Giyilebilir bir EKG sisteminde uzaktan sinyalin algılanması ve işlenmesi
Remote signal detection and processing in a wearable ECG systems
Yazar: OSMAN ÖZKARACA
Danışman: PROF. DR. İNAN GÜLER
Gazi Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İnsan sağlığı açısından ve kronik hastaların sürekli takibi için elektrokardiyografi (EKG) işaretlerinin doğru olarak algılanması ve izlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla son yıllarda, giyilebilir sistemler üzerine birçok çalışma yapılmaktadır. Bu tezde, giyilebilir bir EKG, gerçek zamanlı sinyal işleme ve izleme sistemi geliştirilmiştir. Sistemde, çok farklı bir amaç için nano teknolojiler kullanılarak üretilmiş iletken tekstil kumaş elektrot olarak kullanılmıştır. Bu elektrotların tek kullanımlık Ag-AgCl elektrotlara göre kullanılabilirliği ve performansları değerlendirilmiştir. Tekstil elektrotlar ve Ag-AgCl elektrotlarla alınan EKG işaretlerinin R-R aralıkları kıyaslandığında, tekstil elektrotların yaklaşık % 25,23 daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.  Tekstil elektrotlar, EKG düğümü ile birlikte korse şeklinde bir kıyafet üzerine monte edilmiştir. EKG düğümü, mobil cihazlarla bluetooth üzerinden haberleşebilen yapıda, düşük güç sarfiyatlı ve mikroişlemci tabanlı olarak tasarlanmıştır. Bu EKG düğümü iletişim anında yaklaşık 35 mA harcamaktadır. Gerçekleştirilen bu sistem ile yapılan deneyler sonucunda direnci neredeyse sıfıra yakın olan iletken kumaşın, EKG?yi çok iyi algılamasına karşın, çevresel ya da fizyolojik gürültüleri de çok iyi algıladığı görülmüştür. Bu nedenle böyle bir sistemde EKG işaretlerinin teşhis ve takibini zorlaştıran farklı artefaktların temizlenmesi için Android tabanlı sistemlerde çalışabilecek, gerçek zamanlı bir yazılım gerçekleştirilmiştir. Bu yazılımda tam olarak modellenemeyen EMG ve hareket artefaktları gibi rastsal gürültülerin temizlenmesi için genişletilmiş Kalman süzgeci kullanılmıştır. Önerilen gerçek zamanlı bu yazılım, MIT-BIH veri tabındaki EKG kayıtları kullanılarak, diğer yöntemlerle sinyal-gürültü oranı (SGO) açısından karşılaştırılmıştır. Daha sonra farklı büyüklükteki EMG gürültüleri üzerinden elde edilen MSE, PRD, SGO parametreleri ile değerlendirilmiştir. MIT-BIH veri tabanından 111, 113, 115, 121, 122 no?lu kayıtların üzerine, girişte SGO = 5 dB olacak şekilde EMG gürültüsü eklenmiştir. Gerçekleştirilen yazılım ile temizlenen EKG işaretlerinden elde edilen SGO sonuçları, sırasıyla 9.0348, 8.367, 7.67, 8.73, 8.72 dır. Aynı veri kümesine SGO = 10 dB olacak şekilde EMG gürültüsü eklenmiştir. Bu koşullar altında ise gerçekleştirilen algoritmadan elde edilen sinyal-gürültü oranları sırasıyla 10.65, 10.64, 8.95, 10.19, 10.18 olmuştur. 
Yapılan tez çalışmasında UDP, TCP ve WebSoket iletişim protokolleri denenmiştir. Bu iletişim protokollerinden UDP, EKG işaretinin doktora en hızlı aktarımını sağlayan yöntem olmuştur. Tez çalışmasında ayrıca sunucu üzerinden erişimin yanında, doktorun hastaya doğrudan erişim yapabileceği bir yöntemde kullanılmıştır. Gerçekleştirilen sistem, gerçek zamanlı olarak uzun süreli takiplerde kullanılacağından, insanın günlük yaşam içerisindeki durumları düşünülerek, ?Ayakta?, ?Bilgisayar Başında?, ?Yatarken? ve ?Merdiven Çıkarken? çalışması izlenmiştir. Elde edilen sonuçlar göstermektedir ki önerilen tekstil elektrot ve giyilebilir sistem, uzun süreli EKG izlemeleri için oldukça uygundur. Bu tip sistemler biyomedikal cihaz teknolojileri arasında oldukça ergonomik çözümler sunacaktır. Ayrıca, sporcularda uzun süreli takip gerektiren hastalarda, uyku apnesi sendromu gibi rahatsızlıklarda ve ne zaman çıkacağı tahmin edilemeyen ritim bozukluklarının teşhisinde bu tip sistemlerin kullanılabileceği öngörülmektedir.

Abstract:
The comprehension and correct monitoring of the electrocardiogram (ECG) signals are very important for the human health and continuous monitoring of chronically ill patients. For this purpose, there are several ongoing and completed studies on wearable monitoring systems. In this thesis, a wearable ECG system with real time signal processing and monitoring features was developed. The system, a conductive textile fabric produced by using nanotechnologies for very different purposes was used as electrodes. The usability and performances of conductive textile electrodes evaluated with disposable Ag-AgCl electrodes in R-R intervals of ECG signals.  Textile electrodes gave approximately % 25,23 better results compared to Ag-AgCl electrodes. Textile electrodes were fixed to a wearable cloth that was designed in the form of corset together with ECG node. The designed ECG node is low power consumption microprocessor based and communicates over Bluetooth. ECG node spends approximately 35 mA at the time of communication. It has been observed in experiments performed with the system that, although the conductive fabric whose resistance is close to almost zero and sensing ECG very well, that it also identified environmental or physiological noises were detected. Therefore, a real time system that is compatible with in Android based systems was designed to clean different artifacts that makes the detection and follow-up of ECG signals difficult. The extended Kalman filter was used to remove the random noises such as EMG that was not able to be modeled exactly and motion artifacts. This suggested real-time software was compared with other methods in terms of signal-to-noise ratio (SNR) by using EMG recordings in MIT-BIH database. Then, it was evaluated with MSE, PRD, SNR parameters obtained from different sizes of EMG noises. On the recordings numbered 111, 113, 115, 121, 122 from MIT-BIH database, EMG noise was added in the form of SNR = 5 dB at the beginning. The SNR results obtained from ECG signs are respectively, 9.0348, 8.367, 7.67, 8.73, 8.72. EMG noise was added to the same data set in the form of SNR = 10 dB. The SNRs obtained from the algorithm under these conditions are respectively 10.65, 10.64, 8.95, 10.19, 18.10. In this thesis, UDP, TCP and Web Socket communication protocols have been tested. UDP has been the fastest method for the ECG signal transferring from the patient to the doctor. At the same time, a method is proposed for direct access to the patient by the doctor. Since the system will be used in the long-term follow-up as real-time, by considering the daily life situations of people, their working by "standing", "being on the computer", "lying" and "going up the stairs" were monitored. The obtained results show that proposed textile electrode and wearable system are suitable for long-term ECG monitoring. This type of systems will submit highly ergonomic solutions among biomedical device technologies. In addition, for athletes, for the patients who require long-term follow-up and for the disorders such as sleep apnea and the diagnosis of arrhythmias that is ambiguous about when it will come out, the usage of such kind of systems is foreseen.