Projektkatalog. Sundhedsteknologi 3. semester

Transkript

1 Projektkatalog Sundhedsteknologi 3. semester 2013

2 Bio-feedback system til monitorering af kompensatoriske bevægelser hos apopleksipatienter Baggrund Cirka hver 7. dansker rammes af et slagtilfælde (apopleksi), som er en samlet betegnelse for blodpropper eller blødninger i hjernen. Størstedelen af patienterne får halvsidige lammelser, hvilket medfører, at disse patienter kan få forstyrrelser i kontrollen af lemmer og balancebesvær. Det ses ofte, at apopleksipatienter ændrer deres bevægelsesmønstre pga. den manglende/reducerede muskelkontrol. Disse kompensatoriske bevægleser er oftest uhensigtsmæssige og kan på længere sigt medføre smerter eller skader. Derfor er en vigitig del af den genoptræning som patienter modtager fra fysioterapeuter netop fokuseret på at undgå disse kompensatoriske bevægelser. Dog foregår en stor del af genoptræningen også hjemme hos den enkelte patient og her er der ikke en terapeut der gør patienten opmærksom på når denne laver uhensigtsmæssige kompensatoriske bevægelser. I projektet skal der udvikles et brugervenligt bio-feedback system, der kan hjælpe apopleksipatienter med at undgå kompensatoriske bevægelser under genoptræning. Oplagte muligheder for at identificere kompensatoriske bevægelser er enten ved hjælp af målinger med accelerometer eller elektromyografiske (EMG) målinger af muskelaktivitet i udvalgte muskler (f.eks. skulderen) under en given aktivitet. Den feedback, der gives til patienten kan bestå af eksempelvis lyd, lys eller vibration. Der skal udvikles et kredsløb, der er i stand til at registrere og forstærke de valgte signaler til et niveau hvor videre signalbehandling er mulig. Ud fra sammenligning med kendte signaler skal de opsamlede signaler kunne kategoriseres som kompensatoriske bevægelser eller normale bevægelser. Systemet skal også være i stand til at vise en grafisk repræsentation af de opsamlede signaler og sammenligningen af disse med de kendte signaler. Endeligt skal systemet kunne informere/give feedback om hvorvidt en bevægelse er normal eller kompensatorisk i form af eksempelvis lyd, lys eller vibration. Nøgleord: kredsløbsteori, analog elektronik, test og validering, EMG, brugervenlighed, detektering, sammenligning Forslagsstiller: Daniel Simonsen (dsim@hst.aau.dk), FRB7 E1-202.

3 Gang rehabilitering hos apopleksipatienter: Udvikling af et system til monitorering af træningseffekten Baggrund En apopleksipatients gang er typisk karakteriseret ved problemer med bøjning af hofteledet, når det berørte ben skal svinges fremad samt vanskeligheder med at løfte foden. En måde at støtte benløftet og den fremadsvingende bevægelse er at anvende elektriske stimulationer for at aktivere refleksfunktioner i rygmarven, som udløser hoftebøj, og dermed understøtte patienternes egne forsøg på at gennemføre gangbevægelsen. De reflekser, som kan udløses ved at stimulere huden/foden med en kraftig elektrisk stimulation, betegnes som afværgereflekser. I den afværgerefleks-baserede genoptræning af gangfunktionen forsøger patienten at gå med støtte af én eller to fysioterapeuter, mens elektriske stimulationer bruges på bestemte tidspunkter i gangcyklen til at udløse en afværgerefleks, der vil støtte hoftebøj og løfte foden. et med genoptræningen er, at patienten skal genvinde kontrollen af det afficerede ben. Litteraturen viser, at apopleksipatienter hurtigere og nemmere genlærer at kontrollere den afficerede ekstremitet med denne form for terapi end ved traditionel fysioterapi. I projektet skal der udvikles et system, der kan anvendes til monitorering af den individuelle patientens træningseffekt. Træningseffekten skal måles vha. mængden af muskelaktivitet (EMG) før og efter træningen er afviklet. Dette skal muliggøre en nemmere og mere objektiv monitorering af genoptræningseffekten. Gruppen bestemmer selv, hvilke muskler der skal måles fra (f.eks. de store muskelgrupper omkring ankel-, knæ- og hofteleddet), hvordan reflekserne skal kvantificeres og hvordan resultatet skal vises. Systemet skal være brugervenligt, robust og nemt at bruge. Der skal udvikles et kredsløb, der registrerer og forstærker de valgte EMG signaler til et passende niveau for yderligere signalbehandling. Signalernes karakteristika skal derefter måles og vises. Systemet skal også kunne vise de opsamlede signaler på en computer. Eventuelt kan systemet også vise en figur hvor resultaterne fra begge evalueringssessioner bliver præsenterede. I figuren herunder kan systemets vigtigste blokke ses:

4 EMG signal Instrumenteringsforstærker Filtre Forstærker Ensretter Integrator Offset korrektion??? Til PC Nøgleord: Systemspecifikation, kredsløbsteori, analog elektronik, test og validering, elektrisk sikkerhed, biologiske signaler. Forslagsstiller: Erika G. Spaich FRB7 E1-213.

