Babymonitoring Een pyjama als beschermengel voor uw kind - KVIV

KVIV Ingenieursprijzen 2010
BABYMONITORING
Een pyjama als beschermengel voor uw kind
D
ir. Rogier Corthout & ir. Hans De Clercq
Promotor: Prof. dr. ir. Puers
Onderzoeksgroep: KULeuven - ESAT - MICAS
e vreugde van de kersverse ouders kan niet op als
hun kindje na negen lange maanden eindelijk in hun
armen ligt. Helaas gebeurt het soms dat dit kostbare
wezentje te snel het leven verliest…
WAT IS SIDS?
Sudden Infant Death Syndrome (SIDS) of
wiegendood is ondanks de grotere bewustwording
gedurende de laatste decennia, nog steeds een grote
bron van zorgen voor jonge ouders. Uit recente cijfers
blijkt dat ongeveer 1 op 2000 [1] levend geboren
kinderen sterft aan het mysterieuze fenomeen.
Wiegendood is een syndroom, een samenloop van
klinisch herkenbare symptomen, waarvoor de
hedendaagse geneeskunde nog geen sluitende
verklaring kan bieden.
“The hardest loss is often an unexplainable one.”
Het monitoren van biomedische parameters bij zuigelingen kan levensreddend zijn. Meerbepaald in geval van
Sudden Infant Death Syndrome (SIDS), wiegendood in de volksmond, kan de combinatie van een plotse
afname van het hart- en ademritme, van het ademvolume en de zuurstofconcentratie in het bloed leiden tot het
overlijden van de zuigeling. Vandaag ontbreekt het de meeste klinische monitoringssystemen aan patiëntcomfort.
In dit project werd een innovatief biomedisch monitoringssysteem met in textiel geïntegreerde sensoren
en flexibele elektronische substraten ontwikkeld en getest. Het ademritme en -volume worden opgemeten door
accelerometers die de uitzetting van de buik registreren, ECG textielelektrodes waken tegelijk over het hartritme
en ook een pulsoximeter werd geïmplementeerd voor inbouw in een polsbandje. Monitoring van SIDS werd als
uitgangspunt gekozen, maar dit platform is uitbreidbaar en veelzijdig in te zetten voor andere toepassingen
binnen slaapmonitoring. Het voorgestelde systeem biedt tegelijk hoogkwalitatieve signaalregistratie,
gebruiksgemak en comfort voor de patiënt, wat zowel artsen en onderzoekers, de ouders als het kleintje ten goede
komt.
KIND OF OMGEVING?
De meningen zijn na drie decennia van onderzoek
nog steeds verdeeld. De problematiek ontstond begin
jaren ’70, toen Oostenrijkse pediaters een lans braken
voor buikligging van zuigelingen, wat hen significant
minder zou doen huilen [2]. Deze strekking won snel
aan populariteit en raakte wereldwijd ingeburgerd
onder de kinderartsen. Gelijktijdig deed zich een golf
van kindersterftes voor, gekenmerkt door verstikking
van de zuigeling, waar artsen en onderzoekers geen
verklaring vonden. Na 15 jaar legde de Nederlandse
professor de Jonge voor het eerst het verband tussen
wiegendood en buikligging [2]. Een drastisch nieuw
beleid wordt doorgevoerd, waarbij ouders ervan
bewust worden gemaakt dat SIDS-preventie een
kwestie is van verzorgingspatroon. Naast buikligging
worden ook passief roken en te warm indekken van het
kind als risicoverhogende factoren gezien.
KVIV Ingenieursprijzen 1

Praktisch gelijktijdig hiermee lanceerde de
Belgische professor Kahn na een bijnadoodervaring
van zijn eigen kind de strekking dat SIDS voortkomt
uit fysiologische factoren binnen het kind zelf [3].
Hieruit zijn de huidige slaapklinieken voor zuigelingen
ontstaan, waar men aan de hand van monitoring van
een aantal fysiologische parameters als hartslag,
ademhaling, hersenactiviteit, slikactiviteit en bloedzuurstofgehalte
(ook wel polysomnografie genoemd)
een verhoogd risico bij zuigelingen vroegtijdig tracht
aan te duiden. Typisch zijn zuigelingen die een
verhoogd risico voor wiegendood vertonen prematuur
geboren kinderen, of kinderen met een broertje of
zusje die eerder onrustwekkende symptomen vertoond
hebben. Een gangbare medische verklaring wijt het
syndroom aan een onvoldoende ontwikkeling van het
ademhalingscentrum in de hersenen, dat hierdoor de
slapende zuigeling een onvoldoende ademhalingsprikkel
zou geven in geval van een bedreigend
zuurstoftekort of koolstofdioxide-overschot op
weefselniveau. In sommige gevallen zou onvoldoende
resistentie tegen bacteriële infecties een mogelijke
verklaring bieden.
