Politechnika Łódzka

Opracowanie metody wielopunktowego pomiaru potencjałów bioelektrycznych mięśni

• Dokonano zmiany konstrukcyjnej w torze elektrostymulacji, polegającej na odłączaniu toru elektrostymulacji na czas wykonywania pomiaru EMG, przez zastosowanie kluczy elektronicznych CPC1125N. Zmiana ta umożliwiła zmniejszenie rezystancji szeregowych w torach pomiarowych, dzięki czemu został znacznie zmniejszony wpływ zakłóceń pochodzących od sieci elektroenergetycznej.
• Zmodyfikowano algorytmy filtracji danych pomiarowych, poprzez zwiększenie efektywności i szybkości wykonywanych procedur obliczeniowych.
• Dostosowano oprogramowanie pomiarowe do wymagań wynikających z pracy modułu wyświetlacza.

Opracowanie metody stymulacji elektrycznej

• Dokonano zmiany układu zasilania części wysokonapięciowej na układ o większej sprawności energetycznej.
• Przeprowadzono serię testów układu regulacji prądu w warunkach różnej jakości zamocowania sond pomiarowych.
• Wykonano badania wzajemnego oddziaływania kanałów pomiarowych podczas jednoczesnej elektrostymulacji.
• Wykonano badania termowizyjne elementów układu elektrostymulacji, pokazujące możliwość ciągłej pracy.
• Wykonano testy bezpieczeństwa układu elektrostymulacji polegające na świadomym zatrzymaniu programu w miejscu, stanowiącym potencjalne zagrożenie. Układ wykazał poprawne zadziałanie polegające na samoczynnym, trwałym i niezależnym od oprogramowania odłączeniu sygnału elektrostymulacji.

Budowa urządzenia produkcyjnego

• W tym etapie prac dokonano zmian schematów ideowych projektowanego urządzenia w zakresie modyfikacji torów elektrostymulacji oraz systemu zasilania.
• Zmieniono moduł komunikacyjny w technologii bezprzewodowej BLUETOOTH do komunikacji z urządzeniem typu komputer PC na moduł NINA B112, który spełnia wymagania normatywne, stawiane urządzeniom medycznym.
• Zmodyfikowano oprogramowanie komunikacyjne między modułami urządzenia oraz przeprowadzono testy części wizualizacyjnej:
  • testy sprzętowe magistral obsługujących wyświetlacz oraz pamięci DRAM;
  • testy szybkości odświeżania wyświetlanego ekranu przy dynamicznych zmianach obrazu.
• Wykonano projekty obwodów drukowanych płytki „bazowej”, zawierającej układy pomiarowe i moduł elektrostymulacji oraz płytki zawierającej wyświetlacz z panelem dotykowym.
• Zaprojektowano i zbudowano prototyp obudowy.
• Wykonano prace montażowe polegające na oblutowywaniu i uruchamianiu modułów. Sprawdzono ich funkcjonalność w zakresie pomiarowym oraz wykonano testy modułów elektrostymulacji. Efektem prac było stwierdzenie poprawności działania modułów urządzenia.

Opracowanie algorytmów. Implementacja eksperymentalnej wersji oprogramowania wbudowanego

• Udoskonalono algorytm przetwarzania sygnałów pobudzenia mięśni EMG, który zakłada zastosowanie filtrów pasmowo-przepustowych o zadawanej charakterystyce częstotliwościowej, których głównym zadaniem jest usunięcie wolnozmiennej składowej o dużej wartości. Właściwy dobór wartości częstotliwości dolnej fd i górnej fg zapewnia wyznaczenie chwilowej wartości skutecznej z pominięciem dryftu. Ważnym problemem w niektórych badaniach sygnałów elektromiograficznych, okazało się nakładanie sygnału pobudzenia serca. Zaproponowana filtracja umożliwia redukcję wpływu sygnału EKG. Właściwy dobór parametrów filtrów zostanie przeprowadzony w trakcie badań klinicznych. Zauważono wyraźny udział w widmie składowej 50Hz i pochodnych. Zaproponowano zastosowanie filtrów liniowych do redukcji tego typu zakłóceń. Opracowano oprogramowanie w środowisku MATLAB do analizy wyników. Przeprowadzone badania oraz uzyskane wyniki są materiałem do przygotowywanej publikacji.
• Dokonano modyfikacji programu obsługującego pamięć poprawiających funkcjonalność zapisu i odczytu ustawień systemowych oraz zapisu i odczytu ustawień związanych z parametrami i programem leczenia pacjenta.
• Udoskonalono procedury graficzne oraz sposób wyświetlania danych pomiarowych.
• Zmodyfikowano i dodano nowe funkcje w procedurach nadzoru bateryjnego napięcia zasilania.
• Uzgodniono nowe założenia dla oprogramowania na komputer PC współpracującego z urządzeniem pomiarowym oraz ustalono ostateczną postać protokołu komunikacyjnego.
• Opracowano oraz przetestowano - w formie docelowej - protokół komunikacyjny dla oprogramowania na komputer PC współpracującego z urządzeniem pomiarowym.

Opracowanie oprogramowanie monitorowania stanu urządzenia oraz sterowania parametrami jego pracy w czasie rzeczywistym (dla architektury PC)

• Opracowano projekt aplikacji komputerowej do ustawiania parametrów urządzenia, wizualizacji i gromadzenia danych pomiarowych oparty na koncepcji mikroserwisów z brokerem wiadomości. Wykonano projekt oraz implementację modułu bazy danych w oparciu o technologię SQLite.
• Dokonano implementacji modułów: broker wiadomości, moduł komunikacji z urządzeniem, moduł zarządzania bazą danych, moduł wizualizacji danych pomiarowych.