5 Baggrund Styring af elektriske håndproteser ved hjælp af skulder bevægelser Der bliver i dag forsket aktivt i forskellige teknologier til amputerede, såsom funktionelle kunstige lemmer (proteser). De proteser som kontrolleres ved hjælp af muskel signaler målt fra hudens overflade på arm (overflade elektromyogram, semg) er de meste anvendte. Men disse proteser tillader ofte kun een bevægelse af gangen, og det er begrænset til et lille antal bevægelser. Mange af de amputerede ønsker et system som er i stand til styre mange bevægelser. Een af grundene er at oftest er det ikke nok muskler tilbage hvorfra man kan måles uafhængige signaler. Til gengæld har mange amputerede stor bevægelighed i skulderleddet, som kan benyttes til styring af en elektrisk protese. et med dette projekt er at udvikle, implmentere og teste et system til styring af en elektrisk protese som er baseret på bevægelser fra skulderen. Bevægelserne fra skulderen kan opfanges på mange forskellige måder som kræver forskellige sensorer. For eksempel, kan muskel signaler fra brystkassen opfanges ved hjælp af EMG elektroder. Man kan også vælge at bruge accelerometer eller en goniometer til måling af disse bevægelser. Skulders egnethed for anvendelse som kontrolkilden til styring af protese skal vurderes, og signalets karakteristika skal studeres og beskrives. Signalerne skal behandles analogt, så det kan repræsenteres på en computeren og man kan detektere hvornår og hvilken sensor der er aktiv. På den måde kan man estimere bevægelsens karakteristika og styre protesen som følge af brugerens ønske. I figuren herunder kan systemets vigtigste blokke ses: Signal fra Skulder Instrumenteringsforstærker Differensforstærker Filtre Forstærker Analog processering Til PC Nøgleord: systemspecifikationer, kredsløbsteori, analog elektronik, test og validering, elektrisk sikkerhed, biologiske signaler Forslagsstiller: Ernest N. Kamavuako (enk@hst.aau.dk), FRB7 A2-214.

6 Detektering af respiration ved brug af EMG hos patienter med KOL Baggrund Når vi trækker vejret, enten i hvile eller ved fysisk aktivitet, flyttes en mængde luft ind og ud af lungerne med hjælp fra den omkringliggende muskulatur. Den største del af arbejdet kommer fra diafragma (mellemgulvet) og musklen betegnes derfor som den primære respirationsmuskel. Hos personer med raske lunger er diafragma altid i stand til at levere krævede mængde luft uden at blive udtrættet. Hos patienter med Kronisk Obstruktiv Lungesygdom (KOL) er diafragma derimod udsat for ekstra stress. Det skyldes, at vejrtrækningen er besværet af en kombination af forsnævrede luftveje eller degenereret lungevæv. For nogle af disse patienter kan det derfor være ekstremt udmattende bare at trække vejret i hvilende tilstand, hvilket kan medføre angst og panik hos patienterne. En metode der kan hjælpe patienterne til en lettere hverdag er ved brug af Inspiratorisk Muskel Træning (IMT), hvor nøje tilrettelagt træning øger diafragmas styrke og udholdenhed. Men da det langt fra er alle patienter der har gavn af denne træning er det i en klinisk sammenhæng vigtigt at kunne skelne mellem patienterne. Ved at registrere diafragmas aktivitet ved hjælp af elektromyografi (EMG) kan niveauet af muskel udtrætning samt relativ styrke bestemmes. Dette kan benyttes til at vurdere om IMT vil være gavnlig for en patient. Ydermere er det muligt under et IMT forløb, at benytte EMG til at vurdere om diagfragmas styrke og udholdenhed forøges. et med projektet er at designe, implementere og teste et system, der kan benyttes til optagelse af diafragmas aktivitet i en klinisk situation. Signalet skal have en kvalitet der muliggør analyse af muskel udtrætning og styrke. Diagfragmas aktivitet kan måles ved hjælp af elektroder placeret på huden over musklen. De elektriske impulser fra musklen skal forstærkes og filtreres for at respirationen kan detekteres. For at verificere det optagne signals tilstrækkelige kvalitet, kan der opstilles et forsøg hvor det undersøges hvordan forskellige grader af muskelanstrengelse hænger sammen med det resulterende tryk og flow målt ved ekspiration. De primære komponenter i det ønskede system ses i figuren herunder.

