Sundhedsteknologi Bruge givet teknologi til måling, behandling og visualisering af fysiologiske signaler i en givet sundhedsteknologisk problemstilling Apparatet er givet Black box Måling af signal er Signalfortolkning Signalbehandling P2-projektkatalog Forår 2013
Indhold 1. Generelt om ST2 2. Temabeskrivelse: Eksperimentiel fysiologi 3. Projektforslag Generelt om ST2 Formål og overordnede mål for P2-projektenheden (fra studieordningen) Formålet med projektet er, efter at den studerende har stiftet bekendskab med sundhedsteknologiske systemer i de første-semesters projekter, at betragte (dele af) kroppen som fysiologisk system, der giver anledning til målbare fænomener. Studerende der gennemfører modulet skal opnå følgende færdigheder: Viden har en forståelse af en systembeskrivelse af fysiologien, har en forståelse af fysiologiske signalers oprindelse, har en forståelse af de kliniske sammenhænge ift. projektets specifikke problemstilling, kan anvende basale måleteknikker, har en forståelse af dataopsamling og dataopsamlingssystemer, kan reflektere over teori, metoder og instrumenteringen ift. den specifike sundhedsteknologiske problemstilling, Færdigheder kan planlægge og udføre basale eksperimenter der inkluderer målinger fra mennesker, kan anvende Matlab til signalopsamling og/eller behandling og visualisering af biologiske signaler med inddragelse af brugssituationen og brugerkrav, kan bearbejde den valgte problemstilling med inddragelse af relevante sundhedsvidenskabelige, humanistiske eller samfundsmæssige sammenhænge, kan gennemføre en metodisk og konsekvent analyse af resultaterne af denne bearbejdning og drage konklusioner på baggrund heraf, planlægge og styre et projektarbejde, kan dokumentere eksperimentelle metoder og instrumentering, samt resultater, kan formidle projektets arbejdsresultater og arbejdsprocesser på en klart struktureret, sammenhængende måde, såvel skriftligt, grafisk og mundligt. Kompetencer kan definere vidensbehovet ift. gennemførelse af et projekt, kan selvstændigt styre et længerevarende projektarbejde, kan kritisk vurdere relevansen af den indhentede viden i forhold til projektet, kan analysere egen læreproces, kan analysere projektgruppens organisering af gruppesamarbejdet og reflektere over årsager til og anvise mulige løsninger af problemer og evt. konflikter i projektgruppen, kan reflektere over sin professionelle rolle inden for sundhedsvæsenet.
TEMA Eksperimentiel fysiologi biologiske signaler - måling, behandling og præsentation af Mange sygdomme kan afhjælpes med korrekt behandling, som normalt følger den klassiske model for menneskelig aktivitet; observation, diagnose og terapi, som man taler om i den medicinske verden. I den moderne sundhedssektor er teknologi en vital del af alle tre faser, idet der meget ofte anvendes teknologi til såvel observation, diagnosticering samt behandling af patienter. Måling og fortolkning af fysiologiske/biologiske parametre spiller en stor rolle. De målte data anvendes både til at opnå større indsigt i virkemåden for biologiske systemer og ved design af systemer til diagnosticering og behandling. Eksempler på anvendelse af fysiologiske parametre: Monitorering af hjertets funktion vha. ElektroKardioGrammet (EKG) anvendes ofte ved diagnosticering af hjertesygdomme, samt ved overvågning af patienter i forbindelse med operationer. Elektroderne placeres enten pre-kordialt eller på ekstremiteterne. EKG'et er et vektor-signal med amplitude og retning som varierer med tiden. EKG ets udseende er dels afhængigt af patientens tilstand og af hvor på kroppen det måles. Hjernens elektriske signaler (EEG ) bruges ofte til diagnosticering af epilepsi og søvnlidelser. I de seneste år er der også dukket andre anvendelser op, blandt andet til Brain Computer Interfaces (BCI) hvor man søger at give mennesker med svære handicap på grund af rygmarvsskader eller sygdommen en mulighed for kommunikation. Muskler elektriske signaler (EMG) bruges både til diagnosticering af sygdom (sklerose, myopatier) og monitorering af muskel tilstand. EMG bruges for eksempel i forbindelse med udtrætning, smerte og i rehabiliteringsprotokoller. Stetoskopet har altid været et af de mest kendte og brugte medicinske redskaber til diagnosticering, og det har reelt ændret sig meget lidt igennem tiderne. De gamle stetoskoper benytter sig af akustiske principper til gengivelse af hjertelyde. Nye typer af elektriske stetoskoper er udviklet igennem de sidste 20 år, og har bragt nye muligheder for lagring, behandling og visualisering/genhør af hjertelyds signalet. Patienter som er indlagt på sygehusafdelinger overvåges ofte ved hjælp af måling af blodets syre-base kemi og elektrolyt-status. Disse målinger giver meget information om organer som lunger eller nyrers tilstand. For patienter på intensiv-afdelinger sker overvågningen typisk ved målinger i arterielt blod.
