signala sa akcelerometra, dok vie frekvencije sadre informacije gibanja pacijenta. Za izdvajanje niskih frekvencija signala koriteni su niskopropusni filtri gornjih graninih frekvencija blizu nule. Iz vrijednosti za pojedinu os odreuje se orijentacija. Budui da se iznosi preklapaju za pojedine poloaje oni se detektiraju kao to je to navedeno u tablici (Tablica 1).Tablica 1 Zakljueni i mogui poloaji pri odreivanju poloaja akcelerometromZakljueni poloajMogui stvarni poloaj

Uspravan poloajSjedenje, stajanje

LeanjePolegnut na lea, bok i trbuh

SjedenjeNakoen poloaj

4.4 Odreivanje frekvencije disanja

Disanje je spori proces repeticije od 15 - 30 u minuti. Samim time i akceleracija koja se javlja na donjem dijelu abdomena uslijed udisaja i izdisaja je vrlo mala, i ispod razine koju moe izmjeriti akcelerometar. Kako bi se taj nedostatak nadomjestio koritena se injenica da se abdomen deformira disanjem. Ta deformacija rezultira vrlo malim promjenama orijentacije osi senzora u odnosu na zemljinu gravitacijsku os. Budui da je iznos gravitacije 1g, a mjerno podruje akceleromerta iznosi (2g, te vrlo male promjene orijentacije s obzirom na os gravitacije rezultiraju velikom promjenom oitanja senzora.Frekvencijskom analizom podataka s akcelerometra moe se istaknuti frekvencijski spektar iz podruja frekvencija disanja (Slika 4.4). Ovakva vrsta obrade podataka je neizvediva na mikrokontrolerskim sklopovima s malom koliinom radne memorije, te se stoga ovaj algoritam odvija na serveru. Koliina radne memorije potrebna za ovakvu obradu podataka iznosi 2-3kilobajta, dok je prosjena ukupna koliina radne memorije na mikrokontroleru 1 kilobajt. Algoritam koji se koristi na mikrokontroleru sastoji se od dva dijela: traenja maksimalne i minimalne vrijednosti akceleracije za vremenski period od 4 sekunde, a zatim se sljedeih 6 sekundi prati prolazak signala kroz srednju vrijednost. Period prolaska daje iznos broja udisaja.

Slika 45 Prikaz frekvencijskog spektra (gore) i valnog oblika (dolje) disanja5 Rezultati

5.1 Realizirani sustav

Kao rezultat ovog rada realiziran je beini sustav za personalizirano praenje zdravlja pacijenta koji ukljuuje:

Mreu sloenu od vie cjelina:

mreu senzorskih vorova,

mreu komunikacijskih vorova

krajnji vor za prikupljanje podataka Korisniku aplikaciju za:

Prikaz fiziolokih parametara pacijenta

Upravljanje vorovima u mrei

Prikaz valnih oblika i trendova fiziolokih parametara

Slanje obavijesti putem SMS poruke

Glavni senzorski vor koji ukljuuje: Beinu komunikaciju putem ANT modula Vlastiti komunikacijski protokol

Mjerenje broja udisaja

Mjerenje broja otkucaja

Mjerenje temperature

Praenje valnih oblika EKG-a i disanja

Praenje trenda temperature

Odreivanje poloaja pacijenta

Mjerenje napona baterije

Zvune obavijesti

Govorni dnevnik

Zapisivanje i itanje podataka sa microSD kartice (FAT datoteni sistem)

Baterijsko napajanje

Beina komunikacija ostvarena je pomou ANT modula. Parametri beine komunikacije su:

Domet vei od 70m na otvorenom prostoru

Brzinu prijenosa od 12 paketa po sekundi, 15 kilobita u sekundi u brzom nainu rada Radna frekvencija 2,4 GHz (ISM frekvencijsko podruje)

Izlazna snaga 0 dBm

Radni napon od 1,7 V do 3,6V

Za optimizaciju rada sustava, obradu i analizu podataka razvijeni su sljedei algoritmi:

