Bebeğin yaşamsal verilerinin noninvaziv ölçümü ve mobil takip-analiz sistemi tasarımı
Noninvasive measurement of baby's vital datas and mobile monitoring – analysis system design
Yazar: NADİDE GÜLŞAH GÜLENÇ
Danışman: PROF. DR. MESUT KARTAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz iletişim teknolojilerinin günümüzde gelişmesiyle birlikte tıbbi cihaz sektöründe de yaşamsal standartları arttırmak amacıyla birçok cihaz geliştirilmiştir. Tıbbi verilerin gerçek zamanlı izlenmesi ve acil durumlarda kullanıcıyı haberdar etmesi vazgeçilmez olmuştur. Hastanın vital bulgularını değerlendirmek hastadaki enfeksiyon şüphesinde, hastaya verilecek ilaç tedavisi gibi müdahalelerde önem taşımaktadır. Yaşamsal veriler vücudun işlevlerinin düzgün bir şekilde devam edebilmesi için hasta kişide sürekli takip edilmesi gerekmektedir. Bu bilgiler dikkate alınarak yapmış olduğumuz çalışmada kablosuz haberleşme sistemi ile bebeklerin eş zamanlı solunum, nabız, SpO2, vücut sıcaklığını ölçmek amaçlanmıştır. Özellikle yenidoğan bebeğin hastane veya ev ortamında sağlık uzmanının veya ailelerin kolaylıkla durumunu takip etmesi amacıyla geliştirilmiştir. 
Tasarlamış olduğumuz sistem 3 ana kısımdan oluşmaktadır. Sıcaklık, SpO2, pulse rate, solunum takibinin yapılacağı hasta üzerine yerleştirilen mobil ölçüm ünitesi, ölçüm değerlerinin kablosuz olarak sisteme iletileceği ünite, iletilen ölçüm değerlerinin mobil olarak görülmesini sağlayan kullanıcı arayüzüdür. Sistemin enerji tüketimi minimuma inmesi için sistem tasarımında 850 mAh kapasiteli LiPo batarya tercih edilmiştir. Bu batarya ile ortalama aralıksız çalıştırılarak 1 hafta boyunca batarya kullanımı sağlanılmıştır. Hastanın vital bulgularını tespit etmek için sistemde ATMEGA328P-PN mikroişlemcisi kullanılmıştır. Sistemin çalışmasında kullanmış olduğumuz ATMEGA328P mikrodenetleyicisi ile sensörlerin çalışması ve ölçümlerinin alınıp matematiksel işlemleri yapılmıştır.  Yaşamsal bulgulardan nabız ve SpO2 değerlerini elde etmek için Max30100-TB sensörü, sıcaklık değerini ölçmek için MLX90615-TP sensörü, solunum sayısı tespiti için ise MPU6050 sensörü kullanılmıştır. Sensörler I2C protokolü ile çalışmaktadır. Dijital sıcaklık ölçer sensörü olan MLX90615 geniş aralıkta sıcaklık algılama yapabildiği için çalışmada kullanılmıştır. Nesnelere temas etmeden kızılötesi sinyal gönderilerek vücut sıcaklığını tespit etmektedir.  Sensör içinde yer alan PTC (pozitive thermo couple) sayesinde daha hassas bir şekilde ölçüm yapmaktadır. Pulseoksimetre değerinin tespiti için kullanılan Max30100 sensörün çalışma prensibi ise Lambert-beer kanununa dayanmaktadır. Bu kanun; kızılötesi ışık gönderilerek içinden geçen maddenin konsantrasyon değerleri artarsa eğer ışığın gücünü azaltmaktadır. Kızılötesi ışıkların farklı miktarda absorbe edilmesine dayanmaktadır. Yenidoğan bebeklerden pulseoksimetre değeri %93-100 aralığında olmaktadır. Pulseoksimetre ölçümünü tespit etmek için kullandığımız MAX30100 sensöründe hem pulseoksimetre hemde nabız sensörü bir arada bulunmaktadır. İçerisinde kızılötesi ve kırmızı ledler bulunmaktadır. Kanın rengi oksijen miktarına bağlı olarak değişmektedir. Bu değişiklikten yararlanılarak alyuvarda yeterli sayıda oksijen bulunup bulunmamasına bakılır. Algılayıcı sayesinde ulaşılan ışık miktarı ölçülerek oksijen satürasyon değeri tespit edilir. Solunum hareketleri düzensiz olduğu için genellikle de manuel olarak solunum sayısı tespit edildiğinden doğru