Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane Axa prioritară 1 Educaţie şi forma

Transcriere

1 Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane Axa prioritară 1 Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere Domeniul major de intervenţie 1.5. Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării Titlul proiectului: Burse doctorale pentru dezvoltare durabila BD-DD Numărul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Universitatea Transilvania din Braşov Şcoala Doctorală Interdisciplinară Departament: Sisteme pentru controlul proceselor MSc. ing. Péter SZAKÁCS-SIMON MONITORIZAREA PERSOANELOR ÎNTR-UN MEDIU INTELIGENT MONITORING PEOPLE AT RISK IN A SMART ENVIRONMENT Conducător ştiinţific Prof. dr. ing. Sorin Aurel MORARU BRAŞOV, 2013

2 MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, , TEL , FAX RECTORAT D-lui (D-nei)... COMPONENŢA Comisiei de doctorat Numită prin ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov Nr din PREŞEDINTE: CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: REFERENŢI: -Conf. univ. dr. ing. Delia UNGUREANU PRODECAN - Fac. de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor Universitatea Transilvania din Braşov -Prof. univ. dr. ing. Sorin A. MORARU Universitatea Transilvania din Braşov -Prof. univ. dr. ing. Theodor BORANGIU Universitatea Politehnica din Bucureşti -Prof. univ. dr. ing. Anca PURCĂREA Universitatea Politehnica din Bucureşti -Conf.univ. dr. ing. Liviu PERNIU Universitatea Transilvania din Braşov Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 15 noiembrie 2013, ora 11:00, sala V III 9. Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa peter.szakacs@unitbv.ro sau la numărul de fax: Departamentul de Automatică și Tehnologia Informației : 0268/ Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim.

3 CUPRINS Pag. Pag. teza rezumat 1 Introducere 1.1 Actualitatea temei Motivarea tezei Scopuri şi obiectivele urmărite Structura şi conţinutul lucrării Stadiul actual privind monitorizarea persoanelor cu risc 2.1 Monitorizarea activităţilor şi localizarea la domiciliu Sisteme reprezentative de monitorizare a activităţii Monitorizarea din punct de vedere medical Sisteme reprezentative de telemonitorizare medicală Biosemnale Kit de dezvoltare Freescale pentru aplicaţii de monitorizare medicală Concluzii Monitorizarea activităţii persoanelor cu risc la domiciliu 3.1 Sistemul de automatizare a casei Proiectarea sistemului propus Funcţii implementate Monitorizarea activităţii persoanelor din locuinţă Reţeaua de senzori wireless Aparatul purtat de persoane Monitorizare bazată pe senzori de acceleraţie Poziţia şi orientarea corpului Mişcări monitorizate ale corpului uman Detectarea unei căzături Monitorizarea mişcărilor din timpul somnului pentru studiu Concluzii Monitorizarea medicală a persoanelor cu risc la domiciliu 4.1 Sistemul propus pentru monitorizare medicală Monitorizare EKG Teoria de funcţionare al aparatelor EKG Teoria diagnosticării EKG Sistemul experimental realizat Detectarea ratei cardiace Detectarea aritmiilor Detectarea unui posibil infarct miocardic Monitorizarea pulsului şi a oxigenării sângelui MSc ing. Péter Szakács-Simon 1 Teză de doctorat

4 4.3.1 Teoria diagnosticării SpO Adaptarea hardware şi software al aparatului medical utilizat Monitorizarea în timpul somnului, apneea în somn Monitorizarea valorii ratei cardiace Monitorizarea valorii nivelului de oxigenare a sângelui Monitorizarea la efort Analiza undei PPG Monitorizarea temperaturii corpului, febra Teoria diagnosticării situaţiilor febrile Montajul experimental realizat Monitorizarea evoluţiei temperaturii corpului uman Monitorizarea tensiunii arteriale Teoria diagnosticării tensiunii arteriale Adaptarea hardware şi software a aparatului medical utilizat Monitorizarea de tip Holter Monitorizarea la efort Efectul de halat alb Asistarea pacientului Funcţii de prevenire şi informare Funcţii de sincronizare Utilizarea limbajului natural nu doar beepuri şi led-uri Detectarea situaţiilor de urgenţă Alertarea automată a echipei de intervenţie Concluzii Monitorizarea medicală şi localizarea persoanelor cu risc în afara locuinţei 5.1 Extinderea monitorizării şi în afara locuinţei Aplicţia Android pentru telefonul mobil Accesul la resursele integrate ale telefonului mobil Legătura Bluetooth între aparatul portabil şi telefonul mobil Legătura de date, internet pe mobil Funcţii GPS şi A-GPS Funcţii SMS Transferul datelor de monitorizare către server Detectarea evenimentelor de urgenţă şi alertarea Monitorizarea şi localizarea pacientului în afara locuinţei Monitorizarea şi localizarea copiilor Pe traseul casă - şcoală şi înapoi Lăsaţi afară singuri la joacă Aspecte legate de efectul aparatelor fără fir utilizate asupra sănătăţii Concluzii Monitorizarea în timp real al efectelor medicamentelor 6.1 Importanţa monitorizării efectelor medicamantelor Monitorizarea evoluţiei unei stări febrile MSc ing. Péter Szakács-Simon 2 Teză de doctorat

5 6.3 Monitorizarea evoluţiei tensiunii arteriale Efectele medicamentelor asupra funcţionării inimii Concluzii Cloud computing ca şi suport informatic central pentru mediul inteligent 7.1 Noţiuni introductive de Cloud computing Server central pentru mediul inteligent Accesul datelor de la distanta Vizualizarea datelor în timp real Funcţii avansate de analiză a datelor Predicţia asupra evoluţiei unei afecţiuni Simularea unei achiziţii de date pentru evaluarea resurselor utilizate şi costului Concluzii Concluzii finale, contribuţii originale, direcţii viitoare de cercetare şi diseminarea 8.1 Concluzii finale Contribuţii originale Diseminarea rezultatelor Direcţii viitoare de cercetare Bibliografie Listă de abrevieri Listă de figuri Listă de tabele Rezumat Abstract Contents Curriculum vitae RO şi EN Declaraţia de autenticitate a tezei de doctorat MSc ing. Péter Szakács-Simon 3 Teză de doctorat

6 CAP 1 INTRODUCERE 1.1 Actualitatea temei Monitorizarea persoanelor cu risc reprezintă una din marile provocări ale societăţii moderne, mai ales că numărul persoanelor active care muncesc şi produc venituri în sistemul public scade iar populaţia inactivă creşte. A crescut şi speranţa de viaţă a persoanelor în vârstă datorită evoluţiei pozitive a tehnologiei care a găsit soluţii tot mai eficiente pentru tratarea bolilor cronice şi specifice. Din acest motiv, se caută soluţii eficiente de a monitoriza şi a înbunătăţi viaţa persoanelor inactive diminuând atât costurile cât şi numărul persoanelor active care sunt implicate în aceste procese. Situaţia ideală ar fi ca persoanele cu risc să aibă propriile unelte de a controla eficient bolile de care suferă, să poată trăi independenţi, nu neapărat într-un centru special sau sub supravegherea altor persoane. Această lucrare propune soluţii pentru monitorizarea persoanelor cu risc, cu accent pe două aspecte fundamentale şi foarte importante: prevenţia pe primul loc, apoi intervenţia eficientă în cazurile de urgenţă medicală. Sunt persoane care ori sunt prea tinere (copii) să se ferească de anumite probleme (ex: accidentări, sufocare etc.) sau sunt adulţi şi suferă de boli ce afectează capacitatea acestora de a locui singure, să se îngrijească, să se hrănească şi să-şi ia medicamentele. Aceşti adulţi sau copii nu suferă neapărat de afecţiuni cronice, dar copii sunt prea mici iar adulţii au probleme de memorie şi de comportament. Pentru aceste categorii de persoane consider utilă monitorizarea activităţii pentru a preveni eventuale accidentări sau înbolnăviri, iar totodată să poată fi evaluaţi şi urmăriţi în procesul de recuperare. Din punct de vedere medical sunt importante mai ales bolile de inimă dar şi alte afecţiuni care pot fi detectate şi tratate, iar dacă se agravează acestea reprezintă cazuri de urgenţă si trebuie raportate. În ţările mai dezvoltate există o serie de soluţii integrate ce monitorizează aceste persoane cu risc în centre speciale sau doar sub forma unor mici aparate dedicate ce supraveghează unu sau mai mulţi parametrii. Am întâlnit multe cazuri în care un aparat cât de simplu, ar fi putut salva viaţa unor persoane, mai ales în cazuri de infart miocardic, persoana în cauză a fost prea tarziu descoperită şi nu a mai putut fi ajutată. Am evaluat piaţa aparatelor medicale pentru acasă vândute în ţara noastră şi nu am găsit soluţii ieftine şi eficiente pe care o persoană cu risc ar putea să-l cumpere şi să o ajute exact în momentele de urgenţă când nu poate să ceară singură ajutor. Sunt disponibile din import simple butoane de panică pe care poate apăsa persoana să ceară ajutor, dar nu ajută în cazurile când persoana îşi pierde conştiinţa sau când din cauza durerilor nu se poate mişca deloc, pentru aceste siţuaţii este nevoie de automatizarea procesului de alarmare. Sistemul actual de urgenţe MSc ing. Péter Szakács-Simon 4 Teză de doctorat

