Farhad Abtahi
1,
*
, Jonatan Snäll
1
, Benyamin Aslamy
1
, Shirin Abtahi
1
, Fernando Seoane
1,
2
dan Kaj Lindecrantz
1,
3
1
Sekolah Teknologi dan Kesehatan, Institut Teknologi Kerajaan, Alfred Nobels Allé 10, Stockholm SE-141 52, Swedia; Email:[dilindungi email] (J.S.); [dilindungi email] (B.A.); [dilindungi email] (S.A.); [dilindungi email] (F.S.); [email protected] (K.L.)2
Akademi Perawatan, Kesejahteraan dan Kesejahteraan, Universitas Borås, Allégatan 1, Borås SE-501 90, Swedia3
Departemen Ilmu Klinis, Intervensi dan Teknologi, Karolinska Institutet, Hälsovägen 7, Stockholm SE-141 57, SwediaEditor Akademik:Panicos Kyriacou*Penulis kepada siapa korespondensi harus ditujukan; Email:[dilindungi email]; Tel.:+46-704-689-002.Diterima:30 Oktober 2014 / Diterima:15 Desember 2014 / Diterbitkan:23 Desember 2014
: Proyek percontohan biomedis misalnya, telemedicine, homecare, percobaan hewan dan manusia biasanya melibatkan beberapa pengukuran fisiologis. Pengembangan teknis proyek-proyek ini memakan waktu dan khususnya mahal. Platform pengukuran biosignal yang serbaguna namun terjangkau dapat membantu mengurangi waktu dan risiko sambil tetap fokus pada tujuan penting dan memanfaatkan sumber daya secara efisien. Dalam karya ini, platform sumber terbuka dan terjangkau untuk pengembangan sinyal fisiologis diusulkan. Sebagai langkah pertama, 8-12 sadapan elektrokardiogram (EKG) dan sistem pemantauan pernapasan dikembangkan. Chip berdasarkan teknologi iCoupler telah digunakan untuk mencapai isolasi listrik seperti yang dipersyaratkan oleh IEC 60601 untuk keselamatan pasien. Hasilnya menunjukkan potensi platform ini sebagai dasar untuk membuat prototipe sistem pengukuran yang ringkas, terjangkau, dan aman secara medis. Pekerjaan lebih lanjut melibatkan pengembangan perangkat keras dan perangkat lunak untuk mengembangkan modul. Modul-modul ini mungkin memerlukan pengembangan front-end untuk biosignal lain atau hanya mengumpulkan data secara nirkabel dari perangkat yang berbeda misalnya, tekanan darah, berat badan, spektrum bioimpedansi, glukosa darah, misalnya melalui Bluetooth. Semua dokumen desain dan pengembangan, file, dan kode sumber akan tersedia untuk penggunaan non-komersial melalui situs web proyek, BiosignalPI.org.
EKG terjangkau; PI raspberry; Front-end analog ADAS1000; sumber terbuka; pemantauan pernapasan; bioimpedansi toraks; Pengembangan perangkat medis
Populasi yang menua — peningkatan persentase individu lanjut usia dalam populasi keseluruhan — menantang sistem perawatan kesehatan saat ini dengan meningkatkan biaya, menciptakan kekurangan tenaga kesehatan, dan berkontribusi pada kombinasi penyakit kronis yang lebih kompleks [1]. Selain itu, penyebaran gaya hidup barat—aktivitas fisik rendah, dikombinasikan dengan diet tinggi kalori, kaya lemak dan gula—telah dikaitkan dengan penyakit kronis seperti diabetes dan penyakit kardiovaskular di negara-negara industri [2,3]. Tren ini sekarang terlihat bahkan di negara berkembang dan karenanya permintaan akan layanan kesehatan diperkirakan akan meningkat dalam waktu dekat [4]. Peningkatan perawatan kesehatan dan pengelolaan penyakit kronis dengan metode baru adalah tujuan dari banyak penelitian multidisiplin. Penelitian-penelitian ini meliputi uji coba hewan pra-klinis dan uji klinis manusia dari metode skrining, diagnosis, intervensi dan pengobatan baru. Proyek-proyek ini biasanya melibatkan pengukuran fisiologis dan biologis, misalnya, tekanan darah, glukosa darah, berat badan, komposisi tubuh, pemantauan aktivitas, dan aktivitas jantung listrik melalui elektrokardiogram (EKG).
