tdk dolgozat - users.itk.ppke.huusers.itk.ppke.hu/~tihanyia/stimul/tdk2011.pdf · tdk dolgozat...
TRANSCRIPT
TDK dolgozat
Intelligens stimulátor rendszer fejlesztése gerincvelő sérültek
rehabilitációs tornájának funkcionális bővítéséhez
Pázmány Péter Katolikus Egyetem
Információs Technológiai Kar
Fodor András
Nagy György
Témavezető: Tihanyi Attila,
Konzulens: Dr. Laczkó József
2011
2
Jelen dolgozat 2011. április 18 – 20.
XXX. Jubileumi Országos Tudományos Diákköri Konferencia
Informatika Tudományi Szekciójában
I. helyezést és Különdíjat ért el.
3
Tartalomjegyzék
1 Tartalmi összefoglaló........................................................................................................... 5
2 Executive Summary ............................................................................................................. 6
3 Bevezetés............................................................................................................................. 8
4 Élettani kitekintés................................................................................................................ 9
5 Ingerlés hatása................................................................................................................... 12
5.1 Stimulációs paraméterek szerepe ................................................................................. 13
5.2 Előforduló technikák...................................................................................................... 17
5.3 Stimulátor fejlesztésnél figyelembevett további jellemzők .......................................... 19
5.4 A fejlesztés során figyelembe vett peremfeltételek...................................................... 22
5.4.1 Készülékünk specifikációja ................................................................................ 22
5.4.2 Orvostechnikai berendezések elektromos követelményei ............................... 22
6 Izomstimulátor felépítése ................................................................................................. 25
6.1 Izomstimulátor vázlat .................................................................................................... 26
6.2 Kimeneti áramkör tervezése ......................................................................................... 26
6.3 Elkészített prototípus .................................................................................................... 27
6.3.1 Orvoselektornikai életvédelmi elválasztás transzformátoros megoldása......... 27
6.3.2 Orvoselektornikai életvédelmi elválasztás optikai megoldása.......................... 30
6.3.3 Kimeneti áram szabályozása, PWM megvalósítása........................................... 32
6.3.4 Tápfeszültséget előállító áramkör ..................................................................... 35
6.3.5 Szöghelyzet kalibrálása...................................................................................... 37
7 Elkészült a stimulátor ........................................................................................................ 39
7.1 Mért és származtatott adatok jelentősége ................................................................... 40
8 Programrendszer felépítése .............................................................................................. 43
8.1 Firmeware programja.................................................................................................... 43
8.1.1 Timerek.............................................................................................................. 44
8.1.2 SD/MMC kártya ................................................................................................. 46
4
8.1.3 Adatszerkezetek és stimulációs paraméterek ................................................... 48
8.1.4 Menürendszer, és a stimulátor használata ....................................................... 53
8.2 A gyűjtött adatok kiértékelése ...................................................................................... 56
8.3 Online monitorozás ....................................................................................................... 58
9 Fejlesztési lehetőségek...................................................................................................... 59
9.1 Rövidtávú fejlesztési lehetőségek ................................................................................. 59
9.2 Távlati célok és lehetőségek.......................................................................................... 61
10 Összefoglalás ................................................................................................................. 62
11 Köszönetnyilvánítás....................................................................................................... 63
12 Irodalomjegyzék ............................................................................................................ 64
13 Melléklet........................................................................................................................ 66
5
1 Tartalmi összefoglaló
Bizonyára mindenki találkozott már mozgássérültekkel, akik közúti balesetben,
vízbeugrás következtében vagy munkahelyi baleset során sérültek meg. Az
orvostudomány egyre többet foglalkozik a sérültek rehabilitációjával. A
mozgásképtelen végtagokon az izmok elsorvadnak és a betegek
egészségmegőrzéséhez elengedhetetlen ezek edzésben tartása.
A mai mikroprocesszoros technika lehetővé teszi, hogy elektrostimuláció
segítségével több izmot egymással szinkronizált módon működtessünk, és így
bonyolultabb mozgásformát hozzunk létre. Ezzel a technikával készítettünk egy
műszert, amellyel bicikliző mozgás idézhető elő, így a kondicionálás megoldható. Az
egyenletes és finom mozgás kialakításához a stimuláció több paraméterét kell
páciens specifikusan meghatározni. Beállítandó érték lehet az ingerlő impulzus
alakja, frekvenciája, amplitúdója. A kereskedelemben kapható néhány, erre a célra
kifejlesztett eszköz, de ezek nem elég rugalmasak, kifinomultak (némelyikük nem
használ specifikus bemenő adatokat), nem lehet elég dinamikusan állítani az előbb
felsorolt paramétereket, és emellett igen drágák.
Célunk egy olyan költséghatékony eszköz kifejlesztése, amely megkönnyíti a
kutatók munkáját, valamint a rendszer egyéni használatát. Az általunk készített
stimulátor sokkal több lehetőséget nyújt a frekvencia, az amplitúdó és az
impulzusszélesség beállítására, az egyes beállítások hatásainak visszamérésével
tudjuk segíteni a finom mozgások kialakítását. Egy szöghelyzetadó segítségével
határozzuk meg a csatornák időzítését, a páciensre jellemző adatokat egy
memóriakártyáról lehet beolvasni. Kijelző, nyomógombok és rotary encoder
segítségével valósítottuk meg az ember gép kapcsolatot. Az eszközt kiegészítettük
adatgyűjtő funkciókkal is, amelyek segítségével folyamatosan nyomon tudjuk követni
a betegek teljesítményét és állapotát az edzés alatt. Az adatokat az általunk
fejlesztett szoftverrel elemezhetik az orvosok. Online monitorozást valósítottunk meg,
amely megjeleníti az edzés aktuális jellemzőit, és a távoli számítógépes kapcsolatot
is támogatja.
Ezen felül a mérési eljárásokat alakítottunk ki, megalapozva a további
fejlesztéseket. Nagy előny, hogy non invazív módon valósítjuk meg az ingerlést
valamint az adatgyűjtést, állapotfelmérést. A rendszer rugalmassága és teljessége
lehetővé teszi az önálló edzést, és a paramétereket elküldve a kezelőorvosnak,
folyamatos felügyelet alatt vannak a betegek. Stimulációs és mérőrendszerünk
biztonságos, a klinikai és otthoni alkalmazásban jól használható, egyszerűsíti a
tudományos kutatás alapját képező adatgyűjtést, valamint technikai alapot nyújt olyan
kutatásokhoz, amelyek bicikliző, vagy egyéb mozgásokat szeretnének előidézni
mozgássérültek rehabilitációjának céljából.
6
2 Executive Summary
Everyone surely encountered handicapped persons, who have suffered
injuries in road accidents, in workplace accidents, or diving injuries. Medicine is
becoming more concerned with the rehabilitation of these mentioned victims. The
muscles moulder on the spastic limbs, so it is indispensable to keep them in training
in order to preserve the health of the injuried people. It is resolvable with the help of
electrostimulation to urge the astriction of the stimulated muscles. The
microprocessor technology nowadays allows more muscle to operate in
synchcronization with each other, so it is possible to establish a more complicated
form of exercises. We have created a device with this technology, which can induce a
cyclical move, hereby the conditioning is resolvable. To create the steady and smooth
movement, we have to define specifically the multiparameters of the stimulation.
During the setting process, the determinative values can be the pulse width, the
frequency, and the amplitude. There are a few commercially available, dedicated
devices, but they are not sufficiently flexible, sophisticated (some of them do not use
the specific input datas), and may not be enough to dinamically adjust the parameters
listed above, and are also very expensive. Our main goal is to develop and create a
cost effective tool, that facilitates the work of doctors, researchers, and the individual
use of the system. The stimulator made by us offers a lot more opportunity in order to
adjust the frequency, the amplitude, and the impulse width, and we can help the
performance of the fine movements with the back measuring of the impacts related to
the certain adjustments.With the help of a rotary encoder we define the timing of the
channels, and the patient specific informations can be read from a memory card. The
human machine interface can be established by the display, the push buttons, and a
rotary encoder. The device is completed with data acquisiton capabilities, which help
to keep track of the patient’s status and performance during the training. These are
the following measured datas: workout time, current speed, average speed, the
travelled distance, and the finished work. From these resulted datas we can the
additional attributes can be derived, and these are related to the further trainings.
Besides the parameters of the training it is also very important to monitor the
condition of certain patients. We can register the pulse and the blood pressure. The
doctors can analyze the datas with the help of the software developed by us. Online
monitoring has been carried out, which displays the actual characteristics of the
training, and also supports the connection to a remote computer. In addition, we have
developed measurement procedures, laying the foundations of further improvements.
It is a great advantage, that we realize the stimulation, the data collection, and the
status tacheomatry in a non invasive way. The flexibility and the completeness of this
system allows the self dependent training, and the parameters had been sent to the
7
therapist, the patients are got under a constant supervision. Thus we can do a huge
unbordening from the shoulders of the disabled persons, and their relatives, because
they do not need to travel into a rehabilitation institute every other week, and spend
there a few days. Our stimulation and measurement system is secure, can be used
efficiently in home and clinical usage, simplifies the data collection which is needed to
scientific research, serves as a technical base for such researches, which have the
determinated goal, to induce the cycling or other movements in order that the
disabled persons have a succesfull and clear rehabilitation.
8
3 Bevezetés
Az orvostudomány egyre többet foglalkozik gerincsérültek rehabilitációjával,
ami magában foglalja motoros funkcióik helyreállítását, karbantartását, romlásának
megakadályozását. A mozgásképtelenség kompenzálására egy ígéretes alternatíva,
az izmok közvetlen funkcionális elektromos ingerlése. A funkcionális
elektrostimulációt (FES) elterjedten alkalmazzák egyszerű és összetett
mozgásformák létrehozásához. A világon léteznek már FES-t lehetővé tevő
eszközök, de ezek nem elég kifinomultak, és hiányoznak belőlük olyan tulajdonságok,
amelyek rendkívül hasznosak lennének a kutatóknak. Szabályozási elveket,
algoritmusokat már hazánkban is terveztek gerincsérültek izomingerléssel segített
rehabilitációjához [1]. A komplex matematikai-biológiai szabályozási módszerek
alkalmazásához is szükségesek az elektromos izomstimulációt lehetővé tevő
modern, szabályozható mérnöki termékek.
A jelen dolgozat célkitűzése, gerincsérültek rehabilitációjának céljából
kifejlesztett elektromos izomstimulátor tervezése, megépítése és fejlesztése, valamint
olyan non invazív mérések kialakításában való részvétel, amelyek elősegítik az
otthoni és klinikai alkalmazásokat. Elérjük azt, hogy bizonyos idegrendszeri funkciók
működése nélkül képes legyen a páciens egy speciális ergométert hajtani, önerőből,
külső ingerlés hatására. Az eszköznek számos jótékony hatása van. Az aktív
izommozgás és rendszeres edzés által az izmok nem sorvadnak el, csökken az
izommerevség, az izomerő, az izom kitartása növekszik, hosszabb ideig terhelhető,
javul a keringés és a betegek komfortérzete is jelentősen nő.
Az edzést ergométeren végezi a beteg, így akár otthoni alkalmazás is
megvalósítható. Ezt segíti elő a komplex mérőrendszer fejlesztése is. A rendszer
folyamatosan monitorozza a mozgássérült, így az egészségi állapotának fejlődését
nyomon tudjuk követni.
A dolgozat feltárja a megvalósítás folyamatát. Szabványok elemzését,
különböző áramkörök szimulációját, megvalósítását, tesztelését, a szoftver
felépítését, mérési eredményeket, a működés biológiai magyarázatát, megalapozott
továbbfejlesztési terveket.
9
4 Élettani kitekintés
Ahhoz, hogy egy jól működő, és igazán hatékony műszert építsünk, a
tényleges tervezés előtt tanulmányelemzést végeztünk, és kutattunk különböző
eszközök után, amelyek invazív és non- invazív FES stimulációt alkalmaznak. Fontos
volt továbbá, hogy a biológiai folyamatokat megértsük, és tájékozódjunk a
beavatkozás következményeiről.
A motoros rendszerek feladata a mozgások megtervezése és kivitelezése,
valamint a mozgásban résztvevő izmok, izomcsoportok kontrakciós állapotának
szabályozása. Két fontos rendszere van az emberi mozgás kialakításának, a motoros
kéreg és a kisagy, de rengeteg központ van még, ami vezérli a folyamatokat.
Számunkra most az elsődleges mozgatókéreg (primary motor cortex) a legfontosabb,
ezért csak ezt fogjuk részletezni. Ez a rendszer a homloklebenyben található
közvetlenül a sulcus centralis előtt, a precentral gyrus mentén. A legtöbb innen
kiinduló idegpálya átkereszteződik az agytörzsben, és az ellenkező oldali izmokat
ingerli. Tehát a jobb lábat a bal agyféltekén található motor cortex vezérli. Az agyvelő
különböző területeiről eredő és a gerincvelő szürkeállományában végződő idegrostok
leszálló pályákat alkotnak. Az akaratlagos mozgást az úgynevezett piramispálya
közvetíti, de ennek eredése nem teljesen a kérgi terület, hanem 4. Bordmann-régió, a
6. régió, valamint az érzőkéreg egy kis darabja is ennek részét képezi. [2] A mozgás
kezdeményezése a piramissejtekből indul, és a beidegzett testrészekhez közelebb
lévő mozgató sejtekbe jut, amelyek az agytörzsben vagy a gerincvelőben lehetnek. A
kéregből közvetlenül a gerincvelőbe vezet a tractus corticospinalis, amely nagy része
a nyúlt velő alsó-elülső részében átkereszteződik, és a fehérállomány oldalsó
kötegében halad lefelé, amíg a szürkeállomány hátsó szarvában, vagy az intermedier
állományában lévő interneuronokon keresztül el nem jut az alsó motoneuronokig. Így
már érzékelhetjük, hogy ennek a bonyolult és összetett rendszernek a sérülése
milyen katasztrofális következményeket vonhat maga után. A leszálló pálya léziója
esetén az ingerület nem tud eljutni az alsó motoneuronokig, ezáltal az izmok
aktivitása megszűnik, az izomtónus csökken, és nem tud célirányosan mozogni a
sérült. A válasz arra, hogy miért nem a rendszer felsőbb szintjén szeretnénk
megoldani a stimulációt az, hogy hiába tudnánk aktivizálni a megfelelő agyi
területeket, ha az ingerület nem jutna el a gerincvelői szakadás miatt a perifériákra,
valamint ahogy említettem a mozgás kialakításában több specifikus agyterület vesz
részt. Ezért alsóbb szinten kell a stimulációt megvalósítani.
