Sistem bioinstrumental noncontact de: evaluare/analiza cantitativa a pacientilor parkinsonieni

Raport de Cercetare

Grant:

SISTEM BIOINSTRUMENTAL NONCONTACT DE: EVALUARE/ANALIZA CANTITATIVA A PACIENTILOR PARKINSONIENI SI DE INTERPRETARE A LIMBAJULUI NONVERBAL

Autori:

Conf. Dr. Ing. Cleju Ioan, Sef Lucrari Dobrea Dan Marius

Universitatea:

Tehnica "Gh. Asachi"

Aceasta tema de cercetare, rezolvata conform obiectivelor intermediare propuse, realizeaza, printr-o abordare interdisciplinara, un nou dispozitiv bioinstrumental: (a) de evaluare/analiza cantitativa a pacientilor parkinsonieni si (b) de interpretare a limbajului nonverbal.

(a) Datorita necesitatii unor evaluari obiective a:

rezultatelor obtinute in urma interventiilor chirurgicale

evolutiei bolii

stabilirii dozajului corect medicamentos pentru fiecare individ in parte,

alegerii metodei optime de tratament,

cat si din dorinta determinarii momentului optim de aplicare a tratamentului medicamentos,

metodele de determinare cantitativa a progresului starii unui pacient Parkinsonian capata o importanta din ce in ce mai mare.

La ora actuala cea mai comuna metoda de evaluare a gravitatii simptoamelor bolii pacientilor Parkinsonieni sunt scalele de evaluare clinica care atribuie un scor afectiunii fiecarui pacient in parte. Dezavantajul acestor metode este dat, in principal, de subiectivismul lor, diferiti medici atribuind scoruri diferite aceluiasi pacient, neexistand astfel o reproductibilitate a masuratorilor. Aceasta dispersie in evaluarea pacientilor este datorata, in principal, experientei diferite a medicilor si faptului ca, la un moment dat, ei pot privi numai o cros-sectiune a pacientului.

Tinandu-se cont de aceste considerente si de noile dezvoltari in electronica, se doreste construirea unor sisteme bazate pe senzori de miscare (accelerometrici, giroscopici, goniometrici, optici, sesizori ai campului terestru electromagnetic) capabili sa evalueze gravitatea simptoamelor si, in mod corespunzator, a bolii Parkinson. Din pacate, dezvoltarea unor astfel de sisteme de monitorizare a afectiunilor motorii se afla abia la inceput [Keijsers, 2003]. Pana la ora actuala nu exista nici o metoda care sa se fi impus ca standard in evaluarea cantitativa sau calitativa a gravitatii simptomelor pacientilor Parkinsonieni.

(b) Ceea ce intr-adevar da substanta unei comunicari si interactiuni directe fata-in-fata, in viata reala, dincolo de vorbire, este limbajul nonverbal al persoanelor [Pease, 1992] si, de asemenea, modul prin care ele isi exprima sentimentele, gandurile si starile emotive prin intermediul miscarilor si pozitiilor corpului precum si prin mimica fetei. Daca dorim sa imbunatatim comunicarea in cadrul interactiunii om-masina sau a mediilor virtuale, am putea utiliza miscarea corpului pentru detectarea starilor utilizatorului. Mai mult, un sistem poate utiliza miscarea corpului si pozitia utilizatorului, raportat la obiectele din mediul inconjurator, pentru a evalua starea persoanei: nervozitate, lipsa atentiei, oboseala motorie, agitatie, confuzie etc.

Pentru a raspunde problemelor anterior prezentate ( (a) evaluarea cantitativa a pacientilor Parkinsonieni si (b) identificarea limbajului nonverbal) un nou senzor laser noncontact este prezentat in acest raport de grant. Acest sistem a fost introdus pentru prima data in lucrarea [Dobrea, 2002] care a si constituit punctul de plecare al acestui grant. In urma dezvoltarilor realizate in cadrul acestui proiect a fost publicata lucrarea [Dobrea, 2004] care schiteaza noul sistem dezvoltat. Cu ajutorul acestui sistem se poate determina in mod continuu distanta intre un punct de observare (reprezentat de o camera video) si o anumita parte a corpului unui subiect - de exemplu pentru cuantizarea semnalului de tremur a capului pacientilor Parkinsonieni doua astfel de sisteme vor fi folosite pentru determinarea pozitiei exacte a acestuia.

Mai mult, cu ajutorul aceluiasi sistem se pot determina si anumite posturi pe care un subiect le manifesta. In cadrul acestei directii se vor prezenta rezultatele obtinute, legate de:

1. Extragerea trasaturilor caracteristice pentru diferentierea posturilor subiectilor.
2. Testarea existentei unor corelatii semnificative intre anumite stari afective reflectate in limbajul nonverbal si trasaturile caracteristice extrase.
3. Construirea clasificatorului pentru diferentierea starilor afective; testarea clasificatorului

1. Principiul de functionare

Sistemul prototip este alcatuit dintr-un scanner laser, o camera video si un program software care controleaza scanner-ul, achizitioneaza imaginile si extrage informatia privind distanta/pozitia trunchiului persoanei. Principiul de functionare al intregului sistem se bazeaza pe generarea de catre scanner-ul laser a unui plan laser la un unghi constant fata de planul orizontal. Atunci cand planul laser loveste tinta, o linie luminoasa corespunzand laserului apare pe aceasta, Figura 1.

