Κατά τη διάρκεια τόσο των ιατρικών διεργασιών μέσα στο νοσοκομείο – όπως των απλών τεστ που διενεργούνται στους ασθενείς, αλλά και των πιο περίπλοκων διεργασιών των μεταμοσχεύσεων και των χειρουργείων, όσο και των in vitro τεστ, διάφορες παράμετροι πρέπει συνεχώς να μετρούνται και να απεικονίζονται, για παράδειγμα η πίεση, η ροή και η θερμοκρασία του αίματος και των ειδικών διαλυμάτων διατήρησης των οργάνων που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια των μεταμοσχεύσεων. Η πίεση και η ροή του αίματος καθώς και η θερμοκρασία του σώματος, ως πολύ σημαντικές φυσιολογικές παράμετροι που είναι, πρέπει να μετρούνται με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια έτσι ώστε να δίνεται συνεχώς μια σαφής εικόνα της λειτουργίας του ανθρωπίνου σώματος. Μέχρι τώρα, οι μετρήσεις αυτών των παραμέτρων διενεργούνταν από ξεχωριστές μονάδες μέτρησης και επιπλέον από ξεχωριστά συστήματα ανάκτησης δεδομένων (Data Acquisition Systems), με αποτέλεσμα το αυξημένο κόστος λειτουργίας και την αύξηση της περιπλοκότητας των μετρήσεων για τον χρήστη. Το DatAssist δημιουργήθηκε επάνω στην ιδέα ανάπτυξης ενός φορητού συστήματος μετρήσεων με ενσωματωμένη επεξεργασία των δεδομένων μέτρησης, το οποίο θα έχει τη δυνατότητα απεικόνισης όλων των φυσιολογικών παραμέτρων που αναλύθηκαν παραπάνω. Επιπλέον, θα έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης όλων των δεδομένων για περαιτέρω ανάλυση. Το DatAssist σκοπεύει να παρέχει ακριβείς μετρήσεις, ευκολία στη χρήση και καθαρή πληροφόρηση για τις μετρούμενες παραμέτρους στην οθόνη. Επιπρόσθετα ο σχεδιασμός του έγινε έτσι ώστε να έχει το λιγότερο δυνατό βάρος για να μπορεί να μετακινείται εύκολα κατά την διάρκεια ιατρικών εφαρμογών. Το DatAssist σχεδιάστηκε με βάση το πρότυπο IEC 60601-1:2005 και σκοπεύει να αποτελέσει ένα πολυκάναλο σύστημα με ευκολία εισαγωγής επιπρόσθετων στοιχείων στο εσωτερικό του, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί από την Organ Assist B.V. Netherlands, spin-off εταιρίας του University Medical Centre Groningen, για λογαριασμό της οποίας σχεδιάστηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Η επιδιωκόμενη χρήση της μονάδας είναι αρχικά η χρήση της για εργαστηριακά πειράματα σε ζώα, στα πλαίσια των τεστ λειτουργίας που διενεργεί η Organ Assist B.V. Netherlands στις δικές της συσκευές. Στο μέλλον, θα χρησιμοποιηθεί σε κλινικές έρευνες και κατά τη διάρκεια μεταμοσχεύσεων και χειρουργείων. Η πίεση και η ροή του αίματος, καθώς και η θερμοκρασία του σώματος και των οργάνων θα μετριέται με τη χρήση αναλώσιμων ή εύκολα αποστειρώσιμων αισθητήρων, ειδικών για ιατρικές μετρήσεις. Πιο αναλυτικά, το σύστημα παρέχει συνδέσεις με δύο αισθητήρες πίεσης, δύο αισθητήρες θερμοκρασίας (ένα Θερμοζεύγος και έναν τύπου NTC), έναν αισθητήρα ροής και επίσης έχει μια υποδοχή BNC για μέτρηση και απεικόνιση εξωτερικών σημάτων από άλλες ιατρικές συσκευές. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα σύνδεσης περισσότερων αισθητήρων ανάλογα με τις ανάγκες του εκάστοτε χρήστη. Το σύστημα τροφοδοτείται από μια χαμηλή DC τάση μέσω ενός AC/DC Adapter, και με αυτόν τον τρόπο παρέχει τόσο ασφάλεια στον χρήστη από ηλεκτροπληξία η οποία προκαλείται από την υψηλή AC τάση, όσο και αποφυγή καταστροφής των ηλεκτρικών εξαρτημάτων της συσκευής. Ο σχεδιασμός του DatAssist βασίστηκε στις απαιτήσεις της Organ Assist B.V. με βάση την κάλυψη των αναγκών των βασικών χρηστών της συσκευής, όπως των χειρούργων και των χειριστών ιατρικών μηχανημάτων. Οι απαιτήσεις των τελευταίων συνοψίστηκαν σε εφτά γενικές προϋποθέσεις (σε μια Λίστα Προϋποθέσεων η οποία αναλύεται εκτενώς στο 2ο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας) που αποτέλεσαν και τις προϋποθέσεις που το μηχάνημα καλούταν να καλύπτει: εγκυρότητα, ποιότητα, ασφάλεια, ευκολία χρήσης, ευκολία μετακίνησης, χαμηλό κόστος κατασκευής και χρήση εξαρτημάτων πιστοποιημένων κατά CE. Επιπλέον, τρεις ακόμη προϋποθέσεις λήφθηκαν υπόψη για τον σχεδιασμό των διαφόρων εξαρτημάτων της συσκευής: ευκολία αποστείρωσης, ευκολία εισαγωγής επιπρόσθετων εξαρτημάτων και δυνατότητα χρήσης των τελευταίων τόσο στο αίμα όσο και μέσα σε διαλύματα. Οι πιο σημαντικές λειτουργίες που καλείται να επιτελέσει το DatAssist είναι: η ανίχνευση των φυσικών παραμέτρων (πίεσης, θερμοκρασίας και ροής) από τους αισθητήρες, η ενίσχυση των αναλογικών σημάτων εισόδου των αισθητήρων, η επεξεργασία και η ψηφιοποίηση των ενισχυμένων σημάτων, η τελική επεξεργασία