Magyarországon évente több mint 400 ember szenved gerincvelő-sérüléssel
járó balesetet, számuk folyamatosan nő. Mindannyian látunk naponta és talán a
10
környezetünkben is akadnak olyan emberek, akik ilyen sérüléseket szenvedtek.
Általában nagy ütés a kiváltó ok, leggyakrabban közúti, munkahelyi balesetek,
vízbeugrások. Részleges bénulás jelenhet meg például stroke esetén, ez azonban
nem gerincsérülés.
A gerincsérülteknek két nagy csoportja van, a tetraplégek és praplégek. A
csoportokba sorolást a sérülés lokalitása alapján végezzük. A tetraplégek az alsó és
a felső végtagok mozgatására sem képesek, valamint az érző funkcióik is kiesnek.
Ezek a tüneteket a gerincvelő felső részén (nyaki csigolyáknál) történő sérüléskor
jelennek meg. Paraplégeknél a felső végtagok funkciói épek maradnak, viszont az
alsó végtagok mozgásra képtelenek és nem is éreznek velük. A gerincvelő-sérültek
45%-a paraplég. Minél magasabban történik a trauma, a test annál nagyobb része,
annál több szerve fog rendellenesen működni. A gerincet négy nagyobb szakaszra
szoktuk bontani: nyaki (cervikális), háti (torakális), ágyéki (lumbális), keresztcsonti
(pelvikális).(4.1. ábra) A cervikális felső szakaszának sérülése esetén a kéz
mozgatása többnyire lehetetlen, alsó szakasz esetén a beteg képes a kart mozgatni,
de a kézfej és az újjak ügyetlenebbek. A torakális és az alatti rész sérülése esetén
már nem beszélünk tetraplégiáról, mert a kéz funkciói épek maradnak, viszont a láb,
mozgató és érzékelő működései elvesznek.
4.1. ábra Gerinc szakaszai [3]
11
A harántcsíkolt izmok idegimpulzusokra húzódnak össze és a tónusuk is ezek
beérkezésétől függ. A mozgató ideg az izomhason a perimysiumban fonatot képez,
ez a terület meglehetősen kicsi. Egy-egy gerincvelői vagy agytörzsi mozgató idegsejt
egyetlen idegrostot küld az izomrostokhoz, ami az izmon belül elágazódik, és több
izomroston végződik mozgató véglemezzel. Az egy mozgató idegsejt által ingerelt
izomrostok egyszerre húzódnak össze. Ezek száma 4-től 500-ig terjedhet (az alsó
végtag esetén ez a szám az 500-hoz közelít). Egy mozgató idegsejtet az általa
ellátott összes izomrosttal együtt egy motoros egységnek nevezzük. A stimuláció
során ezeket a motoros egységeket szeretnénk aktivizálni, ezáltal az izmot
kontrahálni.
Meg kell érteni azt is, hogy az elektromos ingerlés hatására mik játszódnak le
a szervezetben helyi szinten, az ingerlés közelében. Elektromos áram hatására az
ideg-izomsejtben létrejövő funkcionális változásokat fogom röviden ismertetni.
12
5 Ingerlés hatása
Az idegsejtek helyes működéséhez elengedhetetlen elemek a Na+, Cl-, K+.
Ezek az elemek alakítják ki a membránpotenciált. Az intracelluláris térben a K+, az
extracelluláris térben a Na+ koncentráció nagyobb. A K+ ionok kisebbek ezért sokkal
könnyebben tudnak diffundálni a sejtmembránon keresztül. Azt, hogy mennyire
könnyen tudnak átjutni a sejtmembránon, a permeabilitással tudjuk jellemezni (a K+
permeabilitása 10-szer nagyobb, mint a Na+-é). A nyugalmi membránpotenciált
ezeknek az ionoknak a koncentráció különbsége alakítja ki, és ezt számszerűleg a
Hodgkin-Katz-Goldman egyenlet adja meg.
P: permeabilitás, c: koncentráció
A nyugalmi potenciál -75mV, ennek fenntartásában az ioncsatornák
segítségével történik. Ezeknek a csatornáknak a sejten belüli ingerület kialakításában
is óriási szerepük van. A legfontosabb a feszültségvezérelt nátrium csatorna, amely
potenciálváltozás hatására kinyit. A stimuláció során ezekre a csatornákra hatunk. Az
ingerléssel szeretnénk akciós potenciálokat előidézni az izmokat irányító
idegsejtekben.
Az idegsejtet érő stimulus hatására a membránpotenciál megváltozik, elkezd
pozitív irányba eltolódni. Ha a külső inger hatására a belső potenciál nem nő meg
eléggé (nem éri el a küszöb szintet), akkor nem történik semmi (csak érzékenyebbé
válik a sejt), nem váltódik ki az akciós potenciál. Amennyiben a feszültség elér egy
küszöböt, akkor megnyílnak a feszültségvezérelt Na+ csatornák, azaz a Na+ ionok
elkezdenek a sejt belsejébe áramlani. Ezáltal a membránpotenciál tovább emelkedik,
amely újabb ioncsatornák megnyitását eredményezi. Így egy lavinaszerű öngerjesztő
folyamat indul be, körülbelül 1ms alatt +40mV-ra növelve a membránpotenciált. (5.1.
ábra) A kialakuló feszültség elektromosan tovaterjed a sejt axonján, ezáltal létrejön az
információtovábbítás. A jelenséget nem lehet a végtelenségig folytatni, ezért rövid
időn belül vissza kell állítani az eredeti állapotot. A reprodukáló folyamatot segítik elő
a szintén feszültségfüggő K+ csatornák, amelyek körülbelül -30mV-nál nyitnak ki.
Ezeken keresztül a K+ elkezd kifelé áramlani a sejtből, és negatív irányba próbálja
eltolni a membránpotenciált. Rövid időn belül a nyugalmi potenciál alá esik a
feszültség, azaz hiperpolarizáció történik, de a K+ csatornák záródása után az
egyensúlyi állapot újra beáll a K+/Na+ pumpák segítségével, amelyek az ATP-ben
13
tárolt energiát használják. Idővel az ionok koncentrációja is helyreáll, és újra
ingerelhetővé válik a sejt.
5.1. ábra Sejten belüli potenciálváltozás stimuláció esetén [4]
5.1 Stimulációs paraméterek szerepe
A Genesis program egy olyan szoftver, amely segítségével modellezni lehet
idegsejteket, rendszereket és azok viselkedését különböző ingerlések hatására.[23]
Röviden ismertetem, hogy milyen hatásokat váltanak ki az eltérő stimulációk az
egyes neuronokban. Ezáltal látható, hogy mennyire fontos az egyes paraméterek
finom pontos állíthatósága és időzítése.
Mint már említettem az áram injekció akciós potenciált (AP) hoz létre az
idegsejtben, ami végig terjed a sejt axonján, majd az axonterminálison keresztül
kontrakcióra készteti az izomszövetet. Ha az ingerlés mértéke nem éri el a
küszöbszintet, akkor nem alakul ki AP. (5.2. ábra) De abban a pillanatban, hogy
átlépjük a küszöböt az amplitúdóval, AP keletkezik.
14
5.2. ábra Membránpotenciál változása küszöb alatti ingerlő impulzus esetén
Rövid ingerlő pulzus esetében egy AP keletkezik. Ha hosszú ideig injektáljuk
az áramot, akkor nem csak egy, hanem egy egész AP sorozat generálódik a sejtben.
(5.3. ábra) Ezt a jelenséget látjuk az alábbi szimulációban.
15
5.3. ábra Nagy illetve kis impulzus szélességű ingerlés hatása
Nem csak pozitív, hanem negatív impulzus esetén is kialakul AP. (5.4. ábra)
A potenciálokat az extracellurális feszültségszinthez képest alakítjuk ki. Ez azért
nagyon fontos tulajdonság, mert ha csak egy fajta polaritással ingerlünk, akkor a
szövetkárosító hatás, mint a bipoláris esetben.. További pozitívum az unipolárissal
szemben az, hogy az elektróda kevésbé korrodálódik, alacsonyabb a
küszöbfeszültség és nem keletkezik hidrátburok.
16
5.4. ábra Bipoláris ingerlés hatása
Figyelembe kell venni az ún. refrakter periódust, ami azt jelenti, hogy rövid
időintervallumon belül nem lehet többször AP-t kiváltani. Ez két dologból adódhat. A
Na+ csatornák inaktivációból való visszatérése még nem fejeződött be, vagy
emelkedett K+ konduktancia tapasztalható, ami miatt nehéz olyan Na+ áramot
produkálni, ami meghaladja a kifelé irányuló K+ áram nagyságát. (5.5. ábra) Ezért
nem érdemes túl nagy frekvenciával ingerelni. Ilyen esetben a stimuláció nem lesz
hatékonyabb, viszont a nagy áram injekció rossz hatással lehet a sejtekre.
17
5.5. ábra Nagy frekvenciás ingerlés hatása
5.2 Előforduló technikák
Az előzőekben tárgyat elvek felhasználásával napjainkban már sok különböző
FES alapú stimulátor kapható. Ez a technika rendkívül elterjedt, például a tv shop
műsorokban szereplő izomfejlesztő eszközök is ilyen elven működnek. Bár ezeknek a
teljesítménye nem elegendő, és ami még fontosabb, a stimuláció egy előre definiált,
felprogramozott, időfüggő ingerlés. Tehát nem mondhatók intelligens eszközöknek,
mert mindig ugyanúgy működnek és a környezet változására nem reagálnak.
18
Egy jóval szűkebb réteget képviselnek a környezet változására reagáló
rendszerek. Ilyenekkel már létre lehet hozni bicikliző mozgást és használják is őket
hasonló célokra. A stimuláció nem időfüggő, hanem a pedál szöghelyzetétől függ.
Előre be tudjuk állítani az adott szöghelyzetre jellemző stimulációt, és annak
megfelelően ingerlődnek az izmok. Ezek a rendszerek már egész jól alkalmazhatók,
viszont az áruk rendkívül magas és a kutató célokhoz nem elég kifinomultak.
Az egyetemen dolgozó professzoroktól és doktoranduszoktól segítséget
kaptunk a specifikáció kialakításában. A tényleges tervezés előtt tanulmányelemzést
végeztünk, és különböző eszközök után kutattunk. Csak néhányat említenénk meg,
amelyeknek a működése és paraméterei hasonlítanak a miénkhez.
RehaStim (Hasomed):
• 4 vagy 8 csatorna
• bipoláris kimenet
• 126mA áramerősség
• 20-500us impulzus szélesség
• 2us kapcsolási idő
• akkumulátoros
RT300-SL:
• 6 csatorna
• bipoláris kimenet
• 140mA áramerősség
• akkumulátoros
Találtunk olyan cikket is, amely egy invazív megoldást ismertet meg az
olvasóval. Patkányok izmait ingerlik beépített elektródákkal. [9] Ez követelményeiben,
és kialakításában különbözik a miénktől, mégis rengeteg hasznos információt
gyűjthettünk. Mivel beültetett rendszer, ezért nagyon alacsony fogyasztású, ami a mi
esetünkben is előnyös. Nem annyira szigorúak a kritériumok, de mi is a gazdaságos
üzemmódot céloztuk meg. Ők egy PIC16C54 típusú mikrokontrollerrel oldották meg a
vezérlést és a feldolgozást. A nagyobb számítási komplexitás miatt mi egy nagyobb
teljesítményű PIC-et alkalmaztunk. A jelalakok előállítását MOSFET kapukkal
oldották meg, ami hasonlít a mi ötletünkhöz. A tápfeszültséget egy MAX630 táp IC-
vel állították elő, és a kimeneti teljesítmény fokozatos állíthatósága érdekében
feszültségosztó elemeket is építettek köré. Ez egy igen jó megoldás, de nem elég
precíz. Ahhoz, hogy az ő megoldásukkal a 0-130mA-es tartományt 1mA-es
lépésközzel tudjuk állítani, egy elég nagy áramkört kellene építeni. Kis kapacitásokat
és nagy ellenállásokat alkalmaztak az alacsony fogyasztás miatt. A stimulációs
19
mintázat náluk jóval egyszerűbb. Napi 100-300 kontrakciót idéznek elő, ami 24 óra
alatt nem túl sok ezért az ingerlések között kikapcsolják a stimulátort, az alacsony
fogyasztás miatt. Nagy hangsúlyt fektettek a szigetelésre, az elektródák korróziójára,
az elemek típusára, a toxicitás miatt. Ezekre nekünk nem kellett ennyire figyelni, mert
a mi eszközünk nem invazív.
Az alábbi paramétereket alkalmazták a cikk írói.[9]
• 1 csatorna
• bipoláris kimenet
• alacsony teljesítményű alkatrészek
• elemes feszültségforrás
• 100Hz-es frekvencia
• 100-300 kontrakció naponta
• 8 lehetséges kimeneti teljesítmény
• maximális áramerősség 20mA
Az említett tanulmány sok érdekes, használható ötletet vetett fel, és segített a
helyes kimeneti áramkör kialakításban.