7 funcţionează pe bază de apel telefonic, adică cineva trebuie să observe pacientul cu probleme, să sune la dispeceratul de urgenţe, să dea detalii despre persoana sa, scena urgenţei şi semnele pe care le observă la pacient (postura, răni posibile, prezenţa pulsului, respiraţiei, etc.), doar după aceea va porni echipa de intervenţie pe teren. Toate aceste operaţiuni au în final rezultatul că echipa de intervenţie ajunge la pacient să-l ajute, însa în cele mai multe cazuri timpul în care ajunge echipa la pacient va influenţa în mod direct şansele sale de supravieţuire. Acest proiect îşi propune să minimizeze acest timp de intervenţie, în caz de alarmare automată sau prin butonul de panică, la dispecerat apar toate informaţiile necesare să pornească echipa de intervenţie. Se cunoaşte identitatea pacientului, localizarea acestuia şi ce au măsurat senzorii în momentul când s-a generat alerta. Este ca o cutie neagră, se poate şti ce au măsurat senzorii în timpul unui infarct de exemplu. Informaţiile oferite de un trecător sunt de obicei incomplete, nu poate şti ce a păţit pacientul dacă acesta este inconstient, poate avea reţineri sau frică să atingă pacientul căzut, vede doar că se ţine de cap sau de piept, dar nu ştie mai exact ce a păţit. Pentru că aparatul trimite şi un raport despre măsurătorile efectuate de senzori, de la dispecerat se va trimite echipa cea mai potrivită în a ajuta pacientul cu dotările necesare. Un alt aspect important este urmărirea continuă a bolii, controlul acestuia şi măsuri preventive astfel să se diminueze la minim situaţiile când echipele de urgenţă trebuie să intervină. Măsurile preventive presupun: -administrarea la nevoie a medicamentelor eficiente care chiar pot stabiliza pacientul, -administrarea medicamentelor din timp înainte de agravarea situaţiei, -pacientul va şti când să-şi suspende activitatea ce poate agrava starea sa de sănătate prin utilizarea aparatului de monitorizare ce poate genera alerte că s-au apropiat ori s-au atins anumite valori periculoase. În acest caz pacientul va lua măsuri prin administrarea medicamentului prescris de medicul său sau prin suspendarea activităţii (efort fizic sau stres psihic) ce a dus la valori periculoase. Măsurile preventive includ şi controlul în timp real asupra eficienţei medicamentelor administrate. În majoritatea cazurilor se prescrie un anumit medicament sau un set de medicamente după care pacientul pleacă acasă şi mai revine doar dacă se simte rău din cauza efectelor secundare sau dacă constată că nu îl ajută medicamentele. Acest lucru de regulă presupune trecerea unei perioade de test de câteva zile sau săptămâni, perioadă în care dacă medicamentul administrat nu este eficient sau dacă acţionează doar pe o perioada de timp de câteva ore pe zi, şi nu 24 de ore pe zi, pacientul tot este expus la riscuri şi nu stie. Sistemul propus are ca obiectiv urmărirea eficienţei medicamentelor administrate, oferind un mijloc de măsură şi de siguranţă suplimentară atât pentru pacient cât şi pentru medicul curant. Medicul şi persoanele autorizate (ex. rudele) pot urmări în timp real prin internet atât eficienţa medicamentelor administrate cât şi evoluţia pacientului, medicul poate schimba medicamentul sau doza pentru a eleabora un tratament personalizat pentru fiecare pacient în parte. Astfel perioada de testare a medicamentelor administrate scade, pacientul fiind mai puţin timp expus riscurilor provenite din ineficienţa medicamentelor. Sunt cazuri când încă nu doare şi încă nu sunt alte semne clinice care să alarmeze pacientul dar este expus unor riscuri de complicare a situaţiei sale de sănătate. O parte din aceste situaţii pot fi detectate şi agravarea lor prevenită prin simple metode de administrare de medicamente şi MSc ing. Péter Szakács-Simon 5 Teză de doctorat

8 suspendarea unor activităţi ce presupune efort fizic sau stres emoţional. Aceste aspecte sunt descrise mai în detaliu în capitolele ce urmează şi demonstrate sub denumirea de asistare a pacientului. Beneficiile sistemului propus şi al funcţiilor integrate sunt demonstrate în această lucrare la o scară mai mică, implicând monitorizarea doar a câtorva pacienţi în scop demonstrativ, însă se poate extinde chiar la o scară mult mai mare, implicând puterea de calcul şi resursele unui server performant de tip Cloud aşa cum este prezentat şi în capitolul 7 şi care ar putea deservi sistemul medical de urgenţă chiar a unui oras întreg. Un astfel de server este necesar pentru a gestiona şi deservi în timp real multe procese paralele de achiziţie de date şi acces la informaţii. Una din avantajele sistemului este că procesul de salvare a datelor în baza de date este automatizată, nu este necesară salvarea datelor manual, se ştie că acest lucru ar fi destul de dificil pentru că nu toată lumea ştie să lucreze cu tehnologia modernă. Se ştie că salvarea, căutarea şi integrarea datelor medicale poate reprezenta mai mult de o treime din timpul de lucru a unui medic, timp în care ar putea face lucruri mai utile legate de vindecarea pacienţilor.[5] Accesul rapid la informaţiile deja înregistrate şi la istoricul pacienţilor ar ajuta să fie trataţi mai repede şi mai eficient dacă se ajunge la spital. Accesul la datele medicale a pacienţilor este securizat şi confidenţial, la date au acces doar cei autorizaţi, care sunt implicaţi în urmărirea şi inbunătăţirea stării de sănătate a pacienţilor. Pe Cloud se pot rula şi algoritmi de analiză a datelor pentru evaluarea riscurilor pacienţilor sau predicţii, implicând elemente avansate de inteligenţă artificială, reţele neuronale ca în [2] si care vor fi prezentate pe scurt mai târziu. Beneficiile unui sistem integrat eficient în care colaborează serviciile implicate sunt date de: accesul în timp real la informaţiile importante, schimbul de date, controlul mai eficient asupra costurilor, decontarea între servicii datorită mecanismelor integrate în sistemul Cloud de contorizare a resurselor utilizate. Un astfel de sistem informatic odată constituit, poate servi şi ca suport educaţional pentru studenţii de la facultaţile de medicină, care nu trebuie să studieze numeroase fişe medicale şi pot avea acces la datele legate de tratarea pacienţilor (sub formă anonimă) pentru a însuşi cele mai bune practici şi a avea o viziune mai buna despre ce se întamplă real în cazurile de tratamente eficiente sau ineficiente. Acest lucru s-ar putea realiza sub forma unui laborator virtual aşa cum a fost prezentat pe scurt în lucrarea conferintei IBM Academic Days.[6] 1.2 Motivarea tezei Principala motivaţie a tezei este de a oferi persoanelor cu risc metode şi elemente accesibile astfel încât să se poată preveni anumite situaţii de urgenţă medicală, iar dacă totuşi situaţia scapă de sub control, intervenţia să se facă cât mai eficient şi într-un timp cât mai scurt posibil. De asemenea să se elimine situaţiile când persoana cu risc nu mai poate fi ajutată din simplul motiv că a fost prea târziu descoperită şi singură nu a mai fost în stare să ceară ajutor. Un instrument util ar fi pentru medici, controlul în timp real asupra efectelor medicamentelor administrate, oferind feedback atât medicului curant cât şi pacientului astfel încât tratamentele să devină fin personalizate iar pacientul să simtă beneficiile acestor personalizări. Ar creşte totodată şi încrederea pacienţilor în medicul curant, văzând că acţionează mai responsabil, si are un mijloc prin care poate verifica corectitudinea tratamentelor prescrise. Aceste funcţii consider a fi foarte importante pentru că nu de puţine ori tratamentul nu a avut efectul scontat iar anumite MSc ing. Péter Szakács-Simon 6 Teză de doctorat

9 medicamente au fost inutil administrate câteva zile pentru probă. În această perioadă pacientul este doar parţial sau deloc protejat de medicamentele prescrise, fiind expus unor riscuri destul de mari dacă vorbim de tensiunea arterială sau bolile de inimă. Există în dotarea unor cabinete aparate de tip Holter dar acestea sunt scumpe şi se utilizează doar în cazuri mai rare când persoana este greu de clasificat. În această lucrare propun câteva soluţii de monitorizare permanentă sau pe parcursul a câteva zile, la costuri mult sub costul aparatelor Holter existente. De regulă aceste aparate date pentru acasă, se citesc abia după perioada de monitorizare. Utilizând aparatele prezentate în această teză medicul poate avea acces în timp real online la noile valori după fiecare măsurătoare. Am pus şi problema ce se întâmplă dacă persoana pleacă de la domiciliu, la cumpărături sau în vizite la rude sau prieteni. În acest caz, în mod normal ar lăsa aparatul acasă şi ar utiliza din nou după ce se întoarce. Aparatul miniaturizat propus poate fi purtat şi în afara locuinţei, acesta realizează măsurătorile automat, astfel transferă datele prin reţeaua de internet a telefonului mobil. În caz de urgenţă, pacientul poate fi usor găsit datorită aplicaţiei de localizare ce am realizat pentru telefoanele cu SO Android Scopuri şi obiectivele urmărite Scopul urmărit: Înbunătăţirea serviciilor medicale prin utilizarea unor tehnici de prevenire şi de alertare rapidă la nevoie în cazul persoanelor cu risc. Obiective: - monitorizarea activităţii persoanelor cu risc la domiciliu - monitorizarea din punct de vedere medical - monitorizarea şi localizarea în afara locuinţei - asistarea pacienţilor să prevină atingerea unor valori periculoase pentru puls, tensiune arterială. - detectarea cazurilor de urgenţă şi automatizarea procesului de alertare - un instrument de monitorizare în timp real a efectelor medicamentelor - aparate accesibile ca preţ pentru funcţii de monitorizare avansate - funcţii de analiză a datelor pentru diagnosticare -prezentarea beneficiilor unui sistem informatic performant de tip Cloud, model utilizabil pentru monitorizarea şi evaluarea unui număr mare de pacienţi Proiectul este destinat persoanelor cu risc, în această categorie consider persoanele de vârsta a 3-a care sunt trecuţi de 65 de ani, persoane încă active de de ani dar şi categorii de persoane care trebuie supravegheaţi fiind copii sau adulţi cu probleme de memorie sau comportament. Sunt destul de multe cazuri de persoane între 45 şi 65 de ani care sunt în categoria de risc şi pot suferi sau au suferit deja un infarct miocardic sau accident vascular. Un sitem interactiv care semnalează din timp astfel incât să nu se atingă valorile maxime permise a ratei cardiace sau a tensiunii arteriale, ar ajuta pacientul să-şi menţină starea de sănătate stabilă. MSc ing. Péter Szakács-Simon 7 Teză de doctorat

10 1. 5 Structura şi conţinutul lucrării Teza este strucurată pe 8 capitole după cum urmează: Cap.1. Introducere. Acest capitol prezintă actualitatea temei, motivarea autorului pentru abordarea subiectului, scopurile şi obiectivele urmărite, contribuţiile acestuia, apoi descrie structura şi conţinutul tezei de doctorat. Cap.2. Stadiul actual privind monitorizarea persoanelor cu risc. În acest capitol autorul prezintă stadiul actual în domeniu privind monitorizarea persoanelor cu risc, metode şi sisteme reprezentative din literatura de specialitate: a) medii de locuit inteligente bazate pe senzori fără fir ce monitorizează atât confortul dar şi activităţile zilnice de bază a persoanelor din locuinţă; b) aparate reprezentative de monitorizare medicală utilizate la domiciliu şi în afara acestuia în aplicaţiile de telemedicină, c) tehnici pentru achiziţia datelor, procesare, stocare, senzori, comunicaţii wireless, localizare GPS, mesagerie text şi internet pe mobil. Cap.3. Monitorizarea activităţii persoanelor cu risc la domiciliu. În acest capitol autorul prezintă sistemul propus pentru monitorizarea activităţii persoanelor din locuinţă bazat pe noduri wireless de tip Bluetooth, unde sistemul de automatizare a casei are şi funcţii de monitorizare a persoanelor. Datele sunt colectate apoi procesate pe calculator pentru evaluarea pacientului. Pentru această monitorizare se utilizează senzori bipoziţionali (contacte), sezori de prezenţă şi de proximitate distribuite în locuinţa pacientului. Este o metodă mai agreată decât utilizarea camerelor video, dacă pacientul permite, poate purta şi un accelerometru pentru detectrea unei eventuale căzături. Sistemul este destinat în special monitorizării persoanelor cu probleme de memorie şi / sau de comportament. Ex. de probleme de comportament: mişcări aleatorii sau repetitive, stă nemişcat pentru perioade mai lungi de timp. Cap.4. Monitorizarea din punct de vedere medical a persoanelor la domiciliu. În acest capitol autorul prezintă sistemul propus şi realizat demonstrativ pentru monitorizarea stării de sănătate, având funcţiile: EKG, Pulsoximetru, Termometru, Accelerometru şi Tensiometru. Au fost dezvoltate funcţii suplimentare de analiză a datelor achiziţionate în timp real, alertarea şi funcţii de asistare a pacientului în utilizarea mai usoară a aparatelelor şi să nu depăşească în timpul unui efort fizic valorile de siguranţă. Sunt prezentate experimente de monitorizare a ratei cardiace, nivelului de oxigenare a sângelui, şi tensiunii arteriale, în timpul zilei, în timpul somnului şi la efort (urcarea treptelor). Alte experimente prezentate: monitorizarea evoluţiei unei febre şi detectarea unei căzături utilizând accelerometru. Cap.5. Monitorizarea medicală şi localizarea persoanelor cu risc în afara locuinţei. Atunci când persoana trebuie să părăsească locuinţa pentru a face cumpărături sau vrea să viziteze alte persoane, iese din aria de acoperire wireless din casă. Pentru aceste cazuri am realizat o aplicaţie software pentru telefonul mobil ce rulează sub sistemul de operare Android. Datele citite de senzori sunt transmise către telefon prin Bluetooth, se adaugă şi datele de localizare GPS apoi se trimite mesajul către o bază de date web. În cazul unei urgenţe, telefonul va transmite automat un mesaj SMS la numerele de telefon predefinite. Mesajul conţine atât datele medicale citite de senzori cât şi datele de localizare a pacientului. Sunt prezentate scenarii reale de monitorizare şi localizare în MSc ing. Péter Szakács-Simon 8 Teză de doctorat