Ondanks alle inspanningen bood geen van beide
strekkingen een sluitende oplossing voor het probleem.
Enerzijds schoten slaapklinieken vaak tekort in het
aanduiden van het verhoogde risico tot wiegendood
(wat de ouders een vals gevoel van veiligheid gaf), noch
bood deze strekking een actieve oplossing voor het
probleem. Anderzijds werden maatregelen ter
preventie van wiegendood door buikligging verkeerd
geïnterpreteerd, wat leidde tot wijdverbreide
onrustwekkende praktijken. Zo bleek uit een enquête
van de Nederlandse Stichting Wiegendood dat 25%
van de Friese zuigelingen werd vastgebonden met
banden of klemmen, waarvan 75% op een onveilige
manier…
KWALITEIT OF COMFORT?
De ongerustheid bij jonge ouders blijft de discussie
levende houden. Ondanks het feit dat in 2006 in België
officieel het geloof in polysomnografieën ter preventie
van SIDS werd opgezegd, werd in 2007 nog steeds 1
op 7 kinderen zulk een test voorgeschreven, doorgaans
op vraag van ongeruste ouders [1]. Terzelfdertijd
dienden volgens de Nederlandse strekking ouders
steeds in de buurt te blijven van hun kind, maar zeker
’s nachts is dit een hele opgave.
Op zoek naar een uitweg uit deze impasse, heeft
een hele resem producten dan ook zijn weg naar de
markt gevonden, echter zonder een afdoende oplossing
te bieden voor het probleem. Een eerste groep
producten benadert SIDS vanuit klinische hoek,
waarbij medische apparatuur in een thuisomgeving
wordt aangewend om de noodzakelijke parameters op
te meten. Deze toestellen leveren een uitstekende
signaalkwaliteit, maar zijn doorgaans log en beperken
het slaapcomfort voor de zuigeling door de grote
hoeveelheid bedrading, zoals te zien in figuur 1. Een
andere groep producten tracht het probleem van
wiegendood op een eenvoudigere manier aan te
pakken, door parameters op te meten die matig
gecorreleerd zijn met de symptomen van wiegendood.
Het veel verkochte Nanny Sensormatje [4] is hier een
goed voorbeeld van: door slechts een beperkt aantal
drukvariatiemetingen uit te voeren onder de matras,
wordt er gewaakt over de zuigeling. Deze aanpak
resulteert in een slechts matig betrouwbare detectie van
de symptomen, en daarenboven zijn ze sterk
afhankelijk van omgevingsfactoren, wat noch het leven
van het kind veilig, noch de ouders gerust stelt.
Figuur 1: Traditionele klinische metingen vergen een grote
hoeveelheid bedrading naar een externe verwerkingseenheid. Een
dergelijke aanpak belemmert zowel het comfort voor de baby, als het
gebruiksgemak voor de ouders in een thuisomgeving.
KWALITEIT EN COMFORT!
De voorgestelde oplossing tracht een compromis te
vormen tussen de tegengestelde visies en benaderingen
van wiegendood. Het ontwerp biedt:
‣ Ambulante monitoring voor detectie van
levensbedreigende situaties
‣ Preventie van buikligging door detectie van de
houding van de zuigeling
‣ Inzicht voor artsen en onderzoekers in een
verhoogd risico voor SIDS uit hoog kwalitatieve
registratie van een aantal voorname vitale
parameters, met uitbreidingspotentieel tot 10
signalen
‣ Een hoog gebruiksgemak en geruststelling voor de
ouders!
… en dat in een conventioneel en comfortabel
kledingstuk dat de slaapkwaliteit geenszins vermindert
en daarenboven ook veel mooier oogt dan klassieke
meetapparatuur, die gepaard gaan met veel bedrading.
Het systeemontwerp werd zo opgevat dat het vlot
uit te breiden is voor andere toepassingen binnen de
ambulante slaapmonitoring, waaronder onderzoek
naar slaapapneu, of voor pyjama’s die de slaapkwaliteit
van de drager monitoren.
KVIV Ingenieursprijzen 2

f
Figuur 2: Prototype van het babypakje, aangepast voor een
volwassen testpersoon, met de nodige elektronica op flexibele substraten
erin geïntegreerd. | a. Hoofdeiland met plug & play connectors
en draadloze zender. | b. Accelerometer ter grootte van een
knoopje. | c. Testpersoon met het prototype. | d. Front-end elektronica
voor het ECG. | e. Pulsoximeter geïntegreerd in handschoen.
f. Binnenkant van het prototype met de ECG-elektrodes zichtbaar.