5.3 Stimulátor fejlesztésnél figyelembevett további jellemzők
Fontos tudnunk, hogy az izom nem az ingerlés pillanatában reagál, hanem
van némi késleltetés az idegnél és az izomnál is. Ezt a késleltetést tudjuk
meghatározni a harántcsíkolt izom chronaxia idejével, ami 0.1-1ms-ig terjedhet. A
chronaxia idő a hosszú idejű impulzusnál meghatározott ingerküszöb kétszeresével
történő ingerléskor a válasz kiváltásához szükséges időtartam. Ezért amikor a
meghatározott stimulációs mintázatot ki akarjuk vezérelni, akkor az izom késleltetés
idejével hamarabb kell az adott csatornát aktivizálni. A probléma megoldásához egy
előrebecslő algoritmust használunk. A szögsebesség figyelembevételével történik a
predikció, úgy hogy a stimuláció a megfelelő pillanatban fejtse ki hatását. A 5.6. ábrán
látható a pillanatnyi szöghelyzet, és az előre jelzett szög grafikonja. Megfigyelhető,
hogy a becslés jól működik.
20
5.6. ábra Valós és az előrejelzett szöghelyzet
A bifázisos jel jobb, mint a monofázisos, mert a rostokba történő áram injekció
kétirányú. A folyamatos töltéskiegyenlítéssel elkerüljük a szövetek elektrolízisét, így
kisebb a károsító hatás.
A frekvencia értékével az izom fáradását tudjuk befolyásolni. Minél nagyobb a
frekvencia, annál hamarabb elfárad a lába a betegeknek. (5.7. ábra) Az általános
értékek 20-30Hz között szoktak lenni.[5][6][18] Nálunk ennél jóval nagyobb a felső
határ, ez a további orvosi kísérleteket támogatja.
5.7. ábra Izomerő az idő függvényében a stimulációs frekvenciáknak megfelelően [7]
Bemutattuk, hogy mennyire fontos a paraméterek pontos meghatározása,
valamint azoknak a finom hangolhatósága. [25] Ezek a tulajdonságok a mi
eszközünkben gyorsan, egyszerűen és hatékonyan állíthatók.
21
A mi eszközünk jóval rugalmasabb a piacon kaphatóknál. A stimuláció nem
időfüggő, hanem a környezetnek megfelelően dinamikusan változik. Szöghelyzet
függő az ingerlés, azzal továbbfejlesztve, hogy figyelembe vesszük az izom
reakcióidejét. Ez azt jelenti, hogy a reakcióidővel hamarabb kell kiadni az ingerlést,
ahhoz, hogy a megfelelő pillanatban váltsuk ki a kívánt hatást. Ehhez lineáris
predikciót használunk.
Az izmok (quadriceps, hamstring) stimulálásának egy lehetséges sorrendjét,
erősségét, ütemezését Dr. Laczkó József és Pilissy Tamás állapította meg. (5.8.
ábra) Egészséges emberek EMG-s vizsgálatából származó adatok elemzésével
határozták meg a számunkra fontos információkat. [26] [8] Az alábbi ábra szemlélteti
az egyes kimenetek, és az azokhoz tartozó izmok aktivitását.
5.8. ábra Izom stimuláció a pedál állásának függvényében [8][17]
További újítás a paraméterek precíz állíthatósága, amely elősegíti az újabb
kutatásokat a stimulációs mintázatok kialakításában. Valamint sokkal finomabb és
precízebb mozgásokat tudunk létrehozni. Nagyon fontos még, hogy a páciens
specifikus edzés paramétereket egy SD kártyáról tudjuk beolvasni, amely biztosítja,
hogy minden betegnek különböző edzésprogramot tudjunk kialakítani.
22
5.4 A fejlesztés során figyelembe vett peremfeltételek
Pontos, jól definiált értékeket, peremfeltételeket kell felállítanunk, az eszköz
elemeinek kiválasztásához. Tudnunk kell, milyen frekvencián, kitöltési tényezővel kell
stimulálni, mekkora áramok fognak áthaladni az alkatrészeken, milyen gyors
kapcsolási idővel szeretnénk vezérelni őket. Ha ezek közül bármit elméretezünk már
a kezdeti tervezési szakaszban, akkor később óriási problémákat okozhatnak a
figyelmetlenségek. Különös gondot fordítottunk a tervezés során arra, hogy ne
forduljanak elő ilyen hibák.
5.4.1 Készülékünk specifikációja
A stimulátorunknál az alábbi feltételeket határoztuk meg:
• 8 csatorna
• az eszköz elektromosan elválasztott
• változtatható frekvencia: 10-200Hz
• változtatható impulzus: 0-130mA (1mA-es lépésköz)
• változtatható impulzus szélesség: 10us-1ms
• unipoláris, bipoláris kimenet
• stimulációs paraméterek olvasása SD kártyáról
5.4.2 Orvostechnikai berendezések elektromos követelményei
Mivel az adott eszközt embereken szeretnénk alkalmazni, nagyon fontos,
hogy megfeleljen az orvostechnikai eszközökre vonatkozó előírásoknak. [28] Magas
fokú egészségvédelmet kell biztosítanunk. A tervezés előtt alapos szabványelemzés
szükséges, „mivel a páciensek, a felhasználók és adott esetben más személyek
biztonságára, munka- és egészségvédelmére vonatkozó nemzeti előírásokat az
orvostechnikai eszközökre tekintettel harmonizálni kell az ilyen eszközök belső
piacon belüli szabad mozgásának biztosításához.”[10] A szabályozott műszaki
biztonságfelügyelet segítségével hatékonyabbá tehető az egészségvédelem és az
ahhoz kapcsolódó ellenőrzések.
A tervezés során figyelembe vettük az 93/42/EGK irányelvet (1993. június
14.), ami sok technikai paraméterben követelményt támaszt, non-invazív
orvostechnikai eszközökkel kapcsolatban.
Meg kell vizsgálnunk, hogy az építeni kívánt stimulátor és annak tartozékai
valóban a szabvány által meghatározott célcsoportba tartoznak.
Orvostechnikai eszköz: minden olyan műszer, készülék, anyag és egyéb cikk,
akár önmagában, együttesen használják, ideértve a megfelelő alkalmazáshoz
23
szükséges szoftvert is, amelyet a gyártó emberekkel felhasználásra tervezett, a
következő célra: sérülés vagy fogyatékosság diagnosztizálása, figyelemmel kísérése,
kezelése, enyhítése vagy ellensúlyozása. A stimulátor és a kimeneti egység
egyértelműen megfelel a specifikációnak.
A dokumentumban tájékoztatást kapunk a gyártási szabályokról, a
bizottságokról, besorolásokról, engedélyeztetésekről.
I. melléklet: Alapvető követelmények:
Általános követelmények: olyan módon kell tervezni és gyártani az eszközt,
hogy a rendeltetési célnak megfelelően használva ne veszélyeztessék a páciensek
klinikai állapotát, életét, valamint más személyek biztonságát. Riasztó és
figyelmeztető berendezések használata olyan veszélyek esetén, amiket nem lehet
kiküszöbölni.
A tervezésre és gyártásra vonatkozó követelmények: nagy figyelmet kell
fordítani a felhasznált anyagok toxicitására. Minimalizálni kell a fertőzés veszélyét és
az előírt tisztasági szinten kell tartani a terméket. A lehető legkisebbre kell
csökkenteni az ésszerűen előrelátható környezeti viszonyokkal összefüggő
kockázatokat. Például: mágneses terek, elektromos hatások, elektrosztatikus
kisülések, nyomás-, hőmérsékletváltozások.
Energiaforráshoz kapcsolt vagy azzal ellátott orvostechnikai eszközökkel
szembeni követelmények: úgy kell a berendezést tervezni, hogy energiaellátási hiba
esetén a kockázatok lehetőleg ki legyenek küszöbölve vagy mérsékelve. Ezen
szempontok figyelembevétele a tervezésnél említésre kerülnek. „A terméknek arra
alkalmas eszközöket kell magában foglalnia, amelyek, amennyire lehetséges,
megakadályozzák a veszélyes energiaszintek véletlenszerű felszabadulását valamely
energia- és/vagy anyagforrásból.” [10]
II. melléklet: EK-megfelelőségi nyilatkozat:
A minőségbiztosítási rendszer megköveteli a pontos és részletes
dokumentációt a tervezési és gyártási fázisban. A tervezésnél dokumentálni kell az
alkalmazott szabványokat, kockázatelemzéseket, az alapvető követelmények
teljesítése érdekében alkalmazott megoldásokat.
IX. melléklet: Osztályozási szempontok:
Az osztályba soroláskor az eszközök rendeltetési célja az irányadó.
- Átmeneti (60 percnél rövidebb ideig tartó folyamatos használat)
- Nem invazív (nem beültetett, nincs szövetkárosító hatása)
- Aktív orvostechnikai eszköz
- Aktív terápiás eszköz
24
„Valamennyi olyan aktív terápiás eszköz, amely energia átadására vagy
cseréjére szolgál, a IIa. osztályba tartozik, kivéve, ha olyan jellemzőkkel rendelkezik,
hogy potenciálisan veszélyes módon cserélhet energiát az emberi testtel, figyelembe
véve az energia jellegét, sűrűségét és alkalmazási területét, amely esetben a III.
osztályba tartozik.” [10] Tehát az általunk fejlesztett eszköz a IIa. osztályba tartozik.
X. melléklet: Klinikai értékelés:
A kész terméket alá kell vetni különböző vizsgálatoknak, amelyek igazolják a
helyes működést, valamint az esetleges mellékhatásokat feltárják. Az ilyen
megfigyelések a gyártó, tervező állításait cáfolják vagy megerősítik.
25
6 Izomstimulátor felépítése
Funkcionálisan három részre bontható a készülék. (6.1. ábra) A bemeneti
egységre, ami adatokat szolgáltat a megfelelő stimulációs minták létrehozásához. A
vezérlő egységre, ami a bemeneti egységtől kapott információkból kiszámolja és
előállítja a stimulációs mintákat, valamint regisztrálja az aktuális folyamatokat. A
kimeneti egységre, ami a vezérlőtől kapott jelekből előállítja a ténylegesen
alkalmazott impulzusokat.
6.1. ábra Izomstimulátor felépítése
A bementi egység felelős a környezetből érkező adatok fogadására. Ez
tartalmazza a stimulátor működéséhez szükséges bemenő adatforrások kezelését.
Az abszolút szöghelyzet érzékelő szolgáltatja a pedálnak egy adott nulla ponthoz
képest történő elfordulását, ennek megfelelően választódik ki a kívánt csatorna és
annak paraméterei. Az egyén függő stimulációs mintázat beállítását egy SD kártyán
lévő forrásfájlból lehet beolvasni. Billentyűzet és tekerőgomb segítségével lehet a
menüt irányítani. Soros RS232, valamint USB porton keresztül lehet kommunikálni a
PC-vel, így online kapcsolatot tudunk kialakítani.
A vezérlő egység feladata a teljes stimulációs folyamat pillanatról pillanatra
történő meghatározása a kimeneti mintázat előállítása a perifériák irányítása és az
aktuális adatok gyűjtése (sebesség, stimuláció paraméterei, vérnyomás, pulzus).
A kimeneti egység valósítja meg a ténylegesen előállított áramok emberi
testhez történő illesztését, a megfelelő elektromos paraméterek figyelembevétele
mellett, valamint lehetővé teszi a kommunikációt a felhasználó és az eszköz között. A
stimuláció elektródákon keresztül történik. Ehhez az egységhez tartozik még egy
négy soros kijelző, amin a menü jeleníthető meg, a már említett soros portok és az
SD kártya, amire az adatokat gyűjtjük.
26
6.1 Izomstimulátor vázlat
Az 6.2. ábrán látható az eszköz felépítése, az egyes elemek, és azoknak a
kapcsolata, a kimeneti és bemeneti perifériák, valamint a processzor és annak
tartozékai. Megfigyelhető, hogy a részegységek mindegyike a PIC24FJ256GB108
mikrokontrollerhez van kapcsolva, és egymással is ezen keresztül kommunikálnak.
6.2. ábra Stimulátor blokkvázlata [11]
6.2 Kimeneti áramkör tervezése
A kimeneti áramkör tervezéséhez figyelembe kell venni a vezérlő jelek,
valamint a kívánt kimenetek paramétereit. További követelmények az életvédelmi
előírások, amelyeket fentebb említettük. Fontos tudni, hogy a PIC24FJ256GB108
mikrokontroller nem tud elegendő nagy teljesítményt előállítani, ezért egy olyan
kapcsoló áramkört kell kialakítani, amely képes a megfelelő jeleket létrehozni.
Kimenet specifikációja: [12]
• változtatható frekvencia: 10-200Hz
• változtatható impulzus: 0-130mA (1mA-es lépésköz)
• változtatható impulzus szélesség: 10us-1ms
• az egymást követő impulzusok unipolárisak vagy bipolárisak
• a terhelés kb.: 1Kohm
27
6.3 Elkészített prototípus
A stimulátor szerkezeti felépítését az 6.3. ábra szemlélteti.
6.3. ábra Stimulátor szerkezeti felépítése
A feszültségforrást hat db AA elem biztosítja (7.2V), ami egy feszültség
stabilizátoron keresztül meghajtja a szöghelyzet adó csatoló egységet, valamint egy
izolátor segítségével a tápegységet. A szöghelyzet adó csatoló egység optikailag el
van választva a mikrokontrollertől, így biztosítva az életvédelmi előírásokat. A
mikrokontroller megfelelő kimeneteivel vezérli az áramgenerátort és a kapcsoló
egységet. A kapcsoló egység áram ellátását az áramgenerátor szolgáltatja. A
mikrokontroller, az áramgenerátor és a kapcsoló áramkör feszültségellátását a
tápegység valósítja meg.
6.3.1 Orvoselektornikai életvédelmi elválasztás transzformátoros
megoldása
A tervezés egy PC-s környezetben történő szimulációval kezdődött. A
tényleges megvalósítás előtt tesztelni kellett a működőképességet. A modellezést a
PSpice program segítségével végeztük.
Már a tervezési fázisban több megoldás felvetődött, ezek közül megpróbáltuk
a lehető legjobbat kiválasztani. Különböző szempontokat vettünk figyelembe:
biztonság (megfelelő elektromos elválasztás), rugalmasság, méret, súly, fogyasztás,
sokszorosíthatóság. Több áramkört szimuláltunk, végül az 6.4. ábrán láthatót
építettük meg.