Telemedicine dan homecare adalah kasus khusus, memanfaatkan kemajuan terbaru dalam teknologi informasi (TI). Kadang-kadang dianggap sebagai solusi potensial untuk meningkatkan kualitas hidup pasien dengan memperluas aksesibilitas perawatan kesehatan dan bahkan distribusi biaya perawatan kesehatan yang optimal [4]. Namun, ide-ide ini tidak sepenuhnya terbukti atau dibuang. Salah satu alasannya adalah beragamnya rangkaian pengukuran dan sistem TI yang dibutuhkan untuk setiap proyek individu. Sensor dan ujung depan analog yang berbeda diperlukan untuk pemantauan fisiologis setiap kelompok pasien target, sehingga menuntut pengukuran biomedis khusus aplikasi dan sistem TI. Pengembangan sistem yang beragam tersebut membuat pengembangan teknis studi di homecare/telemedicine mahal dan, khususnya, memakan waktu. Selanjutnya, lebih sedikit waktu dan upaya yang tersisa untuk melibatkan petugas kesehatan dan pasien sasaran.
Platform yang fleksibel untuk pembuatan prototipe sistem yang cepat dalam skenario ini dapat sangat berguna dalam proyek percontohan dan untuk pembuktian konsep. Manfaat lain dari platform fleksibel tersebut adalah untuk tujuan pendidikan di bidang teknik biomedis, memungkinkan siswa untuk membiasakan diri dengan seluruh rantai akuisisi, pemrosesan, dan penyajian sinyal biologis melalui pendekatan langsung sejak awal program pendidikan. Contoh terbaik dari platform pendidikan tersebut adalah Gamma Cardio (openECG) [5], proyek lisensi terbuka ini bersama dengan buku teks [6] dapat digunakan oleh siswa untuk mengeksplorasi proses perkembangan perangkat medis. Ada proyek open source lain seperti OpenMind [7], OpenEEG [8] dan OpenBCI [9] yang dapat menyediakan sumber belajar yang sangat besar. Namun, semua proyek ini memiliki jumlah saluran yang terbatas dan khususnya dirancang untuk sinyal biologis tertentu seperti EEG dengan fleksibilitas minimum untuk mencakup lebih banyak pengukuran. Selain itu, mereka bukan perangkat yang berdiri sendiri dan untuk dapat berfungsi memerlukan PC, laptop, atau ponsel untuk visualisasi dan analisis sinyal yang membuat keseluruhan solusi menjadi lebih mahal.
Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk merancang kerangka kerja open-source, fleksibel dan terjangkau untuk mengembangkan perangkat pengukuran biosignal yang aman. Kerangka kerja ini, kami menyebutnya Biosignal PI, dapat digunakan oleh peneliti, mahasiswa, dan insinyur, atau bahkan penggemar, tanpa pengetahuan mendalam tentang sistem tertanam, teknologi pengukuran, atau instrumentasi biomedis. Kerangka kerja ini bersifat modular dan aman secara elektrik, dan memenuhi banyak standar medis. EKG telah banyak diterapkan untuk diagnosis dan pemantauan penyakit jantung, dalam pemantauan sistem saraf otonom melalui variabilitas detak jantung (HRV) dan juga untuk berbagai aplikasi pelatihan olahraga. Oleh karena itu, modul pengukuran EKG dan respirasi dikembangkan sebagai contoh pertama untuk mengembangkan dan mengevaluasi desain [10]. Prototipe ini dikembangkan lebih lanjut sebagai proyek Biosignal PI.