Accelerometers als ademhalingsmonitor
De ademhaling behoort tot de belangrijkste
parameters die men kan monitoren ter preventie van
wiegendood. Zoals eerder aangehaald, is de
onderontwikkeling van het ademhalingscentrum een
gangbare medische verklaring voor het syndroom.
Daarom werd er in dit project veel tijd gespendeerd in
a
c
d
e
het vinden van een duurzame, comfortabele
meetmethode
DE GOUDEN STANDAARD
In klinische omgeving wordt ademhaling
doorgaans gemeten met een spirometer, een toestel dat
bestaat uit een mondstuk verbonden met een pijp
waarin de luchtstroming door vinnen wordt
omgebogen om een propellertje te doen roteren. De
snelheid van deze rotatie is gecorreleerd met het
ademhalingsdebiet, de richting van de rotatie geeft aan
of de patiënt in- of uitademt. Deze techniek geeft een
erg nauwkeurige maat voor zowel het ademhalingsritme
als het ademhalingsvolume, en is daarom
gebruikt als referentiemeting. Het toestel moet echter
op de mond van de patiënt bevestigd worden, wat
continue monitoring onmogelijk maakt.
OP ZOEK NAAR MEER COMFORT
In de literatuur is men op zoek gegaan naar
andere, comfortabelere technieken. Impedantievariatiemeting
doorheen de thorax [5] en respiratory
inductive plethysmography (RIP) [6] zijn hiervan de
belangrijkste voorbeelden.
Impedantievariaties door de thorax, veroorzaakt
door de volumeverandering van de longen bij het
ademhalen, kunnen gemeten worden door een
hoogfrequente stroom door het lichaam te sturen. Deze
methode was voor vele jaren erg populair door de lage
kostprijs. Aangezien de kleefelektrodes, die nodig zijn
om de stroom door het lichaam te sturen, irritatie
veroorzaken, scoort deze methode op gebied van
comfort zeer laag en is de levensduur beperkt.
RIP is een techniek waarbij een rekbare band
rondom de romp wordt aangebracht. Bij het
ademhalen gaat deze band uitzetten en inkrimpen,
waardoor zijn inductantie verandert. De werking van
deze techniek is reeds bewezen en dankzij de kleine
fout ten opzichte van de spirometer is RIP
tegenwoordig de meest gangbare methode om
ademhaling op een comfortabele manier te monitoren.
Ook hier is de levensduur beperkt, de band verliest na
een tijd zijn elasticiteit waardoor de nauwkeurigheid
verlaagt. Tegenwoordig is er een variant van deze
techniek beschikbaar, photoplethysmography (PPG) [7],
waar glasvezel in de plaats van de inductieve band
wordt gebruikt, en de transmissie van licht gemeten
wordt.
De verandering in lichttransmissie is bepaald door
de verandering in kromtestraal bij het ademhalen. PPG
vertoont vergelijkbare resultaten met zijn voorganger.
De duurzaamheid van glasvezel bij herhaaldelijk
wassen van de kleren is echter nog niet bewezen is.
Deze methodes verhogen ongetwijfeld zowel het
comfort als de esthetiek, maar door hun nadelen is het
zeker de moeite andere mogelijkheden te onderzoeken.
Eén van deze recent geïntroduceerde methodes
maakt gebruik van accelerometers, sensoren die
versnellingen meten. De markt van deze sensoren heeft
KVIV Ingenieursprijzen 3

de laatste jaren, dankzij de grote vraag vanuit de
industrie, een aanzienlijke expansie gekend, wat de kost
van deze componenten heeft gedrukt. Daarnaast heeft
MEMS-technologie (micro electromechanical systems) bijgedragen
tot miniaturisatie alsook een toename in
gevoeligheid. De nog maar zeer beperkte resultaten
van het gebruik van deze sensoren voor het meten van
ademhaling zijn veelbelovend [8,9]. Bovendien kunnen
deze sensoren gebruikt worden om de houding van de
baby te monitoren. Figuur 3 toont een radargrafiek van
deze nieuwe techniek en de twee meest gebruikte
methodes. De nieuwe methode scoort vooral goed op
vlak van wasbaarheid, duurzaamheid en elektrische
veiligheid. Dit gaat ten koste van de kostprijs en de
weinig beschikbare resultaten over nauwkeurigheid,
ruis en artefacten.
Figuur 3: Een radargrafiek met de 3 besproken methodes. De
methodes zijn voor verschillende parameters beoordeeld met een
score tussen 1 en 5. Voor dit ontwerp zijn wasbaarheid, slijtage en
nauwkeurigheid de doorslaggevende parameters. De accelerometer
scoort voor deze parameters gemiddeld het beste.