Sistemul utilizeaza o singura camera video conventionala care achizitioneaza imagini din zona unde planul laser se proiecteaza pe tinta dorita (in cazul celor doua probleme pe care doresc sa le rezolv: trunchiul subiectului - pentru sistemul de interfata nonverbala om calculator - sau capul pacientului in momentul in care se doreste sa se determine pozitia si sa se achizitioneze semnalul de tremur al acestuia). Cu aceasta camera video, software-ul achizitioneaza doua imagini consecutive: prima, cu dioda laser aprinsa, astfel o proiectie laser de lumina aparand pe tinta Figura 2(a) si, a doua, cu dioda laser stinsa Figura 2(b). Facand diferenta dintre cele doua imagini obtinem, ca rezultat, doar linia laser proiectata pe trunchiul subiectului Figura 2(c). Utilizandu-se acest principiu de operare, extragerea conturului laser este foarte simpla si rapida - acesta este de altfel unul dintre avantajele acestui sistem chiar daca sunt utilizate imagini pentru determinarea distantelor.

Figura 1 Principiul determinarii distantei folosind noul sistem

Daca obiectul este situat departe, conturul laser va fi situat in partea superioara a imaginii, in caz contrar acesta va fi mai apropiat de baza acesteia. In Figura 1 se observa acest comportament - h₁ versus h₂. Aceeasi idee se evidentiaza si din Figura 2 unde se observa existenta informatiei de profunzime reflectata prin distanta fiecarui punct de pe conturul extras fata de baza imaginii (proiectia pe zid, pe pieptul si, respectiv, mana subiectului).

2. Implementarea senzorului de miscare utilizand un DSP

In prima implementare a acestui sistem [Dobrea, 2002] cel putin o problema a aparut, aceasta determinand dealtfel reproiectarea sistemului. Deoarece intreg sistemul era controlat doar de catre calculatorul personal (acesta trebuind sa: controleze generarea planului laser, achizitionarea imaginilor, extragerea proiectiei planului laser si determinarea distantelor), chiar daca datorita principiului de operare sistemul este rapid, atunci cand s-a incercat integrarea senzorului laser intr-un sistem bioinstrumental complex (care inglobeaza in plus si alte sisteme de achizitionare a semnalelor fiziologice), utilizat in determinarea starii fiziologice a unui subiect, timpul de raspuns global al sistemului a devenit foarte mare. Din acest motiv o noua abordare a sistemului bioinstrumental trebuia gasita. S-a ales, in acest sens, reproiectarea senzorului de miscare. Acesta, in noua conceptie, trebuia sa execute independent toate sarcinile anterior mentionate iar la sfarsit sa comunice calculatorului personal doar rezultatele (o serie de timp care sa furnizeze informatia de distanta intre punctul de observatie si subiect sau sa notifice sistemul master cand subiectul isi schimba postura ori cand abordeaza anumite pozitii standard cu o anumita semnificatie din punct de vedere al limbajului nonverbal).

Figura 3 Implementarea finala a senzorului de miscare utilizandu-se

DSP-ul TMS320C6416 [Dobrea, 2004]

Noul sistem a fost construit in jurul DSP-ului TMS320C6416, produs de Texas Instruments^TM, fiind total independent si oferind si posibilitatea evidentierii unor anumite posturi ale subiectului. In acest mod senzorul de miscare este usor integrabil intr-un sistem complex bioinstrumental necesitand minimul de putere de calcul din partea acestuia. In Figura 3 se prezinta noua implementare a sistemului.

2.1. Partea hardware a sistemului

Partea hardware a senzorului de miscare este formata din sistemul de generare a planului laser si din DSP-ul si circuitele aferente de interfatare cu partea electromecanica.

Sistemul de generare a planului laser

Sistemul de generare a planului laser (scanner-ul), Figura 3, este format dintr-o dioda laser, de putere redusa, si de un sistem mecanic cu sase oglinzi fixate de o placa intr-o configuratie hexagonala. Sistemul de oglinzi este comandat de un motor fara perii. Pozitia fiecarei oglinzi poate fi controlata independent cu ajutorul unui sistem mecanic atasat fiecarei oglinzi. In acest mod planul laser generat va avea acelasi unghi fata de planul orizontal pentru fiecare oglinda in parte. Una din noile modificari introdusa fata de implementarea precedenta a constat in imbunatatirea sistemului de reglaj al pozitiei oglinzilor. Motorul este comandat de un sistem de stabilizare a turatiei, Figura 4, care determina obtinerea unei frecvente de baleiere de 5 rotatii pe secunda a intregului sistem hexagonal optic. Astfel se obtine o frecventa de generare a planului laser de 30 de ori pe secunda.

Schema bloc de comanda si control a motorului trifazat este prezentata in Figura 4. Deoarece sistemul de comanda si control al motorului este clasic, nu se va insista pe modul de functionare al acestuia, in schimb in continuare se va prezenta o noua modalitate de implementare a redresorului pentru reducerea influentelor sale nedorite asupra retelei precum si a inlaturarii dezavantajelor redresoarelor clasice care sunt generate in principiu de caderile de tensiune pe elementele componente. Acest redresor este in punte necomandata neinjectand armonici ale curentului cu valori inadmisibile in reteaua de tensiune. Cu toate ca in implementarea practica a sistemului, redresorul din schema bloc prezentata in Figura 4 este unul monofazat, pentru pastrarea generalitatii se va prezentata topologia, modul de functionare si performantele unui sistem trifazat, aplicarea acestor rezultate pentru reteaua monofazata fiind directa.

Eliminarea armonicilor superioare ale curentului din retele se poate obtine nu numai cu ajutorul unor sisteme de filtrare (active sau pasive) sau redresoare PWM dar si prin utilizarea acestui nou convertor de tip AC-DC avand curentii de la intrare practic sinusoidali, cunoscut sub numele RNSIC (rectifier with near-sinusoidal input current), [Alexa, 2004a] [Alexa, 2004b]

---

Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate