szakacssimonpeter.pdf

Investete n oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013 Axa prioritar 1 Educaie i formare profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatere Domeniul major de intervenie 1.5. Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetrii Titlul proiectului: Burse doctorale pentru dezvoltare durabila BD-DD Numrul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braov

Universitatea Transilvania din Braov coala Doctoral Interdisciplinar

Departament: Sisteme pentru controlul proceselor

MSc. ing. Pter SZAKCS-SIMON

MONITORIZAREA PERSOANELOR NTR-UN

MEDIU INTELIGENT

MONITORING PEOPLE AT RISK IN A SMART

ENVIRONMENT

Conductor tiinific

Prof. dr. ing. Sorin Aurel MORARU

BRAOV, 2013

MINISTERUL EDUCAIEI NAIONALE UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

BRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525 RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENA Comisiei de doctorat

Numit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov Nr. 6028 din 12.09.2013

PREEDINTE: CONDUCTOR TIINIFIC: REFERENI:

-Conf. univ. dr. ing. Delia UNGUREANU PRODECAN - Fac. de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor Universitatea Transilvania din Braov -Prof. univ. dr. ing. Sorin A. MORARU Universitatea Transilvania din Braov -Prof. univ. dr. ing. Theodor BORANGIU Universitatea Politehnica din Bucureti -Prof. univ. dr. ing. Anca PURCREA Universitatea Politehnica din Bucureti -Conf.univ. dr. ing. Liviu PERNIU Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 15 noiembrie 2013, ora 11:00, sala V III 9. Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le transmitei n timp util, pe adresa [email protected] sau la numrul de fax: Departamentul de Automatic i Tehnologia Informaiei : 0268/418836 Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat. V mulumim.

Monitorizarea persoanelor ntr-un mediu inteligent

MSc ing. Pter Szakcs-Simon 1 Tez de doctorat

CUPRINS

Pag. Pag.

teza rezumat 1 Introducere

1.1 Actualitatea temei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4 1.2 Motivarea tezei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 6 1.3 Scopuri i obiectivele urmrite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 7 1.4 Structura i coninutul lucrrii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 8

2 Stadiul actual privind monitorizarea persoanelor cu risc 2.1 Monitorizarea activitilor i localizarea la domiciliu. . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.1 Sisteme reprezentative de monitorizare a activitii . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Monitorizarea din punct de vedere medical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.1 Sisteme reprezentative de telemonitorizare medical . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Biosemnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 10 2.2.3 Kit de dezvoltare Freescale pentru aplicaii de monitorizare medical. . . . 37 10

2.3 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3 Monitorizarea activitii persoanelor cu risc la domiciliu

3.1 Sistemul de automatizare a casei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1.1 Proiectarea sistemului propus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.2 Funcii implementate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

3.2 Monitorizarea activitii persoanelor din locuin . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.1 Reeaua de senzori wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.2 Aparatul purtat de persoane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.3 Monitorizare bazat pe senzori de acceleraie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 17 3.3.1 Poziia i orientarea corpului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 3.3.2 Micri monitorizate ale corpului uman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3.3 Detectarea unei czturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3.4 Monitorizarea micrilor din timpul somnului pentru studiu. . . . . . . . . 60

3.4 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4 Monitorizarea medical a persoanelor cu risc la domiciliu

4.1 Sistemul propus pentru monitorizare medical . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 19 4.2 Monitorizare EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2.1 Teoria de funcionare al aparatelor EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 20 4.2.2 Teoria diagnosticrii EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.3 Sistemul experimental realizat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 21 4.2.4 Detectarea ratei cardiace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.2.5 Detectarea aritmiilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.6 Detectarea unui posibil infarct miocardic . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83

4.3 Monitorizarea pulsului i a oxigenrii sngelui . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84 24



4.3.1 Teoria diagnosticrii SpO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 24 4.3.2 Adaptarea hardware i software al aparatului medical utilizat . . . . . . . . 86 26 4.3.3 Monitorizarea n timpul somnului, apneea n somn . . . . . . . . . . . . . 89 27 4.3.4 Monitorizarea valorii ratei cardiace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.5 Monitorizarea valorii nivelului de oxigenare a sngelui . . . . . . . . . . .92 4.3.6 Monitorizarea la efort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 27 4.3.7 Analiza undei PPG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

4.4 Monitorizarea temperaturii corpului, febra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 29 4.4.1 Teoria diagnosticrii situaiilor febrile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 30 4.4.2 Montajul experimental realizat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 30 4.4.3 Monitorizarea evoluiei temperaturii corpului uman . . . . . . . . . . . . .99

4.5 Monitorizarea tensiunii arteriale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 31 4.5.1 Teoria diagnosticrii tensiunii arteriale . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 4.5.2 Adaptarea hardware i software a aparatului medical utilizat . . . . . . . 104 4.5.3 Monitorizarea de tip Holter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 33 4.5.4 Monitorizarea la efort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 34 4.5.5 Efectul de halat alb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.6 Asistarea pacientului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.6.1 Funcii de prevenire i informare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.6.2 Funcii de sincronizare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.6.3 Utilizarea limbajului natural nu doar beepuri i led-uri . . . . . . . . . . 110 4.6.4 Detectarea situaiilor de urgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.6.5 Alertarea automat a echipei de intervenie . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.7 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5 Monitorizarea medical i localizarea persoanelor cu risc n afara locuinei

5.1 Extinderea monitorizrii i n afara locuinei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 36 5.2 Aplicia Android pentru telefonul mobil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 37

5.2.1 Accesul la resursele integrate ale telefonului mobil . . . . . . . . . . . . 117 5.2.2 Legtura Bluetooth ntre aparatul portabil i telefonul mobil . . . . . . . 117 5.2.3 Legtura de date, internet pe mobil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118 5.2.4 Funcii GPS i A-GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 37 5.2.5 Funcii SMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120

5.3 Transferul datelor de monitorizare ctre server . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 5.4 Detectarea evenimentelor de urgen i alertarea . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.5 Monitorizarea i localizarea pacientului n afara locuinei. . . . . . . . . . . . .121 38 5.6 Monitorizarea i localizarea copiilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.6.1 Pe traseul cas - coal i napoi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.6.2 Lsai afar singuri la joac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.7 Aspecte legate de efectul aparatelor fr fir utilizate asupra sntii . . . . . . 128 5.8 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6 Monitorizarea n timp real al efectelor medicamentelor 6.1 Importana monitorizrii efectelor medicamantelor . . . . . . . . . . . . . . . 130 40 6.2 Monitorizarea evoluiei unei stri febrile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132



6.3 Monitorizarea evoluiei tensiunii arteriale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 41 6.4 Efectele medicamentelor asupra funcionrii inimii . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.5 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

7 Cloud computing ca i suport informatic central pentru mediul inteligent 7.1 Noiuni introductive de Cloud computing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 42 7.2 Server central pentru mediul inteligent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 43 7.3 Accesul datelor de la distanta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 7.4 Vizualizarea datelor n timp real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.5 Funcii avansate de analiz a datelor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 7.6 Predicia asupra evoluiei unei afeciuni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 7.7 Simularea unei achiziii de date pentru evaluarea resurselor utilizate i costului 145 7.8 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8 Concluzii finale, contribuii originale, direcii viitoare de cercetare i diseminarea 8.1 Concluzii finale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 44 8.2 Contribuii originale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 45 8.3 Diseminarea rezultatelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 46 8.4 Direcii viitoare de cercetare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 48

Bibliografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 49 List de abrevieri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 List de figuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 List de tabele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Rezumat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 52 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 52 Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 55 Curriculum vitae RO i EN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 53 54 Declaraia de autenticitate a tezei de doctorat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180



CAP 1 INTRODUCERE

1.1 Actualitatea temei Monitorizarea persoanelor cu risc reprezint una din marile provocri ale societii moderne,

mai ales c numrul persoanelor active care muncesc i produc venituri n sistemul public scade iar populaia inactiv crete. A crescut i sperana de via a persoanelor n vrst datorit evoluiei pozitive a tehnologiei care a gsit soluii tot mai eficiente pentru tratarea bolilor cronice i specifice.

Din acest motiv, se caut soluii eficiente de a monitoriza i a nbunti viaa persoanelor inactive diminund att costurile ct i numrul persoanelor active care sunt implicate n aceste procese. Situaia ideal ar fi ca persoanele cu risc s aib propriile unelte de a controla eficient bolile de care sufer, s poat tri independeni, nu neaprat ntr-un centru special sau sub supravegherea altor persoane.

Aceast lucrare propune soluii pentru monitorizarea persoanelor cu risc, cu accent pe dou aspecte fundamentale i foarte importante: prevenia pe primul loc, apoi intervenia eficient n cazurile de urgen medical.

Sunt persoane care ori sunt prea tinere (copii) s se fereasc de anumite probleme (ex: accidentri, sufocare etc.) sau sunt aduli i sufer de boli ce afecteaz capacitatea acestora de a locui singure, s se ngrijeasc, s se hrneasc i s-i ia medicamentele. Aceti aduli sau copii nu sufer neaprat de afeciuni cronice, dar copii sunt prea mici iar adulii au probleme de memorie i de comportament. Pentru aceste categorii de persoane consider util monitorizarea activitii pentru a preveni eventuale accidentri sau nbolnviri, iar totodat s poat fi evaluai i urmrii n procesul de recuperare.

Din punct de vedere medical sunt importante mai ales bolile de inim dar i alte afeciuni care pot fi detectate i tratate, iar dac se agraveaz acestea reprezint cazuri de urgen si trebuie raportate. n rile mai dezvoltate exist o serie de soluii integrate ce monitorizeaz aceste persoane cu risc n centre speciale sau doar sub forma unor mici aparate dedicate ce supravegheaz unu sau mai muli parametrii. Am ntlnit multe cazuri n care un aparat ct de simplu, ar fi putut salva viaa unor persoane, mai ales n cazuri de infart miocardic, persoana n cauz a fost prea tarziu descoperit i nu a mai putut fi ajutat. Am evaluat piaa aparatelor medicale pentru acas vndute n ara noastr i nu am gsit soluii ieftine i eficiente pe care o persoan cu risc ar putea s-l cumpere i s o ajute exact n momentele de urgen cnd nu poate s cear singur ajutor. Sunt disponibile din import simple butoane de panic pe care poate apsa persoana s cear ajutor, dar nu ajut n cazurile cnd persoana i pierde contiina sau cnd din cauza durerilor nu se poate mica deloc, pentru aceste siuaii este nevoie de automatizarea procesului de alarmare. Sistemul actual de urgene



funcioneaz pe baz de apel telefonic, adic cineva trebuie s observe pacientul cu probleme, s sune la dispeceratul de urgene, s dea detalii despre persoana sa, scena urgenei i semnele pe care le observ la pacient (postura, rni posibile, prezena pulsului, respiraiei, etc.), doar dup aceea va porni echipa de intervenie pe teren. Toate aceste operaiuni au n final rezultatul c echipa de intervenie ajunge la pacient s-l ajute, nsa n cele mai multe cazuri timpul n care ajunge echipa la pacient va influena n mod direct ansele sale de supravieuire. Acest proiect i propune s minimizeze acest timp de intervenie, n caz de alarmare automat sau prin butonul de panic, la dispecerat apar toate informaiile necesare s porneasc echipa de intervenie. Se cunoate identitatea pacientului, localizarea acestuia i ce au msurat senzorii n momentul cnd s-a generat alerta. Este ca o cutie neagr, se poate ti ce au msurat senzorii n timpul unui infarct de exemplu. Informaiile oferite de un trector sunt de obicei incomplete, nu poate ti ce a pit pacientul dac acesta este inconstient, poate avea reineri sau fric s ating pacientul czut, vede doar c se ine de cap sau de piept, dar nu tie mai exact ce a pit. Pentru c aparatul trimite i un raport despre msurtorile efectuate de senzori, de la dispecerat se va trimite echipa cea mai potrivit n a ajuta pacientul cu dotrile necesare. Un alt aspect important este urmrirea continu a bolii, controlul acestuia i msuri preventive astfel s se diminueze la minim situaiile cnd echipele de urgen trebuie s intervin. Msurile preventive presupun:

-administrarea la nevoie a medicamentelor eficiente care chiar pot stabiliza pacientul, -administrarea medicamentelor din timp nainte de agravarea situaiei, -pacientul va ti cnd s-i suspende activitatea ce poate agrava starea sa de sntate prin

utilizarea aparatului de monitorizare ce poate genera alerte c s-au apropiat ori s-au atins anumite valori periculoase. n acest caz pacientul va lua msuri prin administrarea medicamentului prescris de medicul su sau prin suspendarea activitii (efort fizic sau stres psihic) ce a dus la valori periculoase. Msurile preventive includ i controlul n timp real asupra eficienei medicamentelor administrate. n majoritatea cazurilor se prescrie un anumit medicament sau un set de medicamente dup care pacientul pleac acas i mai revine doar dac se simte ru din cauza efectelor secundare sau dac constat c nu l ajut medicamentele. Acest lucru de regul presupune trecerea unei perioade de test de cteva zile sau sptmni, perioad n care dac medicamentul administrat nu este eficient sau dac acioneaz doar pe o perioada de timp de cteva ore pe zi, i nu 24 de ore pe zi, pacientul tot este expus la riscuri i nu stie.

Sistemul propus are ca obiectiv urmrirea eficienei medicamentelor administrate, oferind un mijloc de msur i de siguran suplimentar att pentru pacient ct i pentru medicul curant. Medicul i persoanele autorizate (ex. rudele) pot urmri n timp real prin internet att eficiena medicamentelor administrate ct i evoluia pacientului, medicul poate schimba medicamentul sau doza pentru a eleabora un tratament personalizat pentru fiecare pacient n parte. Astfel perioada de testare a medicamentelor administrate scade, pacientul fiind mai puin timp expus riscurilor provenite din ineficiena medicamentelor.

Sunt cazuri cnd nc nu doare i nc nu sunt alte semne clinice care s alarmeze pacientul dar este expus unor riscuri de complicare a situaiei sale de sntate. O parte din aceste situaii pot fi detectate i agravarea lor prevenit prin simple metode de administrare de medicamente i



suspendarea unor activiti ce presupune efort fizic sau stres emoional. Aceste aspecte sunt descrise mai n detaliu n capitolele ce urmeaz i demonstrate sub denumirea de asistare a pacientului.

Beneficiile sistemului propus i al funciilor integrate sunt demonstrate n aceast lucrare la o scar mai mic, implicnd monitorizarea doar a ctorva pacieni n scop demonstrativ, ns se poate extinde chiar la o scar mult mai mare, implicnd puterea de calcul i resursele unui server performant de tip Cloud aa cum este prezentat i n capitolul 7 i care ar putea deservi sistemul medical de urgen chiar a unui oras ntreg. Un astfel de server este necesar pentru a gestiona i deservi n timp real multe procese paralele de achiziie de date i acces la informaii. Una din avantajele sistemului este c procesul de salvare a datelor n baza de date este automatizat, nu este necesar salvarea datelor manual, se tie c acest lucru ar fi destul de dificil pentru c nu toat lumea tie s lucreze cu tehnologia modern. Se tie c salvarea, cutarea i integrarea datelor medicale poate reprezenta mai mult de o treime din timpul de lucru a unui medic, timp n care ar putea face lucruri mai utile legate de vindecarea pacienilor.[5] Accesul rapid la informaiile deja nregistrate i la istoricul pacienilor ar ajuta s fie tratai mai repede i mai eficient dac se ajunge la spital. Accesul la datele medicale a pacienilor este securizat i confidenial, la date au acces doar cei autorizai, care sunt implicai n urmrirea i inbuntirea strii de sntate a pacienilor.

Pe Cloud se pot rula i algoritmi de analiz a datelor pentru evaluarea riscurilor pacienilor sau predicii, implicnd elemente avansate de inteligen artificial, reele neuronale ca n [2] si care vor fi prezentate pe scurt mai trziu. Beneficiile unui sistem integrat eficient n care colaboreaz serviciile implicate sunt date de: accesul n timp real la informaiile importante, schimbul de date, controlul mai eficient asupra costurilor, decontarea ntre servicii datorit mecanismelor integrate n sistemul Cloud de contorizare a resurselor utilizate.

Un astfel de sistem informatic odat constituit, poate servi i ca suport educaional pentru studenii de la facultaile de medicin, care nu trebuie s studieze numeroase fie medicale i pot avea acces la datele legate de tratarea pacienilor (sub form anonim) pentru a nsui cele mai bune practici i a avea o viziune mai buna despre ce se ntampl real n cazurile de tratamente eficiente sau ineficiente. Acest lucru s-ar putea realiza sub forma unui laborator virtual aa cum a fost prezentat pe scurt n lucrarea conferintei IBM Academic Days.[6]

1.2 Motivarea tezei Principala motivaie a tezei este de a oferi persoanelor cu risc metode i elemente accesibile

astfel nct s se poat preveni anumite situaii de urgen medical, iar dac totui situaia scap de sub control, intervenia s se fac ct mai eficient i ntr-un timp ct mai scurt posibil.

De asemenea s se elimine situaiile cnd persoana cu risc nu mai poate fi ajutat din simplul motiv c a fost prea trziu descoperit i singur nu a mai fost n stare s cear ajutor.

Un instrument util ar fi pentru medici, controlul n timp real asupra efectelor medicamentelor administrate, oferind feedback att medicului curant ct i pacientului astfel nct tratamentele s devin fin personalizate iar pacientul s simt beneficiile acestor personalizri. Ar crete totodat i ncrederea pacienilor n medicul curant, vznd c acioneaz mai responsabil, si are un mijloc prin care poate verifica corectitudinea tratamentelor prescrise. Aceste funcii consider a fi foarte importante pentru c nu de puine ori tratamentul nu a avut efectul scontat iar anumite



medicamente au fost inutil administrate cteva zile pentru prob. n aceast perioad pacientul este doar parial sau deloc protejat de medicamentele prescrise, fiind expus unor riscuri destul de mari dac vorbim de tensiunea arterial sau bolile de inim. Exist n dotarea unor cabinete aparate de tip Holter dar acestea sunt scumpe i se utilizeaz doar n cazuri mai rare cnd persoana este greu de clasificat. n aceast lucrare propun cteva soluii de monitorizare permanent sau pe parcursul a cteva zile, la costuri mult sub costul aparatelor Holter existente. De regul aceste aparate date pentru acas, se citesc abia dup perioada de monitorizare. Utiliznd aparatele prezentate n aceast tez medicul poate avea acces n timp real online la noile valori dup fiecare msurtoare.

Am pus i problema ce se ntmpl dac persoana pleac de la domiciliu, la cumprturi sau n vizite la rude sau prieteni. n acest caz, n mod normal ar lsa aparatul acas i ar utiliza din nou dup ce se ntoarce. Aparatul miniaturizat propus poate fi purtat i n afara locuinei, acesta realizeaz msurtorile automat, astfel transfer datele prin reeaua de internet a telefonului mobil. n caz de urgen, pacientul poate fi usor gsit datorit aplicaiei de localizare ce am realizat pentru telefoanele cu SO Android.

