ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ. Διπλωματική Εργασία

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Χατζοπούλου Αλεξάνδρα του Αναστασίου Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Επεξεργασία και μετάδοση ζωτικών σημάτων» Επιβλέπων Λυμπερόπουλος Δημήτριος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2020 i

2 ii

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Επεξεργασία και μετάδοση ζωτικών σημάτων» της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Χατζοπούλου Αλεξάνδρα του Αναστασίου Αριθμός Μητρώου: παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 06/10/2020 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Λυμπερόπουλος Δημήτριος Καθηγητής Σγάρμπας Κυριάκος Αναπληρωτής Καθηγητής iii

4 iv

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Επεξεργασία και μετάδοση ζωτικών σημάτων» Φοιτήτρια: Χατζοπούλου Αλεξάνδρα Επιβλέπων: Λυμπερόπουλος Δημήτριος Καθηγητής 1

6 2

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η περιγραφή του πληροφοριακού και επικοινωνιακού υπόβαθρου για τη συλλογή, την επεξεργασία και τη μετάδοσης ζωτικών σημάτων. Προκειμένου να γίνει μία ολοκληρωμένη επισκόπηση του θέματος, περιγράφτηκαν ορισμένες επικοινωνιακές δομές (ασύρματη μετάδοσης, ηλεκτροστατική μετάδοση, υπέρυθρη μετάδοση). Επίσης έγινε αναφορά σε ορισμένα παραδείγματα μοντέλων επικοινωνίας που έχουν ως μέσο μετάδοσης δεδομένων το ανθρώπινο σώμα (ενδοσωματική επικοινωνία, ηλεκτρικό μοντέλο του ανθρώπινου σώματος, μοντέλο ανθρώπινου βραχίονα). Επιπρόσθετα περιγράφτηκαν μερικές τεχνικές διαμόρφωσης των σημάτων σε δίκτυα ανθρώπινου σώματος (ΒΑΝ) και τους τρόπους επεξεργασίας των σημάτων του αναπνευστικού συστήματος. Τέλος κρίθηκε σκόπιμο να περιγραφεί ο τρόπος δημιουργίας των βιοσημάτων που παράγονται από τον εγκέφαλο, την καρδιά (σφυγμός και αρτηριακή πίεση) και το αναπνευστικό σύστημα. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Βιοσήμα, αισθητήρας, δίκτυα ανθρώπινου σώματος ΔΑΣ, ηλεκτρικά μοντέλα σώματος, καρδιά, αναπνευστικό σύστημα, εγκέφαλος. 3

8 4

9 PREFACE The purpose of this thesis is to describe the information and communication background for the gathering, the processing and the transmission of vital signals. In order to make a complete overview of the subject, some communication structures were described (wireless transmission, electrostatic transmission, infrared transmission). We referenced some examples of communication models that use the human body as the data transmission medium (intra body communication, electrical model of the human body, human arm model). In addition, we described some techniques for modulating the signals in human body area networks (BAN) and ways of processing respiratory signals. Finally, it was deemed appropriate to describe how the brain, the heart (pulse and blood pressure) and the respiratory system created their corresponding bio signals. KEYWORDS: Bio signal, sensor, Body area network BAN, electrical models of the body, heart, respiratory system, brain. 5

10 6

11 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κύριο Δημήτρη Λυμπερόπουλο, για τις πολύτιμες συμβουλές και την καθοδήγησή του καθ όλη τη διάρκεια φοίτησής μου και την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής. Επίσης, ένα μεγάλο ευχαριστώ στην οικογένεια μου που στάθηκε αρωγός στη συνεχή μου προσπάθεια για την απόκτηση γνώσης. 7

12 8

13 Πίνακας περιεχομένων 1 Εισαγωγή Επικοινωνιακές δομές γύρω και πάνω στον άνθρωπο Γενικά χαρακτηριστικά των βιοϊατρικών αισθητήρων Χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες δικτύων τηλε παρακολούθησης ασθενών Οι τυπικές τεχνολογίες ασύρματων ΡΑΝ/ΒΑΝ δικτύων τηλε παρακολούθησης Χρήση της πανταχού παρούσας υπολογιστικής (Ubiquitous Computing) και των κατανεμημένων I/O (Distributed I/O) Σύνδεση με τον «έξω» κόσμο Συγκρίσεις μεταξύ τεχνολογιών ασύρματης και ηλεκτροστατικής μετάδοσης στο ΒΑΝ Σύγκριση μεταξύ της ηλεκτροστατικής και της υπέρυθρης μετάδοσης Σύγκριση μεταξύ της ηλεκτροστατικής και της RF μετάδοσης Μειονεκτήματα της υπέρυθρης και της RF μετάδοσης Βιβλιογραφία Δεύτερου Κεφαλαίου Χαρακτηριστικά της ενδοσωματικής επικοινωνίας Εισαγωγή Η καινοτομία της ενδοσωματικής επικοινωνίας Κανονισμοί Βιβλιογραφία Τρίτου Κεφαλαίου Ηλεκτρικό μοντέλο του ανθρωπίνου σώματος Αντίσταση των ιστών στα θηλαστικά Το ανθρώπινο σώμα προσεγγίζει τον τέλειο αγωγό Βασική ιδέα της επικοινωνίας των ΒΑΝ τερματικών Συγκεντρωτικό μοντέλο του επικοινωνιακού καναλιού: Σπάσιμο συμμετρίας Ηλεκτρικά πεδία της ΒAN Συσκευής Ηλεκτρικό μοντέλο του καναλιού επικοινωνίας Μοντέλο του ηλεκτρικού κυκλώματος Μέτρηση της χωρητικότητας του ανθρώπινου σώματος Κατανάλωση ενέργειας Κριτήριο Sneaker Power Απώλειες ενέργειας λόγω της φόρτισης του πυκνωτή Χωρητικότητα καναλιού

14 4.10 Πιθανές θέσεις πάνω στο ανθρώπινο σώμα για την τοποθέτηση συσκευών ΒAN Βιβλιογραφία Τέταρτου Κεφαλαίου Μοντέλα καναλιών μέσω του ανθρώπινου σώματος Μοντέλο ανθρώπινου βραχίονα Υφιστάμενη ηλεκτρική διέγερση των ιστών Ηλεκτρικός έλεγχος βιολογικών μηχανισμών Οπτικοποίηση της αντίστασης για ιατρική διάγνωση Αναλυτικό μοντέλο καναλιού Διηλεκτρικές ιδιότητες του ανθρώπινου ιστού Πειραματικά ευρήματα για τις διηλεκτρικές ιδιότητες Παραμετρικό μοντέλο του διηλεκτρικού ιστού Ισοδύναμα μοντέλα ιστών Απλό διακριτικό μοντέλο σώματος Μοντέλο ιστών με στρώσεις Βιβλιογραφία Πέμπτου Κεφαλαίου Διαμόρφωση σήματος σε ΒΑΝ δίκτυα ανθρωπίνου σώματος Διαμόρφωση και κωδικοποίηση Στενή ζώνη και ευρύς ζώνης μετάδοση Μετάδοση στενής ζώσης Πομποί, δέκτες και πομποδέκτες Ψηφιακή μετάδοση ευρείας ζώνης Ευρύ φάσμα Ψευδό θορυβική ακολουθία Συγχρονισμός & Κωδικοποίηση Μάντσεστερ Πομπός συντονισμού Ψηφιακά ελεγχόμενο κέρδος μεταδότη Φαινόμενο κοντινής απόστασης (proximity effect) σε μεταδότη συντονισμού Διακόπτης χωρίς επαφή Βιβλιογραφία Έκτου Κεφαλαίου Βιοσήμα καρδιακού σφυγμού (ΒΚΣ) Ανάλυση της λειτουργίας της καρδιάς Ηλεκτρικός καρδιακός παλμός Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ ή ΕΚΚ) Αρτηριακή πίεση

15 7.5 Φορητοί αισθητήρες για παρακολούθηση της καρδιάς Εισαγωγή Επίθεμα μόνιτορ για καταγραφή του ΕΚΓ Μόνιτορ με βάση το smartphone Αισθητήρες αρτηριακής πίεσης Βιβλιογραφία Εβδόμου Κεφαλαίου Βιοσήμα του ρυθμού της αναπνοής Γενική περιγραφή του αναπνευστικού συστήματος Μύτη και ρινική κοιλότητα Στόμα Φάρυγγας Λάρυγγας Τραχεία Βρόγχοι και βρογχιόλια Πνεύμονες Μύες του αναπνευστικού συστήματος Φυσιολογία του αναπνευστικού συστήματος Πνευμονικός αερισμός (Pulmonary Ventilation) Εξωτερική αναπνοή (External respiration) Εσωτερική αναπνοή Μεταφορά αερίων Ομοστατικός έλεγχος της αναπνοής Μαθηματικό μοντέλο των αερίων του πνεύμονα Παρακολούθηση την αναπνευστικής δραστηριότητας με φορητές συσκευές και αισθητήρες Εισαγωγή Αναπνευστικοί φορητοί αισθητήρες Αισθητήρες πίεσης Ακουστικοί αισθητήρες Αισθητήρες υγρασίας Αισθητήρες οξυμετρίας Αισθητήρες επιτάχυνσης Αισθητήρες με βάση την αντίσταση (Resistive) Συνδυαστικές (Multimodal) πλατφόρμες ανίχνευσης

16 8.5 Βιβλιογραφία Όγδοου Κεφαλαίου Μέθοδοι επεξεργασίας σημάτων για αναπνευστικά σήματα Ενίσχυση φιλτράρισμα Επεξεργασία από αναλογική σε ψηφιακή Γρήγορος μετασχηματισμός Fourier (Fast Fourier transform FFT) Βιβλιογραφία Ένατου Κεφαλαίου Βιοσήματα Εγκεφάλου (EEG) Πως λειτουργεί η τεχνολογία ανίχνευσης εγκεφαλικών κυμάτων Διαφορετικοί τύποι ηλεκτροδίων Υγρά ηλεκτρόδια Στεγνά ηλεκτρόδια Ενεργά ή Παθητικά Βιβλιογραφία Δέκατου Κεφαλαίου

17 1 Εισαγωγή Το ανθρώπινο σώμα αποτελεί ένα πολύπλοκο σύστημα. Περιλαμβάνει ένα σύνολο από επιμέρους όργανα και ιστούς που λειτουργούν αυτόνομα και ανεξάρτητα, ενώ πολλές φορές εμφωλεύονται (κυκλοφοριακό σύστημα, αναπνευστικό σύστημα) προκείμενου να ολοκληρώσουν επιτυχώς τις βασικές λειτουργίες για τη διατήρηση της ζωής. Όλα τα όργανα κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους παράγουν βιολογικά σήματα. Ως βιολογικά σήματα ή βιοσήματα ορίζονται όλα τα φυσικά αποτελέσματα ενός βιολογικού γεγονότος όπως η σύσπαση των μυών ή η μετατόπιση αερίων στους πνεύμονες. Τα σήματα αυτά μπορεί να έχουν χημική (διοξείδιο του άνθρακα), μηχανική ή ηλεκτρική μορφή. Περιέχουν χρήσιμες πληροφορίες και μπορούν να καταγραφούν τόσο έμμεσα όσο και άμεσα ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο. Υποσύνολο των βιολογικών σημάτων αποτελούν τα ζωτικά σήματα. Ζωτικά ονομάζονται εκείνα τα σήματα που θεωρούνται ως τα πιο σημαντικά καθώς υποδεικνύουν την κατάσταση των ζωτικών λειτουργιών του σώματος. Βοηθούν στην αξιολόγηση της γενικής σωματικής υγείας του ατόμου, δίνουν ενδείξεις για πιθανές ασθένειες και δείχνουν την πρόοδο της ανάρρωσης. Σε αυτά συμπεριλαμβάνονται η θερμοκρασία του σώματος, ο καρδιακός σφυγμός και ο ρυθμός της αναπνοής. Η πίεση του αίματος δεν συγκαταλέγεται στα ζωτικά σήματα αλλά πολλές φορές την μετράνε μαζί τους. Η λίστα επεκτείνεται κατά περίπτωση σε ιατρικά περιστατικά που θεωρούνται επείγουσα και μπορεί να συμπεριλάβει το χρώμα του δέρματος και τη συστολή της κόρης των ματιών (κίνηση των ματιών). Επίσης, ζωτικής σημασίας μπορεί να είναι τα επίπεδα οξυγόνου στο αίμα, τα επίπεδα γλυκόζης και το επίπεδο της τελοεκπνευστικής πίεσης CO2 (End tidal CO 2 EtCO 2 ). Αντίθετα, σε χρόνιες ασθένειες σημαντικοί δείκτες που να χρίζουν παρακολούθηση μπορεί να είναι το ύψος, το βάρος και ο δείκτης μάζας σώματος. Σε φυσιολογικές συνθήκες η λειτουργίες των οργάνων είναι περιοδικές και διατηρούν σταθερά χαρακτηριστικά ανάλογα με την ώρα της ημέρας και τον τύπο και την ένταση της δραστηριότητας του ανθρώπου. Η όποια παρέκκλιση από τα αναμενόμενα φυσιολογικά χαρακτηριστικά ενός ζωτικού σήματος μπορεί να αποτελέσει ένα δείκτη για τυχών υποκείμενα νοσήματα του ίδιου του οργάνου από το οποίο πηγάζει το σήμα ή κάποιου άλλου οργάνου που εμπλέκεται έμμεσα στην παραγωγή του σήματος. Επιπλέον, οι έντονες αποκλίσεις των βιολογικών σημάτων από τα φυσιολογικά τους χαρακτηριστικά μπορούν να σηματοδοτήσουν ισχυρές ενδείξεις κινδύνου και ανάγκης άμεσης παροχής ιατρικής φροντίδας, είτε εκ του σύνεγγυς είτε απομακρυσμένα από τις κατάλληλες ιατρικές δομές. Σε κάθε περίπτωση απαιτείται ένα έξυπνα σχεδιασμένο σύστημα αισθητήρων για τη σωστή λήψη των σημάτων από το σώμα, ένα σύστημα λήψης απόφασης και ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα αξιόπιστης και ταχύτατης μετάδοσης των δεδομένων στις ιατρικές δομές. Πέρα όμως από τους άμεσους ιατρικούς κινδύνους, μεγάλο είναι το ενδιαφέρον για την καταγραφή και παρακολούθηση των ζωτικών και βιολογικών σημάτων για παρατεταμένα χρονικά διαστήματα. Οι καταγραφές αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την διάγνωση σωματικών νόσων. Επιπλέον, τα ευρήματα των αισθητήρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν 5

18 για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων που επιφέρει μία θεραπεία στην φυσική κατάσταση ενός ασθενή. Για παράδειγμα, ένα άτομο που πάσχει από χρόνιο άσθμα θα μπορεί να λαμβάνει καθημερινά μετρήσεις για την ποιότητα του περιβαλλοντικού αέρα (ποσοστό ρύπων). Μετά την επεξεργασία αυτών των μετρήσεων μπορεί να ειδοποιείται αυτόματα, από το σύστημα του αισθητήρα, το άτομο για την πιθανότητα εμφάνισης κρίσεων άσθματος που θα οφείλονταν στην παρατεταμένη έκθεσή του στο συγκεκριμένο επιβλαβές περιβάλλον. Συνολικά τα βιολογικά σήματα αποτελούν σημαντικό τμήμα του ιατρικού φακέλου του ασθενή. Η διατήρηση τους σε ηλεκτρονική μορφή βοηθάει στην ασφαλέστερη και αποτελεσματικότερη διαχείρισή τους από το ιατρικό προσωπικό και βοηθά στο να αποφεύγονται λανθασμένοι χειρισμοί και διαγνώσεις και να παρέχονται οι κατάλληλες εξατομικευμένες θεραπείες στους ασθενείς. Ανάλογα με το βιολογικό φαινόμενο που καταγράφεται έχει αναπτυχθεί: α) ένας διαφορετικός τύπος αισθητήρων που μπορεί να επιτελέσουν το έργο της συλλογής των μετρήσεων, δηλαδή ειδικών σημάτων που ταυτοποιούν το γεγονός αυτό και β) ένα διαφορετικό πρωτόκολλο μετάδοσης, επεξεργασίας, αποθήκευσης, ανοχής στο θόρυβο και ανάλυσης των μετρήσεων. Ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο θα βρίσκετε ο χρήστης (π.χ. νοσοκομείο, κατοικία) και τον σκοπό χρήσης (π.χ. ανίχνευση κρίσεων άσθματος, παρακολούθηση των επιδόσεων ενός αθλητή) θα πρέπει να επιλέγετε ο κατάλληλος τύπος αισθητήρα. Ένα από τα βασικά κριτήρια επιλογής του αισθητήρα αφορά στο βαθμό παρεμπόδισης των δραστηριοτήτων του χρήστη γεγονός που καθορίζει δραστικά τη μέγιστη επιτρεπόμενη διάρκεια χρήσης του. Προκειμένου να κατανοηθούν τα βιολογικά φαινόμενα, σε πολλές περιπτώσεις είναι αναγκαία η δημιουργία μοντέλων προσομοίωσης. Μέσα από τα υπολογιστικά αυτά μοντέλα ελέγχεται η λειτουργία και η διασύνδεση και η απόδοση του συστήματος τηλεπίβλεψης (telemonitoring system), δηλαδή των αισθητήρων και των περιφερικών επικοινωνιακών και πληροφοριακών τους συστημάτων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων υποδεικνύουν την κατεύθυνση στην οποία πρέπει να προσανατολίσουν οι μελλοντικές εργασίες για την ολοκλήρωση επιτυχώς του σχεδιασμού του συστήματος τηλεπίβλεψης αλλά και τις αναγκαίες βελτιώσεις για να αποφευχθούν πιθανά προβλήματα που θα προκαλούσε η χρήση του συστήματος αυτού στην υγεία του ασθενή. Στην πλειοψηφία των πρακτικών εφαρμογών που αφορούν αισθητήρες που βρίσκονται είτε πάνω στο ανθρώπινο σώμα είτε στον περιβάλλοντα χώρο του ανθρώπου, η επικοινωνία γίνεται μέσω ασύρματων δικτύων. Τα δίκτυα αυτά δομούν αυτό που ονομάζεται «προσωπικό δίκτυο (Personal Area Network PAN)» και υλοποιούν τα πρωτόκολλα τόσο για την επικοινωνία των συσκευών (αισθητήρων και ελεγκτών) εντός του ίδιου δωματίου όσο και για την επικοινωνία του PAN με άλλα εξωτερικά δίκτυα. Η αρχιτεκτονική δομή του ΡΑΝ και το λειτουργικό του μοντέλο μετάδοσης έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον διότι στον σχεδιασμό του πρέπει να ληφθούν υπόψη τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του ανθρώπινου σώματος. Σε ότι αφορά τη διασύνδεση των αισθητήρων που ευρίσκονται πάνω στο ανθρώπινο σώμα έχει αναπτυχθεί μια υποκατηγορία των ΡΑΝ που αναφέρεται ως «δίκτυο σώματος (Body Area Network (BAN)». 6

19 Γενικά, από αρχιτεκτονικής πλευράς έχουν ακολουθηθεί δύο τρόποι υλοποίησης του ΡΑΝ/BAN. Στον πρώτο τρόπο υλοποίησης η διασύνδεση των αισθητήρων με τον ελεγκτή τους (χωρική σύζευξη) γίνεται με τη χρήση ηλεκτρομγνητικών καναλιών, γεγονός το οποίο δεν απολαμβάνει της πλήρους αποδοχής της επιστημονικής κοινότητας καθότι θεωρείται επικίνδυνο για την υγεία του ασθενούς. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται οι παρακάτω τεχνολογίες ασύρματων δικτύων: WLAN, Bluetooth, Zig bee και RFID. Οι τέσσερεις αυτές τεχνολογίες διαφοροποιούνται ως προς την συχνότητα λειτουργίας, τον ρυθμό και την ισχύ μετάδοσης. Στην περίπτωση των τεχνολογιών αυτών, μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη είναι η κατανάλωση ενέργειας των ενεργών στοιχείων του δικτύου, κυρίως των εμφυτευμένων αισθητήρων δεδομένου των περιορισμένων ενεργειακών πόρων που διαθέτουν και της δυσκολίας απομακρυσμένης φόρτισής των. Επίσης, το μέγεθος των πομποδεκτών επηρεάζει την θέση που θα τοποθετηθούν. Επιπλέον ο συνδυασμός της συχνότητας και της ισχύς μετάδοσης επηρεάζουν το μέγιστο βάθος στο οποίο ένας αισθητήρας θα μπορούσε να διεισδύσει στο σώμα. Για όλους αυτούς (και άλλους) λόγους, ανά περίπτωση εφαρμογής χρίζεται αναγκαία η σωστή αξιολόγηση των παραπάνω τεχνολογιών. Στη δεύτερη και πλέον σύγχρονη άποψη, η ΡΑΝ/BAN χωρική σύζευξη επιτυγχάνεται με ηλεκτροστατική μετάδοση χρησιμοποιώντας την αγωγιμότητα των ιστών του ανθρώπινου σώματος. Η χωρική αυτή σύζευξη παρότι εκμηδενίζει τους κινδύνους του πρώτου τρόπου και εξαφανίζει πολλά από τα προαναφερθέντα τεχνικά προβλήματα, εισάγει άλλου τύπου σημαντικά τεχνικά προβλήματα και λειτουργεί (μέχρι σήμερα) με πολύ χαμηλότερη απόδοση σε σχέση με τον πρώτο τρόπο καθότι επηρεάζεται ισχυρά από τα δομικά χαρακτηριστικά των ιστών και το θόρυβο εντός του ανθρώπινου σώματος. Η σωστή αποτύπωση του ηλεκτρικού μοντέλου του ανθρώπινου σώματος, η επιλογή μιας νέας ad hoc αρχιτεκτονικής για τα ΡΑΝ/BAN, η ανάπτυξη νέων τρόπων διαμόρφωσης της πληροφορίας και η ανάθεση στους ίδιους τους αισθητήρες σημαντικού φορτίου επεξεργασίας της συλλεγόμενης πληροφορίας είναι σημαντικές ερευνητικές προκλήσεις στο τομέα αυτό. Ιδανικά η επεξεργασίας των δεδομένων πρέπει να πραγματοποιείται από τους ίδιους τους αισθητήρες και όχι από ένα κεντρικό υπολογιστικό σύστημα. Όμως, σε αυτή την περίπτωση υπεισέρχονται στον αισθητήρα σημαντικά προβλήματα που σχετίζονται με το τεράστιο πλήθος τον αιτημάτων που πρέπει να εξυπηρετεί και τον όγκο των εφαρμογών και των δεδομένων που πρέπει να αποθηκεύει. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρότι αναλύει τα χαρακτηριστικά και των δύο τρόπων; εστιάζεται περισσότερο στην ανάλυση των χαρακτηριστικών ενός ΡΑΝ/BAN με χωρική σύζευξη των δομοστοιχείων του μέσω των ιστών. Στο κεφάλαιο 2 αναλύονται οι επικοινωνιακές δομές γύρω και πάνω στον άνθρωπο. Ειδικότερα, περιγράφονται τα γενικά χαρακτηριστικά των βιοϊατρικών αισθητήρων, οι χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες δικτύων (εστιάζοντας στα ασύρματα δίκτυα) τηλεπαρακολούθησης (tele monitoring) ασθενών. Επιπλέον γίνονται συγκρίσεις (πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα) μεταξύ των χρησιμοποιούμενων διαφορετικών τεχνολογιών ασύρματης μετάδοσης (ηλεκτροστατική, υπέρυθρης, RF, κλπ). Επιπλέον εισαγάγετε η έννοια των προσωπικών δικτύων (PAN Personal Area Network), των δικτύων που έχουν επίκεντρο τον 7

20 άνθρωπο (ΒΑΝ Body Area Network), της πανταχού παρούσας υπολογιστικής (Ubiquitous Computing) και των κατανεμημένων I/O (Distributed I/O) δικτυακών μονάδων. γίνονται συγκρίσεις μεταξύ της μετάδοσης. Στο κεφάλαιο 3 αναλύονται τα χαρακτηριστικά μετάδοσης πληροφορίας χρησιμοποιώντας ως μέσο μετάδοσης (αγωγό) το ίδιο το ανθρώπινο σώμα (ενδοσωματική επικοινωνία). Δίνονται οι αναγκαίες εισαγωγικές έννοιες και οι περιορισμοί λειτουργίας με βάσει τους ισχύοντες κανονισμούς. Στο κεφάλαιο 4 αναλύονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ιστών (αντίσταση, αγωγιμότητα, ηλεκτρικό πεδίο, χωρητικότητα καναλιού, κατανάλωση ενέργειας, κλπ.). Με βάση όλα αυτά δομείται το μοντέλο του ηλεκτρικού κυκλώματος του ανθρωπίνου σώματος καθώς και η κατάλληλη τοπολογία τοποθέτησης των αισθητήρων. Στο κεφάλαιο 5 αναλύονται μοντέλα καναλιών μέσω του ανθρώπινου σώματος (ιστοί και κύτταρα), τα οποία βασίζονται στη δομή του βραχίονα του χεριού. Η ανάλυση αυτή συνοδεύεται από παλαιότερα πειραματικά αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο 6 δίδονται περιληπτικά κάποιες στρατηγικές διαμόρφωσης που εφαρμόζονται στα δίκτυα BAN. Στο κεφάλαιο 7 επικεντρωνόμαστε στο βιοσήμα του καρδιακού σφυγμού (ΒΚΣ). Περιγράφεται η ανατομία της καρδιάς μαζί με το αγώγιμο ηλεκτρικό συστημά της. Παράλληλα δίνεται η περιγραφή της κυματομορφής του ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) μαζί με ένα σύνολο παραδειγμάτων φορητών αισθητήρων για παρακολούθηση του ρυθμού της καρδιάς και της αρτηριακής πίεσης. Στο κεφάλαιο 8 εστιάζουμε στο βιοσήμα του ρυθμού της αναπνοής (ΒΡΑ) και για να γίνει κατανοητή η λειτουργία του συμπεριλήφθηκε μία εκτενή περιγραφή του αναπνευστικού συστήματος σε συνδυασμό με τον μηχανισμό της αναπνοής. Τέλος προστέθηκε μία γενική περιγραφή των διαφορετικών τύπον φορητών αισθητήρων που είναι ικανοί να παρακολουθούν την αναπνευστική δραστηριότητα. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο 9 αναλύονται διάφορες μέθοδοι επεξεργασίας σημάτων για τα αναπνευστικά σήματα που αναλύθηκαν στο κεφάλαιο 8 Στο κεφάλαιο 10 αναλύονται τα βιοσημάτα του εγκεφάλου. Επεξηγείται ο μηχανισμός δημιουργίας και οι διαφορετικοί τύποι τους ανάλογα με το σημείο του εγκεφάλου από όπου προήλθαν και τη διαδικασία που αντιπροσωπεύουν. Στη συνέχεια περιγράφονται και συγκρίνονται μεταξύ τους οι διαφορετικοί τύποι ηλεκτροδίων που είναι ικανοί να ανιχνεύσουν το ασθενές εγκεφαλικό σήμα. Επισημαίνεται ότι η Βιβλιογραφία δεν δίνεται σαν ανεξάρτητο κεφάλαιο στο τέλος της εργασίας, αλλά επισυνάπτεται στο τέλος του κάθε κεφαλαίου η βιβλιογραφία που το αφορά. 8

21 2 Επικοινωνιακές δομές γύρω και πάνω στον άνθρωπο Πρόσφατες στατιστικές υποδεικνύουν ότι η υγειονομική περίθαλψη είναι μία από τις μεγαλύτερες και ταχύτερα αναπτυσσόμενες βιομηχανίες στον κόσμο. Η υγειονομική περίθαλψη καταλαμβάνει περισσότερο από το 10% του ΑΕΠ στις περισσότερες ανεπτυγμένες χώρες. Η παγκόσμια βιομηχανία υγείας ανήλθε σε 8,45 τρισεκατομμύρια δολάρια το 2018 και προβλέπεται πως οι παγκόσμιες δαπάνες για την υγειονομική περίθαλψη θα φτάσουν τα 10 τρισεκατομμύρια δολάρια έως το 2022 [2.9]. Με αυτήν την ταχεία ανάπτυξη γεννάται η ανάγκη να επιτευχθούν νέες τεχνολογίες πληροφοριών που να ικανοποιούν δύο βασικούς στόχους, τη μείωση του κόστους σε συνδυασμό με τη βελτίωση της ποιότητας περίθαλψης. Καθώς νοσοκομεία και κλινικές όλων των μεγεθών προσπαθούν να παρέχουν στους ιατρούς και στους φροντιστές προηγμένη πρόσβαση σε κλινικές πληροφορίες, αυξάνεται η ζήτηση για φορητές τεχνολογίες τηλε παρακολούθησης (tele monitoring) και πρόσβασης σε ηλεκτρονικά ιατρικά αρχεία (electronic medical records EMR). Η διάγνωση, η παρακολούθηση μετά από κάποιο συμβάν (follow up) και η θεραπεία εξαρτώνται όλο και περισσότερο από τις πληροφορίες που λαμβάνονται από αισθητήρες τηλε παρακολούθησης των ασθενών. Με βάση την Εικόνα 2.1, οι αισθητήρες μεταδίδουν δεδομένα στις συσκευές παρακολούθησης της υποδομής πληροφορικής (Information Technology IT) του νοσοκομείου. Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ), η ηλεκτροεγκεφαλογραφία (EEG), η θερμοκρασία του σώματος, ο κορεσμός περιφερικού τριχοειδούς οξυγόνου (SpO 2 ) και η αρτηριακή πίεση ενδείκνυνται ως αισθητήρες για μακρόχρονη τηλε παρακολούθησης ασθενών που βρίσκονται σε κρίσιμη κατάσταση ή έχουν κατηγοριοποιηθεί σε ομάδα κινδύνου. Οι προηγμένοι αισθητήρες που αφορούν χημικές, φυσικές και οπτικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα η ινσουλίνη και η αιμοσφαιρίνη, ενσωματώνονται σε πλατφόρμες τηλε παρακολούθησης και τηλεϊατρικής. Εικόνα 2.1: Δίκτυο αισθητήρων βιοϊατρικών εφαρμογών παρακολούθησης: Αισθητήρες μεταδίδουν τα εγγεγραμμένα δεδομένα τους ενσύρματα ή ασύρματα σε συσκευές παρακολούθησης που ανήκουν στην ιατρική υποδομή [2.4]. 2.1 Γενικά χαρακτηριστικά των βιοϊατρικών αισθητήρων Παλαιότερα, οι περισσότεροι υπάρχοντες αισθητήρες συνδέονταν μέσω καλωδίου με τα ιατρικά διαγνωστικά συστήματα. Γενικότερος προσανατολισμός των σύγχρονων πλατφορμών τηλε παρακολούθησης είναι η αντικατάσταση των συνδέσεων που 9

22 χρησιμοποιούν καλώδια μεταξύ αισθητήρων και διαγνωστικών συστημάτων και στην θέση τους να χρησιμοποιηθούν ασύρματοι σύνδεσμοι. Οι ασύρματες τεχνολογίες παρέχουν περισσότερη ελευθερία και κινητικότητα, ειδικά για ασθενείς που υποβάλλονται σε μακροχρόνια τηλε παρακολούθηση. Επιπλέον, διευκολύνουν τη λήψη πληροφοριών κατά τη διάρκεια των δραστηριοτήτων και των κινήσεων του ασθενούς καθώς και κατά τον συνεχή (ή συχνότατο) ιατρικό έλεγχο. Ο Πίνακας 2.1 δείχνει τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων ανάλογα με τον ρυθμό δειγματοληψίας και τον στόχο που έχει η κάθε εφαρμογή των βιοϊατρικών αισθητήρων. Ένας αισθητήρας από μόνος του που παρακολουθεί ένα βιολογικό σήμα, δημιουργεί μια μικρή ροή δεδομένων λίγων Κbit/s. Οι συχνότητες δειγματοληψίας των βιοϊατρικών αισθητήρων είναι τυπικά μικρότερες των 300 Hz λόγω του γεγονότος ότι τα βιολογικά σήματα ταλαντεύονται σε συχνότητες μόλις λίγων Hz, π.χ. καρδιακός παλμός και αναπνοή. Χρειάζεται μια μεγάλη σειρά αισθητήρων, π.χ. ΕΕΓ εγγραφής 192 καναλιών, για να αυξηθεί ο ρυθμός δεδομένων έως και μερικές εκατοντάδες Κbit/s. Πίνακας 2.1: Εφαρμογές βιοϊατρικών αισθητήρων για παρακολούθηση ζωτικών λειτουργιών [2.2]. Παράμετρος Συχνότητα δειγματοληψίας [Hz] Ρυθμός δεδομένων με 12-bit Πίεση του αίματος Kbits/s ΕΚΓ 1 σημείου Kbits/s ΕΚΓ 12 σημείων Kbits/s ΕΚΓ 1-καναλιού Kbits/s ΕΚΓ 192-καναλιών Kbits/s Θερμοκρασία σώματος Kbits/s Παλμική οξυμετρία (SpO2) Kbits/s Οι ειδικές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπίζονται από ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων για τηλε παρακολούθηση ασθενών είναι: Η παρουσία των αισθητήρων να μην εμποδίζει τον ασθενή. Η μετάδοση του σήματος δεν πρέπει να παρεμβαίνει στις λειτουργίες του ανθρώπινου σώματος. Οι ισχύοντες κανονισμοί πρέπει να τηρούνται αυστηρά. Οι απαιτήσεις σε πραγματικό χρόνο πρέπει να πληρούνται για την αντιμετώπιση καταστάσεων έκτακτης ανάγκης. Κάθε αισθητήρας να λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα με μια μικρή μπαταρία. Ένας μεγάλος αριθμός κόμβων αισθητήρων πρέπει να χειρίζεται και να λειτουργεί χωρίς να υπάρχει αλληλοεπίδραση στη λειτουργία των αισθητήρων. Ένας αισθητήρας μπορεί να τοποθετείται είτε πάνω στο σώμα (βοηθητική ταινία) ή υποδόρια, είτε να εμφυτεύεται. 10

23 2.2 Χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες δικτύων τηλε παρακολούθησης ασθενών Παραδοσιακά, τα ενσύρματα και ασύρματα δίκτυα, ανάλογα με το μέγεθός τους, διακρίνονται στις παρακάτω βασικές κατηγορίες: Τα δίκτυα ευρείας περιοχής (Wide Area Networks WAN), τα οποία συνδέουν απομακρυσμένους υπολογιστές χρησιμοποιώντας μικροκύματα, ραδιοκύματα, ομοαξονικά καλώδια και οπτικές ίνες. Τα δίκτυα μητροπολιτικών περιοχών (Metropolitan Area Networks MAN), τα οποία συνδέουν υπολογιστές σε μια πόλη. Τα τοπικά δίκτυα (Local Area Networks LAN), τα οποία συνδέουν τους υπολογιστές σε ένα κτίριο γραφείων. Όμως, καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές άρχισαν να γίνονται συνεχώς μικρότερες σε μέγεθος και λιγότερο δαπανηρές, αναπτύχθηκαν συστήματα φορητών προσωπικών μικροσυσκευών με ευρύτατες δυνατότητες πληροφόρησης και επικοινωνίας. Αυτές οι μικροσυσκευές περιλαμβάνουν κινητά τηλέφωνα, tablets, φορητούς υπολογιστές (laptop), φωτογραφικές μηχανές, smartwatches και πολλά άλλα μικροσυστήματα τα οποία δημιουργούν ένα ηλεκτρονικό περίγυρο (context) σε κάθε άτομο. Προς το παρόν, δεν υπάρχει μία μοναδική τυποποιημένη μέθοδος διασύνδεσης αυτών των προσωπικών ηλεκτρονικών συσκευών. Στην πράξη αποδείχτηκε ότι τα συνήθη LAN δεν μπορούσαν να ανταποκριθούν ευέλικτα στις απαιτήσεις επικοινωνίας και ασφάλεια του context και για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε η τεχνολογία: των προσωπικών δικτύων (Personal Area Networks PAN), τα οποία είναι κυρίως ασύρματα δίκτυα υπολογιστικών στοιχείων που διασυνδέουν ηλεκτρονικές συσκευές που χωρικά απαρτίζουν το χώρο εργασίας ενός ατόμου. Το ΡΑΝ είναι ένα μέσο για τη διασύνδεση αυτών των προσωπικών συσκευών, με τρόπο που να ταιριάζει με την ισχύ, το μέγεθος και το κόστος αυτών. των δικτύων σώματος (Body Area Networks BAN), τα οποία είναι ενσύρματα ή ασύρματα δίκτυα για τη διασύνδεση έξυπνων μικροσυστημάτων (κυρίως μικροϋπολογιστών) εγκατεστημένων επάνω ή μέσα στο σώμα ενός ατόμου. Στο χώρο της υγείας, ο συνδυασμός όλων αυτών το δικτύων επιτρέπει την ολοκληρωμένη συλλογή και διαχείριση των ζωτικών σημάτων και την ανάπτυξη ειδικών εφαρμογών τηλεπίβλεψης (tele monitoring services) ατόμων από απομακρυσμένα διαγνωστικά κέντρα. Η παρούσα εργασία εστιάζεται στην ανάλυση των χαρακτηριστικών των μικροσυσκευών ενός συνδυασμένου PAN/BAN δικτύου πάνω ή/και γύρο από το ανθρώπινο σώμα καθώς και των ζεύξεων διαφόρων ενσύρματων και ασύρματων τεχνολογιών WAN/MAN/LAN (π.χ. ηλεκτροστατικών, υπέρυθρης ακτινοβολίας, κλπ.), μέσω των οποίων επιτρέπεται οι ηλεκτρονικές αυτές μικροσυσκευές να ανταλλάσσουν αδιάλειπτα ψηφιακές πληροφορίες με απομακρυσμένα διαγνωστικά κέντρα. 11