7 Diafragma EMG Instrumenteringsforstærker Filtre Forstærker Offset korrektion Integrator Differentiator Til PC Nøgleord: elektromyografi (EMG), el-sikkerhed, test og validering, detektering Forslagsstiller: Lars Pilegaard Thomsen FRB7 E4-204.

8 Tunge-Computer-Interface Baggrund Når et menneske rammes af en rygmarvsskade i halsregionen, er konsekvenserne ofte lammelser i både arme og ben. Personen synes fanget i sin egen krop, med begrænset eller ingen mulighed for at deltage i sociale aktiviteter, uddannelse og arbejde, men skal i stedet have hjælp 24 timer i døgnet. Med det rette interface til de moderne teknologier såsom computer/internet, el-kørestole og robotter, kan selv svært lammede få sig en social omgangskreds, studere og passe et arbejde. Det er i dag muligt at interface f.eks. hoved, mund, hjerne, øjne og tunge til en computer og hver metode har sine fordele og ulemper. I dette projekt ønskers der lavet et interface mellem tungen og en computer, der kan give en svært lammet mulighed for at kommunikere med omverdenen. Der skal udvikles et kredsløb, der kan registrere aktiveringer af et tungeinterface, der består af en slags ganebøjle, hvori der er placeret sensorer. Tungens egnethed for anvendelse til et computerinterface for rygmarvsskadede skal vurderes, og signalets karakteristika skal studeres og beskrives. Signalerne fra tungeinterfacet skal behandles analogt, så det kan repræsenteres på en computeren og man kan detektere hvornår og hvilken sensor der er aktiv. I første omgang holdes systemet i hånden og aktiveres ved at føre en lille metalenhed op til en sensor. På sigt kan metalenheden placeres på tungen. Aktiveringssignalet kan efter eget valg f.eks. repræsenteres grafisk på computeren, eller anvendes til at skrive tekst eller lignende.

9 Biologisk signal Instrumenteringsforstærker Differensforstærker Filtre Integrator Differentia tor Ensretter Offset Forstærker Til PC Nøgleord: systemspecifikationer, kredsløbsteori, analog elektronik, test og validering, elektrisk sikkerhed, biologiske signaler Forslagsstiller: Lotte N. S. Andreasen Struijk FRB7 D3-202.

10 Monitorering af hjertefrekvens i gnavere Baggrund Dyreforsøg spiller en afgørende rolle for forskning og udvikling af bl.a. nye behandlingsmetoder, medicin, og medikoteknikse apparater. Forsøgene anvendes for fx at afklare bivirkninger ved ny medicin før det afprøves i mennesker samt til grundforskning i fysiologiske mekanismer, som kræver kirurgiske indgreb og derfor ikke kan udføres i mennesker uden at skade forsøgspersonen. I 2010 blev der i alt anvendt forsøgsdyr i Danmark, og 83% af disse dyr var mus og rotter. Under kirurgiske indgreb og forsøg, hvor dyrene er bedøvet, er det nødvendigt at monitorere vitalparametre, som fx hjertefrekvens, for at sikre at dyret er stabilt. Denne form for monitorering anvendes også ved kirurgi i mennesker, men da mus og rotter har en langt højere hvilepuls end mennesker, kan dette udstyr ikke anvendes til forsøg i gnavere. Elektrokardiogrammet (EKG) er en ikke-invasiv metode til at måle det elektriske potentiale fra hjertet, som både kan bruges til at udregne hjertefrekvens og mere avancerede hjerteparametre. et med projektet er at designe og bygge et system, som kan opsamle et EKG signal, udregne hjertefrekvensen, og give en alarm, hvis hjertefrekvensen er for høj eller lav. Projektet skal indeholde en analyse af hjertefysiologien, metoder til EKG opsamling og analyse, og EKG karakteristika. De elektriske signaler fra hjertet skal opsamles og behandles analogt (forstærkning, filtrering, offset-justering, etc.), og derefter føres over i en PC for videre behandling og visualisering. Systemets hoved-komponenter er vist på figuren herunder. EKG Instrumenteringsforstærker Differensforstærker Filtre Forstærker Analog processering Til PC

11 Systemet skal kunne udregne hjertefrekvensen og relatere den til et brugerdefineret minimums- og maksimums niveau, således at systemet både kan anvendes til mennesker og store dyr med relativ langsom hjertefrekvens, og til gnavere med hurtig hjertefrekvens. Under udviklingen af systemet kan EKGet måles med overflade elektroder på forsøgspersoner. Efter systemet er færdigudviklet, testes det på en rotte. Nøgleord: elektrokardiografi (EKG), systemspecifikationer, kredsløbsteori, analog elektronik, test og validering, elektrisk sikkerhed, biologiske signaler Forslagsstiller: Thomas Nørgaard Nielsen FRB7 E3-201.