Bezdrôtový biomonitorovací systém na diagnostiku psychického stresu

Tento príspevok sa venuje výsledkom aplikovaného výskum v oblasti inteligentného monitoringu základných životných funkcií ľudského organizmu v záťažových a stresových situáciách a jeho implementácii vo forme bezdrôtového elektronického systému, ktorý umožňuje meranie, predspracovanie a prenos dát, ako aj vizualizáciu a vyhodnocovanie nameraných údajov na mobilných zariadeniach.

Psychický stres a jeho identifikácia

Stres je definovaný ako nadmerná záťaž i stav prejavujúci sa špecifickou adaptačnou reakciou, ktorou sa mobilizuje obranyschopnosť organizmu, a to najmä produkciou tzv. adaptačných hormónov. Stres môžeme vo všeobecnosti rozdeliť na tzv. pozitívny, ktorý stimuluje k dosahovaniu lepších výsledkov, a tzv. negatívny, prejavujúci sa nežiaducimi účinkami. Pozitívny stres je veľmi dôležitý pre motiváciu, keďže napätie a vzrušenie sú potrebné, aby sme sa mohli tešiť z mnohých životných situácií. Tento typ stresu tiež vyvoláva pocit naliehavosti a čulosti, čo zvyšuje našu pozornosť a stimuluje k lepšiemu výkonu. Negatívny stres je zvyčajne reprezentovaný nadmernou a dlhotrvajúcou záťažou, ktorá môže mať škodlivý účinok na duševné a fyzické zdravie človeka. Ak sa mu vystavujeme dlhodobo, pocity hnevu, frustrácie, strachu či tiesne generované stresom môžu vyvolať rôzne ochorenia. Odhaduje sa, že až v 80 % návštev praktického lekára je stres ich najbežnejšou prvotnou príčinou. Stres je teda faktorom, ktorý sa čiastočne podieľa nielen na menej závažných ťažkostiach (bolesti hlavy, zažívacie problémy), ale hrá dôležitú rolu v hlavných príčinách úmrtia v západnom svete, akými sú rakovina, kardiovaskulárne ochorenia, respiračné choroby, zranenia pri nehodách, cirhóza pečene či samovražda.

Rozsah odozvy stresových faktorov na biologický systém je rozsiahly a zasahuje do činností viacerých životne dôležitých orgánov a fyziologických procesov. Ide napríklad o zvýšenie krvného tlaku, rozšírenie zreničiek oka, rozšírenie ciev v kostrových svaloch, rozšírenie priedušiek a prehĺbenie dýchania. V koincidencii s týmito zmenami súvisia aj zmeny niektorých fyzikálnych vlastností a elektrických parametrov. Jednou z nich je psycho-galvanický reflex (PGR), ktorý patrí k základným identifikačným parametrom stresu [1], [2]. Charakterizuje ho zmena vodivosti kože ako reakcia na stresový podnet. Pôvodne sa predpokladalo, že stúpanie vodivosti kože počas stresového podnetu je spôsobené iba zvýšenou činnosťou potných žliaz, ale významným činiteľom, ako sa potvrdilo neskôr, je potenciálová bariéra v okolí vrstvy stratum lucidum a zmena jej hrúbky vplyvom nervovej činnosti (stresu). Táto vrstva má charakter elektrickej dvojvrstvy, z vonkajšej strany s kyslou a zvnútra s mierne alkalickou reakciou [3]. Psycho-galvanický reflex a niektoré ďalšie ľahko merateľné parametre (napr. frekvencia dychu, tep a tlak krvi) možno využiť na presnú indikáciu vplyvu stresových situácií, na overenie pravdivosti reakcií (napr. pri liečbe drogovo závislých osôb), na meranie odozvy stresových faktorov na kardiovaskulárny systém a metabolické procesy (cholesterol, odozva srdcovej činnosti, prípadne činnosti pankreasu, obličiek a pod.).

Značným problémom merania na ľudskej pokožke je však reprodukovateľnosť merania, vzájomné porovnávanie hodnôt, ale aj miniaturizácia systému či následné spracovanie nameraných údajov. Hlavným problémom je samotné meranie vodivosti a kožných galvanických potenciálov (KGP), ktoré nie sú konštantné, ale sú závislé od mnohých vnútorných i vonkajších faktorov. Tieto faktory nežiaduco posúvajú absolútne hodnoty meraných veličín v rozsahu až niekoľkých rádov, pričom výsledný pomer zmien môže obvykle zostať zachovaný.