ACCELEROMETERS, VERDER ONDERZOCHT
In dit project zijn 2 methodes onderzocht om met
accelerometers ademhaling te monitoren.
De eerste methode meet versnellingen van de
uitzettende thoraxwand door een accelerometer
mediaal op de abdomen te plaatsen. Door deze
versnellingen tweemaal te integreren bekomt men de
verplaatsing van de borstkas. Deze kan rechtstreeks
gelinkt worden met het longvolume. Daar staat
tegenover dat deze methode een hoge gevoeligheid
nodig heeft om deze kleine versnellingen te monitoren,
wat zich uiteraard vertaalt in een hoge kostprijs.
De tweede methode meet de hoekverandering die
een accelerometer, meer lateraal op de buik geplaatst,
ondergaat bij het vullen van de longen. Door deze
hoekverandering gaat de projectie van de
gravitatievector in de x- en y- as veranderen. Ondanks
de kleine hoekverandering bij het ademen, vertaalt de
projectie van deze grote gravitatievector zich evenwel
in een signaal van een ordegrootte groter. Door 2
accelerometers symmetrisch lateraal op de buik te
plaatsen, kan de houding van de baby niet alleen
bepaald worden, maar ook uit het ademhalingssignaal
gefilterd worden. Beide methodes zijn schematisch
weergegeven in figuur 4.
Figuur 4: Een schematische voorstelling van de twee
accelerometermethodes. | a. De hoekverandering, geïntroduceerd
door de laterale verplaatsing van de accelerometers. | b. De
magnitudeverandering door het uitzetten van de thorax bij ademen.
VERWERKING VAN DE SIGNALEN
De in Matlab uitgevoerde signaalverwerking
beoogt een drievoudig doel:
‣ Evaluatie van de bekwaamheid van de
accelerometers om gelijktijdig ademhaling en
lichaamshouding nauwkeurig te registreren zonder
al te grote artefacten tengevolge van beweging en
houding
‣ Implementatie van een robuust algoritme voor
extractie van de ademhalingsfrequentie
‣ Onderzoek van de correlatie van de amplitudes
van het accelerometersignaal met het teugvolume
De ademhalingsfrequentie van een baby bevindt
zich typisch tussen 6 en 60 ademcycli per minuut,
m.a.w. tussen 0,1 en 1Hz. Een banddoorlaatfilter zorgt
voor voldoende verzwakking van de frequenties die
zich hier buiten bevinden. Uit de gefilterde signalen
van beide accelerometerassen, kunnen vervolgens de
hoek en de grootte van de gemeten gravitatie worden
afgeleid.
Om het ademhalingsritme te extraheren werd
gezocht naar een algoritme dat in real-time opereert
met een lage berekeningscomplexiteit, een hoge
betrouwbaarheid bij het optreden van artefacten en, bij
voorkeur, met een maximale resolutie. Een breath-tobreath
algoritme gaf hiervoor de beste resultaten [10].
Dit algoritme overloopt het ademhalingssignaal en kijkt
een adaptief tijdsinterval, gelijk aan de mediaan van de
laatste ademhalingsperiodes, terug om hieruit een
verschilsignaal te genereren: uit tekenwisselingen van
dit verschilsignaal kan worden afgeleid of er zich een
maximum of minimum in het interval bevindt.
a
b
KVIV Ingenieursprijzen 4

Tekenwisseling van dit verschilsignaal duidt de
overgang tussen in- en uitademen aan, de afstand
tussen deze wisselingen bepaalt de ademfrequentie. De
ademamplitude wordt bepaald door het verschil tussen
het minimum en maximum in een ademhalingsperiode.
Het algoritme werd robuust geïmplementeerd,
zodat het ook bij ruizige signalen de minima en
maxima juist detecteert. Zo moeten ademamplitudes
telkens boven een adaptieve drempelwaarde liggen om
geclassificeerd te worden als ademhalingspiek.
Figuur 5 toont het hoeksignaal en het magnitudesignaal
bij een ademhaling waarbij de testpersoon op
zijn rug ligt. Het magnitudesignaal bevat meer ruis
aangezien de opgemeten acceleraties zich dicht bij de
ondergrens bevinden van het meetbereik van de
accelerometers, maar de kwaliteit van het signaal is nog
voldoende voor een goede piekdetectie.
Hoeksignaal [graden]
Magnitudesignaal [g]
- 15
- 20
- 25
- 30
- 35
0.5
0.4
0.3
0.2
10 20 30 40 50 60
10 20 30 40 50 60
Tijd [s]
Figuur 5: Vergelijking van de 2 accelerometermethodes bij
rugligging met, in het rood aangegeven, de ritmedetectie.
