MONITORIZAREA DE LA DISTANŢĂ A PARAMETRILOR VITALI

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” IAŞI FACULTATEA DE AUTOMATICĂ ŞI CALCULATOARE

MONITORIZAREA DE LA DISTANŢĂ A PARAMETRILOR VITALI FOLOSIND SISTEME

ÎNGLOBATE

CRISTIAN ROTARIU

- REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT - Conducător ştiinţific, Prof. Dr. Ing. VASILE ION MANTA

- 2010 -

CUPRINS I. TELEMONITORIZAREA

1.1 Motivaţie 1.2 Sisteme de telemonitorizare 1.3 Structura lucrării 1.4 Diseminarea rezultatelor

II. ARHITECTURI DE SISTEME ÎNGLOBATE PENTRU TELEMONITORIZARE

2.1 Parametri vitali şi semnale electrofiziologice 2.2 Amplificatoare de instrumentaţie 2.3 Zgomote şi artefacte 2.4 Filtre active cu amplificatoare operaţionale 2.5 Sisteme înglobate utilizate în telemonitorizare 2.6 Monitorizarea semnalelor ECG

2.6.1 Măsurarea vectorului cardiac 2.6.2 Dispozitiv de monitorizare a ECG

2.7 Monitorizarea saturaţiei de O2 2.8 Monitorizarea presiunii arteriale

2.8.1 Măsurarea presiunii arteriale 2.8.2 Dispozitiv de monitorizare a presiunii arteriale

2.9 Monitorizarea temperaturii 2.10 Monitorizarea respiraţiei

III. REŢELE DE SENZORI CU COMUNICAŢIE RADIO

3.1 Introducere 3.2 Standarde de comunicaţie pentru transmisii radio 3.3 Reţea de senzori bazată pe modulul eZ430 – RF2500

3.3.1 Microprocesorul MSP430F2274 3.3.2 Transceiverul RF CC2500 3.3.3 Protocolul SimpliciTI (Texas Instruments) 3.3.4 Monitorizarea temperaturii cu eZ430 – RF2500

IV. PRELUCRAREA ŞI ANALIZA SEMNALELOR ECG

4.1 Achiziţia semnalelor biomedicale 4.2 Morfologia semnalului ECG 4.3 Detecţia complexului QRS din semnalul ECG 4.4 Algoritm de detecţie a complexului QRS şi a undelor T şi P

4.4.1 Detecţia complexului QRS 4.4.2 Detecţia undei T 4.4.3 Detecţia undei P 4.4.4 Aproximarea liniei de bază 4.4.5 Analiza segmentului ST

4.5 Algoritm de detecţie în timp real a complexelor QRS 4.6 Clasificarea semnalelor ECG

1

1245

9

910111212121314141515161718

19

19192223232526

27

2728293131313232333435

V. SISTEME INTEGRATE DE TELEMONITORIZARE CONTRIBUŢII PROPRII

5.1 Telemed-R – sistem de telemonitorizare ECG folosind unde radio 5.2 MEDCARE - sistem pentru telemonitorizare cardiologică prin Internet 5.3 Sistem de comunicare cu persoane cu handicap neuro-locomotor major – TELPROT 5.4 TELMES – platformă multimedia pentru implementarea teleserviciilor

medicale complexe 5.4.1 Arhitectura sistemului TELMES 5.4.2 Componenta tehnică a sistemului 5.4.3 Unitatea de telemonitorizare

5.5 TELEMON – Sistem integrat de telemonitorizare în timp real a pacienţilor şi persoanelor în vârstă

5.5.1 Introducere 5.5.2 Arhitectura reţelei personalizate de traductori 5.5.3 Amplificatorul ECG 5.5.4 Traductorul de respiraţie 5.5.5 Traductorul de SpO2 şi puls 5.5.6 Traductorul de presiune arterială 5.5.7 Traductorul de temperatură 5.5.8 Serverul de pacient 5.5.9 Consumul de energie

VI. CONCLUZII

6.1 Sumarul contribuţiilor personale 6.2 Direcţii viitoare de cercetare

37

3739

41

44444546

48484950515252535455

57

5859

Capitolul I: Telemonitorizarea

1

CAPITOLUL I

TELEMONITORIZAREA 1.1 Motivaţie Situată în cadrul mai larg al tele-asistenţei medicale, definită ca “totalitatea sistemelor care

ajută îngrijirea sănătăţii prin schimbul cât mai eficient de informaţie medicală”, telemedicina se constituie ca un sistem integrat de îngrijire a sănătăţii (asistenţă medicală şi educaţie) bazat pe resurse tehnologice, organizaţionale şi/sau sistemice [Bennet 1978].

Având numeroase definiţii formale, telemedicina constă în esenţă în utilizarea semnalelor electronice, a tehnologiei informaţiei şi a telecomunicaţiilor pentru a transfera informaţiile medicale de la un sistem la altul.

Telemedicina reprezintă furnizarea de servicii medicale, bazată pe utilizarea tehnologiei informaţiei şi a telecomunicaţiilor, în situaţia în care cadrul medical şi pacientul se află în locaţii diferite. Aceasta presupune transmiterea în siguranţă a datelor şi informaţiilor medicale, sub formă de text, sunet, imagine sau alte formate necesare pentru prevenirea, diagnosticarea, tratarea şi urmărirea pacienţilor.

Telemedicina cuprinde o mare varietate de servicii. Cele mai des menţionate sunt telemonitorizarea, teleradiologia, telepatologia, teledermatologia, teleconsultaţia şi teleoftalmologia, cu excepţia telechirurgiei [COM689].

Printre alte posibile servicii se numără centrele de apel/centrele de informare online pentru pacienţi sau consultaţiile la distanţă, respectiv videoconferinţe între medici. Ca aplicaţii principale de telemedicină se remarcă telemonitorizarea, care împreună cu teleradiologia reprezintă la acest moment aproximativ 50% din piaţa de telemedicină europeană.

Telemonitorizarea este definită ca un serviciu de telemedicină ce presupune monitorizarea de la distanţă a funcţiilor vitale ale unui pacient prin intermediul unor dispozitive şi tehnici corespunzătoare [COM689].

Monitorizarea clasică presupune prelevarea de la pacient a unor semnale biomedicale sau parametri fiziologici, pe un interval de timp de ordinul zilelor, descărcarea şi analiza acestora pe un sistem de calcul făcându-se la sfârşitul perioadei de monitorizare (off-line). Sistemele de telemonitorizare prelevează, stochează şi transmit la distanţă (prin intermediul unei reţele de comunicaţii) semnalele biomedicale sau parametrii fiziologici la un interval de timp mult mai scurt, realizează automat analiza acestora (on-line), şi pot transmite alarme către un centru de telemonitorizare, în cazul în care valorile parametrilor monitorizaţi depăşesc anumite limite.

Parametri fiziologici pot fi prelevaţi fie în mod automat, prin intermediul dispozitivelor personale de monitorizare, fie pe baza colaborării active a pacienţilor (de exemplu, prin utilizarea unui instrument on-line pentru completarea zilnică a valorilor presiunii arteriale sau glicemiei). Aceste dispozitive sunt de regulă portabile şi utilizate de obicei în monitorizarea parametrilor fiziologici vitali de tipul: presiune arterială, frecvenţă cardiacă, frecvenţă respiratorie, saturaţie de oxigen din sânge etc. După ce au fost prelucrate şi transmise cadrelor medicale, datele pot fi utilizate pentru optimizarea procedurilor de monitorizare şi tratament ale pacienţilor.


2

1.2 Sisteme de telemonitorizare La nivel internaţional, telemonitorizarea reprezintă o metodă viabilă, a cărui eficacitate a

fost probată de numeroase studii din care unele încă mai sunt în desfăşurare. În prezent există numeroase sisteme de telemonitorizare, cu diferite complexităţi. Astfel

de sisteme sunt implementate cu precădere în ţările avansate economic şi tehnologic deoarece acestea dispun de potenţialul economic şi tehnologic necesar şi, poate mai important, au nevoie de asemenea sisteme având un procent din populaţie din ce în ce mai mare în situaţia de a necesita astfel de îngrijiri.

În continuare se prezintă câteva asemenea sisteme, cu titlu de exemplu. Sistemul EPI-MEDICS (Enhanced Personal, Intelligent and Mobile System for Early

Detection and Interpretation of Cardiological Syndromes), realizat în colaborare de cercetatori din Franţa, Italia şi Suedia între anii 2001 – 2004, a avut ca scop dezvoltarea unui dispozitiv pentru telemonitorizare a semnalului ECG numit PEM (Personal ECG Monitor) pentru detecţia diferitelor afecţiuni cardiologice (de tipul aritmiilor cardiace) [Rubel 2004].

Dispozitivul PEM achiziţionează 3 canale ECG timp de 10 secunde, reconstruieşte cele 12 derivaţii standard ale ECG folosind un algoritm bazat pe reţele neuronale artificiale şi memorează valorile numerice ale semnalului ECG împreuna cu datele personale ale pacientului pe un card personal (de tip SmartCard) în dispozitivul PEM [Rubel 2005].

Semnalul ECG este apoi prelucrat şi funcţie de rezultate se activează (sau nu) alarmele. Dacă alarma are nivel ridicat de importanţă ea este transmisă automat către cel mai apropiat centru de urgenţă, în caz contrar aceasta fiind transmisă către un server web. Este anunţat medicul curant printr-un SMS şi un email, trimise automat de server [Gouaux 2002].

Datele şi alarmele de la pacient sunt transmise spre serverele de telemonitorizare/centrele de urgenţă prin intermediul Bluetooth (către telefonul mobil) şi de acolo mai departe prin GSM/GPRS.

Cel mai cunoscut sistem de telemonitorizare, CodeBlue este un sistem bazat pe reţele de senzori wireless, cu capabilitate de comunicare radio. Senzorii permit transmisia de date pe distanţe care pot ajunge la 100m şi pot transmite aceste informaţii diferitelor dispozitive: PDA-uri, laptop-uri, terminalelor ambulanţelor etc. Aceşti senzori pot fi programaţi să proceseze semnele vitale, de exemplu să alarmeze atunci când parametrii vitali nu sunt în limitele de normalitate [CodeBlue].

În cadrul proiectului au fost realizate o serie de dispozitive pentru prelevarea parametrilor pacientului cum ar fi: saturaţia oxigenului din sânge, semnalului ECG pe două canale, EMG etc. Aceste dispozitive sunt realizate cu microprocesoare din familiile Atmel (Atmega128L) sau Texas Instruments (seria MSP430) şi circuite de radiofrecvenţă de tipul Chipcon (CC2420), au o memorie internă de dimensiuni reduse (4 – 10Kb) şi sunt capabile să transmită datele cu maximum 80Kbit/s.

În cadrul proiectului AMON (Advanced Care and Alert Portable Telemedical MONitor) realizat în Israel între anii 2001 – 2002 s-a pus la punct o brăţară (wrist-mounted monitoring device) cu biosenzori pentru monitorizarea parametrilor vitali de tipul ritmului cardiac, semnalului ECG pe două canale, presiunii arteriale, saturaţiei oxigenului din sânge, temperaturii corpului, cu posibilitatea transmiterii datelor prin GSM/GPRS către centrul de telemedicină [Anliker 2004].

Proiectul MobiHealth, dezvoltat în Germania, în cadrul programului FP5 între anii 2002 – 2003, a avut ca scop dezvoltarea unui sistem de telemonitorizare bazat pe reţele de senzori (BAN – Body Area Network) ataşaţi pacientului care achiziţionează şi transmit date continuu către un PDA. Senzorii ce formează reţeaua achiziţionează un canal ECG sau saturaţia oxigenului din sânge, transmit datele PDA-ului folosind protocolul wireless


3

Bluetooth, şi de la acesta mai departe către centrul de telemonitorizare prin GPRS/UMTS [M-Health 2006].

La nivel naţional telemonitorizarea reprezintă o tehnologie de interes medical pentru toate centrele din România capabile să ofere suportul tehnic necesar.

Un proiect naţional, CardioNET (Sistem Integrat pentru Supraveghere Continuă în Reţea Inteligentă e-Health a Pacienţilor cu Afecţiuni Cardiologice) este centrat pe telemonitorizarea pacienţilor cu afecţiuni cardiace (cardiopatie ischemică, tulburări de ritm), dorind să realizeze o optimizare a schimbului de informaţii între pacient, medic de familie, policlinică, spital, casa de asigurări de sănătate şi o cunoaştere exactă a antecedentelor medicale, a tratamentelor şi a evoluţiei acestor patologii.

Arhitectura sistemului CardioNET este una de tip distribuit, compusă din mai multe servere de baze de date, terminale de acces şi echipamente medicale mobile interconectate prin Internet. Între serverele de baze de date exista un protocol de comunicaţie pentru schimbul de informaţii administrative (nume, vârsta, CNMP, adresa, etc.) şi medicale (tratamente anterioare) referitoare la pacienţi. Datele despre un pacient sunt replicate pe mai multe servere, mărind astfel fiabilitatea sistemului [Cardionet].

Structura multinivel a sistemului CardioNET este implementată pe patru nivele: infrastructura de comunicaţie (Internet şi Intranet), serverele de baze de date, procedurile de prelucrare, interogare şi acces securizat la date, interfeţele de achiziţie de date, generare de documente medicale şi de acces interactiv la informaţii medicale.

Interfeţele de achiziţie a datelor de la pacient sunt de două tipuri: interfeţe pentru operator uman şi interfeţe pentru dispozitive de analiză. În primul caz, operatorul (pacient, asistentă sau medic), introduce date medicale despre pacient folosind formulare (pagini web) predefinite. În cel de al doilea caz, datele sun preluate direct de la dispozitive prin intermediul conexiunilor seriale (RS232/USB) sau wireless (802.11/Bluetooth). Transmiterea datelor poate fi activată fie la o solicitare expresă a operatorului fie în mod automat atunci când echipamentul detectează o anumită situaţie critică.

Proiectul TELEASIS (Sistem complex, pe suport NGN pentru teleasistenţă la domiciliu a persoanelor în vârstă) vizează atât aspectul medical al telemonitorizării cât şi cel social, având drept scop obţinerea unor servicii personalizate pentru îngrijirea vârstnicului, reducerea cheltuielilor spitaliceşti şi o creştere a preponderenţei îngrijirii la domiciliu [TELEASIS].

Componenta hardware a sistemului constă din realizarea unui modul individualizat de teleasistenţă, ca interfaţă pentru dispozitive medicale sau senzori de mediu utilizaţi pentru telemonitorizare, interfaţă cu suportul de comunicaţii, Internet, reţele fixe sau mobile, interfaţă pentru livrarea informaţiei către beneficiar pe suport PC sau PDA sau TV.

Sistemul MEDCARE este un sistem de monitorizare a activităţii cardiace, ce permite achiziţia şi transmiterea prin Internet a semnalelor ECG (12 derivaţii) şi analiza acestora în timp real. Semnale bioelectrice de la inimă sunt achiziţionate, comprimate, împachetate şi transmise către un server situat la centrul de telemonitorizare [Rotariu 2009].

Serverul asigură memorarea informaţiilor despre pacient în baza de date MySQL, precum şi stocarea semnalelor electrocardiografice; de asemenea, retransmite semnalele recepţionate on-line de la unităţile de achiziţie sau pe cele anterior memorate.

Aplicaţia client ce rulează pe calculatorul medicului specialist (bazată pe Java Swing), afişează într-o formulă grafică semnalele ECG primite de la server. De asemenea, aplicaţia conţine instrumente de măsurare a amplitudinilor şi duratelor ce permit medicului să efectueze analiza morfologică a semnalelor ECG.

Sistemul a fost realizat de firma Romsoft SRL din Iaşi şi realizat în 2002, prin finanţare în PC5 al U.E.


4

Sistemul TELMES reprezintă o platformă multimedia pentru teleservicii medicale complexe. S-a urmărit dezvoltarea unui sistem securizat, destinat implementării teleserviciilor de consultaţie medicală şi telemonitorizare [Puscoci 2006].

Proiectul a fost finalizat cu un model pilot pentru o reţea de centre regionale, la care sunt conectate telecentre locale, având ca suport o platformă multimedia, care permite implementarea de teleservicii medicale complexe, în scopul creşterii posibilităţilor de acordare a asistenţei medicale pentru o categorie largă de pacienţi, mai ales a celor din zone rurale sau izolate.

În concluzie, din analiza sistemelor de telemonitorizare prezentate, se pot trage următoarele concluzii:

• majoritatea sistemelor monitorizează parametrii vitali de tipul: ritm cardiac, saturaţie de oxigen din sânge şi presiune arterială, puţine îşi propun monitorizarea ritmului respirator sau a temperaturii corpului;

• unele din sistemele de telemonitorizare folosesc pentru prelevarea parametrilor fiziologici o reţea de senzori şi traductori, altele folosesc doar un singur dispozitiv;

• unele din sistemele de telemonitorizare prezentate folosesc doar pentru alarmare, altele au intergraţi algoritmi evoluaţi de procesare a semnalelor în vederea clasificării acestora;

• majoritatea sistemelor prezentate folosesc pentru transmisia parametrilor monitorizaţi de la dispozitivele de prelevare la centrul de telemonitorizare Internet-ul (prin Ethernet, WiFi sau GSM/GPRS);

• nici unul din sistemele prezentate nu îşi propune elaborarea unui diagnostic pentru pacientul monitorizat.

1.3 Structura lucrării Lucrarea este structurată pe şase capitole, după cum urmează: În Capitolul I, intitulat „Telemonitorizarea”, sunt prezentate noţiuni generale de

telemonitorizare a parametrilor vitali, realizându-se şi o analiză documentată a stadiului actual al domeniului. De asemenea, se prezintă soluţii tehnice de sisteme integrate de telemonitorizare pe plan internaţional şi naţional.

Capitolul II, intitulat „Arhitecturi de sisteme înglobate utilizate în telemonitorizare”, descrie suportul hardware necesar realizării aplicaţiilor de monitorizare. Sunt prezentate structurile de bază folosite la achiziţia semnalelor biomedicale şi calculul parametrilor vitali, sunt descrise pe scurt câteva clase de sisteme înglobate şi, în final, sunt prezentate o serie de dispozitive cu care se realizează monitorizarea parametrilor vitali.

Capitolul III, intitulat „Reţele de senzori cu comunicaţie radio”, prezintă modalităţi de realizare a comunicaţiei wireless şi transmisie a semnalelor biomedicale. Sunt descrise standardele care stau la baza transmisiei radio, sunt prezentate soluţii tehnice pentru realizarea comunicaţiei radio, şi, în final, este prezentat un exemplu de reţea de senzori wireless pentru telemonitorizarea temperaturii.

Capitolul IV, intitulat „Prelucrarea şi analiza semnalelor ECG”, prezintă metode numerice de prelucrare a semnalelor ECG şi extragerea parametrilor morfologici. Sunt descrise metode de achiziţie şi filtrare digitală a semnalelor ECG, metode de prelucrare a semnalelor ECG în scopul detecţiei complexelor QRS (depolarizare ventriculară) şi a undelor T (repolarizare ventriculară) şi P (depolarizare atrială). Este prezentată o analiză comparativă a algoritmilor de detecţie a complexelor QRS din punct de vedere a performanţelor acestora. Sunt descrişi în detaliu doi algoritmi de detecţie a complexelor QRS, din care unul operează în timp real. În final sunt descrise două metode de clasificare automată a semnalelor ECG din literatură.


5

Capitolul V, intitulat „Sisteme integrate de telemonitorizare“, prezintă contribuţia autorului la proiectarea şi implementarea sistemelor integrate de telemonitorizare. Sunt prezentate două sisteme de telemonitorizare a semnalului ECG, pentru care transmisia acestuia se realizează prin intermediul undelor radio sau Internet, un sistem de comunicare cu persoane cu handicap neuro-locomotor şi un sistem de telemonitorizare a parametrilor vitali (ECG, SpO2, presiune arterială, temperatură) bazat pe un sistem înglobat. În final, autorul a propus, implementat şi testat o arhitectură de sistem de telemonitorizare a parametrilor vitali (ECG, SpO2, ritm respirator, presiune arterială şi temperatură) bazat pe senzori cu comunicaţie wireless.

Ultimul capitol al lucrării, Capitolul VI, prezintă concluziile ce rezultă în urma cercetărilor efectuate, precum şi direcţiile de cercetare viitoare.

1.4 Diseminarea rezultatelor Diseminarea rezultatelor cercetării se regăsesc în mare parte în cele 2 cărţi de specialitate

şi 36 de lucrări ştiinţifice astfel: • 2 cărţi de specialitate tipărite la editura “Gr. T. Popa” Iaşi (recunoscută CNCSIS); • 2 lucrări cotate ISI (factor de impact 0.373) din care una este în curs de apariţie; • 5 lucrări publicate în volumele unor conferinţe internaţionale indexate ISI; • 4 lucrări publicate în reviste de specialitate categoria B+ (indexate BDI); • 3 lucrări publicate în reviste de specialitate de circulaţie naţională; • 16 lucrări publicate în volumele unor manifestări ştiinţifice internaţionale recunoscute

din ţară şi străinătate; • 4 lucrări publicate în volumele unor manifestări ştiinţifice naţionale; • 2 lucrări prezentate la seminarii/expoziţii. Cercetările efectuate ce au condus la elaborarea acestei lucrări au fost finanţate din 4

contracte de cercetare, unul internaţional în PC5 (Program Cadru 5 al UE), unul naţional de tip CEEX (Modulul I), unul naţional de tip CEEX (Modulul II) şi unul naţional de tip PNCDI II.

