Podpora výuky zpracování biologických signálů pomocí systémů pro ...

hippo.feld.cvut.cz

Podpora výuky zpracování biologických signálů pomocí systémů pro ...

Podpora výuky zpracování biologických signálů pomocí

systémů pro měření srdeční a elektrodermální aktivity

Řešitel: Radoslav Bortel

1 Úvod

Jeden z hlavních problémů, se kterým se potýkají studenti studující číslicové zpracování biologických

signálů je nedostatečné pochopení složitějších matematických a statistických technik, které se v tomto

oboru hojně využívají. Typickou obtíží je neschopnost studentů představit si praktickou aplikaci a

význam vyučované látky, což často vede jen k omezenému pochopení probíraného tématu.

Pro řešení tohoto problému, je vhodné do výuky začlenit praktické prvky, v rámci kterých se studenti

obeznámí se samotným měřením biologických signálů a s problémy, které se při měření vyskytují.

Tato praktická měření však musí být specielně uzpůsobena tak, aby byla snadno proveditelná a zabrala

minimum času, takže se neomezí hlavní náplň výuky – práce studentů s naměřenými signály.

Tento projekt se proto zaměřil na realizaci několika sytému pro měření srdeční aktivity (EKG) a kožní

vodivosti (GSR), které jsou optimalizovány tak, aby umožnili velice snadné, rychlé a robustní měření.

Každý student si tak může naměřit svoje vlastní biologické signály, čím získá lepší představu o jejich

genezi a důležitosti metod, které se na tyto signály aplikují. Toto by mělo vést k lepší motivaci

studentů, aktivnějšímu přístupu a následně k lepšímu pochopení vyučované látky.

2 Cíle řešení

Hlavním cílem tohoto projektu bylo zhotovit několik systémů, které by dovolily provést měření EKG

a GSR během běžného cvičení. Konkrétně se od každého měřícího systému požadovalo:

- Jednoduchost: žáci musí být schopni provést měření sami po krátké instruktáži.

- Rychlost: samotné měření musí zabrat jenom malou část cvičení a neomezit čas věnovaný

zpracování naměřených signálů.

- Robustnost: měření musí být proveditelné v počítačové učebně i za přítomnosti silné

elektromagnetické interference.

- Čistota: měření musí být proveditelné bez použití elektrovodivého gelu

- Přehledná vizualizace naměřených dat: nedílnou součásti měřícího systému musí být i

programové vybavení, které umožní průběžnou vizualizaci a prvotní předzpracování

měřených dat.

3 Postup a způsob řešení

3.1 Volba umístění elektrod

Celkově systém pracuje se třemi elektrodami. Jeden pár elektrod souží k měření EKG a druhý pár

elektrod slouží k měření GSR (jedna elektroda je společná). Vzhledem k výše uvedeným požadavkům,

byly jako měřící body zvoleny prsty levé a pravé ruky. Dvě elektrody jsou umístěné na prstech jedné

ruky, třetí elektroda je umístěna na prstu druhé ruky. Toto uspořádání dovoluje velice snadnou aplikaci


měřících elektrod, a měří potenciál odpovídající standardnímu prvnímu Einthovenovmu svodu. Měření

na prstech je dále efektivní (a také časté) při měření kožní vodivosti.

Zdánlivou nevýhodou měření EKG na prstech je větší množství svalových artefaktů, v případě že

měřený subjekt nemá zcela uvolněnou horní polovinu těla. Nicméně pro potřeby výuky toto není

překážkou. Právě naopak, je vhodné pozorovat, jak se svalové artefakty v EKG objevují, změřit je a

následně se je pokusit detekovat nebo potlačit pomocí technik číslicového zpracování signálů.

3.2 Základní uspořádání měřícího systému

Zařízení se skládá z hlavní jednotky a měřících elektrod (obr. 1). V hlavní jednotce je integrována

měřící elektronika a rozhraní pro komunikaci s USB. Detailnější popis jednotlivých částí systému je

uveden v následujících sekcích.

3.3 Konstrukce měřících elektrod

Konstrukce elektrod byla uzpůsobena tak, aby dovolovala rychlou a snadnou aplikaci během běžného

cvičení v počítačové učebně. Pro tento účel byly vytvořeny flexibilní prstencové úchyty (obr. 2), které

obsahují dva kloubové spoje a jsou obepnuta pružným páskem. Při nasouvání na prst se prstenec díky

kloubovým spojům rozevře a pružný pásek zajistí přítlak potřebný pro fixaci elektrody. Při praktickém

použití se takto konstrukce ukázala jako efektivní a snadná pro použití.