Figuur 6 toont de signalen wanneer de proefpersoon
op zijn zij ligt. In dit geval blijft het
hoeksignaal uitstekend presteren, terwijl de kwaliteit
van het magnitudesignaal daalt. Hierdoor is een
ritmedetectie hierop niet meer mogelijk.
Hoeksignaal [graden]
Magnitudesignaal [g]
- 15
- 20
- 25
- 30
- 35
0.5
0.4
0.3
0.2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Om de registratie van de ademhaling met accelerometers
te valideren worden de amplitudes vergeleken
met de gouden standaard, de spirometer. Deze
correlatie kan worden weergegeven in een scatterplot.
Figuur 7 toont het resultaat voor het hoeksignaal van
een twee minuten durende meting, waarbij de
testpersoon op zijn rug ligt en werd gevraagd zijn
ademvolume te variëren van rustig tot diep ademhalen.
De R 2 -waarde van 0,85 duidt op een sterke correlatie.
!"# $ $"# % %"# & &"#
*+,-./01234,.56+2/253782965+:-.42251;
Gelijktijdig wordt ook de correlatie tussen de
spirometer en het magnitudesignaal onderzocht. Dit
levert een lagere R2-waarde van 0,46.
Bij een gelijkaardige meting waarbij de testpersoon
op zijn zij ligt, blijft de R2-waarde voor het hoeksignaal
van dezelfde orde, terwijl die voor het magnitudesignaal
naar beneden duikt. Het hoeksignaal geeft dus
duidelijk betere resultaten. De methode biedt een
houdingsonafhankelijke ademhalingsmeting. Figuur 8
toont tenslotte een meting waar de testpersoon
overgaat van rugligging naar buikligging. Tijdens de
overgang zijn er bewegingsartefacten maar deze zijn
van korte aard, en het algoritme voor ritmedetectie
ondervindt hier geen last van. Ook de houding van de
persoon is geplot, de houdingswisselingen van 90
graden vertonen 5 seconden vertraging door een
laagdoorlaatfilter met een breed mediaanvenster.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
*+,-./0123:

De textielgeïntegreerde hartslagmonitor
Een andere onontbeerlijke parameter bij het
monitoren van slaapstoornissen is de hartslag. Deze
parameter kan op velerlei manieren worden gemeten,
maar de meest gangbare klinische methode gebruikt
hiervoor een ECG-monitor. Het elektrocardiogram
(ECG) is de elektrische activiteit van het hart die via
externe elektrodes op het lichaam kan worden
waargenomen. Het is het middel bij uitstek voor hartritmeanalyses.
AANPASSINGEN VOOR TEXTIELINTEGRATIE
In tegenstelling tot de zeer innovatieve
ademhalingsmeting met accelerometers, blijven we hier
werken met de klassieke methode. Desalniettemin is
ook hier innovatie mogelijk. Er zijn immers twee grote
verschillen tussen een klassieke, klinische ECG-monitor
en een textielgeïntegreerde ECG-monitor.
Allereerst moeten de kleefelektrodes, waarbij de
weerstand van de huid door middel van een
conductieve gel aanzienlijk gereduceerd wordt,
vervangen worden door droge, textielelektrodes [11].
Naast kwaliteitsverlies zullen hierdoor de bewegingsartefacten
ook toenemen, de elektrodes kunnen nu
immers vrij bewegen. Een aanspannend kledingstuk
verzekert daarom het contact met de huid.
Daarnaast kan de hoogwaardige 12-lead ECGmethode
met 10 meetelektrodes in het geval van een
piepklein patiëntje onmogelijk worden gebruikt.
Desondanks is, zoals eerder aangehaald, één van
de eisen van dit project het bekomen van klinisch
bruikbare signalen. Het ECG biedt naast het hartritme
nog extra cardiopulmonaire informatie. Kwaliteitsverbetering
wordt verwezenlijkt door een samenhang
van een geavanceerd elektronisch circuit, met een zeer
hoge common mode rejection ratio en speciaal ontworpen
voor batterijgevoede systemen [12], met een robuuste
digitale signaalverwerking.
VERWERKING EN RESULTATEN
Naast filtering volgens het Pan-Tompkins algoritme
[13] om een ECG van hoge kwaliteit te bekomen
werden ook enkele hartritmedetectiealgoritmes
vergeleken. Hetzelfde detectiealgoritme als dat voor de
ademhaling bleek ook hier het beste te scoren dankzij
zijn grote ongevoeligheid aan artefacten. Dankzij de
hoge kwaliteit van het elektronisch circuit en de goede
filtertechnieken achteraf, kunnen de verschillende fasen
van het ECG voldoende worden herkend, dit is te zien
in figuur 9.
;0
)45-.6740
&9:
&
!9:
!
8 !9:
8 &
8 &9:
! " # $ % &! &" &# &$ &% "!