Fleksibilitas adalah fitur utama dari kerangka kerja prototyping pengukuran biosignal. Itu harus dapat diskalakan untuk tuntutan yang berbeda dalam proyek yang berbeda sambil tetap memberikan keandalan yang tinggi. Setiap biosignal memiliki persyaratan khusus seperti laju pengambilan sampel, rentang frekuensi, amplifikasi spesifik, dan batasan keamanan sebagaimana ditentukan oleh standar medis yang relevan.
Selama dekade terakhir, perkembangan mikroelektronika telah menyediakan platform komputasi yang lebih kecil, lebih cepat dan lebih terjangkau. Karena fleksibilitas adalah kendala utama untuk Biosignal PI, platform tertanam yang dipilih harus memberikan kemungkinan untuk pengembangan perangkat keras dan perangkat lunak secara modular. Pengembangan perangkat keras modular dapat dilakukan dengan sistem berbasis mikrokontroler seperti yang dilakukan pada proyek Arduino [11]. Namun, sistem berbasis sistem operasi seperti Linux dapat memberikan tingkat fleksibilitas yang lebih tinggi dan karenanya lebih menguntungkan untuk pengembangan semacam ini dibandingkan dengan pengembangan firmware untuk mikrokontroler. Beberapa komputer papan tunggal yang ringkas diperkenalkan dan menjadi populer dalam lima tahun terakhir, mis. Raspberry PI (RPI) dan BeagleBone Black. RPI [12]—komputer papan tunggal berukuran kartu kredit dengan prosesor ARM—dipilih untuk proyek ini, lihat Gambar 1. RPI dikembangkan oleh Raspberry Foundation. Alasan utama memilih RPI dibandingkan pesaingnya adalah harga yang terjangkau dan komunitas open-source yang aktif dengan sejumlah besar proyek, perisai, dan tutorial.
RPI hadir dalam tiga model; A, B dan baru-baru ini B+. Semua model menggunakan CPU dan GPU yang sama, perbedaannya terletak pada ukuran dan port RAM. Awalnya dirancang untuk menjadi komputer kompak yang terjangkau, mendukung siswa dalam studi ilmu komputer. Namun, kehadiran port input/output tujuan umum (GPIO) membuatnya menjadi platform populer untuk pengembangan banyak proyek tertanam. Model B, jenis yang digunakan dalam proyek ini, menyediakan port Ethernet, dua port USB dan satu HDMI, output audio dan video; dan memiliki CPU 700 MHz, GPU, RAM 512 MB, dan slot kartu SD. RPI mendukung beberapa distribusi Linux misalnya, Raspbian; Distribusi berbasis Debian dioptimalkan untuk perangkat keras Raspberry PI. Karena berjalan pada sistem operasi Linux, bahasa pemrograman tidak terbatas, tetapi Python, C/C++ dan Java termasuk yang lebih populer di komunitas RPI. Baru-baru ini, RPI juga didukung oleh Simulink yang membuka cara baru untuk mempelajari konsep-konsep embedded programming tanpa coding [13]. Sangat mudah untuk menyiapkan server web ringan misalnya, Lighttpd dan Apache, server database misalnya, SQLite, MySQL untuk aplikasi tertentu.