På jeres 1. semester valgte I en teknologi og I har udført en MTV dvs. analyseret teknologien udfra teknologiske, patientmæssige, organisatoriske og økonomiske aspekter. På jeres 2. semester skal I gå fra at analysere en given teknologi til at anvende teknologien dvs. måle, analysere og fortolke fysiologiske/biologiske signaler (se figur herunder). Bruge givet teknologi til måling, behandling og visualisering af fysiologiske signaler i en givet sundhedsteknologisk problemstilling Apparatet er givet Black box Måling af signal er Signalfortolkning Signalbehandling Fælles elementer i projekterne Igennem projektarbejdet skal I opbygge en viden om relevant anatomi og fysiologi. Når fysiologiske data anvendes til beskrivelse af et biologisk system opnås en specifik repræsentation af virkeligheden. Men man må ikke glemme at data har sine begrænsninger, og disse begrænsninger eller forudsætninger er det vigtigt at erkende for at kunne forstå og fortolke de fysiologiske signaler. I skal desuden opnå viden om eksisterende udstyr til måling af fysiologiske data samt forståelse af fortolkning af fysiologisk data, viden om forsøgsdesign og forsøgsplanlægning og anvendelse af teknikker til analyse og præsentation af fysiologiske data. Som ingeniører kan det synes naturligt at fokusere på de tekniske udfordringer i modellering, design og implementering af teknologiske systemer. For at kunne gøre det på en etisk, moralsk og samfundsøkonomisk forsvarlig måde, er det dog nødvendigt at forstå både de tekniske aspekter og den samfundsmæssige kontekst i hvilken denne teknik skal eksistere. Projekterne skal derfor indeholde et kontektstuelt aspekt. Kurser Til at understøtte undervisningen indenfor temaet udbydes kurser en række kurser samt en studiekreds. På vejledergruppens vegne, Winnie Jensen og Pia Elberg Kontakt til semesterkoordinator: pbe@hst.aau.dk
Projektforslag 1 Hvilken effekt har rygning på lungerne? Problemstilling Rygning kan resultere i kronisk obstruktiv lunge sygdom (KOL), en af de største dødsårsager. Lunge sygdomme, som f.eks. KOL, undersøges normalt vha. spirometri, hvor patienten udfører maximal inspiration og ekspiration, hvorefter luftstrømnings-data bruges til at beskrive lungernes funktion. Spirometri målinger bruges i den kliniske hverdag, men kan ikke beskrive sygdomme i detaljer, fordi forskellige sygdomsbilleder kan give de samme spirometri signaler. Formål Dette projekt vil undersøge, hvordan lungefunktion kan måles og fortolkes. Med udgangspunkt i spirometri kunne projektet undersøge hvilke andre målinger, der kunne være anvendt, f.eks. eksspirations indhold af CO2 and O2. Kunne disse og andre signaler sammen med spirometri, giv et mere fyldestgørende billede af patienters lunger, og hvilke konsekvenser har det i givet fald? Eksempler på sundhedsteknologiske læringsmål Igennem projektarbejdet får den studerende viden om respiration og respirationssygdomme, optagelse og fortolkning af relevante fysiologiske parametre under normale og anormale forhold, forsøgsdesign og lærer at anvende Matlab. Eksempler på kontekstuelle læringsmål Viden om hvordan KOL