olarak farkedilmeyebilir. Manuel olarak kullanılan solunum sayma teknikleri doğru teşhisi engellemektedir. Bu sebeple tasarlamış olduğumuz bu sistem tasarımı sayesinde daha doğru teşhis elde edilerek sağlık uzmanlarına yardımcı olması hedeflenmiştir. Yenidoğanlarda genellikle solunum değerleri dakikada 30-50 arasındadır. Solunum hareketini algılaması için ise MPU6050 sensörü bu çalışmada kullanılmıştır. İçerisinde yer alan ivmeölçer sayesinde üzerine düşen ani hızlanmayı, yerçekimi kuvvetini veya durma ivmesini ölçmektedir. Kısaca; bu sensörde ivme değerini tespit etmek için içerisinde yer alan kütlenin değişken konumundan faydalanılır. MPU6050 sensörünün içerisinde bulunan jiroskop sensörü ile 3 koordinatın (X, Y, Z) dönüş hızı ölçülmektedir. Devre yapımında sensörlerden elde edilen verilerden daha doğru bilgi edinebilmek amacıyla filtreleme işlemleri yapılmıştır. MAX30100 sensöründe filtreleme gerçekleştirirken ilk olarak DC sinyalini filtreleme işlemi yapılmıştır. Bu işlem gerçekleştirildikten sonra geriye kalan AC sinyal kısmına da ortalama medyan filtreleme yöntemi uygulanmıştır. Vücut sıcaklığını tespit etmek amacıyla kullanmış olduğumuz MLX90615 sensöründe filtreleme işlemi olarak 2 yöntem tercih edilmiştir. Bunlar; Finite Impulse Response (FIR) ve Infinite Impulse Response  (IIR) yöntemleridir. Filtreleme olarak bu yöntemleri kullanmamızdaki amaç ise; gürültü kontrolünü sağlamak ve hızlı sıcaklık ölçümlerinde yaşanan değişiklikleri daha doğru bir şekilde tespit etmektir. MPU6050 sensöründe filtreleme yöntemi olarak ise tamamlayıcı filtreleme kullanılmıştır. Bu sensöre hem yüksek geçiren hemde alçak geçiren filtreleme yöntemi uygulanarak solunum varlığını daha doğru tespit edilmesi amaçlanmıştır. Devrede eş zamanlı olarak internet bağlantısını sağlayan arayüze veri iletimi Wi-Fi modülü ile sağlanmaktadır. Kullanmış olduğumuz ESP-12E modülü hem mikrokontrolcü olarak çalışabilen hemde Wi-Fi entegreleri bulunan bir modüldür.  Sistemin tasarımında kulanmış olduğumuz ikinci denetleyici olan ESP-12E ise elde edilen ölçüm değerlerini web sunucusuna iletmektedir. Üzerinde bulunan Wi-Fi internet modülü sayesinde tasarımını yapmış olduğumuz web sistemimizin bulunduğu sunucuya veritabanları iletilmektedir. Sistemin veritabanı için en uyumlu ve en kararlı bir şekilde çalışabilen dillerden biri olan MySQL kullanılmıştır. MySQL'in manuel olarak düzenleyebilmek ve rahatlıkla kullanabilmek amacıyla PhpMyAdmin aracı kullanlmıştır. Web tasarımında ise HTML, CSS ve PHP dilleri kullanılmıştır. PHP dili sunucu tarafında arkaplandaki çalışmalar için kullanılan bir dildir. PHP dili ile veri tabanına veri gönderip geri çekme, uyarı gösterme, arka planda çalışması gereken matematiksel işlemler yapılmıştır. Tasarlamış olduğumuz bu arayüz ile aynı hasta kayıt sistemleri gibi veriler veri tabanımıza kayıt olmaktadır. Böylece hastaya ait tüm yaşamsal parametreler gereksinim duyulan yerde rahatlıkla erişilebilinmektedir. Web tasarımında program 3 panelden oluşmaktadır. Bunlar; kontrol paneli, grafik-analiz paneli, uyarı ve bildirimler panelidir. Sistemin gösterge panelinde tüm alınan ölçüm değerleri ve son gönderilen değerleri tablo halinde rahatlıkla izlenmektedir. Çalışmada android uygulaması olarak çalışması için Android Studio programı kullanılarak apk dosyası oluşturulmuşur. Android cihaza oluşturmuş olduğumuz apk dosyasını yükleyerek telefondada kurulumu gerçekleştirilip rahatlıkla takip edilebilinmektedir.