28
6.4. ábra Ellenütemű transzformátor
Az áramkörben egy transzformátor erősíti fel a PIC jelét. Az alkatrésznek több
tulajdonságát is kihasználtuk. Elsősorban áram impulzus transzformációra terveztük,
azaz a kimeneten jóval nagyobb áramerősséget hoztunk létre, mint amit a
mikrovezérlő képes szolgáltatni. Másodsorban az elektromos elválasztást is
megoldottuk vele, a működési tulajdonságai miatt.
A szekunder oldalon csak akkor indukálódik feszültség, ha a primer oldalon
váltakozó áram van. Hiba esetén nem maradhat a páciens állandó áramterhelés alatt,
mert az egyenáram hatására a szekunder oldalon nem történik semmi. A MOSFET
tranzisztorok segítségével tudjuk létrehozni a kívánt kimeneteket. Ezeket ellenfázisú
meghajtással vezéreljük, ha csak az egyiket nyitjuk, akkor unipoláris, ha egyszer az
egyiket utána másikat nyitjuk ki, akkor bipoláris jelet állítunk elő. Láthatunk további
alkatrészeket is, két diódát és egy kondenzátort. Ezeknek a szerepe, hogy az
impulzus megszűnése utáni negatív visszarúgást kiküszöbölik. A rendszerben maradt
energiát fel tudjuk használni a tápba való visszavezetéssel. Így az áramkör
üzemeltetése gazdaságosabb lesz.
A szimulációk alátámasztották a kapcsolás helyességét, így továbbléphettünk
a következő szintre, azaz elkezdhettük a valós áramkör megépítését, tesztelését.
A megépítés előtt tájékozódni kellett a kiválasztott alkatrészek tulajdonságairól. A
leírások az interneten, sok helyen megtalálhatók. Megvizsgáltuk több gyártó
dokumentációját is, amelyekben minden fontos paraméter, tűréshatár fel van
jegyezve. Próbáltuk megtalálni az optimális elemeket
29
Úgy döntöttünk, hogy a transzformátort saját magunk tervezzük és építjük
meg. Ez egy elég bonyolult, eljárás volt. Meg kellett határozni a vasmag anyagát,
amely a használati frekvenciától függ. Az alkalmazott magas frekvencia miatt ferrit
magot választottunk. Méretét a transzformálni kívánt teljesítmény határozza meg.[19]
Ezt szerettük volna minél kisebbre venni. A menetszámokat a szekunder feszültsége
befolyásolja. Ha tízszeres áttételt akarunk, akkor a primer, szekunder aránya 1/10. A
huzalvastagságnál azt szeretnénk elérni, hogy a lehető legkisebb veszteség lépjen fel
a tekercsbe, ezt vastagabb huzallal érhetjük el, de az is fontos, hogy ne legyen óriási
a transzformátor. Az arany középutat kellett megtalálnunk. A megfelelő induktivitást a
légréssel, valamint a primer menetszámmal állítottuk be. Az összes paramétert
kiszámoltuk, és megépítettük a saját alkatrészünket. A próbamérések során helyesen
működött, így igazoltuk a számításainkat. A próbamérések során helyesen működött,
így igazoltuk a számításainkat. Az 6.5. ábrán látható az egyik mérésünk. Hosszú
idejű (150us), kis amplitúdójú (5V) vezérlő impulzus hatására a kimeneten megjelenik
a nagyfeszültségű (120V) ingerlő impulzus.
6.5. ábra Helyese működő kimenet (kék: kimenet, lila: vezérlés, zöld: tranzisztor)
Fontos tudnunk, hogy a páciens izmain mekkora áram folyik át, mivel a
stimuláció során áramerősségre szabályozunk. Úgy határozzuk meg a teljesítmény
értékét, hogy nem aggatunk plusz műszereket a betegekre, így is elég elektróda lesz
30
rajtuk. A technika, amit kitaláltunk, a primer oldalon méri a feszültséget (egy segéd
ellenállás segítségével), és abból következtet a szekunder oldalon folyó
áramerősségre. A kapcsoló oldalra kötött mérőellenállásról gyűjtött adatok
függvényében szoftveres szabályozással avatkozunk be.
6.6. ábra Megvalósított stimulátor tesztelés közben
A kimeneti áramkört a kiszámolt értékek alapján megépítettük,
hozzáillesztettük a megtervezett majd megtekert transzformátort. Az árammérési
eljárást beágyaztuk a szoftverbe. Próbamérések alapján megállapítottuk, hogy helyes
a működés. (6.6. ábra) Nem maradt más hátra, mint a mikrokontrollerhez kapcsolás,
majd újabb tesztelések sorozata. Mivel nem tapasztaltunk semmi rendellenességet,
véglegesen összeszereltük a stimulátort, és átadtuk a professzoroknak további
használatra. Az eszköz jelenleg is az Országos Orvosi Rehabilitációs Intézetben van.
6.3.2 Orvoselektornikai életvédelmi elválasztás optikai megoldása
Az előző megoldásban a nyolc csatorna mindegyikéhez kellett külön-külön
transzformátor, ami megnövelte a méretet, és a súly is jelentősen gyarapodott a
vasmagok miatt. Ezért próbáltunk egy újabb, jobb, még helytakarékosabb megoldást
31
találni. Ehhez az egész kimeneti egységet át kellett alakítanunk. A tápfeszültséget
biztosító kapcsolás, az áramgenerátor, a kapcsoló elemek mind átalakultak.
A kívánt stimuláló jelalakokat egy olyan áramkörrel valósítjuk meg, amelynek a
bemenetei a mikrokontrollertől érkező vezérlő jelek, a kimenetei a valós, pácienshez
illesztett ingerlő impulzusok. (6.7. ábra) Fontos követelmény továbbá az elektromos
elválasztás. Az alábbi kapcsolást valósítottuk meg, amely megfelel a feltételeknek.
6.7. ábra Kimeneti jelalakokat előállító hídkapcsolás a vezérlő IC-kel és az optikai leválasztással
Ebből a kapcsolásból nyolc van, mert minden csatornához tartozik egy
egység. Látható az optikai leválasztás, amely a mikrokontrollert vezérlő lábát
választja le a kimenetről. Tehát ezzel kiváltottuk a transzformátor leválasztó
funkcióját. Az optocsatoló a PIC jelét átkapcsolja a túloldalra, ez lesz a Half Bridge
Driver (IR2104) egyik bemenete. A tranzisztor hidat két ilyen IC fogja vezérelni. A
választás azért esett erre az alkatrészre, mert a paraméterei kiválóan megfelelnek a
követelményeinknek. A működését könnyen megérthetjük az adatlapján szereplő
információkból, de az 6.8. ábra is a segítségünkre van.
6.8. ábra Half bridge driver kimenetei a bemenetek függvényében
A fent látható két bemeneti vonal közül az egyik az SD az engedélyező, a
másik az IN a vezérlő jel. Mindkét driver-re ugyanazt a bemenetet kapcsolva,
32
helytelenül működne az áramkör. Azonos vezérlőjelek esetén nyitva lenne mindkét
fölső vagy mindkét alsó tranzisztor, ezzel a kimenet két vége mindig azonos
potenciálon lenne, így semmilyen jelalak nem jelenne meg. A megoldás nagyon
egyszerű, a szemben lévő IC-k közül az egyikre negált bemenetet kell adni, ezzel
ellentétes tranzisztorokat nyitunk ki, és létrejön a két fajta kimenet. A negált vezérlés
könnyen megoldható programkódban, egy karakter (~) hozzáírásával. A nagy
áramerősséget az alább leírt tápfeszültséggel tudjuk előállítani, a fokozatosságot
pedig egy szabályozó áramkörrel valósítottuk meg, amit alább szintén részletezünk.
Az ingerlő jelek időzítését, impulzusszélességét, frekvenciáját a vezérlő jelek
mintázata határozza meg.
Ezzel megoldottuk egyik célkitűzésünket. Kisebb lett a helyigény, a súly és a
fogyasztás a transzformátorok kiküszöbölése miatt.
6.3.3 Kimeneti áram szabályozása, PWM megvalósítása
Az áram intenzitásának mértékét a mikrokontrollerrel állítjuk. Megfelelő
áramkör esetén egy beépített funkció, a PWM (Pulse width modulation) áll
rendelkezésünkre, amivel szépen tudunk szabályozni. (6.9. ábra) Az analóg
feszültségjelek helyettesíthetők digitális impulzussorozat-jelekkel, amelyek hosszabb
időtartamra vonatkoztatott átlagfeszültsége egyenértékű az analóg feszültségjellel.
[13] Arra kell figyelni, hogy a frekvencia elég nagy legyen, így a szakaszosság ne
befolyásolja az izmok működését. A feszültségszintet a kitöltési tényezővel tudjuk
állítani, minél nagyobb a kitöltési tényező, annál nagyobb feszültséget mérünk a
kimeneten.
6.9. ábra Áram szabályozás megvalósítása
A megvalósításához nagy segítséget nyújtott a mikrokontroller
dokumentációja. Végigvezet az egyes bitek, bájtok funkcióján, valamint elmagyarázza
a struktúrák működését. Van egy PR2 regiszterünk, amely a Timer2-nek a period
regisztere. Minden egyes órajel esetén egy counter inkrementálódik, ami ha eléri a
33
PR2 értékét, akkor egy bit bebillen, és nullázódik a számláló, majd a folyamat
kezdődik elölről. A kitöltési tényezőt egy bájt írásával állíthatjuk be. Szerepe az, hogy
miközben a számláló fut, nem csak a PR2-vel hasonlítódik össze az értéke, hanem a
kitöltési tényezővel is. Ha eléri ezt a határt, akkor a PWM kimenet nulláról egyre vált
és ott is marad addig, amíg a ciklus a végére nem ér. Értelemszerűen a PR2-nél nem
nagyobbra kell választanunk a kitöltési tényezőt. A működés megértése után már
csak a megfelelő értékeket kellett beállítani. Nézzük, milyen paramétereket adtunk
meg, és milyen függvényekkel vezéreljük a folyamatot. A start() és stop()
függvényekkel csak azt állítjuk, hogy a PWM jelet a kimenetre, vagyis az adott lábra
rakjuk vagy nem. Tudni kell, hogy ennél a típusú mikrokontrollernél az egyes
funkciókat megcímezhetjük, és több különböző lábra vezérelhetjük. Start esetén
megcímzem a lábat, stop esetén a lábra 0-t rakok.
void start(){
RPOR1bits.RP2R=18;
}
Ezen kívül még két fontos bit-et említenék az OC1RS-t és az OC1R-t. Az első
a periódus hosszát határozza meg, a második pedig a kitöltési tényezőt. Ezek
függnek egymástól, a fentebb említett működésből adódóan. Meghatároztuk a
paramétereket, majd teszteltük az eljárást. Az eredményt megfelelőnek találtuk. A
regiszterek értékei a végleges programban az alábbiak lettek.
OC1RS=0x3ff; //period (31kHz)
OC1R=dc*(0x3ff/130);
Ha később esetleg módosulnának a követelmények, akkor számolhatjuk is a
regiszterek értékét az alábbi képlet alapján.
PR2 - a PR2 regiszter értéke;
fOSC - a mikrovezérlő órajelének frekvenciája [Hz];
K - a Timer2 előosztó áramkör osztási aránya (1, 4 vagy 16)
A PWM frekvencia 31KHz, ami elég kicsi ahhoz, hogy az optocsatolóval
átvigyük a jelet és elegendően nagy ahhoz, hogy a vezérlést tetszőlegesen nagy
sebességgel megcsináljuk.
A PWM megvalósításával megoldottuk az áramerősség fokozatos szoftveres
állíthatóságát.
34
Ki kellett alakítani egy olyan kapcsolási egységet, amelynek a bemenete egy
PWM, a kimenete pedig a kapcsoló résznek az áramerősségét fogja állítani. (6.10.
ábra) Alább magyarázzuk az alkatrészek működését, valamint az egyes paraméterek
értékének meghatározását.
6.10. ábra Áramerősség szabályozó áramkör optikai leválasztással
Természetesen itt is optocsatolót alkalmaztunk az elektromos leválasztáshoz,
Fontos a nagy sebességű alkatrészek használata, amelyek képesek helyesen
érzékelni a PWM jeleit, és a nagy frekvencia nem okoz problémát a jelátvitelkor. Ezért
esett a választás a KB817-es optocsatolóra, mert a 31KHz-es PWM vezérlést át lehet
vinni vele.[14] Műveleti erősítőnek az MCP6041-et választottuk, mert a mérések
alapján a karakterisztikája azon a tartományon, ahol használjuk közel lineárisnak
mondható.[15] Ez nagyon jó, mert így nem kell a szoftverben kompenzálni a
karakterisztikának az egyenetlenségeit. Az erősítő elé terveznünk kellett egy olyan
alul áteresztő szűrőt (R9, C10-es elemek), amelynek a csillapítása 31KHz-es
frekvencián kevesebb, mint -43dB. Ez az érték abból adódik, hogy az amplitúdó
csillapítása 1/130-nál nagyobb ne legyen. A kapcsolás frekvenciafüggő működésének
számításához a komplex feszültségosztás képletét használtunk.
35
A szűrő, a PWM és a kimenetek helyes működését az 6.11. ábrán látható
mérési eredménnyel igazoljuk. Látszik, hogy az élek elég meredekek, és az
impulzusok is szépen konstans értékek.
6.11. ábra Helyes kimeneti kép a szűrő jó működéséről
6.3.4 Tápfeszültséget előállító áramkör
Az áramkör feladata, hogy egy bemenő feszültségforrásból bizonyos alább
magyarázott átalakításokkal az egész eszköz elemeinek ellátását megvalósítsa.
(6.12. ábra) Ezek az alkatrészek a mikroprocesszor, a kijelző, a MOSFET kapukat
vezérlő driverek, a műveleti erősítők, a kimenetek. A stimulátor feszültségforrását hat
darab AA elem fogja szolgáltatni, azaz 7.2V van a bemeneten. Ebből kell
transzformálni 3.3V-ot a PIC-nek, 5V-ot az erősítőknek és a kijelzőnek, 12-15V-ot a
half bridge driver-eknek, és a kimenetre 130-150V-ot.