Seperti disebutkan sebelumnya, sistem pemantauan EKG dan respirasi dipilih sebagai contoh pertama dalam pengembangan Biosignal PI. Respirasi dapat direkam melalui pengukuran bioimpedansi, yaitu dengan menyuntikkan arus kecil melintasi dada dan kemudian merasakan penurunan tegangan yang sesuai. Selama inhalasi, toraks mengembang, dan saat udara mengisi paru-paru, bioimpedansi meningkat seiring permukaan konduktif untuk arus meningkat. Selama ekshalasi bioimpedansi menurun lagi [14]. Akuisisi EKG dan bioimpedansi toraks dapat dilakukan melalui beberapa pendekatan, mulai dari penggunaan komponen elektronik yang hanya terpisah hingga front-end analog yang terintegrasi sepenuhnya. Front-end terintegrasi tidak hanya mengurangi ukuran dan konsumsi daya, tetapi juga menyediakan berbagai fitur tambahan seperti deteksi lead-off dan kepatuhan terhadap standar medis seperti AAMI EC11, AAMI EC38, IEC 60601-1, IEC 60601-2- 25, IEC 60601-2-27 dan IEC 60601-2-51. Pesaing utama untuk EKG front-end adalah ADAS1000-X dari Analog Devices [15] dan ADS129X dari Texas Instruments [16]. Kedua seri tersebut memiliki spesifikasi yang hampir sebanding. ADS1298 dapat menyediakan delapan saluran sinyal EKG dalam satu chip, baik untuk pengembangan perangkat EKG 12-lead yang lebih ringkas dan sedikit lebih murah, dibandingkan dengan ADA1000 yang memiliki maksimum lima saluran. Meskipun demikian ADAS1000 (ADAS) dipilih dalam pekerjaan ini, terutama karena ADS1298R hanya tersedia dalam paket NFBGA. Untuk pembuatan prototipe, pemasangan manual bisa menjadi penting dan paket LQFP ADAS jauh lebih mudah ditangani daripada pengemasan NFBGA.
ADAS dapat memberikan laju sampel hingga 128 kHz dan cocok untuk perangkat portabel yang dioperasikan dengan baterai, pemantauan pasien di samping tempat tidur, telemetri portabel, dan sistem pemantauan rumah. Chip ADAS dapat digunakan dalam mode gang untuk menyediakan lebih banyak saluran EKG [15]. Dalam pekerjaan ini, satu/dua ADAS1000BSTZ digunakan—yaitu, versi lima saluran yang mencakup semua fitur—sebagai master dan slave opsional untuk menyediakan 8-12 sadapan EKG di versi A dan B, masing-masing. Atau, versi ADAS1000-2BSTZ yang lebih terjangkau dapat digunakan sebagai chip slave. Chip ini digunakan dengan paket LQFP 64 pin, lihat Gambar 2. Perlu disebutkan bahwa penyolderan manual paket LQFP64 relatif sulit dan membutuhkan pengalaman dan keterampilan menyolder tingkat tinggi.
Biasanya, EKG 12 sadapan menggunakan sembilan elektroda dan penggerak kaki kanan (RLD). Tiga elektroda terhubung ke anggota badan; lengan kanan (RA), lengan kiri (LA) dan kaki kiri (LL) dan enam elektroda yang tersisa, bernama V1-V6, dan ditempatkan pada lokasi yang jelas di dada. Tabel 1 merangkum komposisi sistem EKG 12 sadapan yang khas. Perhitungan lead aVR, aVL dan aVF tidak dilakukan oleh ADAS, mereka harus dihitung sebagai bagian dari pemrosesan selanjutnya. Saluran V1 dan V2 dapat dikonfigurasi untuk berfungsi baik sebagai input EKG atau sebagai input tambahan untuk melakukan pengukuran lainnya.
ADAS menyediakan deteksi lead-off dengan menyuntikkan arus DC atau AC, untuk memantau perubahan tegangan untuk mendeteksi jika elektroda tidak lagi terhubung ke pasien. Deteksi memiliki penundaan di bawah 10 ms untuk mode AC, dalam mode DC penundaan tergantung pada arus yang diprogram dan kapasitansi kabel.
Komunikasi antara front-end analog, sirkuit terpadu lainnya, dan RPI dapat dilakukan melalui port yang berbeda misalnya, antarmuka periferal serial (SPI), sirkuit terpadu (I
2
C) dan penerima/pemancar asinkron universal (UART). ADAS menggunakan SPI yang membutuhkan empat tautan untuk berkomunikasi antara satu master dan beberapa budak, sinyal clock (SCLK) untuk sinkronisasi, sinyal pemilihan budak (SSn) dan dua jalur data:master-out-slave-in (MOSI) dan master- masuk-budak-keluar (MISO). Komunikasi dikendalikan oleh master, yang memilih budak, mengaktifkan jam, dan menghasilkan informasi tentang MOSI saat mengambil sampel MISO [18]. Dalam prototipe ini, RPI bertindak sebagai master, berkomunikasi dengan satu/dua ADAS sebagai budak.