11 timpul unor cumpărături şi vizite la alte adrese. Acest capitol prezintă şi utilizarea aplicaţiei de localizare, pentru monitorizarea copiilor în timp ce merg de acasă la şcoală şi înapoi sau când sunt afară singuri la joacă. Cap.6. Monitorizarea în timp real a efectelor medicamentelor. În acest capitol este prezentat cum se pot urmări efectele medicamentelor administrate pentru febră, tensiune arterială, aritmii etc. Datele sunt transmise în timp real în baza de date şi sunt accesibile medicului curant şi persoanelor autorizate. Atât medicul cât şi pacientul află din timp dacă medicamentele administrate sunt eficiente sau nu, şi dacă au efect pe durata întregii zile sau nu. Utilizând această funcţie, medicul poate elabora tratamente mult mai eficiente, personalizate. Cap.7. Infrastructura Cloud ca şi suport informatic pentru mediul inteligent. Atât datele provenite de la monitorizarea activităţii persoanelor cu risc cât şi datele de natură medicală pot fi mai eficient gestionate şi procesate utilizând un sistem informatic de tip Cloud având la bază mai multe servere şi infrastructură de mare performanţă. Autorul descrie un scenariu exemplu când un medic rezervă resurse hardware şi software pentru a monitoriza un numar mare de pacienţi, pe o anumită perioadă, utilizând portalul sistemului Cloud. După aprobare, pacienţii pot fi monitorizaţi simultan şi datele se înregistrează în baza de date. Avantaje: sistem fiabil, tolerant la defectări, asigură disponibilitatea şi securitatea datelor, gestionează utilizatorii ce accesează datele şi generează grafice despre utilizarea resurselor, funcţie utilă pentru decontarea cheltuielilor între serviciile implicate. Datorită capacităţii mari de procesare, poate rula şi algoritmi de analiză a datelor pentru predicţie, statistică şi evaluarea gradului de recuperare, algoritmi pe bază de reţele neuronale artificiale ca cele descrise în [2]. Aceşti algoritmi de prelucrare se pot integra în cloud şi sunt disponibile ca şi servicii (Software as a Service) pentru clienţi. Autorul prezintă şi un experiment real de achiziţie de date, contorizând şi afisând grafic resursele utilizate. Cap.8. Concluzii finale. Contribuţii originale. Direcţii viitoare de cercetare. Diseminarea. Concluziile finale prezintă o evaluare a rezultatelor teoretice şi experimentale obţinute, beneficiile şi avantajele sistemelor de monitorizare propuse. În continuare sunt prezentate contribuţiile originale şi noi idei ce duc la înbunătăţirea sau extindera acestui proiect. Autorul pe parcursul celor 3 ani de doctorat a elaborat un număr de 12 articole din care 7 ca prim autor, 5 ca şi coautor, 9 articole au fost publicate la conferinţe internaţionale, 1 articol la o conferinţă naţională (IBM) şi 2 capitole de carte despre telemonitorizare medicală (TTLS). MSc ing. Péter Szakács-Simon 9 Teză de doctorat

12 CAP 2 STADIUL ACTUAL PRIVIND MONITORIZAREA PERSOANELOR CU RISC Biosemnale Semnalul EMG activitatea musculară În urma activităţii musculare rezultă tensiuni electrice ce pot fi măsurate cu ajutorul unor electrozi de Ag / AgCl ce se pun la capetele muşchiului şi un electrod de referinţă plasat într-o zonă neutră, unde nu este afectat de activitatea electrică a muşchiului studiat. Electrozii pozitiv, negativ şi de referinţă sunt conectaţi la intrarea unui amplificator operational AO sau INA (amplificator de instrumentaţie), reprezentând primul etaj în procesul de achiziţie de date. Operaţiunea inversă este atunci când muşchiul este activat de impulsuri electrice ca să se contracte, pe acest principiu funcţionează aparatele fitness şi pacemakerul din cardiologie.[1] S Signal n Noise V S n 0 1 V S n 2 V ( V ) ( V ) ( S n) ( S n) S S (2.1) Figura Achiziţia de date de la muşchi şi principiul de funcţionare AO[25] Amplificatorul operaţional are rolul de a obţine diferenţa de potenţial dintre cele două semnale şi amplificarea acestuia utilizând schema din Figura şi ecuaţiile (2.1). AO primeşte la intrare semnalele V şi V prin intrarea pozitivă şi negativă, diferenţa de semnal este apoi amplificată şi disponibilă la iesirea V 0, această conexiune fiind reprezentativă ca prim etaj în domeniul achiziţiei de date biomedicale. [1] Kit de dezvoltare Freescale pentru aplicaţii de monitorizare medicală In această secţiune va fi prezentat Kitul de dezvoltare TWR-K53, furnizat de compania Freescale pentru dezvoltarea aplicaţiilor în domeniul monitorizării medicale. Aplicaţiile prezentate pot fi utilizate pentru monitorizarea persoanelor la domiciliu, datele pot fi vizualizate pe un calculator local sau pot fi transmise prin internet către un server utilizând interfaţa Ethernet. Modulele fără fir de tip ZigBee sunt utilizate atunci când reţeaua cablată nu este disponibilă sau când aparatul medical trebuie să fie mobil într-o anumită zonă de acoperire. Această platformă oferă suport MSc ing. Péter Szakács-Simon 10 Teză de doctorat

13 hardware şi software pentru a înţelege funcţionarea aplicaţiilor medicale reprezentative, şi dezvoltarea aplicaţiilor de monitorizare personalizate. Familia de microcontrolere (MCU) Kinetis K50 au nucleul de tip ARM Cortex M-4 şi pot fi utilizate pentru achiziţionarea datelor în mediul industrial, reţelistică, automatică sau medicină. Aplicat în medicină, în urma programării rezultă un prototip de aplicaţie medicală, care poate fi apoi încărcat şi într-un microcontroler miniaturizat, apoi utilizat pentru a monitoriza de la distanţă pacienţii sau pentru diagnosticare. Sistemul Tower TWR-K53 de dezvoltare a aplicaţiilor medicale Aplicaţiile realizate pe această platformă sunt ideale pentru a monitoriza persoanele cu risc în spitale ca o reţea de senzori medicali distribuiţi, sau la domiciliu, conectând pacieţii cu medicii de familie, utilizând conexiunea de internet. Legătura de date cu serverele de la distanţă poate fi realizată prin protocoalele Ethernet, ZigBee sau CAN. Interfaţa USB poate fi folosită pentru operaţii de debug sau pentru legătura directă cu un PC. Figura Sistemul Tower TWR-K53 cu modulele componente şi Sistemul asamblat [28] În Figura putem vedea modulele de bază a kitului de dezvoltare şi sistemul Tower asamblat. Placa serială şi cea cu microcontroler sunt conectate între două plăci suport ce oferă totodată acces la semnalele şi porturile I/O disponibile. Code Warrior Development Studio V.10 este pe baza platformei Eclipse IDE şi reprezintă un mediu de programare şi debug pentru placa de microcontroler prezentat. Modulele software pot fi rulate atât în memoria Flash cât şi în RAM. [26] Sistemul de operare Freescale MQX RTOS oferă performanţă pentru aplicaţii în timp real, include şi facilităţi de bootare, multi threading sau execuţia de fire pe bază de priorităţi. [29] Placa TWR-K53N512 MSc ing. Péter Szakács-Simon 11 Teză de doctorat

14 TWR K53N512 este modulul principal din sistemul Tower, dar poate funcţiona şi de sine stătător si este utilizat pentru evaluarea microcontrolerelor din familia Kinetis K53.[28] Acest kit de dezvoltare are încorporat procesorul MK53N512CMD100 pe 32 de biţ şi poate funcţiona la frecvenţe de ceas de până la 100 de MHz. Figura prezintă placa de microcontroler şi diagrama bloc a acestuia. Fig TWR-K53N512 Microcontroler şi Diagrama bloc [28] Conectoarele Primar şi Secundar sunt utilizate pentru conectarea în configuraţia Tower, iar conectorul Medical pentru a ataşa plăci medicale dedicate cum ar fi: EKG, Pulse Oximetru, Tensiometru sau Spirometru. Placa de microcontroler are o serie de facilităţi implementate cum ar fi: -MMA7660 senzor de acceleraţie, -Interfaţă Touch şi LCD, -Senzor de temperatură, butoane de tip push şi touch, potenţiometru, slot SD card etc. Placa TWR-SER şi ZigBee wireless Modulul TWR-SER asigură funcţii de comunicare pentru Sistemul Tower, şi interconectivitatea cu alte module distribuite aflate în reţeaua locală sau pe internet. Placa serială oferă facilităţi de comunicare cum ar fi: Ethernet, CAN, RS232, RS485 si USB, iar modulele ZigBee oferă conectivitate fără fir cu alte sisteme. Fig Placa de comunicaţie TWR-SER şi modul wireless ZigBee [28] Ethernet este un protocol foarte popular, utilizat la scară largă pentru transfer de date şi internet. MSc ing. Péter Szakács-Simon 12 Teză de doctorat