Figuur 9: Een ECG meting met de ritmedectie weergegeven in rood.
&"!
&&!
&!!
(!
Figuur 10 laat zien dat de ritmedetectie (aangeduid
door de rode cirkeltjes) ook bij zware bewegingsartefacten
blijft volgen.
ECG [mV]
14
12
10
8
6
4
2
0
- 2
0 2 4 6 8 10
tijd [s]
Figuur 10: Deze meting toont een bewegingsartefact, veroorzaakt
door de rechterarm plots te bewegen. Het ritmedetectiealgoritme kan
hier probleemloos mee om.
Het hartritme kan, naast de ECG-monitor, ook
geëxtraheerd worden met behulp van een pulsoximeter.
Deze sensor meet de zuurstofconcentratie in
bloed door middel van lichtdetectie.
Zuurstofrijk hemoglobine (oxyhemoglobine)
absorbeert immers meer rood licht dan zuurstofarm
hemoglobine, terwijl de absorptiecoëfficiënt voor
0.55 infrarood licht bij beide ongeveer gelijk blijft. Zuurstofconcentratie
kan dus worden gemonitord door beide
0.548
lichtsignalen te vergelijken.
De ventrikels stuwen een bloedpuls door het
0.546
lichaam bij elke hartslag, wat te zien is in het lichtsignaal.
0.544Bij
iedere puls zal de lichttransmissie immers
dalen door de bloedtoename. Dit is te zien in figuur 11.
rood signaal [%]
infrarood signaal [%]
ECG [mV]
0.53
0.525
0.52
0 2 4 6 8 10
0.515
0 2 4 6 8 10
1,5
1
0,5
0
- 0,5
- 1
0 2 4
tijd [s]
6 8 10
Figuur 11: De pulsoximeter kan naast bloedsaturatiemonitor ook
gebruikt worden als hartritmesensor.
Een typische pulsoximeter kan bij een volwassen
persoon slechts op een beperkt aantal plaatsen, zoals de
oorlel en de vinger, worden gebruikt. Bij een baby kan
de meting comfortabeler en meer esthetisch gebeuren
aan de pols, waardoor ook deze sensor zonder
problemen kan geïntegreerd worden in het babypakje.
KVIV Ingenieursprijzen 6

Een brede waaier van mogelijkheden
Met de onderzochte sensoren kunnen de ademhaling,
het ECG, de zuurstofopname in bloed en de
houding van de baby gemonitord worden. Er zijn ook
andere signalen die kunnen bijdragen tot het klinisch
onderzoek naar en de preventie van SIDS. Hierbij
behoren inwendige signalen zoals hersen-activiteit, de
zuurstofconcentratie in de hersenen en slikbewegingen,
alsook uitwendige signalen zoals onder andere de
omgevingstemperatuur.
Verder zijn er ook tal van andere -al dan niet
biomedische- applicaties, waarbij textielgeïntegreerde
sensoren een meerwaarde kunnen bieden op vlak van
comfort en esthetiek. Enkele voorbeelden zijn:
‣ Een valdetectiesysteem voor bejaarden
‣ Monitoring van sporters tijdens wedstrijden
‣ Monitoring van wondheling
‣ Monitoring van slaapkwaliteit
PLUG & PLAY VOOR UNIVERSEEL GEBRUIK
Een eenvoudige uitbreidbare systeemarchitectuur
met plug & play elektronica biedt de mogelijkheid om
het ook voor deze toepassingen bruikbaar te maken.
Verder moet bedrading naar externe apparatuur
absoluut vermeden worden. Daarom bezit het systeem
een draadloze communicatie naar een externe
verwerkingseenheid en is het vermogen gelimiteerd
door batterijgebruik.
Het textielgeïntegreerd systeem bestaat uit
verschillende eilanden die met elkaar in verbinding
staan. 5 sensoreilanden bevatten ieder 1 tot 4 sensoren,
de nodige front-end elektronica, alsook een analoog naar
digitaal convertor (ADC). Deze ADC zet ieder analoog
sensorsignaal om in een 12 bit digitaal signaal. Al deze
sensoreilanden kunnen plug & play gekoppeld worden
aan een hoofdeiland, en daardoor makkelijk vervangen
worden voor andere toepassingen. De communicatie
wordt volledig geregeld door het hoofdeiland dat
gelijktijdig aan elke ADC zijn informatie vraagt. Deze
informatie wordt vervolgens verzameld en via een
Nordic [15] draadloze zender doorgestuurd. Het
volledige systeem is weergegeven in figuur 12.
7)44"&'8
!"#$%&"'()#*+,
0
!"#$%&"'()#*+0
!?@
!?@
!?@
!"#$%&"'()#*+-
.%%/*"'()#*
!"#$%&"'()#*+2
@
?