diagnoticeres og hvilke forebyggelses- og behandlingstilbud, der findes i den danske sundhedssektor. Viden om rygnings påvirkning af lungefunktion, og hvilke øvrige faktorer, der kan påvirke lungefunktionen. Laboratoriearbejder/eksperimenter Gruppen vil få brug for at designe, planlægge og udføre eksperimenter med dedikeret opsamlingsudstyr, hvor kroppens fysiologiske data måles. Gruppen vil desuden få brug for Matlab/andre programmeringspakker til analyse og præsentation af data. Forsøg udføres i studenterlaboratoriet på Institut for Medicin og Sundhedsteknologi, og i respirations laboratoriet i Center for Model-Based Medical Decision support. Vejleder: Steve Rees sr@hst.aau.dk
Projektforslag 2 Hvorledes påvirker stress? Hvilke parametre bruges til at måle og vurdere stress? Problemstilling Stress er den moderne syge ofte et produkt af præstationssamfundets krav til børn, voksne og unge i skolen, på arbejdet og hjemme i familien. Undersøgelser fortaget i EU konkluderer at hver tredje europæer i større eller i mindre grad lider af stress. Stress kan ramme alle; rig og fattig, rengøringsassistenten og erhvervslederen. Stress er de forandringer der sker i kroppen når vi belastes indefra af vores følelser og tanker, eller udefra fra vores arbejde. Mennesker, der har været udsat for stress i længere tid kan blive alvorligt fysisk og psykisk syge. Symptomer på stress er forskellig. Nogle bliver irritable, får svært ved at koncentrere sig, får ømme muskler, dårligt humør eller manglende appetit. De psykiske reaktioner på stress kan være nervøsitet, søvnløshed, koncentrations- og hukommelsesproblemer, tristhed, angst og i sidste ende depressionman kan ikke sige noget om, hvor stort pres der skal til, før man får stress. Nogle mennesker tåler et meget stort arbejdspres uden at blive påvirket af det, mens andre reagerer hurtigere. Ifølge Verdenssundhedsorganisationen WHO vil Stress og depression blive en af de største sygdomsfaktorer i år 2020 Danmark havde allerede i 1992 udgifter i forbindelse med stressrelaterede hjerte-kar-sygdomme for ca. 900 millioner kroner. Inspirationskilde: http://www.dr.dk/stress/ Formål Dette projekt skal undersøge hvordan simulerede stress fysisk påvirker kroppen. Et udsnit af relevante fysiologiske parametre kan undersøges f.eks kunne det være interessant at undersøge den autonome kontrol af hjertet. Ved at analysere forskellene i tidsperioderne mellem de enkelt hjerte slag i ECG signalet kan man at få et indblik i balancen mellem den sympatiske og den parasympatiske nerve kontrol af hjertet, denne form for analyse hedder heart rate variability (HRV). Respirationen har indflydelse på især den parasympatiske kontrol af hjertet (respiratory sinus arrhythmia), det kunne derfor også være intressant at indrage hvordan samspillet mellem respiration og hjerteslagene er og hvordan dette evt. ændres under simuleret stress. I et ECG kan man se at perioden mellem de individuelle hjerteslag variere. Ved at analysere disse variationer over tid man få et indblik i hvordan det autonome nerve system fungere og derigennem opnå viden om stress niveauet.
Eksempler på sundhedsteknologiske læringsmål Igennem projektarbejdet får den studerende viden om stress som sygdom, autonome nerve system, optagelse og fortolkning af ECG og evt. respiration parametre under normale og anormale forhold, forsøgsdesig og lærer at anvende Matlab. Eksempler på kontekstuelle læringsmål Viden om eksisterende udstyr til måling af fysiologiske data samt forståelse af fortolking af fysiologisk data. Viden om forsøgsdesign og forsøgsplanlægning. Anvendelse af teknikker til analyse og præsentation af fysiologiske data. Laboratoriearbejder/eksperimenter Gruppen vil få brug for at designe, planlægge og udføre eksperimenter med dedikeret opsamlingsudstyr hvor kroppens fysiologiske data måles. Gruppen vil desuden få brug for Matlab/andre programmeringspakker til analyse og præsentation af data. Forsøg finde sted i studenterlaboratoriet på Center for Sensory-Motor Interaction (SMI) ved Institut for Medicin og Sundhedsteknologi Vejledere Hovedvejleder: Kristian Rauhe Harreby, krauhe@hst.aau.dk Bivejleder: Winnie Jensen, wj@hst.aau.dk Projektforslag 3 Effekt af legale rusmidler på kroppens vital parametre Problemstilling Når vi nu ved, at det skader, hvorfor søger vi så alligevel mod alverdens stimulanser, lovlige som ulovlige? Forklaringen ligger ifølge forskerne i hjernen, i belønningssystemet nærmere bestemt. Det er altså ikke et spørgsmål om en slap moral, vi har alle et belønningssystem og i teorien kunne vi alle blive misbrugere. De fire mest almindelige og helt legale rusmidler er; Alkohol er en af de mest udbredte stimulanser, og det er givetvis det ældste rusmiddel, som mennesket har brugt. Vi drikker til hverdag og til fest, og for de fleste menneskers vedkommende er langt størsteparten af fester utænkelige uden alkohol i vores del af verden. Alkohol er et organisk opløsningsmiddel, der ved et stort forbrug vil nedbryde vitale organer i kroppen. Sukker kræver en sød tand eller smagsløg på tungen, der kan smage de søde. Og det er noget der er kommet til gennem menneskets evolution. I starten da vi var nogle ganske små væsener kunne vi ikke smage sødt. Det kan vi tilgengæld nu og vi går til den med slik, sodavand, kager, yoghurt osv. Nikotin Tobakken kom til Europa i kølvandet på opdagelsen af Amerika, hvor indianerne bl.a. brugte tobakken til at ryge den symbolske fredspibe. Tobaksforbruget fik for alvor fodfæste efter 1. Verdenskrig, hvor det blev almindelig at ryge i alle samfundslag.
Koffein Koffein findes både i kaffe, te og f.eks. cola. Kaffen har været kendt og drukket helt tilbage til år 900. Kaffen indtog Europa i 1700-tallet. Kaffe og te er yndede drikke i store dele af verden. Og for de fleste voksne mennesker er det utænkeligt at starte dagen uden en dampende kop te eller kaffe. Indenfor de seneste år er alkopops blevet utroligt populære også blandt helt unge teenagere. Alkopops kan virke harmløse, da de stort set ikke smager af alkohol. Nye tal viser at spiritus og alkopops er meget udbredt, når de unge skal vælge, hvilken type alkohol de vil drikke. Inspirationskilde: http://www.dr.dk/tema/danmarkpaastoffer Formål Dette projekt har til formål at undersøge hvordan små mængder af legale rusmidler påvirker kroppen, f.eks hvordan påvirker koffein kroppen i forhold til alkohol. Det kunne være relevant at måle og vurdere vital parametre såsom: EKG (puls, heart rate variability), blodsukker, blodtryk og reaktionstider på en række raske forsøgspersoner. Eksempler på sundhedsteknologiske læringsmål Igennem projektarbejdet får den studerende viden om rusmidlers effekt på kroppen, optagelse og fortolkning af relevante fysiologiske parametre under normale og anormale forhold, forsøgsdesig og lærer at anvende Matlab. Desuden vil den studerende opnå viden om eksisterende udstyr til måling af fysiologiske data samt forståelse af fortolking af fysiologisk data, viden om forsøgsdesign og forsøgsplanlægning og anvendelse af teknikker til analyse og præsentation af fysiologiske data. Eksempler på kontekstuelle læringsmål Igennem projektarbejdet vil det være muligt at arbejde med problemstiller som legale rusmider og udbredelsen af legale rusmidler i Danmark, samt forståelse hvilke indvidueller og samfundsmæssige konsekvenser brug af legale rusmidler har. Laboratorieforsøg Gruppen vil få brug for at designe, planlægge og udføre eksperimenter med dedikeret opsamlingsudstyr hvor kroppens fysiologiske data måles. Gruppen vil desuden få brug for Matlab/andre programmeringspakker til analyse og præsentation af data. Forsøg finde sted i studenterlaboratoriet på Center for Sensory-Motor Interaction (SMI) ved Institut for Sundhedsvidenskab og teknologi. Vejledere Hovedvejleder: Kristian Rauhe Harreby, krauhe@hst.aau.dk Bivejleder: Winnie Jensen, wj@hst.aau.dk