Dalam aplikasi dengan risiko defibrilasi, misalnya, dalam perawatan intensif atau dalam perawatan darurat, perlindungan terhadap tegangan berlebih diperlukan. Di bidang aplikasi lain, masih disarankan, karena dapat melindungi perangkat dari jenis pelepasan muatan listrik statis (ESD) lainnya. Lapisan perlindungan ESD dirancang sesuai dengan rekomendasi dalam lembar data ADAS [15]. Sirkuit perlindungan didasarkan pada SP720, yang memberikan perlindungan hingga 8 kV terhadap ESD dan peristiwa tegangan lebih transien lainnya [19].
Keselamatan listrik adalah salah satu persyaratan terpenting dalam desain perangkat medis. Standar International Electrotechnical Commission (IEC) mencakup dua jenis isolasi untuk perlindungan pengguna, IEC 60601 dan IEC 60950. Untuk mencegah penyebab sengatan listrik, aritmia jantung, luka bakar, atau bahkan kerusakan organ dalam [20], pengguna (pasien/operator) harus diisolasi dari bagian sistem bertegangan tinggi, dan arus bocor harus dijaga agar tetap rendah.
Isolasi dapat diterapkan pada tingkat yang berbeda. Untuk aplikasi tanpa koneksi, langsung atau tidak langsung, ke tegangan saluran listrik, misalnya, perangkat Holter yang digerakkan oleh baterai, masalahnya akan teratasi secara otomatis. Namun, karena mungkin ada kebutuhan untuk menghubungkan RPI ke periferal misalnya, printer, monitor, LAN, isolasi yang tepat disertakan ke dalam desain. Isolasi dicapai dengan mengisolasi data (SPI) dan tautan daya DC antara ADAS dan RPI, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3.
Seperti yang telah dibahas sebelumnya, RPI memberikan banyak kebebasan memilih mengenai sistem operasi dan bahasa pemrograman. Dalam pekerjaan ini Raspbian Linux dan C++ dipilih untuk implementasi perangkat lunak yang menginisialisasi ADAS, mengambil sinyal darinya, dan memvisualisasikan dan merekam sinyal dalam format yang diinginkan. Untuk pengembangan antarmuka pengguna grafis (GUI) Qt, kerangka aplikasi lintas platform menggunakan C++ standar, digunakan. Qt juga memfasilitasi multi-threading. Qt adalah kerangka kerja yang sangat populer dengan dokumentasi yang sangat baik dan contoh yang berguna [24]. Karena kompilasi aplikasi pada RPI dapat memperlambat proses pengembangan, kompilasi silang pada PC dengan OS Ubuntu [18] digunakan untuk menghasilkan kode yang dapat dieksekusi untuk platform RPI. Untuk mencapai laju pengambilan sampel yang diperlukan di atas 2 kHz saat sinyal diplot, pengambilan sampel dilakukan di utas independen dari GUI. Komunikasi antara dua utas ini dilakukan dengan metode dari Qt yang disebut sinyal &slot. Mekanisme ini menggunakan koneksi antrean yang berarti bahwa sinyal ditempatkan di loop kejadian utas GUI dan GUI diizinkan untuk menyelesaikan tugasnya saat ini sebelum slot dipanggil [25].
Pengembangan perangkat lunak untuk perangkat medis diatur oleh beberapa standar, seperti ISO 13485, EN ISO 14971 dan IEC 62304. Standar tersebut masing-masing mencakup sistem manajemen mutu, manajemen risiko, dan proses siklus hidup perangkat lunak perangkat medis [26]. Karena pengembangan perangkat lunak proyek ini tidak memenuhi salah satu dari standar ini, itu harus dianggap sebagai perangkat lunak yang tidak diketahui silsilahnya (SOUP). Setiap penggunaan klinis harus dilakukan setelah memastikan kinerja perangkat yang aman dan andal. Semua tanggung jawab untuk ini terletak pada pengguna, penulis makalah ini tidak bertanggung jawab atas penggunaan materi ini.