Lista detaliată a acestora este prezentată în secţiunea următoare.

I. Cărţi de specialitate publicate în edituri recunoscute [Cb1] H. Costin, C. Rotariu, Electronica medicală - o abordare practică – Vol. I, Editura

“Gr. T Popa” UMF Iaşi, 2009, ISBN 978-606-544-010-4 [Cb2] C. Rotariu, Sisteme de telemonitorizare a parametrilor vitali, Editura “Gr. T Popa”

UMF Iaşi, 2009, ISBN 978-606-544-011-1 II. Articole/studii publicate în reviste de specialitate de circulaţie internaţională recunoscute [Ri1] C. Rotariu, V. Manta and H. Costin, Patient Monitoring Using a Low Power Wireless

Personal Area Network of Sensors, Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, Tomul LVI (LX), Fasc. 1, 2010, AUTOMATIC CONTROL and COMPUTER SCIENCE Section, pp. 73-87, 2010, ISSN: 1220 – 2169 (cat. B+ indexare BDI)

[Ri2] C. Rotariu, H. Costin, D. Arotăriţei and B. Dionisie, A Wireless ECG Module for Personal Area Network, Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, Tome LIV (LVIII), Fasc. 1, AUTOMATIC CONTROL and COMPUTER SCIENCE Section, pp. 45-54, 2008, ISSN 1220 – 2169 (cat. B+ indexare BDI)


6

[Ri3] C. Rotariu, H. Costin, S. Puscoci, G. Andruseac and C. Costin, An Embedded Wireless Module for Telemonitoring, Acta Electrotehnica, Vol. 48, Nr. 4, pp. 103-106, Technical University of Cluj-Napoca, 2007 (cat. B+ indexare BDI)

[Ri4] H. Costin, C. Rotariu, et al., MEDCARE - sistem pentru telemonitorizare cardiologică prin Internet, Revista Medico-Chirurgicală, Iaşi, Vol. 107, No. 3, Supl. 1, pp. 528-533, 2003 (cat. B+ indexare BDI)

III. Articole/studii publicate în volumele unor manifestări ştiinţifice internaţionale recunoscute din ţară şi străinătate [Vi1] C. Rotariu, H. Costin, Ioana Alexa, Gladiola Andruseac, V. Manta, B. Mustata, E-

health System for Medical Telesurveillance of Chronic Patients, Proc. of Int. Conference on Computers, Communications & Control, ICCCC 2010, May 12-16, 2010, Oradea, va aparea în Suppl. Issue - ICCCC 2010 (cotată ISI 0.373)

[Vi2] C. Rotariu, H. Costin, R. Ciobotariu, F. Adochiei, I. Amariutei, and Gladiola Andruseac, TELEMON - An Embedded Wireless Monitoring and Alert System for Homecare, MEDICON 2010, IFMBE Proceedings 29, pp. 875–878, 2010, Porto Carras, Greece, ISBN: 978-3-642-13038-0

[Vi3] H. Costin, C. Rotariu, et al., Real Time Telemonitoring of Medical Vital Signs, Recent Advances in Biomedical Electronics and Biomedical Informatics, Proc. of the 2nd WSEAS Int. Conf. on Biomedical Electronics and Biomedical Informatics-BEBI'09, Moscow, Russia August 20-22, pp. 127-135, 2009 ISBN: 978-960-474-110-6 (indexată ISI)

[Vi4] H. Costin, C. Rotariu, et al., TELEMON – Complex System for Real Time Medical Telemonitoring of Vital Signs, Advancements of Medical Bioengineering and Informatics, Proc. of the International Conference on e-Health and Bioengineering - EHB 2009, pp.17-23, 2009, ISSN 2066-7590

[Vi5] I. Amariutei, C. Rotariu, H. Costin, et al., A Reliable Fall Detection Module for Telemonitoring of Elderly People, Advancements of Medical Bioengineering and Informatics, Proc. of the International Conference on e-Health and Bioengineering - EHB 2009, pp.132-136, 2009, ISSN 2066-7590

[Vi6] R. Ciubotaru, F. Adochiei, C. Rotariu, et al., A Low Power Wireless Breathing Module for Personal Area Network, Advancements of Medical Bioengineering and Informatics, Proc. of the International Conference on e-Health and Bioengineering - EHB 2009, pp.190-193, 2009, ISSN 2066-7590

[Vi7] C. Rotariu, H. Costin, D. Arotaritei, Gina. Constantinescu, A Low Power Wireless Personal Area Network for Telemedicine, Proc. of the European Congress on Biomedical Engineering, MBEC 2008, Antwerpen, Nov. 2008, Vol. 22, pp. 982-985, ISBN 978-3-540-89207-6

[Vi8] H. Costin, V. Cehan, C. Rotariu, et. al., Telemon – A Complex System for Real Time Telemonitoring of Chronic Patients and Elderly People, Proc. of the European Congress on Biomedical Engineering, MBEC 2008, Antwerpen, Nov. 2008, Vol. 22, pp. 1002-1005, ISBN 978-3-540-89207-6

[Vi9] H. Costin, C. Rotariu, et al., Complex Telemonitoring of Patients and Elderly People for Telemedical and Homecare Services, in New Aspects of Biomedical Electronics and Biomedical Informatics, Proc. of the Int. Conf. Biomedical Electronics and Biomedical Informatics-BEBI'08, Rodos Island, Greece, August 2008, pp. 183-187, ISBN: 978-960-6766-93-0 (indexată ISI)

[Vi10] C. Rotariu, H. Costin, V. Cehan and O. Morancea, A Communication System With Severe Neuro - Locomotor Handicapped Persons, New Aspects of Biomedical Electronics and Biomedical Informatics, Proc. of the Int. Conf. Biomedical Electronics


7

and Biomedical Informatics-BEBI'08, Rodos Island, Greece, August 2008, pp. 145-149, ISBN: 978-960-6766-93-0 (indexată ISI)

[Vi11] H. Costin, V. Cehan, V. Felea, C. Rotariu, et al., Complex Telemonitoring of Patients and Elderly People using Internet and Mobile Technology, Proc. of CONTI’2008, the 8th International Conference on Technical Informatics, Vol.1, Editura Politehnica, Timisoara, Romania, pp. 153-156, June 2008

[Vi12] C. Rotariu, H. Costin, Octavia Morancea, C. Costin, Real Time ECG Signal Analysis Using Digital Filters and Domain Knowledge, Proceedings of ECIT2008 – 5th European Conference on Intelligent Systems and Technologies, Iasi, Romania, July 2008, on CD

[Vi13] H. Costin, Octavia Morancea, V. Cehan, C. Rotariu, et al., Telemon – Romanian Experience for Real Time Telemonitoring of Chronic Patients and Elderly People, Proc. of p-Health 2008 - International Workshop on Wearable, Micro and Nano Technologies for the Personalised Health, Valencia, Spain, May 2008, on CD

[Vi14] H. Costin, V. Cehan, V. Felea, Florina Ungureanu, C. Rotariu, et al., Telemon – Integrated System for Real Time Telemonitoring of Patients and Elderly People, the Ukrainean Journal of Telemedicine and Medical Telematics, vol. 6, No.1, pp. 71-75, 2008

[Vi15] C. Rotariu, R. Lupu, H. Costin, B. Dionisie, An Ultra Low Power Monitoring Device for Telemedicine, Revista Medico-Chirurgicala, vol. 111, No. 2, Supplement 2 - Proc. of EHB 2007 – Symposium on E-Health and Bioengineering, Iaşi, 2007, pp. 168-172

[Vi16] H. Costin H., V. Cehan, C. Rotariu et al, TELPROT - Communication System with Persons Having a Major Neuro-Locomotor Handicap, Proc of. EHB 2007, – Symposium on E-Health and Bioengineering, pp. 67-70, Iasi, 2007

[Vi17] C. Rotariu, H. Costin, S. Puscoci, G. Andruseac, and C. Costin, An Internet Embedded Monitoring Unit for Telemedicine Services, Proc. of EMMIT2007, Euro-Mediterranean Medical Informatics and Telemedicine 3rd International Conference, pp. 176-180, 3-5 May, Mangalia, 2007

[Vi18] S. Puscoci, H. Costin, C. Rotariu, B. Dionisie, and F. Serbanescu, TELMES – Regional Medical Telecentres, Proc. of XVII Int. Conference on Computer and Information Science and Engineering, ENFORMATIKA 2006, pp. 243-246, Dec. 2006, Cairo, Egipt, ISSN 1305-5313 (indexată ISI)

[Vi19] H. Costin, S. Puscoci, C. Rotariu, B. Dionisie, Roxana Ciofea, Telemonitoring System for Telemedicine Services, in Integrating Biomedical Information: from e-Cell to e-Patient, IOS Press, Amsterdam, pp. 161-164, 2006

[Vi20] H. Costin, S. Puscoci, C. Rotariu, B. Dionisie, and M. Cimpoesu, A Multimedia Telemonitoring Network for Healthcare, Proc. of XVII Int. Conference on Computer and Information Science and Engineering, ENFORMATIKA 2006, pp. 113-118, Dec. 2006, Cairo, Egipt, ISSN 1305-5313 (indexată ISI)

[Vi21] H. Costin, C. Rotariu, B. Dionisie, R. Ciofea, S. Puscoci, Telemonitoring System for Complex Telemedicine Services, Proc. of Int. Conference on Computers, Communications & Control, ICCCC 2006, Suppl. Issue - ICCCC 2006, pp. 150-155, June 1-3, 2006, Oradea, ISSN 1841-9836 (cotată ISI 0.373)

[Vi22] H. Costin, C. Rotariu, Anca Lazar, MEDCARE - A telemedicine system for heart monitoring using embedded technologies and Internet, Proc. of EMBEC´02, 2nd European Medical & Biological Engineering Conf., Vienna, pp. 1364-1365, 2002

[Vi23] H. Costin, C. Rotariu, Anca M. Lazăr, Real-time ECG telemonitoring using Internet connectivity, Proc. of INGIMED-2001 (The 2nd Int. Conf. on Biomedical Engineering), Bucharest, pp. 71-77, 2001


8

IV. Articole/studii publicate în reviste de specialitate de circulaţie naţională recunoscute [Rn1] C. Rotariu, H. Costin, Al. Bârleanu, Telemed-R: a real time ECG telemonitoring

system using radio waves, Craiova Medicală Journal, Vol. 5, Suppl. 3, Craiova, Romania, pp. 485 - 488, 2003, ISSN:1454-6876

[Rn2] H. Costin, C. Rotariu, Al. Bârleanu, An embedded telemetry system for the web-based ECG transmission, Craiova Medicala Journal, Vol. 5, Suppl. 3, Craiova, Romania, pp. 489-492, 2003

[Rn3] H. Costin, Al. Bârleanu, C. Rotariu, Anca Lazăr, MEDCARE – Sistem de telemedicină bazat pe conectivitate Internet, RAM-Medica, Anul V, Nr. 4, pp. 5-6, 2003

V. Articole/studii publicate în volumele unor manifestări ştiinţifice naţionale [Vn1] H. Costin, S. Puscoci, C. Rotariu, B. Dionisie, R. Ciofea, A Multimedia Network for

Complex Telemedicine Services, University of Pitesti - Scientific Bulletin, pp. 6 – 12, 2006, ISSN 1453-1119

[Vn2] C. Rotariu, H. Costin, Morphological Analysis of ECG Signal using Digital Filters, University of Pitesti - Scientific Bulletin, pp. 6 – 12, 2006, ISSN 1453-1119

[Vn3] H. Costin, C. Rotariu, Al. Bârleanu, Telemedicina în România – de la discuţii la practică: MEDCARE - sistem de telemonitorizare cardiologică prin Internet, volumul Conferinţei Naţionale “Managementul informaţiei şi informatizarea sistemului de sănătate”, CJAS Iaşi, Iaşi, pp. 202-207, 2004

[Vn4] C. Rotariu, H. Costin, Telemed-R, sistem de telemonitorizare ECG folosind unde radio, volumul Conferinţei Naţionale “Managementul informaţiei şi informatizarea sistemului de sănătate”, CJAS Iaşi, Iaşi, pp. 208-212, sept. 2004

VI. Lucrări prezentate la diferite seminarii/expoziţii, inovaţii [E1] H. Costin, C. Rotariu, Al. Bârleanu, MEDCARE - Sistem de Telemonitorizare

Cardiologică prin Internet, conferinţă invitată la Atelierul “MedIT – Progrese ale Tehnologiei Informaţiei şi Comunicaţiei în Educaţia Medicală”, U.M.F. Cluj-Napoca, oct. 2004

[E2] H. Costin, S. Puscoci, C. Rotariu et al., TELMES - a Multimedia Network for Complex Telemedicine Services in Romania, Proc. of TeleMed & eHealth ’07/Journal of Telemedicine and Telecare (JTT), The Royal Society of Medicine of the United Kingdom, London, Nov. 2007

VII. Proiecte de cercetare-dezvoltare pe bază de contract/grant (membru în echipa de cercetare)

[P1] “MEDCARE – Internet for e-Health”, sistem de telemedicină pentru achiziţia, transmisia şi analiza electrocardiogramei prin Internet (proiect finanţat în Programul Cadru 5 al U.E., (www.euroines.com), INES 2001-32316, 2002-2003

[P2] “Sistem de comunicare cu persoane cu handicap neuro-locomotor major TELPROT” , Grant Nr. 69 CEEX II-03/28.07.2006, subcontract 8758/03.08.2006, 2006-2008

[P3] “TELMES- Platforma multimedia pentru implementarea teleserviciilor medicale complexe”, Grant Nr. 26/10.10.2005 tip CEEX I, subcontract 604/645/21.10.2005 cu UMF Iasi, 2005-2007

[P4] “TELEMON – Sistem integrat de telemonitorizare în timp real a pacienţilor şi persoanelor în vârstă”, Contract tip PNCDI II, Nr. 11-067/18.09.2007 cu M.Ed.C.T. – CNMP, 2007-2010

Capitolul II: Arhitecturi de sisteme înglobate pentru telemonitorizare

9

CAPITOLUL II

ARHITECTURI DE SISTEME ÎNGLOBATE PENTRU TELEMONITORIZARE

2.1 Parametri vitali şi semnale electrofiziologice Literatura de specialitate [Stewart 2003] [Roberts 2004] [Boros 2007] [Varshney 2009]

propune spre monitorizare o serie de parametri fiziologici, alegere ce diferă în funcţie de patologii, posibilităţi tehnice şi financiare. Dintre aceştia, vor fi menţionaţi cei consideraţi relevanţi pentru afecţiunile frecvent telemonitorizate.

Termenul “parametri vitali” se referă la măsurarea ritmului cardiac, a frecvenţei

respiratorii, a presiunii arteriale, a temperaturii corpului şi a saturaţiei oxigenului din sânge, deoarece aceste mărimi sunt vitale organismului uman [Yang 2008]. În afară de aceştia mai sunt monitorizaţi şi alţii, care nu sunt consideraţi vitali (de ex. concentraţia de glucoză din sânge).

Ritmul cardiac (pulsul) este un parametru fiziologic frecvent utilizat în telemonitorizare deoarece permite o evaluare a stării generale a pacientului, tulburările de ritm cardiac fiind înregistrate prompt, iar variaţiile putând fi uşor diferenţiate între anormale/normale. Parametrul a fost utilizat în studii şi proiecte de cercetare, oferind indicaţii asupra funcţiei cardiovasculare.

Prelevarea pulsului se realizează automat cu dispozitive ce utilizează frecvent ca metodă de măsurare pletismografia fotoelectrică la nivelul unei artere periferice.

Frecvenţa respiratorie este un alt parametru utilizat mai rar datorită dificultăţilor tehnice de înregistrare.

Utilitatea măsurării frecvenţei respiratorii este reprezentată de posibilitatea detectării unor disfuncţii respiratorii sau a unor insuficienţe primare sau secundare unei alte afecţiuni (afecţiuni cardiace congenitale).

Presiunea arterială reprezintă un parametru evaluat frecvent (pe cale non-invazivă) deoarece se face cu uşurinţă şi oferă date relevante asupra activităţii cardiace. Este un parametru utilizat în multe sisteme de telemonitorizare, existând pe piaţă variate modele de aparate utilizabile la domiciliu pentru prelevarea presiunii arteriale.

O monitorizare continuă a valorilor presiunii arteriale oferă o acurateţe diagnostică net superioară înregistrărilor realizate ocazional, o dată cu internarea/controlul medical al pacientului. Mai mult, această înregistrare permite diagnosticarea exactă a tipului de hipertensiune, titrarea medicaţiei antihipertensive şi controlul hipotensiunii cu medicaţie.

Temperatura corpului este frecvent măsurată de pacienţi la domiciliu, în special în cazul unor stări febrile sau a unor stări hipotermice. Cu toate acestea, ea este măsurată sporadic, iar pacienţii nu ştiu întotdeauna când este momentul ideal de a evalua acest parametru.

Monitorizarea temperaturii corelată cu simptomele asociate ajută medicul în stabilirea corectă a diagnosticului.

Saturaţia oxigenului din sânge (SpO2) reprezintă un indicator global de oxigenare a sângelui (cantitatea de oxigen legată de hemoglobină în sângele arterial), fiind utilizat în monitorizarea cardiovasculară şi respiratorie, în timpul anesteziei şi terapiei intensive, sau în resuscitare.

Numeroase aparate comercializate realizează concomitent prelevarea SpO2 şi a pulsului.


10

Semnalele electrofiziologice sunt disponibile fie direct ca variaţie electrică detectabilă cu electrozi (semnale electrofiziologice), fie sub forma variaţiei altei mărimi neelectrice (semnale fiziologice de altă natură), transformată în semnal electric cu ajutorul unui traductor (Figura 2.1.1).

Figura 2.1.1 – Sistem de instrumentaţie biomedicală

Arhitectura generală a unui sistem de instrumentaţie biomedicală, ilustrată în

Figura 2.1.1, cuprinde: electrozi/traductoare, etaje de amplificare şi filtrare a semnalelor analogice, convertoare A/D şi sistemul de prelucrare numerică (primară) a datelor.

În Tabelul 2.1.1 sunt sintetizate o serie dintre caracteristicile semnalelor electrofiziologice prelevate des la intrarea sistemului instrumentaţiei biomedicale.

Tabelul 2.1.1 – Caracteristici ale semnalelor electrofiziologice [Costin 2009b]

2.2 Amplificatoare de instrumentaţie Măsurătorile de precizie care necesită amplificarea unor semnale de nivel foarte redus, în

prezenţa unor tensiuni de mod comun mari, impun utilizarea unor amplificatoare de mare performanţă.

Amplificatoarele de instrumentaţie sunt amplificatoare diferenţiale cu CMRR (factor de rejecţie a modului comun) de valori foarte mari, impedanţă de intrare mare şi amplificarea


11

foarte precisă, eventual reglabilă în trepte. Configuraţia lor este aceeaşi şi poate fi realizată cu componente discrete şi AO sau circuite integrate specializate.

Parametrii lor garantează performanţe deosebite într-o gamă mare de variaţie a amplificării A = 1÷1000, deriva termica de maxim 0.5μV/˚C, CMRR = 100÷120dB, neliniaritate sub 0.01%.

2.3 Zgomote şi artefacte

Orice semnal care afectează în mod nedorit un semnal util se numeşte zgomot. Zgomotul este considerat dăunător numai atunci când se suprapune şi se compune

(interferă) cu semnale utile. Funcţie de originea faţă de sistemul studiat, zgomotele se clasifică în: zgomot extern şi

zgomot intern. Zgomotul extern are drept cauză interacţiunea, de natură electrică, magnetică sau

electromagnetică nedorită dintre un circuit (sau un element de circuit) şi mediul exterior. O altă sursă de zgomot extern o constituie etajele de alimentare a circuitelor electronice, precum şi legătura la masă. Efectul zgomotului extern poate fi micşorat prin: ecranare electrostatică şi electromagnetică, plasarea corectă în spaţiu a diferitelor componente electronice şi fire de legătură, eliminarea buclelor de masă, filtrarea, decuplarea, gardarea sau utilizarea surselor de alimentare cu zgomot redus.

Zgomotul intern este zgomotul produs în interiorul sistemului (circuitului). Poate fi datorat componentelor interne sistemului (de ex. zgomot termic, de alice, de licărire, de avalanşă) sau funcţionarii dispozitivelor active/circuitelor (de ex. la comutaţia circuitelor digitale).

Indicatorul pentru calitatea semnalului în prezenţa zgomotului este raportul

semnal – zgomot (S/N) adică raportul dintre puterea semnalului util (Ps) şi puterea zgomotului (Pz) calculate sau măsurate în acelaşi moment şi în acelaşi punct, al unui lanţ de prelucrare de semnal.

Indicatorul S/N este definit conform relaţiei:

z

s

z

s

z

s

dB II

UU

PP

NS lg20lg20lg10 === [dB] (2.3.1)

unde sU şi sI sunt valorile efective (tensiune şi curent) ale semnalului util, iar zU şi zI sunt valorile efective (tensiune şi curent) ale zgomotului.