Projektforslag 4 Måling af muskelkraft til kontrol af håndproteser Problemstilling 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 (overflade elektromyogram, semg) er de meste anvendte og de eneste kommercielle produkter. Men disse proteser tillader ofte kun een bevægelse af gangen, og det er begrænsede til et lille antal frihedsgrader. Mængden af den kraft eller den hastighed proteser styres med antages at være linær med EMG. Men dette er baseret på målinger under statiske stillinger. Spørgsmålet er om dette også er gældende under forskellige armstillinger samt om forholdet forbliver uændret overtid. Formål Formålet med dette projekt er at undersøge forholdet mellem EMG og kraft under forskellige armstillinger (dynamisk) samt under forskellige typer håndgrebe. Projektet kan også undersøge om man kan modellere forholdet mellem EMG ogf kraft og undersøge dens stabilitet over tid (2-3 dage). Eksempler på sundhedsteknologiske læringsmål Viden om relevant anatomi, fysiologi og patofysiologi. Viden om eksisterende udstyr til måling af fysiologiske data samt forståelse af fortolking af fysiologisk data. Viden om forsøgsdesign og forsøgsplanlægning. Anvendelse af teknikker til analyse af fysiologiske data ved brug af programmeringssproget MATLAB. Eksempler på kontekstuelle læringsmål Viden om anvendelse af kontrol systemer til amputerede. Viden om modellering og forsudsigelse af fysiologiske parametre Laboratoriearbejder/eksperimenter Gruppen vil få brug for at designe, planlægge og udføre eksperimenter med dedikeret opsamlingsudstyr, hvor kroppens fysiologiske data måles. Gruppen vil desuden få brug for Matlab til analyse og præsentation af data. Forsøgene finder sted i studenterlaboratoriet på Center for Sensory- Motor Interaction (SMI) ved Institut for Medicin og Sundhedsteknologi. Vejleder: Ernest N. Kamavuako, enk@hst.aau.dk Winnie Jensen, wj@hst.aau.dk
Projektforslag 5 Mønstergenkendelse af håndbevægelser til kontrol af håndproteser Problemstilling 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 (overflade elektromyogram, semg) er de meste anvendte og de eneste kommercielle produkter. 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 især de basale håndled samt finger bevægelser. En del studier har påvist at man er i stand, udfra EMG, at genkende forskellige bevægelser med stor succes. Men stabilitet overtid af sådan et system kendes ikke. Der vides ikke om, hvor tit et system skal genoptrænes for at kunne genkende bevægelser der kan lette livet for amputerede. Formål Formålet med dette projekt er at undersøge, hvor mange hånd bevægelser man kan genkende udfra EMG med høj rate. Projektet kan også undersøge hvor tit et system skal genoptrænes for at kunne blive ved med at genkende bevægelser over tid (2-3 dage). Eksempler på sundhedsteknologiske læringsmål Viden om relevant anatomi, fysiologi og patofysiologi. Viden om eksisterende udstyr til måling af fysiologiske data samt forståelse af fortolking af fysiologiske data. Viden om forsøgsdesign og forsøgsplanlægning. Anvendelse af teknikker til analyse af fysiologiske data ved brug af programmeringssproget MATLAB. Eksempler på kontekstuelle læringsmål Viden om anvendelse af kontrolsystemer til amputerede. Viden om klassificering eller genkendelse af fysiologiske parametre. Laboratoriearbejder/eksperimenter Gruppen vil få brug for at designe, planlægge og udføre eksperimenter med dedikeret opsamlingsudstyr, hvor kroppens fysiologiske data måles. Gruppen vil desuden få brug for Matlab til analyse og præsentation af data. Forsøgene finder sted i studenterlaboratoriet på Center for Sensory- Motor Interaction (SMI) ved Institut for Medicin og Sundhedsteknologi Vejleder: Ernest N. Kamavuako, enk@hst.aau.dk Winnie Jensen, wj@hst.aau.dk