36
6.12. ábra Tápfeszültségek blokk diagramja
A 7.2V-os bemeneti feszültségből egy feszültség stabilizátorral tudjuk
előállítani a szöghelyzet adó csatoló egységének szükséges 5V-ot, valamint egy
izolátorral 12V-ot. A stimulátor biztonságát az izolátor 6kV-os és a csatoló egység
optikai elválasztása biztosítja. Így az eszközünk megfelel a szabványokban
előírtaknak. Galvanikusan tökéletesen le van választva minden egység. Az izolátor
12V-os kimenetét közvetlenül rákötöttük a kapcsoló áramkör vezérlő egységeire. A
kijelző, a mikrovezérlő, és a kimenet feszültségét egy kapcsoló üzemmódú tápegység
alakítja ki. Ezeket az alkatrészeket napjainkban előszeretettel alkalmazzák, mert
használatuk könnyű, és rugalmas. További előnyük még, hogy jobb a hatásfokuk,
mint a hagyományos analóg szabályozású tápegységeknek, valamint kicsi a méretük
és a súlyuk. [16] Ezek a tulajdonságok a mi esetünkben nagyon fontosak, mint az
már fentebb említésre került. Egy MC34063 típusú alkatrészt választottunk, amely
DC-DC átalakító. Ahhoz, hogy a megfelelő kimenetet generálja a tápegység, a
bekötéshez használt ellenállásokat és kondenzátorokat kell jól méreteznünk. Ezek
fogják meghatározni a kimenet viselkedését. Az adatlapon megtalálhatók a képletek,
amikkel könnyen számolhatunk.
37
A kijelző és a processzor tápellátását Step Down kapcsolással oldottuk meg, a
kimenethez szükséges 150V-ot Step Up kapcsolással. Az áramgenerátor műveleti
erősítőjének 5V-os feszültségét egy feszültség stabilizátorral 145-150V között
alakítottuk ki.
6.3.5 Szöghelyzet kalibrálása
Egy a kereskedelemben kapható szöghelyzetadót választottunk a pedál
helyzetének maghatározásához. Ez nagyon hatékony megoldás, mert bármilyen
ergométerhez hozzá tudjuk illeszteni az adót. A most kapható stimulátoroknál
speciális ergométereket kell használni, amikben van beépített szöghelyzetadó. A mi
megoldásunk univerzális, fekvő vagy ülő ergométerre vagy akár triciklire is fel tudjuk
szerelni. Mivel a fizikai kialakítása az edző gépeknek különböző, ezért biztosítanunk
kell a rugalmas kezdőpont és forgásirány beállítását. (6.13. ábra)
6.13. ábra Nulla pedálszöghelyzet és forgásirány beállítása
A kívánt nulla pedál szöghelyzetet egy menüpontban tudjuk regisztrálni. A
stimulációs fájl szerkezetétől függ a nulla pont. Ez lehet vízszintes, függőleges vagy
általunk választott helyzet annak megfelelően, hogy a fájl szerkesztője melyik pontot
38
tekintette kezdőpontnak. A forgás irányát is egy menüpont segítségével tudjuk
megadni. Az előre biciklizésnek megfelelően meghajtjuk a pedált és ez meghatározza
a forgási irányt. Ezek a fejlesztések igen hasznosnak bizonyultak a gyakorlati
alkalmazásokkor. Leegyszerűsítette a szöghelyzetadó pozíciójának meghatározását
és fejlesztésének következményeit. Most már bármilyen ergométerhez tetszőlegesen
hozzá tudjuk illeszteni, mert a kezdőpont és a forgásirány könnyen beállítható. Ezáltal
még univerzálisabb lett a megoldásunk.
39
7 Elkészült a stimulátor
A prototípus alapján megterveztük a NYÁK-ot, majd legyártattuk. Miután
megérkezett, elkezdtünk összeszerelni néhány darabot, mivel a professzorok,
akiknek készítettük az eszközt már türelmetlenül várták az eredményeket. Szerették
volna konferenciákon bemutatni, és betegeken is kipróbálni. Három stimulátort
kellene első ütemben elkészíteni, egy az egyetemen lenne, a doktoranduszoknak
kísérleteket végezni, egy az Országos Orvosi Rehabilitációs Intézeteknek, folyamatos
terápiákhoz, és egy nekünk a laborba, amin a további fejlesztéseket tudjuk elvégezni.
Az részegységeket megépítésük során folyamatosan teszteltük. A gombokat, a tekető
gombot, az SD kártyaolvasót, a soros portot (RS232), a szöghelyzet adót mind be
kellett üzemelni. A foglalatot, amelybe az eszköz került szintén nekünk kellett
kialakítani. Egy szabványos kereskedelemben kapható műanyag dobozra esett a
választás, mert a gyártatás nagyon sokba került volna. A nyomtatott áramkörök
kialakítása a doboz belső felépítéséhez lett igazítva. A perifériák kimeneti nyílásait
pontosan meg kellett határozni, és ki kellett vágni. Miután ez megtörtént
belepróbáltuk a hardvert, ami szépen illeszkedett. Felprogramoztuk a processzort és
kipróbáltunk minden funkciót. A stimuláció és az adatgyűjtés is hiba nélkül működött,
tehát befejezettnek tekinthetjük a feladatot. A célkitűzéseket megvalósítottuk. (7.1.
ábra)
A teljes rendszerhez tartozik a stimulátor, az öntapadós elektródákkal,
kivezetésekkel, az adatgyűjtéshez az SD kártya és az adatfeldolgozó szoftver.
7.1. ábra Kész stimulátor
40
7.1 Mért és származtatott adatok jelentősége
A stimulációs paraméterek mérésére azért van szükség, hogy pontosan
tudjuk, milyen hatások érik a betegeket. Milyen áram injekció váltotta ki az aktuális
reakciókat. Ezen kívül az aktuális szöghelyzet értékéből és a szögsebességből
tudunk származtatni olyan adatokat, amelyek mérik a beteg aktuális állapotát. A
szögsebességből a szöggyorsulást ki tudjuk számolni, így a mozgás karakterisztikáját
tudjuk jellemezni. Ezek elemzésével megállapíthatjuk, hogy milyen finom és
egyenletes mozgást hozott létre az adott típusú stimuláció. Ennek függvényében
lehet optimalizálni a stimulációs fájlt. Származtathatjuk az edzés idejét, a megtett
távolságot, valamint a teljesítményt. Ha figyelemmel szeretnénk követni a páciensek
fejlődését hosszabb távon, akkor ezek az adatok elengedhetetlenek. Sportolóknál
ezeket az értékeket folyamatosan nyomon követik, hogy meghatározzák fizikai
állapotukat, tehát az ilyen jellegű adatgyűjtés mindenféleképpen hasznos.
A paraméterek finom hangolásával egyenletes mozgást lehet létrehozni, amit
az adatgyűjtő funkcióval detektálunk, tehát visszajelzés érkezik a mozgásról. Az
adatok elemzése után optimalizálni lehet a stimulációs fájlt. Így tudjuk elősegíteni
rendszerünkkel az egyén specifikus edzésprogramok kialakítását, valamint a kutatók
munkáját.
A szöggyorsulásokból, szögsebességekből teljesítmény adatokat
származtatunk, amelyek segítségével megfigyelhetjük a mozgás dinamikáját, Ebből
következtethetünk, hogy milyen ütemben fárad a beteg. Ilyen teljesítmény adatokat
szoktak mérni terheléses vizsgálatoknál is, tehát a mérés mindenféleképpen
releváns. Grafikonok segítségével szépen láthatók a változások. Egészségeseken
mért adatokból kiderül, hogy az edzés folyamán a periodikus mozgások frekvenciája
egyre csökken, és a dinamika is megváltozik. (7.2. ábra) Ezek a jellemzők az izom
fáradásából adódnak.
7.2. ábra Fekve nyomásnál mért súly pozíciója az idő függvényében (látható a fáradás
elensége)[24]
41
A 7.3. ábra egy izomfáradás vizsgálatról készült.[24] Jól látható, hogy az
összes megtett út az idő függvényében nem lineáris, hanem ellapul. Ez azt jelenti,
hogy egyre lassabb a mozgás, azaz fáradnak az izmok az edzés folyamán.
7.3. ábra Megtett út idő grafikon linearitásának változása (ellapul)
Tudjuk számítani, hogy a munka mekkora részét végzi a jobb illetve a bal láb.
A két végtag teljesítménye jellemzően különbözik. Ez is szerepet játszhat az egyénre
jellemző stimuláció kialakításában.
7.4. ábra Sebesség idő és az ebből származtatott gyorsulás idő grafikonok
42
A 7.4. ábrán felül látható a sebesség, alul a gyorsulás. A gyorsulással
egyenesen arányos a forgatónyomaték. Az ergométer előzetes méréséből meg tudjuk
határozni a tehetetlenségi nyomatékot, amely az arányossági tényező. A
forgatónyomatékból a kifejtet erőt megahatározzuk, ami egy nagyon fontos
visszajelzés a kutatók számára. Jelenleg is folynak olyan kutatások, melyeknek célja
a fellépő erők meghatározása. A jobb és bal láb erőkifejtésének dinamikáját úgy
tudjuk vizsgálni, hogy az egyes fél köröket szétválasztjuk, és azok szerint végezzük el
a kiértékelést.
A vérnyomás értékeket egy menüpont segítségével tudjuk bevinni a
rendszerbe. Azért nem online, mert a folyamatos vérnyomásmérést nem lehet
elvégezni non-invazív eljárással. Ez egy megszokott és rutinszerű mérés, amelyet
egy hétköznapi vérnyomásmérővel el tudunk végezni. A szélsőséges értékek esetén
az orvos beavatkozhat az edzés folyamatába.
Egy polar öv segítségével mérni tudjuk online a pillanatnyi pulzus értékét. Az
eszköz elegendően pontos és gyors az állapotfelméréshez. Sportolók vizsgálatánál
rendszeresen használnak ilyen eszközöket. A terhelés mértékét tudjuk ezzel
meghatározni, beállítani. Hosszabb távon a beteg egészségi állapotának a fejlődését
is jellemezi. Az edzés során a terheléssel és oxigénfelvétellel lineárisan nő a
pulzusszám, majd a közel maximális régióban ellapulhat, megtörhet a
pulzusnövekedés egyenese. Ez is szépen mutatható a grafikonok segítségével.
Nagyon fontos, hogy a betegeknél mérni tudjuk a fáradtsági szintet, mivel ők a
kimerültséget nem úgy érzékelik, mint az egészségesek és a rendszerünkkel túl
lehetne edzeni őket, amely negatív hatással van az egészségi állapotukra. A
folyamatos monitorozás lehetővé teheti, hogy a fáradságot az aktuális állapotot
jelezzük az orvosnak, aki beavatkozhat az edzés menetébe. Az adatgyűjtés pedig az
edzések offline hosszú távú következményeinek a vizsgálatát teszi lehetővé, ami az
edzésterv kialakításában segít.
Az adatok gyűjtésének tehát több célja van. A betegek pillanatnyi állapotának
felmérése, a stimulációs mintázat optimalizálása, fáradtság meghatározása, kutató
munkák elősegítése.
43
8 Programrendszer felépítése
A fejlesztett programrendszer nem csak a stimulátor programjából, hanem a
gyűjtött adatok feldolgozására bemutatására alkalmas programból és a stimulátor
által mért adatok folyamatos számítógépes megjelenítésére alkalmas szoftverből áll.
A programrendszer fő részei a következők:
1. A stimulátor firmware programja az adatgyűjtővel
2. A gyűjtött adatok utólagos kiértékelése
3. A stimulációs adatok online vizsgálata
8.1 Firmeware programja
A main főfüggvény inicializálások végrehajtásával kezdődik, melyek az alábbi
sorrendben történnek:
• a stimulátor kimeneteinek előkészítése,
• a mikroprocesszor órajel oszcillátorának beállítása 32 MHz-re,
• az UART inicializálása, ami az RS232 soros vonal használatához kell,
• InitSPI() meghívása, ami inicializálja a Serial Peripheral Interface-t,
• a PMP (Parallel Master Port) modul indítása, ami az LCD kijelző
működéséhez szükséges
• az LCDinit() meghívása, az LCD kijelző megfelelő működéséhez kell
[22],
• kezdeti értékek beállítása:
o frekvencia,
o amplitúdó,
o impulzusszélesség.
• timerek inicializálása, melyek az interruptok működéséhez
szükségesek [20],
• InitMMC() a memóriakártya előkészítése [21].
44
A kezdeti inicializálások után a program belép az alábbi főciklusba. (8.1. ábra)
8.1. ábra A főciklus
Itt az egyes nyomógombok helyzetének figyelése, a rotary encoder
állapotának és tekerési irányának feltérképezése történik. A fő ciklusban meghívásra
kerül a Menu állapotgép, ami a fő menükben vagy az egyes almenükben ugrál, az
encoder lenyomásának, és tekerésének függvényében. A teljes menürendszer
leírása megtalálható a 8.1.4-es fejezetben. Ezek után következik az LCD kijelzőre
történő kiíratás, és a meghatározott stimulációs paraméterek memóriakártyára történő
mentése, előre maghatározott időközönként. Jelen beállítás szerint másodpercenként
5-ször történik meg a paraméterek mentése.
8.1.1 Timerek
A timerek feladata a megfelelő ütemezések, időzítések biztosítása. A
T3Interrupt végzi a különböző impulzus szélességek előállítását a kiszámolt pWidth
értékek alapján. Először beállít egy trigger pulzust, majd utána történik a valódi
impulzusszélesség előállítása. Ha a pWidth értéke kisebb, mint 500, akkor a nagyon
rövid időintervallum miatt nem érdemes kilépni az interruptból, hanem megvárjuk az
impulzus végét. Egyébként az interruptból kilépünk és más processzek futnak tovább.
Itt kerül meghívásra PWM függvény, mely beállítja a stimulációs impulzus
áramerősségének megfelelő értékét, a PortTable tömb nulladik eleméhez kiszámolt
amplitúdó (PortTable[0].Ampl) alapján.