1. 3 Scopuri i obiectivele urmrite Scopul urmrit: nbuntirea serviciilor medicale prin utilizarea unor tehnici de prevenire i de alertare rapid la nevoie n cazul persoanelor cu risc. Obiective: - monitorizarea activitii persoanelor cu risc la domiciliu - monitorizarea din punct de vedere medical - monitorizarea i localizarea n afara locuinei - asistarea pacienilor s previn atingerea unor valori periculoase pentru puls, tensiune arterial. - detectarea cazurilor de urgen i automatizarea procesului de alertare - un instrument de monitorizare n timp real a efectelor medicamentelor - aparate accesibile ca pre pentru funcii de monitorizare avansate - funcii de analiz a datelor pentru diagnosticare -prezentarea beneficiilor unui sistem informatic performant de tip Cloud, model utilizabil pentru monitorizarea i evaluarea unui numr mare de pacieni

Proiectul este destinat persoanelor cu risc, n aceast categorie consider persoanele de vrsta a 3-a care sunt trecui de 65 de ani, persoane nc active de 45- 65 de ani dar i categorii de persoane care trebuie supravegheai fiind copii sau aduli cu probleme de memorie sau comportament. Sunt destul de multe cazuri de persoane ntre 45 i 65 de ani care sunt n categoria de risc i pot suferi sau au suferit deja un infarct miocardic sau accident vascular. Un sitem interactiv care semnaleaz din timp astfel inct s nu se ating valorile maxime permise a ratei cardiace sau a tensiunii arteriale, ar ajuta pacientul s-i menin starea de sntate stabil.



1. 5 Structura i coninutul lucrrii Teza este strucurat pe 8 capitole dup cum urmeaz: Cap.1. Introducere. Acest capitol prezint actualitatea temei, motivarea autorului pentru abordarea subiectului, scopurile i obiectivele urmrite , contribuiile acestuia, apoi descrie structura i coninutul tezei de doctorat. Cap.2. Stadiul actual privind monitorizarea persoanelor cu risc. n acest capitol autorul prezint stadiul actual n domeniu privind monitorizarea persoanelor cu risc, metode i sisteme reprezentative din literatura de specialitate: a) medii de locuit inteligente bazate pe senzori fr fir ce monitorizeaz att confortul dar i activitile zilnice de baz a persoanelor din locuin; b) aparate reprezentative de monitorizare medical utilizate la domiciliu i n afara acestuia n aplicaiile de telemedicin, c) tehnici pentru achiziia datelor, procesare, stocare, senzori, comunicaii wireless, localizare GPS, mesagerie text i internet pe mobil. Cap.3. Monitorizarea activitii persoanelor cu risc la domiciliu. n acest capitol autorul prezint sistemul propus pentru monitorizarea activitii persoanelor din locuin bazat pe noduri wireless de tip Bluetooth, unde sistemul de automatizare a casei are i funcii de monitorizare a persoanelor. Datele sunt colectate apoi procesate pe calculator pentru evaluarea pacientului. Pentru aceast monitorizare se utilizeaz senzori bipoziionali (contacte), sezori de prezen i de proximitate distribuite n locuina pacientului. Este o metod mai agreat dect utilizarea camerelor video, dac pacientul permite, poate purta i un accelerometru pentru detectrea unei eventuale czturi. Sistemul este destinat n special monitorizrii persoanelor cu probleme de memorie i / sau de comportament. Ex. de probleme de comportament: micri aleatorii sau repetitive, st nemicat pentru perioade mai lungi de timp. Cap.4. Monitorizarea din punct de vedere medical a persoanelor la domiciliu. n acest capitol autorul prezint sistemul propus i realizat demonstrativ pentru monitorizarea strii de sntate, avnd funciile: EKG, Pulsoximetru, Termometru, Accelerometru i Tensiometru. Au fost dezvoltate funcii suplimentare de analiz a datelor achiziionate n timp real, alertarea i funcii de asistare a pacientului n utilizarea mai usoar a aparatelelor i s nu depeasc n timpul unui efort fizic valorile de siguran. Sunt prezentate experimente de monitorizare a ratei cardiace, nivelului de oxigenare a sngelui, i tensiunii arteriale, n timpul zilei, n timpul somnului i la efort (urcarea treptelor). Alte experimente prezentate: monitorizarea evoluiei unei febre i detectarea unei czturi utiliznd accelerometru. Cap.5. Monitorizarea medical i localizarea persoanelor cu risc n afara locuinei. Atunci cnd persoana trebuie s prseasc locuina pentru a face cumprturi sau vrea s viziteze alte persoane, iese din aria de acoperire wireless din cas. Pentru aceste cazuri am realizat o aplicaie software pentru telefonul mobil ce ruleaz sub sistemul de operare Android. Datele citite de senzori sunt transmise ctre telefon prin Bluetooth, se adaug i datele de localizare GPS apoi se trimite mesajul ctre o baz de date web. n cazul unei urgene, telefonul va transmite automat un mesaj SMS la numerele de telefon predefinite. Mesajul conine att datele medicale citite de senzori ct i datele de localizare a pacientului. Sunt prezentate scenarii reale de monitorizare i localizare n



timpul unor cumprturi i vizite la alte adrese. Acest capitol prezint i utilizarea aplicaiei de localizare, pentru monitorizarea copiilor n timp ce merg de acas la coal i napoi sau cnd sunt afar singuri la joac. Cap.6. Monitorizarea n timp real a efectelor medicamentelor. n acest capitol este prezentat cum se pot urmri efectele medicamentelor administrate pentru febr, tensiune arterial, aritmii etc. Datele sunt transmise n timp real n baza de date i sunt accesibile medicului curant i persoanelor autorizate. Att medicul ct i pacientul afl din timp dac medicamentele administrate sunt eficiente sau nu, i dac au efect pe durata ntregii zile sau nu. Utiliznd aceast funcie, medicul poate elabora tratamente mult mai eficiente, personalizate. Cap.7. Infrastructura Cloud ca i suport informatic pentru mediul inteligent. Att datele provenite de la monitorizarea activitii persoanelor cu risc ct i datele de natur medical pot fi mai eficient gestionate i procesate utiliznd un sistem informatic de tip Cloud avnd la baz mai multe servere i infrastructur de mare performan. Autorul descrie un scenariu exemplu cnd un medic rezerv resurse hardware i software pentru a monitoriza un numar mare de pacieni, pe o anumit perioad, utiliznd portalul sistemului Cloud. Dup aprobare, pacienii pot fi monitorizai simultan i datele se nregistreaz n baza de date. Avantaje: sistem fiabil, tolerant la defectri, asigur disponibilitatea i securitatea datelor, gestioneaz utilizatorii ce acceseaz datele i genereaz grafice despre utilizarea resurselor, funcie util pentru decontarea cheltuielilor ntre serviciile implicate. Datorit capacitii mari de procesare, poate rula i algoritmi de analiz a datelor pentru predicie, statistic i evaluarea gradului de recuperare, algoritmi pe baz de reele neuronale artificiale ca cele descrise n [2]. Aceti algoritmi de prelucrare se pot integra n cloud i sunt disponibile ca i servicii (Software as a Service) pentru clieni. Autorul prezint i un experiment real de achiziie de date, contoriznd i afisnd grafic resursele utilizate. Cap .8. Concluzii finale. Contribuii originale. Direcii viitoare de cercetare. Diseminarea. Concluziile finale prezint o evaluare a rezultatelor teoretice i experimentale obinute , beneficiile i avantajele sistemelor de monitorizare propuse. n continuare sunt prezentate contribuiile originale i noi idei ce duc la nbuntirea sau extindera acestui proiect. Autorul pe parcursul celor 3 ani de doctorat a elaborat un numr de 12 articole din care 7 ca prim autor, 5 ca i coautor, 9 articole au fost publicate la conferine internaionale, 1 articol la o conferin naional (IBM) i 2 capitole de carte despre telemonitorizare medical (TTLS).



CAP 2 STADIUL ACTUAL PRIVIND MONITORIZAREA

PERSOANELOR CU RISC

2. 2.2 Biosemnale Semnalul EMG activitatea muscular n urma activitii musculare rezult tensiuni electrice ce pot fi msurate cu ajutorul unor electrozi de Ag / AgCl ce se pun la capetele muchiului i un electrod de referin plasat ntr-o zon neutr, unde nu este afectat de activitatea electric a muchiului studiat. Electrozii pozitiv, negativ i de referin sunt conectai la intrarea unui amplificator operational AO sau INA (amplificator de instrumentaie), reprezentnd primul etaj n procesul de achiziie de date. Operaiunea invers este atunci cnd muchiul este activat de impulsuri electrice ca s se contracte, pe acest principiu funcioneaz aparatele fitness i pacemakerul din cardiologie.[1]

21210

2

1

)()()()( SSnSnSVVVnSVnSV

NoisenSignalS

(2.1)

Figura 2.2.3 Achiziia de date de la muchi i principiul de funcionare AO[25]

Amplificatorul operaional are rolul de a obine diferena de potenial dintre cele dou semnale i amplificarea acestuia utiliznd schema din Figura 2.2.3 i ecuaiile (2.1). AO primete la intrare semnalele V i V prin intrarea pozitiv i negativ, diferena de semnal este apoi amplificat i

disponibil la iesirea 0V , aceast conexiune fiind reprezentativ ca prim etaj n domeniul achiziiei de date biomedicale. [1] 2. 2. 3 Kit de dezvoltare Freescale pentru aplicaii de monitorizare medical

In aceast seciune va fi prezentat Kitul de dezvoltare TWR-K53, furnizat de compania Freescale pentru dezvoltarea aplicaiilor n domeniul monitorizrii medicale. Aplicaiile prezentate pot fi utilizate pentru monitorizarea persoanelor la domiciliu, datele pot fi vizualizate pe un calculator local sau pot fi transmise prin internet ctre un server utiliznd interfaa Ethernet. Modulele fr fir de tip ZigBee sunt utilizate atunci cnd reeaua cablat nu este disponibil sau cnd aparatul medical trebuie s fie mobil ntr-o anumit zon de acoperire. Aceast platform ofer suport



hardware i software pentru a nelege funcionarea aplicaiilor medicale reprezentative, i dezvoltarea aplicaiilor de monitorizare personalizate.