Od parametrov elektród (rozmer, tvar a konfigurácia) mikrosenzora je závislé elektrické pole, ktoré sa vytvorí počas merania a prebieha v rámci planárnej štruktúry kože. Inými slovami to znamená, že od nich závisí aj citlivosť výsledného signálu na zmenu hrúbky potenciálovej bariéry, čiže ovplyvňujú samotnú citlivosť senzora. Práve s cieľom dosiahnutia čo najväčšej citlivosti vyvinutých senzorov bolo nutné vykonať optimalizáciu pre konkrétne meracie signály, ktorej výsledkom bolo stanovenie vhodných rozmerov a konfigurácií elektród monitorovacieho systému [4].

Priebežný a bezdrôtový biomonitoring

Priebežné a dlhodobé monitorovanie vybraných premenných (akými sú napr. kožno-galvanická reakcia, srdcová frekvencia či teplota) umožňuje odborníkom sledovať a analyzovať zložité fyziologické a psycho-fyziologické procesy, čo môže výrazne prispieť k optimalizácii diagnostických a terapeutických postupov. V mnohých prípadoch je teda nutné kontinuálne a na rôznych miestach ľudského tela merať množstvo rôznych parametrov. Z toho vyplýva, že meracie zariadenie musí obsahovať niekoľko vstupov pre rôzne druhy senzorov, prispôsobovacie obvody pre konkrétne meracie metódy, potrebnú výpočtovú techniku na predspracovanie nameraných údajov, riadiacu jednotku, ako aj moduly prenosu údajov medzi integrovanými meracími a riadiacimi procesnými časťami. Zároveň musí zaistiť požadovanú presnosť samotných meraní a ich kontinuálny a neinvazívny priebeh. Z hľadiska vyhodnocovania monitorovaných údajov je nutné zaistiť okamžitý prístup a spracovanie jednotlivých dát, ako aj ich primerané zobrazovanie na vhodnom zariadení (netbook, mobilný telefón, tablet). Samozrejmosťou musí byť archivácia a ochrana zozbieraných údajov.

Komplexný monitorovací systém

Na obr. 1 je zobrazená zjednodušená všeobecná bloková schéma navrhnutého komplexného meracieho systému. Ide o precízne meracie zariadenie umožňujúce veľmi presné a komplexné merania, kde je možné použitie rôznych snímačov a rôznych meracích metód. Zariadenie je možné rekonfigurovať (meniť počet senzorov či výstupných jednotiek) a preprogramovať počas prevádzky a bez zásahu do hardvéru. V prípade potreby je implementovateľný do integrovanej formy, ako aj použiteľný v zložitých komplexných monitorovacích zariadeniach pracujúcich s rôznymi zbernicami a prenosom dát. Jadro systému pozostáva z dvoch hlavných častí. Jednu časť tvorí mikropočítačová stanica na zber, spracovanie a vyhodnocovanie údajov s prepojením cez USB do osobného počítača, resp. netbooku či iného vhodného zariadenia. To znamená, že počítač (mikropočítačová stanica, v závislosti od konfigurácie systému) nielen zbiera dáta a konfiguruje merací systém, ale priebežne ho riadi a upravuje podmienky merania počas celého monitoringu. Obsahuje bezdrôtový prijímač aj vysielač. Druhú časť systému tvorí prenosný a kompaktný senzor, ktorý zabezpečuje samotné meranie parametrov a potrebné predspracovanie požadovaných dát. Bezdrôtový prenos údajov zabezpečuje RF komunikačné rozhranie (komunikátor) [5]. Komunikátor dokáže pracovať naraz s viacerými meracími systémami, ktoré komunikujú daným protokolom v pásme ISM 2,4 GHz. Využíva na to frekvenčné aj časové multiplexovanie spojené s adresovaním každého meracieho zariadenia. Toto frekvenčné pásmo je priamo určené pre aplikácie v medicíne. Pre dané aplikácie sú taktiež prispôsobené aj RF komunikačné protokoly.