15 Conectat la internet şi activând funcţia de server web, putem monitoriza de la distanţă senzorii sau putem trimite comenzi de la distanţă. MED-EKG modul pentru dezvoltare Plăcile de tip senzor sunt conectate la placa de microcontroler prin interfaţa Medical Connector (J19) şi oferă facilităţi specifice pentru dezvoltarea aplicaţiilor medicale. Aşadar modulul MED- EKG poate fi conectat la sistemul tower pentru a obţine un semnal de tip electrocardiogramă şi a măsura rata cardiacă.[25] Figura Unde de bază EKG În figura sunt prezentate trei cicluri cardiace, fiecare ciclu constă în trei segmente de undă referite mai departe ca: unda P, QRS complex şi unda T. Unda P se formează în urma depolarizării atriale şi activarea secvenţială a celor două atrii. QRS complex se formează datorită depolarizării celor două ventricule, iar unda T reprezintă repolarizarea ventriculară.[30] În cazul unei persoane sănătoase, cele trei componente de undă de bază apar secvenţial odată cu fiecare bătaie a inimii. Amplitudinea, durata şi caracteristicile morfoloice pot să varieze semnificativ chiar şi la un adult sănătos.[30] Inima poate fi reprezentată ca un dipol, localizată în torace, având o polaritate specifică într-un moment şi o polaritate inversă în alt moment. Semnalele sunt colectate utilizând puncte de referinţă, în funcţie de configuraţia utilizată pentru electrozi se obţine semnalul EKG din diferite perspective. Configuraţia de bază a electrozilor presupune un electrod pe braţul stâng, unul pe braţul drept şi unul pe piciorul stâng. Aceşti trei electrozi formează un triungh imaginar denumit triunghiul lui Einthoven.[30] Figura Modulul MED-EKG şi Schema bloc funcţională [25] Figura prezintă modulul MED-EKG şi schema bloc a acestuia. Utilizatorul poate implementa condiţionarea semnalelor utilizând funcţiile OPAMP şi TRIAMP interne microcontrolerului, amplificatoare de instrumentaţie externe aflate pe placa MED-EKG, sau o combinaţie a celor două.[25] În MSc ing. Péter Szakács-Simon 13 Teză de doctorat

16 cazul în care e utilizat şi procesorul digital de semnal MC56F8006, atunci conversia analog digitală şi filtrarea sunt realizate de acest procesor, apoi datele se trimit către microcontrolerul Kinetis prin interfaţa I2C.[25] MED-SPO2 pentru pulsoximetrie Pulsoximetria este o metodă neinvazivă de a măsura saturaţia de oxigen din sânge (SpO2). Saturaţia de oxigen este definită ca şi cantitatea de oxigen dizolvată în sânge, şi are la bază detecţia hemoglobinei oxigenate şi neoxigenate. Caracteristicile de absorbţie a radiaţiilor de lumină sunt afectate de concentraţia celor două elemente: HbO2 şi Hb la un moment dat. Pentru măsurători se utilizează două radiaţii cu lungimi de undă de 660 nm (lumină roşie) şi 940 nm (spectru infraroşu).[23] Cele două categorii de hemoglobină absorb radiaţii cu diferite lungimi de undă, astfel hemoglobina deoxigenată (Hb) absoarbe mai mult din radiaţia de 660 nm, iar hemoglobina oxigenată (HbO2) absoarbe mai mult din radiaţia de 940 nm, aşa cum e prezent şi în graficul din Figura Un fotodetector măsoară cantitatea de lumină neabsorbită, ce provine de la cele două LED-uri. Inversând acest semnal, se obţine cantitatea de lumină absorbită de către deget. Figura Graficul de absorbţie a radiaţiilor şi Diagrama de absorbţie la nivelul degetului [23] Semnalul astfel obţinut se poate împărţi în două componente: continuă şi variabilă. Partea continuă reprezintă absorbţia la nivelul ţesuturilor, a sângelui venos şi arterial nepulsatoriu. Componenta variabilă e dată de sângele arterial pulsatoriu aşa cum e prezentat şi în figura [23] Figura MED-SpO2 schema bloc funcţională şi Senzorul conectat pe deget [23] MSc ing. Péter Szakács-Simon 14 Teză de doctorat

17 Figura prezintă schema bloc funcţională a modulului pulsoximetru şi senzorul conectat pe deget. Cele două LED-uri sunt comandate de microcontroler prin două drivere iar semnalul inversat e capturat de către ADC. Rata de absorbţie se calculează utilizând ecuaţia (2.2), iar rata cardiacă se obţine prin contorizarea pulsaţiilor de volum pe minut.[23] ( AC660)/( DC660) R (2.2) ( AC )/( DC ) MED-BPM pentru tensiunea arterială Tensiunea arterială este definită ca şi presiunea hidrostatică exercitată de către sânge asupra arterelor, atunci când ventriculul stâng a inimii se contractă. Presiunea sistolică (Sys) este presiunea mai mare ce se manifestă în urma sistolei (contracţie ventriculară), iar presiunea diastolică (Dia) este mai mică şi se manifestă în timpul diastolei (relaxare ventriculară). Valorile acestor presiuni în cazul unui adult tânăr sănătos, la repaus, sunt: TA Sys 110 mmhg şi TA Dia 70 mmhg.[19] Pentru măsurători se utilizează metoda oscilometrică: o manşetă se montează pe braţ şi se conectează la o pompă de aer şi la un senzor de presiune. Figura Oscilaţii ale presiunii şi Diagrama bloc MED-BPM [19] Figura prezintă un exemplu de oscilaţii ale presiunii şi diagrama bloc a modulului MED-BPM. Aceste oscilaţii apar la fiecare bătaie a inimii, aşadar contorizând apariţia acestor oscilaţii de bază se poate calcula şi rata cardiacă. Figura Componentele hardware a tensiometrului şi BPM demo cu Sistemul Tower asamblat [19] MSc ing. Péter Szakács-Simon 15 Teză de doctorat

18 Figura prezintă componentele hardware utilizate pentru măsurarea tensiunii arteriale şi BPM demo conectat la Sistemul Tower asamblat. Cu ajutorul pompei de aer se umflă manşeta după care prin intermediul unei valve se desumflă treptat. În acest timp oscilaţiile de presiune sunt înregistrate şi analizate, iar când oscilaţiile dispar complet, aerul este eliberat. Iniţial, manşeta se umflă la o presiune standard de 160, 200 sau 240 mmhg, la care strângerea este aşa de mare încât nu se simt deloc oscilaţiile. Aerul eliberat treptat duce la scăderea presiunii externe asupra arterelor, şi la un moment dat încep să apară oscilaţiile pe senzorul de presiune, iar valoarea presiunii manşetei corespunzătoare reprezintă TA Sys. Presiunea scade în continuare în manşetă, amplitudinea oscilaţiilor iniţial creşte, apoi se estompează până oscilaţiile dispar complet. Presiunea manşetei corespunzătoare dispariţiei oscilaţiilor reprezintă TA Dia. MED-SPI pentru spirometerie Spirometria presupune o serie de teste pentru evaluarea capacităţii respiratorie a unei persoane. Aparatul ia măsurători despre cantitatea de aer inspirat şi expirat pentru determinarea capacităţii pulmonare. Figura Reprezentare flux-volum şi Piesa de suflat în spirometru [31] La efectuarea unui test de spirometrie, rezultă un grafic numit flux-volum sau spirogram, ca în Figura Graficul reprezintă volumul de aer în litri pe axa X şi fluxul în litri per secunde pe axa Y. Rezultatul în urma inspirării se află sub axa orizontală iar în urma expirării deasupra. Figura Spirometru diagrama bloc şi Modul cu senzor de presiune [31] Figura reprezintă diagrama bloc a spirometrului şi modulul conectat la microcontroler ce conţine senzorul de presiune denumit şi AFE (analog front end). MSc ing. Péter Szakács-Simon 16 Teză de doctorat

19 Măsurătorile se fac utilizând senzorul de presiune diferenţial MPXV7025DP cu două circuite de aer, şi care poate detecta şi direcţia fluxului de aer. Datele furnizate de senzorul de presiune sunt apoi procesate de microcontrolerul Kinetis. [31] CAP 3 MONITORIZAREA ACTIVITĂŢII PERSOANELOR CU RISC LA DOMICILIU 3. 3 Monitorizare bazată pe senzori de acceleraţie Utilizarea unui senzor de acceleraţie are ca scop detectarea mişcărilor şi orientarii corpului în funcţie de acceleraţiile ce acţionează în cele trei direcţii: x, y şi z. Această funcţie este utilizată pentru a detecta dacă persoana monitorizată stă în picioare, stă culcat, merge, urcă scările, etc. În acest proiect cea mai importantă funcţie a accelerometrului este detectarea unei eventuale căzături ce necesită intervenţia unei echipe medicale. În cazul în care persoana nu poate cere singură ajutor, procesul de alertare trebuie să fie automată. Algoritmul de detecţie analizează succesiunea acceleraţiilor, şi se evaluează dacă o eventuală căzătură necesită sau nu alertare, sunt considerate relevante secvenţe în care mişcari obişnuite sunt urmate de şoc, apoi de inactivitate. În cazul copiilor mici, cu un accelerometru miniatură se poate monitoriza orientarea capului, si se pot genera alerte pentru părinţi dacă capul este orientat în jos, fiind risc de sufocare mai ales dacă copilul este aşezat pe o suprafaţă moale. Figura prezintă accelerometrul cu trei axe şi o înregistrare exemplu în care se pot vedea formele de undă corespunzăroare pentru mişcări obişnuite, şoc, sau inactivitate. Figura Accelerometrul ADXL-335 cu 3 axe şi Aplicaţia de monitorizare CVI MSc ing. Péter Szakács-Simon 17 Teză de doctorat

20 În aplicaţii de detectare a orientării, avem acceleraţii statice, asupra axelor acţionează doar forţa gravitaţională şi avem următoarele rezultate: - 0 G, când axa considerată se află în poziţie orizontală - (+1) G, când axa considerată este în poziţie verticală orientată spre jos, ca şi forţa gravitaţională. - (-1) G, când axa considerată este în poziţie verticală orientată în sus, opus forţei gravitaţionale. - în toate celelalte situaţii cînd axa considerată este înclinată, rezultă valori de ieşire în intervalul (-1,1). În Figura evenimentele înregistrate sunt următoarele: - intervalul (100,150) şoc - intervalul (150,180) inactivitate - intervalul (180,320) mişcări obişnuite - intervalul (345,373) şoc Pentru detectarea şocurilor, algoritmul poate considera o singură axă de interes sau şocul total acumulat pe toate cele trei axe. Formula utilizată pentru calculul acceleraţiei totale: A T Ax Ay Az (3.1) MSc ing. Péter Szakács-Simon 18 Teză de doctorat

21 CAP 4 MONITORIZAREA MEDICALA A PERSOANELOR CU RISC LA DOMICILIU 4. 1 Sistemul propus pentru monitorizare medicală În acest capitol este prezentat sistemul propus şi realizat demonstrativ pentru monitorizarea stării de sănătate, având funcţiile: EKG, Pulsoximetru, Termometru, Accelerometru şi Tensiometru. Au fost dezvoltate funcţii suplimentare de analiză a datelor achiziţionate în timp real, alertarea şi funcţii de asistare a pacientului pentru a-l ajuta să utilizeze mai uşor aparatele şi să nu depaşească în timpul unui efort valorile de siguranţă. Sunt prezentate experimente de monitorizare a ratei cardiace, nivelului de oxigenare a sângelui, şi a tensiunii arteriale, efectuate în timpul zilei, în timpul somnului şi la efort (urcarea treptelor). Alte experimente prezentate: monitorizarea evoluţiei unei febre şi detectarea unei căzături utilizând accelerometru. Figura Structura sistemului de monitorizare medicală Figura prezintă structura sistemului de monitorizare realizat, elementul central fiind placa de microcontroler Atmel Atmega328p. Acest sistem poate colecta date de la senzorii conectaţi în funcţie de ce trebuie să fie monitorizat. Datele pot fi transmise prin USB, Bluetooth sau WiFi, către un calculator local, server Cloud sau telefon mobil. În funcţie de distanţa la care trebuie transmise datele, am utilizat două tipuri de module wireless: -Bluetooth clasa1 şi Wifi, pot comunica pe o rază de 100 m -Bluetooth miniatură clasa 2, cu raza de acţiune de m MSc ing. Péter Szakács-Simon 19 Teză de doctorat