Familia de microcontrolere (MCU) Kinetis K50 au nucleul de tip ARM Cortex M-4 i pot fi utilizate pentru achiziionarea datelor n mediul industrial, reelistic, automatic sau medicin. Aplicat n medicin, n urma programrii rezult un prototip de aplicaie medical, care poate fi apoi ncrcat i ntr-un microcontroler miniaturizat, apoi utilizat pentru a monitoriza de la distan pacienii sau pentru diagnosticare.

Sistemul Tower TWR-K53 de dezvoltare a aplicaiilor medicale Aplicaiile realizate pe aceast platform sunt ideale pentru a monitoriza persoanele cu risc n spitale ca o reea de senzori medicali distribuii, sau la domiciliu, conectnd pacieii cu medicii de familie, utiliznd conexiunea de internet. Legtura de date cu serverele de la distan poate fi realizat prin protocoalele Ethernet, ZigBee sau CAN. Interfaa USB poate fi folosit pentru operaii de debug sau pentru legtura direct cu un PC.

Figura 2.3.1 Sistemul Tower TWR-K53 cu modulele componente i Sistemul asamblat [28]

n Figura 2.3.1 putem vedea modulele de baz a kitului de dezvoltare i sistemul Tower asamblat.

Placa serial i cea cu microcontroler sunt conectate ntre dou plci suport ce ofer totodat acces la semnalele i porturile I/O disponibile.

Code Warrior Development Studio V.10 este pe baza platformei Eclipse IDE i reprezint un mediu de programare i debug pentru placa de microcontroler prezentat. Modulele software pot fi rulate att n memoria Flash ct i n RAM. [26]

Sistemul de operare Freescale MQX RTOS ofer performan pentru aplicaii n timp real, include i faciliti de bootare, multi threading sau execuia de fire pe baz de prioriti. [29]

Placa TWR-K53N512



TWRK53N512 este modulul principal din sistemul Tower, dar poate funciona i de sine stttor si este utilizat pentru evaluarea microcontrolerelor din familia Kinetis K53.[28] Acest kit de dezvoltare are ncorporat procesorul MK53N512CMD100 pe 32 de bi i poate funciona la frecvene de ceas de pn la 100 de MHz. Figura 2.3.2 prezint placa de microcontroler i diagrama bloc a acestuia.

Fig. 2.3.2. TWR-K53N512 Microcontroler i Diagrama bloc [28] Conectoarele Primar i Secundar sunt utilizate pentru conectarea n configuraia Tower, iar conectorul

Medical pentru a ataa plci medicale dedicate cum ar fi: EKG, Pulse Oximetru, Tensiometru sau Spirometru. Placa de microcontroler are o serie de faciliti implementate cum ar fi:

-MMA7660 senzor de acceleraie, -Interfa Touch i LCD, -Senzor de temperatur, butoane de tip push i touch, poteniometru, slot SD card etc.

Placa TWR-SER i ZigBee wireless

Modulul TWR-SER asigur funcii de comunicare pentru Sistemul Tower, i interconectivitatea cu alte module distribuite aflate n reeaua local sau pe internet. Placa serial ofer faciliti de comunicare cum ar fi: Ethernet, CAN, RS232, RS485 si USB, iar modulele ZigBee ofer conectivitate fr fir cu alte sisteme.

Fig. 2.3.3 Placa de comunicaie TWR-SER i modul wireless ZigBee [28]

Ethernet este un protocol foarte popular, utilizat la scar larg pentru transfer de date i internet.



Conectat la internet i activnd funcia de server web, putem monitoriza de la distan senzorii sau putem trimite comenzi de la distan. MED-EKG modul pentru dezvoltare Plcile de tip senzor sunt conectate la placa de microcontroler prin interfaa Medical Connector (J19) i ofer faciliti specifice pentru dezvoltarea aplicaiilor medicale. Aadar modulul MED-EKG poate fi conectat la sistemul tower pentru a obine un semnal de tip electrocardiogram i a msura rata cardiac.[25]

Figura 2.3.4 Unde de baz EKG

n figura 2.3.4 sunt prezentate trei cicluri cardiace, fiecare ciclu const n trei segmente de und referite mai departe ca: unda P, QRS complex i unda T. Unda P se formeaz n urma depolarizrii atriale i activarea secvenial a celor dou atrii. QRS complex se formeaz datorit depolarizrii celor dou ventricule, iar unda T reprezint repolarizarea ventricular.[30] n cazul unei persoane sntoase, cele trei componente de und de baz apar secvenial odat cu fiecare btaie a inimii. Amplitudinea, durata i caracteristicile morfoloice pot s varieze semnificativ chiar i la un adult sntos.[30] Inima poate fi reprezentat ca un dipol, localizat n torace, avnd o polaritate specific ntr-un moment i o polaritate invers n alt moment. Semnalele sunt colectate utiliznd puncte de referin, n funcie de configuraia utilizat pentru electrozi se obine semnalul EKG din diferite perspective. Configuraia de baz a electrozilor presupune un electrod pe braul stng, unul pe braul drept i unul pe piciorul stng. Aceti trei electrozi formeaz un triungh imaginar denumit triunghiul lui Einthoven.[30]

Figura 2.3.5. Modulul MED-EKG i Schema bloc funcional [25]

Figura 2.3.5 prezint modulul MED-EKG i schema bloc a acestuia. Utilizatorul poate implementa

condiionarea semnalelor utiliznd funciile OPAMP i TRIAMP interne microcontrolerului, amplificatoare de instrumentaie externe aflate pe placa MED-EKG, sau o combinaie a celor dou.[25] n



cazul n care e utilizat i procesorul digital de semnal MC56F8006, atunci conversia analog digital i filtrarea sunt realizate de acest procesor, apoi datele se trimit ctre microcontrolerul Kinetis prin interfaa I2C.[25]

MED-SPO2 pentru pulsoximetrie

Pulsoximetria este o metod neinvaziv de a msura saturaia de oxigen din snge (SpO2). Saturaia de oxigen este definit ca i cantitatea de oxigen dizolvat n snge, i are la baz detecia hemoglobinei oxigenate i neoxigenate. Caracteristicile de absorbie a radiaiilor de lumin sunt afectate de concentraia celor dou elemente: HbO2 i Hb la un moment dat. Pentru msurtori se utilizeaz dou radiaii cu lungimi de und de 660 nm (lumin roie) i 940 nm (spectru infrarou).[23] Cele dou categorii de hemoglobin absorb radiaii cu diferite lungimi de und, astfel hemoglobina deoxigenat (Hb) absoarbe mai mult din radiaia de 660 nm, iar hemoglobina oxigenat (HbO2) absoarbe mai mult din radiaia de 940 nm, aa cum e prezent i n graficul din Figura 2.3.6. Un fotodetector msoar cantitatea de lumin neabsorbit, ce provine de la cele dou LED-uri. Inversnd acest semnal, se obine cantitatea de lumin absorbit de ctre deget.

Figura 2.3.6 Graficul de absorbie a radiaiilor i Diagrama de absorbie la nivelul degetului [23]

Semnalul astfel obinut se poate mpri n dou componente: continu i variabil. Partea

continu reprezint absorbia la nivelul esuturilor, a sngelui venos i arterial nepulsatoriu. Componenta variabil e dat de sngele arterial pulsatoriu aa cum e prezentat i n figura 2.3.6.[23]

Figura 2.3.7 MED-SpO2 schema bloc funcional i Senzorul conectat pe deget [23]



Figura 2.3.7 prezint schema bloc funcional a modulului pulsoximetru i senzorul conectat pe

deget. Cele dou LED-uri sunt comandate de microcontroler prin dou drivere iar semnalul inversat e capturat de ctre ADC. Rata de absorbie se calculeaz utiliznd ecuaia (2.2), iar rata cardiac se obine prin contorizarea pulsaiilor de volum pe minut.[23]

)/()()/()(

940940

660660

DCACDCACR (2.2)

MED-BPM pentru tensiunea arterial

Tensiunea arterial este definit ca i presiunea hidrostatic exercitat de ctre snge asupra arterelor, atunci cnd ventriculul stng a inimii se contract. Presiunea sistolic (Sys) este presiunea mai mare ce se manifest n urma sistolei (contracie ventricular), iar presiunea diastolic (Dia) este mai mic i se manifest n timpul diastolei (relaxare ventricular).

Valorile acestor presiuni n cazul unui adult tnr sntos, la repaus, sunt: TA Sys 110 mmHg i TA Dia 70 mmHg.[19] Pentru msurtori se utilizeaz metoda oscilometric: o manet se monteaz pe bra i se conecteaz la o pomp de aer i la un senzor de presiune.

Figura 2.3.8. Oscilaii ale presiunii i Diagrama bloc MED-BPM [19] Figura 2.3.8 prezint un exemplu de oscilaii ale presiunii i diagrama bloc a modulului MED-BPM.

Aceste oscilaii apar la fiecare btaie a inimii, aadar contoriznd apariia acestor oscilaii de baz se poate calcula i rata cardiac.

Figura 2.3.9 Componentele hardware a tensiometrului i BPM demo cu Sistemul Tower asamblat [19]



Figura 2.3.9 prezint componentele hardware utilizate pentru msurarea tensiunii arteriale i

BPM demo conectat la Sistemul Tower asamblat. Cu ajutorul pompei de aer se umfl maneta dup care prin intermediul unei valve se desumfl treptat. n acest timp oscilaiile de presiune sunt nregistrate i analizate, iar cnd oscilaiile dispar complet, aerul este eliberat. Iniial, maneta se umfl la o presiune standard de 160, 200 sau 240 mmHg, la care strngerea este aa de mare nct nu se simt deloc oscilaiile. Aerul eliberat treptat duce la scderea presiunii externe asupra arterelor, i la un moment dat ncep s apar oscilaiile pe senzorul de presiune, iar valoarea presiunii manetei corespunztoare reprezint TA Sys. Presiunea scade n continuare n manet, amplitudinea oscilaiilor iniial crete, apoi se estompeaz pn oscilaiile dispar complet. Presiunea manetei corespunztoare dispariiei oscilaiilor reprezint TA Dia.

