Podpora výuky zpracování biologických signálů pomocí systémů pro měření srdeční a elektrodermální aktivity Řešitel: Radoslav Bortel 1 Úvod Jeden z hlavních problémů, se kterým se potýkají studenti studující číslicové zpracování biologických signálů je nedostatečné pochopení složitějších matematických a statistických technik, které se v tomto oboru hojně využívají. Typickou obtíží je neschopnost studentů představit si praktickou aplikaci a význam vyučované látky, což často vede jen k omezenému pochopení probíraného tématu. Pro řešení tohoto problému, je vhodné do výuky začlenit praktické prvky, v rámci kterých se studenti obeznámí se samotným měřením biologických signálů a s problémy, které se při měření vyskytují. Tato praktická měření však musí být specielně uzpůsobena tak, aby byla snadno proveditelná a zabrala minimum času, takže se neomezí hlavní náplň výuky práce studentů s naměřenými signály. Tento projekt se proto zaměřil na realizaci několika sytému pro měření srdeční aktivity (EKG) a kožní vodivosti (GSR), které jsou optimalizovány tak, aby umožnili velice snadné, rychlé a robustní měření. Každý student si tak může naměřit svoje vlastní biologické signály, čím získá lepší představu o jejich genezi a důležitosti metod, které se na tyto signály aplikují. Toto by mělo vést k lepší motivaci studentů, aktivnějšímu přístupu a následně k lepšímu pochopení vyučované látky. 2 Cíle řešení Hlavním cílem tohoto projektu bylo zhotovit několik systémů, které by dovolily provést měření EKG a GSR během běžného cvičení. Konkrétně se od každého měřícího systému požadovalo: - Jednoduchost: žáci musí být schopni provést měření sami po krátké instruktáži. - Rychlost: samotné měření musí zabrat jenom malou část cvičení a neomezit čas věnovaný zpracování naměřených signálů. - Robustnost: měření musí být proveditelné v počítačové učebně i za přítomnosti silné elektromagnetické interference. - Čistota: měření musí být proveditelné bez použití elektrovodivého gelu - Přehledná vizualizace naměřených dat: nedílnou součásti měřícího systému musí být i programové vybavení, které umožní průběžnou vizualizaci a prvotní předzpracování měřených dat. 3 Postup a způsob řešení 3.1 Volba umístění elektrod Celkově systém pracuje se třemi elektrodami. Jeden pár elektrod souží k měření EKG a druhý pár elektrod slouží k měření GSR (jedna elektroda je společná). Vzhledem k výše uvedeným požadavkům, byly jako měřící body zvoleny prsty levé a pravé ruky. Dvě elektrody jsou umístěné na prstech jedné ruky, třetí elektroda je umístěna na prstu druhé ruky. Toto uspořádání dovoluje velice snadnou aplikaci
měřících elektrod, a měří potenciál odpovídající standardnímu prvnímu Einthovenovmu svodu. Měření na prstech je dále efektivní (a také časté) při měření kožní vodivosti. Zdánlivou nevýhodou měření EKG na prstech je větší množství svalových artefaktů, v případě že měřený subjekt nemá zcela uvolněnou horní polovinu těla. Nicméně pro potřeby výuky toto není překážkou. Právě naopak, je vhodné pozorovat, jak se svalové artefakty v EKG objevují, změřit je a následně se je pokusit detekovat nebo potlačit pomocí technik číslicového zpracování signálů. 3.2 Základní uspořádání měřícího systému Zařízení se skládá z hlavní jednotky a měřících elektrod (obr. 1). V hlavní jednotce je integrována měřící elektronika a rozhraní pro komunikaci s USB. Detailnější popis jednotlivých částí systému je uveden v následujících sekcích. 