Dintre zgomotele externe pot fi menţionate următoarele [Gligor 1988] [Strungaru 1982]: • zgomotul de reţea – de frecvenţă (50 Hz) şi armonicile sale, uzual de amplitudine

aproximativ 50% din amplitudinea vârf la vârf a semnalului; • semnale biomedicale de altă natură decât cel supus investigării – de exemplu cum ar

fi în cazul semnalului ECG zgomotele provenite de la muşchi (zgomot electromiografic, de frecvenţă max. 10KHz) sau respiraţie (de frecvenţă joasă 0.15 – 0.3Hz);

• zgomotul de contact electrozi – ţesut apare de obicei la întreruperea contactului dintre electrozi şi ţesut. Fluctuaţiile rapide ale potenţialului de electrod definesc zgomotul electrodului, iar cele lente deriva.

• artefactele de mişcare apar datorită modificării impedanţei electrod – ţesut odată cu mişcarea electrodului cauzată de mişcarea subiectului.

Dintre zgomotele interne pot fi menţionate următoarele: zgomotul termic zgomotul de licărire (flicker noise), zgomotul de alice şi zgomotul de avalanşă.


12

2.4 Filtre active cu amplificatoare operaţionale Filtrele active sunt circuite proiectate să atenueze/rejecteze selectiv anumite componente

spectrale ale unui semnal. Ideal un filtru ar trebui să transmită toate frecvenţele utile, fără atenuare şi defazaj, eliminând în acelaşi timp celelalte componente de frecvenţă considerate zgomote. În realitate însă este imposibil de obţinut un astfel de filtru şi se admite până la urmă compromisul dintre caracteristicile impuse de aplicaţia dată şi posibilităţile de realizare. Imperfecţiunile ce caracterizează un filtru activ sunt explicate prin faptul că atenuarea (în dB) în banda de trecere nu este de fapt nulă, iar tranziţia între banda de trecere şi banda de atenuare nu se face brusc, ci lent [Dragu 1981].

Realizarea filtrelor active cu amplificatoare operaţionale prezintă avantajul unei bune independenţe a caracteristicii de transfer de parametri elementelor active utilizate, respectiv de variaţia acestora la modificări ale mediului ambiant.

2.5 Sisteme înglobate utilizate în telemonitorizare Un sistem înglobat (Embedded System) este un sistem pe bază de

microprocesor/microcontroler pentru a realiza anumite funcţii particulare, adesea cu constrângeri temporale (timp real).

Sistemele înglobate sunt întâlnite în majoritatea echipamentelor electrocasnice, în echipamentele de telecomunicaţie, în echipamente de conducere industriale, în industria auto şi cea medicală.

Arhitectura tipică a unui sistem de telemonitorizare bazat pe un sistem înglobat este prezentată în Figura 2.5.1.

Figura 2.5.1 – Schema bloc a unui sistem înglobat pentru telemonitorizare

Aplicaţia care rulează pe un astfel de sistem achiziţionează semnalele de la pacient, le

transmite mai departe către centrul de telemonitorizare, calculează parametrii specifici monitorizării şi alarmează centrul în cazul în care parametrii monitorizaţi depăşesc anumite limite.

2.6 Monitorizarea semnalelor ECG Monitorizarea ambulatorie (24/48h) a semnalului ECG oferă medicului informaţii despre

funcţionarea inimii pe durate de timp mai mari decât în cadrul unei consultaţii de rutină. Astfel sunt surprinse toate situaţiile care apar în decursul unei zile.

Înregistrarea se face prin intermediul unor electrozi montaţi pe corpul pacientului conectaţi la un dispozitiv de înregistrare (denumit Holter) prins la şold.


13

Utilitatea monitorizării acestui parametru constă în diagnosticare, prevenţie, evaluarea pe termen lung (pentru afecţiuni care nu pot fi depistate pe înregistrări sporadice) sau în stabilirea medicaţiei administrate unor pacienţi cu tulburări cardiace.

Din punct de vedere medical monitorizarea semnalelor ECG este recomandată: • pentru diagnosticarea şi evaluarea severităţii aritmiilor cardiace şi a tulburărilor de

conducere care sunt intermitente şi nu sunt surprinse în timpul unei electrocardiograme obişnuite;

• în cazul în care pacientul prezintă simptome de palpitaţii şi pierderi de cunoştinţă; • pentru evaluarea eficienţei tratamentului antiaritmic; • pentru diagnosticarea ischemiei silenţioase (care produce modificări

electrocardiografice, dar nu este însoţită de durere). 2.6.1 Măsurarea vectorului cardiac Electrocardiografia analizează variaţiile în timp ale proiecţiilor vectorului cardiac în trei

plane ortogonale: frontal, transversal şi sagital. În plan frontal în ECG se folosesc culegeri ale semnalului pe trei direcţii care formează

un triunghi echilateral (triunghiul lui Einthoven din Figura 2.6.1). Semnalele măsurate pot fi bipolare (amplificatorul preia semnale pe ambele intrări) sau unipolare.

Derivaţiile bipolare (periferice) sunt notate cu DI, DII şi III. Amplificatorul ECG amplifică diferenţa semnalelor culese între mâna dreaptă (RA – Right Arm, mâna stângă (LA – Left Arm) şi piciorul stâng (LL – Left Leg) astfel: DI = LA – RA, DII = LL – RA, DIII = LL – LA.

Derivaţiile unipolare sunt notate cu VR, VL şi VF şi reprezintă variaţiile în timp ale potenţialelor mâinilor dreapta, stânga şi piciorului stâng faţă de un potenţial de referinţă. Electrodul pozitiv (+) este unul din cei trei electrozi periferici, iar electrodul de referinţă (–) rezultă prin însumarea potenţialelor celorlalţi doi (metoda Goldberger).

Măsurările amplificate (aVR, aVL şi aVF) au amplitudini cu 50% mai mari decât cele normale şi consideră ca referinţă media potenţialelor celorlalte două extremităţi.

Relaţiile între culegerile bipolare şi cele unipolare amplificate sunt [Costin 2000]:

2,

2,

2IIIIIaVFIIIIaVLIIIaVR +

=−

=+

−= (2.6.1)

În plan transversal sunt standardizate derivaţiile precordiale V1 – V6 (Figura 2.6.1.b). Acestea sunt tot unipolare, electrodul explorator fiind plasat pe torace, în spaţiile intercostale, iar potenţialul de referinţă (Wilson) este cel mediu al mâinilor dreapta, stânga şi al piciorului stâng.

Proiecţiile în planul sagital nu se folosesc în monitorizare. Ele sunt unipolare şi implică introducerea electrodului cald prin cateterism în esofag, ceea ce constituie o metoda invazivă şi neplăcută.

a) b)

Figura 2.6.1 – a) Triunghiul lui Einthoven b) Derivaţii ECG în plan frontal şi transversal


14

2.6.2 Dispozitiv de monitorizare a ECG

Dispozitivele de monitorizare a ECG folosesc pentru achiziţie două, trei sau toate douăsprezece derivaţii ale ECG.

Figura 2.6.2 – Schema bloc a dispozitivului de monitorizare a ECG Dispozitivul de monitorizare prezentat sub forma schemei bloc din Figura 2.6.2 reprezintă

un dispozitiv de achiziţie şi stocare a ECG pentru nouă derivaţii (derivaţiile bipolare DI, DII şi DIII şi derivaţiile precordiale V1 – V6). Cele trei derivaţii unipolare amplificate aVR, aVL şi aVF nu sunt achiziţionate, ele putând fi calculate cu relaţiile 2.6.1.

Dispozitivul de monitorizare înregistrează semnalele ECG timp de 24/48 de ore pe un suport nevolatil de tip Multimedia Card (MMC). După efectuarea înregistrării, acesta este scos, introdus într-un calculator de tip PC, iar datele sunt descărcate şi prelucrate. Prelucrarea datelor constă de obicei în analiza automată a ECG pe toate derivaţiile şi identificarea unor tipuri de aritmii cardiace.

2.7 Monitorizarea saturaţiei de O2

Monitorul de SpO2 (pulsoximetru) măsoară neinvaziv concentraţia de O2 din sânge (O2 în sânge este legat de hemoglobină şi numai o mică parte este dizolvat în plasmă). Principiul de funcţionare al pulsoximetrului se bazează pe spectrofotometrie de absorbţie (legea Beer-Lambert), măsurând modificările de absorbţie a luminii de către două forme de hemoglobină ( 2HbO – oxihemoglobina şi Hb – hemoglobina redusă).

Pulsoximetrul utilizează două surse de lumină: o sursă în spectrul infraroşu (IR – 910nm) şi o sursă în spectrul vizibil – roşu (R – 660nm) şi un fotoreceptor (diodă PIN). Sursele de lumină şi fotoreceptorul (senzorul optic) sunt montaţi într-un cuplu ce se ataşează la pulpa degetului sau lobul urechii. Cum absorbţia de fond a radiaţiei de către sângele venos, ţesutul subcutanat şi piele sunt practic constante, singura variabila este cantitatea de Hb (unda pulsatilă) din patul vascular [Chan 2005].

Figura 2.7.1 – Absorbţia luminii Figura 2.7.2 – Schema bloc a

de către cele două forme de Hb pulsoximetrului cu microcontroler

Repetoare

RA

LA

LL

V1

V6

Selector derivaţii

Amplificator

şi filtre

MCU

MMC Card


15

Măsurarea saturaţiei de oxigen se face în vârful undei pulsatile pentru a izola semnalul arterial [Kästle 1997].

[ ][ ] [ ]HbHbO

HbOSpO+

=2

22 [%] (2.7.1)

Pentru eliminarea efectelor produse de sângele venos sau alte ţesuturi, sunt măsurate diferenţele de absorbţie date de pulsul arterial raportate cele doua surse de lumină utilizate după formula:

( )( )

IRIR

RR

DCAC

DCAC

IIII

R/log/log

= , (2.7.2)

unde ACI şi DCI reprezintă componenta alternativă, respectiv componenta continuă (de R şi IR) a intensităţii semnalului măsurat la nivelul fotoreceptorului.

În practică, relaţia dintre SpO2 şi R nu este perfect liniară. De aceea, pentru determinarea corectă a SpO2, pulsoximetrul utilizează o tabelă de conversie (stocată în memoria EEPROM a microcontrolerului).

Microcontrolerul cu care este realizat pulsoximetrul (MSP430F1612 – Figura 2.7.2) prelucrează intensităţile luminoase recepţionate şi exprimă saturaţia de oxigen din sânge în procente.

2.8 Monitorizarea presiunii arteriale

Presiunea arterială (PA) reprezintă un parametru evaluat frecvent, cu uşurinţă şi care

oferă date relevante asupra activităţii cardiace. O monitorizare continuă a valorilor presiunii arteriale oferă o acurateţe diagnostică net superioară înregistrărilor realizate ocazional, o dată cu internarea/controlul medical al pacientului.

Mărimile ce caracterizează presiunea arterială sunt: • PA sistolică ( sPA ) – reprezintă valoarea maximă a presiunii în cursul unui ciclu

cardiac, corespunzând sistolei ventriculare; • PA diastolică ( dPA ) – reprezintă valoarea minimă în cadrul unui ciclu cardiac,

corespunzând diastolei ventriculare; • PA efectivă ( mPA ) – reprezintă presiunea medie pentru care s-ar realiza acelaşi debit

circulator dacă curgerea sângelui ar fi continuă şi nu pulsatilă. Presiunea efectivă poate fi aproximată cu relaţia [Klabunde 2007]:

( )dsdm PAPAPAPA −+=31 (2.8.1)

2.8.1 Măsurarea presiunii arteriale Aplicaţia clinică de cel mai mare succes pentru măsurarea indirectă a presiunii sângelui

este tehnica manşetei de obturare. Această tehnică a fost folosită ca metodă convenţională de ascultare şi a fost de asemenea aplicată la sisteme de înregistrare automată a presiunii sângelui. Presiunea arterială instantanee poate fi şi ea măsurată cu o manşetă cu sistem de acţionare cu autocontrol al presiunii.

Metoda oscilometrică este o metodă indirectă de măsurare a presiunii arteriale medii bazată pe principiul conform căruia oscilaţia presiunii în manşeta obturatoare datorată pulsaţiei volumului arterial are o amplitudine maximă atunci când presiunea manşetei este apropiată de presiunea arterială medie. Măsurarea presiunii sângelui prin metoda oscilometrică are unele avantaje notabile: oscilaţia poate fi detectată prin variaţia presiunii în


16

manşetă; amplitudinea maximă a oscilaţiei poate fi determinată obiectiv şi uşor, deoarece de obicei se detectează un maxim ascuţit al amplitudinii; metoda detectării amplitudinii maxime poate fi automatizată, astfel încât metoda oscilometrică devine mult mai convenabilă decât metoda auditivă în cazul monitorizării presiunii arteriale.

2.8.2 Dispozitiv de monitorizare a presiunii arteriale În Figura 2.8.1 se prezintă schema bloc a unui dispozitiv pentru monitorizarea presiunii

arteriale.

Figura 2.8.1 – Schema bloc a dispozitivului pentru monitorizarea presiunii arteriale

Acesta este construit folosind un microcontroler de 8 biţi (PIC 16F876) care comandă

componentele externe (pompa electrică de aer, electrovalva şi afişorul cu cristale lichide). De asemenea, microcontrolerul primeşte informaţii despre presiunea din manşetă de la senzorul de presiune prin intermediul convertorului A/D integrat în microcontroler.

Figura 2.8.2 Diagrama de stări a dispozitivului de monitorizare a presiunii arteriale

Diagrama de stări după care funcţionează dispozitivul de monitorizare a presiunii

arteriale conţine 7 stări (Figura 2.8.2).


17

2.9 Monitorizarea temperaturii Instrumentul folosit la măsurarea temperaturii este termometrul. Uzual se folosesc

termometre cu mercur, însă acestea sunt înlocuite treptat cu termometrele electronice. Termometrele electronice prezintă avantajul unei măsurări mai rapide a temperaturii şi un risc redus pentru pacient (faţă de cele cu mercur care se pot sparge).

Pentru un termometru electronic, traductorul de temperatură poate o termorezistenţă metalică, un dispozitiv semiconductor, un termocuplu sau termistor. Se pot utiliza şi traductoare integrate pentru măsurarea temperaturii, deoarece sunt uşor de interfaţat cu circuitele din sistemul de măsură, au un nivel mare al semnalului de ieşire şi garantează precizia măsurătorii pentru toată gama de temperatură specificată în foaia de catalog.

Termistorul este un dispozitiv semiconductor realizat din amestecuri sinterizate de oxizi ai metalelor de tranziţie ca manganul, cobaltul, nichelul, fierul, cuprul. Spre deosebire de metale la care rezistenţa electrică creşte cu temperatura, la termistori rezistenţa scade cu creşterea temperaturii lor după formula:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

00

11expTT

BRRT , (2.9.1)

unde TR reprezintă rezistenţa termistorului la temperatura absolută T , 0R reprezintă rezistenţa termistorului la temperatura absolută de referinţă 0T iar B este o constantă caracteristică termistorului.

Schema electrică a unui traductor temperatură/tensiune este prezentată în Figura 2.9.1. Elementul sensibil la temperatură este o diodă cu siliciu de tip 1N4148, pentru care dependenţa curentului I de tensiunea de polarizare U a diodei este de forma [Popa 2006]:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛≅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

KTqUI

KTqUII exp1exp 00 , (2.9.2)

unde 0I reprezintă curentul rezidual la saturaţie, q reprezintă sarcina electronului, K reprezintă constanta lui Boltzmann, iar T reprezintă temperatura absolută.

Dacă se menţine constant curentul I, rezultă că tensiunea U depinde de temperatură după relaţia:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

0

lnII

qKTU (2.9.3)

Sensibilitatea diodei utilizate la măsurarea temperaturii este de aproximativ –2mV/°C.

Figura 2.9.1 – Schema electrică a traductorului de temperatură

Traductoarele integrate au un interval de măsurare a temperaturii cuprins de obicei între –

50°C…+150°C. Există traductoare integrate de temperatură cu ieşire în curent sau tensiune. Circuitul AD590 (Analog Devices) face parte din prima categorie, este un circuit integrat

monolitic cu 2 terminale ce furnizează la ieşire un curent continuu proporţional cu temperatura absolută de 1μA/K şi funcţionează în intervalul de temperatură –55°C…+150°C.


18

Pentru acest interval de temperatură eroarea de liniaritate este de maxim ±0.3°C, eroarea maximă la capetele intervalului este de ±2°C putând fi micşorată prin circuite de corecţie externe.

Un alt traductor integrat, cu ieşire digitală, este circuitul TMP100 (Texas Instruments). Circuitul TMP100 permite măsurarea temperaturii cu o precizie de ±2°C pentru intervalul −25…+85°C. Rezoluţia de măsurare a temperaturii este de 0.0625°C folosind convertorul A/D integrat de 12 biţi. Poate fi alimentat cu o tensiune cuprinsă între 2.7V şi 5.5V şi consumă un curent de 45μA. Circuitul poate fi direct interfaţat cu un sistem cu microcontroler prin intermediul ieşirii digitale, compatibile cu standardul I2C.

2.10 Monitorizarea respiraţiei Aparatul respirator realizează schimbul de gaze între organism şi mediu, asigurând aportul

de oxigen şi evacuarea CO2 toxic. Deşi respiraţia nu este generatoare de semnal bioelectric, măsurarea, monitorizarea şi terapia sistemului respirator cu mijloace electronice au o importanţă deosebită pentru asistarea acestui sistem funcţional vital.

Monitorizarea pe termen lung a respiraţiei este foarte importantă pentru un număr de mare de situaţii care necesită analiza ritmului circadian, incluzând tulburările respiratorii din timpul somnului, hipertensiune, cardiopatie ischemică, maladii ale inimii, insuficienţă cardiacă sau în activităţi sportive.

Clasic, traductorii de respiraţie includ senzori ataşaţi corpului uman. De exemplu, o metodă des întâlnită foloseşte două benzi elastice cu senzori ataşaţi, care se plasează în jurul toracelui şi abdomenului pentru a monitoriza mişcarea acestora. Mişcările diferite ale toracelui şi abdomenului oferă informaţii asupra efortului depus în respiraţie. Deşi această metodă este acceptată pentru perioade scurte de timp, nu se poate pune problema utilizării acesteia pe termen lung asupra pacienţilor în timpul somnului. Alternativele acestei metode ar putea fi microundele, impedanţa electrică, senzori de presiune sau mărci sensibile electrostatic.

Ca traductoare pentru măsurarea frecvenţei respiratorii pot fi folosite mărci tensometrice. Acestea produc un semnal de tensiune variabilă care oferă informaţii privitoare la existenta şi ritmul respirator [Costin 2000].

Un condensator plan cu o armatură mobilă poate constitui, de asemenea un traductor de respiraţie. Capacitatea sa este data de formula: C = 0,089εrA/d [pF]. Cum deplasările armaturii mobile, Δx, sunt foarte mici, formula de mai sus devine: C = C0 + (C0/d) Δx, ceea ce reprezintă o relaţie aproximativ liniară între C şi deplasare.

În ultimii ani se utilizează tot mai des ca traductori de respiraţie termistorii. Aceştia sunt plasaţi în fluxul respirator al pacientului. Modificările rezistenţei termistorului au loc ca urmare a diferenţei de temperatura între aerul inspirat şi cel expirat.

Măsurarea frecvenţei respiratorii poate fi realizată de pacient după un instructaj prealabil. Aceasta este o metodă simplă, eficientă, care poate fi aplicată de majoritatea persoanelor incluse în programul de telemonitorizare.

Capitolul III: Reţele de senzori cu comunicaţie radio

19

CAPITOLUL III

REŢELE DE SENZORI CU COMUNICAŢIE RADIO 3.1 Introducere Reţelele de senzori cu comunicaţie radio (fără fir) au cunoscut în ultima perioadă o

dezvoltare semnificativă fiind considerate una dintre cele mai importante tehnologii ale secolului XXI. Aceasta se datorează în primul rând faptului că, prin modul de transmisie (undele radio) a datelor, se elimină complet cablurile de legătură.

Conectivitatea radio furnizează infrastructura şi suportul mobil pentru monitorizarea în timp real şi peste tot a pacientului precum şi sistemul de urmărire pentru răspuns în caz de alarmă (urgenţă).

3.2 Standarde de comunicaţie pentru transmisii radio Reţelele de senzori cu comunicaţie radio funcţionează în benzi de frecvenţe pentru care nu

este necesară licenţă. Dintre benzile 433MHz, 868MHz sau 2.45GHz (frecvenţele mai mari nu sunt potrivite deoarece echipamentele sunt mai scumpe iar propagarea undelor radio pune probleme), banda 433MHz este supraaglomerată (toate sistemele de deschidere automată a uşilor, multe sisteme de alarmă şi altele lucrează în această bandă), se utilizează uzual benzile de 868/915MHz şi 2.45GHz.

Standardele de comunicaţie (Tabelul 3.2.1) pentru implementarea reţelelor de senzori

sunt elaborate funcţie de rata de transfer, distanţa maximă de acoperire, nivelul de securitate, imunitatea la perturbaţii şi costul implementării. Cele mai utilizate standarde sunt IEEE 802.11b/g (WiFi), IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.4 (ZigBee). Ele caracterizează echipamente de tip SRD (Short Range Devices) cu putere de emisie foarte mică (max. 1mW), cu rază de acţiune mică (de ordinul metrilor), capabile să primească la intrare semnale digitale şi să le transmită către centrul de control al reţelei.

