FMO-GENÇ PROJE YARIŞMASI – 2019

1. YARIŞMACI BİLGİLERİ

Başvuru Kategorinizi İşaretleyiniz. Fikir Kategorisi Ürün Kategorisi

*Takım Adı: Braineuro

Takım KaptanıAdı Soyadı: İrfan Alp GEZGİNBölüm/Üniversite: Fizik Mühendisliği / Ankara ÜniversitesiTelefon/e-mail: 507 990 41 70 / alpgezgin3@gmail.com

*Takım Üyesi:Adı Soyadı: Muhammed Zeki ŞENTÜRK

Bölüm/Üniversite: Fizik Mühendisliği / Ankara ÜniversitesiTelefon/e-mail: 553 741 64 02 / senturkmuhammedzeki.35@gmail.

*Takım Üyesi:Adı Soyadı:

Bölüm/Üniversite:Telefon/e-mail:

*Takım Üyesi:Adı Soyadı:

Bölüm/Üniversite:Telefon/e-mail:

PROJE BİLGİLERİ

2.1 Proje Adı ve Projenin Kısa Tanımı (Özet)

Bu kısımda proje başlığı ve kısa tanımı yazılmalıdır. Bu kısım bir sayfayı geçmemelidir. Amaç, neden bukonunun seçildiği, kullanılan yöntemler ve projenin bilimsel, teknolojik ve sosyo-ekonomik hedeflerikısaca açıklanmalıdır.

Proje Adı: Giyilebilir EEG ve TMS cihazı

Projenin Kısa Tanımı (Özet)

TMS(Transkraniyal Manyetik Uyarım) epilepsi, depresyon ve bir çok nöro/psikiyatrik

bozukluklarda farmasötik kimyaya alternatif olan bir tedavi yöntemidir. TMS tedavisi, beyne

doğrudan elektrik vermeden, manyetik alan oluşturup beynin doğal elektriğini aktive eden bir

sistemdir. Ayrıca TMS tedavisi invazif olmayan(cerrahi işlem gerektirmeyen) bir yöntem olduğu

için de tedavi esnasında komplikasyon oluşma olasılığı oldukça düşüktür ve bu nedenle

nöro/psikiyatrik bozuklukların tedavisinde önemli bir yere sahiptir.

EEG(Elektroensefalografi), nöronların içindeki iyonik akımdan dolayı oluşan voltaj

dalgalanmalarının ölçümüdür. EEG klinik olarak, kafa derisine çok sayıda yerleştirilmiş olan

elektrotların, beyindeki rastgele olan elektrisel aktivitesini belirli süre boyunca kaydeder. Başta

epilepsi olmak üzere nöro/psikiyatrik bozukluklarda da tedavi için gereken tanının konunabilmesi

için önemli bir ölçümdür.

Son yıllarda, giyilebilir olarak ayrı ayrı EEG ve TMS cihazları tasarlanıp piyasaya sürülmüştür.

Bilimsel olarak giyilebilir olmayan EEG ve TMS cihazları ile çalışmalar literatürde mevcuttur.

Fakat, kombine bir şekilde giyilebilir EEG ve TMS cihazı piyasada ve literatürde

bulunmamaktadır. Nöromühendislik ve biyomühendislik alanındaki gelişmeler tedavi

yöntemlerinin başarı oranlarını oldukça yükseltmiştir. Nöro/psikiyatri, tedavilerindeki başarı

artışını, gerçek zamanlı ölçüm alabilen nöromühendislik ve biyomühendislik alanında geliştirilen

giyilebilir cihazlara ve biyosensörlere borçludur.

1.2 Projenin Amacı ve Önemi

Projenin amacı ve önemi ayrı bölümler halinde kısa ve net cümlelerle açıklanmalıdır.

Projenin Amacı

1 – Gerçek zamanlı ölçüm ve tedavi uygulamasının yapılması.

2 – Kullanıcının, ölçüm ve tedavi sürecinde günlük yaşantısına devam edebilmesi.

3 – Farmasötik kimya kullanılmadan(Antidepresanlar vb.) ve invazif olmayan, yan etkisi en azadüşürülmüş tedavi yöntemi.

4 – Birden fazla nöro/psikiyatrik bozukluğun tedavi edilebilmesi.(Örneğin; Epilepsi, Alzheimer,Parkinson, Nöropatik ağrı, anksiyete, Şizofreni, Obsesif kompulsif bozukluk)

Projenin Önemi

1 – Oldukça etkili klinik araştırma sonuçlarına dayalı olarak, TMS tedavisinin başarı oranı,farmakoterapi(ilaç tedavisi)’den daha fazladır.