MED-SPI pentru spirometerie

Spirometria presupune o serie de teste pentru evaluarea capacitii respiratorie a unei persoane. Aparatul

ia msurtori despre cantitatea de aer inspirat i expirat pentru determinarea capacitii pulmonare.

Figura 2.3.10 Reprezentare flux-volum i Piesa de suflat n spirometru [31]

La efectuarea unui test de spirometrie, rezult un grafic numit flux-volum sau spirogram, ca n

Figura 2.3.10. Graficul reprezint volumul de aer n litri pe axa X i fluxul n litri per secunde pe axa Y. Rezultatul n urma inspirrii se afl sub axa orizontal iar n urma expirrii deasupra.

Figura 2.3.11 Spirometru diagrama bloc i Modul cu senzor de presiune [31]

Figura 2.3.11 reprezint diagrama bloc a spirometrului i modulul conectat la microcontroler ce

conine senzorul de presiune denumit i AFE (analog front end).



Msurtorile se fac utiliznd senzorul de presiune diferenial MPXV7025DP cu dou circuite de aer, i care poate detecta i direcia fluxului de aer. Datele furnizate de senzorul de presiune sunt apoi procesate de microcontrolerul Kinetis. [31]

CAP 3 MONITORIZAREA ACTIVITII PERSOANELOR

CU RISC LA DOMICILIU

3. 3 Monitorizare bazat pe senzori de acceleraie Utilizarea unui senzor de acceleraie are ca scop detectarea micrilor i orientarii corpului n funcie de acceleraiile ce acioneaz n cele trei direcii: x, y i z. Aceast funcie este utilizat pentru a detecta dac persoana monitorizat st n picioare, st culcat, merge, urc scrile, etc. n acest proiect cea mai important funcie a accelerometrului este detectarea unei eventuale czturi ce necesit intervenia unei echipe medicale. n cazul n care persoana nu poate cere singur ajutor, procesul de alertare trebuie s fie automat. Algoritmul de detecie analizeaz succesiunea acceleraiilor, i se evalueaz dac o eventual cztur necesit sau nu alertare, sunt considerate relevante secvene n care micari obinuite sunt urmate de oc, apoi de inactivitate.

n cazul copiilor mici, cu un accelerometru miniatur se poate monitoriza orientarea capului, si se pot genera alerte pentru prini dac capul este orientat n jos, fiind risc de sufocare mai ales dac copilul este aezat pe o suprafa moale.

Figura 3.3.1 prezint accelerometrul cu trei axe i o nregistrare exemplu n care se pot vedea formele de und corespunzroare pentru micri obinuite, oc, sau inactivitate.

Figura 3.3.1 Accelerometrul ADXL-335 cu 3 axe i Aplicaia de monitorizare CVI



n aplicaii de detectare a orientrii, avem acceleraii statice, asupra axelor acioneaz doar fora gravitaional i avem urmtoarele rezultate:

- 0 G, cnd axa considerat se afl n poziie orizontal - (+1) G, cnd axa considerat este n poziie vertical orientat spre jos, ca i fora gravitaional. - (-1) G, cnd axa considerat este n poziie vertical orientat n sus, opus forei gravitaionale. - n toate celelalte situaii cnd axa considerat este nclinat, rezult valori de ieire n intervalul (-1,1).

n Figura 3.3.1 evenimentele nregistrate sunt urmtoarele:

- intervalul (100,150) oc - intervalul (150,180) inactivitate - intervalul (180,320) micri obinuite - intervalul (345,373) oc

Pentru detectarea ocurilor, algoritmul poate considera o singur ax de interes sau ocul total acumulat pe toate cele trei axe. Formula utilizat pentru calculul acceleraiei totale:

222zyxT AAAA (3.1)



CAP 4 MONITORIZAREA MEDICALA A

PERSOANELOR CU RISC LA DOMICILIU

4. 1 Sistemul propus pentru monitorizare medical

n acest capitol este prezentat sistemul propus i realizat demonstrativ pentru monitorizarea strii de sntate, avnd funciile: EKG, Pulsoximetru, Termometru, Accelerometru i Tensiometru.

Au fost dezvoltate funcii suplimentare de analiz a datelor achiziionate n timp real, alertarea i funcii de asistare a pacientului pentru a-l ajuta s utilizeze mai uor aparatele i s nu depaeasc n timpul unui efort valorile de siguran.

Sunt prezentate experimente de monitorizare a ratei cardiace, nivelului de oxigenare a sngelui, i a tensiunii arteriale, efectuate n timpul zilei, n timpul somnului i la efort (urcarea treptelor).

Alte experimente prezentate: monitorizarea evoluiei unei febre i detectarea unei czturi utiliznd accelerometru.

Figura 4.1.1 Structura sistemului de monitorizare medical

Figura 4.4.1 prezint structura sistemului de monitorizare realizat, elementul central fiind placa de microcontroler Atmel Atmega328p.

Acest sistem poate colecta date de la senzorii conectai n funcie de ce trebuie s fie monitorizat. Datele pot fi transmise prin USB, Bluetooth sau WiFi, ctre un calculator local, server Cloud sau telefon mobil.

n funcie de distana la care trebuie transmise datele, am utilizat dou tipuri de module wireless: -Bluetooth clasa1 i Wifi, pot comunica pe o raz de 100 m -Bluetooth miniatur clasa 2, cu raza de aciune de 10-20 m



Elemente hardware: -pentru funciile EKG, Termometru i Accelerometru au fost realizate cte un montaj experimen-

tal. -pentru funciile Pulsoximetru i Tensiometru am utilizat aparate medicale calibrate pe care am

adaptat s funcioneze n acest proiect i am adugat funcii suplimentare necesare regimului de monitorizare continu (Holter)

Elemente software principale: -au fost realizate mai multe module software pentru microcontroler i PC, -drivere pentru preluarea datelor de la aparatele SpO2 i Tensiometru, -aplicaia principal pentru microcontroler, -seciuni pentru achiziia i analiza n timp real a datelor, -seciune de comunicare i de formatare a pachetelor de transmis, -funcii pentru detectarea unor evenimente i generarea alertelor.

4. 2. 1 Teoria de funcionare a aparatelor EKG Electrocardiograma reflect activitatea electric a inimii pe o perioad de timp, utiliznd electrozi ataati pe suprafaa pielii i un aparat de nregistrat biosemnale. Configuraia de baz const n trei electrozi plasai ca n Figura 4.2.1 i care formeaz un triunghi imaginar denumit i triunghiul lui Einthoven. Cei trei electrozi sunt aezai pe braul stng (LA), braul drept (RA) i piciorul stng (LL).

Figura 4.2.1 Unda de baz EKG i Poziia electrozilor, triunghiul Einthoven [25]

n urma monitorizrii rezult la fiecare btaie a inimii o und de forma celei din figura 4.2.1 i care are urmtoarele componente de baz: unda P, complexul QRS i unda T. - P reprezint contracia ambelor atrii -QRS- reprezint contraciile ambelor ventricule - T repolarizarea ventriculelor



Secvena QRS este mai mare n amplitudine dect unda P datorit faptului c ventriculele conin mai mult mas muscular dect atriile.[25] Secventa este urmatoarea: 1. Atriile ncep depolarizarea. 2. Atrii depolarizate. 3. Ventriculele ncep depolarizarea. Atriile se repolarizeaz. 4. Ventriculele se depolarizeaz. 5. Ventriculele ncep repolarizarea. 6. Ventricule repolarizate.[25]

Figura 4.2.2 Activitatea electric a miocardului [25]

4. 2. 3 Sistemul experimental realizat

Pentru Monitorizare, AAMI (Association for the Advancement of Medical Instrumentation)

recomand banda de frecven 0.5 Hz - 35 Hz, eliminnd zgomotul de 50 Hz. Pentru Diagnosticare, AAMI recomand banda de frecven 0.05 Hz - 100 Hz, pentru a studia i

detalli precum segmentul ST. n acest caz semnalul trebuie filtrat suplimentar de zgomotul de 50 de Hz.[32]

Figura 4.2.3. Seciunea de condiionare a semnalelor

Amplificatorul de instrumentaie AD620 poate fi programat prin rezistena RG sau prin asigurarea unei anumite impedane ntre pinii 1 i 8. Amplificarea circuitului poate fi calculat prin formula (4.1). [33]

14.49

GKRG (4.1)



Filtrarea semnalului Au fost testate dou metode de filtrare: utiliznd filtru de ordin 6 cu AO, apoi filtru eliptic de

ordin 5 realizat cu circuitul MAX 7426. Figura 4.2 prezint schema de baz a unui filtru de ordin 2 low-pass realizat cu AO de tip

UA741CN. Frecvena de tiere (fc) depinde de R1, R2, C1 i C2 (4.2), amplificarea (A) depinde de R4 si R3 (4.4). Factorul de calitate (Q) este de asemenea important, dac e prea mic poate s rezulte circuit instabil.

Figura 4.2.4 Arhitectura de baz a unui filtru de ordin 2 Trece-Jos

21212

1*CCRR

fFSF c (4.2)

A)(1CRCRCRCCRR

Q211211

2121

(4.3)

13

4 RRA (4.4)

Legate n cascad trei filtre de ordin 2 de tip low-pass rezult un filtru de ordin 6 low-pass. Filtrul

se descompune n perechi de zerouri complex-conjugate: 1z ,*1z , 2z ,

*2z , 3z ,

*3z .

))()()()(()( *33*22*116 zszszszszszssP (4.5)

Seciunile se aranjeaz n funcie de Q astfel nct valoarea cea mai mic s fie la intrare i cea

mai mare la ieire. Astfel aranjate se calculeaz utiliznd cele trei formule (4.2), (4.3) si (4.4). [35]

22 ImRe FSF (4.6)

Re2

ImReQ

22 (4.7)

Filtrul de ordin 6 se obine punnd n cascad filtre de ordin 2. FSF i Q pentru fiecare stagiu de

ordin 2 sunt luate din tabelul Butterworth, Tabelul 4.1.