Tabelul 3.2.1 – Caracterizarea standardelor de comunicaţie radio

Standard 802.15.4 GSM/GPRS 802.11b/g 802.15.1 Aplicaţii Monitorizare

Control Transmisie date

şi voce Web, Email Transfer date

Resurse sistem 4 – 32KB 16MB min. 1MB min. 250KB Distanţa transmisie 1 – 100m 1000m min. 1 – 100m 1 – 10m Durata de viaţă a bateriilor 1 – 100 zile 1 – 7 zile 0.5 – 5 zile 1 – 7 zile Viteza maximă de transfer 20 – 250Kbit/s 64 – 128Kbit/s 11Mbit/s min. 720Kbit/s Reţelele radio personale WPAN (Wireless Personal Area Networks) bazate pe standardul

IEEE802.15 asigură conectivitate radio pe arii reduse; raza de acţiune a emiţătoarelor este redusă, în general până la aproximativ 300m în aer liber. WPAN cu rază de acţiune redusă (SR_WPAN – Short Range WPAN) pot fi utilizate în aplicaţii medicale pentru conectarea unor senzori pentru telemetrie, înlocuind cablurile de legătură.

Standarde IEEE pentru WPAN s–au dezvoltat în grupul 802.15.1/3/4.


20

Standardul IEEE802.15.1 (Bluetooth) Standardul Bluetooth defineşte un set de specificaţii pentru o reţea personală Ad-hoc.

Conform prescripţiilor, se pot interconecta până la 8 noduri active Bluetooth la un moment dat (1 dispozitiv master şi 7 dispozitive slave) pentru a forma o reţea cu rază de acţiune mică numită “piconet”. Transmisia radio Bluetooth se efectuează prin intermediul protocolului cu salt de frecvenţă (FHSS) prin care se asigură rate de transfer de până la 1Mbit/s. În banda de frecvenţă disponibilă există 79 de canale (cu lăţimea de 1 MHz) între care se fac 1600 salturi pe secundă. Rate de transfer de până la 3Mbit/s se pot atinge dacă se utilizează standardul Bluetooth versiunea 2.0 (IEEE 802.15.1–2004).

Figura 3.2.1 –Standardul IEEE802.15.1 (Clase de putere)

Standardul IEEE802.15.4 (LRWPAN) Standardul IEEE 802.15.4, cunoscut şi sub numele LRWPAN (Low Rate Wireless

Personal Area Network), este destinat dispozitivelor de complexitate redusă, cu consum redus de energie, pentru care durata de viaţă a bateriilor este esenţială.

Standardul defineşte specificaţiile doar pentru nivelul fizic PHY (Physical Layer) şi subnivelul MAC (Media Access Control) din cadrul nivelului DLL (Data Link Layer), nivelele superioare fiind implementate în cadrul aplicaţiilor specifice (Figura 3.2.2). Un exemplu de implementare a nivelelor superioare (reţea până la aplicaţie) se regăsesc în standardul cunoscut sub denumirea ZigBee.

Standardul ZigBee defineşte specificaţiile pentru nivelele reţea, securitate şi aplicaţie şi adoptă nivelele PHY şi MAC din cadrul standardului IEEE 802.15.4.

Figura 3.2.2 – Structura pe nivele a standardului IEEE 802.15.4 [IEEE802.15.4 2006]

Nivelul PHY (fizic) conţine circuitul de radio frecvenţă împreună cu mecanismul său de

control. Nivelul MAC asigură accesul către canalul de comunicaţie a tuturor tipurilor de transfer. Nivelul reţea NWL (Network Layer) este răspunzător de configurarea şi utilizarea reţelei, rutarea mesajelor etc., iar nivelele superioare (Upper Layers) asigură funcţia cerută a fi


21

îndeplinită de dispozitiv. Accesul la MAC se realizează prin intermediul unui controler logic al legăturilor (Logical Link Control – LLC) similar cu cel din standardul IEEE 802.2.

Nivelul PHY furnizează două servicii: un serviciu care precizează modul de gestiune al datelor, ce permite transmisia şi recepţia pachetelor de date ale nivelului PHY (PPDU – PHY Protocol Data Unit) prin intermediul canalul radio şi un serviciu de management interfaţat cu modulul PLME – SAP (Physical Layer Management Entity – Service Access Point).

În cadrul nivelului PHY se specifică modul de activare/dezactivare al transceiverului radio, detecţia energiei prin mediu (Energy Detection – ED), indicarea calităţii legăturii prin canalul radio (Link Quality Indication – LQI), selecţia canalelor de comunicaţie sau ştergerea valorii canalului (Clear Channel Assessment – CCA) [IEEE802.15.4 2006].

Funcţie de frecvenţa radio utilizată se poate beneficia de o rată de transfer mai mare (250Kbit/s la frecvenţa de 2.4GHz), datorită unei scheme cu un grad de modulaţie digitală mai complexă, de capacităţi de trecere mai mari şi de latenţe mai mici. Pentru frecvenţe mai mici (< 1GHz) se poate beneficia de viteze de transfer reduse (20/40 Kbit/s), dar cu avantajul unei arii de acoperire mai mari.

Tabel 3.2.2 – Spectrul de frecvenţe şi viteza de comunicaţie [IEEE802.15.4 2006]

Parametrii de propagare Parametrii de Date PHY (MHz)

Banda de frecvenţă

(MHz) Rată chip (Kchip/s)

Modulaţie Rată biţi (Kbit/s)

Rată Simboluri (Ksimbol/s)

Simboluri

868–868.6 300 BPSK 20 20 Binar 868/915 902–928 600 BPSK 40 40 Binar

2450 2400–2483.5 2000 O–QPSK 250 62.5 Ortogonal 16 În banda de 2.4GHz se pot selecta un număr de până la 16 canale cu posibilitatea de

relocare în cadrul spectrului. Prin standard este permisă scanarea listei de canale, selectarea dinamică a unui canal în scopul detecţiei beacon–urilor, identificarea calităţii legăturilor şi comutarea canalelor. Pentru frecvenţe în banda de 915MHz se pot selecta 10 canale, iar pentru frecvenţa 868MHz este disponibil un singur canal de comunicaţie (Figura 3.2.3).

Figura 3.2.3 – Canale radio utilizate de nivelul PHY [Sinem 2004]

Funcţia de detecţie şi măsurare a energiei la receptor ED (Energy Detection) este utilă

nivelului reţea (NWL) în algoritmul de selecţie a canalului. Valoarea obţinută reprezintă o estimare a energiei semnalului recepţionat pentru canalul respectiv. Aceasta este exprimată sub forma unui număr întreg pe 8 biţi (0x00 – 0xFF). Valoarea minimă pe care o poate avea ED este 0, indicând detecţia unei valori cu cel mult 10dB mai mare decât sensibilitatea stabilită pentru receptor.

Funcţia de indicare a calităţii legăturii (Link Quality Indication – LQI) este utilă nivelelor superioare (NWL sau Aplicaţie) şi caracterizează calitatea unui pachet recepţionat. Funcţia


22

poate fi implementată folosind ED, estimând raportul S/N sau o combinaţie a acestora. Calitatea legăturii este exprimată ca o valoare între 0x00 (calitate scăzută) şi 0xFF (calitate ridicată)

Nivelul MAC oferă două servicii: un serviciu de gestionare al pachetelor de date şi un

serviciu de management al MAC. Serviciul gestionare al pachetelor de date permite transmisia şi recepţia datelor la nivel MAC (MPDU – MAC Protocol Data Unit) prin intermediul serviciului de date al stratului fizic. Facilităţile oferite de substratul MAC sunt: managementul cadrelor beacon, managementul GTS (Guaranteed Time Slot), accesul la canal, validarea cadrelor, transmiterea cadrelor de confirmare. De asemenea se oferă servicii pentru implementarea mecanismelor de securitate.

Mai multe dispozitive LRWPAN conectate împreună formează o reţea în care pot exista

trei tipuri de dispozitive sau noduri (Figura 3.2.4). În cadrul standardului sunt definite următoarele tipuri de dispozitive:

• Reduced Function Device (RFD) reprezintă un dispozitiv cu funcţii reduse, doar transmite sau recepţionează date, funcţionând cu o implementare minimă a protocolului şi nu poate comunica decât cu unul de tip FFD;

• Full Function Device (FFD) reprezintă un dispozitiv care suportă aceleaşi funcţii ca şi RFD, dar oferă suplimentar posibilitatea de rutare a pachetelor şi este capabil să opereze ca şi coordonator (PAN);

• Coordonator (PAN) reprezintă un dispozitiv care are rolul de coordonator al întregii reţele. O reţea IEEE 802.15.4 are un singur astfel de dispozitiv.

Funcţie de aplicaţie, dispozitivele LRWPAN pot fi configurate să lucreze utilizând topologia stea sau punct la punct (peer-to-peer).

a) Topologia stea b) Topologia punct la punct

Figura 3.2.4 – Topologii de reţea IEEE 802.15.4 [IEEE802.15.4 2006]

3.3 Reţea de senzori bazată pe modulul eZ430 – RF2500 Modulul eZ430 – RF2500 este un sistem de dezvoltare ce conţine componente pentru

realizarea unei reţele de senzori ce transferă date folosind unde radio pe frecvenţa de 2.4GHz [SLAU227]. Modulul eZ430 – RF2500 (Figura 3.3.1) este compus din:

• o unitate conectabilă la un calculator PC prin interfaţa USB (AP – Access Point); • un nod de reţea (ED – End Device) .


23

a) b)

Figura 3.3.1 – Modulul eZ430 – RF2500 a) Access Point b) End Device [SLAU227] Ambele unităţi au în componenţă procesorul MSP430F2274 (Texas Instruments) şi un

circuit de comunicaţie radio de tipul Chipcon CC2500. Principalele caracteristici tehnice ale sistemului de dezvoltare sunt: • facilităţi de programare şi depanare prin interfaţa USB; • 21 de pini programabili; • procesor cu consum de curent extrem de mic care lucrează la 16MHz; • 2 LED–uri de semnalizare vizuală (galben şi roşu); • buton de întrerupere; Microprocesorul poate fi programat/reprogramat folosind mediul de dezvoltare IAR

Embedded Workbench Integrated Development Environment (IDE) sau Code Composer Essentials (CCE) [Morales 2007].

3.3.1 Microprocesorul MSP430F2274 Acesta face parte din familia de microprocesoare MSP430 [TI MSP430]. Memoria de tip

ROM disponibilă pe chip în varianta EEPROM are dimensiunea de 32Kb, iar memoria de tip RAM dimensiunea de 1Kb.

Caracteristicile sale importante sunt: • tensiune de alimentare redusă: 1.8 – 3V; • unitate centrală (CPU) de 16 biţi de tip RISC; • 27 de instrucţiuni de bază şi 7 moduri de adresare; • 16 registre de lucru, eliminând limitările unei arhitecturi orientate pe acumulator; • sistem de întreruperi vectorizat (cu vectori de întrerupere la adrese fixe); • viteza maximă de lucru de 8MIPS (cu consumul propriu dependent de viteză:

250µA/MIPS); • memoria de tip EEPROM este programabilă în sistem (ISP); • conţine integrate convertoare A/D pe 10biţi cu frecvenţa maximă de eşantionare de

200KHz. 3.3.2 Transceiverul RF CC2500 Bazat pe tehnologia brevetată SmartRF, CC2500 oferă cea mai bună combinaţie între

parametrii precum flexibilitate, preţ redus şi grad ridicat de integrare. Consumul foarte redus de putere, tensiunea scăzută de alimentare şi numărul foarte mic de componente externe recomandă aceste circuite ca fiind cele mai potrivite pentru proiectarea de dispozitive cu performanţe excelente la un cost scăzut, de dimensiuni fizice reduse şi alimentate cu baterii. Durata de funcţionare pe baterii este extinsă printr-un sistem de management al puterii


24

consumate cu diferite regimuri de powersave. O varietate de funcţii hardware puternice integrate reduc semnificativ funcţiile pe care trebuie să le îndeplinească procesorul extern.

Circuitele din seria CC2500 includ buffere de date FIFO interne pentru transmisia de date, interfaţă serială simplificată pe patru fire pentru configuraţie şi comunicaţie de date şi suport hardware configurabil.

Circuitul CC2500 este un circuit integrat proiectat special pentru aplicaţii RF de consum redus. Domeniul de tensiune de alimentare a cipului (de la 1.8V până la 3.6V) şi consumul redus de putere, permit proiectarea la dimensiuni reduse a dispozitivelor radio alimentate de la baterii oferind în acelaşi timp o viaţă lungă bateriei. Funcţionează în banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) cu frecvenţe în intervalul 2400 – 2483.5MHz. Circuitul foloseşte rate de transfer în intervalul 1.2 – 500Kbit/s şi consumă un curent între 11.1 – 21mA în emisie şi între 15.3 – 19.6mA în recepţie.

Figura 3.3.2 – Schema bloc a transceiverului CC2500 [TI CC2500]

Semnalul de radiofrecvenţă recepţionat este amplificat de circuitul amplificator cu zgomot

redus (LNA) şi este convertit la frecvenţa intermediară IF (Figura 3.3.2). Semnalele în cuadratură I/Q sunt transformate în semnale digitale de convertoarele analog – digitale (A/D). Filtrarea, demodularea, sincronizarea pachetelor are loc digital.

Partea de transmisie a circuitului CC2500 se bazează pe sintetizarea directă a frecvenţei semnalului. Sintetizatorul conţine un oscilator local şi un schimbător de fază de 90 de grade pentru generarea semnalelor I şi Q.

Un cristal este conectat între pinii XOSC_Q1 şi XOSC_Q2. furnizează frecvenţa de referinţă pentru sintetizator, ca şi clock-ul pentru blocul ADC şi secţiunea digitală.

Figura 3.3.3 – Interfaţarea MSP430 cu CC2500


25

Interfaţarea microprocesorului MSP430F2274 cu circuitul CC2500 se realizează prin intermediul interfeţei SPI (Serial Peripheral Interface) după schema din Figura 3.3.3. CC2500 este tratat ca dispozitiv slave. Toate transferurile de date de pe interfaţa SPI încep cu un header ce conţine un bit R/W, un bit de acces şi o adresă formată din 6 biţi.

3.3.3 Protocolul SimpliciTI (Texas Instruments) SimpliciTI este un protocol destinat reţelelor de mici dimensiuni, ca alternativă la ZigBee

(Figura 3.3.4). Astfel de reţele conţin de obicei dispozitive alimentate la baterii şi nu necesită o rată de transfer a datelor foarte mare.

Protocolul poate fi implementat pe familia de microcontrolere MSP430 (Texas

Instrumens) care respectă una din următoarele cerinţe hardware • unitate centrală MSP430 cu minim 8Kb memorie Flash şi 512bytes RAM (în

configuraţie Access Point) sau minim 4Kb memorie Flash şi 256bytes RAM (în configuraţie End Device);

• unitate centrală SoC (nucleu 8051) cu minim 16Kb memorie Flash şi 1Kb RAM. Protocolul este implementat pentru următoarele circuite de RF (Texas Instruments) • CC1100/CC2500 (Sub 1 GHz/2.4 GHz radio with MSP430); • CC1110/CC2510 (Sub 1 GHz/2.4 GHz radio in 8051 core SoC); • CC2430/CC2420 (DSSS radio with and without 8051 core SoC).

Figura 3.3.4 – SimpliciTI vs. ZigBee

În cadrul standardului sunt definite următoarele tipuri de dispozitive (Figura 3.3.5): • End Device (ED) reprezintă un dispozitiv cu funcţii reduse, doar transmite sau

recepţionează date – similar RFD; poate să fie sau să nu fie activ la un moment dat; • Range Extender (RE) reprezintă un dispozitiv similar ED dar care are şi posibilitatea

de rutare a pachetelor; trebuie să fie activ tot timpul; • Access Point (AP) reprezintă un dispozitiv cu rol de coordonator al întregii reţele;

trebuie să fie activ tot timpul.


26

Figura 3.3.5 – Topologii de reţea SimpliciTI [TI SIMPLICITI]

Funcţie de aplicaţie, dispozitivele pot fi configurate să lucreze utilizând topologia stea sau

punct la punct (peer-to-peer). 3.3.4 Monitorizarea temperaturii cu eZ430 – RF2500 Reţeaua de senzori pentru monitorizarea temperaturii constă dintr-un dispozitiv de acces

(AP) conectat la calculator prin intermediul interfeţei USB şi unul sau mai multe dispozitive finale (ED) ce comunică wireless cu acesta. ED măsoară temperatura folosind senzorul de temperatură intern al microprocesorului MSP430F2274 la interval de o secundă. După fiecare măsurare transmite informaţia la AP şi intră în modul de funcţionare low-power. AP-ul, la rândul său, trimite datele la calculator, unde sunt afişate. Pe calculator rulează aplicaţia PC Sensor Monitor Visualizer (Figura 3.3.6) care afişează grafic valorile de temperatură trimise de AP.

Figura 3.3.6 – Interfaţa grafică a aplicaţiei PC Sensor Monitor [SLAU227]

Capitolul IV: Prelucrarea şi analiza semnalelor ECG

27

CAPITOLUL IV

PRELUCRAREA ŞI ANALIZA SEMNALELOR ECG 4.1 Achiziţia semnalelor biomedicale Prelevarea, prelucrarea şi extragerea informaţiilor din semnalele biomedicale se realizează

prin metode adecvate, bazate pe aparatură electronică performantă, inclusiv sisteme de calcul dedicate în special părţii de prelucrare.

Reprezentarea semnalului biomedical în format digital facilitează prelucrarea şi analiza computerizată a sa.

În Figura 4.1.1 este prezentată schema bloc a unui sistem de achiziţie, prelucrare şi analiză automată a semnalelor biomedicale.

Toate blocurile componente prezentate în Figura 4.1.1 sunt implementate în cadrul sistemului înglobat pentru telemonitorizare. Achiziţia de semnal este integrată în partea hardware a sistemului, prelucrarea şi analiza semnalelor este realizată de aplicaţia software ce rulează pe sistemul înglobat.

Figura 4.1.1 - Schema bloc a unui sistem de achiziţie, conversie A/D, prelucrare şi analiză automată a semnalelor biomedicale [Rangaraj 2002]

Semnalele biomedicale (produse de fiinţele vii) sunt semnale analogice. Pentru a prelucra

semnalele cu ajutorul procesoarelor numerice este nevoie de a le transforma în secvenţe numerice prin conversie analog digitală.

Conversia analog digitală (A/D) a semnalelor este procesul prin care unui semnal analogic i se asociază o secvenţă de coduri digitale. Conversia A/D presupune eşantionare, cuantizare şi codare [Oppenheim 1989].

Eşantionarea transformă semnalul analogic xa(t) într-un semnal discret x(n) prin prelevarea de eşantioane din semnalul analogic la anumite intervale de timp.

Cuantizarea este operaţia de discretizare a valorii eşantioanelor x(n). Se alege un pas de cuantizare Δ , iar rezultatul operaţiei este un număr întreg q, astfel încât produsul qΔ este cât mai apropiat de valoarea eşantionului. Dacă pasul de cuantizare este constant, atunci cuantizarea este uniformă, în caz contrar cuantizarea fiind neuniformă. În cazul cuantizării uniforme, nivelul semnalului de la ieşirea cuantizorului este multiplu al pasului de cuantizare. Majoritatea convertoarelor A/D lucrează cu cuantizare uniformă.

Semnal

biomedical

Traductor

Preamplificator

Amplificare Filtrare

Conversie A/D

Filtrare digitală

Analiza evenimentelor şi componentelor

Extragerea parametrilor

Clasificare

Semnal

clasificat

Prelucrare de semnal Analiză de semnal

Achiziţie de semnal


28

Codarea constă în atribuirea unui cod binar fiecărui eşantion din semnalul cuantizat. Convertoarele A/D utilizează codarea simplă, folosind codarea uniformă (cu pas constant). Pentru valori pozitive se folosesc coduri unipolare, iar pentru cele cu semn se folosesc coduri bipolare.

Convertorul A/D este circuitul care implementează funcţia de conversie analog digitală Convertoarele A/D analogice utilizează în procesul conversiei soluţii analogice, cum ar fi

generarea unei rampe de tensiune, încărcarea unui condensator, compararea a două mărimi analogice etc.

Convertoarele A/D pot fi clasificate în: convertoare directe, dacă conversia semnalului analogic se realizează fără mărimi intermediare, sau indirecte, în caz contrar (folosind ca mărime intermediară frecvenţa sau durata).

La baza realizării convertoarelor A/D stau mai multe principii de funcţionare, dintre care sunt amintite următoarele:

• convertoare A/D cu aproximaţii succesive; • convertoare A/D cu integrare; • convertoare A/D delta sigma. Principalii parametri ai unui convertor A/D sunt: • rezoluţia reprezintă variaţia minimă a semnalului de la intrare care produce

modificarea codului de la ieşire cu o unitate; • gama de variaţie a semnalului de intrare reprezintă intervalul de variaţie admis

pentru semnalul aplicat la intrare; • timpul de conversie reprezintă intervalul de timp necesar unei conversii; • eroarea de neliniaritate reprezintă abaterea caracteristicii de transfer reale a

convertorului faţă de cea ideală exprimată în procente din valoarea maximă; • eroarea de offset reprezintă abaterea caracteristicii de transfer reale faţă de origine.