24 Στη συνέχεια, αναλύονται τα χαρακτηριστικά των ασύρματων διασυνδυασμένων PAN/BAN, καθώς και οι μικροσυσκευές/αισθητήρες που χρησιμοποιούν τεχνικές επικοινωνίας PAN/BAN για τη μετάδοση και λήψη βιοσημάτων. 2.3 Οι τυπικές τεχνολογίες ασύρματων ΡΑΝ/ΒΑΝ δικτύων τηλεπαρακολούθησης Οι τυπικές τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται σε άλλους κλάδους π.χ. ηλεκτρονικούς υπολογιστές και κινητές επικοινωνείς με πολυμέσα (multimedia capable phones), έχουν αξιοποιηθεί και σε εφαρμογές με PAN/BAN δίκτυα ιατρικών αισθητήρων. Στόχος είναι να χρησιμοποιείται ρυθμός δεδομένων τουλάχιστον 64 Κbit/s και σε λειτουργία χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Η χαμηλή συχνότητα φορέα και η χαμηλή ισχύς μετάδοσης περιορίζουν τις τοπικές επιδράσεις επάνω στους ανθρώπινους ιστούς, π.χ. θέρμανση και ερεθισμό των ιστών. Ιστορικά, η ανάπτυξη των ασύρματων ΡΑΝ/ΒΑΝ δικτύων επικεντρώθηκε στην υπέρυθρη (Infra Red IR) τεχνολογία φωτός και την τεχνολογία ραδιο μετάδοσης. Όμως, οι δύο αυτές τεχνολογίες έχουν περιορισμούς στη χρήση τους. Ειδικότερα, η IR τεχνολογία έχει περιορισμούς λόγο του φαινόμενου της οπτικής επαφής (line of sight) και η τεχνολογία ραδιο μετάδοσης έχει περιορισμούς που προέρχονται από κανονισμούς των παγκόσμιων οργανισμών που ελέγχουν της τηλεπικοινωνίες, όπως η FCC (Federal Communications Commission). Ποιο αναλυτικά, για το χώρο για της βιομηχανίας, της επιστημονικής έρευνας και της υγείας, η FCC καθόρισε συγκεκριμένες ζώνες συχνοτήτων που ονομάζονται ISM (Industrial Scientific Medical) ζώνες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ελεύθερα, χωρίς τη χρήση κάποιας άδειας στις περισσότερες χώρες του κόσμου. Αρχικά αυτές οι ζώνες συχνοτήτων χρησιμοποιήθηκαν για ηλεκτρικές συσκευές που εξέπεμπαν κατά την λειτουργία τους ραδιοκύματα τα οποία δεν χρησιμοποιούνταν σε ραδιοεπικοινωνίες (π.χ. φούρνους μικροκυμάτων). Το 1980 η FCC επέτρεψε το ISM εύρος να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές σε ασύρματα LAN και σε κινητές επικοινωνίες (Part ). Αργότερα, το 1997 προστέθηκαν επιπλέον ζώνες γύρω από την συχνότητα των 5 GHz (Part ) οι οποίες ονομάστηκαν U NII (Unlicensed National Information Infrastructure). Κατά συνέπεια, ανάλογα με το τύπο της εφαρμογής υπάρχουν και περιορισμοί για το εύρος συχνοτήτων στο οποίο μπορούν να εκπέμπουν και την μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ. Το βασικό κριτήριο αξιολόγησης της απόδοσης ενός ασύρματου δικτύου είναι ο ρυθμός μετάδοσης των μηνυμάτων. Σε ότι αφορά την IR τεχνολογία, ο Kahn [2.8] απέδειξε ότι είναι δυνατή η επίτευξη ρυθμών μετάδοσης δεδομένων της τάξης των 100 Mb/s χρησιμοποιώντας μη κατευθυντήρια IR συστήματα, σε αντίθεση με τα τρέχοντα συστήματα IR που, κατά μέσον όρο, αποδίδουν μέχρι 4 Mb/s. Το σύστημα που προτείνει ο Kahn περιλαμβάνει τη χρήση υπέρυθρων διόδων λέιζερ, τα οποία μπορεί να είναι τοποθετημένα στους τοίχους και στην οροφή των κτιρίων γραφείων και το καθένα από αυτά να καταναλώνει περίπου 1 W ισχύος ανά 75 κυβικά πόδια ενός δωματίου. Η προσομοίωση του Khan έγινε χρησιμοποιώντας μια πηγή 1 W σε ένα δωμάτιο που έχει διαστάσεις 5m x5m x 3m και η επιφάνεια των τοίχων που το αποτελούν αντανακλούν την ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω τους σύμφωνα με το νόμο 12

25 του Lambertian. Αν και οι πομποί απαιτούν μεγάλη ποσότητα ενέργειας, οι δέκτες μπορούν να λειτουργούν με ένα κλάσμα της ισχύος του πομπού. Αυτή η ασυμμετρία ευνοεί τη χρήση modem χαμηλής ισχύος στις φορητές υπολογιστικές μονάδες. Ο Πίνακας 2.2 συγκρίνει τα χαρακτηριστικά μερικών από τις πλέον χρησιμοποιημένες τεχνολογίες ΡΑΝ/ΒΑΝ δικτύων στο χώρο της ιατρικής, τα Bluetooth, Zig bee και ενεργό RFID WLAN, σε σχέση με το ασύρματο LAN (WLAN). Πίνακας 2.2: Χαρακτηριστικά των ασύρματων των τεχνολογιών WLAN, Bluetooth, Zig bee, RFID και επιθυμητή τεχνολογία για δίκτυα αισθητήρων σώματος (BAN). Τεχνολογία Συχνότητα Ρυθμός μετάδοσης Ισχύς μετάδοσης Μέγεθος WLAN 2.4/5.1 GHz 54 Mbits 100 mw PC card Bluetooth 2.4 GHz Kbit/s 10 mw PCB module Zig-bee 868 MHz 20 Kbit/s 1 mw PCB module Active RFID BAN δίκτυα (επιθυμητή) 134 KHz 128 bit/s < 1 mw Χάπι (pill) <1 MHz >64 Kbit/s < 1 mw Επίθεμα /χάπι Για τη διασύνδεση αισθητήρων με τοπολογία δικτύου όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 2.1, οι τυπικές αυτές ασύρματες τεχνολογίες είναι κατάλληλες υπό όρους, καθότι: Οι ρυθμοί δεδομένων των WLAN και Bluetooth προσφέρουν τιμές άνω του απαιτούμενου ρυθμού δεδομένων, ενώ το Zig bee και το ενεργό RFID διαθέτουν χαμηλή ισχύ μετάδοσης. Οι μονάδες WLAN και Bluetooth εκπέμπουν υπερβολική ισχύ μετάδοσης και οι αισθητήρες που λειτουργούν με μπαταρία σπαταλούν ένα μεγάλο μέρος της ισχύος. Το Zig bee και το ενεργό RFID προσφέρουν ανεπαρκή ρυθμούς δεδομένων. Μόνο τα ενεργά RFID στοχεύουν σε εκτεταμένη σμίκρυνση σε συνδυασμό με εξαιρετικά χαμηλές συχνότητες φορέα κατάλληλη για βιοϊατρικές εφαρμογές. Επομένως, αναζητείται μια νέα τεχνική μετάδοσης που εστιάζει σε ισχύ μετάδοσης κάτω από 1 mw, ρυθμούς δεδομένων 64 Κbit/s και τη δυνατότητα για σμίκρυνση των συσκευών πομποδεκτών ώστε να μπορούν να ενσωματωθούν σε επιθέματα (patch) και σε εμφυτεύσιμα χάπια. 2.4 Χρήση της πανταχού παρούσας υπολογιστικής (Ubiquitous Computing) και των κατανεμημένων I/O (Distributed I/O) Από την πρώτη στιγμή της δημιουργίας των ΡΑΝ, κατέστη επιτακτική η ανάγκη της εισαγωγής σε κάθε τερματική διάταξη (προσωπικές πληροφοριακές μικροσυσκευές) του ΡΑΝ δυνατοτήτων δυναμικής διαμοίρασης και επεξεργασίας δεδομένων, έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένα κατανεμημένο πυκνό υπολογιστικό πλέγμα, αυτό που είναι πλέον γνωστό 13

26 με τον όρο «πανταχού παρούσα υπολογιστική (Ubiquitous Computing UC)». Επίσης, ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό της ΡΑΝ δομής είναι η ύπαρξη δυναμικών διεπαφών συλλογής (inputs) και παροχής (outputs) πληροφοριών, από και προς το περιβάλλον του ΡΑΝ, μία λειτουργία που είναι γνωστή ως «κατανεμημένη I/O (Distributed I/O D I/O) δυνατότητα». Η ικανότητα των αυτόνομων αλλά διασυνδεδεμένων συσκευών μπορεί να μετασχηματίσει την έννοια της πανταχού παρούσας υπολογιστικής (UC) τεχνολογίας σε κατανεμημένη είσοδο και έξοδο (D I/O). Οι χρησιμοποιούμενες πληροφορίες και εφαρμογές δεν χρειάζεται να είναι φορητές αν η συσκευή που τις χρησιμοποιεί είναι φορητή και συνεχώς δικτυωμένη σε σταθερές βάσεις δεδομένων και υπολογιστικές μηχανές. Αυτή η έννοια των κατανεμημένων υπολογιστικών πόρων δικτύου έχει αναφερθεί ως «υπολογιστικό σύννεφο (computational cloud)» [2.3]. Η ιδέα της δημιουργίας του δικτύου ΒΑΝ έδωσε στην D I/O δυνατότητα νέα δυναμική καθότι στο ρεπερτόριο των ΡΑΝ εφαρμογών προστέθηκαν και όλες αυτές που έχουν να κάνουν με τη διαχείριση των ζωτικών σημάτων του ίδιου του ατόμου (δηλαδή του στοιχείου «πυρήνα» του ΡΑΝ), πέραν όλων των άλλων δεδομένων του περίγυρου (context) του ατόμου. Επίσης, πρέπει να επισημανθεί ότι η διάκριση του BAN μέσα στο ΡΑΝ δίνει τη δυνατότητα στο άτομοπυρήνα του δικτύου να μεταβαίνει σε διαφορετικά περιβάλλοντα (context) (δηλαδή διαφορετικά ΡΑΝ) μεταφέροντας μαζί του το ίδιο ΒΑΝ κατά έναν τρόπο διαφανή. Για παράδειγμα, μετάβαση από το ΡΑΝ του χώρου εργασίας στο ΡΑΝ του αυτοκινήτου ή του σπιτιού. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται μία αυτόματη «χωρίς ραφή (seamless)» διασύνδεση των τερματικών στοιχείων (π.χ. αισθητήρες βιοσημάτων) του ΒΑΝ με τα αντίστοιχα τερματικά στοιχεία του επιλεγμένου κάθε φορά ΡΑΝ και την αδιάλειπτη εκτέλεση/μεταφορά όλων των ενεργών εφαρμογών του ατόμου/χρήστη (π.χ. Health telemonitoring) από ΡΑΝ σε ΡΑΝ. Οι UC και D I/O δυνατότητες των προσωπικών πληροφοριακών μικροσυσκευών ενός ΡΑΝ/BAN συστήματος αυξάνουν την ευρωστία του συστήματος (δηλαδή την απόδοση, την προσαρμοστικότητα, την ασφάλεια, κλπ.) κάτι που θα ήταν εντελώς αδύνατο με ανεξάρτητες απομονωμένες συσκευές. Επιπρόσθετα, δημιουργούν ισχυρές διεπαφές μεταξύ του χρήστη και του οποιουδήποτε μηχανήματος/συστήματος (π.χ. βάσεις δεδομένων, υποκείμενα, φορείς, κλπ.) που αιτούνται από το χρήστη να που παράσχουν υπηρεσίες. Παραδείγματος χάρη, στην ηχητική ερώτηση του χρήστης «πότε είναι το επόμενο ραντεβού μου», το μικρόφωνο στο γιακά του πουκάμισου του ή στο ρολόι του θα μεταφέρει το φωνητικό μήνυμα μέσο μιας σειράς ασύρματων αναμεταδοτών, που θα βρίσκονται στο κοντινό περιβάλλον (π.χ. παπούτσι, έπιπλο), σε έναν απομακρυσμένο υπολογιστή αναγνώρισης φωνής που θα αναζητά το ημερολόγιό και θα στέλνει μια απάντηση διαμέσου του δικτύου των αναμεταδοτών σε ένα ηχείο στο κολάρο του πουκαμίσου ή σε μια οπτική οθόνη στο ρολόι. 14

27 2.5 Σύνδεση με τον «έξω» κόσμο Επιτρέποντας στις ΒΑΝ μικροσυσκευές που είναι τοποθετημένες πάνω στο ανθρώπινο σώμα να αλληλεπικοινωνούν, δίνεται η δυνατότητα να δημιουργηθεί ένα πλέγμα δικτύων χαμηλής ισχύος το οποίο τις απαλλάσσει από την επιβάρυνση που θα προέκυπτε από την απαίτηση ύπαρξης ενός απευθείας καναλιού επικοινωνίας της κάθε συσκευή ξεχωριστά με τον εξωτερικό ενσύρματο κόσμο. Συνεπώς, εάν μια μικροσυσκευή ΒΑΝ είναι ικανή να επικοινωνεί με όλες τις υπόλοιπες συσκευές PAN/ΒΑΝ που έχουν βάση το σώμα και μέσω αυτών με μια μόνο εξωτερική συσκευή συνδεδεμένη σε ενσύρματο δίκτυο, τότε όλες οι συσκευές PAN/ΒΑΝ μπορούν να επικοινωνούν με τον έξω κόσμο. Μία τέτοια μικροσυσκευή που να είναι σε θέση να επικοινωνεί με τον εξωτερικό κόσμο μπορεί να είναι εναλλακτικά: οποιαδήποτε συσκευή PAN/ΒΑΝ που τυγχάνει να βρίσκεται στιγμιαία στη βέλτιστη θέση για να φτάσει σε μια εξωτερικά δικτυωμένη συσκευή PAN/ΒΑΝ. μια συσκευή PAN/ΒΑΝ που είναι ιδανικά τοποθετημένη για να επικοινωνεί μόνιμα με το περιβάλλον, όπως για παράδειγμα μία συσκευής PAN/ΒΑΝ με βάση τα παπούτσια. μια συσκευή PAN/ΒΑΝ που είναι εξοπλισμένη με έναν παραδοσιακό πομποδέκτη με βάση το ραδιόφωνο ή με βάση τις υπέρυθρες ακτίνες. 2.6 Συγκρίσεις μεταξύ τεχνολογιών ασύρματης και ηλεκτροστατικής μετάδοσης στο ΒΑΝ Στη συνέχεια γίνεται μία σύγκριση των τεχνολογιών μετάδοσης χρησιμοποιούνται στα ΒΑΝ, δηλαδή την ασύρματη επικοινωνία μέσω υπέρυθρων ακτίνων (IR) και ραδιοσυχνοτήτων (Radio Frequency RF) και την ενσύρματη επικοινωνία με ηλεκτροστατικά μέσα (χρησιμοποιώντας ως αγωγούς καλώδια στην περίπτωση του ΡΑΝ και τους ιστούς του σώματος στην περίπτωση του ΒΑΝ) Σύγκριση μεταξύ της ηλεκτροστατικής και της υπέρυθρης μετάδοσης Η επικοινωνία μέσω υπέρυθρων ακτίνων (IR) βασίζεται στη μετάδοση οπτικής επαφής (lineof sight) που δεν είναι κατάλληλη για συσκευές που ενδέχεται να βρίσκονται σε πορτοφόλια, τσάντες ή θήκες. Η υπέρυθρη ακτινοβολία παρέχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης από ότι μπορεί να επιτευχθεί με ηλεκτροστατικά μέσα, αφού η συχνότητα του οπτικού φορέα είναι τάξεις μεγέθους υψηλότερη από τη συχνότητα του φορέα της συσκευής ΒAN. Ωστόσο, οι IR πομποί πρέπει να παράγουν μια δέσμη ευρείας γωνίας και υψηλής οπτικής ισχύος εκπομπής, της τάξης των εκατοντάδων mw. Οι ηλεκτροστατικές συζευγμένες συσκευές ΒAN μπορούν να λειτουργήσουν με λίγα mw ενέργειας Σύγκριση μεταξύ της ηλεκτροστατικής και της RF μετάδοσης Ένας προφανής ανταγωνιστής της ηλεκτροστατικής ζεύξης ενός φυσικού διαύλου επικοινωνίας για μια συσκευή ΒAN είναι η ραδιομετάδοση συχνοτήτων. Δηλαδή, η διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Τα κύρια πλεονεκτήματα της διάδοση της ενέργειας μέσω 15

28 ραδιοκυμάτων, σε σύγκριση με την ηλεκτροστατική ζεύξη, είναι το υψηλότερο εύρος ζώνης και η μεγαλύτερη ακτίνα εμβέλειας. Θα μπορούσε κάποιος να θεωρήσει την ηλεκτροστατική σύζευξη ως το άκρο των χαμηλών συχνοτήτων της ραδιομετάδοσης, καθώς ο μηχανισμός σύζευξης ενέργειας σε οποιοδήποτε δέκτη σε απόσταση ίση ή μικρότερη ενός μήκους κύματος από τον ραδιοπομπό, είναι ουσιαστικά ηλεκτροστατικός ή μαγνητοστατικός (περιοχή κοντινού πεδίου ή επαγωγικού πεδίου περιοχή) [2.5, 2.6 και 2.7]. Δεδομένου ότι η απόσταση λειτουργίας των συσκευών ΒAN είναι μικρότερη από 2 μέτρα, η συχνότητα φορέα ενός ραδιοπομπού θα πρέπει να υπερβαίνει τα 150 MHz για να λειτουργεί σε μακρινό πεδίο. Στη δε περίπτωση του ΒΑΝ, όπου η απόσταση μπορεί να είναι εκατοστά, (ή σε πολλές περιπτώσεις πάρα πολύ μικρότερη), η συχνότητα γίνεται εξαιρετικά υψηλή (240MHZ έως και 2,4GHz) Μειονεκτήματα της υπέρυθρης και της RF μετάδοσης Το βασικό μειονεκτήματα της υπέρυθρης (infrared) μετάδοσης είναι ότι η μετάδοση αποκόπτεται πλήρως από φυσικά εμπόδια, όπως οι τοίχοι ενός δωματίου. Επιπροσθέτως, η τεχνολογία της υπέρυθρης ακτινοβολίας απαιτεί άμεση οπτική επαφή (line of sight) προκειμένου να μεταδώσει στο δέκτη και είναι ευαίσθητη σε παρεμβολές που μπορούν να προκληθούν λόγο της έντασης του φωτός εντός του χώρου που βρίσκεται ο αισθητήρα. Όσον αφορά την ανθρώπινη υγεία, η υπέρυθρη ακτινοβολία δεν είναι ιονίζουσα και συνεπώς δεν είναι ικανή να προκαλέσει μεταλλάξεις στο DNA. Όμως, παρατεταμένη έκθεση σε αυτόν τον τύπο ακτινοβολίας προκαλεί θέρμανση του σώματος, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε εγκαύματα. Ομοίως, τα μάτια που είναι ένα ευάλωτο όργανο μπορούν να υποστού μόνιμες βλάβες στην όραση. Τα περισσότερα εμπορικά προϊόντα που χρησιμοποιούν Near IR LED παράγουν πολύ χαμηλά επίπεδα ακτινοβολίας (Near Infrared NIR), με μήκος κύματος από 700nm έως 1400nm και δεν αποτελούν απειλή. Ωστόσο, υπό συγκεκριμένες συνθήκες και τρόπους λειτουργίας, ενδέχεται να παράγουν επαρκή ακτινοβολία NIR που να υπερβαίνει τα όρια έκθεσης της IEC (International Electrotechnical Commission). Συνεπώς θα πρέπει να επιλέγεται με ιδιαίτερη προσοχή η θέση και ο προσανατολισμός των αισθητήρων τους κατά την τοποθέτησή τους πάνω στο ανθρώπινο σώμα. Οι ασύρματες τεχνικές ραδιοσυχνότητας (RF) μικρής εμβέλειας, όπως Zig bee και Bluetooth, είναι οι προτιμώμενοι υποψήφιοι για ανθρωποκεντρικές εφαρμογές και BAN. Ωστόσο, αυτές οι προσεγγίσεις έχουν εγγενή μειονεκτήματα, δεδομένου ότι δεν έχουν σχεδιαστεί για τη μετάδοση δεδομένων παρακολούθησης της ανθρώπινης υγείας. Ποιο συγκεκριμένα, οι τεχνικές RF είναι επιρρεπείς σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και υποφέρουν από μεγάλη διαρροή σήματος (signal leakage) και εύκολη υποκλοπή (eavesdropping). Επιπλέον, το ανθρώπινο σώμα αποτελείται κατά κύριο λόγο (65%) από νερό, το οποίο είναι ένα υλικό που αποκλείει τα σήματα RF. Έτσι, τα ασύρματα σήματα RF που μεταδίδονται γύρω ή μέσα στο ανθρώπινο σώμα υποφέρουν από φαινόμενα σκίασης του σώματος (body shadowing), γεγονός το οποίο οδηγεί σε σημαντική εξασθένιση του σήματος. Επιπλέον, οι τεχνικές RF χρησιμοποιούν κεραίες οι οποίες από την φύση τους είναι δύσκολο να σμικρυνθούν. 16

29 Τα παραπάνω μειονεκτήματα των ασύρματων δικτύων, καθώς και αυτά που αναφέρονται στα επόμενα κεφάλαια, καθιστούν αρκετά δύσκολη την ευρεία ανάπτυξη και διάδοση εφαρμογών τηλεματικής στο χώρο της υγείας. Φαίνεται όμως ότι η χρήση ηλεκτροστατικών αγωγών είναι η πλέον αποδεκτή λύση για όλους, χρήστες και παρόχους των υπηρεσιών αυτών. Στα επόμενα κεφάλαια εξετάζεται η δυνατότητα που παρέχεται από το ανθρώπινο σώμα (ως ηλεκτροστατικός αγωγός) για τη μεταφορά σημάτων που να καλύπτουν τις ανάγκες ενός ΡΑΝ/ΒΑΝ. 2.7 Βιβλιογραφία Δεύτερου Κεφαλαίου [2.1]: Personal Area Networks (PAN): Near Field Intra Body Communication by Thomas Guthrie Zimmerman. B.S., Humanities and Engineering Massachusetts Institute of Technology February [2.2]: Paksuniemi M, Sorvoja H, Alasaarela E, Myllyla R. Wireless sensor and data transmission needs and technologies for patient monitoring in the operating room and intensive care unit. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2005;2005: doi: /IEMBS PMID: [2.3]: Pahlavan, Kaveh & Probert, T.H. & Chase, Mayra. (1995). Trends in local wireless networks. Communications Magazine, IEEE / [2.4]: Wegmüller, Marc Simon. Intra body communication for biomedical sensor networks. (2007), DOI: /ETHZ A [2.5]: Electromagnetic Compatibility, Weston, D.A., Marcel Dekker Publishers, 1991 New York, pp. 36. [2.6]: Mills, J.P., Electromagnetic Interference, Prentice Hall, New Jersey, 1993, pp [2.7]: Ramo, S., Whinnery, J.R., Van Duzer, T., Fields And Waves in Communication Electronics, Third Edition, John Wiley and Sons, New York, 1994, pp [2.8]: High Speed Non Directional Infrared Communication for Wireless Local Area Networks, J. M. Kahn, J. R. Barry, W. J. Krause, M. D Audeh, J. B. Carruthers, G. W. Marsh, E. A. Lee, and D. G. Messerschmitt, Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, CA [2.9]: Tony Arevalo, The State of Health Care Industry (2020), April 21, 2020, available from: insurance/insights/health care industry/. 17

30 3 Χαρακτηριστικά της ενδοσωματικής επικοινωνίας 3.1 Εισαγωγή Η ενδοσωματική επικοινωνία είναι μια νέα τεχνολογία για την μετάδοση σήματος που χρησιμοποιεί το ανθρώπινο σώμα ως μέσο μετάδοσης ηλεκτρικών σημάτων [3.3]. Η Εικόνα 3.1 δείχνει την τροποποιημένη οργάνωση του δικτύου για τη διασύνδεση των βιοϊατρικών αισθητήρων. Τα δεδομένα δεν μεταφέρονται απευθείας από τους βιοϊατρικούς αισθητήρες στην υποδομή του νοσοκομείου, όπως στην Εικόνα Αντίθετα, οι αισθητήρες στέλνουν τα δεδομένα τους μέσω κατάλληλου συνδέσμου ενδοσωματικής σύνδεσης χαμηλής ισχύος και χαμηλού ρυθμού σε έναν αισθητήρα κεντρικού συνδέσμου (που βρίσκεται στο σώμα, όπως όλοι οι άλλοι αισθητήρες). Οποιοσδήποτε από τους αισθητήρες μπορεί να λειτουργεί ως αισθητήρας αναμεταδότης, μεταξύ ενός αισθητήρα και του κεντρικού συνδέσμου αν είναι δυσμενής η άμεση σύνδεση. Εικόνα 3.1: Απλοποιημένη επισκόπηση του δικτύου ενδοσωματικής επικοινωνίας [3.2]: Η σύνδεση μεταξύ των επιμέρους αισθητήρων και του αισθητήρα σύνδεσης πραγματοποιείται μέσω συνδέσμου ενδοσωματικής επικοινωνίας. Χρησιμοποιείται εξωτερική ασύρματη σύνδεση για την επικοινωνία με την απομακρυσμένη ιατρική υποδομή παρακολούθησης. Με έναν εξωτερικό ασύρματο σύνδεσμο επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ του κεντρικού αισθητήρα σύνδεσης και της υποδομής ιατρικής παρακολούθησης. Αυτός ο σύνδεσμος μπορεί να αποτελείται από μια τυπική ασύρματη τεχνολογία, π.χ. WLAN, με υψηλό ρυθμό δεδομένων. Για αυτόν τον σύνδεσμο, η κατανάλωση ενέργειας δεν αποτελεί πρόβλημα λόγω του γεγονότος ότι μια σχετικά μεγάλη πηγή ισχύος μπορεί να παρέχεται για την ειδική κεντρική μονάδα. Τα στοιχεία της τροποποιημένης τοπολογίας δικτύου φαίνονται στην Εικόνα 3.2. Πολλοί αισθητήρες κατανέμονται στο σώμα του ασθενούς για τη συλλογή και τη μετάδοση των βιοϊατρικών δεδομένων σε μονάδες παρακολούθησης ή σε συσκευές αποθήκευσης δεδομένων. Οι αισθητήρες είτε προσαρτώνται στο σώμα μέσω επιθεμάτων είτε εμφυτεύονται με τη μορφή χαπιών. 18

31 Εικόνα 3.2: Σύγχρονο δίκτυο παρακολούθησης νοσοκομείων [3.2]: Οι αισθητήρες καταγράφουν και μεταδίδουν τα δεδομένα τους σε συσκευές παρακολούθησης. Οι αισθητήρες εντός ή εκτός του σώματος χρησιμοποιούν τεχνικές ενδοσωματικής επικοινωνίας για να μεταδώσουν δεδομένα σε άλλους αισθητήρες. Τελικά, τα δεδομένα μεταφέρονται από έναν κεντρικό αισθητήρα συνδέσμου στο σημείο πρόσβασης του νοσοκομείου και μπορούν να αναλυθούν σε προσωπικές συσκευές παρακολούθησης ή να αποθηκευτούν στο ηλεκτρονικό αρχείο του ασθενούς. Ενδοσωματικοί σύνδεσμοι επικοινωνίας επιτρέπουν την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ δύο επιφανειακών αισθητήρων, δύο εμφυτευμένων αισθητήρων και μεταξύ ενός επιφανειακού αισθητήρα και ενός εμφυτευμένου. Όλα τα δεδομένα που συλλέγουν οι αισθητήρες μεταδίδονται και συλλέγονται από τον αισθητήρα σύνδεσμο. Ο κεντρικός αισθητήρας συνδέσμου μπορεί να ενσωματωθεί σε ρολόι χειρός ή σε κάποια άλλη φορητή συσκευή και επικοινωνεί με το σημείο πρόσβασης του νοσοκομείου μέσω μίας ασύρματης σύνδεσης υψηλού εύρους ζώνης. Τα δεδομένα του ασθενούς παρακολουθούνται σε προσωπικές οθόνες ή αποθηκευμένο στο ηλεκτρονικό αρχείο δεδομένων του ασθενούς. Επομένως, τα δεδομένα παρακολούθησης του ασθενούς είναι διαθέσιμα ανά πάσα στιγμή, διαδικτυακά και σε πραγματικό χρόνο. Τα κύρια στοιχεία ενός ενδοσωματικού συνδέσμου επικοινωνίας φαίνονται στο Εικόνα 3.3. Ο πομπός επιτρέπει τη συμπίεση των δεδομένων του αισθητήρα καθώς και την κωδικοποίηση και την μετάδοση τους από μια μονάδα ζεύκτη (coupler) που ελέγχεται με ρεύμα. Το ανθρώπινο σώμα λειτουργεί ως κανάλι μετάδοσης. Τα ηλεκτρικά σήματα συζεύοντας μέσα στο ανθρώπινο ιστό και διανέμονται σε πολλές περιοχές του σώματος. Ο δέκτης αποτελείται από έναν αναλογικό ανιχνευτή ο οποίος ενισχύει το επαγόμενο σήμα μαζί με άλλες ψηφιακές μονάδες για την αποδιαμόρφωση, την αποκωδικοποίηση και την εξαγωγή δεδομένων. 19

32 Εικόνα 3.3: Επικοινωνία εντός του σώματος για μετάδοση δεδομένων μεταξύ αισθητήρων που ενεργοποιούνται από μονάδες πομπού και δέκτη [3.2]: Το ανθρώπινο σώμα ενεργεί ως μέσο μετάδοσης. 3.2 Η καινοτομία της ενδοσωματικής επικοινωνίας Στην ενδοσωματική επικοινωνία, το ανθρώπινο σώμα χρησιμοποιείται ως μέσο μετάδοσης. Το σώμα γίνεται αναπόσπαστο συστατικό του συστήματος μετάδοσης. Οι προηγμένοι πομποδέκτες επιτρέπουν την επαγωγή ηλεκτρικού ρεύματος στον ανθρώπινο ιστό και παρέχουν έξυπνη μετάδοση δεδομένων μέσω προηγμένων τεχνικών κωδικοποίησης και συμπίεσης. Τα νέα συστήματα μετάδοσης που έχουν ως βάση το ανθρώπινο σώμα έχουν δείξει τη δυνατότητα μετάδοσης ηλεκτρικών σημάτων μέσω αυτού. Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν λεπτομερή μοντέλα που να περιγράφουν τα χαρακτηριστικά του ανθρώπινου σώματος. Δυστυχώς, δεν έχει πλήρως κατανοηθεί οι επιδράσεις του ανθρώπινου ιστού στη μετάδοση ηλεκτρικού σήματος. Για προηγμένα σχέδια πομποδεκτών, τα αποτελέσματα και τα όρια του ιστού πρέπει να ληφθούν προσεκτικά υπόψη. 3.3 Κανονισμοί Οι απαιτήσεις ασφαλείας για τον περιορισμό της έκθεσης σε ηλεκτρικά, μαγνητικά και ηλεκτρομαγνητικά πεδία επιβάλλονται από εθνικές επιτροπές. Οι κανονισμοί που έχουν παραχθεί από τις επιτροπές αυτές, βασίζονται σε διεθνείς οδηγίες της διεθνούς επιτροπής για την προστασία από τις μη ιονίζουσες ακτινοβολίες (International Commission on Non Ionizing Radiation Protection ICNIRP) [3.4] και του Προτύπου της IEEE για επίπεδα ασφάλειας [3.5] σε συνδυασμό με εθνικές εκτιμήσεις. 20

33 Ο Πίνακας 3.1 συνοψίζει τα ρεύματα κατωφλίου για έμμεσες επιπτώσεις 1 (indirect effects). Σε γενικές γραμμές, έχει δειχθεί ότι τα ρεύματα κατωφλίου που είναι αρκετά έντονα για να γίνουν αντιληπτά και να παράξουν πόνο, διαφοροποιούνται ελαφρός εντός του εύρους συχνοτήτων των 100 KHz και 1 MHz. Κάτω από 100 KHz, η κύρια επίδραση του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι η διέγερση των νεύρων και των μυών που γίνονται αντιληπτές ως μία αίσθηση μυρμηγκιάσματος (nerve tingling). Σε αυξημένες συχνότητες από 100 KHz έως 10 MHz, το κυρίαρχο αποτέλεσμα αλλάζει προς τη θέρμανση, ενώ πάνω από 10 MHz τα όρια καθορίζονται με βάση τον ειδικό ρυθμό απορρόφησης (specific absorption rate SAR). Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται κάτω του 1 βαθμού θεωρούνται ασφαλείς, δηλαδή δεν οδηγούν σε δυσμενείς θερμικές επιπτώσεις. Πίνακας 3.1: Περιοχές για ρεύματα κατωφλίου για έμμεσες επιπτώσεις, συμπεριλαμβανομένων παιδιών, γυναικών και ανδρών [3.4]. Έμμεσες επιπτώσεις Ρεύμα κατωφλίου [ma] 50/60 Hz 1 KHz 100 KHz 1 MHz Αντίληψη αφής Πόνος όταν υπάρχει επαφή Επώδυνη ηλεκτροπληξία Σοβαρή ηλεκτροπληξία n/a n/a Επακόλουθο των οδηγιών αυτών είναι το ότι οι ενδοσωματικές επικοινωνίες περιορίζονται από τα όρια των ρευμάτων επαφής [3.1]. Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 3.2, ανάλογα με το εύρος συχνοτήτων, το επιτρεπόμενο ρεύμα επαφής αυξάνεται έως και 20 ma στα 100 KHz και παραμένουν σταθερά. Πίνακας 3.2: Επίπεδα αναφοράς για χρονικά μεταβαλλόμενα ρεύματα επαφής από αγώγιμα αντικείμενα [3.4]. Χαρακτηριστικά έκθεσης Έκθεση επαγγελματιών Έκθεση του ευρύ κοινού Εύρος συχνοτήτων 2.5 KHz 100 KHz 100 KHz 110 MHz 2.5 KHz 100 KHz 100 KHz 110 MHz Μέγιστο ρεύμα επαφής [ma] 0.4 f [KHz] f [KHz] 20 1 Τα κατώτατα ρεύματα για έμμεσες επιπτώσεις (Threshold currents for indirect effects) είναι μία ορολογία η οποία χρησιμοποιείται για να περιγράψει τους περιορισμούς των ρευμάτων που προκαλούν συγκεκριμένες φυσικές αισθήσεις στο υποκείμενο. 21

34 Ως «επαγγελματικά εκτεθειμένο» ονομάζεται εκείνο το υποσύνολο του πληθυσμού που αποτελείται από επαγγελματίες που εκτίθενται υπό γνωστές συνθήκες. Αυτοί οι άνθρωποι διακρίνονται από το γεγονός ότι είναι εκπαιδευμένοι για να γνωρίζουν τους πιθανούς κινδύνους και να λαμβάνουν τις κατάλληλες προφυλάξεις. Σε αντίθεση, το ευρύ κοινό περιλαμβάνει άτομα όλων των ηλικιών και ποικίλης κατάστασης υγείας και μπορεί να περιλαμβάνει ιδιαίτερα ευαίσθητες ομάδες ή άτομα. Δεδομένου ότι το κατώφλι ρεύματος που προκαλεί βιολογικές αποκρίσεις σε παιδιά και ενήλικες γυναίκες είναι περίπου το ένα δεύτερο και τα δύο τρίτα αντίστοιχα, από το κατώφλι των ενηλίκων ανδρών, τα επίπεδα αναφοράς για τα ρεύματα επαφής για το ευρύ κοινό ορίζονται στις μισές τιμές για την επαγγελματική έκθεση. 3.4 Βιβλιογραφία Τρίτου Κεφαλαίου [3.1]: International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), Guidance on determining compliance of exposure to pulsed fields and complex non sinusoidal waveforms below 100 KHz with icnirp guidelines, 2003, pp [3.2]: Wegmüller, Marc Simon. Intra body communication for biomedical sensor networks. (2007). DOI: /ETHZ A [3.3]: Thomas Gurthrie Zimmerman, Personal area network (PAN), Master thesis, Massachusetts Institute of Technology, [3.4]: International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), Guidelines for limiting exposure to time varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300GHz), 1997, pp [3.5]: IEEE C , IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 KHz to 300 GHz, The Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., New York (2006). 22

35 4 Ηλεκτρικό μοντέλο του ανθρωπίνου σώματος Προκειμένου το ανθρώπινο σώμα να χρησιμοποιηθεί από τα επιμέρους μικροσυστήματα του ΒΑΝ ως κανάλι επικοινωνίας, απαιτείται η μελέτη της συμπεριφοράς του ως ηλεκτροστατικός αγωγός κατάλληλος να λειτουργήσει ως κανάλι επικοινωνίας. Γενικά, υπάρχει εκτεταμένη βιβλιογραφία σχετικά με τις ηλεκτρικές ιδιότητες του ανθρώπινου σώματος. Βασικό εργαλείο για την ανίχνευση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του ανθρωπίνου σώματος είναι η Τομογραφία Ηλεκτρικής Εμπέδησης (Electrical Impedance Tomography EIT), μέσω της οποίας επιχειρείται να απεικονιστούν τα εσωτερικά όργανα και τη δομή του σώματος μετρώντας την ειδική αντίσταση του κάθε ιστού. Σε ένα τυπικό σύστημα ΕΙΤ τοποθετείται ένα πλήθος ηλεκτροδίων γύρω από το σώμα (π.χ. 24 ηλεκτρόδια), εφαρμόζει ένα σταθερό ρεύμα σε ένα από τα ηλεκτρόδια (πομπό) και καταγράφεται το δυναμικό στα υπόλοιπα ηλεκτρόδια (δέκτες). Το δυναμικό προκύπτει από την αντίσταση των ιστών μεταξύ των ηλεκτροδίων μετάδοσης και λήψης. Με την αλληλούχιση (sequencing) των ηλεκτροδίων συλλέγονται σύνολα μετρήσεων σύνθετης αντίστασης, τα οποία στη συνέχεια επεξεργάζονται για να αναπαραστήσουν τις σύνθετες αντιστάσεις των ιστών και να διαμορφώσουν ένα απλοποιημένο ηλεκτρικό μοντέλο των οργάνων και ιστών του σώματος. 4.1 Αντίσταση των ιστών στα θηλαστικά Δημοσιευμένες έρευνες δίνουν μια ευρεία γκάμα από τιμές αντίστασης για τους ιστούς των θηλαστικών. Ενδεικτικά, αναφέρουν ότι ο ανθρώπινος βραχίονας έχει μια διαμήκη αντίσταση (resistivity) 2.4 Ω ανά μέτρο και μία εγκάρσια αντίσταση 6.75 Ω ανά μέτρο. Ο ιστός των πνευμόνων κυμαίνεται ανά μέτρο από 1,6 Ω, για τον εξωκυτταρικό χώρο (interstitial), έως 51 Ω, σε ενδοκυτταρικές συνθήκες (intra cellular conditions), αντίστοιχα. Το αίμα αναφέρθηκε ότι έχει ειδική αντίσταση 1,5 Ω ανά μέτρο και η ειδική αντίσταση του λίπους είναι 12,75 Ω ανά μέτρο. Η υψηλότερη ειδική αντίσταση είναι τα 166 Ω ανά μέτρο και έχει εντοπιστεί στο υγρό οστό των βοοειδών (wet bovine bone). Παρότι η αναφερόμενη τιμή αντίστασης για οποιονδήποτε ιστό μπορεί να ποικίλει λόγω διαφόρων παραγόντων, εν τούτοις έχει πειραματικά πιστοποιηθεί ότι η συνολική ειδική αντίσταση του ανθρώπινου σώματος είναι της τάξεως των 10,0 Ω, ή και λιγότερο, αφού ο βραχίονας είναι μικρότερος από 7 Ω και το αίμα, το οποίο διεισδύει στο σώμα, έχει ειδική αντίσταση 1,5 Ω ανά μέτρο. 4.2 Το ανθρώπινο σώμα προσεγγίζει τον τέλειο αγωγό Για την εκτίμηση της εσωτερικής αντίστασης R του ανθρώπινου σώματος (κάτω από το δέρμα), χρησιμοποιείται η σχέση: R =r(l/a), όπου R είναι η αντίσταση (resistance), r είναι η ειδική αντίσταση (resistivity), L είναι το μήκος του αγωγού (length of the conductor) και Α είναι η περιοχή του αγωγού (area of the conductor) [4.1]. 23

36 Για έναν ενήλικα άρρενα ύψους δύο μέτρων, με ειδική αντίσταση 10 Ω ανά μέτρο, η αντίσταση έχει υπολογιστεί ότι είναι της τάξης των 251 Ω. Η χαμηλή αντίσταση του εσωτερικού μέρους του σώματος είναι μονωμένη από τα ηλεκτρόδια της συσκευής ΒAN από το δέρμα, τον αέρα και τα ρούχα, τα οποία συλλογικά έχουν μεγάλη σύνθετη αντίστασηεμπέδηση (impedance), της τάξης των MΩ έως GΩ. Σε σύγκριση με τις σύνθετες αντιστάσεις μεταξύ των ηλεκτροδίων και του σώματος (ΜΩ και GΩ), το σώμα μπορεί να θεωρηθεί τέλειος αγωγός (R = 0). 4.3 Βασική ιδέα της επικοινωνίας των ΒΑΝ τερματικών Σε γενικές γραμμές ο πομπός ενός ΒAN τερματικού διαταράσσει το ηλεκτρικό δυναμικό του περιβάλλοντος και ο δέκτης ενός άλλου ΒAN τερματικού ανιχνεύει αυτές τις διαταραχές. Δηλαδή, ο πομπός είναι συζευγμένος χωρητικά (capacitively coupled) με τον δέκτη. Προκειμένου να ρέει ένα μη ακτινοβόλο σήμα (non radiating signal) από τον πομπό προς τον δέκτη, πρέπει να υπάρχει μια διαδρομή επιστροφής ρεύματος. Ο πομπός συζευγνύει χωρητικά (capacitively couples) τον δέκτη μέσω του ανθρώπινου σώματος. Η διαδρομή επιστροφής παρέχεται από τον αέρα (διηλεκτρικό) και τη γείωση (διηλεκτρικό και αγωγό), όπως φαίνεται στην Εικόνα 4.1. Η γείωση (earth ground) αναφέρεται σε αγωγούς και διηλεκτρικά μέσα στο περιβάλλον που βρίσκονται σε στενή γειτνίαση (close proximity) με τις συσκευές PAN. Η στενή εγγύτητα είναι σημαντική αφού η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται συναρτήσει του τετράγωνου της απόστασης (για ένα ιδανικό δίπολο πεδίο). Εικόνα 4.1: Δομικό διάγραμμα συστήματος PAN [4.1]. Οι πληροφορίες κωδικοποιούνται μέσω διαμόρφωσης ενός ηλεκτρικού πεδίου το οποίο συζευγνύεται χωρητικά (capacitively couples) με το σώμα. Το σώμα διεξάγει το ασθενές σήμα (pa) σε ένα δέκτη ο οποίος αποδιαμορφώνει το σήμα. Η γείωση παρέχει μια διαδρομή επιστροφής για το σήμα. Τα ηλεκτρόδια (electrodes) πομπού και δέκτη μοντελοποιούνται ως πλάκες πυκνωτών (capacitor plates) όπου οτιδήποτε υπάρχει στο περιβάλλον του ευρίσκεται μεταξύ των 24

37 πλακών αυτών. Τα μέταλλα φέρνουν αποτελεσματικά πλάκες κοντά, αυξάνοντας τη χωρητικότητα, ενώ τα διηλεκτρικά επιτρέπουν τη μεγαλύτερη συσσώρευση φορτίου Q στις πλάκες για μια δεδομένη τάση V, αυξάνοντας επίσης την χωρητικότητα (C = Q/V). Το περιβάλλον των αγωγών (conductors) περιλαμβάνει μεταλλικά έπιπλα, σύρματα, υδραυλικές εγκαταστάσεις, ράβδους οπλισμού, μεταλλικές ράβδους τοίχου, εξοπλισμό γραφείου, αγωγούς εξαερισμού, σώματα με νερό και τη γη. Τα κοινά διηλεκτρικά στο περιβάλλον περιλαμβάνουν αέρα (ε = 1), ξύλο (ε = 3~4), ξηρά γεωλογικά υλικά (ε = 4~8), γυαλί (ε = 4~10), καουτσούκ (ε = 3~7) και νερό (ε = 87). Τα υλικά του περιβάλλοντος πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένα από το ανθρώπινο σώμα ώστε να αποφεύγεται οποιαδήποτε σύζευξη μεταξύ του σώματος και της διαδρομής επιστροφής η οποία συντομεύει ουσιαστικά τον ρεύμα βρόχου, και κατ επέκταση του διαύλου επικοινωνίας. 4.4 Συγκεντρωτικό μοντέλο του επικοινωνιακού καναλιού: Σπάσιμο συμμετρίας Η επικοινωνίας της συσκευής ΒAN βασίζετε στην δημιουργία ασυμμετριών μεταξύ των αντιστάσεων που «βλέπουν» τα ηλεκτρόδια του πομπού, δηλαδή να έχουν μικρότερη σύνθετη αντίσταση, τα ηλεκτρόδια του δέκτη. Η Εικόνα 4.2 δείχνει έναν πομπό ΒAN και έναν δέκτη ΒAN και τη χωρητική σύζευξη (capacitive coupling) μεταξύ των ηλεκτροδίων. Ο πομπός (ταλαντωτής) και ο δέκτης (διαφορικός ενισχυτής) είναι δύο τερματικές συσκευές που παίρνουν ενέργεια από μπαταρία. Η κάθε μία από τις συσκευές αυτές έχουν τη δική της τοπική γείωση, αλλά είναι ηλεκτρικά απομονωμένες μεταξύ τους και συνεπώς δεν μοιράζονται μια κοινή ηλεκτρική γείωση. Υπάρχουν τέσσερις σημαντικές σύνθετες αντιστάσεις εμπεδήσεις (impedances) μεταξύ των τεσσάρων ηλεκτροδίων (ζεύγη πομπού και δέκτη). Η εμπέδηση μεταξύ των ηλεκτροδίων του πομπού παρουσιάζει ένα φορτίο στον πομπό και αγνοείται επειδή ο ταλαντωτής του πομπού αντιμετωπίζεται ως ιδανική πηγή τάσης. Η εμπέδηση μεταξύ των ηλεκτροδίων του δέκτη κυριαρχείται από τον ενισχυτή ρεύματος ο οποίος προσπαθεί να διατηρεί τα ηλεκτρόδια του δέκτη στο ίδιο δυναμικό, με αποτέλεσμα μια χαμηλή αντίσταση μεταξύ των πλακών του δέκτη και αγνοείται επίσης. Οι τέσσερις εμπεδήσεις ενδιαφέροντος για την κατανόηση της ηλεκτρικής επικοινωνίας μεταξύ του πομπού και του δέκτη είναι αναφέρονται ως: A, B, C και D. Οι τέσσερις εμπεδήσεις αναπαρίστανται ως καθαρές χωρητικότητες, αν και μπορεί να περιέχουν μία πραγματική αντίσταση. Το κύκλωμα αναδιατάσσεται για να δείξει πώς λειτουργεί η επικοινωνία της συσκευής ΒAN διασπώντας τη συμμετρία μεταξύ των τεσσάρων ηλεκτροδίων. Το κύκλωμα μπορεί να είναι μια γέφυρα Wheatstone, όπου οποιαδήποτε διατάραξη της ισορροπίας της σχέσης (Α/Β = C/D) προκαλεί στο δέκτη ένα δυναμικό, και κατά συνέπεια ένα ρεύμα. Δεδομένου όμως ότι το κύκλωμα και οι συσκευές ΒAN βρίσκονται πάνω στο ανθρώπινο σώμα και συνεχώς κινούνται, προκύπτει ότι οι αναλογίες της γέφυρα Wheatstone δεν μπορεί να είναι πάντοτε ακριβώς ίσες με το μηδέν. Αντίθετα, θα σχηματίζεται πάντοτε ένα μονοπάτι ηλεκτρικής επικοινωνίας (electrical communication path), εφόσον ο δέκτης είναι αρκετά 25

38 ευαίσθητος για να ανιχνεύσει την οποιαδήποτε παρουσιαζόμενη ανισορροπία πάνω στα φορτία της γέφυρας. Εικόνα 4.2: Ηλεκτρικό μοντέλο πομπού (ταλαντωτής) και δέκτη (διαφορικός ενισχυτής) ΒAN [4.1]. Οι σύνθετες εμπεδήσεις των χωρητικοτήτων αναδιαμορφώνονται για να αποκαλύψουν μια διαμόρφωση γέφυρας Wheatstone. Κάθε ανισορροπία της γέφυρας προκαλεί ρεύμα μέσω του δέκτη. 4.5 Ηλεκτρικά πεδία της ΒAN Συσκευής Ένα πιο λεπτομερές ηλεκτρικό μοντέλο της ηλεκτρικής επικοινωνίας ΒAN μπορεί να σκιαγραφηθεί εάν εντοπιστούν όλες οι διαδρομές από τις οποίες διέρχεται το ηλεκτρικό πεδίο μέσα από τη διάταξη του συστήματος. Ηλεκτρικά πεδία παρουσιάζονται μεταξύ όλων των σωμάτων που παρουσιάζουν μεταξύ τους κάποια διαφορά δυναμικού. Εικόνα 4.3: Τα ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από τον πομπό ΒAN. Ένα μικρό τμήμα του ηλεκτρικού πεδίου Γ διαπερνά το σώμα του ανθρώπου. Στον δέκτη R φτάνει μόνο ένα μικρό τμήμα του πεδίου Γ [4.1 και 4.2]. Η Εικόνα 4.3 απεικονίζει ένα ηλεκτρικό μοντέλο ενός πομπού ΒAN (Τ) που επικοινωνεί με ένα δέκτη ΒAN (R). Ο πομπός δημιουργεί ένα δυναμικό ταλάντωσης σε δύο ηλεκτρικά απομονωμένα ηλεκτρόδια. Η συχνότητα ταλάντωσης είναι μικρότερη από 1 MHz. Με άλλα λόγια έχει μήκος κύματος μεγαλύτερο από 300 μέτρα. Οι διαστάσεις του ηλεκτροδίου είναι της τάξεως των μερικών εκατοστών, επομένως η εκπεμπόμενη ενέργεια είναι τόσο ασθενείς που δεν είναι μετρήσιμη. Επισημαίνεται δε, ότι όλα τα αντικείμενα που ευρίσκονται γύρω 26

39 από τις συσκευές ΒAN είναι είτε ηλεκτρικά ουδέτερα (δηλαδή δεν υπάρχουν στατικά ή εναλλασσόμενα δυναμικά), είτε δεν έχουν το ίδιο ακριβώς δυναμικό (συχνότητα, φάση και πλάτος) με αυτό του πομπού ΒAN. Η ιδέα ενός ηλεκτροδίου περιβάλλοντος Ε και ενός ηλεκτροδίου σώματος Β εισάγεται για ευκολία όταν αναφέρεται στο ηλεκτρόδιο πιο κοντά στο περιβάλλον και πιο κοντά στο σώμα, αντίστοιχα. Δεν υπάρχει εγγενής διαφορά μεταξύ τους. η αναστροφή του ηλεκτροδίου σώματος και περιβάλλοντος του πομπού ή του δέκτη έχει ως αποτέλεσμα μια μετατόπιση φάσης 180 μοιρών στο μεταδιδόμενο και στο λαμβανόμενο σήμα, αντίστοιχα. Η συσκευή ΒAN είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε το ηλεκτρόδιο σώματος Β να βρίσκεται πολύ κοντά στο ανθρώπινο σώμα και το ηλεκτρόδιο περιβάλλοντος Ε να απέχει από το σώμα. Μεταξύ του ηλεκτροδίου σώματος tb του πομπού και του ανθρώπινου σώματος, σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο Γ. Το σώμα μοντελοποιείται ως ένας τέλειος αγωγός που είναι ηλεκτρικά απομονωμένος από το δυναμικό του δωματίου και λειτουργεί σαν μια μεγάλη πλάκα ενός πυκνωτή, που μπορεί να φορτιστεί και να αποφορτιστεί από τον πομπό. Όταν φορτίζετε το σώμα αποκτά ένα δυναμικό που είναι διαφορετικό από το περιβάλλον του. Αποτέλεσμα αυτού είναι η δημιουργία των ηλεκτρικών πεδίων Ε μεταξύ του σώματος και του περιβάλλοντος (έδαφος). Το δυναμικό του σώματος σχηματίζει επίσης ένα ηλεκτρικό πεδίο Β μεταξύ του σώματος και του ηλεκτροδίου περιβάλλοντος του πομπού te. Το ηλεκτρόδιο περιβάλλοντος re του δέκτη βρίσκεται τοποθετημένο με τέτοιο τρόπο ώστε να «βλέπει» το περιβάλλον καλύτερα (έχει μικρότερη αντίσταση) από ότι να «βλέπει» το σώμα. Αντίστοιχα, το ηλεκτρόδιο σώματος rb «βλέπει» το σώμα καλύτερα από ό, τι «βλέπει» το περιβάλλον. Αυτή η ασυμμετρία επιτρέπει στο δέκτη να ανιχνεύει τη διαφορά δυναμικού μεταξύ του σώματος και του περιβάλλοντος. Το δυναμικό του σώματος παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο Ζ στο ηλεκτρόδιο σώματος του δέκτη rb. Το κύκλωμα στον δέκτη (R) φροντίζει έτσι ώστε το ηλεκτρόδιο περιβάλλοντος re στο δέκτη να έχει το ίδιο ηλεκρικό δυναμικό με το ηλεκτρόδιο του σώματος δέκτη rb. Το μικρό ρεύμα που δημιουργείτε από τις προβλεπόμενες ασυμμετρίες μετράται από το κύκλωμα του δέκτη. Το δυναμικό ταλάντωσης του ηλεκτροδίου σώματος rb διατηρείται στο ηλεκτρόδιο περιβάλλοντος re, παράγοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο Θ στο περιβάλλον. Στην πράξη ο δέκτης δεν μπορεί να κρατήσει τα ηλεκτρόδια ακριβώς στο ίδιο δυναμικό έτσι ένα μικρό ηλεκτρικό πεδίο Η δημιουργείται μεταξύ του σώματος και του ηλεκτροδίου περιβάλλοντος re. 4.6 Ηλεκτρικό μοντέλο του καναλιού επικοινωνίας Μοντέλο του ηλεκτρικού κυκλώματος Η Εικόνα 4.4 δείχνει ένα ισοδύναμο κύκλωμα των ηλεκτρικών πεδίων που απεικονίζεται στην Εικόνα 4.3. Το σώμα εμφανίζεται ως ένας τέλειος αγωγός κόμβος (κόμβος σώματος body node). Το Α είναι η χωρητική σύζευξη μεταξύ του ηλεκτροδίου περιβάλλοντος te του πομπού και του περιβαλλοντικού δυναμικού γείωσης (environmental ground potential). Το Β είναι η χωρητική σύζευξη μεταξύ του ηλεκτροδίου περιβάλλοντος te του πομπού και του σώματος. Το Γ είναι η χωρητική σύζευξη μεταξύ του ηλεκτροδίου σώματος tb του πομπού και του 27

40 σώματος. Το Δ είναι η χωρητική σύζευξη μεταξύ του ηλεκτροδίου περιβάλλοντος te του πομπού και του περιβάλλοντος. Το Ε είναι η χωρητική σύζευξη μεταξύ του σώματος και του περιβάλλοντος. Το F είναι η χωρητική σύζευξη μεταξύ του σώματος και του ηλεκτροδίου σώματος δέκτη rb. Το Γ είναι η χωρητική σύζευξη μεταξύ του ηλεκτροδίου περιβάλλοντος re του δέκτη και της γείωσης του περιβάλλοντος. Εικόνα 4.4: Ηλεκτρικό μοντέλο του συστήματος ΒAN. Ο πομπός (T) συζευγνύεται χωρητικά με τον δέκτη (R) μέσω του ανθρωπίνου σώματος (μοντελοποιημένος ως τέλειος αγωγός). Η γείωση παρέχει τη διαδρομή του σήματος επιστροφής [4.1 και 4.2]. Το ηλεκτρικό μοντέλο αποκαλύπτει ότι η χωρητικότητα του σώματος στο περιβάλλον Ε είναι επιζήμια για την απόδοση της επικοινωνιακής συσκευής ΒAN, αφού βραχυκυκλώνει με τη γείωση το δυναμικό που ο πομπός προσπαθεί να επιβάλει πάνω στο σώμα. Αυτό αποδείχτηκε από το παρακάτω πείραμα του Zimmerman [4.1]. Σε ένα υποκείμενο (άτομο), ένα ρεύμα συζεύχτηκε χωρητικά μεταξύ ενός πομπού (αριστερό καρπό) και ενός δέκτη (δεξιό καρπό) Το υποκειμένου που φορούσε παπούτσια και η μέτρηση έγινε υπό τις συνθήκες που καθορίζονται στην μέτρηση χωρητικότητας ηλεκτροδίων (Electrode Capacitance Measurement). Το ρεύμα μετατόπισης που μετρήθηκε είναι εξασθενημένο κατά 12 db όταν το άτομο είναι ξυπόλυτο και κατά 28 db όταν ένα καλώδιο γείωσης είναι συνδεδεμένο με το μέτωπο του ατόμου. Αυτές οι μετρήσεις υποδηλώνουν ότι η απόδοση των συσκευών PAN υποφέρει όταν ένας χρήστης ακουμπά σε μία γείωση, για παράδειγμα σε ένα γειωμένο σωλήνα νερού. Το ηλεκτρικό μοντέλο υποδηλώνει ότι τα πόδια είναι η καλύτερη θέση για να τοποθετούνται οι συσκευές ΒAN. Στα πόδια, τα ηλεκτρόδια σώματος και περιβάλλοντος έχουν την ισχυρότερη σύζευξη με το σώμα και το περιβάλλον, αντίστοιχα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για το ηλεκτρόδιο περιβάλλοντος που έχουν την «ασθενέστερη σύνδεση (weakest link)» (μεγαλύτερη εμπέδηση) κατά την ΒAN επικοινωνίας. Η τοποθέτηση ενός ηλεκτροδίου περιβάλλοντος που να έχει μεγάλη επιφάνεια όσο το δυνατόν πλησιέστερα στο φυσικό έδαφος (που συνήθως είναι τα παπούτσια) μεγιστοποιεί το μέγεθος του σήματος επικοινωνίας. Τα παπούτσια είναι επίσης μια ιδανική τοποθεσία για να συλλάβει μέρος της ενέργειας που διαχέεται κατά τη διάρκεια του περπατήματος. 28

41 4.7 Μέτρηση της χωρητικότητας του ανθρώπινου σώματος Οι μετρήσεις χωρητικότητας των ηλεκτροδίων μπορούν να γίνουν χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή κλειδώματος (lock in amplifier). Στο πείραμα που αναφέρεται στο [4.1] είχε χρησιμοποιηθεί ο ενισχυτής κλειδώματος Stanford Model SR 850 DSP. Αφού προσδιοριστούν οι εμπεδήσεις Z της διαδρομής, οι χωρητικότητες υπολογίζονται από τη σχέση C = 1/2πFZ, όπου F είναι η συχνότητα του ταλαντωτή (oscillator frequency). Όλες οι εμπεδήσεις Z αντιμετωπίζονται ως καθαρά αντιδραστικές (χωρητικές), μειώνοντας έτσι το πρόβλημα σε ένα δίκτυο αντιδραστικών εμπεδήσεων όπου εφαρμόζονται οι νόμοι του Kirchhoff και του Ohm (Z = V/I). Χρησιμοποιώντας σαν βάση τα ανωτέρω, η τεχνική μέτρησης περιορίζεται στην εφαρμογή ενός ημιτονοειδούς σήματος (σε διάφορα πειράματα έχει χρησιμοποιηθεί σήμα 5 kv 100 KHz) από τον ταλαντωτή του ενισχυτή κλειδώματος σε ένα ηλεκτρόδιο πομπού και να μετρηθεί το ρεύμα μετατόπισης (displacement current) σε ένα ηλεκτρόδιο δέκτη. Για την αφαίρεση κάθε ευαισθησίας στην περιστροφή έχουν χρησιμοποιηθεί στους πομπούς και στους δέκτες κυκλικά ηλεκτρόδια (circular transmitter and receiver electrodes) διαμέτρου 25mm. Μεταξύ των ηλεκτροδίων και του δέρματος πρέπει να τοποθετηθεί ένα λεπτό πλαστικό φύλλο (διαστάσεων π.χ. 4cm x 4cm x 1mm) για να είναι σίγουρο ότι η εμπέδηση είναι πλήρως χωρητική (χωρίς πραγματική αντίσταση). Για την εξάλειψη των οποιοδήποτε τυχαίων καλωδιακών επιδράσεων στο ηλεκτρόδιο δέκτη, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας ενισχυτής ρεύματος τροφοδοτούμενος από μπαταρία. Στη συνέχεια μετριέται πρώτα η εμπέδηση σώματος εδάφους Ζ Ε. Οι εμπεδήσεις σώματοςηλεκτρόδιο, Z C και Z F, θεωρούνται ότι είναι ίσες αφού είναι ηλεκτρόδιο ίδιου μεγέθους (διαμέτρου 2,5cm). Κατά τη μέτρηση των Z C και Z F το ηλεκτρόδιο πομπού συνδέεται στον έναν καρπό του ατόμου και το ηλεκτρόδιο δέκτη προσαρτήθηκε στον άλλο καρπό του ατόμου. Τα δύο αυτά ηλεκτρόδια συνδέονται λίγο πάνω από την άρθρωση του καρπού με ταινία ειδική ταινία. Ο ενισχυτής κλειδώματος πρέπει να παρείχε γείωση χαμηλής αντίστασης, έτσι ώστε οι εμπεδήσεις Z D και Z G να θεωρείται ότι ισούνται με μηδενικά ohms. Για τον υπολογισμό της τάσης στον κόμβο του σώματος χρησιμοποιείται ο νόμος τάσης του Kirchoff (η Z E είναι γνωστή) και στη συνέχεια υπολογίζεται το ρεύμα μέσω των εμπεδήσεων Z F, Z H και Z R (οι δύο τελευταίες είναι παράλληλες). Το εξωτερικό ηλεκτρόδιο προς τις αντιστάσεις γείωσης, ZD και ZG, προσδιορίστηκε μετρώντας την πτώση τάσης σε μία αντίσταση φορτίου 1 MΩ που είναι εγκατεστημένη μεταξύ του ταλαντωτή πομπού και του ηλεκτροδίου πομπού. Το προκύπτον ρεύμα μετατόπισης υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm. Μόλις ήταν γνωστό το ρεύμα μετατόπισης και η τάση, υπολογίστηκε το ηλεκτρόδιο πομπού προς την σύνθετη αντίσταση γείωσης χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm. 29

42 4.8 Κατανάλωση ενέργειας Η κατανάλωση/απώλεια ενέργειας υπολογίζεται με διαφορετικά κριτήρια. Στη συνέχεια αναλύονται τα δύο πλέον γνωστά, το κριτήριο Sneaker Power και το κριτήριο απώλειες ενέργειας λόγω της φόρτισης του πυκνωτή Κριτήριο Sneaker Power Ένα τυπικό κριτήριο σχεδιασμού της ζωής των μπαταριών για τα ηλεκτρικά ρολόγια είναι τρία χρόνια. Μια τυπική μπαταρία ρολογιών έχει ενεργειακή ισχύ 57 mwh (σε τύπο μπαταρίας D384 silver oxide, 38 mah στα 1.5v, 7.7 mm διάμετρο και 3.6 mm πάχος), ή 1,4 ua για τρία χρόνια. Μια ερμητικά κλειστή συσκευή, όπως είναι μία πιστωτικής κάρτας, δεν επιτρέπει την αντικατάσταση των μπαταριών. Ένα ενσωματωμένο πηνίο επαγωγής επιτρέπει την επαναφόρτιση μιας ερμητικά σφραγισμένης μπαταρίας ή ενός υπερ πυκνωτή (super capacitor) κοντά σε ένα εξωτερικό πηνίο επαγωγής φόρτισης. Η τοποθέτηση συσκευών ΒAN σε παπούτσια ωφελεί την ισχύ του σήματος. Διαχέεται περίπου 400 mw ενέργειας σε κάθε βήμα 2 κατά την διάρκεια του βαδίσματος ένα ατόμου με βάρος 75 kg. Μια πιεζοηλεκτρική στήλη που φορτίζει έναν πυκνωτή με απόδοση τόσο χαμηλή όσο το 10% παρέχει αρκετή ισχύ για τη φόρτιση μιας συσκευής ΒAN Απώλειες ενέργειας λόγω της φόρτισης του πυκνωτή Ο πομπός της ΒAN συσκευής είναι ένα ηλεκτρόδιο που οδηγείται από μια παλμική πηγή τάσης η οποία έχει ως αναφορά ένα άλλο ηλεκτρόδιο. Στην πιο απλή ηλεκτρονική εφαρμογή συνδεθεί ένας τετραγωνικό σήμα εξόδου κατευθείαν με το ηλεκτρόδιο που μεταδίδει. Το ηλεκτρόδιο πομπού εμφανίζεται ως χωρητικό φορτίο στον ταλαντωτή το οποίο εκφορτίζεται σε κάθε κύκλο μέσω ενός κυκλώματος οδήγησης διασκορπισμού (dissipative driving circuit), με αποτέλεσμα την κατανάλωση ενέργειας 1/2CFV 2. σπαταλώντας ένα mw ισχύος σε ένα τυπικό πομπό ΒAN. 4.9 Χωρητικότητα καναλιού Ένα δίκτυο επικοινωνίας κρίνεται κυρίως βάσει της χωρητικότητας του καναλιού, με ένα θεωρητικό όριο που ορίζεται από το θεώρημα του Shannon C Blog 1 S. Με C N συμβολίζετε η χωρητικότητα του καναλιού σε bits/s. Το B είναι το εύρος ζώνης (bandwith), S το σήμα και N ο θόρυβος. Για να επιτευχθεί υψηλή χωρητικότητα του καναλιού για σταθερό εύρος ζώνης, πρέπει ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) να μεγιστοποιηθεί. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο εξαρτάται από την ισχύ σήματος του πομπού αλλά και από την ευαισθησία και απόδοση θορύβου του δέκτη. 2 Υποθέτοντας μετατόπιση 1 mm, το μισό του σωματικού βάρους εφαρμόζεται σε κάθε πόδι, με ρυθμό ενός βήματος ανά δευτερόλεπτο. Ισχύς = mgh / t = (37,5 kg) (9,8 m / s2 ) (. 001m) /1s=367,5 mw. 30

43 4.10 Πιθανές θέσεις πάνω στο ανθρώπινο σώμα για την τοποθέτηση συσκευών ΒAN Οι συσκευές PAN εφάπτονται πάνω στο σώμα για ενδοσωματική επικοινωνία και εξωτερικά αυτού για διασωματική επικοινωνία. Η Εικόνα 4.5 δείχνει αρκετές τοποθεσίες για την τοποθέτηση πομποδεκτών ΒAN, οι οποίες μπορούν να πάρουν τη μορφή απλών καθημερινών αντικειμένων, όπως τα ρολόγια χειρός, οι πιστωτικές κάρτες, τα γυαλιά οράσεως, ταμπελάκια αναγνώρισης (π.χ. ταυτότητες), ζώνες, τσαντάκια μέσης και ένθετα υποδημάτων. Οι πομποδέκτες ΒAN που τοποθετούνται στο κεφάλι περιλαμβάνουν τα ακουστικά (headphones), βοηθήματα ακοής, μικρόφωνα και οθόνες που προσαρτώνται στο κεφάλι (HMD: Head Mounted Display). Οι συσκευές ΒAN που τοποθετούνται στο στέρνο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση της αναπνοής και της καρδιακής δραστηριότητας. Οι συσκευές ΒAN στην τσέπη του πουκάμισου μπορούν να χρησιμεύσουν ως σήματα αναγνώρισης. Το ρολόι καρπού είναι μια φυσική θέση για μια οθόνη, μικρόφωνο, φωτογραφική μηχανή και ηχείο. Οι συσκευές ΒAN που τοποθετούνται στη μέση μπορούν να φέρουν ένα ΒDA, ένα κινητό τηλέφωνο ή άλλες συσκευές που χρειάζονται μεγάλες μπαταρίες. Οι συσκευές ΒAN που ενσωματώνουν αισθητήρες μπορούν να παρέχουν ιατρική παρακολούθηση, όπως ένα ηλεκτροκαρδιογράφημα, μέτρηση της αρτηριακή πίεση και του ρυθμού αναπνοής. Οι τσέπες του παντελονιού είναι μια ιδανική θέση για συσκευές ΒAN που έχουν ως βάση το πορτοφόλι για την αποθήκευση πληροφοριών και την αναγνώριση του κατόχου. Οι συσκευές ΒAN που βρίσκονται γύρω ή εσωτερικά του παπουτσιού μπορούν να είναι αυτοτροφοδοτούμενα και παρέχει μια σύνδεση δεδομένων σε απομακρυσμένες συσκευές ΒAN που βρίσκονται στο περιβάλλον, όπως σταθμοί εργασίας και αναμεταδότες δαπέδου που ανιχνεύουν τη θέση και την ταυτότητα των ατόμων σε ένα δωμάτιο. Εικόνα 4.5: Τοποθεσίες και εφαρμογές για συσκευές PAN περιλαμβάνουν ένθετο κεφαλής, ακουστικά, σήμα αναγνώρισης, κινητό τηλέφωνο (μέσα σε πακέτο μέσης), πιστωτικές και τηλεφωνικές κάρτες (μέσα σε πορτοφόλι), ρολόι με οθόνη, μικρόφωνο και ηχείο και αθλητικά παπούτσια (αυτοτροφοδοτούμενοι μικροϋπολογιστές σε μορφή ενθέτων υποδημάτων) [4.2]. 31

44 4.11 Βιβλιογραφία Τέταρτου Κεφαλαίου [4.1]: Personal Area Networks (PAN): Near Field Intra Body Communication by Thomas Guthrie Zimmerman. B.S., Humanities and Engineering Massachusetts Institute of Technology February [4.2]: Gershenfeld, N., Zimmerman, T.G., Allport, D., Non Contact System for Sensing and Signaling by Externally Induced Intra Body Currents US Patent Application, May 8,

45 5 Μοντέλα καναλιών μέσω του ανθρώπινου σώματος Η επικοινωνία εντός του σώματος αφορά εκείνο τον τεχνολογικό κλάδο στον οποίο η μετάδοση ενός σήματος διαπερνά το σώμα για να επικοινωνήσει με επιδερμικούς και εμφυτευμένους αισθητήρες. Τα ηλεκτρικά σήματα μεταδίδονται μέσω της γαλβανικής σύζευξης των εναλλασσόμενων ρευμάτων τα οποία κυμαίνονται στο εύρος των μερικών ma. Έτσι, το ίδιο το ανθρώπινο σώμα γίνεται το κανάλι μετάδοσης του συστήματος επικοινωνίας. Για να οριστούν οι περιορισμοί του καναλιού, και ως επακόλουθο, οι περιορισμοί του συστήματος ενός πομποδέκτη, απαιτείται βαθιά κατανόηση των χαρακτηριστικών του καναλιού και η δημιουργία ενός λεπτομερούς μοντέλου προσομοίωσης. Τα κυριότερα ζητήματα που πρέπει να αναλυθούν για τη δημιουργία ενός ρεαλιστικού μοντέλου είναι η διάκριση μεταξύ των στρωμάτων των ιστών ανάλογα με τη συμβολή τους στη ροή του ρεύματος. Συνεπάγετε λοιπόν ότι θα πρέπει να αναγνωριστεί ποια σωματική διάπλαση και ποιος συνδυασμός λίπους, μυών και υγρού υποστηρίζει καλύτερα τη μετάδοση του σήματος. Όμοια η μορφή του μοντέλου θα επηρεάζετε από τα διαφορετικά χαρακτηριστικά μετάδοσης μεταξύ των διαφορετικών μελών του σώματος (μπράτσο, γάμπα). Τέλος απαιτείται η μελέτη της επιρροής που ασκούν οι διαφορετικοί τύποι ηλεκτροδίων πάνω στη μετάδοση. 5.1 Μοντέλο ανθρώπινου βραχίονα Η Εικόνα 5.1 απεικονίζει σχηματικά τον ανθρώπινο βραχίονα και τη διάταξη της γαλβανικής σύζευξης. Τα τρία στρώματα ιστού, δηλαδή του δέρματος, του μυ και του οστού δομούν ένα πολύ απλοποιημένο μοντέλο. Εικόνα 5.1: Απλοποιημένη όψη ενός ανθρώπινου χεριού: περιέχει μόνο τρία στρώματα ιστών, του δέρματος, των μυών και των οστών [5.1]. Προκειμένου να διερευνηθούν οι παράμετροι του ιστού και οι ισοδύναμες ηλεκτρικές σύνθετες αντιστάσεις, ένα εναλλασσόμενο ρεύμα που δημιουργείται στην μονάδα του ζεύκτη εγχέεται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων του ζεύκτη. Η μονάδα ανιχνευτή ανιχνεύει το 33

46 μεταδιδόμενο σήμα μέσω των δύο ηλεκτροδίων ανιχνευτή. Ο συντελεστής απόσβεσης μεταξύ του ζεύκτη και των ηλεκτροδίων ανιχνευτή υπολογίζεται από τον τύπο (5.1): Απόσβεση[dB] = 20log 10 (U ανιχνευτή / U ζεύκτη ), όπου U ζεύκτη δηλώνει την τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων ζεύκτη και U ανιχνευτή η τάση στα ηλεκτρόδια ανιχνευτή. 5.2 Υφιστάμενη ηλεκτρική διέγερση των ιστών Η διάταξη της Εικόνας 5.1 είναι αρκετά παρόμοια με την προσέγγιση της τομογραφίας ηλεκτρικής εμπέδησης (electrical impedance tomography EIT) και συγκρίσιμη με την λειτουργική ηλεκτρική διέγερση (functional electrical stimulation FES). Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του ανθρώπινου ιστού για την διεξαγωγή διαγνώσεων και θεραπειών. Σύμφωνα με τον Πίνακα 5.1, εφαρμόζονται συνεχή ρεύματα και χαμηλά εναλλασσόμενα ρεύματα μερικών ma. Πίνακας 5.1: Βιοϊατρικές εφαρμογές που συζεύουν ηλεκτρικά ρεύματα με το σώμα. Τύπος/Εφαρμογή Συχνότητα Ρεύμα Ηλεκτρική διέγερση >1kHz Μερικά µa έως και 0.9 A Τομογραφία σύνθετης αντίστασης Ανάλυση σύνθετης αντίστασης DC DC 500 khz 4 ma ma Ενδοσωματική επικοινωνία 10kHz 1 MHz 1 ma Ηλεκτρικός έλεγχος βιολογικών μηχανισμών Στη λειτουργική ηλεκτρική διέγερση (functional electrical stimulation FES), οι βιολογικοί μηχανισμοί επηρεάζονται ή ενεργοποιούνται αποκλειστικά από εξωτερικά εφαρμοζόμενα ρεύματα. Η μελέτη των ηλεκτρικών σημάτων του σώματος που παράγονται από βιολογικές διεργασίες δείχνει ότι το φάσμα ισχύος τους καλύπτει κυρίως το εύρος χαμηλών συχνοτήτων. Για παράδειγμα, τα ρεύματα που παράγονται από την καρδιά έχουν φάσμα πυκνότητας ισχύος που βρίσκεται κυρίως κάτω από 1 KHz, ενώ οι περισσότερες άλλες ηλεκτροφυσιολογικές πηγές (π.χ. εκείνες που βρίσκονται κάτω από το EEG, EMG, EOG) έχουν ακόμη χαμηλότερες συχνότητες. Χρησιμοποιούνται μοντέλα για την εύρεση των παραμέτρων που έχουν την υψηλότερη επίδραση στην ενεργοποίηση των νεύρων κατά τη διέγερση [5.2] Οπτικοποίηση της αντίστασης για ιατρική διάγνωση Η τομογραφία ηλεκτρικής εμπέδησης επιχειρεί να απεικονίσει τα εσωτερικά όργανα και τη δομή του σώματος μετρώντας την αντίσταση των ιστών [5.14]. Ένα τυπικό σύστημα τομογραφίας ηλεκτρικής εμπέδησης τοποθετεί πολλαπλά ζεύγη ηλεκτροδίων γύρω από το σώμα (π.χ. 24 ηλεκτρόδια), εφαρμόζει ένα σταθερό ρεύμα σε ένα ζεύγος ηλεκτροδίων (συζεύκτης) και καταγράφει το δυναμικό στα υπόλοιπα ηλεκτρόδια (ανιχνευτές). Το 34

47 δυναμικό προκύπτει από την αντίσταση του ιστού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Αυτές οι μετρήσει των εμπεδήσεων συλλέγονται για κάθε ζεύγος ηλεκτροδίων. Αυτά τα δεδομένα των εμπεδήσεων χρησιμοποιούνται για την ανακατασκευή της κατανομής σύνθετης αντίστασης του ιστού στον όγκο που περιέχετε μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αυτό επιτρέπει τη λήψη εικόνων χαμηλής ανάλυσης των οργάνων και των ιστών του ανθρώπινου σώματος, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.2. Η Εικόνα διατομής της κατανομής της αγωγιμότητας δείχνει την δομή του σώματος υποθέτοντας διαφορές μεταξύ των αγωγιμοτήτων των ανθρώπινων ιστών σε ένα εύρος από 1.54 S/m για τον εγκεφαλονωτιαίο υγρό έως 6mS/m για τα κόκαλα. Εικόνα 5.2: Ο χρονικός μέσος όρος μίας τομογραφίας ηλεκτρικής εμπέδησης (EIT) της διατομής ενός ανθρώπινου θώρακα[5.15 και 5.16]. Παρά το γεγονός ότι ο στόχος της ενδοσωματικής επικοινωνίας είναι εντελώς διαφορετικός, υπάρχουν πολλές ομοιότητες μεταξύ αυτών των προσεγγίσεων. Στην τομογραφία ηλεκτρικής εμπέδησης εγχέονται ρεύματα με στόχο την ανίχνευση της κατανομής σύνθετης αντίστασης των ανθρώπινων ιστών [5.4, 5.5, 5.6 και 5.7]. Στη λειτουργική ηλεκτρική διέγερσης χρησιμοποιούνται μοντέλα για την εύρεση των παραμέτρων που έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στην ενεργοποίηση των νεύρων κατά τη διέγερση [5.3]. Προκειμένου να διερευνηθούν οι παράμετροι του σώματος, έχουν αναπτυχθεί αρκετά διηλεκτρικά μοντέλα. Ενώ το EIT στοχεύει σε υψηλότερη ανάλυση και το FES διερευνά τα αποτελέσματα στα ανθρώπινα νεύρα, η επικοινωνία εντός του σώματος έχει ως στόχο τα μεταδιδόμενα σήματα να έχουν χαμηλή εξασθένηση. Επιπροσθέτως, η ενδοσωματική επικοινωνία δεν επικεντρώνεται αποκλειστικά στις σύνθετες αντιστάσεις του ιστού που αφορούν σταθερά ρεύματα. Αντίθετα, εστιάζει και στις σύνθετες αντιστάσεις των χρονικά μεταβαλλόμενων ρεύματων. Τα επιθυμητά μοντέλα σώματος δίνουν εξηγήσεις στο εύρος συχνοτήτων έως 1 MHz. Επομένως, τα παραμετρικά μοντέλα των διηλεκτρικών ιδιοτήτων του ανθρώπινου ιστού πρέπει να επεκταθούν σε ένα ειδικό εύρος. 35

48 5.3 Αναλυτικό μοντέλο καναλιού Προκειμένου να εντοπιστούν οι κύριες επιδράσεις στο κανάλι μετάδοσης, παρουσιάζεται το αναλυτικό μοντέλο [5.1]. Στην Εικόνα 5.3 φαίνονται μοντελοποιημένες η συμπεριφορά της ζεύξης (coupling), οι συνθήκες του σώματος και οι εξωτερικές πηγές θορύβου. Τόσο τα ηλεκτρόδια του συζεύκτη (coupler) όσο και του ανιχνευτή εξασθενούν το μεταδιδόμενο σήμα. Επιπλέον, οι παράμετροι του διηλεκτρικού ιστού καθορίζουν τη συμπεριφορά της εξασθένησης μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Τα μοντέλα ιστών παρέχουν καλύτερες εξηγήσεις σχετικά με την εξάρτηση εξασθένησης των ιδιοτήτων του ιστού και του γενικού ρύθμιση γεωμετρίας, π.χ. απόσταση και δομή. Στο μοντέλο έχει συμπεριληφθεί προσθετικός θόρυβος εντός του εύρους συχνοτήτων (in band). Αυτός ο θόρυβος προκαλείται από εξωτερικές συσκευές, ειδικά από άλλες ασύρματες μονάδες επικοινωνίας, π.χ. RFID. Όμοια, ο θόρυβος που προκαλείτε από το ανθρώπινου σώματος προσεγγίζεται από τον προσθετικό λευκό θόρυβο. Εικόνα 5.3: Αναλυτικό μοντέλο του καναλιού επικοινωνίας σώματος: Το μεταδιδόμενο σήμα αποσβένει λόγο των συζευγμένων ηλεκτροδίων. Φιλτράρεται με βάση την ενδοκυτταρική και εξωκυτταρική κατανομή του νερού και στη συνέχεια του προστίθεται θόρυβος ο οποίος οφείλεται σε φαινόμενα σώματος (body effects) και σε άλλες πυγές θορύβου εντός εύρους (in band) [5.1]. 5.4 Διηλεκτρικές ιδιότητες του ανθρώπινου ιστού Προκειμένου να κατανοήσουμε το μονοπάτι που ακολουθεί η ροή του ρεύματος διαμέσου του ανθρώπινου σώματος, ο ιστός πρέπει να χαρακτηρίζεται ως προς τις διηλεκτρικές του σταθερές. Τα ευρήματα από μετρήσεις χρησιμεύουν ως βάση για ένα παραμετρικό μοντέλο των διηλεκτρικών ιδιοτήτων. Τα παράγωγα ισοδύναμα κυκλώματα δημιουργούν το σημείο εκκίνησης για μοντέλα ιστών με στρώσεις Πειραματικά ευρήματα για τις διηλεκτρικές ιδιότητες Η αγωγιμότητα του ανθρώπινου ιστού βασίζεται στις ιδιότητες των κυττάρων που τον αποτελούν. Τα κύτταρα αποτελούνται από την εξωτερική μεμβράνη η οποία αποτελεί και το φυσικό τους όριο. Εντός της κυτταρικής μεμβράνης περιέχει ένα διάλυμα που περιέχει ορισμένες χημικές ουσίες και άλατα. Κάθε ομάδα κυττάρων εκτελούν εξειδικευμένες λειτουργίες και συνδέονται με ένα περίπλοκο σύστημα επικοινωνίας. Η κυτταρική μεμβράνη διατηρεί μια διαβάθμιση στη συγκέντρωση των ιόντων μεταξύ των ενδοκυτταρικών και εξωκυτταρικών χώρων. Αυτή η διαβάθμιση δημιουργεί μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού κατά μήκος της μεμβράνης που είναι απαραίτητη για την επιβίωση των κυττάρων. Αυτή οι 36

49 ηλεκτρικές διαβαθμίσεις είναι απαραίτητες για την υποστήριξη της μεταφοράς οξυγόνου, άνθρακα, διοξειδίου και θρεπτικών ουσιών. Επομένως, η κυτταρική μεμβράνη έχει ηλεκτρικά μονωτικές ιδιότητες για να διατηρήσει την ηλεκτρική διαβάθμιση. Βιολογικά, η κυτταρική μεμβράνη λειτουργεί ως διαπερατό φράγμα που διαχωρίζει τα ενδοκυτταρικά (κυτταρόπλασμα) και τα εξωκυτταρικά συστατικά [5.8]. Οι συγκεκριμένες αντιστάσεις των διάφορων ιστών του σώματος έχουν μετρηθεί από τον Schwan [5.9]. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αντίσταση μειώνεται αργά καθώς αυξανόταν η συχνότητα έως και τα 10 khz. Οι Foster κ.ά. [5.10] εξέτασαν τα διηλεκτρικά φαινόμενα στα βιολογικά υλικά και την ερμηνεία αυτών των φαινομένων όσον αφορά τις αλληλεπιδράσεις σε κυτταρικό επίπεδο. Οι Barber και Brown [5.4] παρουσίασαν μια έρευνα σχετικά με τις τιμές αγωγιμότητας των ιστών θηλαστικών συγκρίνοντας τα αποτελέσματα στα 100 khz. Το ανθρώπινο χέρι έδειξε αγωγιμότητα 0.42 S / m διαμήκη και 0.15 S / m εγκάρσια. Ο πνευμονικός ιστός κυμαίνεται από 0,14 S / m έως 42 ms / m κατά την εκπνοή λήξη και την εισπνοή, αντίστοιχα. Το αίμα αναφέρεται ότι έχει αγωγιμότητα 0,66 S / m και η αγωγιμότητα του λίπους είναι 40 ms / m. Η χαμηλότερη αγωγιμότητα αναφέρεται για υγρό οστό βοοειδών (wet bovine bone) με 6,02 ms / m. Αν και οι αναφερόμενες τιμές αγωγιμότητας για οποιονδήποτε ιστό ενδέχεται να ποικίλλουν σημαντικά, αναμένεται ότι η μαζική αντίσταση του ανθρώπινου ιστού είναι της τάξης των δέκα Ohm. Μια πιο λεπτομερή επισκόπηση της σχετικής διαπερατότητας και αγωγιμότητας του ιστού δημοσιεύτηκε από τους Gabriel κ.ά. στο [5.12], όπου αξιολογήθηκε η τρέχουσα κατάσταση των γνώσεων όσον αφορά τις ιδιότητες του ιστού. Οι μετρήσεις στο εύρος συχνοτήτων από 10 Hz έως 20 GHz παρέχουν τη βάση για την αξιολόγηση και ανάλυση των ιστών των θηλαστικών. Ωστόσο, τα αποτελέσματα βασίζονται σε ομογενοποιημένο ζωικό ιστό. Δεν θεωρείται πως υπάρχουν διαφορές μεταξύ ζωντανών και νεκρών ανθρώπινων ιστών. Στο [5.11], παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις της σχετικής διαπερατότητας και αγωγιμότητας. Η σχετική διαπερατότητα μειώνεται από τιμές στην περιοχή 10 5 από μερικές εκατοντάδες Hz σε λιγότερο από 100 στην περιοχή GHz, ενώ η αγωγιμότητα αυξάνεται ξεκινώντας από περίπου 10 4 S/m έως πάνω από 1 S/m στο ίδιο εύρος συχνοτήτων. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ιστών και των κυτταρικών εναιωρημάτων (cell suspensions) αλλάζουν συναρτήσει της συχνότητα σε τρία διαφορετικά στάδια που ονομάζονται διασπορές (dispersion) α, β και γ. Η διασπορά α αφορά την περιοχή συχνοτήτων κάτω από 1 KHz. Η α σχετίζεται με διαδικασίες ιοντικής διάχυσης από και προς τις δύο πλευρές της κυτταρικής μεμβράνης και με την πόλωση ιόντων κοντά σε φορτισμένες επιφάνειες μέσα στον ιστό. Η σχετική διαπερατότητα φτάνει τιμές άνω του Αντίστοιχα η διασπορά β, είναι στην περιοχή από 100 KHz έως 10 MHz και οφείλεται κυρίως στην πόλωση των κυτταρικών μεμβρανών που δρουν ως εμπόδια στη ροή ιόντων μεταξύ του ενδοκυτταρικού και του εξωκυτταρικού μέσου. Τέλος η διασπορά γ αφορά την περιοχή των μερικών GHz οφείλεται στην πόλωση των μορίων του νερού. Οι συνθήκες και τα χαρακτηριστικά ενός ιστού αλλοιώνονται με την πάροδο του χρόνου. Όμως σαν αρχική προσέγγιση τα στρώματα ενός δείγματος ιστού μπορούν να 37

50 παραμετροποιηθούν από τις διηλεκτρικές τους σταθερές, οι οποίες εξαρτώνται από το υλικό και τη συχνότητα Παραμετρικό μοντέλο του διηλεκτρικού ιστού Όπως φαίνεται στην παραπάνω ενότητα, ο διηλεκτρικός ιστός, που αντιπροσωπεύεται από τη σχετική διαπερατότητα ε r και την αγωγιμότητα σ, χαρακτηρίζεται από τις τρεις κύριες περιοχές χαλάρωσης: την α, β και γ σε χαμηλές, μεσαίες και υψηλές συχνότητες αντίστοιχα. Στις απλούστερες μορφές τους, καθεμία από αυτές τις περιοχές χαλάρωσης προκαλείται από έναν μηχανισμό πόλωσης που χαρακτηρίζεται από μία σταθερά χρόνου τ. Ο Cole Cole [5.13] διατύπωσε μία πρώτη προσέγγιση μέσω της Εξίσωσης (5.2): ε * (ω) = ε inf + Δε n / {1 + (jωτ n ) ^ (1 a n )}. Το ένα σκέλος της εξίσωσης είναι ανεξάρτητο της συχνότητας, το οποίο οφείλεται στην ιονική αγωγή. Επίσης περιέχει ένα μέλος που εξαρτάται από την συχνότητα με βάση την διηλεκτρική χαλάρωση (relaxation). Κάθε περιοχή διασποράς διευρύνεται ανάλογα με τη σύνθεση του βιολογικού υλικού εισάγοντας την παράμετρο κατανομής α. Επιπροσθέτως, η μείωση στις τρεις διακριτές περιοχές διασποράς περιγράφεται με το άθροισμα πολλαπλών εξισώσεων του Cole Cole. Για πολλαπλές συνεισφορές, η διαπερατότητα (διηλεκτρική σταθερά permittivity) δίνεται από την Εξίσωση(5.3): ε * (ω) = ε inf +Σ{ Δε n / {1 + (jωτ n ) ^ (1 a n )}} + σ i / jωε 0. Όπου ε * (ω) είναι η σχετική διηλεκτρική σταθερά ενώ η ε 0 είναι η διηλεκτρική σταθερά του κενού. Όμοια οι ε inf και ε s είναι η διηλεκτρική σταθερά για συχνότητες ωτ 1 και για συχνότητες ωτ 1, αντίστοιχα. Το μέγεθος της διασποράς (dispersion) δίνετε από τον τύπο Δε n = ε s ε inf. Η α n είναι η παράμετρος κατανομής και σ i είναι η στατική ιοντική αγωγιμότητα. Η σταθερά χρόνου χαλάρωσης τ εξαρτάται από φυσικές διεργασίες. Το τ ανάλογα με την τάξη μεγέθους του, αναφέρεται σε διαφορετικό φυσικό φαινόμενο. Δηλαδή όταν είναι στην τάξη μεγέθους των ps υποδηλώνουν αναπροσανατολισμό των μοριακών διπόλων, ενώ όταν η τάξη μεζέγους είναι σε δευτερόλεπτα οφείλονται στην επίδραση των ιόντων. Την εξίσωση (5.3) μπορούμε να την χρησιμοποιήσουμε για να προβλέψουμε την διηλεκτρική συμπεριφορά πάνω στο επιθυμητό εύρος συχνοτήτων. Η αντίστοιχη εξίσωση για την αγωγιμότητα του ιστού μπορεί να προκύψει από τη γενική σχέση μεταξύ αγωγιμότητας και διαπερατότητας από την Εξίσωση (5.4): [ε s ε inf ] ε s / τ = σ inf + σ s. Εδώ σ inf είναι η αγωγιμότητα για συχνότητες ωτ 1και σ s είναι η στατική αγωγιμότητα. Η σύνθετη αγωγιμότητα σ * και η σύνθετη ειδική αντίσταση (complex specific impedance) z * του ιστού υπολογίζονται από την Εξίσωση (5.5) και (5.6) αντίστοιχα. Εξίσωση (5.5): σ * = jωε ο ε * = σ inf + ωε ο ε inf + (σ s σ inf ) / (1 + jωτ). Εξίσωση (5.6): Z * = 1 / σ *. Οι διηλεκτρικές ιδιότητες ορίζονται με βάση την Εξίσωση (5.3). Οι εκτιμήσεις των παραμέτρων α n, τ n, Δε n, ε inf προέρχονται από την πυγή [5.17]. Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που εκτέλεσαν στο [5.17] μπορούν να εξαχθούν πολλά χρήσιμα συμπεράσματα. Συγκεκριμένα δείχνουν ότι μέχρι την συχνότητα 10 MHz, η αγωγιμότητα του μυϊκού ιστού είναι μεταξύ 10 και 10 3 φορές υψηλότερη από την αγωγιμότητα του δέρματος. Η αγωγιμότητες του ξηρού και υγρού δέρματος διαφέρει περισσότερο από έναν παράγοντα 100 μονάδων. Αυτό θα έχει κάποια επίδραση στην 38

51 αναμενόμενη αλλαγή εξασθένησης από τον ανθρώπινο ιστό. Επιπλέον η σχετική διαπερατότητα του μυϊκού ιστού είναι 10 3 φορές υψηλότερη από τη σχετική διαπερατότητα του ξηρού δέρματος έως τα 100 khz και η συμπεριφορά της συχνότητας είναι παρόμοια με το υγρό δέρμα. Για την κοινή περίπτωση ξηρού δέρματος μπορεί να υποτεθεί ότι ο μυϊκός ιστός θα παίζει τον κυρίαρχο ρόλο στη μετάδοση σήματος. Πρόσθετα, η αγωγιμότητα αυξάνεται ραγδαία πάνω από 10 MHz. Οι χαμηλές σύνθετες αντιστάσεις σημαίνουν αύξηση της κατανάλωσης ισχύος, καθώς θα απαιτούνται υψηλότερα ρεύματα εξόδου για την κίνηση των σημάτων εξόδου μεταξύ των ηλεκτροδίων. Οι σχεδόν σταθερές αγωγιμότητες και διαπερατότητες για το δέρμα και τους μυς υποδηλώνουν καλή μετάδοση σήματος μεταξύ 100 KHz και 1 MHz. 5.5 Ισοδύναμα μοντέλα ιστών Οι διηλεκτρικές ιδιότητες αντιπροσωπεύονται συνήθως ως συνδυασμός χωρητικών και αγώγιμων στοιχείων. Ένα ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο μπορεί να εξαχθεί γνωρίζοντας τις διηλεκτρικές παραμέτρους ενός ειδικού ιστού. Η Εικόνα 5.4 δείχνει το ισοδύναμο κύκλωμα της Εξίσωση 5.3 για μία σταθερά χρόνου και για α = 0. Εικόνα 5.4: Ισοδύναμο κύκλωμα που μοντελοποιεί την εξίσωση Cole Cole για μία σταθερά χρόνου τ και την παράμετρο κατανομής α = 0 [5.1]. Εικόνα 5.5: Ροή ρεύματος μέσα από ιστούς: Το ρεύμα χαμηλής συχνότητας ρέει κυρίως μέσω του εξωκυτταρικού υγρού, ενώ στις υψηλές συχνότητες ρέει μέσω των εξωκυτταρικών και των ενδοκυτταρικών υγρών [5.1]. 39

52 Η Εικόνα 5.5 απεικονίζει τη συμπεριφορά των κυττάρων όταν εκτίθενται σε εναλλασσόμενο ρεύμα. Η εφαρμογή τάσης χαμηλής συχνότητας στον ιστό θα δημιουργήσει ρεύμα, το οποίο ρέει κυρίως μέσω του εξωκυτταρικού υγρού καθώς η σύνθετη αντίσταση της μεμβράνης είναι πολύ μεγάλη σε χαμηλές συχνότητες. Αντίθετα, σε υψηλότερες συχνότητες, το ρεύμα ρέει μέσω των εξωκυτταρικών αλλά και των ενδοκυτταρικών υγρών. Το ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο ενός κυττάρου που είναι ενσωματωμένο σε εξωκυτταρικό υγρό φαίνεται στην Εικόνα 5.6α. Η αντίσταση R e μοντελοποιεί την αντίσταση του εξωκυτταρικού υγρού, ενώ η C e μοντελοποιεί την ροή ρεύματος του εξωκυτταρικού υγρού ως συνάρτηση της συχνότητας. Τα αντίστοιχα μεγέθη της κυτταρικής μεμβράνης αντιπροσωπεύονται από τα στοιχεία με δείκτη m, και εκείνα του ενδοκυτταρικού υγρού από εκείνα με δείκτη i. Το ισοδύναμο κύκλωμα μπορεί να απλοποιηθεί στο εύρος συχνοτήτων από 1 KHz έως 500 KHz. Η Εικόνα 5.6β δείχνει το απλοποιημένο κύκλωμα, που αποτελείται από την αντίσταση R e του εξωκκυταρικού υγρού συνδεδεμένη παράλληλα με τον εν σειρά συνδυασμό της αντίσταση R i και της χωρητικότητας C m που αντιπροσωπεύουν τις συνεισφορές της ενδοκυτταρικής και της κυτταρικής μεμβράνης, αντίστοιχα. Α Εικόνα 5.6: (Α) (πάνω) Σχηματικό διάγραμμα του ισοδύναμου κυκλώματος ενός κυττάρου, Β (Β) (κάτω) Απλοποιημένο κύκλωμα της Εικόνας 5.6 (α) [5.1]. 5.6 Απλό διακριτικό μοντέλο σώματος Ο στόχος για ένα απλό διακριτό μοντέλο σώματος είναι η μοντελοποίηση των κύριων εξαρτήσεων μεταξύ της κατάστασης του στρώματος του δέρματος (skin layer condition) και των ηλεκτροδίων ζεύξης. Το απλό μοντέλο θα μειώσει την πολυπλοκότητα του σώματος στο ελάχιστο και θα μπορεί να συγκριθεί αργότερα με ποιο λεπτομερείς προσεγγίσεις. Η ενδοσωματική επικοινωνία μπορεί να περιγραφτεί από ένα κύκλωμα τεσσάρων ακροδεκτών και δέκα εμπεδήσεων, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.7. H Z o Z b Z t 2Z t Z b Z o Z b Z o Z t (5.7) 40

53 Εικόνα 5.7: Απλοποιημένο κυκλωματικό μοντέλο του ανθρώπινου σώματος που μοντελοποιεί το ηλεκτρόδιο ζεύξης (coupling) (Z c ), τις αντιστάσεις εισόδου (Z i ) και εξόδου (Z o ). Επίσης στο ίδιο κύκλωμα υπάρχει η διαμήκη σύνθετες αντιστάσεις μετάδοσης (Z t ) και τις διασταυρωμένες (butterfly cross) σύνθετες αντιστάσεις (Z b ) [5.1]. Αυτό το απλοποιημένο μοντέλο σώματος συμπεριλαμβάνει στους υπολογισμούς του την διαμήκη σύνθετη αντίσταση μετάδοσης (Z t ) μαζί με τις σύνθετες αντιστάσεις εισόδου (Z i ) και εξόδου (Z o ). Επιπλέον περιέχει τις διασταυρωμένες αντιστάσεις (Z b ) μεταξύ των ηλεκτροδίων του ζεύκτη και των ηλεκτροδίων του ανιχνευτή. Οι αντιστάσεις σώματος μπορούν να περιγραφούν σε αναλογία με την Εικόνα 5.6β ως ισοδύναμο με ένα κύκλωμα που να περιέχει ως στοιχεία τις αντιστάσεις R e και R i και τις χωρητικότητας C m. Ολόκληρη η συνάρτηση μεταφοράς περιλαμβάνει τις σύνθετες αντιστάσεις των ηλεκτροδίων σύζευξης (Z c ως ο παράλληλος συνδυασμός των R C και C C όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.8). G 20log 10 H 1 Z c 1 1 H Zt Z b Z b Z i Zt (5.8) Εικόνα 5.8: Ισοδύναμο κύκλωμα για επαφή μεταξύ ηλεκτροδίου και δέρματος: Σύνθετη αντίσταση ζεύξης Zc αποτελούμενη από την Rc και την Cc τοποθετημένες παράλληλα [5.1]. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι το απλό μοντέλο σώματος συμπεριλαμβάνει τις βασικές παραμέτρους για την μοντελοποίηση χαρακτηριστικών μετάδοσης του ανθρώπινου σώματος στις συχνότητες από 10 KHz έως 1 MHz. Αποτελεί έναν πολύ αποτελεσματικό τρόπο περιγραφής των χαρακτηριστικών του καναλιού επικοινωνίας. Επιπροσθέτως, προσφέρει την δυνατότητα στο μέλλον να παραμετροποιηθούν τα λίγα διακριτά στοιχεία μέσω της χρήσης ανατομικών παραμέτρων που να εξειδικεύονται για κάθε υποκείμενο (subject specific). Οι βασικές παράμετροι όπως το ισοδύναμο μήκος, πλάτος και 41

54 βάθος του καναλιού, μπορούν να ποικίλουν. Ωστόσο, λαμβάνει υπόψη μόνο μια αφηρημένη γεωμετρία του ανθρώπινου σώματος. Ένα πιο περίπλοκο μοντέλο των στρώσεων των ιστών θα επιτρέπουν μία καταλληλότερη αναπαράσταση της γεωμετρίας και των στρωμάτων των ιστών. 5.7 Μοντέλο ιστών με στρώσεις Το ανθρώπινο σώμα είναι μια σύνθετη δομή διαφορετικών ιστών, οργάνων και οστών με μεταβλητές γεωμετρίες. Σε μία πρώτη προσέγγιση, η μεγάλη συνεισφορά του δέρματος μοντελοποιήθηκε στο [5.1] με ένα απλό διακριτό μοντέλο σώματος. Προκειμένου το μοντελοποιηθούν οι γεωμετρικές και φυσικές ιδιότητες των απλών ανατομικών δομών όπως των χέρια και των ποδιών προσεγγίστηκαν από τρεις τύπους ιστών: δέρμα, μυς και οστά. Η Εικόνα 5.9 δείχνει μια σχηματική αναπαράσταση της στρωματοποιημένης δομής του ανθρώπινου ιστού με την διάταξη της γαλβανικής σύζευξης. Το δέρμα είναι ο πιο σημαντικός ιστός λόγω της επαφής του με το συνδεδεμένο ζεύγος ηλεκτρόδιων του συζεύκτη και του ανιχνευτή, καθώς και του γεγονότος ότι έχει ευρύ εύρος μεταβλητότητάς που μοντελοποιείται με διαφορετικές διηλεκτρικές ιδιότητες για στεγνό και βρεγμένο δέρμα. Επιπλέον, ο μυς είναι σημαντικός λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς του. Την λιγότερη επιρροή ασκεί το κόκαλο που βρίσκεται στο μεγαλύτερο βάθος. Όμως, η σημασία του θα αυξηθεί για πιο περίπλοκες δομές του ανθρώπινου σώματος όπως είναι οι αρθρώσεις. Εικόνα 5.9: Μοντέλο ιστού πολλαπλών στρωμάτων με τη διάταξη γαλβανικής ζεύξης: Το δέρμα, οι μύες και τα οστά είναι κατασκευασμένα από ισοδύναμα κυκλώματα Cole Cole και συνδεδεμένο σε πλέγμα [5.1]. Ο ανθρώπινος ιστός μπορεί να μετατραπεί σε ένα ισοδύναμο κύκλωμα προσομοίωσης όπως παρίσταται στην Εικόνα 5.9. Τα τρία κύρια στρώματα αποτελούν το δέρμα, τους μυς και τα οστά, τα οποία αναπαριστούνται από ένα πλέγμα πολύπλοκων σύνθετων αντιστάσεων, εκ 42

55 των οποίων η κάθε μία αντιπροσωπεύει ένα ισοδύναμο κύκλωμα σύμφωνα με το απλοποιημένο κύκλωμα της Εικόνας 5.6β. Οι σύνθετες αντιστάσεις Z έχουν δύο δείκτες: ο πρώτος δείκτης καθορίζει τα στρώματα του δέρματος (s), του μυός (m) και του οστού (b), ενώ ο δεύτερος δείκτης δείχνει τον γεωμετρικό προσανατολισμό. Κάθε στρώμα αποτελείται από εγκάρσιο (t) και διαμήκη (l) σύνολο κυττάρων. Οι διαμήκεις και εγκάρσιες σύνθετες αντιστάσεις δημιουργούν τα ομοιόμορφα στρώματα. Αυτά τα στρώματα αλληλοσυνδέονται με αντιστάσεις. Μεταξύ του δέρματος και των μυών βρίσκεται η Z sm, ενώ μεταξύ του μυός και του οστού η Z mb. Οι αντιδράσεις Z c μοντελοποιούν τις σύνθετες αντιστάσεις μεταξύ των ηλεκτροδίων και του δέρματος. Οι φυσικές και διηλεκτρικές ιδιότητες μπορούν να εφαρμοστούν σε στρώματα δέρματος, μυών και οστών σύμφωνα με την παράμετρο που ορίστηκε από τη πολύπλοκη σύνθετη αντίσταση της Εξίσωση (5.6). Η γαλβανική ζεύξη προσομοιώνεται με τη διάταξη των μονάδων ζεύκτη και ανιχνευτή όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 5.9. Ο ζευκτής οδηγεί ένα εναλλασσόμενο ρεύμα μέσω των δύο ηλεκτροδίων και του ιστού μεταξύ τους. Ένα μικρό ποσοστό αυτού του ρεύματος θα διαρρέει μέσω της στρώσης του δέρματος μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, ενώ το μεγαλύτερο μέρος θα περάσει διαμέσου του μυϊκού ιστού που βρίσκεται σε μεγαλύτερο βάθος. Αυτό αλλάζει εάν το εξωτερικό στρώμα του δέρματος είναι υγρό. Σε αυτή την περίπτωση, το μυϊκό στρώμα θα μεταφέρει ένα μικρό μέρος του ρεύματος κατά μήκος κατά μήκος του στρώματος των μυών προς το ζεύγος ηλεκτροδίων λήψης. Στην πλευρά του ανιχνευτή, το ρεύμα στο στρώμα των μυών θα δημιουργήσει δυναμικό τάσης κατά μήκος της εγκάρσιας αντίστασης των μυών και του δέρματος, το οποίο μπορεί να ανιχνευθεί στα ηλεκτρόδια. 5.8 Βιβλιογραφία Πέμπτου Κεφαλαίου [5.1]: Wegmüller, Marc Simon. Intra body communication for biomedical sensor networks. (2007). DOI: /ETHZ A [5.2]: A. Kuhn and T. Keller, The influence of capacitive properties on nerve activation in transcutaneous electrical stimulation, International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering (Antibes, France), vol. 7, [5.3]: A, Kuhn & Keller, Thierry. (2005). A 3D transient model for transcutaneous functional electrical stimulation. [5.4]: D.C. Barber and B.H. Brown, Applied potential tomography, Journal of Physics E: Scientific Instruments 17 (1984), [5.5]: N. Polydorides and W. R. B. Lionheart, A matlab toolkit for three dimensional electrical impedance tomography: a contribution to the electrical impedance and diffuse optical reconstruction software project, Measurement Science & Technology 13 (2002), no. 12,

56 [5.6]: G. J. Saulnier, R. S. Blue, J. C. Newell, D. Isaacson, and P.M. Edic, Electrical impedance tomography, IEEE Signal Processing Magazine 18 (2001), no. 6, [5.7]: A. V. Shahidi, R. Guardo, and P. Savard, Impedance tomography computational analysis based on finite element models of a cylinder and a human thorax, Annals Of Biomedical Engineering 23 (1995), no. 1, [5.8]: Joseph D. Bronzino, The biomedical engineering handbook: Biomedical engineering fundamentals, 3 ed., CRC Press Taylor & Fancis Group, LCC, [5.9]: H.P. Schwan, Electrical properties of tissue and cell suspensions, Advances in Biological and Medical Physics (1957), [5.10]: K.R. Foster and H.P. Schwan, Dielectric properties of tissues and biological materials: A critical review, Critical reviews in biomedical Engineering (1989), no. 1, [5.11]: S. Gabriel, R. W. Lau, and C. Gabriel, The dielectric properties of biological tissues: I. Literature survey, Phys. Med. Bio. 41 (1996), no. 11, [5.12]: S. Gabriel, R. W. Lau, and C. Gabriel, The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz, Phys. Med. Bio. 41 (1996), no. 11, [5.13]: Kenneth S. Cole and Robert H. Cole, Dispersion and absorption in dielectrics, I. Alternating current characteristics, J. Chem. Phys. (1941), [5.14]: R.P. Henderson and J.G. Webster J.G., An impedance camera for spatially specific measurements of the thorax, IEEE Transaction on Biomedical Engineering 25 (1978), [5.15]: N. Kerrouche, C.N. McLeod, and W.R.B. Lionheart, Time series of EIT chest images using singular value decomposition and Fourier transform, Physiol. Meas. 22 (2001), no. 1, [5.16]: EIT image of chest from Oxford Brookes OXBACT.png. Available from: es_oxbact.png. [5.17]: S. Gabriel, R. W. Lau, and C. Gabriel, The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues, Phys. Med. Bio. 41 (1996), no. 11,

57 6 Διαμόρφωση σήματος σε ΒΑΝ δίκτυα ανθρωπίνου σώματος 6.1 Διαμόρφωση και κωδικοποίηση Η διαμόρφωση αναφέρεται στον χειρισμό του σήματος που μεταδίδεται προς όφελος των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών μετάδοσης και λήψης. Για παράδειγμα, η ραδιοφωνική μετάδοση AM αναφέρεται στη διαμόρφωση πλάτους ενός συνεχούς φορέα. Η κωδικοποίηση αναφέρεται στον χειρισμό των συμβόλων που περιέχουν το πληροφοριακό μήνυμα που πρέπει να μεταδοθεί, με σκοπό να επιτευχθούν καλύτερα αποτελέσματα στον τομέα της επεξεργασίας, συμπίεσης, ακεραιότητας και εμπιστευτικότητας. Για παράδειγμα, ένα μήνυμα μπορεί να οργανωθεί ως μια ακολουθία bytes που συνθέτουν ένα πακέτο που περιλαμβάνει επιπλέον bits διόρθωσης σφαλμάτων. Για αύξηση της ασφάλειας, τα bits του πληροφοριακού μηνύματος κρυπτογραφούνται από ένα κλειδί που είναι γνωστό μόνο στον αποστολέα και στον παραλήπτη. 6.2 Στενή ζώνη και ευρύς ζώνης μετάδοση. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι διαμόρφωσης κύματος φορέα: γραμμική και μη γραμμική (εκθετική διαμόρφωση). Η γραμμική διαμόρφωση μεταφέρει το φάσμα του μηνύματος πληροφορίας πάνω στη συχνότητα του φορέα. Το εύρος ζώνης που απαιτείται για την σωστή μετάδοσης είναι μικρό και δεν υπερβαίνει το διπλάσιο του εύρους ζώνης του μηνύματος. Όμως, με βάση το νόμο του Carson για το εύρος ζώνης, η απόδοση του λόγου σήματος προς θόρυβο μπορεί να βελτιωθεί μόνο με την αύξηση της ισχύος μετάδοσης [6.2]. Η μη γραμμική διαμόρφωση χρησιμοποιεί μια μη γραμμική διαδικασία για τη διαμόρφωση του φορέα. Αποτέλεσμα αυτού είναι η παραγωγή μιας ευρυζωνικής μετάδοση πολύ μεγαλύτερη από το εύρος ζώνης του μηνυμάτων. Αντίστοιχα, η απόδοση του λόγου σήματος προς θόρυβο της μη γραμμικής διαμόρφωσης αυξάνεται με το εύρος ζώνης της μετάδοσης, ανταλλάσσοντας δηλαδή εύρος ζώνης αντί για ισχύ μετάδοσης. 6.3 Μετάδοση στενής ζώσης Η μετάδοση στενής ζώνης τυπικά είναι απλούστερη στην εφαρμογή σε σύγκριση με την μη γραμμική διαμόρφωση. Ο φορέας μπορεί να διαμορφωθεί ψηφιακά μετατοπίζοντας το πλάτος (on off keying OOK), τη συχνότητα (frequency shift key FSK) ή τη φάση του φορέα (phase shift key PSK). Το εύρος ζώνης και των τριών τεχνικών είναι περίπου ίσο με το ρυθμό μετάδοσης του σήματος (baud) [6.2]. Το φάσμα ισχύος των OOK και PSK έχουν δεύτερης τάξης roll off 3. Το FSK έχει τέταρτης τάξης roll off, επιτρέποντας σε περισσότερα κανάλια να καταλαμβάνουν ένα πολυπλεγμένο φάσμα συχνοτήτων. 3 Roll off: είναι η απότομη κλίση της συνάρτησης μεταφοράς ως προς τη συχνότητα 45

58 Το μη συνεκτικό FSK εναλλάσσεται μεταξύ δύο συχνοτήτων για να αντιπροσωπεύει την κατάσταση ενός bit μηνύματος που θα σταλεί. Συνήθως η ανίχνευση FSK αποτελείται από δύο φίλτρα ζώνης διέλευσης συντονισμένα στην συχνότητα του φορέα και την συχνότητα του ολισθαίνοντος κλειδιού, αντίστοιχα. Η συνεκτική ανίχνευση FSK χρησιμοποιεί σύγχρονη ανίχνευση και έχει καλύτερη απόδοση ως προς την απόρριψης θορύβου. Δυστυχώς όμως θα πρέπει να είναι συγχρονισμένος με τη συχνότητα και τη φάση του πομπού. Η ανίχνευση φάσης μπορεί να επιτευχθεί χωρίς συγχρονισμό φάσης εάν η φάση κωδικοποιείται διαφορικά πριν από τη μετάδοση. H τεχνική ονομάζεται διαφορική διαμόρφωση μετατόπισης φάσης (differentially coherent phase shift keying DPSK). Με αυτή την μέθοδο ο πομπός αλλάζει τη φάση του φορέα κάθε φορά που αποστέλλεται ένας λογικός άσσος του πληροφοριακού μηνύματος. Ο δέκτης χρησιμοποιεί τη φάση του τελευταίου bit ως αναφορά για τον προσδιορισμό της τρέχουσας φάσης. Εάν οι φάσεις διαφέρουν κατά 180 μοίρες, τότε εστάλη ένας λογικός άσσος του πληροφοριακού μηνύματος. Η συχνότητα του φορέα πρέπει να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του ρυθμού μετάδοσης bit του μηνύματος για να διασφαλιστεί ότι οι αλλαγές φάσης συμβαίνουν στις μηδενικές διελεύσεις (zero crossings) του φορέα. Η ενεργειακή απόδοση μιας τεχνικής διαμόρφωσης μπορεί να μετρηθεί ως η αναλογία της ενέργειας ως προς τον θόρυβο (SNR) που απαιτείται για την επίτευξη μιας επιθυμητής θεωρητικής πιθανότητας σφάλματος. Όσο χαμηλότερη είναι η αναλογία ενέργειας προς θόρυβο, τόσο πιο αποτελεσματική είναι η τεχνική διαμόρφωσης. Ενδεικτικές τιμές για την ενεργειακή απόδοση για την επίτευξη μιας θεωρητικής πιθανότητας σφάλματος ενός bit ανά δέκα χιλιάδες για διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης στενής ζώνης [6.2] φαίνονται παρακάτω: Πίνακας 6.1:Ο τύπος της διαμόρφωσης σε αντιστοιχία με την ισχύ του σήματος μετάδοσης [6.1]. Διαμόρφωση Ισχύς του σήματος (db) PRK 8.4 DPSK 9.3 OOK 1.3 FSK Πομποί, δέκτες και πομποδέκτες Ορισμένες συσκευές PAN μόνο λαμβάνουν ή μόνο μεταδίδουν μηνύματα. Όμως, καθιστώντας κάθε συσκευή PAN ως πομποδέκτη δίνεται η δυνατότητα να αξιοποιηθούν οι συσκευές με ένα σύνολο επιθυμητών δυνατοτήτων. Ένας πομποδέκτης μπορεί να ειδοποιεί τους γειτονικούς πομποδέκτες για την ύπαρξή του. Έτσι αποφεύγονται οι περιπτώσεις που θα υπήρχαν απόπειρες επικοινωνίας σε περιοχή που δεν υπάρχουν πομποδέκτες εντός εμβέλειας. Η απώλεια δεδομένων μπορεί να αντιμετωπιστεί πραγματοποιώντας ένα αίτημα για επανεκπομπή. Δύο πομποδέκτες που είναι πολύ απομακρυσμένοι για να επικοινωνήσουν 46

59 άμεσα μεταξύ τους μπορούν να επικοινωνούν μέσω γειτόνων που θα ενεργούν ως αναμεταδότες. Το μεγαλύτερο μέρος του κόστους εξαρτάται από τον δέκτη. Η προσθήκη δυνατοτήτων μετάδοσης σε έναν δέκτη ισοδυναμεί με την εισαγωγή μίας αντίστασης για την αποφυγή της υπερφόρτωσης του driver. Θα μπορούσε ακόμα και να θεωρηθεί και σαν προσθήκη ενός επαγωγέα και ενός πυκνωτή ώστε να δημιουργηθεί ένας πομπός συντονισμού. Η επικοινωνία μπορεί να είναι: α) μονόδρομη (simplex), β) ημι αμφίδρομη με κάθε συμμέτοχος να αποστέλλουν πληροφορίες χωρίς να λαμβάνει την ίδια χρονική στιγμή (halfduplex), και γ) αμφίδρομη με τα δύο μέρη να μεταδίδουν και να λαμβάνουν πληροφορίες ταυτόχρονα (full duplex). Οι πομποδέκτες ΒAN χρησιμοποιούν το ίδιο ζεύγος ηλεκτροδίων για μετάδοση και για λήψη. Όμως, σε έναν ευαίσθητο δέκτη το απαιτούμενο, για τη μετάδοση δεδομένων, μεγάλο ηλεκτροστατικό πεδίο προκαλεί κορεσμό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να καθίσταται δύσκολη η ταυτόχρονη μετάδοση και λήψη. Ακόμα και η χρήση ξεχωριστών ζευγών ηλεκτροδίων δεν διευκολύνει την αμφίδρομη επικοινωνία, καθότι το δεύτερο ζεύγος ηλεκτροδίων θα πρέπει να βρίσκεται υποχρεωτικά κοντά στο πρώτο. Έτσι μειώνεται η «περιοχή» του κάθε ηλεκτροδίου με αποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης. Επομένως, οι συσκευές ΒAN πρέπει να είναι σχεδιάζονται ως πομποδέκτες ημι αμφίδρομης (half duplex) επικοινωνίας. 6.5 Ψηφιακή μετάδοση ευρείας ζώνης Το εύρος ζώνης ενός επικοινωνιακού καναλιού στενής ζώνης συνήθως ισούται με το εύρος ζώνης της αποστελλόμενης πληροφορίας. Η επικοινωνία ευρείας ζώνης ανταλλάσσει την πυκνότητα ισχύος με χώρο στο φάσμα. Απλώνει την ενέργεια που πρόκειται να μεταδοθεί πάνω σε ένα εύρος ζώνης το οποίο είναι αρκετές φορές μεγαλύτερο από το αντίστοιχο του πληροφοριακού μηνύματος. Το προκύπτον μεταδιδόμενο σήμα είναι λιγότερο ευαίσθητο στο θόρυβο και στις παρεμβολές, καθώς η συμβολή οποιασδήποτε μοναδικής συχνότητας αντιπροσωπεύει μόνο ένα μικρό μέρος του συνολικού σήματος. Η διάδοση της ενέργειας με βάση τη συχνότητα και όχι το πλάτος ωφελεί το δέκτη επειδή μειώνει την πιθανότητα αποκοπής μέρος του πληροφοριακού σήματος. Δύο είναι οι τεχνικές ψηφιακής μετάδοσης ευρείας ζώνης που λαμβάνονται υπόψη για συσκευές ΒAN. Με ευρύ φάσμα διασποράς, όταν ο φορέας λειτουργεί σαν μία είναι γεννήτρια ψευδό θορύβου (pseudo noise PN) Με μεταπήδηση συχνοτήτων (frequency hopping), όταν ο φορέας παραλείπει ένα πλήθος συχνοτήτων. Και οι δύο αυτές τεχνικές επιτρέπουν σε πολλές συσκευές ΒAN να επικοινωνούν ταυτόχρονα μέσω του ίδιου καναλιού. 47

60 6.6 Ευρύ φάσμα Σε ένα σύστημα Φασματικής Εξάπλωσης Άμεσης Ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum DSSS), το ψηφιακό μήνυμα που πρόκειται να μεταδοθεί πολλαπλασιάζεται με μια ψηφιακή ψευδό θορυβική ακολουθία (pseudo noise PN), η οποία απλώνει το φάσμα του ψηφιακού μηνύματος. Στη συνέχεια το ευρυζωνικό προϊόν μεταδίδεται μέσω του καναλιού και ο δέκτης ανακτά το μήνυμα πολλαπλασιάζοντας το ληφθέν μήνυμα με ένα ακριβές αντίγραφο της ακολουθίας PN. Οι ακολουθίες PN του πομπού και του δέκτη πρέπει να είναι σε φάση (συγχρονισμένες) προκειμένου ο δέκτης να εξαγάγει το μήνυμα από την ακολουθία. Ο συγχρονισμός των δύο ακολουθιών PN είναι από τις μεγαλύτερες προκλήσεις του συστήματος επικοινωνίας ευρύ φάσματος Ψευδό θορυβική ακολουθία Η ψηφιακή ακολουθία ονομάζεται ψευδο θόρυβος (pseudo noise PN) επειδή είναι μια περιοδική πεπερασμένη ακολουθία χ n = χ n + N, όπου N είναι η περίοδος της ακολουθίας. Ένας δυαδικός καταχωρητής ολίσθησης γραμμικής ανάδρασης (linear feedback shift register LFSR) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας ακολουθίας PN. Μια ιδανική ακολουθία PN έχει τις ακόλουθες ιδιότητες: ένα φάσμα ισχύος που να είναι επίπεδο (κάθε υπαρκτή συχνότητα έχει το ίδιο πλάτος) έως τη συχνότητα των τσιπ (chip frequency) όπου N χρόνος επανάληψης της ακολουθίας. η αυτοσυσχέτιση του Ν στη μηδενική φάση και 1 / N για όλες τις άλλες φάσεις. πρέπει να είναι ίσος το πλήθος των άσσων και των μηδενικών. 6.7 Συγχρονισμός & Κωδικοποίηση Μάντσεστερ Μία συνηθισμένη στρατηγική για να διασφαλισθεί ο συγχρονισμός μεταξύ πομπό και δέκτη είναι η εκκίνηση του συγχρονισμού όταν είτε ο πομπός είτε ο δέκτης ενεργοποιείται για πρώτη φορά, και στη συνέχεια να παρακολουθείται ο συγχρονισμός ενώ οι συσκευές επικοινωνούν. Κατά την διάρκεια της παρακολούθησης αναπροσαρμόζεται η φάση του δέκτη για να διορθώνονται οι διαφορές στο ρυθμό του τσιπ που προκαλούνται από την ανακριβή αντιστοίχιση των εσωτερικών ρολογιών του πομπού και του δέκτη (κανένας κρυσταλλικός ταλαντωτής δεν έχει ακριβώς την ίδια συχνότητα με έναν άλλον), και στις θερμικές μετακινήσεις 4 (thermal drift). Μία ποιο ευθεία μέθοδος για την απόκτηση συγχρονισμού είναι η διαδοχική μετατόπιση της φάσης της ακολουθίας στον δέκτη, με προσαυξήσεις των υποδειγμάτων (in subsample increments), έως ότου επιτευχθεί ο συγχρονισμός. Η παρακολούθηση μπορεί να επιτευχθεί συγκρίνοντας το συγχρονισμό τριών ελαφρώς διαφορετικών φάσεων και επιλέγοντας εκείνη της οποίας η φάση επιτυγχάνει τον καλύτερο συγχρονισμό. 4 Η θερμική μετατόπιση ονομάζονται οι παρεκκλίσεις της κανονικής λειτουργικής συμπεριφορά μιας συσκευής λόγω αλλαγών στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. 48

61 Για την μέτρηση της επίτευξης του συγχρονισμού, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές. Μία τεχνική είναι ο πομπός να στέλνει ένα σταθερό μήνυμα το περιεχόμενο του οποίου να είναι γνωστό στο δέκτη. Ο συγχρονισμός επιτυγχάνεται όταν ανιχνευθεί το έγκυρο μήνυμα συγχρονισμού. Μια άλλη τεχνική αξιοποιεί τη δομή των εναλλαγών μιας κωδικοποίησης που έχει ως βασική στρατηγικής την επιστροφή στο μηδέν. Για παράδειγμα η κωδικοποίηση Μάντσεστερ εισάγει μια αλλαγή προσήμου στην αρχή του κάθε bit. Αυτό το μοτίβο παρέχει ένα χαρακτηριστικό το οποίο ο δέκτης μπορεί να ανιχνεύσει και να χρησιμοποιήσει για να συγχρονιστεί με τον πομπό. Η κωδικοποίηση Μάντσεστερ εγγυάται μία δομή η οποία είναι ανεξάρτητη από το μήνυμα. Αυτό συμβαίνει επειδή επιβάλλει αλλαγές bit με τίμημα όμως τον διπλασιασμού του μεγέθους του μηνύματος (κάθε bit του αρχικού μηνύματος απαιτεί δύο bit για να μεταδοθεί). 6.8 Πομπός συντονισμού Σε πομπούς ΒAN, η χρήση κυκλωμάτων δεξαμενής συντονισμού (resonant tank circuit) έχει αρκετά οφέλη. Πρώτον, το κύκλωμα της δεξαμενής παράγει μια καθαρά ημιτονοειδή έξοδο από ένα τετραγωνικό/παλμικό σήμα στην είσοδο. Έτσι επιτρέπει τον ψηφιακό προγραμματισμό της τάσης του πομπού. Αυτά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά δικαιολογούν το μικρό πρόσθετο κόστος των κυκλωμάτων δεξαμενής. 6.9 Ψηφιακά ελεγχόμενο κέρδος μεταδότη Ένας πομπός μπορεί να εξοικονομήσει ενέργεια μεταδίδοντας το αναγκαίο ποσό της ισχύος που είναι απαραίτητο για την επίτευξη αξιόπιστης επικοινωνίας. Οι πομποδέκτες ΒAN μπορούν να μεταβάλουν την ισχύ του σήματος μετάδοσης για να επιτύχουν την ελάχιστη ισχύ που απαιτείται για αξιόπιστη επικοινωνία. Η ισχύς του σήματος μετάδοσης είναι ανάλογη με την τάση, η οποία μπορεί να ελέγχεται μέσω ενός DAC, ενός προγραμματιζόμενο ενισχυτή κέρδους ή ενός προγραμματιζόμενο στοιχείο αντίστασης. Η τάση του πομπού μπορεί να ελεγχθεί ψηφιακά μεταβάλλοντας το πλάτος του παλμού ενός ψηφιακού ταλαντωτή που εφαρμόζεται σε ένα αντηχείο δεξαμενής. Αυτή η απλή τεχνική ελέγχου πλάτους δεν απαιτεί επιπλέον υλικό και είναι χρήσιμη για τη σηματοδότηση Μ επιπέδων [6.2], όπου οι πληροφορίες κωδικοποιούνται σε διαμόρφωση πλάτους πολλαπλών τιμών Φαινόμενο κοντινής απόστασης (proximity effect) σε μεταδότη συντονισμού Ο συντελεστής Q ενός κυκλώματος δεξαμενής είναι Q = 2πFL / R, όπου L είναι η επαγωγή, F η συχνότητα, και R είναι η αντίσταση των εξαρτημάτων του κυκλώματος δεξαμενής. Για να μεγιστοποιηθεί το Q για μία συγκεκριμένη συχνότητα μετάδοσης F, η επαγωγή L μεγιστοποιείται και η χωρητικότητα C ελαχιστοποιείται, καθώς το γινόμενο LC πρέπει να είναι σταθερό. Η ελάχιστη χωρητικότητα C είναι η εγγενής χωρητικότητα ενδο ηλεκτροδίων (intra electrode), που καθορίζεται από το μέγεθος, τη σύνθεση και τη θέση των αντικειμένων γύρω από τα ηλεκτρόδια πομπού ΒAN, καθιστώντας τη συχνότητα συντονισμού ευαίσθητη 49

62 σε όλες αυτές τις μεταβλητές. Για παράδειγμα, εάν ένα άτομο έχει μια συσκευή ΒAN στην πίσω τσέπη του παντελονιού του (π.χ., ένα πορτοφόλι), η χωρητικότητα φορτίου θα αυξηθεί όταν κάθεται, μειώνοντας τη συχνότητα συντονισμού. Όμοια η χωρητικότητα φορτίου θα μεταβληθεί όταν μία συσκευή PAN που είναι ενσωματωμένη πάνω σε ένα ρολόι χειρός αλλάξει θέση λόγο της κίνησης του χεριού. Η ευαισθησία της συχνότητας συντονισμού ως προς τον προσανατολισμό και την περιβαλλοντική χωρητικότητα μπορεί να ελαχιστοποιηθεί τοποθετώντας έναν μεγάλο πυκνωτή (σε σχέση με την χωρητικότητα ενδο ηλεκτροδίου) παράλληλα με την χωρητικότητα του ηλεκτροδίου. Όσο μεγαλύτερος είναι ο πυκνωτής, τόσο μικρότερη είναι η επίδραση των παραλλαγών χωρητικότητας ενδο ηλεκτροδίου, με αντίστοιχη θυσία στο συντελεστή (συντονισμό) Q Διακόπτης χωρίς επαφή Η χωρητική ευαισθησία των πομπών ΒAN με βάση το κύκλωμα δεξαμενής στο ηλεκτροστατικό περιβάλλον τους υποδηλώνει ότι ο φορέας, εκτός από την κωδικοποίηση μηνυμάτων, μπορεί επίσης να μεταφέρει πληροφορίες για την ακτίνα απόστασης (proximity). Η συχνότητα συντονισμού του φορέα 5 υποδεικνύει την χωρητικότητα των ηλεκτροδίων πομπού, τα οποία επηρεάζονται άμεσα από αντικείμενα κοντά στα ηλεκτρόδια του πομπού. Το πλάτος του λαμβανόμενου σήματος είναι συνάρτηση της απόστασης και του προσανατολισμού μεταξύ του πομπού και του δέκτη, και σε μικρότερο βαθμό της συχνότητας του φορέα. Ένας δέκτης που παρακολουθεί τα πλάτη και τις συχνότητες των φορέων από αρκετά ΒAN μπορεί να είναι σε θέση να κάνει γενικές εκτιμήσεις για τον προσανατολισμό του σώματος. Ένας απλός τρόπο για έναν πομπό ΒAN να παρακολουθεί τη δική του συχνότητα συντονισμού επιτυγχάνεται πάλλοντας (pulsing) τον πομπό και ενσωματώνοντας το λαμβανόμενο ρεύμα μετατόπισης. Έτσι ένας πομπός ΒAN μπορεί να παρακολουθεί τον συντονισμό του Q. Ο πομπός ΒAN θα μπορούσε επίσης να σαρώνει τη συχνότητα μετάδοσης για να παρακολουθεί τη συχνότητα συντονισμού του. Όταν το χέρι των χρηστών έρχεται πολύ κοντά στο περιβάλλον του πομπού ΒAN ηλεκτρόδιο, ο πομπός ΒAN μπορεί να καθορίσει την ακτίνα απόστασης του χεριού (hand proximity). Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για τη δημιουργία ενός ανέπαφου διακόπτη, καθορίζοντας πότε η συσκευή ΒAN θα ξεκινήσει την μετάδοση. Μια συσκευή ΒAN θα μπορούσε να ενεργοποιείται κάθε λίγα δευτερόλεπτα, να ειδοποιεί (pulse) τον πομπό και να παρακολουθεί την ακτίνα απόστασης του χεριού (hand proximity). Εάν δεν εντοπίστηκε κανένα χέρι, θα μπορούσε να επιστρέψει σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας, εξοικονομώντας ενέργεια. 5 Καθώς το Q αυξάνει τις μετατοπίσεις (excursions) του φορέα από τη συχνότητα συντονισμού έχει ως αποτέλεσμα εξασθένιση μεγαλύτερου πλάτους λόγω του στενού εύρους ζώνης του αντηχείου (resonator). 50

63 6.12 Βιβλιογραφία Έκτου Κεφαλαίου [6.1]: Personal Area Networks (PAN): Near Field Intra Body Communication by Thomas Guthrie Zimmerman [6.2]: Carlson, A. B., Communication Systems, Third Edition, McGraw Hill Book Company, New York, 1986, pp. 230, 401, ,

64 7 Βιοσήμα καρδιακού σφυγμού (ΒΚΣ) 7.1 Ανάλυση της λειτουργίας της καρδιάς Η καρδιά είναι ένα μυϊκό όργανο που εντοπίζεται στην αριστερή πλευρά του θώρακα. Σε ένας ενήλικα έχει κατά μέσο όρο γραμμάρια βάρος, 12 εκατοστά ύψος, 8 εκατοστά πλάτος και 6 εκατοστά πάχος [7.1 και 7.2]. Είναι ο μοναδικός μυς του κυκλοφοριακού συστήματος και είναι υπεύθυνη για την περιφορά του οξυγόνου και των θρεπτικών συστατικών, αλλά και την αποβολή του διοξειδίου του άνθρακα και των αποβλήτων από τον οργανισμό. Συνολικά, σε μία ημέρα η καρδιά εκτελεί 100,000 σφυγμούς. Η καρδιά είναι κατασκευασμένη από τρία στρώματα ιστών: Περικάρδιο είναι μια λεπτή εξωτερική επένδυση η οποία προστατεύει και περικλείει την καρδιά. Μυοκάρδιο ένα παχύ μυϊκό ενδιάμεσο στρώμα το οποίο συστέλλεται και σπρώχνει το αίμα ώστε να το απομακρύνει από την καρδιά. Ενδοκάρδιο είναι μια εσωτερική λεπτή στρώση. Στο εσωτερικό της καρδιάς βρίσκονται τέσσερεις θάλαμοι (Εικόνα 7.1): Οι δύο μικρότεροι βρίσκονται στο ανώτερο επίπεδο ονομάζονται αριστερός και δεξής κόλπος. Οι δύο μεγαλύτεροι ονομάζονται αριστερή και δεξιά κοιλία. Οι αριστεροί από τους δεξιούς θαλάμους διαχωρίζονται από το διάφραγμα. Εικόνα 7.1 : Διάγραμμα της ανθρώπινης καρδιάς [7.3]: Αποτελείτε συνολικά από τέσσερεις θαλάμου. Δύο κόλπους και δύο κοιλίες. Οι εσωτερικοί θάλαμοι χωρίζονται μέσω των τεσσάρων βαλβίδων : 52

65 η τριγλώχινα βαλβίδα μεταξύ δεξιού κόλπου και δεξιάς κοιλίας. η πνευμονική βαλβίδα βρίσκεται μεταξύ δεξιάς κοιλίας και πνευμονικής αρτηρίας. η μιτροειδής διγλώχινα βαλβίδα μεταξύ αριστερού κόλπου και αριστερής κοιλίας. η αορτική βαλβίδα μεταξύ αριστερής κοιλίας και αορτής. Οι βαλβίδες είναι κατασκευασμένες από ειδικές μεμβράνες που ονομάζονται γλωχίνες ή φύλλα (leaflets or cusps). Η μιτροειδής βαλβίδα έχει δύο γλωχίνες ενώ οι υπόλοιπες αποτελούνται από έχουν τρεις. Στον δεξιό κόλπος της καρδιάς εισέρχεται το απο οξυγονωμένο αίμα που έχει προηγουμένως κυκλοφορήσει στο σώμα. Στη συνέχεια προωθείτε στους πνεύμονες μέσω της πνευμονικής αρτηρίας ώστε να εμπλουτιστεί με οξυγόνο. Έπειτα επιστρέφει μέσω της πνευμονικής φλέβας στον αριστερό κόλπο και μέσω της μιτροειδής βαλβίδας στην αριστερή κοιλία. Τέλος το αίμα μέσω της αορτής οδηγείται πίσω στο σώμα. Στην αορτή το αίμα έχει πίεση πέντε ή έξι φορές υψηλότερη από ότι στην πνευμονική αρτηρία. 7.2 Ηλεκτρικός καρδιακός παλμός Σε αντίθεση με τους υπόλοιπους σκελετικούς μύες οι οποίοι διεγείρονται από το νευρικό σύστημα, η καρδιά παράγει την δικιά της ηλεκτρική διέγερση. Το νευρικό σύστημα μπορεί μόνο να επιβραδύνει ή να επιταχύνει την ταχύτητα με την οποία δημιουργούνται αυτοί οι παλμοί αλλά δεν τους παράγει [7.4 και 7.6]. Η ίδια η καρδιά αποτελείται από ειδικού τύπου κύτταρα τα οποία ονομάζονται μυοκύτταρα. Η συστολή αυτών των κυττάρων εκκινεί από το ηλεκτρικό ερέθισμα, το οποίο είναι γνωστό ως δυναμικά δράσης. Το δυναμικό δράσης δημιουργείται σε ένα συγκεντρωμένο υποσύνολο των μυοκυττάρων τα οποία βρίσκονται στον φλεβόκομβο και ονομάζονται κύτταρα βήματοδότες (Pacemaker cells) που είναι υπεραγώγιμα κύτταρα που μεταδίδουν με υψηλή ταχύτητα ηλεκτρικά σήματα (Εικόνα 7.2). Εικόνα 7.2 : Το αγώγιμο (ερεθισματαγωγό ) σύστημα της καρδιάς [7.7]: Τα κύτταρα του φλεβόκομβο λειτουργούν ως βηματοδότες. Ποιο συγκεκριμένα, τα κύτταρα του φλεβόκομβο (βηματοδοτικός ιστός κοιλίας) (sinoatrial node SA node) (που στο βρίσκεται στο δεξιό κόλπο) λειτουργούν ως βηματοδότες. Σε 53

66 αντίθεση με τα μυοκύτταρα, οι βηματοδότες δεν μπορούν να συσταλούν. Αυτοπυροδοτούνται 80 φορές ανά λεπτό και με κάθε πυροδότηση δημιουργούν αυτόματα ένα δυναμικό δράσης και δεν έχουν δυναμικό ηρεμίας. Το ηλεκτρικό σήμα εξαπλώνεται μέσω ενός αγώγιμου μονοπατιού που αποτελείται από τα συσταλτικά μυοκύτταρα του κόλπου. Η ηλεκτρική σύζευξη γειτονικών μυοκυττάρων επιτυγχάνεται μέσω των συνδέονται με διασταυρώσεις κενού (gap junctions). Οι ηλεκτρικές παλμοί από τον φλεβόκομβο διεγείρουν αμφότερα τους δύο κόλπους και τους οδηγεί στην συστολή. Στη συνέχεια, το ηλεκτρικό σήμα φτάνει στον κολποκοιλιακό κόμβο (atrioventricular node AV node) ο οποίος βρίσκεται και αυτός στον δεξί κόλπο, κοντά στην μιτροειδής βαλβίδα και στην τριγλώχινα βαλβίδα. Ο κολποκοιλιακός κόμβος έχει την ικανότητα καθυστερεί τη διέλευση των ηλεκτρικών παλμών προς στις κοιλίες έτσι ώστε να διασφαλιστεί ότι οι κόλποι έχουν εκβάλει όλο το αίμα προς στις κοιλίες πριν από τη σύσπαση των κοιλιών. Έπειτα το σήμα προωθείται προς την κολποκοιλιακή δέσμη (δεμάτιο του His). Αυτή η δέσμη χωρίζεται στη συνέχεια σε δεξιά και αριστερά δέσμη που οδηγούν τους παλμούς προς την κορυφή (apex) της καρδιάς. Στη συνέχεια, τα σήματα μεταφέρονται σε ίνες Purkinje, περιστρέφονται προς τα πάνω και εξαπλώνονται σε όλο το κοιλιακό μυοκάρδιο (ventricular myocardium). Σε περίπτωση αποτυχίας των κυττάρων του φλεβόκομβου να δημιουργήσουν δυναμικά δράσης, τότε άλλα τμήματα του συστήματος αγωγής της καρδιάς θα αναλάβουν αυτό τον ρόλο. Αρχικά αυτή την λειτουργία θα την αναλάβει ο κολποκοιλιακός κόμβος. Σε περίπτωση που αποτύχει και ο δεύτερος κόμβος τότε στο κολποκοιλιακό δεμάτιο του His (bundle of His) θα δημιουργήσει τους δικούς του ηλεκτρικούς παλμούς. 7.3 Ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ ή ΕΚΚ) Τα ηλεκτροκαρδιογραφήματα (ΗΚΓ) [7.8] καταγράφουν την ηλεκτρική δραστηριότητα που παράγεται από την καρδιά. Ένα ΗΚΓ παρατηρήθηκε αρχικά στην επιφάνεια του ανθρώπινου σώματος από τον Waller το 1889 [7.10]. Αργότερα ο Einthoven [7.9] βελτίωσε την τεχνολογία μέτρησης σε αυτό που χρησιμοποιείται εν μέρει ακόμη και σήμερα. Η ηλεκτρική διέγερση της καρδιάς μεταδίδεται μέσω του σώματος και μπορεί να παρατηρηθεί στην επιφάνεια του δέρματος. Η ανίχνευση των ηλεκτρικών δυναμικών γίνεται μέσω της λήψης μετρήσεων από ηλεκτροδίων που έχουν τοποθετηθεί στους καρπούς, στους αστραγάλους και στον θώρακα. Αποτέλεσμα των δυναμικών δράσης είναι η εμφάνιση του συγκεκριμένου ηλεκτρικού περιοδικού σήματος του οποίου η κυματομορφή φαίνεται στην Εικόνα 7.3. Ένα τυπικό ίχνος ΗΚΓ ενός κανονικού καρδιακού παλμού, που αποτελείται από ένα κύμα Ρ, κύμα συμπλέγματος QRS και ένα κύμα Τ και ένα κύμα U. Το κύμα P είναι το αποτέλεσμα της ταυτόχρονης συστολής του αριστερού και του δεξιού κόλπου. Η σχέση του κύματος Ρ με το σύμπλεγμα QRS καθορίζει την παρουσία ενός 54

67 καρδιακού αποκλεισμού 6. Άρρυθμα ή απούσα κύματα Ρ μπορεί να υποδηλώνουν αρρυθμία 7. Η κυματομορφή του Ρ μπορεί να εκδηλώνει την ύπαρξη προβλημάτων στους κόλπους της καρδιάς. Εικόνα 7.3: Η σχηματική αναπαράσταση ενός φυσιολογικού ηλεκτροκαρδιογραφήματος κεντραρισμένο ως προς το σύμπλεγμα QRS. Τυπικά η καρδιά ενός μέσου ενήλικου χτυπά περίπου 100 φορές ανά λεπτό και προκαλεί τυπική απόκλιση (peak excursion) από 1 mv έως 3 mv [7.8 ]. Το σύμπλεγμα QRS αντιστοιχεί στο ρεύμα που προκαλεί τη συστολή της αριστερής και δεξιάς κοιλίας. Όπως φαίνεται από το Εικόνα 7.3 αυτό το ρεύμα έχει υψηλότερη ένταση από το ρεύμα που προκαλεί την σύσπαση των κόλπων. Επιπλέον, επειδή διαπερνά μεγαλύτερη ποσότητα μυϊκής μάζας έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη εκτροπή στην κυματομορφή του ΗΚΓ. Η διάρκεια του συμπλέγματος QRS είναι συνήθως μικρότερη ή ίση με το ένα δέκατο του δευτερολέπτου (0.1 s). Το κύμα Q, όταν υπάρχει, αντιπροσωπεύει το μικρό οριζόντιο ρεύμα (με κατεύθυνση από τα αριστερά προς τα δεξιά) καθώς το δυναμικό δράσης κινείται μέσω του μεσοκοιλιακού διαφράγματος (interventricular septum). Τα πολύ πλατιά και βαθιά κύματα Q δεν έχουν διαφραγματική (septal) προέλευση αλλά υποδεικνύουν έμφραγμα του μυοκαρδίου. Τα κύματα R και S υποδεικνύουν συσπάσεις του ίδιου του μυοκαρδίου. Το κύμα Τ αντιπροσωπεύει την επαναπόλωση των κοιλιών το οποίο γενικά μπορεί να επισκιάζεται από το σύμπλεγμα QRS και για αυτό το λόγο καθίσταται μη παρατηρήσιμο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το κύμα Τ είναι θετικό. Στις περιπτώσεις που εμφανίζεται ανεστραμμένο (εμφανίζει αρνητική τάση) τα κύματα Τ μπορούν να είναι ένα σημάδι ασθένειας. Τέλος το τμήμα ST συνδέει το σύμπλεγμα QRS και το κύμα Τ. Το κύμα U ακολουθεί το κύμα Τ. Συνήθως, είναι αρκετά μικρό δεν είναι δυνατή η παρατήρησή του. Θεωρείται ότι αντιπροσωπεύει την επαναπόλωση των θηλοειδών μυών ή των ινών purkinje. Η λεπτομερείς αναπαράσταση του ίχνους ΗΚΓ είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη σωστή διάγνωση καρδιακών αρρυθμιών και διαταραχών της αγωγιμότητας της καρδιάς. 6 Καρδιακός αποκλεισμός (Heart block HB) είναι μια διαταραχή του καρδιακού ρυθμού λόγω της ύπαρξης βλάβης στον φυσικό βηματοδότη της καρδιάς. Αυτό προκαλείται από μια 7 Αρρυθμία είναι μία πάθηση στην οποία η καρδιά χτυπά με ακανόνιστο ή αφύσικος ρυθμό. 55

68 7.4 Αρτηριακή πίεση Η αρτηριακή πίεση, όπως και το όνομα δηλώνει, αποτελεί την πίεση του αίματος μέσα στις αρτηρίες [7.2]. Ο ρόλος της είναι ζωτικής σημασίας διότι προκειμένου το αίμα να περιφέρετε γρήγορα μέσα στο σώμα πρέπει να είναι υπό πίεση. Η ένταση της πίεσης επηρεάζεται από τρείς παράγοντες: α) τη δύναμη με την οποία η καρδιά συστέλλεται (heart s pumping action), β) τις ιδιότητες των αιμοφόρων αγγείων (διάμετρο και ελαστικότητα) και γ) τη πυκνότητα του αίματος. 7.5 Φορητοί αισθητήρες για παρακολούθηση της καρδιάς Εισαγωγή Οι καρδιακές παθήσεις είναι μια από τις κύριες αιτίες θανάτου σε πολλές χώρες. Υπάρχουν διάφορες παράμετροι που υποδεικνύουν τα χαρακτηριστικά της καρδιακής δραστηριότητας [7.11]. Μεταξύ αυτών, είναι ο καρδιακός ρυθμός σε κατάσταση ηρεμίας (resting HR) είναι μία από τις απλούστερες καρδιαγγειακές παραμέτρους που έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε πληροφορία. Η μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού (HRV) έχει αναγνωριστεί ως προγνωστικός δείκτης για καρδιακές ανωμαλίες. Η καλύτερη μέθοδος για την αξιολόγηση των καρδιακών ανωμαλιών παραμένει το Holter δώδεκα απαγωγών (lead). Όμως, ένας μεγάλος αριθμός καινοτόμων και πολυχρηστικών φορητών συσκευών, όπως ταινίες για το θώρακα, συσκευές που φοριούνται στον καρπό, ακουστικά και έξυπνα ρούχα, έχουν προκύψει ως εναλλακτικές λύσεις, οι οποίες μπορούν να παρέχουν την ευκαιρία για παρατεταμένη και συνεχή παρακολούθηση του καρδιακού ρυθμού σε καθημερινό περιβάλλον. Σήμερα, πολλές φορητές συσκευές διατίθενται στο εμπόριο για τον προσδιορισμό της καρδιακής κατάστασης μέσω ΗΚΓ ενός απαγωγού, είτε φορώντας ένα επίθεμα για συνεχή παρακολούθηση του καρδιακού ρυθμού [7.12], είτε χρησιμοποιώντας ένα smartphone για τη λήψη ρυθμού όποτε χρειάζεται. Εάν απαιτούνται πολλαπλοί απαγωγοί για να αυξηθεί η ακρίβεια της διάγνωσης της αρρυθμίας, υπάρχουν έξυπνα πουκάμισα που επιτρέπουν την παρακολούθηση ΗΚΓ από 3 έως 12 απαγωγούς [7.13] Επίθεμα μόνιτορ για καταγραφή του ΕΚΓ Ένα μόνιτορ επιθέματος ΕΚΓ (ECG patch monitor EPM) τοποθετείται εφαπτομενικά πάνω στο δέρμα του θώρακα μέσω ενός κολλώδους φορέα. Γενικότερα αποτελείται από ηλεκτρόδια, ένα υποσύστημα επεξεργασίας σήματος και ένα υποσύστημα ασύρματης μετάδοσης δεδομένων. Τα δύο πιο αντιπροσωπευτικά παραδείγματα EPM με ένα μόνο απαγωγό είναι το Zio Patch recorder [7.14] και το NUVANT PiiX event recorder [7.15]. Το Zio Patch μπορεί να χαρακτηριστεί ως Holter με ένα μόνο καλώδιο και με αρκετά μεγάλη μνήμη αποθήκευσης που μπορεί να συγκρατήσει τον συνεχόμενο καρδιακό ρυθμό έως και 14 ημερών. Το Zio Patch έχει απόκριση συχνότητας 0,15 34 Hz, σύνθετη αντίσταση εισόδου μεγαλύτερη από 3 MΩ, διαφορικό εύρος ± 1,65 mv και ανάλυση 10 bit. Υπάρχει ένα κουμπί στο επίθεμα που επιτρέπει στον ασθενή να επισημάνει ένα συμπτωματικό επεισόδιο. Μόλις ολοκληρωθεί η περίοδος εγγραφής, ο ασθενής αποστέλλει το επίθεμα πίσω στα irthm 56

69 Clinical Centres (icc). Στη συνέχεια τα καταγεγραμμένα δεδομένα ΗΚΓ θα υποβληθούν σε επεξεργασία και ανάλυση από το σύστημα Zio ECG Utilization Service (ZEUS). Θα υπάρξει η δυνατότητα να εντοπιστούν έως και 10 διαφορετικών κατηγοριών ρυθμών. Οι Rosenberg κ.ά. [7.16] συνέκρινε το Zio Patch με μια οθόνη Holter 24 ωρών σε 74 ασθενείς. Ο μέσος χρόνος χρήσης για τον κάθε ασθενή 10,8 ± 2,8 ημέρες. Στις πρώτες 24 ώρες παρακολούθησης, και οι δύο συσκευές μπόρεσαν να αναγνωρίσουν περιστατικά που επιδείκνυαν την ύπαρξη της κολπικής μαρμαρυγής (atrial fibrillation AF). Σε μια άλλη μελέτη, οι Turakhia κ.ά.[7.17] αξιολόγησε την απόδοση του Zio Patch σε ασθενείς. Το Zio Patch ήταν καλά ανεκτό από τους ασθενείς, με μέση περίοδο παρακολούθησης 7,6 ± 3,6 ημέρες και ο μέσος χρόνος ανάλυσης επιτεύχθηκε στο 99% του συνολικού χρόνου χρήσης. Η συνολική διαγνωστική απόδοση του Zio Patch ήταν 62,2% για οποιαδήποτε αρρυθμία και 9,7% για οποιαδήποτε συμπτωματική αρρυθμία. Το σύστημα NUVANT αποτελείται από αυτοκόλλητο επίθεμα 15 cm που ονομάζεται PiiX, ασύρματο πομπό δεδομένων που ονομάζεται zlink και μαγνήτη που ενεργοποιείται από τον ασθενή [7.18]. Ο αισθητήρας PiiX δειγματοληπτεί το σήμα ΗΚΓ στα 200 Hz με ανάλυση 10 bit. Το επίθεμα PiiX που έχει ενσωματωμένους πολλούς αισθητήρες μπορεί παράλληλα να παρακολουθεί συνεχώς πολλές φυσιολογικές παραμέτρους, όπως τα HR, HRV, RR, την κατάσταση υγρών, τη θέση του σώματος, την δραστηριότητα και την θερμοκρασία του σώματος. Παράλληλα μπορεί να εντοπίζει αυτόματα μη θανατηφόρες καρδιακές αρρυθμίες [7.19], συμπεριλαμβανομένων της βραδυκαρδίας 40 bpm, της παύσης 3 δευτερολέπτων, της κολπικής μαρμαρυγής, της κοιλιακής ταχυκαρδίας ή κοιλιακής μαρμαρυγής (ventricular tachycardia or ventricular fibrillation), της ταχυκαρδίας HR> 130 bpm, του a Fib/a Flutter (όλα τα ποσοστά), του καρδιακού αποκλεισμού (heart block) και της αρρυθμίας που σχετίζεται με πτώση. Όταν εντοπίζεται αρρυθμία, το PiiX στέλνει τα δεδομένα στο zlink μέσω Bluetooth. Στη συνέχεια, το zlink μεταδίδει τα δεδομένα στο κέντρο παρακολούθησης ή σε έναν φροντιστή χρησιμοποιώντας κυψελοειδή επικοινωνία. Δυστυχώς ο συγκεκριμένος αισθητήρας NUVANT / PiiX υπολείπεται κλινικής εφαρμογής αυτήν τη στιγμή. Μία μελέτη σχετικά με τη συμμόρφωση των ασθενών στο σύστημα NUVANT δεν έδειξε μείωση της μακροζωίας ή της απόδοσης της συσκευής [7.20]. Το επίθεμα ΗΚΓ με δυνατότητα εγγραφής έως και τριών σημάτων από ξεχωριστά καλώδια αναμένεται να κυκλοφορήσει στο ευρύ κοινό στο άμεσο μέλλον [7.21]. Ένα PEM με τρία καλώδια, που αναπτύχθηκε από το IMEC και το Holst Center [7.22], ενσωματώνει ένα εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης τσιπ ΕΚΓ σε συνδυασμό με ένα Bluetooth χαμηλής κατανάλωσης (Bluetooth Low Energy BLE) που του επιτρέπεται να λειτουργεί συνεχώς για 1 μήνα με μια μπαταρία Li Po των 200 mah. Το επίθεμα IMEC μπορεί να παρακολουθεί όχι μόνο τρία κανάλια ΗΚΓ, αλλά και την αντίσταση επαφής, παρέχοντας πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο σχετικά με την ποιότητα επαφής του αισθητήρα που είναι σημαντικές για την υποβοήθηση στο φιλτράρισμα περιστατικών κίνησης (motion artifacts). Τα δεδομένα εγγραφής υποβάλλονται σε επεξεργασία και αναλύονται τοπικά σε ΕΚΓ SoC (system on a chip) για τη μείωση των περιστατικών κίνησης χρησιμοποιώντας προσαρμοστικό φιλτράρισμα ή ανάλυση κύριων συστατικών και υπολογίζουν beat to beat HR με βάση τους μετασχηματισμούς διακριτών ή συνεχών κυμάτων. Το PEM θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη 57

70 τεχνολογία για τις διακριτικές, ασύρματες και μακροχρόνιες δυνατότητες εγγραφής. Απαιτούνται περαιτέρω μελέτες για την εξέταση της ευαισθησίας και της ακρίβειας των ηχογραφήσεων και του μακροπρόθεσμου αντίκτυπου της χρήσης του EPM στην πάθηση της κολπικής μαρμαρυγής (AF) Μόνιτορ με βάση το smartphone Πρόσφατα, έχουν σχεδιαστεί ένα μεγάλο πλήθος μόνιτορ που βασίζονται σε smartphone για την παρακολούθηση του καρδιακού ρυθμού. Μπορούν να διακριθούν σε δύο κύριες κατηγορίες. Σε αυτές που χρησιμοποιούν μόνο smartphone και σε εκείνες που συνδυάζουν την χρήση των smartphone με εξωτερικούς αισθητήρες. Ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα της πρώτης κατηγορίας αποτελούν οι εφαρμογές που βασίζονται σε φωτογραφικές μηχανές, οι οποίες μετρούν τον καρδιαγγειακό παλμό όγκου αίματος (blood volume pulse BVP) που δημιουργείται από επαναλαμβανόμενες, ρυθμικές καρδιακές συσπάσεις (που μπορούν να καταχωρηθούν από το φωτοπλασματογράφημα (photoplethysmogram PPG)) χρησιμοποιώντας την ενσωματωμένη κάμερα στο smartphone. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι ο παλμός και οι πληροφορίες φάσης σχετικά με την κυματομορφή BVP μπορούν να εξαχθούν από την αλλαγή φωτεινότητας στα κόκκινα (R), πράσινα (G) ή μπλε (B) κανάλια [7.23]. Έχουν προταθεί αρκετές προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση των περιστατικών κίνησης στα σήματα της κάμερας για τη βελτίωση της ακρίβειας της μέτρησης. Το εργαστήριο MIT χρησιμοποίησε τον διαχωρισμό τυφλών πηγών (blind source separation BSS 8 ) για να διαχωρίσει τα χρωματικά κανάλια RGB σε ανεξάρτητα επιμέρους τμήματα, το οποίο απέδειξε την ικανότητά του να εξαγάγει το HR με ψηφιακές, κάμερες γενικού τύπου (off the shelf) σε περιβάλλον με κανονικό φωτισμό με παρουσία περιορισμένου εύρους περιστατικών κίνησης [7.25 και 7.26]. Οι Fang κ.ά. [7.27] αποκάλυψαν το υποκείμενο σήμα PPG από εγγραφή ενός καναλιού χρησιμοποιώντας τη δυναμική τεχνική ενσωμάτωσης που ακολουθείται από το ICA. Αυτή η μέθοδος βασίζεται μόνο στην εγγενή χρονική δυναμική του σήματος ενός καναλιού, καθιστώντας την κατάλληλη για κάθε είδους κάμερα. Συνεπώς, η ενσωματωμένη κάμερα των smartphone θα μπορούσε εύκολα να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση του καρδιακού ρυθμού. Στη συνέχεια εφαρμογές που βασίζονται σε κάμερα δημιουργήθηκαν με βάση αυτές τις μεθόδους. Η εφαρμογή Instant Heart Rate του Azumio [7.28] είναι μια από τις πιο δημοφιλείς εφαρμογές υγείας στην αγορά, η οποία χρησιμοποιεί την ενσωματωμένη κάμερα και φλας των smartphone για να υπολογίσει το HR και ενημερώνει τον αριθμό τοποθετώντας το άκρο του δακτύλου κάποιου στην κάμερα για περίπου 10 δευτερόλεπτα. Και άλλες εφαρμογές με προηγμένους αλγόριθμους πρόκειται να προωθηθούν και να αναπτυχθούν για την ανέπαφη μέτρηση της καρδιακής συχνότητας και του ρυθμού αναπνοής (respiration rate RR), όπως μια εφαρμογή Vital Signs Camera που αναπτύχθηκε από τη Philips Innovation [7.29], εξάγοντας HR από τις αλλαγές στο χρώμα του προσώπου και το RR από την κίνηση του θώρακα. 8 blind source separation BSS: αναφέρεται σε ένα μαθηματικό πρόβλημα όπου τόσο οι πηγές όσο και η μεθοδολογία ανάμιξης είναι άγνωστες, μόνο τα σήματα της ανάμιξης είναι διαθέσιμα για την περαιτέρω διαδικασία διαχωρισμού [7.24]. 58

71 Από την άλλη πλευρά, ορισμένοι εξωτερικοί αισθητήρες, ενσύρματοι ή ασύρματα που συνδέονται με smartphone, χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων. Αυτοί οι αισθητήρες μεταδίδουν ανεπεξέργαστα δεδομένα στο smartphone για επεξεργασία και ανάλυση με βάση υπολογιστικούς αλγόριθμους ενσωματωμένους σε smartphone. Ένα παράδειγμα είναι η πρόσφατη εγκεκριμένη από την FDA πλατφόρμα AliveCor Heart Monitor [7.30], η οποία υποστηρίζει τις πλατφόρμες iphone και Android. Έχει σχεδιαστεί ως θήκη smartphone με ηλεκτρόδια δακτύλων που κουμπώνουν στο πίσω μέρος ενός smartphone για τη μέτρηση του ΗΚΓ ενός καναλιού και επικοινωνούν ασύρματα με την εφαρμογή στο τηλέφωνο. Με την ασφαλή αποθήκευση στο cloud, τα δεδομένα μπορούν να ανακτηθούν εμπιστευτικά από τους ίδιους τους χρήστες ή τον ιατρό τους ανά πάσα στιγμή και από οπουδήποτε. Επί του παρόντος λείπουν τεκμηριωμένα κλινικά αποτελέσματα στην επιστημονική βιβλιογραφία με μόνιτορ που βασίζονται σε smartphone. Χρειάζεται ακόμη περισσότερη δουλειά για να εξεταστεί η ακρίβεια και η ευαισθησία των οθονών που βασίζονται σε smartphone. 7.6 Αισθητήρες αρτηριακής πίεσης Δεν υπάρχουν ικανοποιητικές φορητές λύσεις που να παρέχουν συνεχείς, σταθερές και αξιόπιστες μετρήσεις για την αρτηριακή πίεση [7.31]. Η τυπική τεχνολογία για την παρακολούθηση της αρτηριακής πίεσης απαιτεί μια φουσκωτή περιχειρίδα υπό πίεση, η οποία μπορεί να μην είναι κατάλληλη για συνεχή παρακολούθηση. Έχουν προταθεί αρκετές προσεγγίσεις για τη μέτρηση της πίεσης του αίματος χωρίς περιχειρίδα, όπως η αρτηριακή τονομετρία [7.32], στην οποία η μέτρηση την αρτηριακής πίεσης γίνεται με την τοποθέτηση ενός μορφοτροπέα πίεσης πάνω από την κερκιδική αρτηρία στον καρπό για να καταγράψει την κερκιδική παλμική κυματομορφή, ή υπολογίζοντας έμμεσα την αρτηριακή πίεση από τον χρόνο διέλευσης παλμών (PTT) [7.33 και 7.5]. Ωστόσο, η συνοχή και η αξιοπιστία τους βρίσκονται ακόμη υπό διερεύνηση σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο. 7.7 Βιβλιογραφία Εβδόμου Κεφαλαίου [7.1]: British Heart Foundation, How your heart works. Available from: a healthy heart works. [7.2]: Scotland's national health information service (NHS inform), Understanding how your heart functions. Available from: andconditions/heart and blood vessels/about the heart/understanding how yourheart functions. [7.3]: Diagram of the human heart. Available from: _pt.svg. 59

72 [7.4]: Alila Medical Media, Cardiac Action Potential, Animation. Available from: [7.5]: Saugel B., Meidert A.S., Hapfelmeier A., Eyer F., Schmid R.M., Huber W. Non invasive continuous arterial pressure measurement based on radial artery tonometry in the intensive care unit: a method comparison study using the T Line TL 200pro device. Br. J. Anaesth. 2013;111(2): DOI: /bja/aet025. [7.6]: Alila Medical Media, Cardiac Conduction System and Understanding ECG, Animation. Available from: [7.7]: Conduction system of the heart without the surrounding tissue of the Heart. Available from: eart en.svg. [7.8]: Wegmüller, Marc Simon. Intra body communication for biomedical sensor networks. (2007). DOI: /ETHZ A [7.9]: W. Einthoven, The galvanometric registration of the human electrocardiogram, likewise a review of the use of the capillary electrometer in physiology, First published: 27 October Available from 474X.1997.tb00314.x. [7.10]: A.D. Waller, One the electromotive changes connected with the beat of the mammalian heart, and the human heart in particular, Phil. Trans. B (1889), no. 180, 169. [7.11]: Fang Zhao, Meng Li and Joe Z. Tsien (August 31st 2016). The Emerging Wearable Solutions in mhealth, Mobile Health Technologies Theories and Applications, Wilfred Bonney, IntechOpen, DOI: / Available from: health technologies theories andapplications/the emerging wearable solutions in mhealth. [7.12]: Lobodzinski S.S. ECG patch monitors for assessment of cardiac rhythm abnormalities. Prog. Cardiovasc. Dis. 2013;56(2): DOI: /j.pcad [7.13]: Lee Y.D., Chung W.Y. Wireless sensor network based wearable smart shirt for ubiquitous health and activity monitoring. Sensor Actuat. B Chem. 2009;140(2): DOI: /j.snb [7.14]: irhythm. Available from: [7.15]: Corventis. Available from: [7.16]: Rosenberg M.A., Samuel M., Thosani A., Zimetbaum P.J. Use of a noninvasive continuous monitoring device in the management of atrial fibrillation: a pilot study. Pacing Clin. Electrophysiol. 2012;36(3): DOI: /pace

73 [7.17]: Turakhia M.P., Hoang D.D., Zimetbaum P., Miller J.D., Froelicher V.F., Kumar U.N., et al. Diagnostic utility of a novel leadless arrhythmia monitoring device. Am. J. Cardiol. 2013;112(4): DOI: /j.amjcard [7.18]: Engel J.M., Chakravarthy N., Katra R.P., Mazar S., Libbus I., Chavan A. Estimation of patient compliance in application of adherent mobile cardiac telemetry device. In: 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society; 30 Aug Sept 2011; Boston, MA, USA. IEEE; p DOI: /IEMBS [7.19]: Higgins S.L. A novel patch for heart rhythm monitoring: is the Holter monitor obsolete? Future Cardiol. 2013;9(3): DOI: /fca [7.20]: Engel J.M., Chakravarthy N., Katra R.P., Mazar S., Libbus I., Chavan A. Estimation of patient compliance in application of adherent mobile cardiac telemetry device. In: 2011 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society; 30 Aug Sept 2011; Boston, MA, USA. IEEE; p DOI: /IEMBS [7.21]: Lobodzinski S.S., Laks M.M. New devices for very long term ECG monitoring. Cardiol. J. 2012;19(2): [7.22]: Imec.. Available from: www2.imec.be. [7.23]: Verkruysse W., Svaasand L.O., Nelson J.S. Remote plethysmographic imaging using ambient light. Opt. Express. 2008;16(26): [7.24]: M. Pal, R. Roy, J. Basu and M. S. Bepari, "Blind source separation: A review and analysis," 2013 International Conference Oriental COCOSDA held jointly with 2013 Conference on Asian Spoken Language Research and Evaluation (O COCOSDA/CASLRE), Gurgaon, 2013, pp. 1 5, doi: /ICSDA [7.25]: Poh M.Z., McDuff D.J., Picard R.W. Non contact, automated cardiac pulse measurements using video imaging and blind source separation. Opt Express. 2010;18(10): DOI: /OE [7.26]: Poh M.Z., McDuff D.J., Picard R.W. Advancements in noncontact, multiparameter physiological measurements using a webcam. IEEE Trans. Biomed. Eng. 2011;58(1):7 11. DOI: /TBME [7.27]: Zhao F., Li M., Qian Y., Tsien J.Z. Remote measurements of heart and respiration rates for telemedicine. PLoS One. 2013; 8(10): e DOI: / journal.pone [7.28]: Azumio. Instant Heart Rate. Available from: [7.29]: Philips. VitalSigns Camera. Available from: 61

74 [7.30]: AliveCor. Available from: [7.31]: Zhao F., Li M., Tsien J.Z. Technology platforms for remote monitoring of vital signs in the new era of telemedicine. Expert Rev. Med. Devices. 2015;12(4): DOI: / [7.32]: Tensys Medical. TL 300. Available from: [7.33]: Eeftinck Schattenkerk D.W., van Lieshout J.J., van den Meiracker A.H., Wesseling K.R., Blanc S., Wieling W., et al. Nexfin noninvasive continuous blood pressure validated against Riva Rocci/Korotkoff. Am. J. Hypertens. 2009;22(4): DOI: /ajh

75 8 Βιοσήμα του ρυθμού της αναπνοής 8.1 Γενική περιγραφή του αναπνευστικού συστήματος Το αναπνευστικό σύστημα αποτελείται από όλα τα όργανα που εμπλέκονται στην αναπνοή. Περιλαμβάνει τρία κύρια μέρη: τον αεραγωγό, τους πνεύμονες και τους αναπνευστικούς μύες. Ο αεραγωγός περιλαμβάνει τη μύτη, το στόμα, το φάρυγγα, το λάρυγγα, την τραχεία, τους βρόγχους και τα βρογχιόλια [8.1 και 8.4], όπως φαίνετε στην Εικόνα 8.1. Μέσω του αεραγωγού μεταφέρεται αέρας μεταξύ των πνευμόνων και του περιβάλλοντα χώρου. Εντός των πνευμόνων απορροφάται το οξυγόνο στο αίμα και αποβάλλεται το διοξείδιο του άνθρακα έξω από τον οργανισμό. Τέλος, οι αναπνευστικοί μύες, συμπεριλαμβανομένου του διαφράγματος και των μεσοπλεύρων μυών, συνεργάζονται για να λειτουργήσουν ως αντλία, ωθώντας τον αέρα μέσα και έξω από τους πνεύμονες κατά τη διάρκεια της αναπνοής. Εικόνα 8.1: Το αναπνευστικό σύστημα [8.3]: Μέσω του αεραγωγού μεταφέρεται αέρας από το στόμα και την μύτη προς τους πνεύμονες Μύτη και ρινική κοιλότητα Η μύτη και η ρινική κοιλότητα αποτελούν το κύριο εξωτερικό άνοιγμα του αναπνευστικού συστήματος και είναι το πρώτο τμήμα του αεραγωγού του σώματος (δηλαδή της αναπνευστική οδού μέσω της οποίας κινείται ο αέρας). Η μύτη αποτελείται από χόνδρους, 63

76 οστά, μυς και δέρμα. Η ίδια υποστηρίζει και προστατεύει το πρόσθιο τμήμα της ρινικής κοιλότητας. Η ρινική κοιλότητα είναι ένας κοίλος χώρος στο εσωτερικό της μύτης και του κρανίου που είναι καλυμμένος με τρίχες και βλεννογόνους υµένες. Η ρινική κοιλότητα συνδέεται με τέσσερεις παραρρίνιους κόλπους (Εικόνα 7.2): το γναθιαίο ή ιγμόρειο άντρο, οι ηθμοειδείς κυψέλες, ο μετωπιαίος και ο σφηνοειδής κόλπος. Σε συνδυασμό με την ρινική κοιλότητα θερμαίνουν, υγρασιάζουν και φιλτράρουν τον αέρα που εισέρχεται στο σώμα πριν φτάσει στους πνεύμονες. Οι τρίχες και η βλέννα που καλύπτουν τη ρινική κοιλότητα βοηθούν στην παγίδευση σκόνης, μούχλας, γύρης και των υπόλοιπων περιβαλλοντικών ρύπων προτού φτάσουν στα εσωτερικά μέρη του σώματος. Ο αέρας που εξέρχεται από το σώμα μέσω της μύτης επιστρέφει την υγρασία και τη θερμότητα στη ρινική κοιλότητα πριν εκπνεύσει στο περιβάλλον. Εικόνα 7.2: Παραρρίνιοι κόλποι [8.5,8.6]: Τέσσερεις είναι οι κύριοι παραρρίνιοι κόλποι και βρίσκονται πίσω από την μύτη, τους οφθαλμούς και την παρειά Στόμα Το στόμα, επίσης γνωστό ως στοματική κοιλότητα, είναι το δευτερεύον εξωτερικό άνοιγμα για την αναπνευστική οδό. Η φυσιολογική αναπνοή πραγματοποιείται μέσω της ρινικής κοιλότητας, αλλά η στοματική κοιλότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συμπληρώσει ή να αντικαταστήσει την λειτουργία όταν είναι αναγκαίο. Επειδή η διαδρομή μέσω της στοματικής κοιλότητας έχει μικρότερο μήκος από εκείνη διαμέσου της μύτης, το στόμα δεν θερμαίνει και υγρασειάζει τον αέρα που εισέρχεται στους πνεύμονες τόσο αποτελεσματικά. Το στόμα στερείται επίσης των τριχών και της κολλώδους βλέννας που φιλτράρουν τον αέρα. Το ένα πλεονέκτημα της αναπνοής μέσω του στόματος είναι ότι η μικρότερη απόσταση και η μεγαλύτερη διάμετρος του επιτρέπει περισσότερο αέρα να εισέλθει γρήγορα στο σώμα Φάρυγγας Ο φάρυγγας είναι μια μυϊκή χοάνη που εκτείνεται από το οπίσθιο άκρο της ρινικής κοιλότητας έως το ανώτερο άκρο του οισοφάγου και του λάρυγγα. Ο φάρυγγας χωρίζεται σε τρείς περιοχές: το ρινοφάρυγγα, το στοματοφάρυγγα και το λαρυγγοφάρυγγα. Ο ρινοφάρυγγας είναι η ανώτερη περιοχή του φάρυγγα που βρίσκεται στο οπίσθιο τμήμα της ρινικής κοιλότητας. Ο εισπνεόμενος αέρας που εισέρχεται από τη ρινική κοιλότητα περνά στον ρινοφάρυγγα και κατεβαίνει μέσω του στοματοφάρυγγα, που βρίσκεται στο οπίσθιο τμήμα της στοματικής κοιλότητας. Ο αέρας που εισπνέεται μέσω της στοματικής κοιλότητας 64

77 εισέρχεται στον φάρυγγα μέσα από τον στοματοφάρυγγα. Στη συνέχεια, ο εισπνεόμενος αέρας κατεβαίνει στον λάρυγγα, όπου εκτρέπεται στο άνοιγμα του λάρυγγα από την επιγλωττίδα. Η επιγλωττίδα είναι ένας ελαστικός χόνδρος που δρα προκειμένου να διαχωρίσει την τραχεία και τον οισοφάγου. Επειδή ο φάρυγγας χρησιμοποιείται επίσης για την κατάποση τροφής, κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η επιγλωττίδα κινείται για να καλύψει την τραχεία και να εξασφαλίσει ότι η τροφή εισέρχεται στον οισοφάγο προκειμένου για να αποφευχθεί πνιγμός Λάρυγγας Ο λάρυγγας είναι ένα μικρό τμήμα του αεραγωγού που συνδέει τον λαρυγγοφάρυγγα και την τραχεία. Ο λάρυγγας βρίσκεται στο πρόσθιο τμήμα του λαιμού, ακριβώς κάτω από το υοειδές οστό και πάνω από την τραχεία. Συνολικά υπάρχουν αρκετοί χόνδροι που συνθέτουν τον λάρυγγα. Η επιγλωττίδα είναι ένας από αυτούς τους χόνδρους του λάρυγγα που χρησιμεύει ως προστατευτικό κάλυμμα του λάρυγγα κατά την διάρκεια της κατάποσης. Κάτω από την επιγλωττίδα είναι ο θυρεοειδής χόνδρος που κρατά ανοιχτό το πρόσθιο άκρο του λάρυγγα και προστατεύει τις φωνητικές πτυχές. Κάτω από τον χόνδρο του θυρεοειδούς είναι ο κρικοειδή χόνδρος σε σχήμα δακτυλίου που κρατά το λάρυγγα ανοιχτό και υποστηρίζει το οπίσθιο άκρο του (Εικόνα 8.3). Εκτός από τον χόνδρο, ο λάρυγγας περιέχει ειδικές δομές γνωστές ως φωνητικές χορδές, οι οποίες όταν πάλλονται επιτρέπουν στο άτομο να παράγει φωνητικούς ήχους. Η ένταση και η ταχύτητα δόνησης των φωνητικών χορδών επηρεάζουν την οξύτητα του ήχου που παράγεται. Εικόνα 8.3: εγκάρδια διατομή τραχείας και οισοφάγου [8.7] Τραχεία Η τραχεία είναι ένας ινοχονδρινός σωλήνας του αναπνευστικού συστήματος μέσα από τον οποίο μεταφέρεται αέρας. Έχει περίπου μήκος 10 εκατοστά και διάμετρο 2,5 εκατοστά (Εικόνα 8.4). Σχηματίζεται από ημικύκλιους χόνδρινους δίσκους τύπου υαλίνης. Η τραχεία συνδέει τον λάρυγγα με τους βρόγχους και επιτρέπει στον αέρα να διέλθει από το λαιμό προς τον θώρακα. Οι δακτύλιοι από χόνδρου που αποτελούν την τραχεία της επιτρέπουν να παραμένει συνεχώς ανοιχτή. Το ανοικτό άκρο των δακτυλίων έρχεται σε έμμεση επαφή με τον οισοφάγο. Αυτό το ανατομικό χαρακτηριστικό επιτρέπει στον οισοφάγο να διαστέλλεται 65

78 παροδικά όταν πρόκειται να μετατοπίσει όγκους τροφής. Η κύρια λειτουργία της τραχείας είναι να παρέχει έναν καθαρό αεραγωγό ώστε ο αέρας να εισέρχεται και να εξέρχεται από τους πνεύμονες. Επιπλέον, στο εσωτερικό της τραχείας υπάρχει μία βλεννογόνη επίστρωση που παγιδεύει σκόνη και άλλους μολυσματικούς παράγοντες και τους εμποδίζει να φτάσουν στους πνεύμονες. Στη συνέχεια τριχοειδή προεξοχές στην επιφάνεια των επιθηλιακών κυττάρων μετακινούν την βλέννα προς τον φάρυγγα όπου μπορεί να απομακρυνθεί από το σώμα είτε μέσω της στοματικής κοιλότητας είτε μέσω του γαστρεντερικού σωλήνα. Εικόνα 8.4: Τομή των πνευμόνων [8.8]. Οι δύο πνεύμονες δεν είναι συμμετρικοί καθώς ο αριστερός έχει δύο λοβού ενώ ο δεξής τρείς. Ανατομικά όμως είναι ίδιοι διότι αποτελούνται από τις ίδιες βιολογικές δομές, τις ίδιες μεμβράνες, τους ίδιους ιστούςμ κλπ Βρόγχοι και βρογχιόλια Στο κατώτερο άκρο της τραχείας, ο αεραγωγός χωρίζεται σε δύο τμήματα: στον αριστερό και δεξί κύριο βρόγχο. Οι κύριοι βρόγχοι διακλαδίζονται στην συνέχεια σε ακόμα ποιο μικρά τμήματα, γνωστά ως δευτερεύοντες βρόγχοι. Οι δευτερεύοντες βρόγχοι μεταφέρουν αέρα στους λοβούς των πνευμόνων. Ο αριστερός πνεύμονας έχει δύο λοβούς, ενώ ο δεξιός τρείς λοβούς. Οι δευτερογενείς βρόγχοι με τη σειρά τους χωρίζονται σε πολλούς μικρότερους τριτογενείς βρόγχους σε κάθε λοβό. Οι τριτογενείς βρόγχοι υποδιαιρούνται σε πολλά μικρότερα βρογχιόλια που απλώνονται σε όλους τους πνεύμονες. Κάθε βρογχιόλιο χωρίζεται περαιτέρω σε πολλά μικρότερα κλαδιά σε διάμετρο μικρότερη από ένα χιλιοστόμετρο που ονομάζεται τερματικά βρογχιόλια. Τέλος, τα εκατομμύρια των μικροσκοπικών βρογχιολίων διοχετεύουν τον αέρα στις κυψελίδες των πνευμόνων. Καθώς ο αεραγωγός χωρίζεται στους κλάδους των βρόγχων και των βρογχιόλιων, η δομή των τοιχωμάτων του αεραγωγού αρχίζει να αλλάζει. Οι πρωτεύοντες βρόγχοι περιέχουν πολλούς 66

79 ημικυκλικούς χόνδρους που συγκρατούν σταθερά τον αεραγωγό. Καθώς οι βρόγχοι διακλαδίζονται σε δευτερογενείς και τριτογενείς βρόγχους, οι χόνδρος έχουν μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ του, ενώ εντοπίζονται μεγαλύτερα ποσοστά λείου μυ και πρωτεϊνών ελαστίνης στα τοιχώματα. Τα βρογχιόλια διαφέρουν από τη δομή των βρόγχων στο ότι δεν περιέχουν καθόλου χόνδρο. Η παρουσία λείων μυών και ελαστίνης επιτρέπει στους μικρότερους βρόγχους και τα βρογχιόλια να είναι πιο εύκαμπτα και να μπορούν να συσταλούν. Η κύρια λειτουργία των βρόγχων και των βρογχιολίων είναι η μεταφορά αέρα από την τραχεία στους πνεύμονες. Ο ιστός λείου μυός στα τοιχώματά του βοηθά στη ρύθμιση της ροής του αέρα στους πνεύμονες. Όταν απαιτείται περισσότερος όγκος αέρα από το σώμα, όπως κατά τη διάρκεια της άσκησης, ο λείος μυς χαλαρώνει για να διαστέλλει τους βρόγχους και τα βρογχιόλια. Ο διασταλμένος αεραγωγός παρέχει λιγότερη αντίσταση στη ροή του αέρα και επιτρέπει περισσότερο αέρα να περάσει μέσα και έξω από τους πνεύμονες. Όμοια, οι ίνες λείου μυός είναι σε θέση να συστέλλονται κατά τη διάρκεια της ανάπαυσης για την αποφυγή του υπεροξυγόνωσης. Οι βρόγχοι και τα βρογχιόλια χρησιμοποιούν επίσης τη βλέννα και τις τριχοειδή προεξοχές της επιθηλιακής τους επένδυσης για να παγιδεύσουν και να απομακρύνουν τη σκόνη και άλλους μολυσματικούς παράγοντες μακριά από τους πνεύμονες Πνεύμονες Οι πνεύμονες είναι ένα ζευγάρι από μεγάλα, σπογγώδη όργανα που βρίσκονται στον θώρακα πάνω από το διάφραγμα και καλύπτουν τον περίγυρο της καρδιάς. Κάθε πνεύμονας περιβάλλεται από υπεζωκοτική μεμβράνη που παρέχει στον πνεύμονα χώρο για να επεκταθεί καθώς και χώρο αρνητικής πίεσης σε σχέση με το εξωτερικό του σώματος. Η αρνητική πίεση επιτρέπει στους πνεύμονες να γεμίζουν παθητικά με αέρα καθώς χαλαρώνουν. Ο αριστερός και δεξής πνεύμονας διαφέρουν ελαφρώς σε μέγεθος και σχήμα λόγω της καρδιάς που έχει προσανατολισμό προς την αριστερή πλευρά του σώματος. Ο αριστερός πνεύμονας είναι επομένως ελαφρώς μικρότερος από τον δεξιό πνεύμονα καθώς, όπως αναφέραμε ήδη, ο αριστερός πνεύμονας αποτελείται από έναν λιγότερο λοβό. Εικόνα 8.5: Επιφάνεια τομής των κυψελίδων [8.9]. Εδώ γίνετε η ανταλλαγή των αερίων. Το εσωτερικό των πνευμόνων αποτελείται από σπογγώδεις ιστούς που περιέχουν πολλά τριχοειδή αγγεία και περίπου 30 εκατομμύρια μικροσκοπικούς σάκους γνωστούς ως 67

80 κυψελίδες (Εικόνα 8.5). Οι κυψελίδες είναι δομές σε σχήμα σφαίρας που βρίσκονται στο τέλος των τερματικών βρογχιολίων και περιβάλλονται από τριχοειδή αγγεία. Επιπλέον είναι επενδεδυμένες με λεπτά απλό πλακώδες επιθήλια που επιτρέπουν στον αέρα που εισέρχεται στις κυψελίδες να ανταλλάσσει τα αέρια του με το αίμα που διέρχεται από τα τριχοειδή αγγεία Μύες του αναπνευστικού συστήματος Γύρω από τους πνεύμονες υπάρχει ένα σύνολο μυών (Εικόνα 8.6) που βρίσκονται γύρω από τα πλευρά. Αυτοί οι μύες μπορούν να προκαλέσουν την εισπνοή και την εκπνοή του αέρα από τους πνεύμονες. Υποπλεύριοι Μύες 12 η Πλευρά Έσω Μεσοπλεύριος Μυς Έξω Μεσοπλεύριος Μυς Μεσογκάρσιοι Μύες Εγκάρσιες Αποφύσεις Μεσοσπονδύλιοι Δίσκοι Εικόνα 8.6: Οπίσθια όψη θώρακα [8.10]. Τα πλευρά έχουν διπλό ρόλο. Αφενός συγκρατούν τα όργανα στην θέση τους αφετέρου τα προστατεύει από τραυματισμού σε περίπτωση ατυχήματος π.χ. πτώση. Ο κύριος μυς της αναπνοής στο ανθρώπινο σώμα είναι το διάφραγμα, ένα λεπτό φύλλο σκελετικού μυ που σχηματίζει το κατώτερο επίπεδο στον θώρακα. Όταν το διάφραγμα συστέλλεται, μετατοπίζεται μερικά εκατοστά προς την κοιλιακή κοιλότητα. Αποτέλεσμα αυτού είναι η επέκταση του χώρου εντός της θωρακικής κοιλότητας και ρουφάτε αέρας προς τους πνεύμονες. Η χαλάρωση του διαφράγματος επιτρέπει στον αέρα να εκπνέεται από τους πνεύμονες. Το διάφραγμα δεν είναι ο μοναδικός αναπνευστικός μυς. Μεταξύ των πλευρών υπάρχουν πολλοί μικροί μεσοπλεύριοι μύες (Εικόνα 8.7) που βοηθούν το διάφραγμα με την διαστολή και συστολή των πνευμόνων. Αυτοί οι μύες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τους εσωτερικούς μεσοπλεύριους μυς και τους εξωτερικούς μεσοπλεύριους μυς. Οι εσωτερικοί μεσοπλεύριοι μύες είναι το βαθύτερο σετ μυών και πιέζουν τα πλευρά για να συμπιέσουν τη θωρακική κοιλότητα και να αναγκάσουν τον αέρα να εκπνεύσει από τους πνεύμονες. Οι εξωτερικά μεσοπλεύριοι βρίσκονται επιφανειακά των εσωτερικών μεσοπλεύριων μυών και 68

81 λειτουργούν για την ανύψωση των πλευρών, επεκτείνοντας τον όγκο της θωρακικής κοιλότητας και προκαλώντας την εισπνοή του αέρα προς τους πνεύμονες. Εικόνα 8.7 : Μεσοπλευρικοί θωρακικοί μύες [8.11]. 8.2 Φυσιολογία του αναπνευστικού συστήματος Πνευμονικός αερισμός (Pulmonary Ventilation) Ο πνευμονικός αερισμός είναι η διαδικασία μεταφοράς αέρα προς και έξω από τους πνεύμονες προκειμένου να επιτευχθεί η ανταλλαγή αερίων. Το αναπνευστικό σύστημα αξιοποιεί τόσο ένα σύστημα αρνητικής πίεσης όσο και τη συστολή των μυών για την επίτευξη του πνευμονικού αερισμού. Το σύστημα αρνητικής πίεσης του αναπνευστικού συστήματος περιλαμβάνει τον καθορισμό μιας βαθμίδας αρνητικής πίεσης μεταξύ των κυψελίδων και της εξωτερικής ατμόσφαιρας. Η υπεζωκοτική μεμβράνη σφραγίζει τους πνεύμονες και διατηρεί τους πνεύμονες σε πίεση ελαφρώς χαμηλότερη από εκείνη της ατμόσφαιρας όταν αυτοί βρίσκονται σε κατάσταση ηρεμία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να αναγκάζει τον αέρα να ακολουθήσει την διαφορά πίεσης και να γεμίσει παθητικά τους πνεύμονες. Καθώς οι πνεύμονες γεμίζουν με αέρα, η πίεση στο εσωτερικό τους αυξάνεται έως ότου εξισορροπηθεί με την ατμοσφαιρική πίεση. Σε αυτό το σημείο, περισσότερος αέρας μπορεί να εισπνευστεί από τη συστολή του διαφράγματος και των εξωτερικών μεσοπλεύρων μυών, αυξάνοντας τον όγκο του θώρακα και μειώνοντας ξανά την πίεση εντός των πνευμόνων κάτω από αυτήν της ατμόσφαιρας. Για την εκπνοή του αέρα (Εικόνα 8.8), το διάφραγμα και οι εξωτερικοί μεσοπλεύριοι μύες χαλαρώνουν ενώ οι εσωτερικοί μεσοπλεύριοι μύες συστέλλονται για να μειώσουν τον όγκο του θώρακα και να αυξήσουν την πίεση εντός της θωρακικής κοιλότητας. Η διαφορά πίεσης αντιστρέφεται τώρα, με αποτέλεσμα την εκπνοή του αέρα έως ότου οι πιέσεις μέσα στους πνεύμονες και έξω από το σώμα να γίνουν ξανά ίσες. Σε αυτό το σημείο, η ελαστική φύση των πνευμόνων τους αναγκάζει να υποχωρήσουν πίσω στον όγκο ηρεμίας τους, αποκαθιστώντας την βαθμίδα αρνητικής πίεσης που υπάρχει κατά την εισπνοή. 69

82 Διαστολή Θώρακα Πλευρά Διάφραγμα Εισπνοή Συστολή Διαφράγματος Συστολή Θώρακα Πνεύμονας Χαλάρωση Διαφράγματος Εκπνοή Εικόνα 8.8 : Εισπνοή και εκπνοή [8.12]. Συνεργάζονται οι θωρακικοί μύες με το διάφραγμα προκειμένου να επιτευχθεί ο πνευμονικός αερισμός Εξωτερική αναπνοή (External respiration) Η εξωτερική αναπνοή είναι η ανταλλαγή αερίων μεταξύ του αέρα που γεμίζει τις κυψελίδες και του αίματος στα τριχοειδή που περιβάλλουν τα τοιχώματα των κυψελίδων. Ο αέρας που εισέρχεται στους πνεύμονες από την ατμόσφαιρα έχει υψηλότερη μερική πίεση (partial pressure) οξυγόνου και χαμηλότερη μερική πίεση διοξειδίου του άνθρακα από ότι το αίμα στα τριχοειδή αγγεία. Η διαφορά στις μερικές πιέσεις προκαλεί τα αέρια να διαχέονται παθητικά κατά μήκος των βαθμίδων πίεσης από υψηλή έως χαμηλή πίεση μέσω της απλής πλακώδους επένδυσης επιθηλίου των κυψελίδων. Το αποτέλεσμα της εξωτερικής αναπνοής είναι η μετακίνηση οξυγόνου από τον αέρα στο αίμα και η μετακίνηση του διοξειδίου του άνθρακα από το αίμα στον αέρα. Το οξυγόνο μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί στους ιστούς του σώματος ενώ το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα κατά την εκπνοή Εσωτερική αναπνοή Η εσωτερική αναπνοή είναι η ανταλλαγή αερίων μεταξύ του αίματος στα τριχοειδή αγγεία και των ιστών του σώματος. Το αίμα στα τριχοειδές αγγεία έχει υψηλότερη μερική πίεση οξυγόνου και χαμηλότερη μερική πίεση διοξειδίου του άνθρακα από τους ιστούς μέσω των οποίων έρχεται σε επαφή. Η διαφορά στις μερικές πιέσεις οδηγεί στη διάχυση των αερίων κατά μήκος των βαθμίδων πίεσης από υψηλή σε χαμηλή πίεση μέσω της επένδυσης του ενδοθηλίου των τριχοειδών. Το αποτέλεσμα της εσωτερικής αναπνοής είναι η διάχυση του οξυγόνου στους ιστούς και η διάχυση του διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα Μεταφορά αερίων Τα δύο κύρια αναπνευστικά αέρια, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα, μεταφέρονται μέσω του σώματος στο αίμα. Το πλάσμα του αίματος έχει την ικανότητα να μεταφέρει λίγο διαλυμένο οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα, αλλά τα περισσότερα από τα αέρια που 70

83 μεταφέρονται στο αίμα συνδέονται με μόρια μεταφοράς. Η αιμοσφαιρίνη είναι ένα σημαντικό μόριο μεταφοράς που βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια και μεταφέρει σχεδόν το 99% του οξυγόνου στο αίμα. Η αιμοσφαιρίνη μπορεί επίσης να μεταφέρει μια μικρή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα από τους ιστούς πίσω στους πνεύμονες. Ωστόσο, η συντριπτική πλειονότητα του διοξειδίου του άνθρακα μεταφέρεται στο πλάσμα ως διττανθρακικό ιόν (bicarbonate ion). Όταν η μερική πίεση διοξειδίου του άνθρακα είναι υψηλή στους ιστούς, το ένζυμο ανθρακική ανυδράση (enzyme carbonic anhydrase) καταλύει μια αντίδραση μεταξύ διοξειδίου του άνθρακα και νερού για να σχηματίσει ανθρακικό οξύ. Το ανθρακικό οξύ στη συνέχεια διαχωρίζεται σε ιόν υδρογόνου και διττανθρακικό ιόν. Όταν η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα είναι χαμηλή στους πνεύμονες, οι αντιδράσεις αντιστρέφονται και το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται στους πνεύμονες για εκπνοή Ομοστατικός έλεγχος της αναπνοής Υπό κανονικές συνθήκες ανάπαυσης, το σώμα διατηρεί έναν ήρεμο και σταθερό ρυθμό αναπνοής που αποκαλείται εύπνοια (Eupnea). Η εύπνοια διατηρείται έως ότου υπάρξει ανάγκη για περισσότερο οξυγόνο σε συνδυασμό με την παραγωγή περισσότερου διοξειδίου του άνθρακα από το σώμα λόγω μεγαλύτερης σωματική κόπωση. Οι αυτόνομοι χημειοϋποδοχείς στο σώμα παρακολουθούν τις μερικές πιέσεις του οξυγόνου και του διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα και στέλνουν σήματα στο αναπνευστικό κέντρο του εγκεφαλικού στελέχους. Το αναπνευστικό κέντρο στη συνέχεια προσαρμόζει τον ρυθμό και το βάθος της αναπνοής για να επιστρέψει το αίμα στα κανονικά επίπεδα μερικών πιέσεων αερίου. 8.3 Μαθηματικό μοντέλο των αερίων του πνεύμονα Οι πνεύμονες βρίσκονται σε αεροστεγές χώρο και η ταλάντωση του όγκου πίεσης είναι η βάση του αναπνευστικού ελέγχου. Η ενδοθωρακική πίεση είναι αρνητική σε σύγκριση με την πνευμονική πίεση [8.13 και 8.22]. Ο πνεύμονας λειτουργεί ως ελαστική δομή που αντιστέκεται στην παραμόρφωση. Η ικανότητα του πνεύμονα να επεκτείνεται ονομάζεται προσαρμοστικότητα 9 (compliance) [8.22] και εκφράζεται από την Εξίσωση (8.1): C = dv / dp. Η προσαρμοστικότητα απαιτεί αναπνευστική προσπάθεια υπό κανονικές συνθήκες. Όταν μειώνεται η προσαρμοστικότητα, απαιτείται περισσότερη προσπάθεια από το αναπνευστικό σύστημα και, σε πιο σοβαρές περιπτώσεις, μπορεί να οδηγήσει σε αναπνευστική ανεπάρκεια. Η προσαρμοστικότητα του θώρακα (C τ ) δίδετε από την Εξίσωση (8.2): C τ = dv / dp τ. Όμοια, η προσαρμοστικότητα των πνευμόνων (C π ) μπορεί να υπολογιστεί από την Εξίσωση (8.3): C π = dv / dp π, ενώ η προσαρμοστικότητα του συνδυασμένου συστήματος του πνεύμονα θώρακα (C πτ ) μπορεί να εκφραστεί από την Εξίσωση (8.4) C πτ = dv / dp πτ, σύμφωνα με το [22]. 9 Η προσαρμοστικότητα είναι ένα μέτρο της ελαστικότητας του αναπνευστικού συστήματος. Η προσαρμοστικότητα καθορίζεται από την ικανότητα της πίεσης να αλλάζει τον όγκο στο πνευμονικό σύστημα. 71

84 Η αναπνοή περιλαμβάνει επίσης τη διάχυση του αέρα, δηλαδή την ανταλλαγή αερίων από ένα πιο συμπυκνωμένο σε ένα λιγότερο συμπυκνωμένο μέσο. Ο νόμος του Poiseuille 10 διέπει την αντίσταση ροής όπως εκφράζεται από την Εξίσωση (8.5): R = 8ηL / πr 4. Όπου R είναι η αντίσταση ροής, L είναι το μήκος, η είναι το ιξώδες (viscosity) του υγρού και r είναι η ακτίνα των σωλήνων. Η συνολική αντίσταση είναι το άθροισμα των μεμονωμένων αντιστάσεων κατά μήκος του αεραγωγού όπως φαίνεται από την Εξίσωση (8.6): R = R ρ + R τ + R β. Όπου R ρ είναι η αντίσταση στην ρινική περιοχή,r τ η αντίσταση του σωλήνα της τραχείας και R β είναι η αντίσταση του σωλήνα των βρόγχων [8.22]. Οι ενδεικτικές τιμές των R, R ρ,,r τ και R β φαίνονται στην Εικόνα 8.9. Εικόνα 8.9: Η αντίσταση του αναπνευστικού συστήματος. Στην εικόνα φαίνονται ορισμένες από τις αντιστάσεις που μετρήθηκαν στο [8.22]. 8.4 Παρακολούθηση την αναπνευστικής δραστηριότητας με φορητές συσκευές και αισθητήρες Εισαγωγή Η ανάπτυξη φορητών συσκευών για την παρακολούθηση της αναπνευστικής δραστηριότητας επιτρέπει τη δημιουργία διαφόρων υπηρεσιών ιατρικής περίθαλψης [8.13]. Για παράδειγμα, τα άτομα με άσθμα ή χρόνια αποφρακτική πνευμονοπάθεια επηρεάζονται άμεσα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες και η χρήση φορητών συσκευών θα παρείχε συνεχείς μετρήσεις για την ποιότητα του αέρα και την πνευμονική λειτουργία τους. Η συσκευή θα μπορεί να προκαλέσει λειτουργίες ειδοποιήσεων για τη λήψη της φαρμακευτικής θεραπείας, να επικοινωνήσει με έναν ιατρό ή να καλέσει υπηρεσίες έκτακτης ανάγκης. Η μέτρηση της ποιότητας του αέρα είναι σημαντική, καθώς η έκθεση σε ρύπους μπορεί να οδηγήσει σε οξείες κρίσεις άσθματος [8.14]. Αυτό συμβαίνει συνήθως μετά από έκθεση μερικών ημερών. Εάν ένα σύστημα εντοπίσει έκθεση σε ρύπους, μπορεί να προειδοποιήσει το άτομο και να βοηθήσει στην αποτροπή μίας κρίσης. 10 Poiseuille νόμος: η ταχύτητα ενός υγρού που ρέει μέσω ενός τριχοειδούς αγγείου είναι ευθέως ανάλογη με την πίεση του υγρού και της ακτίνας υψωμένης στην τέταρτη δύναμη, και αντιστρόφως ανάλογη με το ιξώδες (viscosity) του υγρού και το μήκος του τριχοειδούς [8.23]. 72

85 Άλλες εφαρμογές φορητών συσκευών περιλαμβάνουν παρακολούθηση ύπνου για ανίχνευση άπνοιας [8.15] και την ανίχνευση ομιλίας ως δείκτης κοινωνικής αλληλεπίδρασης [8.16]. Άλλη εφαρμογή είναι η ανίχνευση και παρακολούθηση της αναπνευστικής κίνησης του ασθενούς κατά την διάρκεια της ραδιοθεραπεία καθοδηγούμενη από Εικόνα (Image guided Radiation Therapy IGRT) του θώρακα και της κοιλιακής χώρας, η οποία απαιτεί συνεχή παρακολούθηση της κίνησης του ασθενούς κατά την διάρκεια της θεραπείας [8.19]. Επιπλέον, υπάρχουν μελέτες για την ανάπτυξη έξυπνων υφασμάτων, τα οποία είναι άνετα και ευχάριστα στη χρήση για διάφορες εφαρμογές, όπως η υγειονομική περίθαλψη, ο αθλητισμός και η στρατιωτική χρήση [8.20]. Η δημιουργία αυτών των φορητών συσκευών απαιτεί κατανόηση της ανατομίας και της φυσιολογίας του αναπνευστικού συστήματος. Η γνώση σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία της οδηγεί στην ανάπτυξη συσκευών που δεν παρεμβαίνουν στην αναπνευστική μηχανική ή στην καθημερινή ζωή. Επιτρέπει επίσης την επιλογή των καλύτερων αισθητήρων για κάθε περίπτωση. Επομένως, είναι σημαντικό να έχουμε μια επισκόπηση των κύριων τύπων ηλεκτρονικών αισθητήρων που χρησιμοποιήθηκαν τα τελευταία χρόνια και του τρόπου με τον οποίο εφαρμόστηκαν Αναπνευστικοί φορητοί αισθητήρες Οι φορητοί αισθητήρες για παρακολούθηση της αναπνοής χρησιμοποιούν διάφορους τύπους ηλεκτρονικών αισθητήρων που μπορούν να τοποθετηθούν σε ρούχα [8.21], προσαρτημένα σε ζώνες [8.20], στερεωμένα στο δέρμα [8.15] κλπ. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να υλοποιηθούν φορητές συσκευές και μερικές από αυτές περιγράφονται ξεχωριστά ανάλογα με τον τύπο του πρωτεύοντος αισθητήρα στις ακόλουθες ενότητες Αισθητήρες πίεσης Μπορεί να αξιοποιηθεί η συστολή και χαλάρωση του διαφράγματος για την δημιουργία φορητών συσκευών που βασίζονται σε αισθητήρες πίεσης. Για παράδειγμα, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει ένα ηλεκτρομηχανικό φιλμ (EMFit) για να αναπτύξουν έναν αισθητήρα αναπνευστικού ρυθμού σχεδιασμένο ως μία ζώνη [8.17] (όπως φαίνεται στο σχήμα 8.10α). Τοποθέτησαν τον αισθητήρα στη ζώνη έτσι ώστε η επέκταση του θώρακα κατά την αναπνοή να ασκεί δύναμη στον αισθητήρα και να παράγει μια αλλαγή τάσης, η οποία είναι ανάλογη με αυτήν την κίνηση. Το EMfit είναι ένας χωρητικός αισθητήρας πίεσης που έχει μια λεπτή πορώδη δομή μεμβράνης πολυπροπυλενίου με ευαισθησία pc / N. Ένας άλλος τρόπος για να αξιοποιηθούν οι αισθητήρες πίεσης είναι να τους χρησιμοποιηθούν απευθείας σε άμεση επαφή με την εισπνεόμενη και εκπνεόμενη πίεση του αέρα κατά την διάρκεια τη αναπνοής. Η μάσκα προσώπου που παρουσιάστηκε στο [8.18] μετρά την αναπνευστική αντίσταση (respiratory impedance) και στοχεύει να χρησιμοποιηθεί κυρίως σε οικιακές και κλινικές εφαρμογές. Σε αυτή την περίπτωση έχουν ενσωματωθεί δύο μετατροπείς πίεσης, δύο ανεμιστήρες χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, μία προγραμματιζόμενη διάταξη θυρών πεδίου (Field Programmable Gate Arrays FPGAs), και μία πραγματικού χρόνου μηχανή επεξεργασίας. Η συσκευή βασίζεται στην τεχνική 73

86 εξαναγκασμένης ταλάντωσης (FOT), η οποία είναι μια μη τυποποιημένης δοκιμή της λειτουργίας των πνευμόνων. Εικόνα 8.10: Φορητοί αισθητήρες πίεσης [8.13]: (α) (αριστερά) αισθητήρας πίεσης (EMFit) τοποθετημένος στον ιμάντα και εφαπτόμενος στο δέρμα: οι μεταβολές του όγκου του θώρακα κατά την αναπνοή πιέζουν τον αισθητήρα, παράγοντας ανάλογο φορτίο [8.17]. (β) (δεξιά) σύστημα που αναπτύχθηκε από την πηγή [8.18] για τη μέτρηση της αναπνευστικής αντίστασης με βάση την τεχνική εξαναγκασμένης ταλάντωσης. Στόχος είναι να χρησιμοποιηθούν οι ανεμιστήρες για να εισαγάγουν ένα περιοδικό ημιτονοειδές σήμα πίεσης αέρα και να μετράται η αντίθετη δύναμη που παράγεται από την αναπνευστική οδό. Αυτά τα δεδομένα, αναπνευστική αντίσταση και προσαρμοστικότητα (compliance), όπως φαίνεται στην Εξ. (8.1), μπορεί να υπολογιστεί και να σταλεί μέσω Bluetooth σε smartphone (Εικόνα 8.10β). Ο αισθητήρας EMFit περιορίζει λιγότερο την αυτονομία του υποκείμενου και έχει καλή απόδοση στην ανίχνευση του αναπνευστικού ρυθμού. Ωστόσο, οι κινήσεις του σώματος επηρεάζουν την ακρίβεια της μέτρησης, οπότε ο αισθητήρας παράγει ακριβέστερες μετρήσεις σε ακίνητους ή μέτριους κινούμενους ασθενείς [8.17]. Ο αισθητήρας που έχει την μορφή μάσκας προσώπου επίσης είχε καλή απόδοση και ήχε ικανοποιητική ακρίβεια στην μέτρηση της αναπνευστικής αντίστασης. Δυστυχώς όμως, η πρωτότυπη έκδοσή του δεν ήταν άνετη στη χρήση [8.18] Ακουστικοί αισθητήρες Χρησιμοποιώντας ακουστικούς αισθητήρες μπορεί να καταγράφονται και να παρακολουθούνται οι ήχοι των πνευμόνων. Τα ακουστικά σήματα που σχετίζονται με την αναπνοή λαμβάνονται συνήθως με τους αισθητήρες που βρίσκονται κοντά στη μύτη, το στόμα, το λαιμό και την υπερστερνική εγκοπή (suprasternal notch) [8.15,8.24 και 8.25]. Εικόνα 8.11:[8.13] Ακουστικές συσκευές για αναπνευστική παρακολούθηση: (α) ασύρματο μικρόφωνο συνδεδεμένο σε εφαρμογή smartphone [8.15]. (β) Σύστημα BodyScope: 74

87 Ακουστικό Bluetooth συνδεδεμένο με μικρόφωνο και κώδωνα στηθοσκοπίου (stethoscope chestpiece) [8.24]. (γ) ασύρματη μονάδα απόκτησης πληροφορίας (acquisition module) ενσωματωμένη σε φορητό μηχανικό σχεδιασμό [8.21] και τοποθετημένη πάνω από στη δεξιά πλευρά του στήθους. Η Εικόνα 8.11α [8.13] δείχνει ένα ασύρματο μικρόφωνο που είναι μια φορητή, φθηνή και εύχρηστη συσκευή που τοποθετείται δίπλα στη μύτη [8.15]. Ο στόχο έχει να μετράει τον ρυθμός της αναπνοής κατά την διάρκεια του ύπνου. Το μικρόφωνο στερεώνεται κοντά στη μύτη με ταινία και τα σήματα αποστέλλονται σε smartphone μέσω ασύρματης επικοινωνίας. Το BodyScope αναπτύχθηκε για να καταγράφει τους ήχους που παράγονται από την περιοχή του λαιμού, προκειμένου να τους ταξινομήσει στις ακόλουθες κατηγορίες [8.24]: κατάποση στερεών τροφών, κατάποση υγρών, ομιλία, γέλιο και βήχας. Οι προγραμματιστές τροποποίησαν ένα ασύρματο ακουστικό που συνδέει ένα μικρόφωνο και ένα κώδωνα στηθοσκοπίου (stethoscope chestpiece) για να ελαχιστοποιήσουν τον ήχο από εξωτερικές πηγές, όπως φαίνεται στην Εικόνα 8.11β. Η θέση που επιλέχθηκε για να τοποθετήσει ο αισθητήρας ήταν κοντά στην περιοχή της καρωτιδικής αρτηρίας, όπως υπέδειξαν τα προπαρασκευαστικά αποτελέσματα της δοκιμής. Η συσκευή στέλνει τα ηχητικά σήματα σε έναν υπολογιστή ή smartphone, όπως επίσης φαίνεται στην Εικόνα 8.11α [8.15]. Η εικόνα 8.11γ δείχνει έναν ανιχνευτή συριγμού πραγματικού χρόνου που αποτελείται από μια ασύρματη μονάδα λήψης ήχου (sound acquisition module), έναν φορητό μηχανικό σχεδιασμό και ένα σύστημα κεντρικού υπολογιστή [8.21].Η μονάδα αισθητήρα ήταν ένα πανκατευθυντικό (omnidirectional) πυκνωτικό μικρόφωνο (condenser microphone) και ένα κουδούνι στηθοσκοπίου (stethoscope bell). Ένα εμπορικό αποθετήριο φυσιολογικών και μη φυσιολογικών πνευμονικών ήχων (αναφέρεται ως R.A.L.E lung repository) χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση και την αξιολόγηση ενός φορητού ο οποίος κατασκευάστηκε ώστε να παρακολουθεί συνεχώς τους ήχους των πνευμόνων για την ανίχνευση κρίσεων άσθματος [8.26]. Ο αισθητήρας είναι μια διάταξη μικροφώνων για προ φιλτραρισμένη λήψη ακουστικού σήματος. Πρόκειται για μια σειρά ακουστικών συντονιστής (resonator) που αποτελείται από δεκατρία πιεζοηλεκτρικούς προβόλους (cantilevers). Τα αποτελέσματα παρουσίασαν ότι η πρόσβαση σε ένα αποθετήριο (repository) για δοκιμές για την ανίχνευση γεγονότων δεν εμπόδισε την εφαρμογή του ως φορητό σύστημα. Οι φορητοί ακουστικοί αισθητήρες μπορούν να είναι πολύ πρακτικοί. Ωστόσο, υπάρχουν πολλές σχεδιαστικές δυσκολίες όπως η επιλογή της ιδανικότερης θέσης τοποθέτησης, η αντιμετώπιση του ακουστικού θορύβου περιβάλλοντος και την ανίχνευση των περιστατικών κίνησης (movement artifacts). Ανάλογα με την εφαρμογή, η χρήση του δεν είναι πάντα δυνατή Αισθητήρες υγρασίας Οι ανιχνεύσιμοι αισθητήρες υγρασίας που βασίζονται στο πορώδες δίκτυο γραφενίου (μια χημική δομή ικανή να ανιχνεύει υγρασία) έχουν δοκιμαστεί για ανάλυση αναπνοής [8.27]. Οι 75

88 αισθητήρες είναι ικανοί να ανιχνεύουν την ανθρώπινη αναπνοή, άπνοια, ομιλία και ρυθμό σφυρίγματος. Οι αισθητήρες τοποθετούνται στο σώμα με μάσκα προσώπου, όπως φαίνεται στην Εικόνα Βασικό μειονέκτημα αυτού του αισθητήρα είναι ότι είναι δυσάρεστη η χρήση για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Εικόνα 8.12: Αισθητήρας υγρασίας προσαρτημένος σε μάσκα προσώπου [8.27]. Αυτή η εφαρμογή μειονεκτεί λόγω του ότι είναι δυσάρεστη η παρατεταμένη χρήση της μάσκας προσώπου Αισθητήρες οξυμετρίας Η οξυμετρία είναι η τεχνική που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του κορεσμού οξυγόνου. Αποτελείται από έναν μικρό πομπό υπερύθρων που φωτίζει ένα μικρό μέρος του δέρματος και έναν δέκτη που μετρά την απορρόφηση φωτός ανάλογα με τα επίπεδα οξυγονωμένου και αποξυγονωμένου αίματος [8.28]. Οι φορητοί αισθητήρες οξυμετρίας μπορούν να φορεθούν στον καρπό, στο δάχτυλο, στο κεφάλι, στους λοβούς των αυτιών, σαν ακουστικά και στον αστράγαλο και έχουν διατεθεί ευρέως στο εμπόριο [8.29] (Εικόνα 8.13). Εικόνα 8.13: Φορητές συσκευές οξυμετρίας [8.29]. Οι συσκευές οξυμετρίας είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς καθώς έχουν πολλές επιλογές για την θέση πάνω στο σώμα στην οποία μπορούν να τοποθετηθούν Αισθητήρες επιτάχυνσης Τα επιταχυνσιόμετρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την καταγραφή των αναπνευστικών κινήσεων κατά τη διάρκεια συμβάντων εισπνοής και εκπνοής [8.30]. Επίσης στο [8.30] 76

89 χρησιμοποιήθηκε ένας αισθητήρας τύπου BiostampRC που αποτελούνταν από ένα τριαξονικό επιταχυνσιόμετρο που μπορεί να τοποθετηθεί στο θωρακικό τοίχωμα, όπως φαίνεται στην Εικόνα 8.14β. Οι ερευνητές προσάρμοσαν έναν αισθητήρα τύπου EMFit για να αξιολογήσουν τα χωρητικά επιταχυνσιόμετρα υψηλής ανάλυσης MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) για την ταυτόχρονη ανίχνευση του αναπνευστικού ρυθμού [8.17]. Συνδέθηκαν δύο μονοαξονικά επιταχυνσιόμετρα στον ιμάντα όπως φαίνεται στην Εικόνα 8.14α. Ένα καλύτερο σήμα μπορεί να ληφθεί ανάλογα με τη θέση του αισθητήρα [8.31 και 8.32] επειδή τα υποκείμενα μπορεί να έχουν διαταραχές που επηρεάζουν τη συστολή των μυών κατά την διάρκεια της αναπνοής [8.33]. Τα επιταχυνσιόμετρα είναι ιδιαίτερα δημοφιλή σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Αυτό συμβαίνει επειδή οι αισθητήρες λειτουργούν σε ευρύ φασματική έκταση ενώ έχουν μικρές διαστάσεις και μικρό βάρος [8.34 και 8.35]. Όμως σε κλινικές εφαρμογές, η σωματική κίνηση τους μπορεί να έχει σοβαρή επιρροή σε αυτά [8.36]. Η ευαισθησία των μετρήσεων μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να καταγράφει τις δονήσεις με μεταβλητό πλάτος από τις διαφορετικές κινήσεις του σώματος αλλά και τις μικρότερες ταλαντώσεις λόγο της αρτηριακής πίεσης [8.37]. Επομένως, όπως και στις εφαρμογές με ακουστικούς αισθητήρες, όλες οι ανεπιθύμητες ατέλειες θα πρέπει να ανιχνεύονται ώστε να αποφεύγεται η λήψη αποφάσεων που έχουν ως βάση παραμορφωμένα πνευμονικά σήματα [8.38]. Η ενεργοποίηση συγχρονισμένης λειτουργικής ηλεκτρικής διέγερσης θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη αυτόν τον ανεπιθύμητο θόρυβο. Εικόνα 8.14: Ανίχνευση επιτάχυνσης με αισθητήρες. (α) Τα επιταχυνσιόμετρα ενός άξονα τοποθετήθηκαν κάθετα και παράλληλα σε σχέση με το επίπεδο του θώρακα [8.17]. (β) το σύστημα BiostampRC Αισθητήρες με βάση την αντίσταση (Resistive) Στο [8.16] χρησιμοποίησαν έναν υφασμάτινο αισθητήρα προκειμένου να ανιχνεύσουν πότε ο φορέας του αισθητήρα μιλούσε με βάση τις αλλαγές στον ρυθμό της αναπνοής. Η υλοποίηση που χρησιμοποίησαν αποτελείται από ανθεκτικούς αισθητήρες με βάση την αντίσταση επιμήκυνσης (resistive stretch) που κατασκευάζονται με αγώγιμο υλικό και ένα μείγμα πολυμερούς. Τα επιμέρους τμήματα προσαρτήθηκαν σε τρεις διαφορετικούς ιμάντες: άνω στήθος, κάτω στήθος και κοιλιά, όπως φαίνεται Εικόνα 8.15α. Η επέκταση και χαλάρωση του θώρακα ή της κοιλιάς έχουν ως αποτέλεσμα διακύμανση της αντίστασης του αισθητήρα με βάση την αντίσταση επιμήκυνσης (resistive stretch). Μελλοντικός στόχος αποτελεί ο αισθητήρας να μπορέσει να ενσωματωθεί άμεσα στα ρούχα. 77

90 Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή φορητών συσκευών. Η Εικόνα 8.15β δείχνει ένα παράδειγμα στο οποίο αναπτύχθηκε ένα έξυπνο υφασμάτινο πλέγμα για παρακολούθηση του αναπνευστικού ρυθμού χρησιμοποιώντας ένα αγώγιμο νήμα βασισμένο σε πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο [8.20]. Εικόνα 8.15: Παραδείγματα αισθητήρες με βάση την μεταβολή της αντίσταση ως συνάρτηση του τεντώματος: (α) (αριστερά) Σύστημα αποτελούμενο από διαφορετικούς ιμάντες για την παρακολούθηση της αναπνοής στο στήθος ή στην κοιλιακή χώρα ή ταυτόχρονα και στις δύο περιοχές [8.16]. (β) (δεξιά) πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας [8.20]. Τα περιστατικά κίνησης (Movement artifacts) αποτελούν επίσης πρόβλημα για αυτό το είδος αισθητήρων. Οι έρευνες πραγματοποιούνται ώστε να μπορέσουν να ενσωματώσουν αυτούς τους αισθητήρες στα ρούχα και να επιτρέψουν δραστηριότητες όπως το τρέξιμο και η ποδηλασία στο μέλλον [8.20,8.39,8.40] Συνδυαστικές (Multimodal) πλατφόρμες ανίχνευσης Έχουν αναπτυχθεί συστήματα φορέσιμα συνδυαστικά συστήματα χαμηλής κατανάλωσης για την συνεχή παρακολούθηση της αναπνευστικής δραστηριότητας. Η εικόνα 8.16 δείχνει ένα σύστημα με μια πλατφόρμα ανίχνευσης που αποτελείται από ένα επίθεμα στο στήθος, ένα περικάρπιο και ένα φορητό σπιρόμετρο [8.14]. Στόχος του είναι η παρακολούθηση της υγείας και του περιβάλλοντος για τη διαχείριση του άσθματος. Το επίθεμα στο στήθος μετρά το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ), τη σύνθετη αντίσταση του δέρματος, την κίνηση, τα ακουστικά σήματα και την φωτοπλασματογραφία (photoplethysmography PPG). Το σπιρόμετρο μπορεί να μετρήσει τον εξαναγκασμένη όγκο εκπνοής σε 1 s (forced expiratory volume in 1 sec FEV1), τη μέγιστη εκπνευστική ροή (peak expiratory flow PEF) και την εξαναγκασμένη εκπνευστική ικανότητα (forced expiratory capacity FVC). Οι αισθητήρες στο περικάρπιο προορίζονται για τη μέτρηση της έκθεσης στο όζον, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, της σχετικής υγρασίας, το PPG και της κίνησης. Η βασική ιδέα είναι να δημιουργηθεί ένα σύστημα για συνεχή μακροχρόνια παρακολούθηση της κατάστασης της υγείας και των περιβαλλοντικών παραγόντων που σχετίζονται με αναπνευστικά προβλήματα όπως το άσθμα. Αυτή η σύντομη επισκόπηση αποκάλυψε ότι διαφορετικοί αισθητήρες μπορούν να παρακολουθούν το ίδιο αναπνευστικό συμβάν και υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι εφαρμογής τους. Οι αισθητήρες που συζητήθηκαν δεν περιορίζονται στις εφαρμογές που αναφέρονται σε αυτό το κεφάλαιο. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές άλλες 78