22 Elemente hardware: -pentru funcţiile EKG, Termometru şi Accelerometru au fost realizate câte un montaj experimental. -pentru funcţiile Pulsoximetru şi Tensiometru am utilizat aparate medicale calibrate pe care am adaptat să funcţioneze în acest proiect şi am adăugat funcţii suplimentare necesare regimului de monitorizare continuă (Holter) Elemente software principale: -au fost realizate mai multe module software pentru microcontroler şi PC, -drivere pentru preluarea datelor de la aparatele SpO2 şi Tensiometru, -aplicaţia principală pentru microcontroler, -secţiuni pentru achiziţia şi analiza în timp real a datelor, -secţiune de comunicare şi de formatare a pachetelor de transmis, -funcţii pentru detectarea unor evenimente şi generarea alertelor Teoria de funcţionare a aparatelor EKG Electrocardiograma reflectă activitatea electrică a inimii pe o perioadă de timp, utilizând electrozi ataşati pe suprafaţa pielii şi un aparat de înregistrat biosemnale. Configuraţia de bază constă în trei electrozi plasaţi ca în Figura şi care formează un triunghi imaginar denumit şi triunghiul lui Einthoven. Cei trei electrozi sunt aşezaţi pe braţul stâng (LA), braţul drept (RA) şi piciorul stâng (LL). Figura Unda de bază EKG şi Poziţia electrozilor, triunghiul Einthoven [25] În urma monitorizării rezultă la fiecare bătaie a inimii o undă de forma celei din figura şi care are următoarele componente de bază: unda P, complexul QRS şi unda T. - P reprezintă contracţia ambelor atrii -QRS- reprezintă contracţiile ambelor ventricule - T repolarizarea ventriculelor MSc ing. Péter Szakács-Simon 20 Teză de doctorat

23 Secvenţa QRS este mai mare în amplitudine decât unda P datorită faptului că ventriculele conţin mai multă masă musculară decât atriile.[25] Secventa este urmatoarea: 1. Atriile încep depolarizarea. 2. Atrii depolarizate. 3. Ventriculele încep depolarizarea. Atriile se repolarizează. 4. Ventriculele se depolarizează. 5. Ventriculele încep repolarizarea. 6. Ventricule repolarizate.[25] Figura Activitatea electrică a miocardului [25] Sistemul experimental realizat Pentru Monitorizare, AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation) recomandă banda de frecvenţă 0.5 Hz - 35 Hz, eliminând zgomotul de 50 Hz. Pentru Diagnosticare, AAMI recomandă banda de frecvenţă 0.05 Hz Hz, pentru a studia şi detalli precum segmentul ST. În acest caz semnalul trebuie filtrat suplimentar de zgomotul de 50 de Hz.[32] Figura Secţiunea de condiţionare a semnalelor Amplificatorul de instrumentaţie AD620 poate fi programat prin rezistenţa RG sau prin asigurarea unei anumite impedanţe între pinii 1 şi 8. Amplificarea circuitului poate fi calculată prin formula (4.1). [33] 49.4 K R G (4.1) G 1 MSc ing. Péter Szakács-Simon 21 Teză de doctorat

24 Filtrarea semnalului Au fost testate două metode de filtrare: utilizând filtru de ordin 6 cu AO, apoi filtru eliptic de ordin 5 realizat cu circuitul MAX Figura 4.2 prezintă schema de bază a unui filtru de ordin 2 low-pass realizat cu AO de tip UA741CN. Frecvenţa de tăiere (fc) depinde de R1, R2, C1 şi C2 (4.2), amplificarea (A) depinde de R4 si R3 (4.4). Factorul de calitate (Q) este de asemenea importantă, dacă e prea mică poate să rezulte circuit instabil. Figura Arhitectura de bază a unui filtru de ordin 2 Trece-Jos FSF * f c 1 (4.2) 2 R R C C R R C C Q (4.3) R C R C R C (1 A) R A 4 1 (4.4) R Legate în cascadă trei filtre de ordin 2 de tip low-pass rezultă un filtru de ordin 6 low-pass. Filtrul * * * se descompune în perechi de zerouri complex-conjugate: z 1, z 1, z 2, z 2, z 3, z 3. * * * s z ( s z )( s z )( s z )( s z )( s ) P6 ( s) z (4.5) 3 Secţiunile se aranjează în funcţie de Q astfel încât valoarea cea mai mică să fie la intrare şi cea mai mare la ieşire. Astfel aranjate se calculează utilizând cele trei formule (4.2), (4.3) si (4.4). [35] FSF Re Im (4.6) 2 Re 2 Im Q (4.7) 2 Re Filtrul de ordin 6 se obţine punând în cascadă filtre de ordin 2. FSF şi Q pentru fiecare stagiu de ordin 2 sunt luate din tabelul Butterworth, Tabelul 4.1. TABEL 4.1 FSF şi Q pentru filtrul de ordin 6 Filter Stagiu 1 Stagiu 2 Stagiu 3 Ordin FSF Q FSF Q FSF Q MSc ing. Péter Szakács-Simon 22 Teză de doctorat

25 Rezultă filtrul de ordin 6 de ~ 38 de Hz realizat din trei stagii de ordin 2 de tip Sallen-Key. Fig Filtrul de ordin 6 low-pass [34] Al doilea filtru este de tip eliptic Low-pass realizat cu MAX 7426 din figura Figura Filtru Low-Pass cu Max 7426 Utilizând oscilatorul intern, COSC pe CLK determină frecvenţa oscilatorului calculat cu (4.8). [36] * 10 f osc ( KHz ) (4.8) C OSC ( pf ) Fig Raspunsul filtrului eliptic de ordin 5 MAX 7426 [36] Fig Conditionarea semnalelor (a) Max7426 si (b) UA741 în cascadă [34] MSc ing. Péter Szakács-Simon 23 Teză de doctorat

26 Fig Semnal EKG acoperit de zgomot [34] Figura Filtrare EKG cu MAX 7426 [34] Tabelul 4.2 prezintă valorile calculate pentru filtrul de ordin 6 iar Tabelul 4.3 valorile calculate pentru filtrul de ordin 5 cu MAX7426. [34] Tabel 4.2 Componentele Filtrului LOW-PASS de ordin 6 cu UA741 R1[Ω] R2[Ω] R3[Ω] R4[Ω] C1[µF] C2[µF] fc[hz] Stagiu 1 4.7k 5.1k 2.4k 1.1k ~38 Stagiu 2 4.3k 3.6k 2.4k 1.1k ~38 Stagiu 3 6.2k 1.5k 2.4k 1.1k 1 2 ~38 TABEL 4.3 Valori Calculate pentru Filtrul Low-PASS de ordin 5 cu MAX 7426 Corner frequency [Hz] Oscillator frequency [khz] External capacitor [pf] Monitorizarea pulsului şi a oxigenării sângelui Teoria diagnosticării SpO2 Pulsoximetrul este un dispozitiv cu ajutorul căruia se măsoară nivelul de oxigenare a sângelui, acest aparat poate să măsoare şi rata cardiacă [24]. Globulele roşii din sânge conţin o proteină numită hemoglobină. Oxigenul reacţionează cu această MSc ing. Péter Szakács-Simon 24 Teză de doctorat

27 proteină, se ataşează de ea şi rezultă oxihemoglobina (HbO2). Celulele roşii cu hemoglobina oxigenată circulă prin tot corpul irigând ţesuturile. La nivel celular, oxigenul este eliberat de hemoglobină şi rezultă hemoglobină neoxigenată (Hb), apoi sângele fără oxigen se întoarce în atriul drept a inimii pentru a repeta întregul proces.[23] Figura Schema bloc pentru circulaţia sângelui [23] Principiul de funcţionare constă în măsurarea absorbţiei radiaţiilor de lumină roşie şi infraroşie ce trec prin degetul pacientului, măsurat utilizând un senzor de lumină. Hemoglobina ce transportă oxigenul (oxihemoglobina) absoarbe radiaţii infraroşii ( nm) iar hemoglobina fără oxigen absoarbe lumină roşie din spectrul vizibil ( nm). [24] Componentele staţionare reprezentate de ţesuturi, oase, sângele venos şi componenta staţionară a sângelui arterial sunt excluse din calcule prin monitorizarea componentelor staţionare de absorbţie. Ca şi sursă de lumină se utilizează LED-uri care sunt comandate în impulsuri şi aprinse secvenţial. La o bătaie a inimii, volumul de sânge creşte, iar componenta alternativă a curentului pe fotodetector este utilizată pentru calculul absorbţiilor corespunzătoare hemoglobinei oxigenate şi neoxigenate.[24] Pulsoximetrul efectuează calcule matematice pe baza formulei Bert-Lambert pentru determinarea procentului de saturaţie cu oxigen a sângelui. Figura prezintă straturile prin care trec radiaţiile la nivelul degetului.[24] Rata cardiacă se calculează prin contorizarea numărului de pulsaţii de volum pe minut. Deoarece rata cardiacă nu este constantă în timp, se obţin valori medii. Figura Radiaţiile de lumină ce trec prin secţiunea degetului şi unda PPG. [24] Adaptarea hardware şi software al aparatului medical utilizat MSc ing. Péter Szakács-Simon 25 Teză de doctorat

28 Componenta principală pentru monitorizare este aparatul medical, pulsoximetrul CMS50D, care vine cu propriul cablu de date şi propria aplicaţie de vizualizat pe calculator. Pentru a fi utilizat în acest proiect, a trebuit să adaptez din punct de vedere hardware şi să scriu un driver software pentru schimbul de date cu microcontrolerul Atmel utilizat. În prima fază a fost adaptat să funcţioneze cu microcontrolerul Atmega 2560, apoi şi cu Atmega 328P, varianta miniaturizată. Transferul datelor la domiciliu a fost realizat prin două metode, utilizând interfaţa Bluetooth şi wireless Ethernet. În varianta wireless Ethernet, se poate utiliza un router pentru a acoperi o zonă în care se va utiliza aparatul de monitorizare. Figura Elementele hardware utilizate pentru monitorizarea Spo2 Pentru realizarea componentei software a fost studiat protocolul de comunicaţie şi adaptat pentru a funcţiona cu microcontrolerul Atmel. Figura prezintă principalele componente utilizate pentru monitorizare.[7] Protocolul de comunicaţie serială utilizată are urmatoarele setări: Baud Rate, 8 Data Bits, Odd Parity, 1 Stop Bit. Secvenţa de date transmise de pulsoximetru în modul live de monitorizare constă în următoarea secvenţă de Bytes, ce conţine atât date cât şi informaţii de control: Byte 0 Biţi de control şi de semnalizare evenimente (Finger Out); Byte 1 Biţi de formare a undei detaliate PPG; Byte 2 Biţi de semnalizare stare şi undă PPG redusă; Byte 3 Rata cardiacă valoare calculată; Byte 4 Saturaţia de oxigen valoare calculată.[7] Algoritmul simplificat al programului ce rulează pe microcontroler: 1: Initialization serial port 1 for Pulse-oximeter 2: Initialization serial port 2 for WiFi or Bluetooth 3: Pulse and SpO2 warning levels setting 4: while (1) 5: Read pulse-oximeter status 6: if (finger out = 0) then 7: Read serial 1 data and write it to serial 2 8: Test Byte 3 and Byte 4 with warning levels MSc ing. Péter Szakács-Simon 26 Teză de doctorat