2 – Az veya sıfır yan etkisi vardır. En şiddetli yan etkisi hafif bir baş ağrısıdır.

3 – TMS, genelde tedaviye dirençli depresyon hastaları ve depresif bozukluğu olup ilaçkullanamayan(gebe ve emziren) hastalarda uygulanır.

3 – EKT(Elektrokonvülsif tedavi)’ye göre oldukça büyük avantajlara sahiptir.

Şekil 1. TMS ile EKT arasındaki farklar

1.3 Proje ile Oluşturulacak Ürün ve Hizmetler

Proje gerçekleştiğinde hangi ürün ve/veya hizmetlerin sağlanacağını açıkça belirtiniz.

Şekil 2. Giyilebilir EEG cihazı Şekil 3. Giyilebilir TMS cihazı

Şekil 4. Tahmini giyilebilir EEG-TMS cihazı

Şekil 2. ve Şekil 3. de verilen görseller literatür ve piyasadaki giyilebilir EEG ve TMS

cihazlarına aittir. Proje ile oluşturulacak ürün Şekil 4. (c)’de verildiği gibi bir şapka tasarımına

sahiptir. Tasarımda Şekil 4. (b)’de verilen dizaynda bir EEG cihazı düşünülmektedir. Tahmini

şapka modeline göre, şapkanın iç üst kısımlarına hareket ettirilebilir TMS cihazı yerleştirilmesi

planlanmaktadır. Bu sayede şapka tasarımının iç yan yüzeylerinde EEG cihazı, iç üst

yüzeylerinde ise TMS cihazı kullanılacaktır.

2.4 Projenin Yenilikçi Yönü ve Teknolojik Düzeyi

Bu kısımda, projenin yenilikçi yönü açıklanmalıdır. Projenin hangi eksikliği ne şekilde gidereceği veyahangi soruna nasıl bir çözüm getireceği net biçimde açıklanmalıdır. Proje kapsamında planlanan faaliyetler,incelenecek parametreler, bu parametrelerin incelenmesi için kullanılacak yöntemler ve araçlar, yapılacakölçümler ve çıktıları açıklanmalıdır. Elde edilecek ürünün güncel teknolojilerle uyumu belirtilmelidir.

Standart tasarımda bulunan EEG ve TMS cihazları, ölçümü ve tedaviyi, kişiyi stabil durumda

bulundurarak işlemlerini gerçekleştirmektedir. TMS tedavi seansları genellikle 20-25 gün ve

ortalama olarak 30 dakikadır. Bu durum ise kişinin gündelik aktivitelerinde aksamaya sebebiyet

verir ve her seans için ücretlendirme ile birlikte kişilerin tedaviye ulaşımını zorlaştırır. Buna ek

olarak, EEG analiz süresi de genelde 30 dakikadır. Burada önemli bir husus ise, özellikle devlet

hastanelerinde EEG analizi için kişilerin randevu bekleme süreleri genellikle 20-40gün

arasındadır. Bu ise EEG gibi kritik bir analiz için büyük bir sorundur. Projemizde, EEG ve

TMS cihazını birleştirerek, kişilerin gündelik hayatlarına olağan bir şekilde devam

edebilmelerini, en uygun tedaviye ulaşabilmelerini, düşük maliyetli tedaviye ulaşabilmelerini,

farmakoterapi’nin yan etkilerine uğramamalarını hedeflemekteyiz. Son olarak, EEG

analizinden elde edilen sonuçların anlık olarak bulut veri sistemine aktarılması ile kişilerin

doktorlar tarafından anlık takipleri yapılabilecektir.

Planlanan faaliyetler kapsamında,

Şekil 5. EEG Sisteminin Genel Şeması

a - EEG veri modülü: Geleneksel ıslak elektrotlara karşın kuru elektrotlar(Ag/AgCl kaplamalıFP1 ,FP2 , A1 bölgelerine takılı) tercih edilmiştir. Çünkü geleneksel elektrotlar, iletken pasta veuygun deri koşullarına gereksinim duyduğundan her zaman ölçüm için uygun değildir.

Şekil 6. Islak Elektrot Yöntemi Şeması

Şekil 7. Islak Elektrot Yöntemi Devre Şeması

Şekil 8. Kuru elektrot tasarımı

b – EEG sinyal işleme: EEG ön işleme, zaman-frekans dönüşümü ve sayısallaştırılmış güç

spektrumu hesaplaması için 512 Hz örnekleme frekansına sahip “ThinkGear” EEG işleme çipi

(“NeuroSky Company”, San Jose, CA, ABD tarafından üretilen tıbbi sınıf hassasiyet çipi) tercih

edilmiştir. Mikroişlemci, bir sinyal kontrol merkezi olarak EEG'nin yeniden işlenmesinden

sorumludur ve modüller arasında belirlenen işi koordine eder.