Upravljanje potronjom sustava

Digitalno filtriranje signala EKG-a

Odreivanje broja otkucaja srca Pan-Thompkins metodom

Odreivanje broja udisaja promatranjem promjene vektora gravitacijske osi Odreivanje poloaja pacijenta

Detekcija pada pacijenta

EKG signal mjeri se pomou EKG pojaala sa sljedeim znaajkama:

Mjerenje EKG signala sa tri elektrode na principu Einthovenovog trokuta

Aktivni pogon desne noge

Pojaanje EKG signala 500 puta Pojasno ograniavanje signala u rasponu od 14 Hz do 120 Hz

Raspon izlaznog signala od 0 do 3,3 V

Bipolarno napajanje pojaala sa 3,3V

Faktor potiskivanja 100 dB

Disanje i odreivanje prostorne orijentacije pacijenta napravljeno je pomou akcelerometra ADXL345 sa sljedeim znaajkama: Izbor mjernog podruja od 2g do 16g

Napon napajanja od 2 V do 3,6 V

Detekcija slobodnog pada

Detekcija promjene orijentacije u tri ortogonalna smjera

SPI suelje za komunikaciju

Mjerenje temperature ostvareno je koritenjem temperaturno promjenjivog otpornika KTY-10 sa sljedeim znaajkama:

Razluivost promjene temperature od 0,1 C

Mjerno podruje od 25 C do 45 C

Ostvareno govorno suelje ima sljedee karakteristike: Frekvencija reprodukcije zvunih zapisa 16 kHz

Frekvencija snimanja govora 8 kHz

Reprodukcija zvunog zapisa koritenjem PWM modulacije na 64 kHz

Amplituda izlaznog signala od 0 V do 3 V

dok su putem govornog suelja ostvarene sljedee funkcije:

Glasovne poruke upozorenja

Dnevni podsjetnik

Glasovni dnevnik

Pomou microSD kartice ostvarene su sljedee funkcije:

Sprjeavanje gubitka podataka u sluaju gubitka signala beine mree

Funkcija holtera

Pohrana audio datoteka za dnevni podsjetnik i glasovni dnevnikSvi dijelovi sustava funkcijski su ispitani i izmjerene su njihove tehnike znaajke. Kritinije znaajke odnosno njihova provjera opisani su u prethodnom poglavlju.5.2 Potronja sustavaPotronja glavnog vora ovisi o brzini prijenosa podataka beinom vezom ali i o koritenju drugih suelja kao SD kartice ili glasovnog suelja. U grafikonu (Slika 5.1) su prikazani rezultati mjerenja potronje.

Slika 51 Prikaz potronje u razliitim uvjetima radaUvjeti rada:

1. Mjerenje disanja, temperature i ECG-a u modu za praenje (700 (A)

2. Slanje EKG signala za iscrtavanje grafa (1,4 mA)

3. Snimanje EKG-a ili akceleracije na microSD karticu (7 mA)

4. Snimanje govornih poruka (15mA)

5. Reprodukcija govornih poruka (18 mA)

6 Zakljuak

Razvijeni sustav za personalizirano praenje pacijenata uspjeno je objedinio sve potrebne osnovne zahtjeve na takav sustav. Inovativnim koritenjem nekih postojeih tehnologija sustavu su dodane neke funkcije koje uvelike olakavaju njegovu upotrebu. Tijekom cijelog razvoja vodilo se rauna da se ne naruava pacijentov komfor pri koritenju sustava. Taj zahtjev postavio je glavne smjernice razvoja sustava: beina komunikacija, mala potronja te male dimenzije. Takoer, vodilo se rauna i o korisnikoj aplikaciji za pregled parametara, da bude to intuitivnija, preglednija i jednostavna za koritenje.