 Obr. 1 Schéma komplexného monitorovacieho systému

Srdcom zariadenia sú nízkopríkonové mikrokontroléry s RF modulmi, ktoré zabezpečujú riadenie celého merania, predspracovanie dát, bezdrôtovú komunikáciu s okolím, ako aj zber údajov zo vstavaných senzorov alebo z externých inteligentných mikrosenzorov bezdrôtovo. Senzory sú k mikrokontroléru pripojené cez zosilňovacie a prispôsobovacie obvody navrhnuté cielene pre konkrétne meracie metódy alebo sú pripojené priamo, ak to umožňuje príslušná meracia metóda, prípadne typ senzora (napr. senzory s digitálnym výstupom). Snímanie príslušnej elektrickej veličiny, respektíve prevod nameraných údajov do číslicovej formy je daný predovšetkým meracou metódou a v niektorých prípadoch ho zabezpečujú A/D prevodníky. Rozlíšenie A/D prevodníkov je možné programovo meniť v rozsahu 6–12 bitov, čo je výhodné najmä z hľadiska rýchlosti a spotreby výsledného systému. V iných prípadoch môže byť meracia metóda založená na odlišných prístupoch merania ekvivalentných veličín, ktoré sú definovaným spôsobom závislé od komplexnej impedancie [6].

Inteligentný mikrosenzor

Inteligentné senzory boli navrhnuté najmä vzhľadom na rozmery a nízku spotrebu energie, ale aj s ohľadom na bezdrôtový prenos dát, presnosť či frekvenciu meraní. Miniaturizovaný senzor na monitorovanie vplyvu stresu prezentovaný v tomto príspevku využíva alternatívnu meraciu metódu, ktorej výhodou je hlavne možnosť použitia ľubovoľného mikrokontroléra so vstupno-výstupnými portmi, a taktiež absencia potreby A/D a D/A prevodníkov. Tým sa celé zariadenie výrazne zjednoduší, dosahuje malé rozmery a je lacné. Táto metóda spočíva v meraní oneskorenia medzi generovaným a snímaným signálom. Oneskorenie sa vytvára v oneskorovacom člene (pomocné obvody), ktorého súčasťou je aj meraná impedancia, ktorá má na merané oneskorenie zásadný vplyv. Presnosť je daná najmä bitovou šírkou čítačiek/časovačov použitého mikroprocesora. Samotné meranie je náročnejšie na čas, a to najmä pri pomalších procesoroch, resp. pri meraní s väčšou požadovanou presnosťou, keď sa vyžaduje väčšia bitová šírka čítačiek. Pri 16-bitovej šírke trvá jedno meranie približne niekoľko jednotiek ms. Meranie však nezaťažuje procesor, ktorý tak môže byť využitý na ďalšie potrebné spracovanie nameraných údajov. Samotné mikroelektródy na snímanie impedancie ľudskej kože sú vytvorené priamo na plošnom spoji vo forme tenko vrstvového systému v tvare interdigitovaného radu (IDA) s chemicky stálou povrchovou úpravou [4].

Dosky plošných spojov (DPS) prototypu samotného inteligentného mikrosenzora a RF komunikátora pre notebook vo forme USB kľúča sú navrhnuté na substráte FR4 s použitím SMT 0402 technológie. Vyvinutý mikrosenzor vo forme prsteňa (na snímanie na prste) má celkové rozmery aj s upevňovacími držiakmi na batériu 20×19 mm, pričom mikroelektródový systém sa nachádza na jeho vnútornej strane a ostatné elektronické časti DPS a batéria na vonkajšej strane (obr. 2).

 Obr. 2 Vyvinutý mikrosenzor

V konečnom monitorovacom zariadení môže byť rozmer mikrosnímača ešte menší. Jadrom vyvinutého RF komunikátora s anténou zhotovenou priamo na DPS (obr. 3) je mikrokontrolér s 24-pinovým puzdrom (4×4 mm) a jeho výsledný rozmer je 14×6 mm.