D - 3,6 V polimer lityum-iyon batarya, küçük hacimli, yüksek kapasitesi ve iyi deşarj

performansından dolayı giyilebilir ürünler için yaygın olarak kullanılan bir üründür ve tüm

sistemin gücünü sağlar.

e - CC2540 Bluetooth modül (Texas Instruments Company, Dallas, TX tarafından üretilen),

özellikle giyilebilir ürünler için uygun olan küçük boyutlu ve ultra düşük güç tüketimi özellikleri

nedeniyle iletişim için seçilmiştir.

EEG cihazı ile yapılacak ölçümler,

Şekil 9. Farklı bölgelere uygulanan uyarımların EEG görüntüleri

Şekil 10. (A) TMS olmayan EEG analizi (B) TMS olan EEG analizi

TMS cihazı için ise,

Şekil 11. TMS Cihazı

Şekil 11.’de görüldüğü gibi, atımların(pulse), manyetik alanın şiddetinin ve tedavi süresinin

belirlenebildiği dahili şarj edilebilir bataryaya sahip bir arayüz planlanmaktadır. Kablo ile

ekrana bağlı olan parça manyetik alanın oluşmasını sağlayan indüksiyon bobinleridir.

Şekil 12. TMS Cihazı Devre Şeması ve Farklı Modları

Şekil 12.’de görüldüğü üzere, güç kaynağı bir kapasitör ve şalter(switch) yardımıyla bobine

bağlanır. Güç kaynağı dolayısıyla bobin üzerinde bir akım oluşur. Bu durumda bobinde

manyetik alan indüklenir. Bu manyetik alan beyinin, medial korteksine ya da frontal korteksine

hedeflenir. Manyetik alan uyarımıyla birlikte o bölgede bir elektrik alan oluşur ve nöronlar aktif

hale getirilir. Sonrasında kişinin motor tepkileri EEG analizi ile gözlenir. TMS cihazı ile

uygulanabilir 3 farklı tedavi yöntemi mevcuttur. Tekli atım TMS, çiftli atım TMS ve

Tekrarlayan TMS’dir. Tekli atım TMS’de, öncelikle TMS cihazı ile belirlenen bölgeye bir

uyarım gerçekleştirilir, sonrasında motor tepkileri gözlenir. Çiftli atım TMS’de, art arda iki

uyarım gerçekleştirilir, sonrasında motor tepkileri gözlenir. Tekrarlayan TMS’de ise, sürekli

olarak uyarımlar gerçekleşir.

2.5 Projenin Hedeflediği Pazar/Müşteri/Hedef Kitle Analizi

Proje sonucunda hedeflenen ürün/hizmet/sürecin yer alacağı sektör ve özelliklerini açıklayınız. Potansiyelmüşterilere dair bilgiler veriniz. Proje çıktılarının ulusal ve uluslararası rekabet potansiyelini, ürün/hizmetbazında rakiplerin güçlü ve zayıf yönlerini de belirterek açıklayınız.

Sektörel anlamda ürün, medikal cihazlar kategorisinde yer alır. Potansiyel müşterilerimiz,

Hastaneler, psikiyatri klinikleri ve nöro/pskiyatrik bozukluğa sahip kişilerdir. Ulusal anlamda,

rakiplerimiz TMS tedavi merkezleri ve EKT tedavi merkezleridir. Fakat bu merkezler, yüksek

tedavi maliyetleri(200-300 lira seans başına), gerçek zamanlı analiz(ölçüm) yapamamaları ve

kişilerin günlük hayatlarından zaman çaldıkları için bize göre zayıf kalmaktadırlar. Buna

rağmen, pazar tanınırlığı ve güvenirliliği açısından bu noktada bize göre daha avantajlı

olmaktadırlar. Bu noktada pazar stratejisi olarak, pazar ortaklarıyla doğrudan rekabet

politikası değil, ortak işbirliği anlayışı güdülecektir. Bu politika kapsamında, ürünümüzü pazar

ortaklarının kullanımına sunarak, pazar ortaklarının gelişen teknolojiye ayak uydurmasını

sağlayarak müşteri potansiyelini arttırmasını, bu durum sayesinde, biz de pazarda

tanınırlığımızı arttırmayı planlamaktayız. Uluslararası anlamda, birden fazla şirket giyilebilir

EEG cihazı tasarlayıp, piyasaya sürmüştür. Fakat, giyilebilir TMS cihazını piyasaya sürmüş

sadece bir şirket bulunmaktadır. Tüm bunların yanı sıra giyilebilir EEG ve giyilebilir TMS’yi

birleştirmiş herhangi bir piyasa ürünü bulunmamaktadır. Literatürde de bu denli bir çalışma

bulunmadığı için kısa süre zarfında piyasaya sürülme ihtimali de düşüktür.