!
@
?
!
!"#$%&"'()#*+1
9&))*(%:"
4&)#$;'$$'"
+!"#$%&
3#45)#6"'()#*
Figuur 12 Een schematische voorstelling van de systeemarchitectuur.
De verwerkingseenheid is in dit geval een pc.
Matlab verwerkt de signalen en plot deze online, zoals
weergegeven in figuur 13.
234
/7>?*)@,6-7,6/57A*?>
F8*+6-8@*/)6
FGG8-6H)87-06?0G8-
&!!!
%(!!
%'!!
%&!!
! "!! #!!! #"!! $!!! $"!!
)*+,-./01
! "!! #!!! #"!!
)*+,-./01
$!!! $"!!
#
!E(
!E'
!E&
!E$
!
! "!! #!!! #"!!
)*+,-./01
$!!! $"!!
&!
! "!! #!!! #"!!
)*+,-./01
$!!! $"!!
Een prototype van het systeem is ook te zien in
figuur 2. Alle elektronica is hier geplaatst op een
flexibel substraat, en geïmplementeerd in een testpak
voor tests met een volwassen persoon.
De theoretisch haalbare bandbreedte van het
systeem is ±3000 Hz bij gebruik van 10 sensoren. Voor
biomedische toepassingen is deze bandbreedte meer
dan voldoende, zowel voor thuismonitoring als voor
klinisch gebruik. Dit laat toe het systeem verder uit te
breiden naar meer dan 10 signalen, of naar andere
toepassingen die een hogere bandbreedte vereisen
Het vermogen van het systeem, waarbij het ECG,
de ademhaling en de zuurstofsaturatie gemeten
worden, is kleiner dan 70 mW. Zonder aansluiting van
sensoren verbruikt het minder dan 40 mW.
Het systeem is gevoed met een flexibele lithiumpolymeer
batterij van 3,7 V met een energie-inhoud
van 1100 mAh. Hiermee kan het babypakje voor meer
dan 2 dagen, of meer dan 4 nachten van 12 uur, meten
zonder nood aan herladen van de batterij. De batterij
kan, als uitbreiding, inductief opgeladen worden door
deze in te pluggen in een bestaand systeem [14].
Nieuwe sensoren moeten slechts aan een beperkt
aantal eisen voldoen. De spanning is beperkt tot 3,7 V
en de bandbreedte tot maximaal 3000 Hz. Ook de
resolutie, bepaald door het 12 bit digitaal signaal is
voor gelijkaardige toepassingen ruim voldoende.
5678)-8859)5/-:;B86C@6?D9
-

Besluit
Ons thesisproject heeft getracht een oplossing te
ontwikkelen voor de bestaande SIDS-problematiek.
Vereisten voor het systeem waren:
‣ Hoog kwalitatieve registratie van de signalen
‣ Betrouwbare detectie van levensbedreigende
situaties
‣ Comfort en gebruiksgemak
‣ Veelzijdigheid en uitbreidbaarheid
HOOGKWALITATIEVE REGISTRATIE
Het voorgestelde systeem biedt een hoog kwalitatieve
registratie van de relevante signalen, opgebouwd
uit modulaire plug & play onderdelen die aan
een universeel systeem kunnen worden gekoppeld.
Een innovatieve, beloftevolle registratiemethode
van het ademhalingssignaal werd ontwikkeld, waarbij
accelerometers de uitzetting van de buikholte bij
ademhaling monitoren. Bij vergelijking met een
spirometer zijn de eerste resultaten veelbelovend. Deze
methode registreert in parallel de houding van de
zuigeling, een belangrijke risicoverhogende factor voor
SIDS.
De ademhalingsregistratie wordt aangevuld door
een meting van het elektrocardiogram. Ook hier werd
gewaakt over het slaapcomfort voor de zuigeling, door
gebruik te maken van textielelektrodes, ingebouwd in
een kledingstuk. Zowel de schakeling als het
verwerkingsalgoritme bieden robuustheid tegen
artefacten en storingen. Ook een flexibele pulsoximeter
voor inbouw in een polsbandje werd ontwikkeld.
BETROUWBARE DETECTIE
Verwerking van de ademfrequentie en -amplitude
en het hartritme biedt inzicht in de symptomen van
SIDS, en kan alarmeren bij levensbedreigende
situaties. Veelbelovende tests werden uitgevoerd op
volwassen proefpersonen, maar het systeem en de
onderliggende principes zijn volledig schaalbaar naar
zuigelingen.
COMFORT EN GEBRUIKSGEMAK
Het comfort voor de zuigeling wordt gegarandeerd
door de flexibele elektronische substraten volledig in te
bouwen in textiel en door een compacte draadloze
communicatie-eenheid naar een externe rekenunit.