4.2 Morfologia semnalului ECG Morfologia semnalului ECG arată că acesta este format din unde (deflexiuni), segmente

şi intervale, a căror morfologie variază în funcţie de derivaţie. (Figura 4.2.1). Undele sunt perioadele electric active: depolarizare şi repolarizare atrială şi ventriculară. Terminologia undelor are la bază notaţia introdusă de Einthoven şi este standardizată în

modul următor: • prima deflexiune a ciclului electric cardiac corespunde depolarizării atriale şi se

notează cu P; • prima undă negativă a complexului depolarizării ventriculare notată cu Q; • prima undă pozitivă după Q se notează cu R; • prima undă negativă după R se notează cu S; • repolarizarea ventriculară produce unda T. Pozitiv sau negativ se referă la convenţiile de semne din cadrul celor 12 derivaţii ECG

standard. Unda P este rotunjită, lentă şi are amplitudinea de 0.1 – 0.25mV. Axa vectorului P frontal

se situează la cca. 60° (0 – 90° normal). Complexul QRS reflectă procese electrice rapide, cu o topologie complexă, în mase

musculare mari şi asociază unde ample şi vârfuri ascuţite. Normal, amplitudinea vârf la vârf este cuprinsă între 0.5 – 2mV, funcţie de derivaţie.

Unda T este rotunjită, asimetrică (frontul anterior mai lent), cu mărimea normală 0.2 – 0.6mV (până la 1mV în derivaţiile precordiale drepte).


29

Figura 4.2.1 – Undele PQRST şi localizarea punctelor de interes

Segmentele sunt porţiuni de traseu cuprinse între două unde succesive şi reprezintă

perioadele de “linişte” electrică reală sau aparentă când semnalul se menţine la linia de baza (izoelectrică).

Principalele segmente ECG sunt: segmentul PQ, segmentul ST şi segmentul TP • segmentul PQ corespunde repolarizării atriale: unda de excitaţie parcurge nodul AV –

reţeaua Hiss-Purkinje între atrii şi ventricule. Are o durată normală de 0.02 – 0.12sec., poziţionat pe linia izoelectrică (care semnifică 0V);

• segmentul ST exprimă tranziţia între depolarizarea şi repolarizarea ventriculară. Sub – şi supra – denivelările sale au semnificaţie patologică.

Intervalele sunt serii de unde şi segmente. Intervalele traseului ECG sunt [Alecu 2008]: • intervalul PQ este durata cursei excitaţiei de la generatorul de ritm (nodul sinusal) la

musculatura ventriculară; • intervalul QT reprezintă sistola electrică. Nu poate fi interpretat decât în legătură cu

frecvenţa cardiacă. Valoare tipică: 370ms la 70bpm; • intervalele PP şi RR – reprezintă lungimea unui ciclu cardiac complet. 4.3 Detecţia complexului QRS din semnalul ECG Încercarea de a recunoaşte trăsăturile semnalului ECG (segmentele, undele şi intervalele)

constituie partea cea mai importantă şi interesantă pentru majoritatea algoritmilor de analiză sistemică a semnalului ECG [Zigel 1998]. În sistemele de detecţie ritmică, este utilizată doar detecţia undei R, în timp ce în alte aplicaţii, este necesar să găsim şi să recunoaştem alte unde şi trăsături ale semnalului util, ca undele T şi P, sau segmentul ST, pentru clasificare, diagnostic şi chiar compresie.

Mulţi algoritmi de extragere a trăsăturilor PQRST au fost descrişi în literatură, în special cei pentru detecţia complexului QRS. Principalul efort în extragerea trăsăturilor PQRST este găsirea poziţiilor exacte a undelor. După această etapă, determinarea amplitudinilor şi formelor este mult simplificată. Prima etapă în determinarea poziţiei undelor este recunoaşterea complexului QRS, a cărui componente au frecvenţa cea mai înaltă. Apoi, este recunoscută unda T şi în final, unda P, care este, de obicei, unda cu frecvenţa cea mai mică. Linia de bază, care este izoelectrică şi segmentul ST sunt relativ uşor determinate după aceste etape.


30

Algoritmii de detecţie a complexului QRS au evoluat pe parcursul timpului, fiind întâlnite structuri asemănătoare la mai mulţi algoritmi. În Figura 4.3.1 se prezintă schema bloc tipică a unui algoritm de detecţie a complexului QRS din semnalul ECG [Kohler 2002].

Figura 4.3.1 – Schema bloc a unui detector de complexe QRS [Kohler 2002]

De-a lungul timpului, au fost propuşi mai mulţi algoritmi de detecţie a complexelor QRS,

algoritmi care folosesc metode euristice bazate pe transformări neliniare [Suppappola 1994] [Trahanias 1993], transformate wavelet [Li 1995] [Mahmoodabadi 2005], bancuri de filtre [Afonso 1999] [Kadambe 1999], reţele neuronale artificiale [Hu-Tompkins 1993] [Strintzis 1992] [Vijaya 1998] şi algoritmi genetici [Poli 1995].

Performanţele algoritmilor de detecţie a complexului QRS sunt prezentate din punct de

vedere al preciziei detecţiei şi al complexităţii calculelor. Tabelul 4.3.1 – Precizia detecţiei în algoritmii din literatură [Kohler 2002]

Precizie Baze de date standard Părţi din baze de date standard

Baze de date nestandard

>99% Afonso Bahoura Hamilton & Tompkins Inoue & Miyazaki Kohler Poli Li

Gritzali Hu Kohama Ruha

Belforte Dobbs Fisher Yu

95 – 99% Suppappola Coast Kadambe

Sornmo Udupa

90 – 95% Papakonstantinou Trahanias

<90% Ligtenberg În analiza din punct de vedere a acurateţei s-au considerat trei clase (> 99%, 95 – 99%,

90 – 95%, < 90%) şi s-a ţinut cont de baza de date folosită, rezultatele fiind prezentate în Tabelul 4.3.1.

Tabelul 4.3.2 – Complexitatea algoritmilor din literatura de specialitate [Kohler 2002] Complexitate mică Complexitate medie Complexitate mare Afonso Fisher Kohama Suppappola Yu

Bahoura Dobbs Gritzali Hamilton & Tompkins Ligtenberg Poli Ruha

Belforte Coast Hu Inoue Li Papakonstantinou Suppappola


31

În analiza complexităţii s-au considerat trei clase, respectiv de complexitate mică, medie şi mare, rezultatele fiind prezentate în Tabelul 4.3.2.

Trebuie menţionat faptul că în testarea algoritmilor, autorii au folosit atât baze de date standard preluate de pe Internet, cât şi baze nestandard (proprii), caz în care compararea cu alţi algoritmi este mai puţin relevantă.

4.4 Algoritm de detecţie a complexului QRS şi a undelor T şi P 4.4.1 Detecţia complexului QRS Pentru un semnal ECG, complexul QRS reprezintă trăsătura cea mai importantă.

Complexul QRS este caracterizat de pante înalte, cu energia spectrală este cuprinsă între 1 – 40Hz.

Algoritmul pentru detecţia QRS este descris în [Zigel 1998] şi are la bază câteva idei din algoritmii descrişi în literatură [Hamilton 1986] [Gritzali 1989] şi [Laguna 1990].

Intrarea detectorului QRS este semnalul ECG digital, eşantionat cu frecvenţa 250Hz şi digitizat cu 12bits/sample.

În Figura 4.4.1 se prezintă schema bloc simplificată a detectorului QRS.

FTB 1 – 40 Hz

Transfor-mare

neliniară

Determinarea aproximativă a limitelor QRS

FTB 1 – 90 Hz

Diferenţi-ere

Determinarea vârfurilor şi văilor

Diferenţi-ere

Determinarea limitelor exacte

Semnal ECG

Detecţia undei R şi a punctelor de interes din complexul QRS

QRSon QRSoff

( )ns40

( )ns90

( )nl

( )ndoffon SRQSRQ ~~

( )nf ( )nfd

Rejecţia complexelor QRS fals detectate

cauzate de undele T înalte

Valoare initială a prgului adaptiv

Filtru de netezire

Figura 4.4.1 – Schema bloc simplificată a detectorului QRS [Zigel 1998] Ieşirile sunt date de limitele complexului QRS (QRSon şi QRSoff), poziţia undei R, şi

poziţiile vârfurilor şi deflexiunilor (dacă există) fiecărei bătăi (complex). Algoritmul detecţiei complexului QRS prezintă trei etape: • Etapa 1: determinarea aproximativă a limitelor QRS; • Etapa 2: determinarea vârfurilor şi văilor; • Etapa 3: determinarea limitelor exacte.

4.4.2 Detecţia undei T Unda T apare după complexul QRS şi poate avea diferite forme. În cadrul acestui algoritm

trei forme sunt luate în considerare: pozitivă, negativă şi plată. Algoritmul [Laguna 1990] extrage forma undei T ce apare după fiecare complex QRS

(Tshape) precum şi locaţia vârfului undei (Tp) şi a sfârşitului undei T (Toff).


32

Intrarea detectorului QRS o constituie semnalul ECG. Figura 4.4.2 prezintă schema bloc simplificată a detectorului undei T.

Filtrare şi derivare

Multiplicare cu fereastra de

căutare

Căutare min & max

Determinarea formei undei T

& calculul pragului

Determi-narea Toff

& Tp

Toff

Tp

Tshape

R offQRS

SemnalECG ( )ng ( )ngw

min, max

th , Tshape

Figura 4.4.2 – Schema bloc simplificată a detectorului undei T 4.4.3 Detecţia undei P

Unda P apare în mod normal înainte de complexul QRS şi are o durată de aproximativ

100ms. Anumite afecţiuni cardiovasculare determină diferite amplasări ale undei P (înainte, după sau în timpul complexului QRS) sau înlocuirea acesteia cu unde f de fibrilaţie atrială sau F de flutter atrial. Toate acestea şi faptul că unda P este de obicei cea mai mică undă a semnalului ECG, fac din detecţia sa o sarcină foarte dificilă. Algoritmul de detecţie a undei P prezentat în continuare detectează undele P aflate înaintea complexelor QRS.

Tabelul 4.4.1 prezintă nouă forme ale undei P care sunt analizate în detector. Tabelul 4.4.1 – Diverse forme de undă P [Zigel 1998]

negativă pozitivă bifazică I

bifazică II

dinţată pozitivă

dinţată negativă

pulmonară pozitivă

pulmonară negativă

plată

Schema bloc a detectorului de undă P prezentată în Figura 4.4.3. Intrarea detectorului

este reprezentată de semnalul ECG şi amplasarea punctelor: QRSon al bătăii curente şi Toff al bătăii precedente. Semnalul ECG este filtrat (cu un filtru trece bandă: 0.01 – 30 Hz) şi derivat.

Filtrare şi derivare

Multiplicarea ferestrei de

căutare

Corecţia formei

undei P şi găsirea

vârfurilor şi văilor

Clasificarea iniţială a fomei

undei P şi calcularea pragului

Determinarealimitelor

Pshape

Pon

Poff

Toff onQRS

Semnal ECG ( )nf ( )nfw

onoff QRST

( )offonoff TQRST −+ 15.0

1 0

Fereastra:

Figura 4.4.3 – Schema bloc a detectorului de undă P [Zigel 1998]

4.4.4 Aproximarea liniei de bază În cazul cel mai favorabil, linia de bază (baseline) este un segment izoelectric, dar în

multe situaţii (în cazul în care de ex. pacientul respiră), linia de bază este caracterizată de frecvenţe joase (baseline drift), ca în Figura 4.4.4.


33

Linia de bază este extrasă în trei etape [Rotariu 2006]: • Pentru fiecare complex care include o undă P, într-o fereastră de 35msec este calculată

varianţa; • În această fereastră este calculată media şi este selectat punctul cu cea mai apropiată

valoare de medie (BLPi); • Punctele (BLPi , i=1,2,...) sunt interpolate.

0 5 10 15 20

-200

0

200

400

600

800

ECG+BLPi

Am

plitu

de(u

V)

Time (sec)

0 5 10 15 20 25

-400

-200

0

200

400

600

800

1000ECG-baseline correction

Am

plitu

de(u

V)

Time (sec)

a) b)

Figura 4.4.4 – a) Semnal ECG cu variaţii ale liniei de bază b) Semnal ECG după corecţia liniei de bază

4.4.5 Analiza segmentului ST Din segmentul ST sunt extrase trei trăsături: denivelarea ST, panta ST şi forma ST.

Procedeul începe cu determinarea amplasării punctului ST (Figura 4.4.5). Amplasarea punctului ST depinde de ritmul cardiac. Dacă ritmul cardiac este mai mic de

60bpm, punctul ST se găseşte la 80ms după QRSoff . Dacă ritmul cardiac este mai mare de 60bpm, punctul ST se găseşte la 60ms după QRSoff .

Denivelarea ST reprezintă amplitudinea punctului ST. Panta ST este panta (în mV/sec) punctului ST corespunzătoare lui QRSoff (punctul J).

Segmentul ST poate avea cinci forme: plat, concav, convex, liniar pozitiv şi liniar negativ.

Unda P

Unda T

R

Panta ST

Denivelarea ST

Punctul ST

QRSoff sau punctul J

Linia izoelectrică

Figura 4.4.5 – Trăsăturile segmentului ST [Zigel 1998]

Forma ST este determinată folosind un algoritm foarte simplu care compară amplitudinile

a trei puncte: punctul aflat la 60ms înaintea punctului ST, punctul ST şi punctul aflat la 60ms după punctul ST. Dacă diferenţa maximă între amplitudinile acestor trei puncte este mai mică de 100µV, atunci forma este plată.


34

4.5 Algoritm de detecţie în timp real a complexelor QRS Algoritmul de detecţie în timp real a complexelor QRS se bazează pe procesarea

Pan-Tompkins [Pan 1985] şi [Hamilton 1986] modificată. Algoritmul utilizează analiza pantelor, amplitudinilor şi a unor intervale. Un filtru digital trece bandă are scopul de a reduce falsele detecţii datorate interferenţelor prezente pe semnalul ECG.

Algoritmul [Tompkins 1993] detectează complexele QRS din semnalul ECG după schema bloc din Figura 4.3.1.

Blocul de procesare presupune folosirea unor filtrări numerice urmate de o transformare neliniară (valoare absolută), şi în final o filtrare prin mediere.

Frecvenţa de eşantionare a semnalului ECG care intră în detectorul Pan-Tompkins este de 200Hz.

Filtrul trece bandă (FTB) 5–11 Hz, este implementat cu două filtre în serie, unul trece jos (FTJ) şi altul trece sus (FTS), ambele de tip RII (cu răspuns infinit la impuls).

Filtrul trece sus are amplificare unitară, o frecvenţă de tăiere de aproximativ 5Hz şi produce o întârziere a semnalului la ieşire de 80ms.

Urmează apoi o transformare neliniară (valoarea absolută a semnalului derivat) care accentuează peak-urile complexelor QRS cu respectarea amplitudinilor undelor P şi T.

Derivarea este realizată în 5 puncte, are răspunsul în frecvenţă aproximativ liniar între 0 – 30Hz şi produce o întârziere a semnalului la ieşire de 10ms.

În final, are loc o integrare a semnalului, cu netezirea formelor de undă ce corespund complexelor QRS. Filtrul constă dintr-o fereastră alunecătoare.

Lăţimea ferestrei folosită pentru integrare a fost aleasă de aproximativ lăţimea unui complex QRS tipic. În algoritmul original fereastra a fost aleasă de 150ms pentru a detecta şi complexele QRS largi produse de contracţiile premature ventriculare. S-a demonstrat că o fereastră de mai restrânsă produce rezultate mai bune [Urrusti 1993].

Regulile de decizie utilizate în cadrul algoritmului sunt [Hamilton 2002]: 1. Se ignoră toate peak-urile care preced sau urmează peak-ului de amplitudine maximă

pentru o perioadă de 200ms. 2. Dacă se detectează un peak, se verifică pe semnalul iniţial dacă acesta conţine pante

pozitive şi negative. Dacă nu atunci peakul reprezintă o variaţie a liniei de bază. 3. Dacă peak-ul apare la mai puţin de 360ms faţă de cel anterior se verifică pe semnalul

iniţial dacă maximul derivatei este cel puţin jumătate din cel anterior. Dacă nu, algoritmul clasifică peak-ul ca o undă T de amplitudine mărită.

4. Dacă peak-ul are amplitudine peste pragul de detecţie atunci acesta se clasifică ca un complex QRS. Dacă nu, atunci este clasificat ca zgomot.

5. Dacă nu este detectat nici un complex QRS în intervalul 1.5RR şi dacă a fost detectat un peak de amplitudine mai mare ca jumătate din pragul de detecţie la cel mult 360ms faţă de precedentul, peak-ul se clasifică ca fiind un complex QRS.

Pragul de detecţie utilizat în regulile 4 şi 5 de mai sus este calculat utilizând estimări ale peak-ului QRS şi amplitudinea zgomotului. De fiecare dată când un peak este clasificat ca un complex QRS, acesta este adăugat într-un buffer care conţine ultimele opt complexe QRS. De fiecare dată când se detectează un peak care nu este clasificat ca un complex QRS, acesta este adăugat într-un alt buffer care conţine cele mai recente opt complexe QRS clasificate ca zgomot.

Algoritmul are o senzitivitate şi o valoare predictivă pozitivă de aproximativ 99%. Evaluarea performanţelor algoritmului s-a realizat pe semnale din baza de date MIT/BIH

Arrhythmia Database [Physionet], iar rezultatele sunt prezentate în Tabelul 4.5.1.


35

MIT/BIH Arrhythmia Database conţine 48 de înregistrări ECG în ambulatoriu de câte 1/2 oră de la 47 de subiecţi între 1975 – 1979 de către BIH Arrhythmia Laboratory. Înregistrările sunt adnotate de cardiologi, digitizate cu 360 samples/sec. şi 11 biţi/sample, pe două canale.

Tabelul 4.5.1 – Rezultatele evaluării algoritmului de detecţie [Hamilton 2002]

Înregistrare RP FN FP SE(%) VPP(%) 100 1901 1 0 99.95 100.00 102 1820 1 0 99.95 100.00 104 1856 1 2 99.95 99.89 105 2153 2 42 99.91 98.09 107 1783 1 0 99.94 100.00 109 2098 1 0 99.95 100.00 111 1775 1 0 99.94 100.00 112 2110 1 0 99.95 100.00 113 1505 1 0 99.93 100.00 115 1636 1 0 99.94 100.00 116 1996 21 4 98.96 99.80 207 1591 1 2 99.94 99.87 208 2415 22 5 99.10 99.79 213 2697 3 0 99.89 100.00 222 2108 8 12 99.62 99.43

4.6 Clasificarea semnalelor ECG Semnalele biomedicale sunt achiziţionate în scopul interpretării lor. Semnalele

cvasiperiodice, cum este semnalul ECG, sunt interpretate de medic urmărind numai evoluţia temporală a lor.

Clasificarea automată a acestor semnale este o sarcină dificilă pentru că există diferenţe chiar şi între două semnale normale. Sistemul automat de clasificare trebuie să înlocuiască medicul în luarea deciziilor şi acest lucru se face, de obicei, cu un anumit nivel de încredere, exprimat procentual (peste 90%) [Popa 2006].

Clasificarea aritmiilor Odată cu detectarea complexelor QRS sunt determinate duratele QRS şi intervalele RR.

Semnalul ECG este apoi clasificat pe baza acestora. În Figura 4.6.1 este prezentat conceptual un algoritm pentru analiza aritmiilor bazat pe cei doi parametri amintiţi [Tompkins 1993].

În cadrul acestei mapări cu doi parametri se stabileşte o regiune normală în care algoritmul este supus unui proces de învăţare pe baza unui set de 8 complexe QRS pe care un specialist le determină ca având ritm şi morfologie normale pentru un anumit pacient. Procesul de învăţare stabileşte centrul iniţial al regiunii normale în cadrul spaţiului bidimensional al hărţii.

O aritmie precum tahicardia determină plasarea grupurilor de bătăi în regiunea “1”, reprezentată de intervale RR foarte scurte. Bătăile bradicardice sunt localizate în regiunea “6”. În mod normal, aritmiile trebuie clasificate în funcţie de secvenţe de bătăi. De exemplu, o contracţie ventriculară prematură cu o pauză compensatorie ar putea fi caracterizată de un interval RR scurt cu o durată QRS mărită, urmat de un interval RR lung cu o durată QRS


36

normală. Reprezentarea pe hartă ar consta într-o secvenţă de două puncte, primul în regiunea “3” şi al doilea în regiunea “5”. Astfel, analiza aritmiilor constă în analizarea modului în care bătăile sunt plasate pe suprafaţa hărţii.

Figura 4.6.1. Algoritmul pentru analizarea aritmiilor [Tompkins 1993]

Centrul regiunii normale este actualizat în mod continuu pe baza mediei intervalului RR a

celor mai recente 8 bătăi clasificate ca fiind normale. Această abordare permite regiunii normale să se mute în spaţiul bidimensional în funcţie de modificările normale fiziologice ale ritmului cardiac sau care apar în timpul efortului fizic. Limitele altor regiuni sunt modificate bătaie cu bătaie deoarece se bazează pe locaţia regiunii normale. Astfel, acest algoritm se adaptează la modificările normale ale ritmului cardiac.