29 9: end if 10: if (warning) then Beep and LED flash 11: end while [7] Modulul Bluetooth şi cel Ethernet au fost configurate prin comenzi AT să se conecteze automat la calculator în momentul cuplării tensiunii de alimentare. Aplicaţia de monitorizare ce rulează pe calculator a fost realizată în Lab Windows CVI şi permite captura semnalului PPG şi a valorilor de Puls şi Oxigenare a sângelui. Figura prezintă forma undei PPG având şi componenta a doua Max1 care nu este prezentă la toate persoanele. Am evidenţiat un caz tipic la o persoană care în mod normal nu are şi componenta Max1, iar partea descrescătoare a undei de bază coboară lin la toate bătăile inimii. Acest comportament se schimbă însă după ce consumă aproximativ 3-4 cafele, încep să apară mai multe componente adiţionale de forma vârfului Max1. Aceste contracţii adiţionale ale muşchiului inimii apar cu amplitudini diferite şi în zone diferite pe secţiunea descrescătoare a undei de bază. Aplicaţia realizată în CVI are şi o secţiune de analiză a acestor componente de undă auxiliare, le poate măsura în amplitudine, contoriza şi detecta unde apar pe unda de bază. Figura Unda PPG de bază [7] Aparatul medical astfel adaptat la microcontroler, a fost utilizat în aplicaţii de monitorizare a ratei cardiace şi a nivelului de oxigenare a sângelui. Secţiunea de alertare constă în generarea de avertismente sonore şi vizuale dacă valorile presetate de prag au fost atinse sau depăşite. Astfel în continuare voi prezenta monitorizări în timpul somnului, şi la efort urcând scările Monitorizarea în timpul somnului. Apnea în somn Monitorizarea în timpul somnului este utilă pentru detectarea situaţiilor de apnee respiratorie, când persoana nu respiră pe durata a câtorva secunde sau minute. Din acest motiv, a doua zi se va trezi cu dureri de cap sau va fi foarte obosit. Daca persoana nu repiră, nivelul de oxigenare va avea o tendinţă descrescătoare, şi va scădea sub 90%. În acest caz, preventiv, se pot genera alerte sonore MSc ing. Péter Szakács-Simon 27 Teză de doctorat

30 pentru trezirea persoanei. Rata cardiacă de asemenea poate avea fluctuaţii semnificative în timpul nopţii aşa cum este prezentată în Figura În acest caz starea de sănătate a bărbatului de 35 de ani a fost afectată de o răceală, din cauza căreia respira cu dificultate. Comparând cu alte înregistrări efectuate mai înainte, se poate vedea că: - nivelul de oxigenare era doar în jur de 95% comparativ cu alte înregistrări unde avea [97-99% ]. - rata cardiacă avea fluctuaţii mari faţă de înregistrările precedente. Timpul de monitorizare a fost de 2 ore şi 26 de secunde, au fost setate pentru alarmare valorile: Oxigenare: 90% si Puls: 100 Bpm. [7] În timpul monitorizării nivelul de oxigenare era mai scazut decât de obicei dar nu a coborât până la 90%, însă am avut un vârf privind rata cardiacă de 104 bpm. Figura Monitorizarea ratei cardiace şi a nivelului de oxigenare a sângelui [7] Monitorizarea la efort Au fost efectuate două monitorizări la efort, în timpul urcării scărilor până la etajul 10. Au fost monitorizaţi: -1. femeie de 33 de ani, rezultate în Figura şi Tabelul bărbat de 35 de ani, rezultate în Figura şi Tabelul Alertele au fost setate pentru SpO2 90% şi pentru Pulse 120 Bpm. Figura Monitorizare la efort, femeie 33 de ani Test 1 [7] MSc ing. Péter Szakács-Simon 28 Teză de doctorat

31 Figura Monitorizare la efort bărbat 35 de ani Test 2 [7] TABEL TEST 1 TABEL TEST 2 Descriere Eveniment Timp interval [s] Descriere eveniment Timp interval [s] Urcarea scărilor cu scurte pauze [0 460] Urcarea scărilor cu scurte pauze [0 495] Fig Se odihneşte la destinaţie [ ] Alerte de Puls limită 170, 245, 310, 350, 462 Alerte de Oxigenare - Erori de calcul Puls (Artifacte) [ ] Fig Se odihneşte la destinaţie [ ] Alerte de Puls limită 81, 198, 382, 455 Alerte de Oxigenare - Erori de calcul Puls (Artifacte) - In cazul figurii avem o întrerupere cauzată de prea multe artifacte ce au rezultat din ascensiunea prea rapidă a persoanei monitorizate. În concluzie acest aparat medical este sensibil dacă e supus unor acceleraţii mari, alfel poate fi utilizat normal Monitorizarea temperaturii corpului, febra Temperatura corpului uman este controlată de o regiune specială din creier denumită hipotalamus. Hipotalamus recepţionează semnalele rece şi cald de pe suprafaţa pielii şi de la vasele principale de sânge apoi reglează temperatura internă a corpului la ~ 37 C. Temperatura măsurată a corpului uman depinde printre altele de locul de măsurare, intervalul orar şi de nivelul de activitate fizică întreprinsă. Chiar şi la persoane sănătoase, temperatura internă a corpului nu este constantă pe durata întregii zile, există o fluctuaţie normală de 0.5 C, cu valori mai ridicate între orele (10 18) şi mai scăzute între orele (2 6). [20] Mai mulţi factori externi pot influenţa modificarea temperaturii corpului cum ar fi: temperatura mediului, efortul fizic, lichidele calde şi reci, sau bogate în calorii. Temperatura internă a corpului se consideră temperatura prezentă în structurile adânci, organe interne cum este ficatul. Această temperatură este menţinută astfel încât procesele enzimatice esenţiale să poată avea loc. Elevaţiile semnificative (hipotermia) sau scăderile semnificative (hipertermia) şi menţinute mai mult decât pe perioade scurte de timp, sunt ameninţătoare asupra vieţii umane.[20] MSc ing. Péter Szakács-Simon 29 Teză de doctorat

32 Hipertermia se instalează atunci când organismul produce sau absoarbe mai multă căldură decât poate să disipe, de regulă cauzată de expuneri prelungite la temperaturi ridicate. Mecanismul de termoreglare nu poate să facă faţă eficient căldurii, hipertermia la 40 C şi peste, reprezintă urgenţă medicală.[20] Hipotermia se instalează când temperatura corpului scade sub valori ce nu permit buna funcţionare a metabolismului şi a organelor corpului. De obicei este rezultatul expunerii excesive la apă sau aer rece.[20] Teoria diagnosticării situaţiilor febrile Febra se referă la elevaţii ale temperaturii corpului şi nu se consideră importantă din punct de vedere medical până sub 38 C. Febra are rolul de a proteja organismul de bacterii şi viruşi ce nu pot trăi la temperaturi ridicate, din acest motiv, febra joasă de obicei trebuie lăsată netratată dacă nu este asociată şi cu alte simptome agravante.[21] Intervale de temperatură pentru stări febrile: -febra uşoară (37-38 C ) de obicei nu necesită tratată -febra medie (38-39 C ) -febra mare (39-41 C ) -hiperpirexia (mai mare de 41 C ) reprezintă urgenţă medicală -43, 44 sau peste ameninţă viaţa, poate cauza leziuni cerebrale, convulsii, şoc, colaps cardiorespirator.[20] Montajul experimental realizat Monitorizarea temperaturii corpului am implementat utilizând un montaj cu microcontroler Atmel 328P, modul bluetooth şi doi senzori digitali diferiţi S1 si S2 reprezentaţi în Figura Senzorul de temperatură digital S1 este cu IR (infraroşu) şi nu necesită contact direct cu suprafaţa măsurată, în schimb senzorul digital S2 este cu contact direct. Se poate monitoriza temperatura corpului în caz de febră şi se pot genera alerte dacă se ating sau se depăşesc anumite valori presetate. Se poate contoriza şi cât timp a stat persoana în anumite stări febrile, pentru a evalua cât timp a stat expusă la aceste temperaturi. MSc ing. Péter Szakács-Simon 30 Teză de doctorat

33 Figura Aparat portabil pentru monitorizarea febrei şi Aplicaţia de monitorizare pentru PC Figura prezintă şi aplicaţia de monitorizare ce rulează pe calculator şi care a fost realizată în mediul de dezvoltare Lab Windows CVI. Evoluţia graficului arată cum senzorul de temperatură cu contact direct s-a încalzit de la temperatura mediului la temperatura corpului uman. Senzorul de temperatură S2 prezentat este la preţ scăzut, de dimensiuni mici, are interfaţa I2C şi o rezoluţie de măsurare de C. [22] 4. 5 Monitorizarea tensiunii arteriale Monitorzarea tensiunii arteriale în afara cabinetului medical, în mediul natural al pacientului oferă informaţii preţioase pentru elaborarea unui tratament corect şi răspunsul la tratament. [16] Monitorizarea ambulatorie a tensiunii arteriale oferă informaţii mai exacte decât măsurătorile din centrul medical, în cazul pacienţilor care suferă de sindromul halatului alb.[16] Medicii care vor să fie peste 80% siguri că au clasificat corect pacienţii, trebuie să elaboreze tratamentul după un număr semnificativ de măsurători. Clasificarea bazată doar pe o singură măsurătoare la cabinetul medicului, rezultă în clasificarea greşită în cazul multor pacienţi, dar se practică oricum scăderea tensiunii arteriale preventiv, pentru că scad astfel oricum riscurile cardiovasculare.[17][18] Aparatele de monitorizare pentru 24 de ore sunt costisitoare, rezultatele sunt evaluate doar la sfârşitul perioadei de test, şi sunt utilizate doar atunci când medicul consideră că e prea dificil de clasificat pacientul şi nu este sigur dacă trebuie sau nu tratat pentru hipertensiune, întrucât măsurătorile din cabinet şi cele de acasă sunt mult diferite. Şi în cazul altor persoane, un aparat de înregistrat ce efectuează măsurători la intervale regulate poate oferi informaţii utile pentru medic, iar pe baza acestora, se pot elabora tratamente mai corecte, personalizate. Din acest motiv, ar fi necesar un aparat mai accesibil şi usor de utilizat.[3] De regulă măsurătorile de la cabinetul medicului sunt mai ridicate în valoare decât măsurătorile de acasă, intrucât mulţi pacienţi sunt afectaţi emoţional când se află în preajma medicilor. Din acest motiv, evaluarea pacienţilor este mai corectă dacă se face în mediul lor de acasă, efectuând mai multe măsurători ce reflectă evoluţia reală pe parcursul întregii zile.[3] Aceste măsurători teoretic ar putea fi realizate cu un aparat calibrat destinat măsurătorilor de acasă, însă este dificil ca pacientul să efectueze măsurătorile la intervale exacte, pe tot parcursul a 24 de ore. De obicei măsurătorile sunt decalate sau sărite, mai ales în timpul nopţii.[3] Pentru a putea beneficia de avantajele unui Holter la preţ redus, am extins demonstrativ funcţionalitatea unui aparat medical calibrat destinat pentru acasă, astfel încât să aibă funcţia de Holter, să salveze datele în baza de date automat după fiecare măsurătoare şi să avertizeze în timp real pacientul dacă valorile măsurate indică un anumit grad de risc.[3] Pentru a realiza aceste funcţionaliţati, am utilizat un MSc ing. Péter Szakács-Simon 31 Teză de doctorat