Samotná elektroda byla povrchově upravena tak, aby se minimalizovala nestabilita elektrochemických

dějů na rozhraní mezi elektrodou a pokožkou. Konkrétně byla použita povrchová úprava typu

Ag˗AgCl.

3.4 Elektronika

Měřící část systému obsahuje měřící zesilovače s vysokým vstupním odporem a nízkým šumem. Dále

je zde obsažen proudový zdroj, který tvoří součást systému pro měření kožní vodivosti. Také je zde

implementován obvod pro aktivní potlačení externího rušení, který umožňuje provést měření i

v případě, že kvalita kontaktu mezi elektrodami a pokožkou je nízká a měření probíhá v prostorech

s vysokou úrovní elektromagnetické interference. Všechny tyto systémy jsou efektivně integrovány,

takže celé měření je možné provést jenom s třemi elektrodami.

Změřené signály jsou digitalizovány 16 bitovým A/D převodníkem. Data z A/D převodníku jsou

přečtena řídícím mikrokontrolérem a pak jsou dále zaslána do bloku pro komunikaci s PC.

Blok pro komunikaci s PC obsahuje jednak obvody pro komunikaci po sběrnici USB, ale také obvody

pro galvanické oddělení systému od měřícího PC.


Obr. 1. . Hlavní jednotka a tři elektrody systému pro měření EKG a GSR.

Obr. 2. Elektroda a její aplikace.

3.5 Mechanická konstrukce

Mechanické díly byly navrhnuty pomocí 3D CAD systému, čímž byla dosažena efektivní integrace

mechanické a elektronické části systému. Vzorové modely byly vyrobeny pomocí 3D tisku. Tyto

modely pak byly použity pro vytvoření silikonových forem, pomocí kterých pak byly odlévány

mechanické části systému z polyuretanových pryskyřic.


3.6 Programové vybavení

Programové vybavení běžící na PC, ke kterému je měřící systém připojen, se skládá ze dvou částí.

Jednak je to dynamická knihovna, jejíž funkce se starají o komunikaci se zařízením a o kontrolu

ukládání přijatých dat do vyrovnávací paměti. Potom je to část, která přijatá data předzpracuje a

zobrazí v přehledném uživatelském rozhraní. Dynamická knihovna byla vytvořena v jazyce C++.

Zpracování, vizualizace dat a další části uživatelského rozhraní byly vytvořeny v prostředí programu

Matlab. Toto uspořádání umožňuje efektivní komunikaci se zařízením a přitom dovoluje studentům

prohlédnout si implementované algoritmy v relativně přehledné formě Matlabovských skriptů.

V případě zájmu si pak studenti mohou tyto algoritmy sami upravit. Samotné uživatelské rozhraní

zahrnuje jednak ovládání možností pro nastavení způsobu zobrazení EKG a GSR (rychlost

zobrazování, škálování), ovládání předzpracovaní EKG (eliminace kolísání izolinie, odstranění

síťového rušení). Software může být distribuován buďto jako supina Matlabovskch skriptů, nebo ve

formě spustitelného souboru. Ukázka uživatelského rozhraní je na obr. 3.

3.7 Úlohy řešené studenty

Na změřených záznamech EKG a GSR signálů si žáci mohou procvičovat následující typy úloh:

i. Odstraňování kolísání izolinie z EKG: tato úloha slouží k procvičování lineární filtrace a pro

praktickou ukázku jejich nedostatků. Dále zde mohou být procvičovány pokročilejší techniky

odstraňování kolísání izolinie založené na nelineární filtraci a interpolaci pomocí spline

funkcí.

ii. Odstraňování síťového rušení z EKG: podobně jako předchozí úloha, i tato úloha slouží k

procvičování lineární filtrace a demonstraci jejich nedostatků. Dále zde mohou být

procvičovány techniky adaptivní filtrace.

iii. Odstraňování svalových artefaktů z EKG: zde jsou procvičovány techniky lineární, stacionární

a nestacionární filtrace a jsou demonstrovány jejich výhody a nedostatky.

iv. Detekce QRS komplexů a základní odhad srdeční frekvence: zde jsou procvičovány techniky

korelační detekce, resp. přizpůsobené filtrace a adaptivního prahování.

v. Robustní odhad srdeční frekvence: pokročilejší studenti se mohou věnovat technikám

robustního odhadu srdeční frekvence (t.j. odhadu na základe nedokonalé detekce QRS

komplexů) pomocí Bayesovských metod.

vi. Odstraňování pohybových artefaktů z GSR: tato úloha slouží k procvičování technik

autoregresního modelování.