45
A T4Interrupt a legmagasabb prioritású interrupt. Ez hívja meg a
CalcPortTableStatic() függvényt 50us-ként. A CalcPortTableStatic meghatározza a
PortTable tömb nulladik elemét, mely mindig az aktuális csatorna, amin a legközelebbi
stimulációt végre kell hajtani. Az interrupt meghívásakor kiszámításra kerülnek a
stimulációs paraméterértékek, a memóriakártyáról beolvasott stimulációs értékeknek,
és az eszköz kezelőfelületén beállítottaknak megfelelően, mert ezek az értékek
folyamatosan változhatnak. A PortTable tömb elemeinek sorba rendezése a
kiszámított periódus (PortTable[i].Periode) alapján történik, mindig a legkisebb
periódussal rendelkező elem kerül a tömb nulladik helyére, így elég egyszer
végigmenni a PortTable tömbön egy for ciklussal.
Több csatorna aktivitása, soha nem történhet egyidejűleg, mert összeadódnak
az áramok és az súlyos problémához vezethet. (8.2. ábra) Ilyen esetben el kell tolni
az impulzusokat, úgy hogy a lehető legkisebb időbeli távolságra kerüljenek
egymástól.
8.2. ábra Egyidejű impulzusok eltolása
A T5Interrupt 1ms-ként meghívja a ReadAngle() függvényt. A ReadAngle()
függvény végzi az aktuális pedál szöghelyzet értékének beolvasását az InitMySPI()
függvény meghívásával. A szöghelyzet érzékelő alacsony szintű kódja az SPI (Serial
Peripheral Interface) modul használatára épül. A mikrovezérlőn 3 db SPI modul
található. Itt az SPI2 modul van használatban. Először inicializálás történik, majd az
aktuális pedál szöghelyzet olvasása. Az így megkapott érték egy változóba kerül,
melyet az általunk választott nulla pedál szöghelyzet pocizójához kalibrálunk. A
ReadAngle() számolja ki a pedál szögsebesség értéket (DataValues.Speed), mely az
aktuális és a korábbi pedál szöghelyzetek különbségéből tevődik össze. Ezeket az
adatokat használják a megjelenítő programok a sebesség kijelzésére. Az előjelzett
pedál szöghelyzet (DataValues.AnglePre) meghatározása is itt történik lineáris
predikcióval. A lineáris predikció (LP) egy olyan matematikai módszer, amellyel egy
jelenség adott időpontbeli állapotát meg lehet becsülni a jelenségre vonatkozó adatok
46
és az adott időpontot megelőző állapotok birtokában. A lineáris predikció a prediktor
fokszámával jellemezhető legjobban, mely a becslés alapját képező korábbi p db elem
számát jelenti. A számításoknál egy 10 elemű prediktort használtunk.
Ennek azért van jelentősége, mert így az előjelzett pedál szöghelyzethez
tartozó stimulációs paraméterértékeknek megfelelően tudjuk végrehajtani az
izomstimulációt.
8.1.2 SD/MMC kártya
Az SD/MMC kártya illesztésénél az alacsonyszintű program úgy lett kialakítva,
hogy képes legyen mind az MMC mind az SD rendszerű kártyák kezelésére akár 2
GB-os méretig.
Az alacsony szintű hardware illesztésen túlmenően el lett készítve egy FAT file
rendszer kezelésére alkalmas programrészlet. Ez a Tiny FAT file rendszer
implementálásával történik. Képes Windows kompatibilis FAT16/32 file rendszert
létrehozni, írni, olvasni. Van file könyvtár olvasó, író, létrehozó és törlő függvénye,
platform független, hosszú file neveket is kezel. Minimalizálni lehet az API-ját, és
különböző szektorméretekkel is tud dolgozni. A felsorolt tulajdonságok egyértelműen
kielégítik a stimulátor igényeit.
Az SD/ MMC kártyán találhatók az egyénre jellemző szöghelyzet függő
stimulációs fájlok a 8.3. ábrán látható formában:
47
8.3. ábra Egyénfüggő stimulációs minta
Az első sor a fájl neve, utána az izom reakcióidő következik, ami
meghatározza, hogy mennyivel előbb kell az izmot stimulálni (mikro szekundumban).
A következő sorban kezdeti amplitúdó található, ami kötelezően nulla, hiszen
bekapcsoláskor nem adhat ki áramot a stimulátor egyetlen kimeneten sem. Utána a
kezdeti frekvencia és a kezdeti impulzusszélesség látható. A fájl további részében a
8x360 db amplitúdó, frekvencia és impulzusszélesség van megadva százalékos
formában, ami azt jelenti, hogy a maximális megadható 100%-ból mennyit szeretnénk
felhasználni a stimuláció során az egyes szögértékeknek megfelelően. Ha nincs
megfelelően megadva a stimulációs fájl, hiányos vagy hibás értékeket tartalmaz,
akkor egy hibaüzenet tájékoztatja a felhasználót és a stimuláció nem indítható el.
48
A stimulátort a kerékpározó mozgást előállító funkción túl még monitorozó és
kutatás fejlesztő eszköznek is terveztük. Nem elégedtünk meg azzal, hogy egy
dinamikus jól kalibrálható rendszerünk van, hanem beépítettünk egy adatgyűjtő
funkciót is. Ennek segítségével, figyelemmel kísérjük a páciens edzés teljesítményét,
valamint néhány fiziológiai paraméterét.
A stimulátorral végzett edzés munka során a paciens élettani adatai közül a
vérnyomás adatait és a terhelés idejét rögzítik a vizsgálati lapokon, Ezek szolgálnak a
rehabilitációs munka követésére. Megkönnyítve a stimulátor használatát
kialakítottunk egy olyan kezelői felületet és programrendszert, ami lehetőséget
biztosít a szükséges adatok elektronikus gyűjtésére és tárolására. Erre a funkcióra jól
használható eszköz a paciensek stimulációs adatait tartalmazó SD kártya, melyre az
egyes edzések adatait tudjuk rögzíteni.
Tehát a memóriakártya nem csak inputként használjuk, hanem outputként is,
mivel az előbb említett bemenő adatok olvasásán kívül a stimulációs paraméterek
kiírása is erre történik. Az adatgyűjtés bekapcsolásával létrejön egy DataValues.txt
állomány, amibe folyamatosan rögzítjük az alábbi adatokat. A stimulátor
kezelőfelületén beállított vérnyomás értéket, a nyolc csatorna áramerősség,
frekvencia és impulzus szélességet, az aktuális és előrejelzett pedál szöghelyzetet és
az elfordulás mértéket, ami a sebesség meghatározásához szükséges. Az adatok
tárolása az SD kártyán bináris formában történik, amivel a megjelenítő program
könnyen tud dolgozni.
8.1.3 Adatszerkezetek és stimulációs paraméterek
A memóriakártyáról töltődnek be az egyes szöghelyzetekhez tartozó
stimulációs paraméterek, százalékos formában. Az amplitúdó, a frekvencia és az
impulzus szélesség beolvasása soronként történik, az Ampl[8][360], Freq[8][360],
Width[8][360] tömbökbe.
49
A DataValues adatszerkezet a 8.4. ábrán látható.
8.4. ábra DataValues struktúra
A DataValues_struct-ban található adatok közül a systoles és a diastoles a
vérnyomás menüpontban Hgmm/Hgmm formában megadható vérnyomásértékek.
A felcsatolt pulzusmérő öv küld információt a mikrokontrollernek a
szívdobbanásokról. A dobbanások közt eltelt időt egy tízelemű FIFO tömbben
tároljuk. Az elemeit átlagoljuk, erre azért van szűkség, mert a szívritmus általában
kaotikusan ingadozik, ezért az egyes dobbanások közt eltelt idő nagyon különböző
lehet. Értékelhető eredményt az átlagolás után kapunk, melyet a Pulse változóban
tárolunk [27].
Az Angle az aktuális pedál szöghelyzet, mely a beolvasását követően a
megfelelő mértékben van eltolva, attól függően, hogy a nulla pedál pozíció hova lett
beállítva. Az AnglePre az előrejelzett pedál szöghelyzet. Az előrejelzése lineáris
predikcióval kerül kiszámításra. Felhasználása a kimeneti stimulációs impulzusok
meghatározásakor történik, úgy hogy az előrejelzett pedál szöghelyzethez tartozó
értékeket kiolvassuk az Ampl, a Freq és a Width tömbökből, majd ezekből számoljuk
a kimenetekhez tartozó megfelelő stimulációs értékeket. A Speed a pedálszög
sebességet tárolja, mely 1ms-ként van frissítve az Angle és AnglePre változókkal
együtt. A frissítést a ReadAngle() függvény végzi, amelyet a T5Interrupt hív meg. A
current, a frequency és a pulse_width változókban, a kijelzőn látható és a
kezelőfelületen keresztül beállítható áramerősség frekvencia és impulzusszélesség
értékek találhatók. A memóriakártyáról történő stimulációs fájl beolvasása utána a
frekvencia és az impulzusszélesség értékek inicializálódnak a stimulációs fájlban
megadott kezdeti értékeknek megfelelően.
A DataValues adatszerkezet másodpercenként 5-ször kerül mentésre, a
memóriakártyára a DataValues.txt fájlba, ha az adatgyűjtés funkció be van kapcsolva.
50
A memóriakártyára kimentett adatok feldolgozása és megjelenítése Matlabbal
történik, ami nagyon hasznos további vizsgálatok elvégzésére, és a stimulátor
továbbfejlesztésére is.
A PortTable_t struktúrából létrehozott nyolcelemű PortTable nevű tömbben
találhatók az egyes kimeneti csatornákhoz tartozó, ténylegesen kiküldött stimulációs
paraméter értékek. Az adatszerkezetet az alábbi 8.5. ábra szemlélteti.
8.5. ábra PortTable adatszerkezet
A kezdeti Freq (frekvencia), Periode (periódus), Width (impulzusszélesség),
pWidth (impulzusszélességtől függ) és az Ampl (amplitudó) változok értékét az
InitPortTable() nevű függvény számolja ki.
8.6. ábra InitPortTable() függvény
Az egyes csatornákhoz tartozó frekvencia értékek (PortTable[i].Freq)
kiszámítása úgy történik, hogy a memóriakártyáról beolvasott Freq[8][360] tömbből,
az előrejelzett pedálszöghelyzetnek megfelelő értéket megszorozzuk a kijelzőn
beállított frekvencia értékkel, és osztjuk százzal. A százzal történő osztásra azért van
szükség, mert a memóriakártyán százalékos formában vannak megadva a
frekvencia, impulzusszélesség és amplitúdó értékek. Az 8.6. ábrán látható
51
programrészből kiderül, hogy a kimeneti csatornákhoz tartozó impulzusszélesség
(PortTable[i].Width) és az amplitúdó (PortTable[i].Ampl) értékek beállítása
megegyezik az előbb részletezett frekvencia érték beállításával.
A frekvenciafüggő peridus (PortTable[i].Periode) értékét a CalcPeriode, az
impulzusszélesség függő pWidth (PortTable[i].pWidth) értéket a CalcpWidth függvény
határozza meg.
8.7. ábra Periode és pWidth meghatározása
A periódus értéke, úgy kerül kiszámolásra a frekvenciából, hogy a belső
időzítés mértékrendszerében könnyen használható érték legyen. Mivel a belső
ütemadó 50us-os periódusidejű így a számítás a 20000/frekvencia A nullával osztás
elkerülésére az eredmény 65535-nél azaz unsigned int legnagyobb értékénél van
maximalizálva.
A pWidth érték meghatározásánál az irányadó a timer sebessége, ami elő
fogja állítani a megfelelő impulzus szélességet, ezért a számítás pWidth = Width * 16,
amit a sebesség növelése miatt a 8.7 ábra szerint valósítottunk meg.
Az Uni változó (PortTable[i].Uni) azt határozza meg, hogy az adott stimulációs
csatorna kimenetén az impulzus uni- vagy bipoláris jelként kerül kiküldésre.
A Channel változó (PortTable[i].Channel) értelemszerűen a kimenti csatorna
számát határozza meg.
A PortTable tömb nulladik eleme mindig az az aktuális csatorna, amin
legközelebb stimulációt kell végrehajtani. A PortTable tömb elemeinek megfelelő
sorrendjéről a CalcPortTableStatic() függvény gondoskodik a teljes stimuláció alatt,
mely 50us-ként kerül meghívásra a T4Interrupt-ból. Amint az aktuális stimuláció
megtörténik, az kikerül a PortTable tömbből és a period értéknek megfelelően
kiszámítódik az azonos csatornának az ütemezése. A tömbbe a csatornák
paraméterei az ingerlés időrendi sorrendjében tárolódnak el. Ezért tudjuk azt
megvalósítani, hogy az aktuális mintázat mindig a tömb nulladik eleme. A 8.8. ábra
szemlélteti a PortTable tömb működését.
52
8.8. ábra PortTable működése
Az ábra tetején az egyes csatornákhoz tartozó kiküldendő impulzusok láthatók
az idő függvényébe. Az 1 táblázat a nulla időpillanathoz kiszámított PortTable tömb
elemeinek sorrendjét tartalmazza. Látható, hogy az 1-es csatornára kell a
53
legkorábban stimuláló impulzust létrehozni, tehát az egyes csatorna áll a PortTable
tömb nulladik helyén. Az aktuális stimulációs impulzus kiküldésének megkezdésekor
a PortTable tömb elemeinek sorrendjét újra számolja a CalcPortTableStatic()
függvény ezt a második táblázat ábrázolja.
A harmadik táblázatban a PortTable tömb nulladik eleme ismét az 1-es
csatorna, mivel a következő stimulációs impulzus itt kell kiküldeni. A negyedik
táblázat kiszámításakor a CalcPortTableStatic() függvény, a memóriakártyáról
beolvasott, megfelelő szöghelyzethez tartozó paramétereket is frissíti a PortTable
tömb elemeinél, a lineáris predikció figyelembevétele mellett.