34 microcontroler Atmel 328P şi modul wireless de tip Bluetooth, astfel aparatul poate fi purtat de persoană iar datele se transmit către calculator imediat după fiecare măsurătoare. Salvarea datelor în baza de date după fiecare măsurătoare şi nu doar dupa perioada de test, oferă informaţii în timp real dacă medicamentele prescrise au sau nu efectul dorit. Nu mai trebuie salvate datele manual de cineva pe calculator în baza de date la sfârşitul perioadei de test, întrucât sunt salvate automat.[3] Automatizarea acestui proces este util întrucât nu toţi pacienţii se pricep să efectueze aceste operaţii, iar autori ca Weiner consideră că timpul necesar să salveze, revadă şi să integreze manual datele medicale, reprezintă o treime din activitatea zilnică a unui medic.[5] Fig Tensiometrul utilizat şi componentele adiţionale Figura prezintă tensiometrul pentru braţ utilizat în acest proiect, şi componentele adiţionale necesare pentru funcţiile enumerate mai înainte: Tensiometrul BM35, microcontroler Atmega328, modulele de comunicaţie wireless Ethernet sau Bluetooth şi modulul WTV020 care permite redarea unor mesaje vocale înregistrate pe un card SD.[3] Aparatul medical nu este afectat de prezenţa componentelor adiţionale, funcţionează după algoritmul propriu de măsurare, doar că în loc să opereze butoanele un operator uman, acest lucru e realizat de microcontroler şi de aplicaţia software realizat în acest sens. După efectuarea unei măsuratori, noile valori sunt citite din memoria aparatului prin interfaţa I2C. Accesul la comenzile aparatului şi la interfaţa I2C au fost realizate accesând interfaţa de debug al aparatului.[3] Tensiunea arterială reprezintă presiunea hidrostatică exercitată de sângele din artere asupra pereţilor acestora, fiind rezultatul contracţiei ventricolului stâng a inimii. Valorile normale în cazul unui adult tânăr sănătos sunt: Sys: 110 mmhg şi Dia: 70 mmhg.[19] Aceste valori nu pot fi considerate standard pentru toate persoanele, întrucât TA este influenţată de mulţi factori. MSc ing. Péter Szakács-Simon 32 Teză de doctorat

35 Fig Aplicaţia de monitorizare de pe calculator Figura prezintă aplicaţia de monitorizare a tensiunii arteriale şi a ratei cardiace realizată în Lab Windows CVI care permite achiziţia, înregistrarea şi afişarea valorilor pentru Tensiunea Sistolică (Sys), Tensiunea Diastolică (Dia) şi Rata cardiacă (Pulse). Se pot seta alerte pentru depăşirea valorilor de prag atât pe interfaţa aplicaţiei cât şi prin programarea microcontrolerului Monitorizarea de tip Holter Experiment 1: Monitorizarea unui bărbat de 35 de ani în timpul zilei 12 ore. Evoluţia TA în acest caz este normală, putem observa factorii ce pot influenţa valorile, cantităţi mari de lichide sau mâncarea sărată au produs elevaţii temporale, aşa cum se prezintă în Figura şi Tabelul cu evenimentele asociate.[3] A fost programat aparatul să ia măsurători automate la fiecare 30 de minute. Fig Monitorizarea bărbatului de 35 de ani ziua MSc ing. Péter Szakács-Simon 33 Teză de doctorat

36 Tabel Evenimente pe durata experimentului 1 Timp Eveniment Timp Eveniment 11:30 Băut apă 800 ml 16:10 Mâncare sărată 11:45-12:10 Condus maşina 17:10 Cafea 1.8 g 12:55 Cafea 1.8 g 19:26 Băut apă 800 ml 14:16 Cafea 1.8 g 22:08 Mâncat Experiment 2: Monitorizarea unui bărbat de 35 de ani seara, noaptea şi dimineaţa Fig Monitorizarea bărbatului de 35 de ani, seara noaptea şi dimineaţa Tabel Evenimentele asociate experimentului 2 Timp Evenimente 21:30-23:20 Condus maşina, mâncat, activităţi simple 23:21-7:00 Dormit 7:01-8:30 Condus maşina, mâncat, activităţi simple În experimentul 2 evoluţia TA este normală, şi reflectă în principal faptul că valorile măsurate sunt mai mari în stare de veghe decât în somn, evoluţia şi evenimentele asociate sunt prezentate în Figura şi Tabelul [3] Monitorizarea la efort Experiment 3: Bărbatul de 35 de ani a fost monitorizat efectuând efort fizic prin urcarea rapidă a scărilor până la etajul 10 apoi coborând la parter şi urcând din nou la etajul 10.[3] MSc ing. Péter Szakács-Simon 34 Teză de doctorat

37 Aparatul de monitorizare a fost setat să genereze alertă dacă tensiunea sistolică atinge sau depăşeşte pragul de 150 mmhg. Figura prezintă evoluţia TA şi a ratei cardiace, iar Tabelul prezintă evenimentele asociate.[3] A fost atins pragul de 150 mmhg pentru TA Sys şi a rezultat în generarea unei alerte pentru o pauză de odihnă. Pe grafic putem observa că la a doua urcare, valorile TA Sys au fost mai scăzute, în schimb rata cardiacă a urcat considerabil.[3] Fig Monitorizare în timpul efortului fizic Tabel Evenimente asociate experimentului 3 Timp Etaj Eveniment 23:15 0 Măsurat la parter -> Start 23:16 2 Măsurat la etajul 2 23:18 4 Măsurat la etajul 4 23:20 6 Măsurat la etajul 6 23:21 8 Măsurat la etajul 8 23:23 10 Măsurat > Alertă, TA Sys = :26 10 Pauză de 3 minute apoi start coborâre 23:28 5 Măsurat la etajul 5 23:30 0 Măsurat la parter 23:31 2 Măsurat la etajul 2 23:32 4 Măsurat la etajul 4 23:34 6 Măsurat la etajul 6 23:35 8 Măsurat la etajul 8 23:36 10 Măsurat la etajul 10 -> Stop Acest tip de monitorizare este util persoanelor cu risc care nu au voie să depăşească un anumit prag pentru TA sau Puls, ca să se menţină în categoria de risc actual. Depăşind aceste valori pot apărea complicaţii, scopul utilizării aparatului fiind prevenirea, fără măsurători persoana nu ştie când trebuie să se oprească din efort. Activarea aparatului să măsoare, se poate realiza prin plasarea unui senzor de prezenţă la fiecare al doilea etaj, care trimite comandă aparatului portabil. Măsurătoare activată de un eveniment, sosirea la etajul respectiv. MSc ing. Péter Szakács-Simon 35 Teză de doctorat

38 CAP 5 MONITORIZAREA MEDICALĂ ŞI LOCALIZAREA PERSOANELOR CU RISC ÎN AFARA LOCUINŢEI 5. 1 Extinderea monitorizării şi în afara locuinţei Aparatele wireless de monitorizare sunt utilizate de regulă pentru urmărirea funcţiilor vitale sau monitorizarea inimii persoanelor cu risc. Scopul principal este să găsim soluţii preventive pentru a înbunătăţi siguranţa acestora. Datorită evoluţiei tehnologiei, aparatele moderne permit pe lângă monitorizare şi libertatea de miscare.[11] Dacă pacientul poate fi monitorizat ambulatoriu, menţinând elementele de siguranţă şi un grafic de măsurători, costurile asociate tratamentului se reduc semnificativ.[7] Fig Diagrama bloc şi structura reţelei [9] Figura prezintă schema bloc a sistemului de monitorizare în afara locuinţei, şi structura reţelei implicând telefonul mobil şi facilităţile de comunicaţie ale acestuia. Telefonul mobil comunică prin Bluetooth cu aparatul portabil şi transferă datele către un server Cloud prin internet.[9] Telefonul mobil de asemenea comunică şi cu sateliţii, reţelele wireless din zonă şi reţelele celulare. A fost dezvoltată o aplicaţie Android care rulează pe telefon şi care obţine informaţia de localizare, apoi o transmite împreuna cu datele medicale către server. În caz de urgenţă aplicaţia transmite un mesaj de tip text pentru a anunţa evenimentul. [9] Utilizarea telefonului mobil pentru transferul datelor este o soluţie bună pentru a menţine caracterul în timp real a monitorizării, atunci când persoana părăseşte raza de acoperire a reţelei wireless de acasă cu scopul de a face cumpărături sau sa-şi viziteze prietenii.[9] Avansarea tehnologiei mereu a influenţat şi medicina. Telefonia mobilă este unul din sectoarele cu cea mai rapidă creştere, iar impactul asupra medicinii este deja semnificativ.[10] MSc ing. Péter Szakács-Simon 36 Teză de doctorat

39 5. 2 Aplicţia Android pentru telefonul mobil Telemedicina este practic medicină de la distanţă şi este sinonim cu sistemele de telecomunicaţii ce transmit informaţii medicale.[12] Fig Aplicaţia Android şi Aparatul de monitorizare Figura prezintă aplicaţia ce rulează pe telefonul mobil şi aparatul portabil de monitorizare, care are senzorul pulsoximetru conectat şi monitorizează rata cardiacă şi nivelul de oxigenare a sângelui. Un avantaj semnificativ oferit de telefonul mobil prezintă sistemul de operare care rulează pe aceasta. Sistemul de operare Android este o derivaţie Java, open source şi permite accesul la resursele hardware ale dispozitivului mobil. Implicând rutinele ce se ocupă de achiziţia de date, mediul de programare permite elaborarea de aplicaţii interactive.[13] Pentru programare, Google Maps API oferă o serie de utilitare pentru a utiliza harta. A-GPS a fost adoptat de operatorii de telefonie mobilă ca fiind cea mai exactă metodă de pozitionare în serviciile de localizare mobilă.[14] Funcţii GPS şi A-GPS Sistemul de poziţionare globală (GPS) era cea mai populară soluţie de poziţionare în cer deschis însă are o funcţionare limitată în zona clădirilor înalte, subsol şi mai ales în clădiri. GPS asistat (A-GPS) poate funcţiona satisfăcător în majoritatea mediilor, utilizând informaţii suplimentare cum ar fi poziţionare bazată pe reţele WiFi sau localizare pe bază de adresă IP.[15] MSc ing. Péter Szakács-Simon 37 Teză de doctorat