4 Výsledky a výstupy řešení

Hlavním výstupem tohoto projektu je zhotovení 20 měřících systémů, pomocí kterých si každý student

může změřit svoji vlastní srdeční aktivitu a kožní vodivost. Při nasazení ve výuce se potvrdilo, že

funkčnost systémů odpovídá výše stanoveným požadavkům. Použití systémů a ovládání uživatelského

rozhraní si studenti rychle osvojili po krátké instruktáži. Ve všech případech bylo měření

bezproblémové, stabilní a nebylo ovlivněno elektromagnetickou interferencí. Celková doba měření

vycházela zhruba na 5-10 minut, což neomezovalo čas potřebný na další zpracování naměřených dat.

Při použití systémů bylo možné sledovat vysoké zaujetí studentů a zvýšený zájem o práci

s naměřenými signály. V porovnání s přístupem z předchozích let, kdy studenti jenom dostali

naměřené signály, jsme pozorovali, že studenti po naměření svých vlastních signálů pracují omnoho

aktivněji, dosahují lepších výsledků a lepšího pochopení probírané látky.


Obr. 3. . Ukázka uživatelského rozhraní ovládacího software.

5 Změny oproti původnímu návrhu projektu

Hlavní cíl projektu – zhotovení 20ti systémů pro měření EKG a GSR a zavedení tohoto systému do

výuky – byl realizován beze změn.

Změny, které byly v projektu provedeny, spočívají v menších úpravách využití finančních zdrojů:

Během řešení projektu se nám podařilo ušetřit 4tis. z částky 52tis. původně plánovaných na služby.

Dále, vzhledem na nízké ohodnocení konferencí, jsme se rozhodli pokusit se naše výsledky publikovat

v časopise. Tím jsme ušetřili částku 6tis. původně plánovanou na účast na konferenci. Ušetřené částky

byly se zvolením vedení naší fakulty využity na nákup drobného materiálu na dovybavení našeho

pracoviště.

6 Zdůvodnění ní vyžití finančních prostředků

Využití finančních prostředků vycházelo z plánu uvedeného v návrhu tohoto projektu. Na nákup

elektronických součástek bylo použito 48tis (plánováno 47tis). Pro výrobu a povrchovou úpravu

kontaktů bylo použito 23,5tis. (plánováno 25tis.). Na výrobu DPS bylo použito 14tis. (plánováno

16tis.). Na provedení 3D tisku bylo použito 11tis. (plánováno 11tis.). Na materiály pro výrobu

mechanických dílů bylo použito 15tis. (plánováno 20tis.). Na nákup odborné literatury bylo použito

7,5tis. (plánováno 8tis.), přičemž byly zakoupeny následující tituly: P.H. King, R.C. Rries: Design of

Biomedical Devices and Systems (1,8tis); R.C. Fries: Reliable Design of Medical Devices (1,9tis.);

J.D. Bronzino: : The Biomedical Engineering Handbook: Medical Devices and Systems (3,8tis.). Na

nákup drobného materiálu bylo použito 29tis. (plánováno 15tis.; zde jsou zahrnuty i částky, které byly


ušetřeny na službách a účasti na konferenci). Počítač pro vývoj software 27tis. (plánováno 27tis.).

Odvody a zdravotní pojištění činili 4tis. Odměny řešiteli byly vyplaceny v plánované výši 10tis.

7 Závěr

Z pohledu řešitele byly cíle grantu splněny. Bylo zhotoveno 20 měřících systémů, které umožňují

měření srdeční aktivity a kožního odporu. Systémy jsou optimalizované tak, aby práce s nimi byla

snadná a rychlá. Přínos systémů ve výuce byl pozitivní. Studenti projevovali vyšší zájem o práci se

signály, které si sami naměřili, jejich práce byla aktivnější a došlo k lepšímu pochopení vykládané

látky. Řešitel se proto domnívá, že celkově lze výstupy tohoto grantu považovat za přínos pro výuku

technik číslicového zpracování biologických signálů.

More magazines by this user
Similar magazines