Capitolul V: Sisteme integrate de telemonitorizare

37

CAPITOLUL V – CONTRIBUŢII PROPRII

SISTEME INTEGRATE DE TELEMONITORIZARE 5.1 Telemed-R – sistem de telemonitorizare ECG folosind unde radio Sistemul Telemed-R se referă la un prototip de sistem de telemonitorizare cardiologică în

timp real a pacienţilor folosind undele radio ca suport al transmisiei ECG pe două canale. Sistemul are aplicaţii utile în medicina de urgenţă (staţiile judeţene de ambulanţă, unde

sunt implementate reţele de radiotelefoane), medicina de familie, precum şi pentru asistenţa medicală în locuri izolate.

Sistemul Telemed-R (Figura 5.1.1) conţine două unităţi separate interconectate radio: unitatea de achiziţie şi unitatea de procesare [Rotariu 2003], [Rotariu 2004].

Unitatea de achiziţie (amplificatorul ECG pentru două canale) constă dintr-un set de circuite analogice: amplificatoare de instrumentaţie şi izolaţie, filtre active şi modulatoare de semnal în amplitudine (MA).

Figura 5.1.1 – Schema bloc a sistemului TELEMED-R [Rotariu 2004]

Modularea în amplitudine a semnalelor corespunzătoare celor două canale (Ch1 şi Ch2) se

realizează folosind modulatorul echilibrat MC1496 cu două frecvenţe purtătoare distincte, una de frecvenţă Fc1 = 1KHz şi una Fc2 = 2KHz, obţinându-se două semnale MA – BLD (Bandă Laterală Dublă). Cele două frecvenţe purtătoare au fost alese luându-se în considerare spectrul teoretic al ECG de aproximativ 0.1 – 100Hz. Modularea în amplitudine a fost necesară translării spectrului ECG în banda vocală (300 – 3000Hz) acceptată la intrarea radiotelefonului mobil.

Semnalul modulat aplicat la intrarea radiotelefonului este format prin sumarea celor două semnale de la ieşirile multiplicatoarelor analogice. Semnalul sumat se transmite în exterior prin intermediul radiotelefonului mobil Motorola GM350 (emisie cu modulaţie în frecvenţă în banda VHF 136 – 174MHz cu o putere de emisie de maximum 25W).

Semnalul iniţial (un canal), semnalul modulat, precum şi spectrul de amplitudine al semnalului sumat sunt prezentate în Figura 5.1.2.

Unitatea de procesare este un calculator personal PC echipat cu o placă de achiziţie National Instruments (PC-LPM-16PNP). La recepţie, semnalul este digitizat cu o rezoluţie de 12biţi/sample, cu o frecvenţă de eşantionare 10KHz.

Demodularea este realizată software şi foloseşte schema din Figura 5.1.3.


38

Figura 5.1.2 – Semnalul iniţial, semnalul purtător, semnalul modulat cu Fc = 1KHz, spectrul de amplitudine al semnalului modulat şi spectrul de amplitudine al semnalului transmis radio

Figura 5.1.3 – Schema bloc a procesului de demodulare [Rotariu 2004]

Software-ul de la recepţie este un program interactiv de vizualizare şi analiză offline a

ECG (Figura 5.1.4). Au fost implementate funcţii pentru vizualizare dedicate aplicaţiei, precum şi o funcţie de calcul automat a ritmului cardiac. Calculul automat al ritmului cardiac a fost implementat pe baza algoritmului de detecţie a complexelor QRS prezentat în [Okada 1979].

Interfaţa grafică utilizator constă dintr-o zonă de afişare a formelor de undă pentru cele două canale ECG (până la 8 secunde), o zonă de afişare a informaţiilor specifice şi o zonă de control (constând din diverse butoane). În plus, utilizatorul poate ajusta scara y (amplitudinea) afişării. O bară de scroll este disponibilă pentru simplificarea trecerii rapide prin datele afişate.

Figura 5.1.4 – Interfaţa grafică utilizator a sistemului TELEMED-R [Rotariu 2004]


39

Evaluarea acurateţei transmiterii semnalului ECG a fost făcută folosind mărimea PRD (Percentage Root Mean Square Difference) după formula [Zigel 2000]:

100)(

)](~)([

1

2

1

2

×−

=

∑

∑

=

=N

n

N

n

nx

nxnxPRD , (5.1.1)

unde )(nx este semnalul original, )(~ nx este semnalul reconstruit, iar N este lungimea ferestrei de analiză. Testele au fost executate folosind semnale de probă sinusoidale cu diferite frecvenţe, valoarea PRD situându-se sub 5%.

5.2 MEDCARE – sistem pentru telemonitorizare cardiologică prin Internet Realizarea constă într-un sistem de telemetrie şi telemedicină, numit MEDCARE

(Figura 5.2.1), bazat pe un modul de achiziţie a semnalului ECG şi pe un sistem de calcul “înglobat”, pentru prelucrarea şi transmisia în timp real a electrocardiogramei prin Internet către experţii cardiologi [Costin 2003a].

Sistemul de telemonitorizare este construit folosind dispozitive proiectate şi realizate în cadrul proiectului, precum şi o parte software bazată atât pe programe “open-source”, cât şi pe programe de aplicaţie proprii.

Figura 5.2.1 – Schema bloc a sistemului MEDCARE [Costin 2003a]

Unitatea de monitorizare (Figura 5.2.2) este compusă în principal dintr-un amplificator

ECG pentru toate cele 12 derivaţii, un modul de achiziţie de semnal pe 16 biţi şi dintr-un sistem “înglobat” pentru procesarea semnalelor şi interfaţa cu Internet [Costin 2003b].

Amplificatorul ECG are o bandă de frecvenţă limitată la (0.05 – 150) Hz. Rejecţia înaltă de mod comun (CMRR > 90dB), impedanţa de intrare foarte mare (Zin > 100MΩ), partea flotantă izolată faţă de pacient, intrările protejate la defibrilare sunt trăsături esenţiale ale amplificatorului ECG.

Modulul de achiziţie de semnal conţine placa de achiziţie de semnal DIAMOND MM-16-AT, o placă de expandare care oferă numeroase capabilităţi de achiziţie de date şi care poate fi folosită în orice sistem de calcul înglobat, compatibil PC, având un conector de tip PC/104 (ISA-bus). Principalele sale caracteristici includ: 16 intrări asimetrice sau opt intrări diferenţiale, autocalibrate, un convertor A/D pe 16 biţi, frecvenţa de eşantionare maximă de 100KHz, gama semnalului de intrare programabilă în domeniul de maximum ±10V, patru


40

ieşiri analogice opţionale şi programabile, opt intrări şi ieşiri digitale dedicate, compatibile TTL.

Figura 5.2.2 – Schema bloc a unităţii de monitorizare a ECG

Sistemul “înglobat”, MOPS/520, se bazează pe un microcontroler pe 32 de biţi

(AMD SC520) care lucrează la frecvenţa de 133MHz. Sistemul integrează funcţionalitatea completă a unei plăci de bază şi conţine: CPU, BIOS sistem, 64MB SDRAM, controler de tastatură, ceas de timp real etc. Câteva funcţii suplimentare legate de comunicaţii şi echipamente periferie sunt: patru porturi seriale, unul paralel şi două USB, interfaţă hard-disk de tip IDE, acces Ethernet şi interfaţă cu magistrala CAN.

Afişorul folosit pentru vizualizarea locală a ECG (un canal) şi a unor date alfanumerice este un LCD Seiko 628-G321 având rezoluţia grafică de 320 x 240 pixeli.

Pentru a realiza o implementare software a interfeţei Internet cât mai simplă şi ieftină, am ales binecunoscutul protocol de reţea de comunicaţii TCP/IP. Cât priveşte sistemul de operare folosit, pentru aplicaţii de achiziţii de date în timp real, a fost utilizat sistemul de operare multitasking RT-Linux.

Figura 5.2.3 – Unitatea de monitorizare ECG (prototip)

Întregul sistem MEDCARE lucrează ca o aplicaţie client-server. Modulul server include:

un server de baze de date ce foloseşte MySQL şi resurse deschise (“open sources”) pentru proceduri, tabele, restricţii venind de la aplicaţia “client”; un modul pentru administrare şi control care supervizează fluxul general de date; un modul pentru acces şi securitatea datelor;


41

un modul pentru configurarea parametrilor ş.a. De asemenea, el foloseşte protocoalele HTML şi HTTP pentru a trimite informaţia reactualizată despre starea inimii pacienţilor către “clienţi”, care sunt experţii cardiologi aflaţi într-un centru de cardiologie sau oriunde pe glob [Costin 2004a].

Modulul client conţine totalitatea programelor care rulează pe calculatoarele medicilor specialişti cardiologi [Costin 2006b]. El este implementat cu ajutorul applet-urilor Java şi are următoarele facilităţi: interfaţă grafică (GUI – Graphic User Interface) pentru afişarea ECG în timp real; calculează şi afişează ritmul cardiac şi parametrii ECG de importanţă în diagnostic (HR, QRS); afişează alte date trimise de unitatea de monitorizare ECG; comunică mesajele transmise de expert şi deciziile medicale către medicul de familie sau pacient. De asemenea, programul conţine câteva prelucrări manuale a ECG off–line, cum sunt analiză morfologică (intervale, amplitudini).

Figura 5.2.4 – Interfaţa grafică utilizator a sistemului MEDCARE [Costin 2003a]

5.3 Sistem de comunicare cu persoane cu handicap neuro-locomotor major – TELPROT Sistemul TELPROT este format din două componente: un ansamblu la bolnav şi unul la

supraveghetor [Costin 2007]. Ansamblul pacientului include un senzor de mişcare, un sistem de semnalizare audio şi/sau video şi un transmiţător radio. Supraveghetorul posedă un receptor radio cu difuzor. La cererea bolnavului (o mişcare care închide un contact), blocul audio/video începe furnizarea audio şi/sau pe display a unor expresii-cheie (mi-e sete, mă doare, vreau afară etc.) în succesiune; fiecare expresie este repetată de 2-3 ori, cu pauze. La auzirea/vederea expresiei-cheie potrivită, bolnavul execută o mişcare şi închide contactul – expresia selectată este transmisă prin radio la supraveghetor care află ce doreşte bolnavul şi dacă solicitarea este urgentă (defecaţie, ...) sau nu (sete, foame, ...).

Sistemul TELPROT se compune din două subansambluri mari: • unitatea (aparatul, subsistemul, echipamentul) de la pacient – numit şi Subsistemul

Pacientului – SP; • unitatea (aparatul, subsistemul, echipamentul) de la supraveghetor – numit şi

Subsistemul Supraveghetorului – SS.


42

Figura 5.3.1 – Structura sistemului TELPROT [Costin 2007]

Principiul de funcţionare al sistemului TELPROT reiese din diagrama din Figura 5.3.2.

Figura 5.3.2 – Diagrama operaţiilor în sistemul TELPROT

În mod normal, sistemul este în aşteptare. Când pacientul acţionează întrerupătorul (într. =

activ), se declanşează afişarea şi audiţia cuvintelor cheie, în succesiune; în acest timp întrerupătorul nu este acţionat (într.; = inactiv).

Când pacientul doreşte să transmită un cuvânt, acţionează întrerupătorul (într. = activ); apare şi se aude întrebarea “Transmisie?” – dacă întrerupătorul este activat, se efectuează transmisia la supraveghetor; în caz contrar, se reia ciclul afişării (audiţiei) cuvintelor cheie.

Sistemul este realizat ca o aplicaţie client – server.

Figura 5.3.3 – Interfaţa grafică utilizator a pacientului [Rotariu 2008c]


43

Modulul client este reprezentat de interfaţă grafică a pacientului, ce rulează pe un laptop, prin care primeşte informaţiile sub forma video/audio şi un buton de selecţie.

Serverul este reprezentat de o aplicaţie care primeşte datele de la modulul client le memorează într-o bază de date şi le transmite mai departe către supraveghetor prin reţea folosind protocolul TCP/IP.

Interfaţa grafică utilizator a pacientului, care rulează pe un calculator compatibil PC, (Figura 5.3.3) a fost dezvoltată folosind mediul de programare LABWindows CVI. Aceasta conţine lista de editare în care apar secvenţial cuvintele cheie şi imaginile asociate trimise către sistemul de afişare [Rotariu 2008c].

Funcţionarea programului (Figura 5.3.4) este următoarea: iniţial programul se află într-o stare iniţială (STANDBY). La apăsarea întrerupătorului (butonului dreapta mouse) care simulează dorinţa de comunicare a pacientului se porneşte defilarea în cadrul listei de editare a cuvintelor cheie şi a imaginilor asociate. Acestea se derulează succesiv cu viteza de derulare (în secunde) selectabilă. În momentul în care întrerupătorul este apăsat din nou, specificând răspunsul pacientului, programul funcţionează în una din condiţiile:

• dacă acel cuvânt reprezintă numele unei (sub)categorii de cuvinte cheie este selectată acea (sub)categorie de cuvinte şi derularea cuvintelor pe ecran continuă cu cuvintele cheie din acea (sub)categorie;

• dacă acel cuvânt reprezentă un cuvânt cheie dintr-o subcategorie de cuvinte atunci apare pe ecran expresia „TRIMIT”, caz în care pacientul poate confirma trimiterea prin apăsarea aceluiaşi buton dreapta mouse, sau dacă este depăşită pauza dintre cuvinte (setată anterior) şi pacientul nu a apăsat din nou butonul atunci defilarea (sub)categoriilor de cuvinte cheie este reluată.

Figura 5.3.4 – Algoritmul de selecţie a subcategoriilor de cuvinte


44

Programul funcţionează ciclic atât timp cât numărul de iteraţii realizat pe fiecare (sub)categorie nu este depăşit.

Interfaţa dispune de o facilitate audio, cuvintele cheie defilate vizual având un echivalent auditiv astfel încât fiecare apariţie a acelui cuvânt este însoţită de expresia vorbită a acestuia. Pentru aceasta, cuvintele cheie au fost rostite de o persoană, înregistrate şi digitizate cu 44 ksample/sec, 16 biţi/sample, rezultând mici fişiere audio de tip .wav care sunt rulate simultan cu apariţia cuvintelor cheie.

În momentul în care trimiterea cuvântului este confirmată de pacient, cuvântul cheie împreună cu subcategoria din care face parte este trecut în lista de cuvinte selectate de pacient împreună cu ora, minutul şi secunda la care s-a produs evenimentul respectiv. Simultan aceste

informaţii sunt trimise modulului server (Figura 5.3.5). Acesta, în versiunea actuală permite conectarea cu un modul pacient de la care primeşte informaţiile trimise de pacient.

Figura 5.3.5 – Interfaţa modulului Figura 5.3.6 – Interfaţa programului

server [Rotariu 2008c] ce rulează pe PDA-ul asistentei Subsistemul de la supraveghetor este reprezentat de PDA-ul asistentei pe care rulează o

aplicaţie ce primeşte cuvintele cheie de la pacienţi prin intermediul modulului server şi le afişează prin intermediul unei căsuţe de dialog (Figura 5.3.6).

Afişarea este însoţită de un mesaj sonor de avertizare (beep). Asistenta poate accepta solicitarea pacientului şi poate confirma aceasta prin apăsarea butonului OK, sau o poate ignora prin apăsarea butonului CANCEL. În ambele situaţii răspunsul asistentei este trimis înapoi către sever.

5.4 TELMES – platformă multimedia pentru implementarea teleserviciilor medicale complexe 5.4.1 Arhitectura sistemului TELMES TELMES reprezintă un sistem securizat multimedia destinat implementării teleserviciilor

de consultaţie medicală. Proiectul a fost finalizat cu un model pilot pentru o reţea de telecentre regionale, la care sunt conectate telecentre locale, având ca suport o platformă multimedia, care să permită implementarea de teleservicii medicale complexe, în scopul creşterii posibilităţilor de acordare a asistenţei medicale pentru o categorie largă de pacienţi, mai ales ai medicilor de familie şi a celor din zone rurale sau izolate. Experimentările efectuate pe modelul pilot au drept consecinţă câştigarea experienţei necesare pentru realizarea unui ghid pe baza căruia să se poată trece la extinderea reţelei de telecentre regionale şi a teleserviciilor aferente [Costin 2006a].


45

Figura 5.4.1 – Schema de ansamblu a sistemului TELMES [Puscoci 2006]

Astfel a rezultat o reţea multimedia (Figura 5.4.1), scalabilă, pe baza noilor tehnologii de

comunicaţii şi informatice disponibile în România, formată din două telecentre regionale, interconectate, la Piteşti - pentru judeţul Argeş şi Iaşi - pentru judeţul Iaşi, care permit implementarea aplicaţiilor din categoria teleserviciilor medicale complexe. Un telecentru regional permite conectarea, în cadrul judeţului respectiv, a Spitalului judeţean, a Centrului de diagnosticare şi tratament, precum şi a reţelei locale, (telecentru local), de medici de familie şi pacienţi. Reţeaua de teleservicii astfel formată este gestionată, de către un Centru de management – localizat în Bucureşti. Sistemul dezvoltat conţine o capabilitate de transmitere şi achiziţie a înregistrărilor medicale şi de actualizare a unei baze de date medicală regională, dezvoltată în cadrul proiectului [Puscoci 2006].

Astfel, telecentrul regional, constituie un suport pentru dezvoltarea unei baze de date medicale regionale, ce poate deservi o gamă complexă, de teleservicii de genul teleradiologie, telepatologie, teleconsult, telediagnosticare, telemonitorizare şi constituie un centru pentru activităţi de formare continuă, prin servicii de teleînvăţământ sau de informare/educare pacienţi.

Sistemul TELMES utilizează infrastructuri combinate fix-mobil-Internet, cu aplicarea tehnologiilor moderne de acces de bandă largă pe suport fix sau mobil.

5.4.2 Componenta tehnică a sistemului Pe serverul telecentrului regional Iaşi s-au instalat aplicaţiile software pentru asigurarea

activităţilor de teleconsult, precum şi implementarea bazelor de date regională şi pentru telemonitorizare.

Serverul de la telecentrul regional Iaşi are o arhitectură care înglobează un procesor din categoria Pentium D ce rulează la 2800 MHz, o memorie RAM de 2GB, un harddisk SCSI de 36GB şi unul SATA de 250GB. Pe acesta rulează sistemul de operare LINUX SUSE, versiunea 10.1.

Reţeaua locală a telecentrului regional Iaşi mai conţine două calculatoare – staţii de lucru, necesare dezvoltării şi rulării aplicaţiilor de telemedicină, iar ca elemente auxiliare un modul bluetooth (cu USB, tip Dongle DG06+), un modul wireless PCI de 54Mbit/s în banda 2.4GHz, precum şi un router wireless firewall, tot de 54Mbit/s.

Partea de comunicaţii este reprezentată de modemuri: analogic (56Kbit/s), wireless CDMA (Zapp Z020), GSM/GPRS şi unul ISDN cu acces BRI.


46

Pentru realizarea funcţiei de monitorizare a parametrilor vitali s-au integrat în sistem următoarele dispozitive medicale [Telcomed]:

1. Monitor de pacient WristClinic™ (Figura 5.4.2). Permite monitorizarea următorilor parametri vitali: ritmul cardiac, presiunea arterială, un canal ECG, saturaţia de oxigen din sânge, temperatura corpului.

2. Monitor de pacient MiniClinic™ Wrist-unit (Figura 5.4.3). Permite monitorizarea următorilor parametri vitali: ritmul cardiac, un canal ECG, temperatura corpului.

Dispozitivele WristClinic™ şi MiniClinic™ înregistrează şi transmit datele la un PC prin intermediul interfeţei radio.

3. Interfaţă radio cu ieşire USB MiniGate™ (Figura 5.4.4). Permite conectarea cu dispozitivele prezentate mai sus. Prin conectarea acesteia pe portul USB al aunui PC se activează software-ul intern şi pot fi afişate pe monitorul PC- ului datele achiziţionate şi/sau pot fi trimise aceste date la telecentrul medical. Deţine inglobată o interfaţă radio bidirecţională şi poate opera pe o rază de până la 100m.

4. Interfaţă radio cu conectare prin intermediul reţelei de telefonie fixă MedicGate™ (Figura 5.4.5). Permite conectarea cu dispozitivele prezentate mai sus. Prin conectarea acesteia datele achiziţionate sunt trimise la telecentrul medical folosind canalul telefonic de comunicaţie. Deţine inglobată o interfaţă radio bidirecţională.

Figura 5.4.2 – Monitor de pacient Figura 5.4.3 – Monitor de pacient WristClinic™ MiniClinic™ Wrist-unit

Figura 5.4.4 – Interfaţă radio Figura 5.4.5 – Interfaţă radio cu cu ieşire USB MiniGate™ conectare dial-up tip MedicGate™ 5.4.3 Unitatea de telemonitorizare Acest modul se prezintă în schema bloc din Figura 5.4.6. El permite conectarea

dispozitivelor medicale pentru monitorizarea semnelor vitale. Datele pacientului (de exemplu electrocardiograma, presiunea arterială, ritmul respirator, temperatura corpului etc.) sunt transmise către serverul telecentrulului regional (Iaşi, Piteşti etc.), unde sunt stocate şi prelucrate în timp real sau “off-line”.


47

Figura 5.4.6 – Schema bloc a unităţii de telemonitorizare [Rotariu 2007a] Unitatea de telemonitorizare este compusă dintr-un amplificator ECG pentru cele 3

derivaţii bipolare, un modul de achiziţie de semnal cu microprocesor pe 32biţi cu convertor A/D integrat pe 10biţi şi dintr-un subsistem pentru interfaţa cu Internet [Rotariu 2007a].