40 Fig Acurateţea se schimbă în interiorul clădirilor În interiorul clădirilor acurateţea nu este prea bună, însa se poate şti că persoana este totuşi în acea zonă. În Figura se poate vedea cum A GPS încearcă să obţină cea mai exactă localizare, încercând diferite reţele, se modifică şi acurateţea. În experimentele efectuate, am utilizat două telefoane mobile diferite, ambele cu sistem de operare Android şi care diferă prin cantitatea memoriei RAM şi prin tipul procesorului. Caracteristicile acestor telefoane sunt prezentate în Tabelul Ambele telefoane mobile suporta funcţia A-GPS dar totuşi telefonul GT-I8190 s-a comportat mai bine din cauza procesorului mai rapid şi a cantităţii duble de memorie RAM. TABEL5.2.1 TELEFOANE MOBILE IMPLICATE IN EXPERIMENTE Cod CPU Telefon [Mhz] GT-I Dual Core V860X 832 Single Core RAM [MB] Versiune Android GPS Specificatii Suport A-GPS Glonass Suport A-GPS 5. 5 Monitorizarea şi localizarea pacientului în afara locuinţei Experiment1 În primul experiment prezentat am utilizat telefonul mobil GT-I8190 pentru a transfera datele medicale provenite de la pulsoximetru şi de a urmări traseul pe care se deplasează persoana monitorizată. Persoana a pornit de acasă, a pornit aplicaţia pe telefonul mobil apoi după scurt timp a părăsit clădirea să facă cumparaturi la două magazine S1 şi S2 aflate la distanţe nu foarte mari. Figura 5.1 prezintă punctele capturate în baza de date despre traseul urmat de persoană. Putem observa că atunci când persoana este în înteriorul clădirilor, localizarea se bazează pe A-GPS care indică în apropierea clădirii, iar după câteva minute porneste şi GPS-ul clasic care afară ere o acurateţe mai bună.[9] Aplicaţia este astfel realizată incât să filtreze şi punctele posibil ireale, care reprezintă salturi prea îndepărtate relativ la punctele anterioare, cum ar fi în acest caz punctul notat DP (dropped point) pe care nu am salvat în baza de date. MSc ing. Péter Szakács-Simon 38 Teză de doctorat

41 Experiment 3 Figura 5.1 Traseul capturat în experimentul 1 [9] În experimentul 3 a fost parcurs un traseu mai lung astfel: persoana pleacă de acasă şi ajunge la un magazin mai îndepărtat. De acolo pleacă să viziteze un prieten, apoi se întoarce acasă. Figura 5.2. Traseul parcurs în experimentul 3. [9] MSc ing. Péter Szakács-Simon 39 Teză de doctorat

42 În Figura 5.2 s-a notat cu roşu traseul rezultat din citiri succesive ale senzorului de locaţie, iar cu albastru ruta reală parcursă. Punctele recepţionate sunt citiri reale ale senzorului de locaţie, în cazul unei apicaţii de navigaţie, se mai adaugă şi informaţii de corecţie astfel încat utilizatorul să vadă ca şi cum ar merge pe o anumită stradă. Aceste corecţii sunt realizate prin descărcarea informaţiilor de pe internet.[9] Şi în acest caz punctele prea îndepărtate au fost filtrate. Figura 5.3. Punctele distribuite în faţa clădirilor din experimentul 3 [9] Forma distribiurii punctelor este diferită în cele două cazuri, când a ajuns la prieten, a funcţionat GPS pană la scară, apoi doar A-GPS, forma în zig-zag a rezultat din cauza faptului că trebuia să urce până la etajul trei. Pentru o mai bună precizie, se pot salva ultimele puncte rezultate din citirile GPS, înainte de pierderea legăturii cu sateliţii.[9] CAP 6 MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL AL EFECTELOR MEDICAMENTELOR ADMINISTRATE 6. 1 Importanţa monitorizării efectelor medicamantelor Un element prezentat ca şi instrument util pentru medici, reprezintă controlul în timp real al efectelor medicamentelor administrate, oferind feedback atât medicului curant cât şi pacientului astfel încât tratamentele să devină personalizate, iar pacientul să simtă beneficiile acestor personalizări. Prescrierea medicamentelor de obicei se bazează pe experienţa medicului şi pe istoricul pacientului, de regulă nu se efectuează o verificare clară dacă medicamentele prescrise au sau nu efect şi dacă acţionează (protejează pacientul) pe tot parcursul zilei. MSc ing. Péter Szakács-Simon 40 Teză de doctorat

43 Sunt multe cazuri când se iau medicamente câteva zile degeaba fără efect, medicul schimbă tratamentul doar dacă se întoarce pacientul că nu s-a făcut bine sau are efecte adverse. Consider că o astfel de metodă de verificare a eficienţei tratamentelor este necesară, oferind atât medicului cât şi pacientului un feedback util. Dacă medicamentul nu are efect şi pacientul nu ştie, este expus la acelaşi riscuri ca şi înainte să meargă la medic, chiar dacă ia o doză semnificativă (câteva zile) din medicamentul prescris Monitorizarea evoluţiei tensiunii arteriale Figura prezintă evoluţia tensiunii arteriale în cazul unui pacient, bărbat de 73 de ani care a fost testat pentru verificarea eficienţei medicamentelor şi dacă suferă de sindromul halatului alb.[3] Această persoană are diabet şi hipertensiune moderată, a observat că atunci când se duce la cabinetul medicului pentru verificări, tensiunea sa arterială este mai mare decât măsurătorile obişnuite de acasă, TA Sys fiind de mmhg. Am testat dacă această hipertensiune este reală sau doar indusă şi dacă medicamentele prescrise de medic au efectul scontat.[3] S-a trezit dimineaţa la 8:15 şi a luat o pastilă ca de obicei din medicamentul prescris pentru hipertensiune. Am utilizat aparatul tensiometru extins cu funcţia de Holter şi au fost efectuate măsurători automate la fiecare 30 de minute, între timp persoana îsi vedea de treburile sale obişnuite, chiar s-a dus şi după cumpărături. A fost monitorizat de la 8:30 până la 21:30, şi am constatat că medicamentul a avut efect dar numai pe o perioadă de aproximativ 7 ore, după care TA s-a mărit din nou şi a mai scăzut când a adormit la televizor. Acest experiment a confirmat că valorile de TA Sys mmhg sunt reale şi nu sunt induse emoţional, în schimb tratamentul prescris nu are efect pe toată durata zilei. Atât pacientul cât şi medicul au putut verifica cum acţionează medicamentul. Pentru că efortul fizic, administrarea de lichide multe sau mâncarea sărată pot modifica tensiunea arterială, am notat evenimentele care pot influenţa acest lucru, în Tabelul [3] Acest experiment a confirmat că o pastilă din medicamentul prescris a protejat pacientul aproximativ 7 ore, după care tensiunea arterială a crescut din nou, aşadar ar trebui să ia încă o pastilă mai târziu, să fie protejat şi în a doua parte a zilei.[1] Tensiunea arterială se modifică în timpul activităţilor fizice, muncă, odihnă sau în timpul somnului, având valori mai crescute când persoana este trează şi activă fizic şi psihic, iar când se odihneşte sau doarme este mult mai scăzută.[4] Acest lucru poate fi observat la sfârşitul perioadei de monitorizare când a adormit la televizor. Figura prezintă aparatul medical utilizat în acest experiment, ce funcţionează ca un Holter şi salvează datele în baza de date după fiecare măsurătoare, dispunând de interfaţa Bluetooth. MSc ing. Péter Szakács-Simon 41 Teză de doctorat

44 Fig Efectele medicamentelor în tratamentul tensiunii arteriale Tabel Evenimente pe durata monitorizarii Fig Tensiometrul Holter utilizat Timp Evenimente 8:15 s-a trezit dimineata 8:55 administrat medicament hipertensiv 9:40-9:50 a mâncat 10:06-10:20 a fost după cumpărături şi a urcat apoi la etajul 3 15:00 a mâncat 17:00 a mâncat CAP 7 MONITORIZAREA DISTRIBUITĂ IMPLICÂND CLOUD COMPUTING CA ŞI SUPORT INFORMATIC 7. 1 Noţiuni introductive despre Cloud Computing Cloud computing este un concept nou utilizat în tehnologia informaţiei, şi oferă resurse flexibile hardware şi software precum şi servicii automate utilizând reţeaua locală sau internetul. Utilizând sistemul Cloud, se pot achiziţiona date simultan din mai multe locaţii datorită capacităţii mari de prelucrare şi vitezei mari a reţelei de comunicaţie.[1] Principalele avantaje ale unui sistem de tip Cloud computing: -resurse flexibile: CPU, RAM, Stocare, Reţea, care se adaptează cantitativ în funcţie de cerinţele aplicaţiilor rulate. -resursele sunt virtualizate şi pot fi accesate uşor oricând prin internet. -disponibilitate ridicată, resursele hardware şi software de pe server sunt tolerante la defectări, în MSc ing. Péter Szakács-Simon 42 Teză de doctorat

45 cazul defectării unei componente hardware, procesele care foloseau sunt redirecţionate către o altă componentă hardware similară. -se pot genera automat rapoarte despre utilizarea resurselor în scopul decontării serviciilor oferite. Infrastructura Cloud permite crearea de servicii medicale optimizate pentru a înbunătăţi interacţiunea dintre pacienţi, spitale, serviciul de urgenţă, şi medici Server central pentru mediul inteligent În acest capitol prezint un model centralizat pentru a fi utilizat în cazul unei monitorizări distribuite cu multe fire paralele şi avantajele utilizării unui sistem Cloud pentru achiziţia, accesul şi procesarea datelor. Figura 7.1 prezintă o infrastructură bazată pe Cloud în aplicaţii de monitorizare distribuită. Datele sunt colectate de la pacienţi aflaţi la domiciliu sau în afara acestuia şi se introduc automat în baza de date.[1] Fig Infrastructura de monitorizare implicând Cloud [1] Medicii şi persoanele autoarizate se pot conecta în sistem să verifice starea de sănătate a pacienţilor şi evoluţia acesora. La nivelul spitalului, în cazul în care pacientul ajunge la urgenţe, medicul curant accesând datele statistice ale pacientului, poate să îl trateze mai rapid şi mai eficient. Un aspect important reprezintă analiza datelor de monitorizare în timp real. Secvenţele de undă greu de clasificat pot fi procesate utilizând resursele de calcul ale serverului. Aparatul portabil fiind miniaturizat nu poate conţine un software foarte avansat de procesare şi nici nu dispune de procesor foarte rapid.[1] Datorită resurselor performante instalate pe serverul Cloud, se pot rula cu uşurinţă algoritmi avansaţi de prelucrare a datelor în scopuri de evaluare şi predicţie. De exemplu sistemul de inteligenţă artificială prezentat în [2] poate fi adaptat pentru a oferi astfel de servicii în Cloud. MSc ing. Péter Szakács-Simon 43 Teză de doctorat