A PortTable adatszerkezet felépítése és kezelése, lehetőséget nyújt az
izomstimuláció során megkívánt szekvenciális vezérléshez. Az impulzusok
paramétereinek beállításakor, az adott csatornához tartozó értékeket nem kell
megkeresni, mert a tömböt folyamatosan sorrendhelyesen töltjük fel adatokkal. A
rendezést a CalcPortTableStatic() függvény végzi a kiszámolt Periode érték alapján.
Az időzítési eljárás gyors, hatékony és a hardver architektúrához illeszkedik.
8.1.4 Menürendszer, és a stimulátor használata
Az LCD kijelző és a billentyűzet nyújt lehetőséget a stimulációs paraméterek
beállítására. A kezelőfelület egy négy soros, soronként 16 karakter megjelenítésére
alkalmas kijelzőből, egy rotary encoderből, és nyolc nyomógombból áll, minden egyes
nyomógomb egy kimeneti csatornához van rendelve.
A kijelző által megjelenített menürendszerben a rotary encoder segítségével
tudunk navigálni a következőképpen. (8.9. ábra) Az aktuális menüpont kiválasztása az
encoder jobbra illetve balra tekerésével történik, az egyes menükbe pedig az encoder
lenyomásával tudunk belépni. A stimulátor bekapcsoláskor az alábbi főmenüpontokból
tudunk választani, mely a főmenüpontok ábrán láthatók.
8.9. ábra A fő menürendszer
54
Az encoder újbóli lenyomásával az aktuális menüpontból visszaléphetünk a
főmenübe.
A Select Pattern menüpontban tudjuk a memóriakártyáról beolvasni az
egyénre jellemző stimulációs értékeket tartalmazó fájlt, a beolvasás úgy történik, hogy
a memóriakártyán lévő fájlok közül az encoder tekerésével kikeressük a stimulációhoz
használni kívánt fájlt, majd az encoder lenyomására megtörténik a beolvasás, és
visszalépünk a főmenübe. A stimuláció során használt fájlok mind stm kiterjesztésűek.
Ha a fájl beolvasása megtörtént, még nem indul el az izomstimuláció, vagyis a
kimeneten még nincs impulzus, mivel az áramerősség értéke nulla.
A Current intensity [mA], a Frequecy [Hz], és a Pulse width [us] menüpontok a
stimulációs kimenetek paramétereinek a beállítására kínálnak lehetőséget. A Current
intensity (0-130mA) az áramerősség, a Pulse width (10-999us) az impulzusszélesség,
a Frequency (1-200Hz) pedig a frekvencia állítását szolgálja. A stimulációs
paraméterek csatornánként a megadott értékek között állíthatók. Az állítás úgy
történik, hogy az aktuális menübe való belépés után, az egyes kimeneti csatornákhoz
tartozó nyomógombok lenyomása mellett az encoder jobbra tekerésével növelhetjük,
balra tekerésével csökkenthetjük az értékeket. Egyszerre több csatorna is állítható,
értelemszerűen több nyomógomb egyidejűleg történő lenyomása mellett. A
memóriakártyáról történő stimulációs fájl beolvasása után a frekvencia és
impulzusszélesség menüpontokban az az érték látható minden csatornánál, amely a
stimulációs fájlban kezdeti értékként volt megadva.
Az Adat gyujtes menüben bekapcsolható az adatgyűjtés funkció, melynek
hatására a memóriakártyán létrejön egy DataValues nevű txt kiterjesztésű fájl. A
fájlban a stimuláció során használt paraméterek, a megadott vérnyomásértékek, a
pillanatnyi pedál szöghelyzetek, a pedál szöghelyzet becslések, és az aktuális pedál
sebesség értékek kerülnek tárolására. Másodpercenként 5-ször, vagyis 200ms-ként.
A Setup menüre, azért volt szükség, hogy az ergométer pedál
szöghelyzetének nulla pocizója tetszőlegesen állítható legyen szoftveres úton. Az
ergométerben a szöghelyzetadó fizikai elhelyezése nem lehetséges úgy, hogy a nulla
pedálszög pozíciójához a nulla szöghelyzetet kalibráljuk. Az aktuális szöghelyzetről az
ergométerbe beépített szöghelyzet érzékelő nyújt információt. A kívánt nulla pedál
szöghelyzet beállítása úgy történik, hogy a megválasztott nulla pozícióba állítjuk a
pedált és megnyomjuk az 1-es nyomógombot, majd az általunk meghatározott előre
irányba eltekerjük a pedált kevesebb, mint 90 foknyit és megnyomjuk a 2-es
nyomógombot. Az 1-es és a 2-es nyomógomb lenyomásának hatására, az éppen
aktuális pedál szöghelyzetekről mintavételezés történik. Ha a két érték megfelelő volt,
akkor a kívánt nulla pedál szöghelyzethez beállítása megtörténik. Ha nem volt
55
megfelelő a két mintavételezett érték, akkor újra be kell állítani a kívánt nulla pozíciót.
Az LCD kijelzőn megjelenő üzenetek mindenről tájékoztatják a felhasználót.
A Vérnyomás adatok menüpontban megadhatók a stimuláció közben mért
vérnyomás értékek, systolés/diastolés formában, kezdeti értékként
120Hgmm/80Hgmm van megadva, hogy az aktuálisan mért vérnyomásérték
beállítása gyorsabb legyen. A systolés érték az 1-es gomb lenyomása, a diastolés
érték a 2-es gomb lenyomása mellett, az encoder megfelelő irányú tekerésével
növelhető vagy csökkenthető.
A 8.10. ábra szemlélteti a teljes menürendszer felépítését.
8.10. ábra A teljes menürendszer
A szoftvert elkészítettük, felprogramoztuk a mikrokontrollert, és ellenőriztük,
hogy minden helyesen működik.
Az optikailag elválasztott kimenetet a stimulátorhoz illesztettük, majd
teszteltük és mértük a tulajdonságait. Tartós teszteket is végeztünk, hogy valós
körülmények között vizsgáljuk a fogyasztást és a megbízhatóságot. Nem
tapasztaltunk rendellenességet, ezért átadtuk az Országos Orvosi Rehabilitációs
intézetnek. Régóta használják az eszközt, az átadás óta nem panaszkodtak
semmiféle meghibásodásra.
Az adatok gyűjtését csak speciális körülmények között tudtuk kipróbálni, mert
a valós mérések etikai szabályokba ütköznek. Az engedélyek megszerzése
56
folyamatban van. A laborban végzett mérések során minden paramétert felügyelten
változtattunk, így tudtuk ellenőrizni a regisztrálási folyamat helyességét. A mérés
helyesen és megbízhatóan működött.
8.2 A gyűjtött adatok kiértékelése
A beépített adatgyűjtő funkció segítségével eltárolt nyers adatok önmagukban
nem hordoznak információt. Az adatok között összefüggéseket kell keresnünk, meg
kell jeleníteni őket olyan formában, hogy azt az orvosok elemezni tudják. Ehhez
elkészítettünk egy könnyen használható, interaktív grafikus megjelenítő felületet. A
szoftver Matlab környezetben készült. Be kell írni a megfelelő mezőbe a feldolgozni
kívánt fájl nevét, majd a program grafikonokat rajzol, hogy vizuálisan elemezhetők
legyenek az edzés paraméterei.
A kirajzolható grafikonok az alábbiak:
• vérnyomás adatok: systoles, diastoles
• pillanatnyi sebesség
• szögelfordulás és annak előrejelzése
• frekvencia csatornánként
• impulzus szélesség csatornánként
• áramerősség csatornánként
• szöggyorsulás
• pillanatnyi teljesítmény
• pulzus
• származtatott adatok
Az adatok az SD kártyára bináris formátumban vannak elmentve, ezeket kell
kinyernünk és feldolgoznunk a programmal. Egy struktúra tömbbe tároljuk el az
adatokat, majd ezeket kirajzoltatjuk. A sebességet a szögelfordulásból számoljuk.
Értéke lehet pozitív és negatív is, annak megfelelően, hogy melyik irányba tekeri a
beteg az ergométert. Alapvetően a szögelfordulásból nem tudnánk meghatározni az
irányt, de az irreálisan nagy szögelfordulás és a nagy mintavételi sebesség miatt
következtethetünk. A meghatározott sebességet Savitzky–Golay szűrő segítségével
kisimítjuk, és végül ez kerül kijelzésre. Amennyiben szükséges, megjelenítjük a
pillanatnyi teljesítményt, szöggyorsulást, pulzust és a már korábban említett gyűjtött
57
adatokat. Valós körülmények közötti mérések és orvosi konzultációk után szeretnénk
megalkotni a leghasznosabb és legjobban kezelhető szoftvert. A kialakítása jelenleg
is folyamatban van. A rendszeres edzésről-edzésre történő adatgyűjtés segítségével
nyomon tudjuk követni a hosszú távú következményeket és változásokat a beteg
állapotában. A 8.11. ábrán látható a paramétereket megjelenítő szoftver egyik
változatát.
8.11. ábra Az adatokat megjelenítő szoftver által rajzolt grafikonok
Az ábrán láthatók a már korábban említett és részletezett jellemzők. Itt
grafikusan is megjelennek az egyes csatornák paraméterei (amplitúdó, impulzus
szélesség, frekvencia). Láthatók a vérnyomás adatok (systoles, diastoles), amiket a
próbamérés során bevittünk a rendszerbe. Ezek általános jellemzők, amelyeket eddig
a jegyzőkönyvekbe kézzel írtak be. A pillanatnyi sebesség mérésének és
elemzésének jelentőségét is tárgyaltuk már, ebből származtatható a gyorsulás, a
teljesítmény és egyéb jellemzők. A szög pillanatnyi értéke és az előrebecsült érték is
megjelenik, amely jelentőségét fentebb szintén kifejtettük. A szoftver segítségével
megjeleníthetők az eddig tárgyalt edzésparaméterek, ezáltal elemezni lehet az
adatokat.
58
8.3 Online monitorozás
Az adatgyűjtésből származó információkat nem csak offline szeretnénk
elérhetővé tenni, hanem célunk volt az online adatfeldolgozás is. Megvalósítottuk
soros porton keresztül a kommunikációt a PC és a stimulátor között. A soros portról
érkező adatokat egy Labviewban írt szoftver segítségével tudjuk feldolgozni. (8.12.
ábra) Jelenleg a sebességet, a szöghelyzetet (piros) és a szög előrebecslést (kék)
jelenítjük meg ezek jelentőségét már részletesen bemutattuk a 5.3, 7.1 fejezetben.
Jelenleg dolgozunk a többi gyűjtött adat kijelzésén is. Az adatkommunikációt tehát
már megvalósítottuk, és van egy alap szoftverünk, amit bizonyítja a módszer
működőképességét, így nyugodtan kezdünk neki az ilyen irányú fejlesztéseknek.
8.12. ábra Adatok online kijelzése Labview programmal
Azért nagyon fontos az online monitorozás, mert így még kényelmesebbé
tudjuk tenni a rendszerünk használatát. Óriási lehetőségek rejlenek ebben a
megvalósításban. Tehermentesíthetjük az orvosokat, a betegeket és
hozzátartozóikat. Akár az is megoldható, hogy a paraplég otthon tud edzeni teljes
orvosi felügyelet alatt, mivel az összes paramétert eljuttatjuk a távol lévő orvoshoz.
Így nem kell a pácienseknek és segítőjüknek rendszeresen beutazni a rehabilitációs
intézetbe. Ezen kívül az otthoni edzést nagyobb gyakorisággal lehet végezni. Így még
hatékonyabbá tehető a rehabilitáció.
59
9 Fejlesztési lehetőségek
Rengeteg fejlesztési lehetőségünk van. Az eszköz készen van, és
használható, de a további orvosi kutatások újabb igényeket tárhatnak fel. A leendő
igényekre már a tervezéskor figyeltünk, például a paraméterek intervallumai jóval
túlnyúlnak a jelenleg klinikailag alkalmazottaknál, de ennek ellenére kaphatunk más
újításokat is. Például a jelalakra vonatkozó specifikáció változhat. Szinusz vagy
trapéz alakú kimenetet kell generálnunk a simább, finomabb mozgás eléréséhez. A
továbbfejlesztési lehetőségek tárháza nagyon nagy és a folyamatos egyeztetések,
konzultációk fogják megadni az irányvonalat.
9.1 Rövidtávú fejlesztési lehetőségek
Néhány hónapon belül szeretnénk továbbfejleszteni a rendszerünket és olyan
funkciókat beépíteni, amely óriási jelentőséggel bírnak.
Szeretnénk kibővíteni a monitorozást úgy, hogy mérni tudjuk a belégzett és
kilégzett oxigén mennyiségét. Ebből is a terhelés mértékére lehet következtetni. Ezt
egy oxigén szenzor segítségével tudnánk megvalósítani. Egy maszk és egy
hozzácsatolt hosszú csőben lévő szenzorból állna a berendezés. A/D konverter
segítségével század százalékos pontosságot tudnánk elérni, ami bőven eleget tesz a
követelményeknek.
A pulzusmérés segítségével kereshetünk összefüggéseket arra, hogy a szívet
mennyire befolyásolja a stimuláció. Az ingerlés és a szívdobbanás közötti korrelációt
kell vizsgálnunk. Ha a szív Fourier-spektrumában rendellenesség fedezhető fel, akkor
érdemes ilyen irányban is foglalkozni a fejlesztésekkel.
Célunk a hőmérsékletmonitorozás, amelyet több csatornán végzünk. Ebből a
keringésre tudunk következtetni. Egészséges embereknél az edzés során fokozódik a
véráramlás így melegszik a végtag. Ezek összefüggését lehetne vizsgálni az általunk
elképzelt eljárással. Hőkamerás felvételeket végeztünk biciklizés közben és valóban
azt az eredményt kaptuk, hogy az edzés folyamán melegedtek a végtagok. (9.1.
ábra) Az ilyen irányú kutatások számára ez igen bíztató eredmény.
60
A mérés működőképességét előzetes kísérletekkel megpróbáltuk
alátámasztani.
.