91 εφαρμογές και με διαφορετικούς συνδυασμούς. Ένα από τους ποιο δύσκολους στόχους είναι να δημιουργηθεί μια αναπνευστική φορητή συσκευή με χαμηλό κόστος, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και ανοσία σε περιστατικά κίνησης (movement artifacts) εκτός από τα πνευμονικά. Εικόνα 8.16: Συνδυαστικό σύστημα [8.14]: Στόχος του είναι η παρακολούθηση της υγείας και του περιβάλλοντος για τη διαχείριση του άσθματος. 8.5 Βιβλιογραφία Όγδοου Κεφαλαίου [8.1]: Respiratory system (pulmonary system) anatomy, Health Engine, 27 Jun Available from: system. [8.2]: E. Mitchell, S. Coyle, N. E. O'Connor, D. Diamond and T. Ward, "Breathing Feedback System with Wearable Textile Sensors," 2010 International Conference on Body Sensor Networks, Singapore, 2010, pp , doi: /BSN Available from: [8.3]: Κοντούλη Καλλιόπη, Ειδικός Παιδίατρος, Το αναπνευστικό σύστημα και η λειτουργία του, [8.4]: Respiratory System, Tim Taylor, last updated: Jul 29, Available from: [8.5]: Paranasal Sinuses ant. Available from: [8.6]: Ελένη Περάκη, Ανατομία παραρρίνιων κόλπων, , pararrinion kolpon. [8.7]: Νίκη Κοτζιάς, Εισαγωγή στην Καρδιοαναπνευστική Φυσιολογία, Eisagogi stin kardioanapneystiki fysiologia.html. [8.8]: Νάσου Ειρήνη, Αναπνευστική φυσικοθεραπεία σε ασθενείς με νευρολογικές παθήσεις, τεχνολογικό εκπαιδευτικό ίδρυμα δυτικής Ελλάδας, σχολή επαγγελμάτων υγείας και πρόνοιας, τμήμα φυσικοθεραπείας, πτυχιακή εργασία, Αίγιο 2018, 79

92 [8.9]: Τερψιχόρη Μελετόπουλος, ΚΑΡΔΙΑΚΕΣ ΠΑΘΗΣΕΙΣ. Η καρδιά Η καρδιά είναι μια μυϊκή αντλία στο θώρακα που εργάζεται διαρκώς, ωθώντας μέρα νύχτα αίμα σε όλο το σώμα. Συσπάται και χαλαρώνει.. [8.10]: Σωκράτης Παπαντωνίου, Mυς επανάληψη 2016, [8.11]: Thorax, image. Available from: [8.12]: Expiration, image, South Dakota State University, from: [8.13]: Taisa Daiana da Costa, Maria de Fatima Fernandes Vara, Camila Santos Cristino, Tyene Zoraski Zanella, Guilherme Nunes Nogueira Neto and Percy Nohama (June 3rd 2019). Breathing Monitoring and Pattern Recognition with Wearable Sensors, Wearable Devices the Big Wave of Innovation, Noushin Nasiri, IntechOpen, DOI: /intechopen Available from: devices the big wave ofinnovation/breathing monitoring and pattern recognition with wearable sensors. [8.14]: J. Dieffenderfer et al., "Low Power Wearable Systems for Continuous Monitoring of Environment and Health for Chronic Respiratory Disease," in IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, vol. 20, no. 5, pp , Sept. 2016, doi: /JBHI Available from: [8.15]: Fang Y, Jiang Z, Wang H. A Novel Sleep Respiratory Rate Detection Method for Obstructive Sleep Apnea Based on Characteristic Moment Waveform. Journal of Healthcare Engineering. 2018;2018:1 10. Available from: [8.16]: Ejupi, A.; Menon, C. Detection of Talking in Respiratory Signals: A Feasibility Study Using Machine Learning and Wearable Textile Based Sensors. Sensors 2018, 18, Available from: /18/8/2474. [8.17]: Reinvuo T, Hannula M, Sorvoja H, Alasaarela E, Myllyla R. Measurement of Respiratory Rate with High Resolution Accelerometer and Emfit Pressure Sensor. In: Proceedings 2006 IEEE Sensors Applications Symposium, IEEE; Available from: [8.18]: Ionescu CM, Copot D. Monitoring Respiratory Impedance by Wearable Sensor Device: Protocol and Methodology. Biomedical Signal Processing and Control Jul;36: Available from: [8.19]: Ernst, F., & Saß, P. (2015). Respiratory motion tracking using Microsoft s Kinect v2 camera, Current Directions in Biomedical Engineering, 1(1), doi:

93 [8.20]: Molinaro N, Massaroni C, Lo Presti D, Saccomandi P, Di Tomaso G, Zollo L, et al. Wearable Textile Based on Silver Plated Knitted Sensor for Respiratory Rate Monitoring. In: th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). IEEE. 2018: Available from: [8.21]: Li S H, Lin B S, Tsai C H, Yang C T, Lin B S. Design of Wearable Breathing Sound Monitoring System for Real Time Wheeze Detection. Sensors Jan 17;17(12):171. Available from: /17/1/171. [8.22]: Grigor Abrahamyan M. Some Aspects of the Physics of Gas Flow in the Respiratory System. International Journal of Clinical and Experimental Medical Sciences. 2018;4(1):1. Available from: ics_of_gas_flow_in_the_respiratory_system. [8.23]: Poiseuille's law, from: s law. [8.24]: Koji Yatani and Khai N. Truong BodyScope: a wearable acoustic sensor for activity recognition. In Proceedings of the 2012 ACM Conference on Ubiquitous Computing (UbiComp '12). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, DOI: [8.25]: Yuasa Y, Takahashi K, Suzuki K. Wearable Flexible Device for Respiratory Phase Measurement Based on Sound and Chest Movement IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). 2017;2017 Jan: [8.26]: A. A. Shkel and E. S. Kim, "Wearable low power wireless lung sound detection enhanced by resonant transducer array for pre filtered signal acquisition," th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), Kaohsiung, 2017, pp , doi: /TRANSDUCERS Available from: [8.27]: Pang Y, Jian J, Tu T, Yang Z, Ling J, Li Y, et al. Wearable Humidity Sensor Based on Porous Graphene Network for Respiration Monitoring. Biosensors and Bioelectronics 2018 Sep;116(March): Available from: [8.28]: Jubran, A. Pulse oximetry. Crit Care 3, R11 (1999). [8.29]: Aliverti A. Wearable Technology: Role in Respiratory Health and Disease. Breathe Jun 18;13(2):e27 e36. Available from: [8.30]: Jortberg E, Silva I, Bhatkar V, McGinnis RS, Sen Gupta E, Morey B, Wright Jr JA, Pindado J, Bianchi MT. A novel adhesive biosensor system for detecting respiration, cardiac, and limb movement signals during sleep: validation with polysomnography. Nat Sci Sleep. 2018;10:

94 [8.31]: Moussavi ZK, Leopando MT, Pasterkamp H, Rempel G. Computerised acoustical respiratory phase detection without airflow measurement. Medical & Biological Engineering & Computing. 2000;38: [8.32]: Amini N, Sarrafzadeh M, Vahdatpour A, Xu W. Accelerometer based On body Sensor Localization for Health and Medical Monitoring Applications. Pervasive and Mobile Computing Dec;7(6): Available from: [8.33]: A. Jin, B. Yin, G. Morren, H. Duric and R. M. Aarts, "Performance evaluation of a triaxial accelerometry based respiration monitoring for ambient assisted living," 2009 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Minneapolis, MN, 2009, pp , doi: /IEMBS Available from: [8.34]: Wu Y. Novel High Sensitivity Accelerometer based on a Microfiber Loop Resonator. Optical Engineering Jan 1;49(1): Available from: doi: / [8.35]: Gomathi T, Shaby SM. Capacitive Accelerometers for Microelectromechanical Applications: A Review. In: 2016 International Conference on Control, Instrumentation, Communication and Computational Technologies (ICCICCT). IEEE; Available from: [8.36]: P. D. Hung, S. Bonnet, R. Guillemaud, E. Castelli and P. T. N. Yen, "Estimation of respiratory waveform using an accelerometer," th IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro, Paris, 2008, pp , doi: /ISBI Available from: [8.37]: D. B. Rendon, J. L. R. Ojeda, L. F. C. Foix, D. S. Morillo and M. A. Fernandez, "Mapping the Human Body for Vibrations using an Accelerometer," th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Lyon, 2007, pp , doi: /IEMBS Available from: [8.38]: Theresa A. Burnett, Eric A. Mann, Joseph B. Stoklosa, and Christy L. Ludlow, Self Triggered Functional Electrical Stimulation During Swallowing, 01 DEC [8.39]: Zięba, Janusz & Frydrysiak, Michal. (2006). Textronics Electrical and Electronic Textiles. Sensors for Breathing Frequency Measurement. Fibres and Textiles in Eastern Europe. 14. Available from: _Electrical_and_Electronic_Textiles_Sensors_for_Breathing_Frequency_Measureme nt. 82

95 9 Μέθοδοι επεξεργασίας σημάτων για αναπνευστικά σήματα 9.1 Ενίσχυση Ορισμένα σήματα αισθητήρων έχουν πολύ χαμηλό πλάτος και πρέπει να υποστούν επεξεργασία. Η ευαισθησία του EMFit, για παράδειγμα, είναι περίπου 2,2 7 mv / mmhg. Για σήματα τόσο μικρά, πρέπει να χρησιμοποιούνται ενισχυτές τάσης υψηλής εμπέδησης [9.1]. 9.2 φιλτράρισμα Ανάλογα με το σήμα, το φιλτράρισμα είναι επωφελές για την επεξεργασία [9.2]. Τα φίλτρα είναι αρκετά συνηθισμένα σε εφαρμογές βιοϊατρικής μηχανικής για να δοθεί έμφαση στο φασματικό περιεχόμενο των ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων [9.3]. Υπάρχουν σήματα με γνωστά φάσματα τα οποία έχουν διερευνήσει εκτενώς. Μόλις προσδιοριστεί το εύρος συχνοτήτων του σήματος, ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αποτρέπει την ανεπιθύμητη ενέργεια από τη συμβολή της στην επεξεργασία και τη λήψη αποφάσεων [9.4]. Για παράδειγμα, εάν η συχνότητα ακουστικής ζώνης σήματος ενδιαφέροντος είναι μεταξύ 500 και 900 Hz, τότε ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης που περιλαμβάνει αυτό το φάσμα εισάγεται στο κύκλωμα [9.5]. Για κάθε αισθητήρα, πρέπει να τοποθετηθεί ένα φίλτρο. Πίνακας 9.1: Σύνθεση της χρήσης φίλτρων σε αναπνευστικά σήματα. Πυγή Αισθητήρας Τύπος φίλτρου Συχνότητα αποκοπής (Hz) [9.1] Πιεσόμετρο και επιταχυνσιόμετρο 2 ης τάξης Butterworth χαμηλοπερατό φίλτρο 0.2 [9.8] Ακουστικός 2 ης τάξης Butterworth υψιλοπερατό και χαμηλοπερατό φίλτρα σε σειρά [9.9] Ακουστικός φίλτρο διέλευσης ζώνης [9.7] [9.10] Αντίστασης (Resistive) Πιεζοαντιστασιακό (Piezoresistive) φίλτρο διέλευσης ζώνης φίλτρο διέλευσης ζώνης [9.11] Επιταχυνσιόμετρο Χαμηλοπερατό φίλτρο 1 Τα φίλτρα μπορούν να εφαρμοστούν για την ελαχιστοποίηση του θορύβου υψηλής συχνότητας, διατηρώντας την μορφή του αναπνευστικού σήματος [9.6]. Ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης με συχνότητες αποκοπής 0,1 και 1,5 Hz εφαρμόστηκε για την αντιστάθμιση 83

96 πιθανών μετατοπίσεων (drifts) και τη μείωση του συνολικού επιπέδου θορύβου στα σήματα [9.7]. Ο Πίνακας 9.1 δείχνει ορισμένους τύπους φίλτρων που χρησιμοποιούν οι ερευνητές σε αυτόν τον τομέα. 9.3 Επεξεργασία από αναλογική σε ψηφιακή Παρά τις εξελίξεις στις ψηφιακές τεχνολογίες, εξακολουθούμε να ζούμε σε έναν κόσμο γεμάτο αναλογικά φαινόμενα και η ανθρώπινη φυσιολογία δεν αποτελεί εξαίρεση. Σχεδόν όλες οι ηλεκτρονικές βιοϊατρικές συσκευές χρησιμοποιούν κάποιο είδος μετατροπής κάποιας ποσότητας, από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα. Οι εξαιρέσεις είναι εκείνες οι συσκευές που λειτουργούν εξ ολοκλήρου σε αναλογική λειτουργία. Πίνακας 9.2: Παραδείγματα συχνοτήτων δειγματοληψίας. Πυγή Αισθητήρας Λειτουργία / Στόχος χρήσης Ρυθμός δειγματοληψίας Ιμάντες στήθους και [9.7] κοιλίας που περιλαμβάνουν έναν Παρακολούθηση ομιλίας 100 Hz αισθητήρα αντίστασης [9.14] Ακουστικός αισθητήρας που έχει διαμορφωθεί ως headset γύρο από τον λαιμό Ανίχνευση των δραστηριοτήτων της βαθιάς αναπνοής, κατάποσης στερεών, κατάποσης υγρών, ομιλίας, ψιθυρίσματος, σφυρίγματος, γέλιου, τραγουδιού, και βήχα. 22,050 Hz Ακουστικός αισθητήρας [9.15] που έχει εφαρμοσθεί με κολλητική ταινία κοντά Ανίχνευση άπνοιας ύπνου 44.1 KHz στη μύτη [9.8] Ακουστικός αισθητήρας που έχει εφαρμοσθεί με κολλητική ταινία πάνω στην θωρακική περιοχή Μέτρηση ακουστικών ήχων από τον θώρακα, συμπεριλαμβανομένων των πνευμονικών ήχων 4 KHz Ακουστικός αισθητήρας ενσωματωμένος σε ένα [9.9] φορέσιμο μηχανικό Ανίχνευση συριγμού (Wheeze) 2048 Hz σχεδιασμό πάνω από το δεξί στήθος Οι βασικοί παράγοντες της μετατροπής του σήματος από αναλογικής σε ψηφιακή μορφή πρέπει να ληφθούν υπόψη για την κατανόηση της λειτουργίας φορητών συσκευών. Ένας παράγοντας σχετίζεται με τις θεωρίες του Claude Shannon [9.12] και του Harry Nyquist [9.13]. 84

97 Η θεωρία δειγματοληψίας βοηθά στον προσδιορισμό της συχνότητας δειγματοληψίας f s των αναλογικών σημάτων. Για να ψηφιοποιηθεί σωστά ένα καθαρό ημιτονοειδές κύμα, πρέπει να χρησιμοποιείται συχνότητα δειγματοληψίας τουλάχιστον διπλάσια από τη μέγιστη συχνότητα του αναλογικού σήματος. Η γνώση της φασματικής περιοχής είναι επομένως ζωτικής σημασίας για τον προσδιορισμό του f s Τα ανθρώπινα ηλεκτροφυσιολογικά σήματα δεν είναι καθαρά ημιτονοειδή, συνεπώς οι κατασκευαστές βιοϊατρικών συστημάτων να είναι πολύ πιο προσεκτικοί στον προσδιορισμό του f s. Η γνώση της μέγιστης συχνότητας του εύρους ζώνης (f max ) είναι χρήσιμη, επειδή η θεωρία υποδεικνύει ότι ορίζει f s τουλάχιστον διπλάσια από αυτήν την τιμή (f s 2 f max ). Σε ορισμένες περιπτώσεις, προκριμένου να διατηρηθεί η χρήσιμη ενέργεια που περιέχει σημαντική πληροφορία, το fs πρέπει να είναι αρκετά υψηλό. Για παράδειγμα οι ακουστικοί ήχοι, περιέχουν την ισχύς του σήματος κυρίως κάτω από 5000 Hz [9.14]. Οι ερευνητές, επομένως, όρισαν f s = Hz, που καλύπτουν έως και την συχνότητα Hz, επειδή το εύρος θεωρήθηκε αρκετό για την εφαρμογή τους. Ο Πίνακας 9.2 δείχνει μερικά από τους ρυθμούς δειγματοληψίας που χρησιμοποιήθηκαν. Άλλοι εξίσου σημαντικοί παράγοντες επηρεάζουν την ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος της λειτουργίας και της ενεργειακής απόδοσης των φορητών συσκευών, όπως η διάρκεια του δειγματοληπτιμένου σήματος, η ανάλυση του σήματος μετά την μετατροπή κλπ. Ωστόσο, αυτοί οι παράγοντες δεν εξετάζονται σε αυτό το κεφάλαιο. 9.4 Γρήγορος μετασχηματισμός Fourier (Fast Fourier transform FFT) Ο γρήγορος μετασχηματισμός Fourier είναι ένας μετασχηματισμός που μετατρέπει το σήμα από το πεδίο του χρόνου στο πεδίο της συχνότητας και το αντίστροφα [9.2 και 9.16]. Αυτός ο μετασχηματισμός είναι σημαντικός επειδή είναι το πρώτο βήμα για την εξαγωγή φασματικών χαρακτηριστικών, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή χρήσιμων πληροφοριών για το σήμα. 9.5 Βιβλιογραφία Ένατου Κεφαλαίου [9.1]: T. Reinvuo, M. Hannula, H. Sorvoja, E. Alasaarela and R. Myllyla, "Measurement of respiratory rate with high resolution accelerometer and emfit pressure sensor," Proceedings of the 2006 IEEE Sensors Applications Symposium, 2006., Houston, Texas,USA, 2006, pp , doi: /SAS Available from: [9.2]: Antoniou A. Digital Signal Processing: Signals, Systems and Filters. McGraw Hill; p Available from: [9.3]: T. Zhao, X. Liu, G. Zhang and Y. Su, "Design of a programmable and low frequency filter for biomedical signal sensing applications," th International Congress on Image and Signal Processing, BioMedical Engineering and Informatics (CISP BMEI), Datong, 2016, pp , doi: /CISP BMEI Available from: 85

98 [9.4]: RM R. Introduction to Biomedical Signals. In: Biomedical Signal Analysis. John Wiley & Sons; [9.5]: Corbishley P, Rodríguez Villegas E. Breathing detection: towards a miniaturized, wearable, battery operated monitoring system. IEEE Trans Biomed Eng Jan;55(1): doi: /TBME PMID: Available from: [9.6]: Jortberg E, Silva I, Bhatkar V, McGinnis RS, Sen Gupta E, Morey B, Wright Jr JA, Pindado J, Bianchi MT. A novel adhesive biosensor system for detecting respiration, cardiac, and limb movement signals during sleep: validation with polysomnography. Nat Sci Sleep. 2018;10: , [9.7]: Ejupi A, Menon C. Detection of Talking in Respiratory Signals: A Feasibility Study Using Machine Learning and Wearable Textile Based Sensors. Sensors Jul 31;18(8):2474. Available from: /18/8/2474. [9.8]: J. Kirchner, S. Souilem and G. Fischer, "Wearable system for measurement of thoracic sounds with a microphone array," 2017 IEEE SENSORS, Glasgow, 2017, pp. 1 3, doi: /ICSENS Available from: [9.9]: Li, S. H.; Lin, B. S.; Tsai, C. H.; Yang, C. T.; Lin, B. S. Design of Wearable Breathing Sound Monitoring System for Real Time Wheeze Detection. Sensors 2017, 17, 171. Available from: /17/1/171. [9.10]: N. Molinaro et al., "Wearable textile based on silver plated knitted sensor for respiratory rate monitoring," th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Honolulu, HI, 2018, pp , doi: /EMBC Available from: /. [9.11]: A. Bates, M. J. Ling, J. Mann and D. K. Arvind, "Respiratory Rate and Flow Waveform Estimation from Tri axial Accelerometer Data," 2010 International Conference on Body Sensor Networks, Singapore, 2010, pp , doi: /BSN Available from: [9.12]: C. E. Shannon, "A mathematical theory of communication," in The Bell System Technical Journal, vol. 27, no. 3, pp , July 1948, doi: /j tb01338.x. Available from: [9.13]: Nyquist H. Nyquist Shannon Sampling Theorem. Princeton University; [9.14]: Koji Yatani and Khai N. Truong BodyScope: a wearable acoustic sensor for activity recognition. In Proceedings of the 2012 ACM Conference on Ubiquitous 86

99 Computing (UbiComp '12). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, DOI: [9.15]: Fang Y, Jiang Z, Wang H. A Novel Sleep Respiratory Rate Detection Method for Obstructive Sleep Apnea Based on Characteristic Moment Waveform. Journal of Healthcare Engineering. 2018;2018: [9.16]: Walker JS. Fast Fourier Transforms. CRC Press; p (Studies in Advanced Mathematics). 87

100 10 Βιοσήματα Εγκεφάλου (EEG) 10.1 Πως λειτουργεί η τεχνολογία ανίχνευσης εγκεφαλικών κυμάτων. Ένας συνδέτης είναι ένα μικρό μόρια το οποίο σε κυτταρικό επίπεδο λειτουργεί ως ένα σήμα. Όταν ο συνδέτης δεσμευθεί σε ένα υποδοχέα, μια σειρά από μονοπάτια δημιουργούνται εντός του κυττάρου, τα οποία βοηθούν στην ενεργοποίηση συγκεκριμένων πρωτεϊνών. Στη συνέχεια ενεργοποιεί ένα μοριακό μονοπάτι του υποδοχέα. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου το καθορισμένο σήμα να παραχθεί. Αυτό το σήμα στην συνέχεια κινείται κατά μήκος της σπονδυλικής στήλης και καταφθάνει στον εγκέφαλο όπου και βρίσκονται οι νευρώνες. Στον ανθρώπινο εγκέφαλο υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια νευρώνες οι οποίοι λειτουργούν συντονισμένα ώστε να παράγουν αντιδράσεις σε εσωτερικά και εξωτερικά ερεθίσματα. Ένας νευρώνας αποτελείται από τον πυρήνα, τον νευράξονα, τους δενδρίτες, το στρώμα μυελίνης και τις τους νευραξονικούς τερματισμούς (Εικόνα 10.1). Εικόνα 10.1 : Τυπική δομή νευρικών κυττάρων [10.1]. Ένα σήμα μεταδίδεται σε ένα νεύρο με την μορφή ηλεκτρικού παλμού, γνωστό ως δυναμικό δράσης ( action potential ή postsynaptic potential ), ό οποίος κινείται από τους δενδρικές προς τον νευραξονικό τερματισμό. Ο ηλεκτρικός παλμός αναγκάζει το νευρικό κύτταρο το απελευθερώσει νευροδιαβιβαστές (σηματοδοτικά μόρια) τα οποία με την σειρά τους προσκολλούνται στον υποδοχέα του επόμενου νευρικού κυττάρου. Η περιοχή μεταξύ δύο γειτονικών νευρώνων, στην οποία γίνεται η απελευθέρωση και επαναδέσμευση των νευροδιαβιβαστών, ονομάζεται σύναψη. Προκομμένου να εξαπολυθεί ένα δυναμικό δράσης στο μονοπάτι εντός του κυττάρου, θα πρέπει το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο των νευροδιαβιβαστών εντός της σύναψης να ξεπερνά ένα συγκεκριμένο κατώφλι. 88

101 Αν δεν επαρκεί το συνολικό φορτίο να ξεπεράσει το όριο, δεν μεταδίδεται κανένας ηλεκτρικός παλμός και το σήμα χάνεται. Όπως είναι φυσικό, ο ηλεκτρικός παλμός ενός μοναδικού νευρικού κυττάρου είναι πολύ ασθενής για να ανιχνευτεί αξιόπιστα. Όταν μερικές χιλιάδες νευρώνες εξαπολύουν σύγχρονα ηλεκτρικούς παλμούς, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο είναι αρκετά ισχυρό για να διαπεράσει ιστούς, κόκαλα και το κρανίο. Με την σειρά του μπορεί να ανιχνευθεί στην επιφάνεια του κεφαλιού με έναν ηλεκτροεγκεφαλογράφο. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από διαφορετικά τμήματα, το καθένα εκ των οποίων σχετίζεται με μια διαφορετική λειτουργία (Εικόνα 10.2). Εικόνα 10.2: Τα πέντε κύρια τμήματα του εγκεφάλου [10.3]. Ο εγκέφαλος αποτελείται από τα παρακάτω πέντε κύρια επιμέρους τμήματα: Ινιακός λοβός Είναι κυρίως υπεύθυνος για την επεξεργασία οπτικών πληροφοριών. Βρεγματικός λοβός Είναι κυρίως υπεύθυνος για κινητικές λειτουργίες και λειτουργεί σε αυτοαναφορικές εργασίες. Δραστηριοποιείται όταν συναντάμε αντικείμενα ή πληροφορίες που μας είναι σημαντικές. Κροταφικός λοβός Επιτελεί λειτουργίες που συνδέονται έμμεσα με την κατανόηση και παραγωγή λόγου. Έχει βρεθεί ότι εσωτερικές περιοχές του είναι ενεργέστερες σε δραστηριότητες πλοήγηση. Μετωπιαίος λοβός Το συγκεκριμένο κομμάτι του ανθρώπινου εγκεφάλου έχει αναλογικά μεγαλύτερη έκταση από ότι στα περισσότερα θηλαστικά. Έχει συνδεθεί με την εκτέλεση γνωστικών διεργασιών όπως τον έλεγχο της συμπεριφοράς, την ικανότητα να λαμβάνουμε αποφάσεις, να εκφράζουμε την προσωπικότητα και να κάνουμε σχέδια για το μέλλον με βάση τις αποφάσεις μας. Πέρα όμως από την προέλευση του σήματος μπορούμε να κατηγοριοποιήσουμε το είδος της δραστηριότητας με βάση την συχνότητα. Δέλτα (1 4 Hz) Σχετίζεται με την κατάσταση του ύπνου. Όσο μεγαλύτερη ένταση έχει αυτό το σήμα τόσο ποιο βαθύς είναι ο ύπνος. Έχει βρεθεί ότι το πλάτος του σήματος σχετίζεται με αυξημένη συγκέντρωση σε εσωτερικές διεργασίες της μνήμης. 89

102 Θήτα(4 7 Hz) Συσχετίζεται με ένα μεγάλο πλήθος γνωστικών λειτουργιών όπως την κωδικοποίησης την μνήμης και η ανάκτησή της, καθώς και ποιο απαιτητικές νοητικές διεργασίες. Τα θήτα σήματα γίνονται ποιο έντονα όταν πρέπει να λύσουμε ένα δύσκολο πρόβλημα (μετρήσουμε ανάποδα από το εκατό με βήμα 7, ή να θυμηθούμε μια συγκεκριμένη διαδρομή μεταξύ δύο σημείων). Επιπλέον σχετίζονται με το επίπεδο κούρασης. Άλφα(7 12 Hz) Γίνονται εμφανή όποτε κλείνουμε τα μάτια μας για να ηρεμήσουμε και είναι εντονότερα στην κατάσταση της ήρεμης συγκέντρωσης (relaxed wakefulness). Επίσης συνδέονται με την κατάσταση προσοχής και της αυτοσυγκράτησης. Βήτα(12 30 Hz) Εμφανίζονται στις περιοχές του εγκεφάλου που σχετίζονται με την κίνηση και δυναμώνουν όταν κινούμε κάποιο άκρο του σώματος. Ενδιαφέρον είναι ότι αυτό το σήμα δυναμώνει και όταν παρακολουθούμε τις κινήσεις κάποιου άλλου. Ό εγκέφαλός μας φαίνεται πως αντιγράφει τις κινήσεις του σώματος που παρατηρούμε, το οποίο υποδεικνύει ότι υπάρχει ένα πολύπλοκο νευρικό σύστημα καθρέπτη μέσα στον εγκέφαλό μας το οποίο ελέγχεται από τις θήτα συχνότητες. Γάμμα(>30 Hz,τυπικά 40 Hz) Κάποιο πιστεύουν ότι αντικατοπτρίζουν προσεκτική συγκέντρωση και ότι λειτουργούν ως η κύρια συχνότητα φορέας για την διευκόλυνση της ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου. Άλλοι την συσχετίζουν με την ταχύ κίνηση των ματιών (microsaccades), η οποία θεωρείται σημαντικότατη για την οπτική (sensory) και την πρόσληψη πληροφοριών Διαφορετικοί τύποι ηλεκτροδίων Επεξεργασία των δεδομένων μετά από το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα είναι αρκετά απαιτητική. Η επεξεργασία του σήματος περιπλέκεται λόγο της ύπαρξης τεχνικών σφαλμάτων τα οποία προέρχεται είτε από εξωτερικές ηλεκτρικές πυγές. Για παράδειγμα μια απλή οικιακή συσκευή ή ένα καλώδιο τροφοδοσίας. Ακόμα και βιολογικούς παράγοντες που προχέονται από την κίνηση των μυών και την αναπνοή μπορούν να επηρεάσουν την ακρίβεια τον μετρήσεων. Τόσο ο εντοπισμός των τεχνικών σφαλμάτων, η απόσβεσή τους, η εξαγωγή χαρακτηριστικών και ο παραμετροποίηση των διανοητικών χαρακτηριστικών ώπος το φόρτο εργασίας, ο βαθμός συγκέντρωσης (engagement), η υπνηλία και η διαύγεια απαιτούν γνώση και εμπειρία ώστε να μπορούν να αναγνωριστούν και να γίνει εφικτός ο υπολογισμός χρήσιμων πληροφοριών και να συλλεχτούν δεδομένα. Ο ηλεκτροεγκεφαλογράφος (ΗΕΓ) προτιμάται γιατί είναι ένας μη παρεμβατικός και απλός τρόπος για να καταγραφεί η εγκεφαλική δραστηριότητα. Σας σήμα λαμβάνει το άθροισμα των μετασυναπτικών νευρικών δυναμικών εντός μια μεγάλης ζώνης (1 έως 6 cm 2 ) του φλοιού του εγκεφάλου. Επίσης το ΗΕΓ έχει υψηλή χρονική ανάλυση σε σύγκριση με άλλες μεθόδους όπως ο απεικονιστικός λειτουργικός μαγνητικός συντονισμός (Functional magnetic 90

103 resonance imaging fmri) και η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (positron emission tomography PET). Μπορεί να φτάσει ακρίβεια ενός ms και η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καταγραφεί αυθόρμητη ή τυχαία εγκεφαλική δραστηριότητα (δηλαδή όταν δεν υπάρχει συγκεκριμένη ενέργεια ή καλά καθορισμένη διαδικασία που πρέπει να εκτελέσει το άτομο υπό παρακολούθηση) αλλά και για δραστηριότητα που συνδέεται με την εκτέλεση συγκεκριμένων διαδικασιών ( μέτα από ένα συγκεκριμένο ερέθισμα ή μια δραστηριότητα). Υπάρχουν διαφορικοί τύποι ηλεκτροδίων. Ανάλογα με τον τύπο του πειράματος (στατικό ή κινητικό), το χώρο διεξαγωγής του πειράματος και το είδος των σημάτων που θέλουμε να λάβουμε, πρέπει να χρησιμοποιηθούν και τον κατάλληλο εξοπλισμό. Υπάρχουν κυρίως τέσσερις τύποι ηλεκτροδίων: τα υγρά, τα στεγνά, τα ενεργά και τα παθητικά. Τα υγρά ηλεκτρόδια κατασκευάζονται κυρίως από άργυρο ή χλωριούχο άργυρο (Ag / AgCl). Χρησιμοποιούν ένα ηλεκτρολυτικό τζελ σαν αγωγός μεταξύ το δέρμα και το ηλεκτρόδιο. Στεγνά ηλεκτρόδια αποτελούνται από ένα μέταλλο που λειτουργεί σαν αγωγός μεταξύ το δέρμα και του ηλεκτρόδιου. Συνήθως χρησιμοποιείται ανοξείδωτο ατσάλι. Τα ενεργά ηλεκτρόδια έχουν ένα προ ενισχυτικό στάδιο (pre amplification module) αμέσως μετά το αγώγιμο υλικό που βρίσκετε μεταξύ του δέρματος και του ηλεκτροδίου. Κατά αυτό τον τρόπο, το σήμα ενισχύεται πριν προστεθεί επιπλέον θόρυβος μεταξύ του ηλεκτροδίου και του συστήματος τα οποία θα λαμβανόταν, επεξεργαζόταν και θα ενίσχυαν το σήμα. Εν αντίθεση τα παθητικά ηλεκτρόδια δεν έχουν προ ενισχυτικό στάδιο(pre amplification module).αντιθέτως, απλά επεκτείνεται η σύνδεση από το αγώγιμο υλικό έως τον εξοπλισμό για να καταγραφεί, να επεξεργασθεί και να ενισχυθεί το σήμα Υγρά ηλεκτρόδια Σύμφωνα με έρευνες [10.6, 10.7, 10.8, 10.9 και 10.10], η εμπέδηση μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ρεύματος σχετίζεται άμεσα με την απόδοση του ηλεκτροδίου. Σε αυτή την περίπτωση, είναι ιδιαίτερα χρήσιμο να χρησιμοποιούνται ενεργά ηλεκτρόδια, καθώς σταθεροποιεί την απόδοση του ηλεκτροδίου, μειώνοντας την εξάρτηση από το αγώγιμο τζελ. Επιστήμονες του ινστιτούτο των νευροεπιστημών και της ψυχικής υγείας του Καναδά [10.5], διεξήγαγαν μια έρευνα στην οποία συμμετείχαν οκτώ άτομα. Για να λάβουν τα δείγματα του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος χρησιμοποίησαν μία συσκευή V AMP της εταιρίας Brain Product. Οι συμμετέχοντες υποβάλλονταν σε ακουστικά ερεθίσματα κατά την διάρκεια της λήψης του σήματος του ΗΕΓ. Συνεπώς τα δείγματα που έλαβαν οι ερευνητές από τα υποκείμενα περιείχαν προκλητά δυναμικά (Event Related potentials ERPs). Όπως είναι εμφανές από την Εικόνα 10.3, τα ενεργά ηλεκτρόδια εμφάνισαν μια ποιο άμεση απάντηση με βάση τα προκλητά δυναμικά (ERPs) που ανιχνεύτηκαν μετά από την εκπομπή των ακουστικών ερεθισμάτων. Επιπλέον, εμφάνισε λιγότερο σφάλμα (απόκλιση τάσης) μεταξύ του σήματος αναφοράς και του σήματος από την μέτρηση των ηλεκτροδίων. 91

104 Εικόνα 10.3: Σήματα που αποκτήθηκαν από ΗΕΓ αναλύσεις [10.4 και 10.18]. Α) Κάθε διάγραμμα δείχνει το σήμα αναφοράς και το σήμα που μετρήθηκε με καθένα από τα ηλεκτρόδια (υγρά παθητικά, υγρά ενεργά, και στεγνά παθητικά). Β) κρανιακή τοπογραφία της διαφοράς τάσης μεταξύ του σήματος αναφοράς και τον ηλεκτροδίων. C) Δείχνει γραφικά το επίπεδο θορύβου που αποκτήθηκε από κάθε τύπου ηλεκτροδίου. Τα πλεονεκτήματα των υγρών ηλεκτροδίων έχουν αντίτιμο το υψηλό κόστος, το οποίο μπορεί να είναι ασύμφορο με τις ανάγκες ενός πειράματος. Για την εφαρμογή τους, χρειάζεται η εφαρμογή ενός τζελ πάνω σε κάθε ηλεκτρόδιο ξεχωριστά. Με την αύξηση του αριθμού ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται, επιμηκύνεται αναλογικά και ο χρόνος που απαιτείται για την προετοιμασία τους. Ιδικά όταν το σημείο εφαρμογής βρίσκονται σε περιοχή με υψηλή ευαισθησία στην οποία μπορεί να προκληθεί ερεθισμός (όπως γύρο από τα μάτια). Επιπλέον, όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για εκτεταμένες χρονικές περιόδους, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι το τζελ μπορεί να ξεραθεί. [10.10, και 10.12]. Συνεπώς, ενδέχεται να είναι αναγκαία η διακοπή της παρακολούθησης του σήματος για την επαναεφαρμογή του τζελ. Όμως, η αφαίρεση των ηλεκτροδίων απαιτεί παραπάνω χρόνο για τον καθαρισμό των ηλεκτροδίων και της περιοχής στην οποία εφαρμόζονταν. Τέλος, τα ηλεκτρόδια πρέπει να διατηρούνται στεγνά όταν δεν χρησιμοποιούνται. Αν και τα περιστατικά είναι σπάνια, υπάρχουν ανησυχείς για την τοξικότητα των τζελ που 92