Gambar 3 menunjukkan arsitektur sistem yang diusulkan untuk Biosignal PI. Sistem ini mencakup RPI sebagai modul komputasi, lapisan isolasi daya digital dan DC, perlindungan pelepasan muatan listrik statis (ESD) untuk elektroda tubuh yang terhubung ke ujung depan biosignal analog. Biosignal dan modul pemantauan tanda vital yang berbeda dapat ditambahkan dengan front-end yang tepat atau sebagai monitor nirkabel melalui Bluetooth, WiFi, atau ZigBee. RPI dapat dihubungkan ke periferal yang berbeda seperti monitor, printer dan keyboard dan bahkan pelindung yang tersedia untuk RPI bergantung pada setiap permintaan dari setiap proyek. RPI dan periferal potensial tidak dirancang sebagai perangkat medis dan karenanya lapisan isolasi digunakan untuk mengisolasi papan breakout dari RPI. Bahkan jika isolasi dan karakteristik perlindungan ESD dipilih untuk memenuhi persyaratan keselamatan pasien, tidak ada langkah menuju sertifikasi formal yang telah diambil. Terserah siapa saja yang ingin mendasarkan perangkat yang disetujui MDD atau FDA pada Biosignal PI untuk memastikan bahwa semua persyaratan terpenuhi.
Dalam implementasi pertama arsitektur ini, EKG dan papan breakout respirasi dirancang untuk chip ADAS1000. Papan sirkuit tercetak skema dan lapisan ganda (PCB) dirancang menggunakan versi gratis CadSoft Eagle V6.5 [27]. Gambar 4 menunjukkan diagram skema sistem 5–8 sadapan dengan semua komponen yang diperlukan untuk pengoperasian ADAS, perlindungan ESD, dan isolasi papan dari RPI.
Untuk detail lebih lanjut:Biosignal PI, EKG Sumber Terbuka dan Sistem Pengukuran Respirasi yang TerjangkauAbstrak
1. Pendahuluan
2. Batasan
3. Desain Sistem
3.1. Platform Tertanam
3.2. Elektrokardiogram dan Front-End Analog Bioimpedansi Toraks
3.3. Komunikasi antara RPI dan ADAS
3.4. Defibrilator dan Perlindungan ESD
3.5. Lapisan Isolasi Keamanan Listrik
3.6. Pengembangan Perangkat Lunak
3.7. Arsitektur Biosignal PI
Proses manufaktur
Otomasi, Pengukuran, dan Sistem Kontrol Proses Blast Furnace Pengoperasian tanur sembur modern yang efisien membutuhkan otomatisasi tingkat tinggi dalam hubungannya dengan sistem pengukuran dan sistem pemantauan dan kontrol. Sistem kontrol proses tanur sembur yang dikombinasikan dengan sistem opti
Sistem Otomasi dan Kontrol Pabrik Sinter Proses sintering (Gambar 1) merupakan proses metalurgi yang dilakukan pada mesin sintering. Ini adalah proses aglomerasi termal. Proses sintering adalah proses intensif energi, di mana sejumlah parameter harus diperhitungkan. Prosesnya kompleks dan melib
Sistem Otomatisasi, Kontrol, dan Pengukuran Pabrik Coke Oven Kokas metalurgi digunakan dalam proses industri besi dan baja (terutama dalam tanur tinggi) untuk mereduksi bijih besi menjadi besi dan dalam pengecoran. Lebih dari 90% dari total produksi kokas didedikasikan untuk operasi tanur sembur.
Rekayasa Serentak dan Berurutan Serentak dan rekayasa sekuensial adalah dua pendekatan alur kerja desain produk utama perusahaan untuk mengikuti interaksi antara tim fungsional untuk berbagi informasi selama 8 tahap pengembangan produk baru. Setiap pengembangan produk memakan waktu, dan teknolog