9.1. ábra Hőkamerás felvételek a végtagok melegedéséről
A hőkamera nem a legmegfelelőbb eszköz az ilyen jellegű mérésekhez. Nem
elég pontos, a környezeti hatások befolyásolják a méréseket (külső hőmérséklet
nagyon meleg, hideg) és nem utolsósorban rendkívül drága eszköz. A mi
megoldásunk lényegesen olcsóbb lesz és kevésbé fog függni a környezeti hatásoktól.
A mozgásképtelen végtagok vérkeringése korlátozottabb, mint az egészséges
területeteké. Különböző egészséges és bénult területeken mérnénk hőmérsékletet. A
hőmérő elemeket a bőrfelszínre tapasztanánk így nem befolyásolják a méréseket a
61
külső hatások. A hőmérsékletváltozásokat, valamint több ponton a hőmérsékletek
összefüggését kell vizsgálni és ezekből kell levonni a megfelelő konzekvenciákat.
Ezek az eljárások segítenék a kutatók munkáját, hogy minél jobb és
hatékonyabb rehabilitációs edzésprogramokat alakítsanak ki.
Talán a legfontosabb fejlesztés, amit a következő hónapra tervezünk, az
online monitorozásnak a kibővítése. Mint már említettük nagyon nagy lehetőségek
rejlenek benne, ezért szeretnénk minél több energiát fordítani az ilyen irányú célok
megvalósítására. A kibővített funkciók távoli felhasználását megoldhatjuk vezetékes
számítógép hálózat, WIFI hálózat vagy mobiltelefon hálózat közbeiktatásával, ami
nagymértékben javítja a kialakított stimulátor rendszer flexibilitását.
9.2 Távlati célok és lehetőségek
A két év folyamán több professzor és doktorandusz érdeklődött a munkánkról.
Megosztottuk velük tapasztalatainkat, és a beszélgetések során felvetődött néhány
nagyon érdekes felhasználási lehetőség.
Az egyik ötlet szerint beültethető agyi elektródákon keresztül kellene ingerelni
a különböző területeket. Először természetesen állatokon lenne tesztelve, és csak
később kerülne klinikai alkalmazásba. Ehhez a kimenetet kell átalakítani ésszerű
keretek között. Elég lenne csak egy kimenet, aminek a szerkezete hasonló a
megvalósítotthoz, de kisebb teljesítményű és pontosabb alkatrészekből építenénk
meg.
Más mozgásvezérlésekhez is fel lehetne használni a stimulátort. Kézmozgást
segítő eszközként is funkcionálhatna. Ehhez természetesen más bemeneti
egységek, pozíciószenzorok kellenek.
62
10 Összefoglalás
A feladatkitűzésbe foglalt problémákat elvégeztük és végeredményben egy
működő izomstimulátort sikerült kifejleszteni, ami a mozgássérültek izmainak
rehabilitációjára és edzésben tartására használható. Ezáltal javul az egészségi
állapotuk és nő a komfortérzetük.
Az eszköz több fontos újítást foglal magába a kereskedelemben kaphatókhoz
képest. A flexibilitása miatt lehetőséget nyújt a mozgássérültek izom
rehabilitációjának továbbfejlődéséhez. A páciensek stimulációs mintázatának
kialakítása egyedi; ahhoz hogy finom mozgásokat tudjanak előidézni, szükség van a
megfelelő paraméterek precíz hangolhatóságára. Az áramerősség
szabályozhatóságát (1-130mA) PWM-mel oldottuk meg, és a mikrokontrollerhez
illesztett áramkörrel állítottuk elő a tényleges amplitúdót. A frekvencia (10-200Hz) és
impulzusszélesség (10us-1ms) változtatását szoftveresen valósítottuk meg és egy
kapcsoló áramkört vezérlünk a mikrovezérlővel. A tervezésnél figyelembe vettük a
szabványokat, orvosi előírásokat. Optocsatolókkal minden egységet galvanikusan
leválasztottunk. Elektromos és vezérlési problémák esetére is felkészültünk, kivédtük
az egészségkárosító hatásokat. Nem maradhat állandó áramterhelés alatt a beteg,
mert a Half Bridge Driver-ek tápellátását kondenzátorok biztosítják. A
feszültségforrást hat darab AA elem szolgáltatja. Törekedtünk a méret és a súly
minimalizálására, ezzel még mobilabbá vált a stimulátor. Adatgyűjtő funkció
beépítésével visszajelzést adunk az edzés folyamatáról és ennek függvényében
változtathatnak a stimulációs mintázaton az orvosok, hogy még hatékonyabb legyen
a rehabilitáció. Elősegíthetjük a stimulátor otthoni használatát, és a klinikai
kutatásokat az online monitorozással. Az edzés teljes körű megfigyelés alatt van. Az
adatok egyszerűen használható grafikus felületű szoftverrel megjeleníthetők.
Egy olyan dinamikus eszköz lett a végeredmény, amely más mozgásfajták
kialakítására is alkalmazható. Egy biztonságos és a klinikai alkalmazásban jól
használható izomstimulátort fejlesztettünk ki, amely technikai alapot nyújt olyan
kutatásokhoz, amelyek bicikliző, vagy egyéb mozgásokat szeretnének előidézni
mozgássérültek rehabilitációjának céljából.
63
11 Köszönetnyilvánítás
Köszönettel tartozunk
Tihanyi Attilának és Dr. Laczkó Józsefnek,
akik mérhetetlen türelmükkel és szakértelmükkel segítették a TDK elkészítését.
64
12 Irodalomjegyzék
[1] Laczkó J., Klauber A., Molnár L.: Application of a Mathematical Brain Theory in
Rehabilitation of Spinalcord Injured Patients. In: Third Vienna Muscle Symp. Ed. G. Freilinger & M. Deutinger, pp.309-312. Wien Blackwell-MZV, ISBN 3-901158-02-2. (1991)
[2] Szentágothai János, Réthelyi Miklós: Funkcionális anatómia I. Medicina könyvkiadó RT. Budapest (2002)
[3] Nagy Ildikó: Egészségügyi ismeretek jegyzet (2009) http://szocialis-gondozo.lapunk.hu/?modul=oldal&tartalom=702223
[4] http://www.akciospotencial.blog.hu [5] Szécsi J, Fincziczki Á, Laczkó J, Straube A.: Elektrostimuláció segítségével meghajtott
(háromkerekű) kerékpár: Neuroprotézis harántsérült páciensek mindennapos
használatára. Rehabilitáció, 15. Évfolyam pp.9-14 (2005) [6] Szecsi J, Fincziczki A, Laczko J, Klauber A: Functional electrical stimulation for cycling
of paraplegics: individual adaptation of the clinical environment in Hungary. 11th Annual Congress of the European College of Sport and Science, Book of abstracts, p.406. (2006)
[7] https://wiki.itk.ppke.hu/twiki/pub/PPKE/ElektrofizII/03_FESTIM2009.pdf
(Eklektrofiziológiai mérések és protézisek II előadás) [8] Pilissy Tamás: Lábmozgások kinematikai és bioelektromos jellemzőinek modellezése
gerincsérültek és egészségesek kerékpározó mozgásánál. Szakdolgozat PPKE ITK (2007)
[9] Robert G. Dennis, Douglas E. Dow, John A. Faulkner: An implantable device for
szimulation of denervated muscles in rats, Medical Engeneering & Physics 25 (2003) [10] Magyar Szabványügyi Testület: COUNCIL DIRECTIVE 93/42/EEC of 14 June 1993
concerning medical devices (OJ L 169, 12.7.1993, p. 1) [11] Kormos Dávid: Izomstimulátor fejlesztése. Mérnöki tervezés beszámoló (2009)
[12] Dr. Laczkó József, Tihanyi Attila: Izomstimulátor specifikáció (2008) [13] Lucio Di Jasio: Programming 16-Bit PIC Microcontrollers in C: Learning to Fly the PIC
24. ISBN: 0750682922 (2007 Mar)
[14] Kingbright Corporation: KB817 - GENERAL PURPOSE HIGH ISOLATION VOLTAGE
SINGLE TRANSISTOR TYPE PHOTOCOUPLER SERIES – (2005) http://pdf1.alldatasheet.net/datasheet-pdf/view/113354/KINGBRIGHT/KB817.html
[15] Microchip Technology Inc: 600 nA, Rail-to-Rail Input/Output Op Amps (2002)
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/microchip/21669b.pdf
65
[16] ON Semiconductor: Linear & Switching Voltage Regulator Handbook (2002 Februar) http://www.fer.hr/_download/repository/Linear___Switching_Voltage_Regulator_Handbook_%28ON_Semiconductor%29.pdf
[17] Tamás Pilissy, András Klauber, Gábor Fazekas, József Laczkó, Johann Szécsi: Improving
functional electrical stimulation driven cycling byproper synchronization of the
muscles, Ideggyogy Sz. 61(5–6):162–167. (2008) [18] Ferrante S, Saunders B., Duffell L., Pedrocchi A., Hunt K., Perkins T.: Donaldson N.,
Quantitative evaluation of stimulation patterns for FES cycling, 10th Annual Conference of the International FES Society, Montreal, Canada (2005 july)
[19] Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó,
Budapest (1993) [20] Microchip Technology Inc: PIC24FJ256GB110 Family. Data Sheet, DS39897B (2008)
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39897c.pdf
[21] Designing Hardware for Microsoft ® Operating Systems: FAT: General Overview of On-Disk Format (1999 May) http://www.frontiernet.net/~fys/docs/fatgen102.pdf
[22] Displaytech Ltd.: Product Specification 164A Series
http://techwww.in.tu-clausthal.de/site/Projekte/Wetterstation/datenblaetter/DIS164A.pdf [23] James M. Bower, David Beeman: Exploring Realistic Neural Models with the GEneral
NEural SImulation System. The Book of GENESIS, New York (1998) [24] Gerber Balázs: Sportolók izomrost-összetételének becslése. Önálló labor beszámoló
(2009) [25] Nils A. Hakansson, M. L. Hull: The Effects of Stimulating Lower Leg Muscles on the
Mechanical Work and Metabolic Response in Functional Electrically Stimulated
Pedaling. IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING, VOL. 18, NO. 5 (2010 October)
[26] Chien-Chih Chen, Zong-Cian He, Ya-Hsin Hsueh: An EMG Feedback Control Functional
Electrical Stimulation Cycling System. Journal of Signal Processing Systems (2009 November)
[27] G Krstacic, D Gamberger, A Krstacic, T Smuc, D Milicic: The Chaos Theory and Non-
linear Dynamics in Heart Rate Variability in Patients with Heart Failure. Computers in Cardiology (2008 Szeptember)
[28] Tim Williams: EMC for Product Designers Front cover. Fourth Edition (2006
December)
66
13 Melléklet
Tapasztalatok az izomstimuláló berendezés használatával kapcsolatban
Kialakítása:
Az általános kialakítása megfelelő, a használat során hiányosságot nem
tapasztaltunk. Az elemtartóban található fém illeszkedések nem kellőképpen erősek,
elemcsere során kiemelten figyelni kell az elemek megfelelő behelyezésére, különben
a rossz illeszkedés miatt nem működik a berendezés. Mobilitás szempontjából jó
választás az elemes áramforrás, de szükséges lehet egy hálózati
egység/bemenet/adapter kialakítása helyhez kötött használathoz a megbízható
működés (elem váratlan lemerülése elkerülésével) és anyagi megfontolások
figyelembe vétele miatt. A gombok megfelelőek, a mindennapos használatot jól
bírják, a különböző beállítások elvégzéséhez kellőképpen érzékenyek. A vezetékek
kezelése nehézkes, bár a munkát nem gátolják, legfeljebb csak időigényessé teszik
az elektródák felszerelését. Javasoljuk eltávolítható vezetékek alkalmazását,
melyeket a valamilyen illesztéssel lehetne rákötni a központi egységre használat
előtt, majd utána el lehet távolítani azokat, így a berendezés könnyebben lenne
áthelyezhető egyik helyről a másikra, valamint egyszerre csak a használt
csatornáknak megfelelő számú vezetékre lenne szükség.
Software:
A berendezésre telepített program egyértelmű, könnyen és kellően
érzékenyen állítható be, használata során problémával nem találkoztam. Javasolnám
egy beépített visszajelzés létrehozását, ami valós időben mutatná a kijelzőn (hang
nem szükséges), hogy éppen melyik csatornán megy jel (melyik elektródán van
impulzus), így ellenőrizhetővé válna, hogy a kezelő jól állított-e be például a 0 szöget.
Alanyok visszajelzései:
Az alanyok körülbelül szeptember eleje óta használják rendszeresen a
berendezést. Ez előtt egy másik stimulátort használtak. Többségüknél a
67
kerékpározás dinamikusabb, kevésbé rángató (simább), maga a mérés kevésbé
megterhelő ezzel a berendezéssel, mint a régivel. Akinél ez nem mondható el, ott
érezhetően nem változott a kerékpározás dinamikussága és a mérés szervezetre
gyakorolt megterhelő hatása, de a mozgás simasága náluk is lényegesen javult. Az
alanyok eleinte tartottak a régi, jól bevált stimulátor lecserélésétől, de mára ez elmúlt,
sőt sokat dicsérik a jelenleg használt („új”) stimulátort, főleg amiatt, hogy a mérés
elején korábban megszokott görcsös kerékpározás nem jelentkezik, a mozgás
megkezdésétől a befejezéséig kevesebb görcsös izom-összehúzódás tapasztalható.
Összegzés:
Összességében elmondható, hogy a berendezés tartósan is jól használhatóm,
használata során probléma nem tapasztalható, az alanyok részéről panasz nem volt,
sőt fogadtatása igen pozitív, a korábban említett előnyei miatt. A mindennapi
használatot, könnyebb kezelést szolgáló kisebb javaslatok figyelembe vétele és
végrehajtása után a stimulátor használata kényelmesebbé és egyszerűbbé válhat,
mindemellett jelenleg is jól használhatóm mind a kezelő szempontjából, mind pedig
az alanyok visszajelzései alapján.
Országos Orvosi Rehabilitációs Intézet, 2011. január. 10.