2.6 Projenin Detaylı Açıklaması (Teorik Altyapı, Yöntem, vs ….)

Bu kısımda projenin teorik altyapısı ve kullanılan yöntem detaylıca açıklanmalıdır.

Bobin dizaynı üzerine,

Şekil 13. Bobin Devre Şeması

TMS cihazı ile tedavilerdeki gerekli maksimum manyetik alan büyüklüğü 100gauss’dur.

Bu manyetik alanı oluşturabilmek için gerekli sistem,

Şekil 14. Selenoid’in Manyetik Alanı

L=μ N2 Al

μ : manyetik geçirgenlik N : sarım sayısı

Formül 1. Selenoid’in indüktansı A : yanal yüzey l : selenoid’in uzunluğu

μ=k μ0 μ0 : 4π x 10-7 T.m/A k : nispi geçirgenlik

Formül 2. Manyetik geçirgenlik

Manyetik demir için genellikle nispi geçirgenlik(k)=200, Akım(I)=1 amper, Sarım sayısı(N)=100,

selenoid’in uzunluğu(l)=1cm, düşünüldüğü takdirde, Manyetik alanın büyüklüğü;

B=200.4π 10−7T .m /A 1021 A10−2m

=100Gauss olarak bulunur.

Harcanacak Güç için;

Bobinin indüktansı;

k=200, μ= 4π x 10-7 T/A.m, N=100, l=1cm, r(yarıçap)=2,5cm, bu değerlere göre;

L=4π 10−7T .m /A10−4 π (2,5.10−2m)2

10−2m=493mH olarak bulunur.

C = 550µF olarak alınsa,

I=V ( t)Z

Z : empedans

Formül 3. Zamana bağlı akım dalga fonksiyonu

Z= 1

√(( 1R

)2

+( 1X L

− 1XC

)2

)

Formül 4. Paralel RLC devresinin empedansı

V (t)=V AC sin(ω t+ϕ )

Formül 5. Zamana bağlı gerilim dalga fonksiyonu

Gerilim bir dalga fonksiyonu olduğu için gücü bulabilmek için zaman ortalamasını alırız,

⟨V (t)2⟩=12V AC

2 Formül 6. Zaman ortalamalı gerilim

Zaman ortalamalı güç ise,

⟨P( t)⟩=12V AC

2

Z Formül 7. Zaman ortalamalı güç

Projenin yenilikçi yönü ve teknolojik düzeyi bölümünde EEG’nin çalışma prensibi açıklanmıştır.

2. PROJE YÖNETİMİ

Bu kısımda, takım üyelerinin nasıl bir iş bölümü yaptığı açıklanmalıdır.

Yapılan İşler İrfan Alp GEZGİN Muhammed Zeki ŞENTÜRK

Literatür Taraması X

Çalışma Prensibi Açıklaması X

Devre Şemaları X

Farklı Tedavilerin Karşılaştırılması X

Sözel Teorik Altyapı X

Matematiksel Teorik Altyapı X

Piyasa Araştırması X

3. KAYNAKÇA

[1] – Jayaprakash Selvaraj, Priyam Rastogi, Neelam Prabhu Gaunkar, Ravi L. Hadimani, Coil

Design of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation System for Small Animal, (2018)

[2] - Richard E. Frye, MD, PhD, Alexander Rotenberg, MD, PhD, Molliann Ousley, and Alvaro

Pascual-Leone, MD, PhD, Transcranial Magnetic Stimulation in Child Neurology: Current and

Future Directions, (2008)

[3] – M.A.Lopez-Gordo, D.Sanchez-Morillo, F.Pelayo Valle, Dry EEG Electrodes, (2014)

[4] - Taylor, P. C. J., Walsh, V., & Eimer, Combining TMS and EEG to study cognitive function and

cortico–cortico interactions, (2008)

[5] - Vernet M, Thut G, Electroencephalography during Transcranial Magnetic Stimulation: current

modus operandi. In: Neuromethods: Transcranial Magnetic Stimulation, (2014)

[6] - Qing Zhang1 , Pingping Wang1,2, Yan Liu2,3, Bo Peng2 , Yufu Zhou1 , Zhiyong Zhou2 ,

Baotong Tong2 , Bensheng Qiu1 , Yishan Zheng4 and Yakang Dai, A real-time wireless wearable

electroencephalography system based on Support Vector Machine for encephalopathy daily

monitoring, (2018)

[7] - http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/solenoid.html#c1

[8] - https://flexpulse.in/product/flexpulse-pemf-device/