Testy laboratoryjne

• Po zakończeniu prac montażowo uruchomieniowych wykonano badania laboratoryjne układu, polegające na przetestowaniu wszystkich kanałów pomiarowych oraz wykonaniu testów układu elektrostymulacji w warunkach rzeczywistych (pacjent).
• Przeprowadzono testy współpracy (komunikacji) urządzenia z komputerem klasy PC.
• Przeprowadzono testy działania aplikacji dla komputera PC oraz jej poszczególnych funkcjonalności.
• Wprowadzono poprawki w graficznym interfejsie użytkownika (dotyczące ergonomii pracy z aplikacją) po testach aplikacji przez docelowych użytkowników.

Wykonanie serii testowej urządzenia EMG z elektrostymulacją dla celów diagnostyki i terapii schorzeń urologicznych

W ramach budowy urządzenie produkcyjnego wykonano projekty dwóch płytek (płytka pomiarowa oraz płytka do wyświetlacza)

Opracowanie systemu do kontroli postępów pacjentów oraz modyfikacji terapii on-line. 

Zaprojektowano i wdrożono system bazodanowy oparty na relacyjnej bazie danych, która umożliwia organizację informacji na temat diagnostyki i przebiegu terapii pacjentów.

Opracowano aplikację webową oferującą możliwość przeglądania, wprowadzania i modyfikacji powyższych informacji zarówno za pomocą interfejsu użytkownika jak i REST-owego API (na potrzeby komunikacji z innymi narzędziami). 

Aplikacja spełnia założone parametry techniczne: 

• możliwość obsługi co najmniej 100 podłączonych użytkowników jednocześnie (zgodne ze specyfikacją konfiguracji serwera webowego Tomcat), 
• średni czas odpowiedzi na zapytania <500 ms: przetestowany wielokrotnie na kompletnym scenariuszu dostępu do wyników badań wybranego pacjenta (średni czas ~243 ms,
   

• średni czas wczytania strony www <3000 ms: testy użytkowe monitorowane przy użyciu DevTools przeglądarki chrome wykazują, że zdecydowana większość stron serwisu (>90%) ładuje się w czasie poniżej 500 ms.

Przykładowym scenariuszem zastosowania systemu do kontroli postępów pacjentów jest implementacja eksportu przeprowadzonych w aplikacji UroEMG (PC) pomiarów. Dla każdego pomiaru, eksportowanego do systemu bazodanowego, tworzona jest w systemie osobna wizyta oraz przypisane do niej badanie.

Zastosowane rozwiązanie pozwala na zdefiniowanie oraz dopasowanie schematu danych na potrzebę różnego rodzaju badań diagnostycznych i opisywanie wizyt pacjentów. 

Uwzględniono potrzebę anonimizacji wrażliwych danych pacjentów.

Opracowanie gry terapeutycznej, umożliwiającej sterowanie postacią (avatarem) gracza z wykorzystaniem danych zebranych z urządzenia (KM2)

Przeanalizowano dostępne technologie umożliwiające tworzenie gier i na podstawie analizy podjęto decyzję o wyborze otwartoźródłowego i wieloplatformowego silnika Godot. Zastosowanie tej technologii umożliwia uruchomienie aplikacji zarówno na komputerach stacjonarnych z systemami Windows, Linux i macOS, a także platformach mobilnych – Android i iOS

Określono wymagania funkcjonalne i niefunkcjonalne opracowywanych gier

Opracowano system umożliwiający komunikację gry z urządzeniem terapeutycznym, bazujący na protokole HTTP, pozwalający na odbieranie informacji o aktualnym stanie napięcia mięśniowego pacjenta i sterowanie grą

Opracowano i zaimplementowano jedną z gier terapeutycznych, umożliwiającą wykonywanie trzech zestawów ćwiczeń. Opracowano projekt oprawy graficznej gry – ekranu menu, wyboru poziomów oraz samej rozgrywki. Zaimplementowano animacje poruszania postaci gracza w celu wizualizacji działań użytkownika.

Opracowano algorytm monitorujący postępy gracza i dostosowujący trudność aktualnej rozgrywki do możliwości pacjenta, poprzez zastosowanie trzech poziomów trudności

Opracowano i przetestowano system umożliwiający symulację działania urządzenia na podstawie zebranych w projekcie danych medycznych. Generowane sygnały mogą być modyfikowane (długość trwania impulsów, poziom oraz odstępy pomiędzy nimi) przy zachowaniu ich podstawowych charakterystyk, co pozwala na automatyzację testowania gry oraz ułatwia tworzenie poziomów.  Zdobycie dużej liczby danych testowych w przypadku projektów medycznych jest bardzo trudne. Z tego też powodu w ramach prac projektowych opracowany został algorytm generowanie syntetycznych danych. Został on wykorzystany między innymi do testowania opracowywanej w ramach projektu gry. W rezultacie możliwe jest ustalanie liczby i częstotliwości skurczów (zarówno 2 i 5 sekundowych), stałego mnożnika wartości skurczów, jak również zakresu odchylenia dynamicznego mnożnika długości i wartości skurczów.

Zintegrowano proces tworzenia gier oraz modułów komunikacji i generowania danych symulacyjnych z systemem ciągłej integracji Gitlab, co umożliwia szybkie generowanie prototypów i testowanie nowych wersji aplikacji