Tasarlamış olduğumuz bu sistem sayesinde hastanede tedavisi bitmesine rağmen ev ortamında gözetim altında olması gereken bebeklerin verilerinin sağlık uzmanı tarafından rahatlıkla izlenmesi de doğru teşhis için önemli bir kolaylık olacaktır. Gerçekleştirilmiş bu sistem sayesinde takip yapan kişi kolaylıkla mobil uygulama ile bebeğin durumunu takibini yapabilmekte ve ani durumlarda uyarı alabilmektedir. Oluşabilecek bir solunum durması gibi tehlikeleri kısa sürede tespit etmektedir. En ufak bir solunum hareketini bebeğin algılamaktadır. Bebeğin solunumu algılanamadığında sistem uyarı vermektedir. Böylelikle tespit ve tedavi süresi kısaltılarak hastanın ölüm riski azaltılmıştır. Vücut sıcaklığı, SpO2, nabız ve solunum tasarlamış olduğumuz bu sistem ile sürekli takip edilmektedir. En son ölçümü alınan bu yaşamsal parametreler ve hastadan alınan tüm ölçümler web arayüzünde gösterge panelinde görülmektedir. Ani görülen rahatsızlıklar için programda belirli bir alarm seviyeleri oluşturularak uyarı alınması sağlanmaktadır. Web tasarımda tüm alınan ölçümlerin grafiksel olarakta analizi sağlanmaktadır. Vücut sıcaklığı, SpO2, nabız, solunum düzenli olarak bu sistem sayesinde raporlanarak hekimler için bilgi verici veri oluşturmaktadır. Sağlık uzmanına teşhis için daha verimli bir zaman yönetimi sağlanmıştır.

Abstract:
Many devices have been developed in order to increase the life standards of the medical device industry with the development of wireless communication technology today. Real-time monitoring of medical data and informing the user in emergencies has become indispensable. It is important to evaluate the vital signs of the patient in interventions such as the suspicion of infection in the patient and drug therapy to be given to the patient. Vital data must be constantly monitored in the sick person in order for the body to function properly. Considering this information, our study aimed to measure babies' respiration, pulse, SpO2, body temperature simultaneously with the wireless communication system. It was especially developed for the newborn baby to easily follow the condition of the healthcare professional or families in the hospital or home environment.