3.3 Konstrukce měřících elektrod Konstrukce elektrod byla uzpůsobena tak, aby dovolovala rychlou a snadnou aplikaci během běžného cvičení v počítačové učebně. Pro tento účel byly vytvořeny flexibilní prstencové úchyty (obr. 2), které obsahují dva kloubové spoje a jsou obepnuta pružným páskem. Při nasouvání na prst se prstenec díky kloubovým spojům rozevře a pružný pásek zajistí přítlak potřebný pro fixaci elektrody. Při praktickém použití se takto konstrukce ukázala jako efektivní a snadná pro použití. Samotná elektroda byla povrchově upravena tak, aby se minimalizovala nestabilita elektrochemických dějů na rozhraní mezi elektrodou a pokožkou. Konkrétně byla použita povrchová úprava typu Ag AgCl. 3.4 Elektronika Měřící část systému obsahuje měřící zesilovače s vysokým vstupním odporem a nízkým šumem. Dále je zde obsažen proudový zdroj, který tvoří součást systému pro měření kožní vodivosti. Také je zde implementován obvod pro aktivní potlačení externího rušení, který umožňuje provést měření i v případě, že kvalita kontaktu mezi elektrodami a pokožkou je nízká a měření probíhá v prostorech s vysokou úrovní elektromagnetické interference. Všechny tyto systémy jsou efektivně integrovány, takže celé měření je možné provést jenom s třemi elektrodami. Změřené signály jsou digitalizovány 16 bitovým A/D převodníkem. Data z A/D převodníku jsou přečtena řídícím mikrokontrolérem a pak jsou dále zaslána do bloku pro komunikaci s PC. Blok pro komunikaci s PC obsahuje jednak obvody pro komunikaci po sběrnici USB, ale také obvody pro galvanické oddělení systému od měřícího PC.
Obr. 1.. Hlavní jednotka a tři t elektrody systému pro měření ení EKG a GSR. Obr. 2. Elektroda a její aplikace. 3.5 Mechanická konstrukce Mechanické díly byly navrhnuty pomocí 3D CAD systému, čímž ímž byla dosažena efektivní integrace mechanické a elektronické části ásti systému. Vzorové modely byly vyrobeny pomocí 3D tisku. Tyto modely pak byly použity pro vytvoření vytvo ení silikonových forem, pomocí kterých pak byly odlév odlévány mechanické části ásti systému z polyuretanových prysky pryskyřic.
3.6 Programové vybavení Programové vybavení běžící na PC, ke kterému je měřící systém připojen, se skládá ze dvou částí. Jednak je to dynamická knihovna, jejíž funkce se starají o komunikaci se zařízením a o kontrolu ukládání přijatých dat do vyrovnávací paměti. Potom je to část, která přijatá data předzpracuje a zobrazí v přehledném uživatelském rozhraní. Dynamická knihovna byla vytvořena v jazyce C++. Zpracování, vizualizace dat a další části uživatelského rozhraní byly vytvořeny v prostředí programu Matlab. Toto uspořádání umožňuje efektivní komunikaci se zařízením a přitom dovoluje studentům prohlédnout si implementované algoritmy v relativně přehledné formě Matlabovských skriptů. V případě zájmu si pak studenti mohou tyto algoritmy sami upravit. Samotné uživatelské rozhraní zahrnuje jednak ovládání možností pro nastavení způsobu zobrazení EKG a GSR (rychlost zobrazování, škálování), ovládání předzpracovaní EKG (eliminace kolísání izolinie, odstranění síťového rušení). Software může být distribuován buďto jako supina Matlabovskch skriptů, nebo ve formě spustitelného souboru. Ukázka uživatelského rozhraní je na obr. 3. 3.7 Úlohy řešené studenty Na změřených záznamech EKG a GSR signálů si žáci mohou procvičovat následující typy úloh: i. Odstraňování kolísání izolinie z EKG: tato úloha slouží k procvičování lineární filtrace a pro praktickou ukázku jejich nedostatků. Dále zde mohou být procvičovány pokročilejší techniky odstraňování kolísání izolinie založené na nelineární filtraci a interpolaci pomocí spline funkcí. ii. Odstraňování síťového rušení z EKG: podobně jako předchozí úloha, i tato úloha slouží k procvičování lineární filtrace a demonstraci jejich nedostatků. Dále zde mohou být procvičovány techniky adaptivní filtrace. iii. Odstraňování svalových artefaktů z EKG: zde jsou procvičovány techniky lineární, stacionární a nestacionární filtrace a jsou demonstrovány jejich výhody a nedostatky. iv. Detekce QRS komplexů a základní odhad srdeční frekvence: zde jsou procvičovány techniky korelační detekce, resp. přizpůsobené filtrace a adaptivního prahování. v. Robustní odhad srdeční frekvence: pokročilejší studenti se mohou věnovat technikám robustního odhadu srdeční frekvence (t.j. odhadu na základe nedokonalé detekce QRS komplexů) pomocí Bayesovských metod. vi. Odstraňování pohybových artefaktů z GSR: tato úloha slouží k procvičování technik autoregresního modelování. 