Prin intermediul portului USB se achiziţionează date de la cele două dispozitive: monitorul de pacient WristClinic şi MiniClinic Wrist-unit. Datele achiziţionate reprezintă presiunea arterială (PA) sistolică şi diastolică, saturaţia oxigenului din sânge (SpO2) şi temperatura corpului.

Modulul cu microprocesor “înglobat” (Figura 5.4.7) este construit în jurul unui microprocesor pe 32biţi (Ubicom IP2022). Acesta înglobează resursele necesare dezvoltării de aplicaţii pentru sistemele înglobate: convertoare A/D, interfeţe seriale, USB, interfeţe TCP/IP. Microprocesorul are în principal următoarele caracteristici: frecvenţa de tact de 120MHz, 64Kb memorie internă pentru programe de tip EEPROM, 16Kb memorie internă pentru programe/date de tip SRAM, 4Kb memorie internă pentru date de tip SRAM, interfeţe seriale de tip RS232, USB 1.1 şi interfaţă TCP/IP, convertoare A/D pe 10biţi cu 8 intrări.

Figura 5.4.7 – Modulul cu microprocesor “înglobat”

Prin intermediul convertoarelor A/D integrate în microprocesorul IP2022 semnalul ECG

este achiziţionat şi transmis mai departe către calculatorul medicului specialist prin Internet

Modul cu microprocesor “înglobat”

Amplificator ECG 3 derivaţii

A/D

Interfaţă Ethernet

Ethernet

Dispozitive medicale

P

A

C

I

E

N

T PA SpO2 Temp

Port USB

Unitatea de telemonitorizare


48

folosind protocolul TCP/IP. Medicul specialist poate vizualiza în timp real semnalul ECG folosind interfaţa grafică utilizator.

Figura 5.4.8 – Interfaţa grafică utilizator a medicului specialist pentru monitorizarea ECG

Interfaţa grafică utilizator (Figura 5.4.8) pentru monitorizarea semnalului ECG, ce

rulează pe calculatorul medicului specialist are următoarele caracteristici: • dispune de controale de editare pentru numele pacientului, numele medicului specialist

şi ID-urile acestora (pentru pacient ID-ul este reprezentat de CNP iar pentru medic de codul de pe parafa acestuia);

• dispune de controale pentru afişarea stării conexiunii cu unitatea de telemonitorizare (Conection Status);

• conţine butoanele New şi Done pentru conectarea şi deconectarea interfeţei la unitatea de telemonitorizare; în momentul în care este realizată conexiunea unitatea începe trimiterea datelor achiziţionate;

• semnalul achiziţionat sub formă de eşantioane poate fi memorat în fişier de tip text prin apăsarea butonului Save;

• semnalul achiziţionat poate fi vizualizat grafic în ferestrele Acq waveform şi Filtered waveform; în cea de-a doua fereastră semnalul ECG este filtrat trece-jos;

• conţine butonul Analyse prin apăsarea căruia se realizeză analiza morfologică a semnalului afişat. Analiza morfologică realizează automat pe 10 cicli cardiaci calculul ritmului cardiac, amplitudinea medie a undei R, durata medie a complexului QRS şi amplitudinea medie a segmentului ST folosind metoda prezentată în Capitolul IV §4.4. Aceşti parametri sunt afişaţi în căsuţa de editare Results.

5.5 TELEMON – Sistem integrat de telemonitorizare în timp real a pacienţilor şi persoanelor în vârstă

5.5.1 Introducere

TELEMON este un sistem integrat electronico-informatic şi de telecomunicaţii scalabil,

care permite telemonitorizarea automată şi complexă, oriunde şi oricând (la domiciliu, în spital/azil, la serviciu, a subiectului mobil etc., pe mai multe căi de comunicaţie), în timp real, a persoanelor bolnave cronic, a persoanelor în vârstă, şi a celor cu risc medical crescut.


49

Sistemul TELMON (Figura 5.5.1) este construit în jurul unui server central de baze de date care primeşte date de la subsistemele locale 1..n, ce monitorizează starea pacientului la domiciliul său, precum şi de la subsistemele de tip pacient 1..m ce monitorizează activitatea pacientului fără ca acesta să se afle într-un anume loc (mobil).

Figura 5.5.1 – Schema bloc de ansamblu a sistemului TELEMON [Costin 2009a]

Sistemul TELEMON include următoarele componente hardware/software

[Costin 2009a]: • un sub-sistem local, format dintr-o reţea personală de traductori medicali, fără fir

(RPT) pentru parametri vitali (ECG, puls, presiune arterială, saturaţia oxigenului din sânge, ritmul respirator şi temperatura corpului), un calculator personal de tip PC interfaţat radio cu RPT, pentru achiziţia şi prelucrarea primară a datelor specifice, conectat la Internet; pentru subiectul mobil prelucrarea datelor va fi asigurată de un calculator tip PDA interfaţat cu RPT, iar transmisia acestora se efectuează prin modulele WiFi sau GSM/GPRS ale PDA;

• un calculator – server pentru baze de date şi alte programe de aplicaţii, situat la centrul de Telemonitorizare Regional (CTMR).

• software de aplicaţie pentru achiziţia şi analiza datelor medicale, a transmisiei acestor date şi/sau a celor prelucrate către serverul central, module software pentru interfaţarea şi comunicarea bilaterală între sub-sistemul local şi serverul central, software pentru monitorizarea şi generarea de alarme specifice mărimii monitorizate şi transmiterea acestora după caz către Staţia de Ambulanţă, medicului de familie, celui specialist sau unui supraveghetor desemnat;

În continuare va fi descrisă varianta de monitorizare a pacientului mobil [Rotariu2008a]

[Rotariu 2010a] [Rotariu 2010b] [Rotariu 2010c]. 5.5.2 Arhitectura reţelei personalizate de traductori Arhitectura reţelei personalizate de traductori medicali este prezentată în Figura 5.5.2.

Aceasta conţine traductori pentru achiziţia semnalelor de tip ECG, a ritmului respirator, a presiunii arteriale sistolică şi diastolică, a saturaţiei de oxigen din sânge (SpO2) şi a temperaturii corpului.

Traductorii transmit valorile numerice ale semnalelor biomedicale sau parametrii monitorizaţi către serverul local (PDA-ul pacientului) folosind conexiunea radio. Aceasta implică ca fiecare traductor să aibă ataşat un modul transmiţător (de tipul eZ430 – RF2500) care conţine un microcontroler pe 16biţi (cu resurse de tip convertor analog/digital, intrări/ieşiri digitale şi seriale) şi un circuit de radiofrecvenţă (RF), ambele cu consum redus


50

de energie şi alimentate la baterii sau acumulatori. Circuitul de radiofrecvenţă utilizat (Chipcon CC2500) transmite/recepţionează date în banda de 2.4GHz.

Figura 5.5.2 – Schema bloc a reţelei personalizate de traductori [Rotariu 2010a]

Receptorul (Figura 5.5.3) reconstituie datele numerice transmise şi le furnizează la PDA-

ului pacientului. Interfaţarea modulului radio receptor cu PDA-ul se realizează prin intermediul portului USB cu care este echipat PDA-ul şi a unui circuit specializat convertor serial – USB.

Figura 5.5.3 – Schema bloc a receptorului RF [Rotariu 2010a]

5.5.3 Amplificatorul ECG Amplificatorul ECG (Figura 5.5.4) este un modul realizat în cadrul proiectului. Acesta

este în principal un amplificator de semnale biomedicale pe 3 canale. Amplificarea fiecărui canal este egală cu 500, intrările sunt cuplate AC şi are o bandă de frecvenţe limitată la 100Hz. Rejecţia mărită de mod comun (> 90dB), impedanţa mare de intrare (> 10MΩ) şi intrările flotante sunt de asemenea caracteristici ale amplificatorului ECG [Rotariu 2008b].


51

Figura 5.5.4 – Schema bloc a amplificatorului ECG [Rotariu 2008b]

Al doilea etaj este un filtru trece jos dublu cu frecvenţa de tăiere de aproximativ 100Hz, o

amplificare de 100 în banda de trecere şi o atenuare de 40dB/dec. Frecvenţa de eşantionare a semnalelor ECG este de 200Hz. Alimentarea amplificatorului ECG este realizată cu 2 acumulatori AAA de 1.2V prin

intermediul unui stabilizator ridicător de tensiune.

Figura 5.5.5 – Amplificatorul ECG (prototip) [Rotariu 2008b]

5.5.4 Traductorul de respiraţie Traductorul de respiraţie este realizat cu termistori [Ciubotariu 2009]. Aceştia se

plasează în faţa foselor nazale şi detectează diferenţa dintre temperatura aerului inhalat şi cea a aerului expirat (Figura 5.5.6). Diferenţa de temperatură este în mod uzual de aproximativ 10°C.

Termistorii sunt incluşi în montaj de tip divizor rezistiv (Figura 5.5.7).

BT1Battery

A

G = 4

GND

P4.5

ADC10

ADC10

GND

MSP430F2274

B

G = 4

VCC

VCC

VCC

1K

R3Res1

10nF

C2Cap

10K

R1Thermistor

GND GND

1K

R4Res1

10nF

C3Cap

10K

R2Thermistor

GND GND

OA1I1

4uF

C1Cap

GND

OA0I1

P4.6

Figura 5.5.6 – Traductorul Figura 5.5.7 – Schema electrică a

de respiraţie traductorului de respiraţie[Ciubotariu 2009]


52

Tensiunea analogică de la intrarea microprocesorului MSP430F2274 este amplificată de 4 ori de amplificatorul operaţional integrat în microprocesorul MSP430F2274 şi digitizată cu frecvenţa de 10Hz de convertorul A/D intern. Alimentarea traductorului de respiraţie se realizează de la o baterie de 3V cu litiu de tipul CR2032.

Figura 5.5.8 – Traductorul de respiraţie (prototip)

5.5.5 Traductorul de SpO2 şi puls Pulsoximetrul folosit pentru măsurarea SpO2 şi puls este Micro Power Oximeter board

[Smiths Medical]. Acesta are următoarele specificaţii tehnice: gama de măsurare pentru SpO2 0 – 99% (cu pasul de 1%), precizie ±2 pentru 70 – 99% SpO2, gama pulsului 30 – 254 BPM (cu pasul de 1 BPM), precizia de ±2 BPM sau ±2% (care este mai mare).

Pulsoximetrul comunică serial SpO2, pulsul şi semnalul fotopletismografic modulului eZ430 – RF2500 cu care este conectat (Figura 5.5.9) cu viteza de comunicaţie de 4800bps, 8 biţi date, fără paritate şi 1 bit de stop.

Figura 5.5.9 – Pulsoximetrul Micro Power Oximeter şi modulul eZ430 – RF2500

Alimentarea traductorului de SpO2 este realizată cu 2 baterii AAA de 1.5V prin

intermediul unui stabilizator ridicător de tensiune.

Figura 5.5.10 – Traductorul de SpO2 şi puls (prototip)

5.5.6 Traductorul de presiune arterială Pentru măsurarea presiunii arteriale a fost folosit un tensiometru digital A&D UA-767PC

[A&D Medical] cu port serial, care facilitează comunicarea bidirecţională cu viteza de


53

comunicaţie de 9600bps. Acesta este conectat la modulul eZ430-RF2500 către care trimite valorile numerice ale presiunii arteriale (sistolică şi diastolică) şi pulsul [Hande 2006].

Domeniile de măsurare ale tensiometrului A&D UA-767PC sunt: 20 – 280mmHg (presiunea arterială)/40 – 200bpm, precizie de măsurare: 3mmHg (2%) (presiune) şi 5% puls.

Alimentarea traductorului se realizează cu 4 baterii alcaline tip AA.

Figura 5.5.11 –Tensiometrul UA-767PC şi modulul eZ430-RF2500 [Rotariu 2010a]

Figura 5.5.12 – Traductorul de presiune arterială şi puls (prototip) [Rotariu 2010a]

5.5.7 Traductorul de temperatură Traductorul de temperatură (Figura 5.5.14) este construit cu circuitul TMP275

[SBOS363D]. TMP275 este un circuit pentru măsurarea temperaturii cu o precizie de ±0.5°C (max) pentru intervalul −20°C +100°C. Rezoluţia de măsurare a temperaturii este de 0.0625°C (12 biţi), iar timpul de răspuns este mai mic de 220ms. Eroarea de măsurare a temperaturii pentru intervalul 35 – 45°C este mai mică decât 0.2°C .

Circuitul este conectat direct cu microprocesorul MSP430F2274 de pe modulul eZ430-RF2500 prin intermediul liniilor de tip I2C emulat şi nu necesită foarte multe componente auxiliare. Frecvenţa de citire a temperaturii a fost stabilită la 1Hz. Alimentarea traductorului de temperatură se realizează de la o baterie de 3V cu litiu de tipul CR2032.

Figura 5.5.13 – Traductorul Figura 5.5.14 – Schema electrică a traductorului de temperatură de temperatură [Rotariu 2010a]


54

Figura 5.5.15 – Traductorul de temperatură (prototip) [Rotariu 2010a]

5.5.8 Serverul de pacient În Figura 5.5.16 se prezintă schema bloc a serverului de pacient. Pe server rulează o

aplicaţie de monitorizare care: • preia datele de la traductori prin intermediul dispozitivelor de tip transmiţător; datele

conţin identificatorul traductorului şi valoarea măsurată (în cazul traductorului ECG se transmite la un moment de timp un bloc de date);

• realizează automat analiza datelor de la traductori; în cazul semnalului ECG este realizată analiza morfologică prin detecţia complexelor QRS şi calculul ritmului cardiac (HR) folosind metoda prezentată în Capitolul IV §4.5;

• activează alarmele daca parametrii monitorizaţi depăşesc limitele (HR > 140bpm, HR < 50bpm, SpO2 < 90%, lipsa respiraţiei pentru mai mult de 10sec., PA > 160/100mmHg sau PA < 90/60mmHg, Temp > 40°C sau Temp < 32°C);

• se conectează în caz de alarmă sau periodic la serverul central, unde descarcă valorile numerice ale parametrilor monitorizaţi, folosind conexiunea WiFi sau GSM/GPRS;

• dispune de o interfaţă utilizator prin intermediul căreia se pot vizualiza forme de undă, valorile numerice ale parametrilor monitorizaţi şi se pot modifica pragurile de alarmare

• stochează parametrii monitorizaţi precum şi datele provenite de la traductori pe un suport nevolatil de mare capacitare de tip SD-Card.

Serverul de pacient este implementat folosind PDA-ul HTC X7500 cu sistem de operare Windows Mobile, versiunea 5.0. Acesta are pe în structura sa un port USB host şi furnizează pe conector o tensiune stabilizată de 5V. Pentru conectarea modulului eZ430 – RF2500 receptor s-a realizat un modul de interfaţă care conţine un transceiver USB – serial CMOS ) şi un stabilizator liniar coborâtor de tensiune de la 5V la 3.3V necesar alimentării modulului eZ430 – RF2500.

Figura 5.5.16 – Serverul de pacient [Rotariu 2010a]


55

Datele se transferă de la modulul eZ430 – RF2500 receptor la PDA prin intermediul transceiver-ului serial – USB şi portului USB al PDA. Preluarea lor se realizează prin intermediul driverului de COM. Acesta trebuie programat pentru o viteza de comunicaţie de 57600bps, 1 bit start, 1 bit stop, fără paritate.

În Figura 5.5.17 este prezentată interfaţa grafică a aplicaţiei de monitorizare ce rulează pe serverul de pacient. Aceasta conţine formele de undă şi indicatorii de stare pentru fiecare traductor:

• tensiunea de alimentare de la baterii sau acumulatori a traductorului; • distanţa traductorului faţa de modulul ez430 – RF2500 receptor – aproximată prin

măsurarea puterii semnalului recepţionat (RSSI) de modulul eZ30 – RF2500 receptor.

a) b)

c) d)

Figura 5.5.17 – Interfaţa aplicaţiei de monitorizare ce rulează pe PDA a) Derivaţii ECG b) ECG, puls periferic şi SpO2 c) Ritm respirator d) Stare traductori [Rotariu 2010a]

5.5.9 Consumul de energie Pentru a evalua consumul de energie şi durata de viaţă a bateriilor pentru ficare traductor,

se foloseşte schema de măsurare din Figura 5.5.18.

Figura 5.5.18 Circuit pentru evaluarea consumului de curent al traductorilor


56

Pentru modulul eZ430 – RF2500 se prezintă în Figura 5.5.19 profilul de curent consumat la transmisia pachetelor. Pentru calculul curentului mediu s-a calculat integrala tensiunii de sub grafic, obţinându-se o valoare de aproximativ 1000µV*sec., deci un curent de aproximativ 1000µV*sec/10Ω = 100µA*sec.

a) b)

Figura 5.5.19 – Profilul de curent consumat de eZ430-RF2500 a) la transmisia unui pachet b) la transmisia a 6 pachete la interval de 1 sec.

S-au alimentat traductorii şi pentru fiecare s-a calculat curentul mediu pe baza schemei de

măsură din Figura 5.5.18. Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 5.5.1. S-a considerat că bateriile/acumulatorii îşi menţin capacitatea până la golire.

Tabelul 5.5.1 – Consumul de energie şi durata de viaţă a baterilor

Traductor Frecvenţa de transmisie a

datelor

Curent mediu consumat

Capacitate baterii

Zile de operare continuă

ECG 100 pachete/sec. 9.8 mA 1000 mAh 4.2 Respiraţie 10 pachete/sec. 1.4 mA 240 mAh 7.1 SpO2 1 pachet/sec. 6.1 mA 1250 mAh 8.5 Presiune arterială 1 pachet/30min. 9.8 mA 2850 mAh 12.1 Temperatură 1 pachet/sec. 0.2 mA 240 mAh 45.5

Capitolul VI: Concluzii

57

CAPITOLUL VI

CONCLUZII

Telemonitorizarea în timp real a pacienţilor, atât preventiv cât şi după evenimente

medicale majore, reprezintă o procedură din ce în ce mai utilizată în practica medicală. Ea cere dispozitive cu performanţe din ce în ce mai mari pentru achiziţia şi transmiterea parametrilor vitali.

O limitare a telemonitorizării parametrilor vitali constă în eşecul acestor sisteme de a detecta schimbări fiziologice importante: detectarea pierderilor masive de sânge, a unui volum plasmatic insuficient la pacienţii cu arsuri sau identificarea bolilor grave la copii. Parametrii vitali aflaţi în limite normale nu garantează o stare fiziologică stabilă, sugerând astfel faptul că utilitatea telemonitorizării acestora este mai degrabă un indicator al necesităţii mai multor investigaţii viitoare.

Sistemele de telemonitorizare prezentate pot fi folosite ca sisteme de alarmare în cazul monitorizării în timpul activităţii normale sau al exerciţiilor fizice.

Caracteristici importante sunt modularitatea şi flexibilitatea sistemelor, astfel încât pot permite achiziţia, monitorizarea şi analiza unui domeniu larg de semnale biomedicale, cum sunt ECG, EEG, EMG, EGG, EOG ş.a. Sistemele pot fi extinse cu noi tipuri de intrări de date, incluzând corelaţii între stări fiziologice şi emoţionale, ceea ce ar putea dezvolta semnificativ interfaţa şi interacţiunea om-calculator.

Cercetarea în domeniul telemonitorizării în România va permite atingerea unui obiectiv important din punct de vedere al calităţii serviciilor medicale şi anume cel al implementării teleservciilor medicale la noi în ţară, aliniat la cerinţele Uniunii Europene, precum şi la standardele şi recomandările tehnice actuale, elaborate de organisme tehnice consacrate, în domeniul telemedicinei.

Efectele introducerii pe scară largă a sistemelor de telemonitorizare se concretizează prin creşterea gradului de acces la tehnologii moderne, în domeniul medical, la creşterea calităţii actului medical, în condiţiile scăderii costurilor de dotare şi, implicit, la creşterea gradului de sănătate a populaţiei, concomitent cu scăderea gradului de mortalitate. Din punctul lor de vedere, pacienţii pot salva timp, bani şi confort, cu menţinerea sau creşterea calităţii actului medical, coborât fizic chiar la nivelul domiciliului pacientului.

Din punct de vedere economic, prin introducerea sistemelor de telemonitorizare se obţine o reducere a costurilor sociale în domeniul sănătăţii, nu de puţine ori destul de costisitoare. Se vor reduce semnificativ costurile privind achiziţia, stocarea şi administrarea datelor medicale prin automatizarea acestora. Telemonitorizarea continuă a pacienţilor va reduce perioadele de spitalizare şi timpul petrecut de pacient în policlinici şi cabinete medicale.


58

Sistemele de telemedicină vor completa treptat sistemele clasice de stocare a datelor medicale, care în momentul de faţă ocupa mult spaţiu, necesită timp semnificativ pentru accesul la date şi nu permit înregistrarea unor date complexe.

În final se constată că sistemele informatice, în cazul telemonitorizării bazate pe sisteme înglobate, concură activ şi eficient la calitatea deciziei medicale mai ales în situaţii în care lipsa specialistului “in situ” este încă o realitate în prag de mileniu trei.

În secţiunea următoare se face o trecere în revistă a contribuţiilor personale cu citări

referitoare la lucrările publicate în extenso. 6.1 Sumarul contribuţiilor personale Capitolul V intitulat „Sisteme integrate de telemonitorizare” cuprinde rezultatele

cercetărilor autorului acestei teze de doctorat efectuate în perioada 2001 – 2010 în cadrul Facultăţii de Bioinginerie Medicală din UMF “Gr. T Popa” Iaşi.