 Obr. 3 Prototyp USB prijímača/vysielača

Softvér na zber a spracovanie údajov

Na komunikáciu s navrhnutým komplexným meracím systémom, zber a spracovanie nameraných údajov bolo vytvorené používateľské rozhranie pracujúce na platformách Windows, Linux, resp. OS pre mobilné telefóny. Aplikácia poskytuje možnosť práce buď ako „stand-alone“ zariadenie, alebo aj ako online s pripojením cez internet a s prístupom k dátam ukladaným na webserver. To umožňuje kontinuálne monitorovanie či vyšetrenie osoby aj zo vzdialeného miesta. Grafické používateľské rozhranie pre spracovanie nameraných dát je vyvinuté vzhľadom na konkrétnu aplikáciu, resp. použité zobrazovacie zariadenie. Hlavný program (Multi-Sensor Measurement Tool) nastavuje podmienky merania, RF komunikácie, resp. režimy jednotlivých mikroprocesorov a celkovú správu meracieho a komunikačného systému, ako aj priebežný zber a ukladanie údajov. Ukážka okien používateľského rozhrania vyvinutého na prácu a ukladanie dát na osobný počítač je zobrazená na obr. 4.

 Obr. 4 Grafické rozhranie pre merací systém

Grafické rozhranie pre mobilné zariadenia (telefóny)

Hlavnou funkciou aplikácie na zobrazovanie nameraných dát pre mobilné telefóny je prezentovať lekárovi alebo inému odborníkovi tzv. digitálnu zdravotnú kartu, ktorá obsahuje základné informácie o pacientovi (obr. 5). Keďže informácie nachádzajúce sa v digitálnej karte pacienta sú dôverné, systém si vyžaduje autorizáciu osoby, ktorá k chráneným dátam pristupuje. Po autorizovaní má používateľ k dispozícii okrem štandardných informácií o pacientovi aj aktuálne merania z monitorovacieho systému alebo si môže prezerať a vyhodnocovať predtým vykonané merania pomocou histórie meraní. Grafická prezentácia nameraných dát do mobilnej aplikácie bola implementovaná za podpory zdrojových balíkov, ktoré ponúkajú širokú škálu funkcií pre mobilné iOS zariadenia. Aplikácia ponúka dva možné prehľady nameraných dát. V prvom prípade ide o prezentáciu aktuálne meraných dát. Po začatí sledovania aktuálne prebiehajúceho monitorovania si aplikácia vyžiada namerané dáta zo servera každých 10 sekúnd. V aplikácií je možné v aktuálnom móde monitorovať niekoľko vybraných životných funkcií pacienta, napr. vodivosť kože (stres), tep, teplota atď. Voľba sledovania aktuálneho monitorovania pacienta je dostupná priamo z obrazovky digitálnej zdravotnej karty zvolením voľby „Zobraz aktuálne meranie“. Výsledky meraní vykonané inteligentným biomonitorovacím systémom v minulosti je možné prezerať po zvolení voľby „Zobraz pacientove záznamy“. V tejto obrazovke je možné prechádzať históriou záznamov pacienta na základe zvoleného časového úseku. Grafické priebehy je možné zväčšovať, zmenšovať, prípadne sledovať presné hodnoty vynesených závislostí pomocou dotykového kurzora.

 Obr. 5 GUI pre mobilné zariadenia

Serverový komunikačný systém

Prezentovaný inteligentný biomonitorovací systém je určený nielen na laboratórne použitie odborníkmi, ale aj na použitie v oblasti domácej starostlivosti o ľudské zdravie. Je preto nevyhnutné, aby monitorovací systém spĺňal základné kritériá, ktorými sú neinvazívnosť, spoľahlivosť, bezpečnosť a interoperabilita, ktorá by mala zaručiť jednoduchú spoluprácu systému s ďalšími autonómnymi systémami na spracovanie a vizualizáciu získaných dát. Z uvedeného vyplýva, že biomonitorovací systém musí byť nutne rozšírený o komunikačné rozhranie na strane servera, ktoré poskytne dáta monitorovanej osoby mobilnej aplikácii spustenej na mobilnom zariadení. Z pohľadu bezpečnosti je kritériom autorizovaný prístup lekára k aktuálne meraným alebo už nameraným dátam monitorovanej osoby pomocou mobilného zariadenia. Ďalšou požiadavkou je upozornenie lekára o udalostiach rôzneho charakteru v čase, keď lekár aktívne nevyužíva mobilnú aplikáciu.