TABEL 4.1 FSF i Q pentru filtrul de ordin 6

Filter Stagiu 1 Stagiu 2 Stagiu 3 Ordin FSF Q FSF Q FSF Q

6 1.000 0.5177 1.000 0.7071 1.000 1.9320



Rezult filtrul de ordin 6 de ~ 38 de Hz realizat din trei stagii de ordin 2 de tip Sallen-Key.

Fig.4.2.5. Filtrul de ordin 6 low-pass [34]

Al doilea filtru este de tip eliptic Low-pass realizat cu MAX 7426 din figura 4.2.6.

Figura 4.2.6 Filtru Low-Pass cu Max 7426

Utiliznd oscilatorul intern, COSC pe CLK determin frecvena oscilatorului calculat cu (4.8). [36]

)(

310*5.17)(pFOSC

osc CKHzf (4.8)

Fig.4.2.7. Raspunsul filtrului eliptic de ordin 5 MAX 7426 [36]

Fig. 4.2.8 Conditionarea semnalelor (a) Max7426 si (b) UA741 n cascad [34]



Fig 4.2.9 Semnal EKG acoperit de zgomot [34]

Figura 4.2.10 Filtrare EKG cu MAX 7426 [34]

Tabelul 4.2 prezint 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[] R2[] R3[] R4[] C1[F] C2[F] fc[Hz]

Stagiu 1 4.7k 5.1k 2.4k 1.1k 1 0.750 ~38 Stagiu 2 4.3k 3.6k 2.4k 1.1k 1 1.1 ~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]

37.23 3.7234 4700 104.16 10.4166 1680

4. 3 Monitorizarea pulsului i a oxigenrii sngelui 4. 3. 1 Teoria diagnosticrii SpO2 Pulsoximetrul este un dispozitiv cu ajutorul cruia se msoar nivelul de oxigenare a sngelui, acest aparat poate s msoare i rata cardiac [24].

Globulele roii din snge conin o protein numit hemoglobin. Oxigenul reacioneaz cu aceast



protein, se ataeaz de ea i rezult oxihemoglobina (HbO2). Celulele roii cu hemoglobina oxigenat circul prin tot corpul irignd esuturile. La nivel celular, oxigenul este eliberat de hemoglobin i rezult hemoglobin neoxigenat (Hb), apoi sngele fr oxigen se ntoarce n atriul drept a inimii pentru a repeta ntregul proces.[23]

Figura 4.3.1 Schema bloc pentru circulaia sngelui [23]

Principiul de funcionare const n msurarea absorbiei radiaiilor de lumin roie i infraroie ce trec

prin degetul pacientului, msurat utiliznd un senzor de lumin. Hemoglobina ce transport oxigenul (oxihemoglobina) absoarbe radiaii infraroii (800 - 940 nm) iar hemoglobina fr oxigen absoarbe lumin roie din spectrul vizibil (600 - 700 nm). [24] Componentele staionare reprezentate de esuturi, oase, sngele venos i componenta staionar a sngelui arterial sunt excluse din calcule prin monitorizarea componentelor staionare de absorbie. Ca i surs de lumin se utilizeaz LED-uri care sunt comandate n impulsuri i aprinse secvenial. La o btaie a inimii, volumul de snge crete, iar componenta alternativ a curentului pe fotodetector este utilizat pentru calculul absorbiilor corespunztoare hemoglobinei oxigenate i neoxigenate.[24]

Pulsoximetrul efectueaz calcule matematice pe baza formulei Bert-Lambert pentru determinarea procentului de saturaie cu oxigen a sngelui. Figura 4.3.2 prezint straturile prin care trec radiaiile la nivelul degetului.[24]

Rata cardiac se calculeaz prin contorizarea numrului de pulsaii de volum pe minut. Deoarece rata cardiac nu este constant n timp, se obin valori medii.

Figura 4.3.2 Radiaiile de lumin ce trec prin seciunea degetului i unda PPG. [24]

4. 3. 2 Adaptarea hardware i software al aparatului medical utilizat



Componenta principal pentru monitorizare este aparatul medical, pulsoximetrul CMS50D,

care vine cu propriul cablu de date i propria aplicaie de vizualizat pe calculator. Pentru a fi utilizat n acest proiect, a trebuit s adaptez din punct de vedere hardware i s scriu un driver software pentru schimbul de date cu microcontrolerul Atmel utilizat. n prima faz a fost adaptat s funcioneze cu microcontrolerul Atmega 2560, apoi i cu Atmega 328P, varianta miniaturizat.

Transferul datelor la domiciliu a fost realizat prin dou metode, utiliznd interfaa Bluetooth i wireless Ethernet. n varianta wireless Ethernet, se poate utiliza un router pentru a acoperi o zon n care se va utiliza aparatul de monitorizare.

Figura 4.3.3 Elementele hardware utilizate pentru monitorizarea Spo2

Pentru realizarea componentei software a fost studiat protocolul de comunicaie i adaptat pentru a funciona cu microcontrolerul Atmel. Figura 4.3.3 prezint principalele componente utilizate pentru monitorizare.[7] Protocolul de comunicaie serial utilizat are urmatoarele setri:

19200 Baud Rate, 8 Data Bits, Odd Parity, 1 Stop Bit. Secvena de date transmise de pulsoximetru n modul live de monitorizare const n urmtoarea secven de Bytes, ce conine att date ct i informaii de control:

Byte 0 Bii de control i de semnalizare evenimente (Finger Out);

Byte 1 Bii de formare a undei detaliate PPG;

Byte 2 Bii de semnalizare stare i und PPG redus;

Byte 3 Rata cardiac valoare calculat;

Byte 4 Saturaia de oxigen valoare calculat.[7]

Algoritmul simplificat al programului ce ruleaz 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



9: end if 10: if (warning) then Beep and LED flash

11: end while [7]

Modulul Bluetooth i cel Ethernet au fost configurate prin comenzi AT s se conecteze

automat la calculator n momentul cuplrii tensiunii de alimentare.

Aplicaia de monitorizare ce ruleaz pe calculator a fost realizat n Lab Windows CVI i permite captura semnalului PPG i a valorilor de Puls i Oxigenare a sngelui.

Figura 4.3.4 prezint forma undei PPG avnd i componenta a doua Max1 care nu este prezent la toate persoanele. Am evideniat un caz tipic la o persoan care n mod normal nu are i componenta Max1, iar partea descresctoare a undei de baz coboar lin la toate btile inimii. Acest comportament se schimb ns dup ce consum aproximativ 3 - 4 cafele, ncep s apar mai multe componente adiionale de forma vrfului Max1. Aceste contracii adiionale ale muchiului inimii apar cu amplitudini diferite i n zone diferite pe seciunea descresctoare a undei de baz. Aplicaia realizat n CVI are i o seciune de analiz a acestor componente de und auxiliare, le poate msura n amplitudine, contoriza i detecta unde apar pe unda de baz.

Figura 4.3.4. Unda PPG de baz [7]

Aparatul medical astfel adaptat la microcontroler, a fost utilizat n aplicaii de monitorizare a ratei cardiace i a nivelului de oxigenare a sngelui.

Seciunea de alertare const n generarea de avertismente sonore i vizuale dac valorile presetate de prag au fost atinse sau depite. Astfel n continuare voi prezenta monitorizri n timpul somnului, i la efort urcnd scrile. 4. 3. 3 Monitorizarea n timpul somnului. Apnea n somn

Monitorizarea n timpul somnului este util pentru detectarea situaiilor de apnee respiratorie,

cnd persoana nu respir pe durata a ctorva secunde sau minute. Din acest motiv, a doua zi se va trezi cu dureri de cap sau va fi foarte obosit. Daca persoana nu repir, nivelul de oxigenare va avea o tendin descresctoare, i va scdea sub 90%. n acest caz, preventiv, se pot genera alerte sonore



pentru trezirea persoanei. Rata cardiac de asemenea poate avea fluctuaii semnificative n timpul nopii aa cum este

prezentat n Figura 4.3.5. n acest caz starea de sntate a brbatului de 35 de ani a fost afectat de o rceal, din cauza creia respira cu dificultate. Comparnd cu alte nregistrri efectuate mai nainte, se poate vedea c:

- nivelul de oxigenare era doar n jur de 95% comparativ cu alte nregistrri unde avea [97-99% ]. - rata cardiac avea fluctuaii mari fa de nregistrrile precedente. Timpul de monitorizare a fost de 2 ore i 26 de secunde, au fost setate pentru alarmare valorile: Oxigenare: 90% si Puls: 100 Bpm. [7] n timpul monitorizrii nivelul de oxigenare era mai scazut dect de obicei dar nu a cobort pn

la 90% , ns am avut un vrf privind rata cardiac de 104 bpm.

Figura 4.3.5 Monitorizarea ratei cardiace i a nivelului de oxigenare a sngelui [7]

4. 3. 6 Monitorizarea la efort Au fost efectuate dou monitorizri la efort, n timpul urcrii scrilor pn la etajul 10. Au fost monitorizai:

-1. femeie de 33 de ani, rezultate n Figura 4.3.6 i Tabelul 4.3.1 -2. brbat de 35 de ani, rezultate n Figura 4.3.7 i Tabelul 4.3.2

Alertele au fost setate pentru SpO2 90% i pentru Pulse 120 Bpm.

Figura 4.3.6. Monitorizare la efort, femeie 33 de ani Test 1 [7]



Figura 4.3.7 Monitorizare la efort brbat 35 de ani Test 2 [7]

TABEL 4.3.1 - TEST 1 TABEL 4.3.2 TEST 2

In cazul figurii 4.3.6 avem o ntrerupere cauzat de prea multe artifacte ce au rezultat din ascensiunea prea rapid a persoanei monitorizate. n concluzie acest aparat medical este sensibil dac e supus unor acceleraii mari, alfel poate fi utilizat normal. 4. 4 Monitorizarea temperaturii corpului, febra Temperatura corpului uman este controlat de o regiune special din creier denumit hipotalamus. Hipotalamus recepioneaz semnalele rece i cald de pe suprafaa pielii i de la vasele principale de snge apoi regleaz temperatura intern a corpului la ~ 37 C .