Contribuţiile personale se regăsesc în cea mai mare parte în cele 36 de publicaţii (din care 13 ca prim autor) şi în cele două cărţi de specialitate (din care una ca unic autor). Pe scurt acestea sunt:

• Proiectarea, implementarea şi testarea unui sistem de telemonitorizare a semnalului ECG folosind ca suport al comunicaţiei undele radio. Rezultatele sunt prezentate în [Rn1] şi [Vn4] şi în Capitolul V §5.1.

• Proiectarea şi implementarea unei unităţi de telemonitorizare pentru achiziţia, prelucrarea şi transmisia semnalului ECG prin Internet. Aceasta a fost implementată în cadrul sistemului MEDCARE [P1]. Rezultatele sunt prezentate în [Ri4], [Vi22], [Vi23], [Rn2], [Rn3], [Vn3], [E1] şi în Capitolul V §5.2.

• Proiectarea, implementarea şi testarea unui sistem de comunicare cu persoane cu handicap neuro-locomotor major în cadrul sistemului TELPROT [P2]. Rezultatele sunt prezentate în [Vi10], [Vi16] şi în Capitolul V §5.3.

• Proiectarea şi implementarea unei arhitecturi de telemonitorizare a parametrilor vitali (ECG, SpO2, PA şi Temperatură) ca parte a unui sistem complex de telemedicină. Acesta a fost implementată în cadrul sistemului TELMES [P3]. Rezultatele sunt prezentate în [Vi18], [Vi19], [Vi20], [Vi21], [Vn1], [E2] şi in Capitolul V §5.4.1 şi §5.4.2.

• Proiectarea şi implementarea unei unităţi de telemonitorizare bazată pe un sistem înglobat pentru achiziţia şi transmisia parametrilor vitali (ECG, SpO2, PA şi Temperatură) prin Internet. Acesta a fost integrată în sistemul TELMES [P3]. Rezultatele sunt prezentate în [Ri3] [Vi15], [Vi17] şi în Capitolul V §5.4.3.


59

• Proiectarea unei arhitecturi de sistem de telemonitorizare în timp real a parametrilor vitali pentru bolnavii cronici şi pacienţii în vârstă. Acesta a fost implementată în cadrul sistemului TELEMON [P4]. Rezultatele sunt prezentate în [Vi1], [Vi2], [Vi3], [Vi4], [Vi8], [Vi9], [Vi11], [Vi13], [Vi14] şi în Capitolul V §5.5.2.

• Proiectarea, implementarea şi testarea unui sistem de telemonitorizare a parametrilor vitali (ECG, Ritm respirator, SpO2, PA şi Temperatură) folosind traductori wireless. Acesta a fost integrat în cadrul sistemului TELEMON [P4]. Rezultatele sunt prezentate în [Cb1], [Cb2], [Ri1], [Ri2], [Vi6], [Vi7] şi in Capitolul V §5.5.3 - §5.5.9.

• Proiectarea şi implementarea unui modul hardware de detecţie a căderii persoanei folosind senzori wireless. Acesta a fost integrat în cadrul sistemului TELEMON [P4]. Rezultatele sunt prezentate în [Vi5].

6.2 Direcţii viitoare de cercetare

Tot mai des în ultima perioadă se dezvoltă sisteme de telemonitorizare bazate pe reţele de

senzori. Din această cauză, reţelele de senzori trebuie sa fie din ce în ce mai robuste, cu durată de viaţă cât mai îndelungată şi cu un cost cât mai mic.

Luând în considerare soluţiile prezentate în lucrare, direcţiile viitoare de cercetare pot viza mai multe planuri:

1. Implementarea unor algoritmi de prelucrare a semnalelor mai eficienţi din punct de vedere computaţional chiar la nivelul traductorului;

2. Implementarea unor algoritmi adaptivi de management a energiei consumate de traductori;

3. Implementarea unor metode de extragere de trăsături şi clasificare automată a semnalelor biomedicale, bazate pe reguli;

4. Creşterea numărului de parametri monitorizaţi prin includerea şi a celor nu neapărat vitali.

5. Implementarea unor metode de determinare a poziţiei persoanei telemonitorizate folosind tehnologia GPS.

Aceste provocări ştiinţifice şi tehnologice vor fi abordate, la un nivel superior, în lucrări

viitoare.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

[Alecu 2008] Alecu A., Ghid ECG, Farma Media, ISBN: 978-973-87462-5-1, 2008 [Afonso 1999] Afonso V. X., Tompkins W. J., Nguyen T. Q., Luo S., ECG beat detection

using filter banks , IEEE Trans. Biomed. Eng, vol. 46, pp. 192-202, 1999 [Anliker 2004] Anliker U., Ward, J.A., Lukowicz P. et. al., AMON: a wearable

multiparameter medical monitoring and alert system, IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, Vol. 8, pp. 415 – 427, ISSN: 1089-7771, 2004

[A&D Medical] UA767PC Blood Pressure Monitor http://www. lifesourceonline.com/and_med.nsf/html/UA-767PC

[Bennet 1978] Bennet A.M. et al., Telehealth Handbook. A Guide to Telecommunications Technology for Rural Health Care, US Department of Health, Education and Welfare, Publ. No. (PHS) 78-3210, 1978

[Boros 2007] Boros M., Monitoring in Medical Practice – Basic Medical Skills, Institute of Surgical Research University of Szeged, Medical School Hungary, Innovariant Ltd. 3 Textilgyári Rd., H-6725 Szeged , 2007, ISBN 963-482-787-X

[Cardionet] Sistem integrat pentru supraveghere continua in retea inteligenta e-Health a pacientilor cu afectiuni cardiologice, http://cardionet.utcluj.ro/Raport_tehnic_et2.pdf

[Chan 2005] Chan V., Underwood S., A Single-Chip Pulsoximeter Design Using the MSP430, SLAA274–November, http://focus.ti.com/lit/an /slaa274/ slaa274.pdf, 2005

[Ciubotariu 2009] Ciubotariu R., Adochiei F., Rotariu C., et. al, A Low Power Wireless Breathing Module for Personal Area Network, Advancements of Medical Bioengineering and Informatics, ISSN: 2066-7590, pp. 190-193, 2009

[CodeBlue] CodeBlue – Wireless Sensor Networks for Medical Care, http://fiji.eecs.harvard.edu/CodeBlue

[COM689] Comunicarea comisiei comunităţilor europene către parlamentul european privind telemedicina şi beneficiile sale pentru pacienţi, pentru sistemele de sănătate şi pentru societate, Bruxelles, 2008

[Costin 2000] Costin H., Electronică Medicală, Ed. Cantes, ISBN 973-8173-10-8, 2000 [Costin 2003a] Costin H., Rotariu C., et al., MEDCARE - sistem pentru telemonitorizare

cardiologică prin Internet, Revista Medico-Chirurgicală, Iaşi, Vol. 107, No. 3, Supl. 1, pp. 528-533, 2003

[Costin 2003b] Costin H., Rotariu C.., Bârleanu Al., An embedded telemetry system for the web-based ECG transmission, Craiova Medicala Journal, Vol. 5, S3, Craiova, Romania, pp. 489-492, 2003

[Costin 2004a] Costin H., Rotariu C., Bârleanu Al., Telemedicina în România – de la discuţii la practică: MEDCARE - sistem de telemonitorizare cardiologică prin Internet, volumul Conferinţei Naţionale “Managementul informaţiei şi informatizarea sistemului de sănătate”, CJAS Iaşi, Iaşi, pp. 202-207, 2004

[Costin 2006a] Costin H, Puscoci S., Rotariu C., Dionisie B. and Cimpoesu M., A Multimedia Telemonitoring Network for Healthcare, Proc. of XVII Int. Conference on Computer and Information Science and Engineering, ENFORMATIKA 2006, pp. 113-118, Dec. 2006, Cairo, Egipt, ISSN 1305-5313, 2006

[Costin 2006b] Costin H., Rotariu C., Dionisie B., Ciofea R., Puscoci S., Telemonitoring System for Complex Telemedicine Services, Proc. of Int. Conference on Computers, Communications & Control, ICCCC 2006, pp. 150-155, June 1-3, Baile Felix Spa, Oradea, 2006

[Costin 2007] Costin H., Cehan V., Rotariu C. et al., TELPROT - Communication System with Persons Having a Major Neuro-Locomotor Handicap, Proc of. EHB 2007, E-Health and Bioengineering, pp. 67-70, Iasi, 2007

[Costin 2009a] Costin H., Rotariu C., et al., TELEMON – Complex System for Real Time Medical Telemonitoring of Vital Signs, Advancements of Medical Bioengineering and Informatics, ISSN: 2066-7590, pp. 17-23, 2009


[Costin 2009b] Costin H., Rotariu C., Electronica medicală - o abordare practică – Vol. I, Editura “Gr. T Popa” UMF Iaşi, 2009, ISBN 978-606-544-010-4

[Dragu 1981] Dragu I., Iosif I.M., Circuite integrate liniare. Amplificatori operaţionali, Ed. Militară, 1981

[Gligor 1988] Gligor T. D., Bartos O., Policec A., Goian V., Aparate electronice medicale, Ed. Dacia, 1988

[Gouaux 2002] Gouaux F., Simon-Chautemps L., Fayn J. et al. Ambient Intelligence and Pervasive Systems for the Monitoring of Citizens at Cardiac Risk: New Solutions from the EPI-MEDICS Project, Computers in Cardiology, Vol. 29, pp. 289-292, 2002

[Gritzali 1989] Gritzali F., Frangakis G., & Papaconstantinou G., Detection of P and T waves in ECG, Comp. and Biomed. Res., 22, 83-91, 1989

[Hamilton 1986] Hamilton, P.S., & Tompkins, W.J. Quantitative investigation of QRS detection rules using the MIT/BIH arrhythmia database, IEEE Trans. on BME, BME-33 (12), 1157-1165, 1986

[Hamilton 2002] Hamilton P., Open Source ECG Analysis Software Documentation http://www.eplimited.com/osea13.pdf, EP limited, 2002

[Hande 2006] Hande A., Polk T., Walker W. and Bhatia D., Self-Powered Wireless Sensor Networks for Remote Patient Monitoring in Hospitals, Sensors,Vol. 6, pp. 1102-1117, ISSN 1424-8220, 2006

[Hu-Tompkins 1993] Hu Y. H., Tompkins W. J., Urrusti J. L., Afonso V. X., Applications of artificial neural networks for ECG signal detection and classification, Journal of Electrocardiology, vol. 26 (Suppl), pp 66-73, 1993

[IEEE802.15.4 2006] IEEE Standard for Information technology, Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements, IEEE Computer Society, IEEE Std 802.15.4™, 2006

[Kästle 1997] Kästle S, Noller F., Falk S., Bukta A., Mayer E and Miller D., A New Family of Sensors for Pulse Oximetry, Hewlett-Packard Journal, 1997

[Kadambe 1999] Kadambe S., Murray R., Boudreaux G. F., Wavelet transform-based QRS complex detector, IEEE Trans. Biomed. Eng, vol. 46, pp. 838-848, 1999;

[Klabunde 2007] Klabunde R., Cardiovascular Physiology Concepts: Mean Arterial Pressure, http://www.cvphysiology.com /Blood%20 Pressure/BP006.htm

[Kohler 2002] Kohler B., Hennig C. and Orglmeister R., The Principles of software QRS Detection – reviewing and Comparing Algorithm for Detecting this Important ECG Waveform, IEEE Eng. în Medicine and Biology, Jan-Feb, 2002

[Laguna 1990] Laguna P., Thakor N.V., Caminal P., Jane R., and Yoon H-R., New algorithm for QT interval analysis in 24-hour Holter ECG: performance and applications, Med. and Biol. Eng. and Comp., 28, 67-73, 1990

[Li 1995] Li C., Zheng C., Tai C., Detection of ECG characteristic points using wavelet transforms, IEEE Trans. Biomed. Eng, vol. 42, pp. 21-28, 1995

[Mahmoodabadi 2005] Mahmoodabadi S.Z., Ahmadian A., Abolhasani M. D., ECG Feature Extraction using Daubechies Wavelets, Visualization, Imaging, And Image Processing, 2005

[M-Health 2006] M-Health: Emerging Mobile Health Systems (Topics in Biomedical Engineering. International Book Series), Edited by Istepanian R., Laxminarayan S., and Pattichis S., Springer, ISBN: 978-0387-26558-2, 2006

[Morales 2007] Morales M., A Wireless Sensor Monitor Using the eZ430 – RF2500, MSP430 Applications, Application Report, Texas Instruments, SLAA378, http://focus.ti.com/lit/an/slaa378b/slaa378b.pdf, 2007

[Oppenheim 1989] Oppenheim A.V., Schafer R.W., Discrete-Time Signal Processing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 1989

[Okada 1979] Okada M., A digital filter for the QRS complex detection, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 26, pp. 700-703, Dec. 1979.


[Pan 1985] Pan J., and Tompkins W.J., A real-time QRS detection algorithm, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. BME-32, pp. 230-236, 1985

[Physionet] MIT-BIH Arrhythmia Database, http://www.physionet.org/physiobank/ database/mitdb/

[Poli 1995] Poli R., Cagnoni S., Valli G., Genetic design of optimum linear and nonlinear QRS detectors, IEEE Trans. Biomed. Eng, vol. 42, pp. 1137-1141, 1995

[Popa 2006] Popa R., Electronică Medicală, Ed. Matrixrom, 2006 [Puscoci 2006] Puscoci S., Costin H., Rotariu C. et. al., TELMES – Regional Medical

Telecentres, Proc. of XVII Int. Conference on Computer and Information Science and Engineering, ENFORMATIKA 2006, pp. 243-246, Dec. 2006, Cairo, Egipt, ISSN 1305-5313, 2006

[Rangaraj 2002] Rangaraj M. Biomedical Signal Analysis: A Case-Study Approach, Wiley-IEEE Press, 2002, ISBN: 978-0471208112

[Roberts 2004] Roberts J. (Editor), Hedges J. (Editor), Clinical Procedures in Emergency Medicine, 4th edition, W.B. Saunders, Inc., 2004, ISBN 0-7216-9760-7

[Rotariu 2003] Rotariu C., Costin H., Bârleanu Al., Telemed-R: a real time ECG telemonitoring system using radio waves, Craiova Medicală Journal, Vol. 5, Suppl. 3, Craiova, Romania, pp. 485 - 488, 4 pg., ISSN:1454-6876, 2003

[Rotariu 2004] Rotariu C., Costin H., Telemed-R, sistem de telemonitorizare ECG folosind unde radio, volumul Conferinţei Naţionale “Managementul informaţiei şi informatizarea sistemului de sănătate”, CJAS Iaşi, Iaşi, pp. 208-212, sept. 2004

[Rotariu 2006] Rotariu C., Costin H., Morphological Analysis of the ECG Signal Using Digital Filters, Workshop-ul „Echipamente electronice şi informatică medicală. Aplicaţii în medicină”, Piteşti, Ed. A VI-a, Univ. Piteşti, 30iunie – 1 iulie 2006

[Rotariu 2007a] Rotariu C, Costin H, Puscoci S, Andruseac G. and Costin C., An Internet Embedded Monitoring Unit for Telemedicine Services, Proc. of EMMIT2007, Euro-Mediterranean Medical Informatics and Telemedicine 3rd International Conference, pp. 176-180, 3-5 May, Mangalia, 2007

[Rotariu 2008a] Rotariu C., Costin H., Arotaritei D. and Constantinescu G., A Low Power Wireless Personal Area Network for Telemedicine, Proceedings of the 4th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering, R. Vol. 22, pp. 982-985, 2008

[Rotariu 2008b] Rotariu C., Costin H., Arotaritei D. and Dionisie B., A Wireless ECG Module for Personal Area Network, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tome LIII (LVIII) Fasc. 1, pp. 45-54, 2008

[Rotariu 2008c] Rotariu C., Costin H., Cehan V. and Morancea O., A Communication System With Severe Neuro - Locomotor Handicapped Persons, Proc of BEBI '08 (1st WSEAS International Conference on Biomedical Electronics and Biomedical Informatics), , Rhodes, Greece, pp. 145-149, 2008

[Rotariu 2009] Rotariu C., Sisteme de telemonitorizare a parametrilor vitali, Editura “Gr. T Popa” UMF Iaşi, 2009, ISBN 978-606-544-011-1

[Rotariu 2010a] Rotariu C., Manta V. and Costin H., Patient Monitoring Using a Low Power Wireless Personal Area Network of Sensors, Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, Tomul LVI (LX), Fasc. 1, 2010, AUTOMATIC CONTROL and COMPUTER SCIENCE Section, pp. 73-87, 2010

[Rotariu 2010b] Rotariu C., Costin H, et. al., E-health System for Medical Telesurveillance of Chronic Patients, Proc. of Int. Conference on Computers, Communications & Control, ICCCC 2010, May 12-16, 2010, Oradea, va aparea în Suppl. Issue - ICCCC 2010

[Rotariu 2010c] Rotariu C., Costin H. et. al TELEMON - An Embedded Wireless Monitoring and Alert System for Homecare, MEDICON 2010, IFMBE Proceedings 29, pp. 875–878, Porto Carras, Greece, 2010


[Rubel 2004] Rubel P., Fayn J., Atoui H., Télisson D., Beyond EPI-MEDICS, 2nd OpenECG Workshop, Berlin, Germany, 2004

[Rubel 2005] Rubel P., Fayn J et al., Toward personal eHealth in cardiology. Results from the EPI-MEDICS telemedicine project, Vol. 38, Issue 4, pp. 100-106, 2005

[SBOS363D] Senzor de temperatură integrat tip TMP275, 0.5°C Digital Out Temperature Sensor, http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/ symlink/tmp275.pdf

[Sinem 2004] Sinem C. E., „ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary,“ http://pages.cs.wisc.edu/~suman/ courses/838/papers/zigbee.pdf, 2004

[SLAU227] eZ430 – RF2500 Development ToolUser's Guide, Mixed Signal Products, Texas Instruments, http://focus.ti.com/lit/ug/slau227e/slau227e.pdf, 2007

[Smiths Medical] Micro Power Oximeter Board, http://www.smiths-medical.com/Upload/products/PDF /OEM/196002_Micro-Power-Oximeter.pdf

[Stewart 2003] Stewart J.,Vital Signs and Resuscitation, Landes Bioscience, Texas USA, 2003, ISBN: 1-57059-671-9

[Strintzis 1992] Strintzis M. G., Stalidis G., Magnisalis X., Maglaveras N., Use of neural networks for electrocardiogram (ECG) feature extraction, recognition and classification, Neural Network World, vol. 3, no. 4, pp. 313-327, 1992

[Strungaru 1982] Strungaru R., Electronică Medicală, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982

[Suppappola 1994] Suppappola S., Sun Y., Nonlinear transforms of ECG signals for digital QRS detection : A quantitative analysis, IEEE Trans. Biomed. Eng, vol. 41, pp. 397-400, 1994

[Telcomed] WristClinic, the all-in-one wireless remote medical monitoring device, http://www.telcomed.ie

[TELEASIS] Sistem complex, pe suport NGN pentru teleasistenţă la domiciliu a persoanelor în vârstă, http://www.teleasis.ro

[TI MSP430] MSP430 microcontrollers (MCU), http://focus.ti.com/mcu/docs/ [TI CC2500] Low-Cost, Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver, http://focus.ti.com/lit/ds

/symlink/cc2500.pdf [TI SIMPLICITI] Introduction to SimpliciTI, Low-power RF protocol from Texas

Instruments, http://focus.ti.com/lit/ml/swru130b/swru130b.pdf [Tompkins 1993] Tompkins W. J., Biomedical Digital Signal Processing: C-language

examples and laboratory experiments for the IBM PC, Prentice Hall, ISBN 0-13-067216-5, 1993

[Trahanias 1993] Trahanias P., An approach to QRS complex detection using mathematical morphology, IEEE Trans. Biomed. Eng, vol. 40, no. 2, pp. 201-205, 1993

[Urrusti 1993] Urrusti J. L. and Tompkins W. J., Performance evaluation of an ECG QRS complex detection algorithm, Proc. Annual International Conference of the IEEE Engineering inMedicine and Biology Society, pp. 800–801, 1993

[Vijaya 1998] Vijaya G., Kumar V., Verma H. K., ANN – based QRS complex analysis of ECG, Journal of Medical and Engineering Technology., vol. 22, no.4, pp 160-167, 1998

[Varshney 2009] Varshney U., Pervasive Healthcare Computing, Springer LLC, 2009, ISBN: 978-1-4419-0214-6

[Yang 2008] Yang Xiao and Hui Chen (Editors), Mobile telemedicine: a computing and networking perspective, CRC Press, ISBN:978-1-4200-6046-1, 2008

[Zigel 1998] Zigel Y., ECG Signal Compression, M.Sc. Degree Thesis, Ben Gurion University of Negev, Faculty of Engineering Sciences, 1998

[Zigel 2000] Zigel Y., Cohen A., Katz A, The Weighted Diagnostic Distortion (WDD) Measure for ECG Signal Compression, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 47, No.11, November 2000

Documents

MONITORIZAREA DE LA DISTANŢĂ A PARAMETRILOR VITALI