Het systeem is batterijgevoed en herlaadbaar en biedt
autonomie voor meerdere nachten.
VEELZIJDIGHEID EN UITBREIDBAARHEID
Het ontwerp beperkt zich uiteraard niet tot
monitoring voor SIDS alleen. Het platform biedt
mogelijkheden in de ambulante monitoring voor
andere slaapstoor nissen, zoals slaapapneu.
Uitbreidbaarheid tot 10 sensorkanalen is voorzien. Het
kledingstuk is eenvoudig in gebruik, en vereist slechts
een pc met USB-aansluiting om de signalen in realtime
te verwerken en op te slaan voor latere analyse.
Het volledige proces van ontwikkeling tot werkend
prototype werd uitgevoerd om tot dit resultaat te
komen. Door de combinatie van comfort,
gebruiksgemak en betrouwbaarheid, vormt dit ontwerp
een basis voor systemen waaraan ouders hun kleintje
echt kunnen toevertrouwen.
REFERENTIES
[1] “Federaal kenniscentrum voor de gezondheidszorg.” [Online beschikbaar]: www.kce.fgov.be (november 2009)
[2] G. A. De Jonge, A. C. Engelberts, P. J. Kostense, An analysis of trends in the incidence of sudden infant death in the Netherlands
1969-89
[3] A. Kahn, J. Groswasser, E. Rebuffat, M. Sottiaux, D. Blum, M. Foerster, “Sleep and cardiorespiratory characteristics of infant victims
of sudden death: a prospective case-control study.” Sleep, 1992
[4] Nannycare, “Baby Sensormatje.” [Online beschikbaar]: http://www.nannycare.nl (november 2009)
[5] C. S. Poon, Y. C. Chung, T. T. C. Choy, en J. Pang, “Evaluation of two noninvasive techniques for exercise ventilatory
measurements,” Engineering in Medicine and Biology Society, 1988.
[6] M. N. Fiamma, Z. Samara, P. Baconnier, T. Similowski, en C. Straus, “Respiratory inductive plethysmography to assess respiratory
variability and complexity in humans,” Respir Physiol Neurobiol., 2007.
[7] A. Johansson, P. A. Oberg, en G. Sedin, “Monitoring of heart and respiratory rates in newborn infants using a new
photopleyhysmographic technique,” Journal of Clinical monitroring and computing, Tech. Rep., 1999.
[8] T. Reinvuo, M. Hannula, H. Sorvoja, E. Alasaarela, en R. Myllyla, “Measurement of respiratory rate with high-resolution
accelerometer and emfit pressure sensor,” Sensors Applications Symposium, 2006.
[9] P. D. Hung, S. Bonnet, R. Guillemaud, E. Castelli, en P. Yen, “Estimation of respiratory waveform using an accelerometer,”
Biomedical Imaging, 2008.
[10] R. Lukocius, J. A. Virbalis, J. D., en A. Vegys, “The respiration rate estimation method based on the signal maximums and
minimums detection and the signal amplitude evaluation,” Electronics and Electrical Engineering, 2008.
[11] M. Catrysse, R. Puers, C. Hertleer, L. Van Langenhove, H. van Egmond, D. Mathys, “Towards the integration of textile sensors in
a wireless monitoring suit” Sensors and Actuators, 2004
[12] E. M. Spinelli, “A single supply biopotential amplifier,” Medical Engineering & Physics, 2001.
[13] J. Pan en W. Tompkins, “A real-time qrs detection algorithm,” IEEE Biomedical Engineering, 1985.
[14] J. Coosemans, B. Hermans, en R. Puers, “Integrating wireless ecg monitoring in textiles,” Transducers, 2005.
[15] “Nordic Semiconductors” [Online beschikbaar]: http://www.nordicsemi.com (november 2009)
DANKWOORD
De auteurs danken hun promotor Prof. R. Puers en dagelijkse begeleider ir. P. Jourand van de Katholieke Universiteit Leuven voor het
delen van hun inzichten, voor hun advies en hun aanmoedigingen. Dank voor de onvoorwaardelijke hulp en voor de massa’s tijd en
moeite die erin gekropen zijn.
DE AUTEURS
Rogier Corthout en Hans De Clercq promoveerden als Master in de Ingenieurswetenschappen, Biomedische Technologie (optie
Medische Informatietechnologie) in juli 2009 aan de Katholieke Universiteit Leuven. Hans zet zijn studies voort met een doctoraat aan
het departement ESAT-MICAS van de KULeuven. Rogier werkt als analist bij het strategisch adviesbureau A.T. Kearney.
E-mail : rogier.corthout@gmail.com, hans.declercq@esat.kuleuven.be
KVIV Ingenieursprijzen 8