Koncepcija beine komunikacije omoguila nam je modularnost sustava, kako na razini senzorskih vorova, tako i na razini komunikacijskih vorova. Iako pacijent na sebi ima glavni vor sa osnovnim funkcijama, jednostavno se dodaju i novi senzorski vorovi. Takoer u mreu postojeih pacijenata mogue je dodati i nove pacijente.Budui da je sustav baterijski napajan, smanjenje potronje rezultira duim vijekom trajanja baterije, te se time ne optereuje pacijenta za estim mijenjanjem baterije. Koritenje modernih elektronikih komponenti, optimizacije u izvoenju algoritama, te mogunost kontrole protoka pojedinih podataka rezultirali su minimalnim potronjama sustava.Prilikom svakodnevnog noenja pojedinih vorova, pacijent noenje (praenje) ne smije osjetiti vorovi moraju to je mogue vie biti "nevidljivi". Stoga je i puno pozornosti posveeno dimenzijama samog sustava. I ovaj zahtjev je bio kriterij pri odabiru elektronikih komponenti, a sam dizajn nekih dijelova vora smanjen je upravo zbog kombinacije analogne i digitalne obrade signala.

Algoritmi za obradu signala ugraeni u sam sustav su matematika rjeenja koja daju vrlo dobre rezultate, a prenesena u sam algoritam nisu zahtjevna za izvoenje na mikrokontroleru.

Dodatne ugraene funkcije pacijentu poveavaju ergonomiju prilikom koritenja, ali i samu sigurnost pacijenta. Tako primjerice govorno suelje pacijenta upozorava na iznose parametara koji odstupaju od za tog pacijenta normalnih uobiajenih prilikom neke aktivnosti , a ugraena microSD kartica sprjeava gubitak podataka za mogui sluaj kada je beina mrea nedostupna. Prikazivanjem stanja pojedine baterije sa vorova na daljinu pojednostavljuje se koritenje za pacijenta, jer se sa jednog mjesta mogu vidjeti stanja svih vorova.7 Zahvala

Zahvaljujemo se prof.dr.sc. Ratku Magjareviu na pomoi i na korisnim savjetima koje nam je pruio tijekom izrade ovog rada.8 Popis literature

[1] A. anti: Biomedicinska elektronika, , Zagreb, kolska Knjiga,1995

[2] Mihel, Josip; Magjarevi, Ratko. Personalised Healthcare Meets Users Needs. // IFMBE News, International Federation for Medical and Biological Engineering. na (2007) , 84; 15-18

[3] Magjarevi, Ratko. Home care technologies for ambient assisted living // IFMBE Proceedings MEDICON 2007, Vol. 16 / Jarm, Tomaz ; Kramar, Peter ; upani, Anze (ur.). Ljubljana : Springer Verlag, 2007. 397-400

[4] Ant Message and Protocol Usage, ANT, http://www.thisisant.com/images/Resources/PDF/1204662412_ant%20message%20protocol%20and%20usage.pdf , listopad 2009.

[5] nrf24AP1 Product Specification, Nordic Semicondutors, http://www.thisisant.com/images/Resources/PDF/nrf24ap1%20product%20specification.pdf, listopad 2009.

[6] ADXL345, Analog Devices, 2009, http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXL345.pdf, veljaa 2010

[7] Atmega168 mikrokontorler, 2010, http://www.atmel.com/dyn/products/Product_card.asp?part_id=3303

[8] E. Chan, Fat File System, 2010, http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html[9] E. Chan, Petite File System, 2010, http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_p.html

[10] KTY10 Data Sheet, Infineon, 2000, http://www.rts.uni-mb.si/misc/materiali/mikrorac/kty10.pdf, rujan 2009.