Temperatura msurat a corpului uman depinde printre altele de locul de msurare, intervalul orar i de nivelul de activitate fizic ntreprins. Chiar i la persoane sntoase, temperatura intern a corpului nu este constant pe durata ntregii zile, exist o fluctuaie normal de 0.5 C , cu valori mai ridicate ntre orele (10 18) i mai sczute ntre orele (2 6). [20]

Mai muli factori externi pot influena modificarea temperaturii corpului cum ar fi: temperatura mediului, efortul fizic, lichidele calde i reci, sau bogate n calorii. Temperatura intern a corpului se consider temperatura prezent n structurile adnci, organe interne cum este ficatul. Aceast temperatur este meninut astfel nct procesele enzimatice eseniale s poat avea loc. Elevaiile semnificative (hipotermia) sau scderile semnificative (hipertermia) i meninute mai mult dect pe perioade scurte de timp, sunt amenintoare asupra vieii umane.[20]

Fig.

4.3.7

Descriere eveniment Timp interval [s]

Urcarea scrilor cu scurte pauze [0 495]

Se odihnete la destinaie [496- 594]

Alerte de Puls limit 81, 198, 382, 455

Alerte de Oxigenare -

Erori de calcul Puls (Artifacte) -

Fig.

4.3.6

Descriere Eveniment Timp interval [s]

Urcarea scrilor cu scurte pauze [0 460]

Se odihnete la destinaie [461- 590]

Alerte de Puls limit 170, 245, 310, 350, 462

Alerte de Oxigenare -

Erori de calcul Puls (Artifacte) [318-351]



Hipertermia se instaleaz atunci cnd organismul produce sau absoarbe mai mult cldur dect poate s disipe, de regul cauzat de expuneri prelungite la temperaturi ridicate. Mecanismul de termoreglare nu poate s fac fa eficient cldurii, hipertermia la 40 C i peste, reprezint urgen medical.[20]

Hipotermia se instaleaz cnd temperatura corpului scade sub valori ce nu permit buna funcionare a metabolismului i a organelor corpului. De obicei este rezultatul expunerii excesive la ap sau aer rece.[20]

4. 4. 1 Teoria diagnosticrii situaiilor febrile

Febra se refer la elevaii ale temperaturii corpului i nu se consider important din punct de vedere medical pn sub 38 C . Febra are rolul de a proteja organismul de bacterii i virui ce nu pot tri la temperaturi ridicate, din acest motiv, febra joas de obicei trebuie lsat netratat dac nu este asociat i cu alte simptome agravante.[21]

Intervale de temperatur pentru stri febrile:

-febra uoar (37-38 C ) de obicei nu necesit tratat

-febra medie (38-39 C )

-febra mare (39-41 C )

-hiperpirexia (mai mare de 41 C ) reprezint urgen medical

-43, 44 sau peste amenin viaa, poate cauza leziuni cerebrale, convulsii, oc, colaps cardio-respirator.[20]

4. 4. 2 Montajul experimental realizat

Monitorizarea temperaturii corpului am implementat utiliznd un montaj cu microcontroler Atmel 328P,

modul bluetooth i doi senzori digitali diferii S1 si S2 reprezentai n Figura 4.4.1. Senzorul de temperatur digital S1 este cu IR (infrarou) i nu necesit contact direct cu suprafaa

msurat, n schimb senzorul digital S2 este cu contact direct. Se poate monitoriza temperatura corpului n caz de febr i se pot genera alerte dac se ating sau se

depesc anumite valori presetate. Se poate contoriza i ct timp a stat persoana n anumite stri febrile, pentru a evalua ct timp a stat expus la aceste temperaturi.



Figura 4.4.1 Aparat portabil pentru monitorizarea febrei i Aplicaia de monitorizare pentru PC

Figura 4.4.1 prezint i aplicaia de monitorizare ce ruleaz pe calculator i care a fost realizat n mediul de dezvoltare Lab Windows CVI. Evoluia graficului arat cum senzorul de temperatur cu contact direct s-a ncalzit de la temperatura mediului la temperatura corpului uman.

Senzorul de temperatur S2 prezentat este la pre sczut, de dimensiuni mici, are interfaa I2C i o rezoluie de msurare de 0.0625C. [22] 4. 5 Monitorizarea tensiunii arteriale

Monitorzarea tensiunii arteriale n afara cabinetului medical, n mediul natural al pacientului ofer informaii preioase pentru elaborarea unui tratament corect i rspunsul la tratament. [16]

Monitorizarea ambulatorie a tensiunii arteriale ofer informaii mai exacte dect msurtorile din centrul medical, n cazul pacienilor care sufer de sindromul halatului alb.[16]

Medicii care vor s fie peste 80% siguri c au clasificat corect pacienii, trebuie s elaboreze tratamentul dup un numr semnificativ de msurtori. Clasificarea bazat doar pe o singur msurtoare la cabinetul medicului, rezult n clasificarea greit n cazul multor pacieni, dar se practic oricum scderea tensiunii arteriale preventiv, pentru c scad astfel oricum riscurile cardiovasculare.[17][18]

Aparatele de monitorizare pentru 24 de ore sunt costisitoare, rezultatele sunt evaluate doar la sfritul perioadei de test, i sunt utilizate doar atunci cnd medicul consider c e prea dificil de clasificat pacientul i nu este sigur dac trebuie sau nu tratat pentru hipertensiune, ntruct msurtorile din cabinet i cele de acas sunt mult diferite. i n cazul altor persoane, un aparat de nregistrat ce efectueaz msurtori la intervale regulate poate oferi informaii utile pentru medic, iar pe baza acestora, se pot elabora tratamente mai corecte, personalizate. Din acest motiv, ar fi necesar un aparat mai accesibil i usor de utilizat.[3] De regul msurtorile de la cabinetul medicului sunt mai ridicate n valoare dect msurtorile de acas, intruct muli pacieni sunt afectai emoional cnd se afl n preajma medicilor. Din acest motiv, evaluarea pacienilor este mai corect dac se face n mediul lor de acas, efectund mai multe msurtori ce reflect evoluia real pe parcursul ntregii zile.[3] Aceste msurtori teoretic ar putea fi realizate cu un aparat calibrat destinat msurtorilor de acas, ns este dificil ca pacientul s efectueze msurtorile la intervale exacte, pe tot parcursul a 24 de ore. De obicei msurtorile sunt decalate sau srite, mai ales n timpul nopii.[3] Pentru a putea beneficia de avantajele unui Holter la pre redus, am extins demonstrativ funcionalitatea unui aparat medical calibrat destinat pentru acas, astfel nct s aib funcia de Holter, s salveze datele n baza de date automat dup fiecare msurtoare i s avertizeze n timp real pacientul dac valorile msurate indic un anumit grad de risc.[3] Pentru a realiza aceste funcionaliati, am utilizat un



microcontroler Atmel 328P i modul wireless de tip Bluetooth, astfel aparatul poate fi purtat de persoan iar datele se transmit ctre calculator imediat dup fiecare msurtoare. Salvarea datelor n baza de date dup fiecare msurtoare i nu doar dupa perioada de test, ofer informaii n timp real dac medicamentele prescrise au sau nu efectul dorit. Nu mai trebuie salvate datele manual de cineva pe calculator n baza de date la sfritul perioadei de test, ntruct sunt salvate automat.[3] Automatizarea acestui proces este util ntruct nu toi pacienii se pricep s efectueze aceste operaii, iar autori ca Weiner consider c timpul necesar s salveze, revad i s integreze manual datele medicale, reprezint o treime din activitatea zilnic a unui medic.[5]

Fig. 4.5.1 Tensiometrul utilizat i componentele adiionale

Figura 4.5.1 prezint tensiometrul pentru bra utilizat n acest proiect, i componentele adiionale

necesare pentru funciile enumerate mai nainte: Tensiometrul BM35, microcontroler Atmega328, modulele de comunicaie wireless Ethernet sau Bluetooth i modulul WTV020 care permite redarea unor mesaje vocale nregistrate pe un card SD.[3] Aparatul medical nu este afectat de prezena componentelor adiionale, funcioneaz dup algoritmul propriu de msurare, doar c n loc s opereze butoanele un operator uman, acest lucru e realizat de microcontroler i de aplicaia software realizat n acest sens. Dup efectuarea unei msuratori, noile valori sunt citite din memoria aparatului prin interfaa I2C. Accesul la comenzile aparatului i la interfaa I2C au fost realizate accesnd interfaa de debug al aparatului.[3]

Tensiunea arterial reprezint presiunea hidrostatic exercitat de sngele din artere asupra pereilor acestora, fiind rezultatul contraciei ventricolului stng a inimii. Valorile normale n cazul unui adult tnr sntos sunt: Sys: 110 mmHg i Dia: 70 mmHg.[19] Aceste valori nu pot fi considerate standard pentru toate persoanele, ntruct TA este influenat de muli factori.



Fig. 4.5.2. Aplicaia de monitorizare de pe calculator

Figura 4.5.2 prezint aplicaia de monitorizare a tensiunii arteriale i a ratei cardiace realizat n Lab Windows CVI

care permite achiziia, nregistrarea i afiarea valorilor pentru Tensiunea Sistolic (Sys), Tensiunea Diastolic (Dia) i Rata cardiac (Pulse). Se pot seta alerte pentru depirea valorilor de prag att pe interfaa aplicaiei ct i prin programarea microcontrolerului. 4. 5. 3 Monitorizarea de tip Holter

Experiment 1: Monitorizarea unui brbat de 35 de ani n timpul zilei 12 ore.