4 Výsledky a výstupy řešení Hlavním výstupem tohoto projektu je zhotovení 20 měřících systémů, pomocí kterých si každý student může změřit svoji vlastní srdeční aktivitu a kožní vodivost. Při nasazení ve výuce se potvrdilo, že funkčnost systémů odpovídá výše stanoveným požadavkům. Použití systémů a ovládání uživatelského rozhraní si studenti rychle osvojili po krátké instruktáži. Ve všech případech bylo měření bezproblémové, stabilní a nebylo ovlivněno elektromagnetickou interferencí. Celková doba měření vycházela zhruba na 5-10 minut, což neomezovalo čas potřebný na další zpracování naměřených dat. Při použití systémů bylo možné sledovat vysoké zaujetí studentů a zvýšený zájem o práci s naměřenými signály. V porovnání s přístupem z předchozích let, kdy studenti jenom dostali naměřené signály, jsme pozorovali, že studenti po naměření svých vlastních signálů pracují omnoho aktivněji, dosahují lepších výsledků a lepšího pochopení probírané látky.
Obr. 3.. Ukázka uživatelského rozhraní ovládacího software. 5 Změny oproti původnímu návrhu projektu Hlavní cíl projektu zhotovení 20ti systémů pro měření EKG a GSR a zavedení tohoto systému do výuky byl realizován beze změn. Změny, které byly v projektu provedeny, spočívají v menších úpravách využití finančních zdrojů: Během řešení projektu se nám podařilo ušetřit 4tis. z částky 52tis. původně plánovaných na služby. Dále, vzhledem na nízké ohodnocení konferencí, jsme se rozhodli pokusit se naše výsledky publikovat v časopise. Tím jsme ušetřili částku 6tis. původně plánovanou na účast na konferenci. Ušetřené částky byly se zvolením vedení naší fakulty využity na nákup drobného materiálu na dovybavení našeho pracoviště. 6 Zdůvodnění ní vyžití finančních prostředků Využití finančních prostředků vycházelo z plánu uvedeného v návrhu tohoto projektu. Na nákup elektronických součástek bylo použito 48tis (plánováno 47tis). Pro výrobu a povrchovou úpravu kontaktů bylo použito 23,5tis. (plánováno 25tis.). Na výrobu DPS bylo použito 14tis. (plánováno 16tis.). Na provedení 3D tisku bylo použito 11tis. (plánováno 11tis.). Na materiály pro výrobu mechanických dílů bylo použito 15tis. (plánováno 20tis.). Na nákup odborné literatury bylo použito 7,5tis. (plánováno 8tis.), přičemž byly zakoupeny následující tituly: P.H. King, R.C. Rries: Design of Biomedical Devices and Systems (1,8tis); R.C. Fries: Reliable Design of Medical Devices (1,9tis.); J.D. Bronzino: : The Biomedical Engineering Handbook: Medical Devices and Systems (3,8tis.). Na nákup drobného materiálu bylo použito 29tis. (plánováno 15tis.; zde jsou zahrnuty i částky, které byly
ušetřeny na službách a účasti na konferenci). Počítač pro vývoj software 27tis. (plánováno 27tis.). Odvody a zdravotní pojištění činili 4tis. Odměny řešiteli byly vyplaceny v plánované výši 10tis. 7 Závěr Z pohledu řešitele byly cíle grantu splněny. Bylo zhotoveno 20 měřících systémů, které umožňují měření srdeční aktivity a kožního odporu. Systémy jsou optimalizované tak, aby práce s nimi byla snadná a rychlá. Přínos systémů ve výuce byl pozitivní. Studenti projevovali vyšší zájem o práci se signály, které si sami naměřili, jejich práce byla aktivnější a došlo k lepšímu pochopení vykládané látky. Řešitel se proto domnívá, že celkově lze výstupy tohoto grantu považovat za přínos pro výuku technik číslicového zpracování biologických signálů.