Z hľadiska aplikácie sa dá teda použitie systému rozdeliť do dvoch režimov:

1. V aktívnom režime používa používateľ mobilnú aplikáciu v reálnom čase na monitorovanie vybraných parametrov monitorovanej osoby. Taktiež má prístup k posledným vykonaným meraniam na pacientovi a ďalším informáciám o monitorovanej osobe, má možnosť kontaktovania osoby využitím GSM siete mobilného zariadenia a pod.

2. V pasívnom režime používateľ aplikáciu nepoužíva a v prípade udalosti, ktorá si vyžaduje jeho akciu, je systémom upozornený. Udalosť môže mať informatívny alebo varovný charakter, napr. kritický pokles telesnej teploty monitorovanej osoby a pod.

 Obr. 6 Koncept komunikácie pre navrhnuté biomonitorovacie zariadenie

Ilustratívna bloková schéma celkového serverového komunikačného systému je zobrazená na obr. 6. Hlavným zberným bodom systému je netbook, poprípade tablet, mobilný telefón a pod., s pripojením na internet alebo priamo na server. Tento bod sa zároveň stará o zber nameraných dát z meracích jednotiek, ich predspracovanie a ukladanie a zálohovanie na serveri. Takéto serverové riešenie umožňuje monitorovanie, resp. vyšetrenie osoby aj na diaľku. Serverová aplikácia so systémom komunikuje cez WLAN a v prípade diaľkového prístupu dokáže cez zberný bod nastavovať podmienky merania, resp. režimy jednotlivých mikroprocesorov a celkovú správu meracieho a komunikačného systému. Server aktuálne podporuje PHP 5.0, má vstavanú podporu protokolu HTTPS a služieb openSSL, MySQL. Z hľadiska hardvérového riešenia je základná konfigurácia komunikačnej siete monitorovacieho systému z dôvodu všeobecného rozšírenia v praxi postavená na platforme ZigBee/ZigBee Pro. Podľa potrieb konkrétnej aplikácie a s cieľom efektívneho využitia energie je však možné použiť špeciálny komunikačný protokol založený na parciálnom krátkodobom vysielaní/prijímaní (technológia Shock Burst), čím sa dá dosiahnuť dvakrát vyššia účinnosť ako v systémoch ZigBee a zároveň aj vyššia prenosová rýchlosť. Ide najmä o systémy využívajúce siete ANT+. Systém navyše podporuje množstvo užitočných funkcií a možností charakteristických pre Bluetooth, ako napr. frekvenčné skákanie, 84 a viac frekvenčných kanálov atď. Zároveň sa pracuje na systéme využívajúcom nové moderné komunikačné rozhranie Bluetooth 4 s nízkoenergetickým módom. Výhodou je, že v tomto prípade môžeme ako monitorovaciu stanicu s výhodou využiť aj mobilný telefón s Bluetooth rozhraním a príslušným operačným systémom.

Záver

Komplexný bezdrôtový biomonitorovací systém využíva viacero miniatúrnych inteligentných senzorov, ktoré komunikujú s hlavnou monitorovacou stanicou, a to v závislosti od konkrétnej aplikácie. Monitorovaco-diagnostické elektronické zariadenie je teda riešené tak, aby bolo prínosné a akceptovateľné nielen pre odbornú spoločnosť a našlo čo najširšie uplatnenie v oblasti aplikovanej psychológie, ako aj v ďalších odvetviach klinickej a preventívnej medicíny, ale aj na využitie v rôznych oblastiach spoločenského života, napr. pri športovej aktivite či ako stresový alarm pre bežných ľudí upozorňujúci na určitý nadprahový stav.

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt „Kompetenčné centrum inteligentných technológií pre elektronizáciu a informatizáciu systémov a služieb“ – ITMS 26240220072, ďalej s podporou APVV v rámci úlohy aplikovaného výskumu č. VMSP-II-0042-09 a s podporou R-DAS, s.r.o. Dosiahnuté výsledky vznikli taktiež v rámci riešenia projektu „Nanoelektronika pre mobilné systémy asistovaného života“, ktorý je podporovaný MŠVVŠ SR v rámci spolufinancovania projektu ENIAC.

Poďakovanie patrí tiež Ing. Liborovi Majerovi, PhD., ako kľúčovému riešiteľovi daného výskumu.