Evoluia TA n acest caz este normal, putem observa factorii ce pot influena valorile, cantiti mari de lichide sau mncarea srat au produs elevaii temporale, aa cum se prezint n Figura 4.5.1 i Tabelul 4.5.1 cu evenimentele asociate.[3]

A fost programat aparatul s ia msurtori automate la fiecare 30 de minute.

Fig. 4.5.1. Monitorizarea brbatului de 35 de ani ziua



Tabel 4.5.1. Evenimente pe durata experimentului 1

Timp Eveniment Timp Eveniment

11:30 But ap 800 ml 16:10 Mncare srat

11:45-12:10 Condus maina 17:10 Cafea 1.8 g

12:55 Cafea 1.8 g 19:26 But ap 800 ml

14:16 Cafea 1.8 g 22:08 Mncat

Experiment 2: Monitorizarea unui brbat de 35 de ani seara, noaptea i dimineaa

Fig. 4.5.2 Monitorizarea brbatului de 35 de ani, seara noaptea i dimineaa

Tabel 4.5.2 Evenimentele asociate experimentului 2

Timp Evenimente

21:30 - 23:20 Condus maina, mncat, activiti simple

23:21 - 7:00 Dormit

7:01 - 8:30 Condus maina, mncat, activiti simple

n experimentul 2 evoluia TA este normal, i reflect n principal faptul c valorile msurate sunt mai mari n stare de veghe dect n somn, evoluia i evenimentele asociate sunt prezentate n Figura 4.5.2 i Tabelul 4.5.2.[3]

4. 5. 4 Monitorizarea la efort

Experiment 3: Brbatul de 35 de ani a fost monitorizat efectund efort fizic prin urcarea rapid a scrilor pn la etajul 10 apoi cobornd la parter i urcnd din nou la etajul 10.[3]



Aparatul de monitorizare a fost setat s genereze alert dac tensiunea sistolic atinge sau depete pragul de 150 mmHg. Figura 4.5.3 prezint evoluia TA i a ratei cardiace, iar Tabelul 4.5.3 prezint evenimentele asociate.[3] A fost atins pragul de 150 mmHg pentru TA Sys i a rezultat n generarea unei alerte pentru o pauz de odihn. Pe grafic putem observa c la a doua urcare, valorile TA Sys au fost mai sczute, n schimb rata cardiac a urcat considerabil.[3]

Fig. 4.5.3 Monitorizare n timpul efortului fizic

Tabel 4.5.3 Evenimente asociate experimentului 3

Timp Etaj Eveniment 23:15 0 Msurat la parter -> Start 23:16 2 Msurat la etajul 2 23:18 4 Msurat la etajul 4 23:20 6 Msurat la etajul 6 23:21 8 Msurat la etajul 8 23:23 10 Msurat > Alert, TA Sys = 153 23:26 10 Pauz de 3 minute apoi start coborre 23:28 5 Msurat la etajul 5 23:30 0 Msurat la parter 23:31 2 Msurat la etajul 2 23:32 4 Msurat la etajul 4 23:34 6 Msurat la etajul 6 23:35 8 Msurat la etajul 8 23:36 10 Msurat la etajul 10 -> Stop

Acest tip de monitorizare este util persoanelor cu risc care nu au voie s depeasc un anumit prag pentru TA sau Puls, ca s se menin n categoria de risc actual. Depind aceste valori pot aprea complicaii, scopul utilizrii aparatului fiind prevenirea, fr msurtori persoana nu tie cnd trebuie s se opreasc din efort. Activarea aparatului s msoare, se poate realiza prin plasarea unui senzor de prezen la fiecare al doilea etaj, care trimite comand aparatului portabil. Msurtoare activat de un eveniment, sosirea la etajul respectiv.



CAP 5 MONITORIZAREA MEDICAL I LOCALIZAREA

PERSOANELOR CU RISC N AFARA LOCUINEI

5. 1 Extinderea monitorizrii i n afara locuinei

Aparatele wireless de monitorizare sunt utilizate de regul pentru urmrirea funciilor vitale sau monitorizarea inimii persoanelor cu risc. Scopul principal este s gsim soluii preventive pentru a nbunti sigurana acestora. Datorit evoluiei tehnologiei, aparatele moderne permit pe lng monitorizare i libertatea de miscare.[11] Dac pacientul poate fi monitorizat ambulatoriu, meninnd elementele de siguran i un grafic de msurtori, costurile asociate tratamentului se reduc semnificativ.[7]

Fig. 5.1.1 Diagrama bloc i structura reelei [9]

Figura 5.1.1 prezint schema bloc a sistemului de monitorizare n afara locuinei, i structura

reelei implicnd telefonul mobil i facilitile de comunicaie ale acestuia. Telefonul mobil comunic prin Bluetooth cu aparatul portabil i transfer datele ctre un server Cloud prin internet.[9] Telefonul mobil de asemenea comunic i cu sateliii, reelele wireless din zon i reelele celulare. A fost dezvoltat o aplicaie Android care ruleaz pe telefon i care obine informaia de localizare, apoi o transmite mpreuna cu datele medicale ctre server. n caz de urgen aplicaia transmite un mesaj de tip text pentru a anuna evenimentul. [9]

Utilizarea telefonului mobil pentru transferul datelor este o soluie bun pentru a menine caracterul n timp real a monitorizrii, atunci cnd persoana prsete raza de acoperire a reelei wireless de acas cu scopul de a face cumprturi sau sa-i viziteze prietenii.[9] Avansarea tehnologiei mereu a influenat i medicina. Telefonia mobil este unul din sectoarele cu cea mai rapid cretere, iar impactul asupra medicinii este deja semnificativ.[10]



5. 2 Aplicia Android pentru telefonul mobil

Telemedicina este practic medicin de la distan i este sinonim cu sistemele de telecomunicaii ce transmit informaii medicale.[12]

Fig 5.2.1 Aplicaia Android i Aparatul de monitorizare

Figura 5.2.1 prezint aplicaia ce ruleaz pe telefonul mobil i aparatul portabil de

monitorizare, care are senzorul pulsoximetru conectat i monitorizeaz rata cardiac i nivelul de oxigenare a sngelui.

Un avantaj semnificativ oferit de telefonul mobil prezint sistemul de operare care ruleaz pe aceasta. Sistemul de operare Android este o derivaie Java, open source i permite accesul la resursele hardware ale dispozitivului mobil. Implicnd rutinele ce se ocup de achiziia de date, mediul de programare permite elaborarea de aplicaii interactive.[13]

Pentru programare, Google Maps API ofer o serie de utilitare pentru a utiliza harta. A-GPS a fost adoptat de operatorii de telefonie mobil ca fiind cea mai exact metod de pozitionare n serviciile de localizare mobil.[14]

5. 2. 4 Funcii GPS i A-GPS

Sistemul de poziionare global (GPS) era cea mai popular soluie de poziionare n cer deschis ns are o funcionare limitat n zona cldirilor nalte, subsol i mai ales n cldiri. GPS asistat (A-GPS) poate funciona satisfctor n majoritatea mediilor, utiliznd informaii suplimentare cum ar fi poziionare bazat pe reele WiFi sau localizare pe baz de adres IP.[15]



Fig 5.2.4 Acurateea se schimb n interiorul cldirilor

n interiorul cldirilor acurateea nu este prea bun, nsa se poate ti c persoana este totui n acea zon. n Figura 5.2.4 se poate vedea cum AGPS ncearc s obin cea mai exact localizare, ncercnd diferite reele, se modific i acurateea.

n experimentele efectuate, am utilizat dou telefoane mobile diferite, ambele cu sistem de operare Android i care difer prin cantitatea memoriei RAM i prin tipul procesorului. Caracteristicile acestor telefoane sunt prezentate n Tabelul 5.2.1.

Ambele telefoane mobile suporta funcia A-GPS dar totui telefonul GT-I8190 s-a comportat mai bine din cauza procesorului mai rapid i a cantitii duble de memorie RAM.

TABEL5.2.1 TELEFOANE MOBILE IMPLICATE IN EXPERIMENTE

Cod Telefon

CPU [Mhz]

RAM [MB]

Versiune Android

GPS Specificatii

GT-I8190 1000 Dual Core

1000 4.1 Suport A-GPS Glonass

V860X 832 Single Core

512 2.3.7 Suport A-GPS

5. 5 Monitorizarea i localizarea pacientului n afara locuinei

Experiment1 n primul experiment prezentat am utilizat telefonul mobil GT-I8190 pentru a transfera datele medicale provenite de la pulsoximetru i de a urmri traseul pe care se deplaseaz persoana monitorizat. Persoana a pornit de acas, a pornit aplicaia pe telefonul mobil apoi dup scurt timp a prsit cldirea s fac cumparaturi la dou magazine S1 i S2 aflate la distane nu foarte mari. Figura 5.1 prezint punctele capturate n baza de date despre traseul urmat de persoan. Putem observa c atunci cnd persoana este n nteriorul cldirilor, localizarea se bazeaz pe A-GPS care indic n apropierea cldirii, iar dup cteva minute porneste i GPS-ul clasic care afar ere o acuratee mai bun.[9]

Aplicaia este astfel realizat inct s filtreze i punctele posibil ireale, care reprezint salturi prea ndeprtate relativ la punctele anterioare, cum ar fi n acest caz punctul notat DP (dropped point) pe care nu am salvat n baza de date.



Figura 5.1 Traseul capturat n experimentul 1 [9]

Experiment 3 n experimentul 3 a fost parcurs un traseu mai lung astfel: persoana pleac de acas i ajunge la un magazin mai ndeprtat. De acolo pleac s viziteze un prieten, apoi se ntoarce acas.

Figura 5.2. Traseul parcurs n experimentul 3. [9]



n Figura 5.2 s-a notat cu rou traseul rezultat din citiri succesive ale senzorului de locaie, iar cu albastru ruta real parcurs. Punctele recepionate sunt citiri reale ale senzorului de locaie, n cazul unei apicaii de navigaie, se mai adaug i informaii de corecie astfel ncat utilizatorul s

szakacssimonpeter.pdf

Documents