[11] 74HC14, Philips, 2003, http://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC_HCT14.pdf, rujan 2009.[12] C. Pavlatos, A. Dimopoulos, G. Manis, G. Papakonstantinou: Hardware implementation of Pan & Tompkins QRS detection algorithm, http://mule.cslab.ece.ntua.gr/docs/c8.pdf[13] AD620 Instrumentatin amplifier, 1999, http://users.ece.utexas.edu/~valvano/Datasheets/AD620.pdf[14] Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification, 12.2000, http://www.microsoft.com/whdc/system/platform/firmware/fatgen.mspxMMA7341 accelerometer, 04.2008, http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7341L.pdf?pspll=1

9 Saetak

Opisani i realizirani beini sustav za personalizirano praenje zdravlja pacijenta pomie granice sa tradicionalnog koncepta zdravstvene brige na individualnu zdravstvenu brigu. Namijenjen je za praenje zdravlja starijih ljudi u njihovim domovima, ali i za praenje zdravlja mlae populacije svjesne zdravstvenih rizika. Odabir modernih tehnolokih rjeenja za praenje vlastitog zdravlja danas je postao razuman odabir, posebno u vremenu kada se poslovne obveze i odgovornosti poveavaju svakodnevno.Beina senzorska mrea temeljena na generiki dizajniranim senzorskim vorovima omoguuje mjerenje i praenje velikog broja fiziolokih parametara u realnom vremenu, te donoenja odluka prilagoenih za svakog pacijenta pomou ugraenih algoritama. Kontinuirani nadzor i obrada podataka poveavaju osjeaj sigurnosti pojedinca i daju pravovremena upozorenja na mogue zdravstvene probleme.Realizirani sustav koristi moderne elektronike tehnologije kao i algoritme za obradu i analizu podataka za postizanjem to vee ergonomije za koritenje, kako za pacijenta tako i za odgovorno osoblje. Koritene su beine tehnologije za komunikaciju, a njihovim planiranjem postignuta je optimalna komunikacijska mrea koja razdvaja mreu senzora na pacijentu od pacijenata kao jedne informacijske cjeline, a optimizirani su i komunikacijski protokoli. Posveena je panja minimizaciji potronje i dimenzija ureaja. Ugraene dodatne funkcije poput glasovnog suelja i SD kartice poveavaju sigurnost pacijenta i podataka te olakavaju koritenje sustava.

Kljune rijei: beina mrea osjetila, e-zdravstvo, personalizirano praenje pacijenata, biomedicinski senzori, optimizacija potronje.

10 Summary

The wireless personalized healthcare system we have described and realized shifts from traditional concepts of healthcare to individualized healthcare. It is aimed for monitoring the health and wellness of elderly people in their own homes, but also for monitoring of the health of younger population aware of health risks. Including high technological solutions for monitoring own health status seems to become a reasonable choice, especially in time when commitments to profession and workload increase practically on daily basis.

The wireless sensor network based on generically designed sensor network nodes enables choice of a large number of physiological parameters to be measured and monitored in real time and the results to be entered into algorithms designed for personalized decision making. Continuous monitoring and data analysis enhance the feeling of security of individuals and gives on-time warnings of possible health related problems.This system uses modern electronic and communication technologies and data analysis algorithms to increase ergonomics of system usage for patients as well as for medical staff. Wireless technologies are used for communications and by network planning optimal communication network is achieved. The network is divided in two separate information layers, patient sensors layer and layer of patients and communication protocols for both are optimized. Minimizations of power consumption and device dimensions are considered as well. Additional functions such as voice interface and SD memory card enhances security of patient and data, and simplify the use of system.Key words: wireless sensor network, e-health, personalized patient monitoring, biomedical sensors, power consumption optimization.ATN modul

microSD kartica

akcelerometar

ANT modul

C

B

A

Mikrokontroler

ANT

Akcelerometar

EKG

Temperatura

Napon baterije

Smjetaj

EKG elektroda

Smjetaj temperaturnog senzora

Smjetaj glavnog vora, baterije i EKG modula

_1334326377.unknown

_1334344910.xlsChart1

0.4

1.4

7

15

18

Potronja

Potronja [mA]

Sheet1

Potronja

10.4

21.4

37

415

518

To resize chart data range, drag lower right corner of range.

_1334326375.vsd