We have designed the system consists of three main parts. The mobile measurement unit placed on the patient where temperature, SpO2, pulse rate, respiration will be monitored, the unit where the measurement values will be transmitted wirelessly to the system, is the user interface that enables the transmitted measurement values to be viewed mobile. In order to minimize the energy consumption of the system, an 850 mAh LiPo battery was preferred in the system design. This battery was provided to use running average continuous battery for 1 week. In order to detect the vital signs of the patient, ATMEGA328P-PN microprocessor was used in the system. We have used in the operation of the system of exchange of ATMEGA328P microcontrollers with sensor and measurement work was carried out mathematical operations. The Max30100-TB sensor was used to obtain the heart rate and SpO2 values from vital signs, the MLX90615-TP sensor to measure the temperature value, and the MPU6050 sensor for the respiratory rate detection. Sensors work with I2C protocol. MLX90615 sensor digital temperature gauge, which is used in the study because it can detect a wide range of temperatures. It detects body temperature by sending an infrared signal without touching objects. It measures more precisely thanks to the PTC (positive thermo couple) inside the sensor. The working principle of the Max30100 sensor, which is used to determine the pulse oximeter value, is based on the Lambert-beer law. This law; if the concentration values of the substance passing through it by sending infrared light increase, the power of the light decreases. It is based on different amount of infrared light absorption. Pulse oximetry value in newborn babies is in the range of 93-100%. The MAX30100 sensor, which we use to detect the pulse oximetry measurement, has both a pulse oximeter and a pulse sensor. There are infrared and red leds inside. The color of the blood changes depending on the amount of oxygen. Using this change, it is checked whether there is enough oxygen in the red blood cell. The oxygen saturation value is determined by measuring the amount of light reached by the sensor. Since respiratory movements are irregular, it may not be noticed correctly as the respiratory rate is usually determined manually. Respiratory counting techniques used manually prevent accurate diagnosis. Due to this reason, we design this system design is aimed at helping health professionals to be more accurate diagnosis. For this reason, thanks to this system design we have designed, it is aimed to help healthcare professionals by obtaining a more accurate diagnosis. Respiratory values are generally between 30-50 per minute in newborns. MPU6050 sensor was used in this study to detect respiratory motion. It measures the sudden acceleration, gravitational force or stopping acceleration falling on it thanks to the accelerometer inside. Briefly; in this sensor, the variable position of the mass inside is used to determine the acceleration value. The rotation speed of 3 coordinates (X, Y, Z) is measured with the gyroscope sensor inside the MPU6050 sensor. Filtering processes have been made in order to obtain more accurate information from the data obtained from the sensors in circuit construction. While filtering the MAX30100 sensor, the process of filtering the DC signal was done first. After this process, the average median filtering method was applied to the remaining AC signal part. In MLX90615 sensor, which we used to determine body temperature, 2 methods were preferred as filtration. These; Finite Impulse Response (FIR) and Infinite Impulse Response (IIR) methods. The purpose of using these methods as filtering is; to control the noise and to detect changes in rapid temperature measurements more accurately. Complementary filtering is used as the filtering method in the MPU6050 sensor. It is aimed to detect the presence of respiration more accurately by applying both high pass and low pass filtering methods to this sensor. Data transmission to the interface that provides internet connection simultaneously is provided by the Wi-Fi module. The ESP-12E module we have used is a module that can work as a microcontroller and has Wi-Fi integrated. ESP-12E, which is the second controller we used in the design of the system, transmits the measured values to the web server. Thanks to the Wi-Fi internet module on it, databases are transmitted to the server where our web system is located. MySQL, one of the most compatible and stable languages, is used for the database of the system. PhpMyAdmin tool was used in order to edit MySQL manually and to use it easily. HTML, CSS and PHP languages are used in web design. PHP language is a language used for server-side background work. With PHP language, mathematical operations that need to be sent to the database and recall, show warnings, and run in the background are done. With this interface we have designed, data such as patient registration systems are recorded in our database. Thus, all vital parameters belonging to the patient can be easily accessed where needed. In web design, the program consists of 3 panels. These; control panel, graphic-analysis panel, warning and notifications panel. On the display panel of the system, all measured values and last sent values can be easily monitored in a table. In the study, the apk file is created using the Android Studio program to work as an android application. By installing the apk file we have created on the Android device, it can be installed on the phone and followed easily.
Thanks to this system we have designed, it will be an important convenience for the correct diagnosis to be able to easily monitor the data of babies who need to be under surveillance in the home environment even though their treatment in the hospital is over. Thanks to this implemented system, the follower can easily follow the baby's status with the mobile application and receive alerts in sudden situations. It quickly detects dangers such as respiratory arrest that may occur. The baby perceives the slightest respiratory movement. The system gives a warning when the baby's breathing is not detected. Thus, the risk of death of the patient was reduced by shortening the duration of detection and treatment. Body temperature, SpO2, pulse and respiration are constantly monitored with this system we have designed. These vital parameters and all measurements taken from the patient are displayed on the instrument panel on the web interface. For sudden disturbances, certain alarm levels are created in the program to receive warnings. Graphical analysis of all measurements taken in web design is provided. Body temperature, SpO2, pulse, and respiration are regularly reported through this system, creating informative data for physicians. A more efficient time management for diagnosis has been provided to the healthcare professional.