των ψηφιακών σημάτων από έναν υπολογιστή και τελικά η συνεχής απεικόνιση των σημάτων σε μια οθόνη monitor με την βοήθεια ενός προγράμματος Software (LabView 8.5). Για καθεμία από τις παραπάνω λειτουργίες ακολουθήθηκε μια συγκεκριμένη διαδικασία για να ορίσει τον σχεδιασμό της υλοποίησής της. Αυτή η διαδικασία είχε ως αποτέλεσμα την επιλογή των εξαρτημάτων που θα χρησιμοποιηθούν στην τελική συσκευή, έπειτα από μια αξιολόγηση των υποψήφιων εξαρτημάτων, για κάθε λειτουργία βασισμένη στην εκπλήρωση των προαναφερθέντων προϋποθέσεων, με τη χρήση της κλίμακας 1-10 (1-μη εκπλήρωση, 10-πλήρης εκπλήρωση). Επιπρόσθετα, για κάθε στάδιο του σχεδιασμού που ορίζεται από τις προαναφερ-θείσες λειτουργίες, αναπτύχθηκε ένα λειτουργικό μοντέλο (functional model) το οποίο περιείχε τον τελικό σχεδιασμό του κάθε σταδίου, καθώς και ένα τεστ που μετράει την λειτουργικότητα του κάθε σταδίου, την εγκυρότητα, το σφάλμα και μια εκτίμηση της ακρίβειας των μετρήσεων. Τελικά, η εργασία είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή ενός πρωτοτύπου του DatAssist βασισμένο στον σχεδιασμό που αποφασίστηκε και εγκρίθηκε από την Organ Assist B.V., το οποίο ικανοποιεί τις προϋποθέσεις που αναλύονται στην Λίστα των Προϋποθέσεων (List of Requirements). Το πρωτότυπο αυτό στη συνέχεια ελέγχεται όσον αφορά την ακρίβεια των μετρήσεων και την ικανοποίηση της Λίστας των Προϋποθέσεων . Έτσι, αυτή η εργασία είχε ως τελικό αποτέλεσμα την σχεδίαση ενός εγκύρου, εύκολα αποστειρώσιμου, φορητού, εύκολου στη χρήση, ασφαλούς για τον χρήστη πολυχρηστικού συστήματος μέτρησης ιατρικών δεδομένων με κόστος δημιουργίας και μετέπειτα πώλησης λιγότερο από 3000 €. / During both inside the hospital medical procedures-from simple patient tests to more sophisticated procedures such as transplantations and surgeries, and laboratory or animal testing, several parameters have to be measured and monitored i.e. pressure, flow and temperature of blood and of the perfusion solution during transplantations. Since blood pressure, blood flow and body temperature have shown to be important physiological parameters, they have to be measured and registered accurately in order to monitor the functioning of the human body. Up to now, these measurements had to be performed with separate measuring units and separate data acquisition systems and thus with increased cost and resulting to a complicated measuring procedure for the user. The idea of the DatAssist project is to develop a portable measuring system with integrated data acquisition that is able to monitor and display all these physiological parameters and save them for later analysis for Organ Assist -a spin-off company of the University Medical Centre Groningen. DatAssist will provide accurate measurements, it will be easy to use and give clear information about the measured parameters in the monitor. It will also be as much light-weighted as it can in order to be easy to move during medical applications. DatAssist intends to be a modular multi-channel system and is going to be designed according to IEC 60601-1:2005 regulations. The intended use of the unit is primary for animal and laboratory experiments. In the future the unit will be used for clinical studies in the hospital and while transplantations or surgeries. Blood flow and pressure and body temperature will be measured non-invasively or using disposable transducers. More analytically the system will provide connections with a pressure sensor, two temperature sensors (Thermocouple and NTC), a flow sensor and moreover it will have a BNC Connector for measuring external signals from other medical devices. These are the basic connections but there will be a possibility of having more connectors and sensors according to the needs of the several customers. It will be powered by a low DC voltage through an AC/DC Adapter, and in that way it will provide electrical safety to the user against the hazards that can be caused by the high AC Voltages, as long as safety against damage of the electrical components of the device. The design of DatAssist will be based on the stakeholders such as surgeons, perfusionists and Organ Assist. Their preferences have been summarized in seven general requirements: reliability, quality, safety, ease of use, portability, purchase costs and CE Certified components. Moreover three more requirements were taken into account for the design of the several components: sterility (easy to sterilize components), modularity and ability of components to be used both inside blood and inside solutions. A function analysis demonstrated the most important functions of the DatAssist: sensing of the physical parameters (Pressure, Temperature, Flow), amplification of the analog input signal of the sensors, signal conditioning of the amplified signal, integration and processing of the digital signals with the help of a computer and display of the signal values in a monitor with the use of a Software program and a User interface. For each function, a certain procedure have been developed for defining its planning of implementation. This has resulted in the decision for which components to use in the final device after a scoring evaluation of the candidate components for each function based in their fulfillment to the mentioned above requirements. Additionally for each stage of the design defined by the functions, a functional model has been developed containing the final design of each stage and a test measuring its functionality and the reliability of measurements, as well as error measurements and an accuracy of the measurements estimation. Finally, a prototype of the DatAssist was engineered based on a design decided by the stakeholders having in mind to comply with the List of Requirements. This prototype is going to be tested for its accuracy of the measurements and evaluated according to its fulfillment of the list of requirements. With this study a proven reliable, sterile, portable, easy to use, safe for the user multi purpose medical Data Acquisition System is designed which can be purchased for less than €3000.

A utilização de sensores e de atuadores cresceu vertiginosamente nos últimos anos. As aplicações centralizadas em sensoriamento e controle avançaram com a instrumentação industrial, passando pela incorporação desses elementos em redes distribuídas até culminar, na atualidade, em redes integradas que possuem inúmeras funções e aplicações, dentre elas: controle, monitoramento, rastreamento e segurança. Entretanto o crescimento do número de sensores e atuadores conectados através de barramentos e redes não ocorreu de forma única, proliferando uma diversidade de formas de padronização na comunicação entre esses e seus respectivos monitores ou controladores. Dessa pluralidade de protocolos emergiu a necessidade de criação de um padrão que permitisse interoperabilidade entre transdutores e redes de controle, bem como a introdução do conceito de sensores e atuadores inteligentes. Nesse contexto foi proposto o protocolo IEEE1451 (Standards for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators). Nessa perspectiva o trabalho em questão apresenta os resultados do desenvolvimento e a utilização desse padrão em duas aplicações de engenharia biomédica. Primeiramente em um sistema embarcado capaz de realizar aquisição e processamento de biopotenciais, em específico, de eletrocardiogramas e a posterior transmissão dos dados coletados através de uma interface sem fio Wifi (IEEE802.11b/g) utilizando os protocolos IEEE1451.0 e IEEE1451.5. E em um eletrogoniômetro, para fins fisioterápicos, que realiza medidas de amplitude de movimento das articulações e transfere os dados serialmente através de uma interface USB (Universal Serial Bus) utilizando como padrões o IEEE1451.0 e o IEEE1451.2. Ambos os sistemas permitem além do monitoramento local, o acesso das informações coletadas pela Internet através de uma instrumentação remota implementada por um Web Service. Dessa maneira foi construída uma rede de sensores padronizada que permitiu demonstrar os benefícios e as potencialidades do protocolo IEEE1451. / The use of sensors and actuators grew vertiginously in recent years. The centralized applications in sensing and controlling advanced with industrial instrumentation, going through the incorporation of these elements into industrial computer network protocols until currently culminating in integrated networks with innumerable functions and applications, amongst them: controlling, monitoring, tracking and security. However, the growth of the number of sensors and actuators connected through bus and computers networks did not occur in a single way, and a diversity of communication standards proliferated. From these protocols, plurality required the creation of a standard to allow interoperability between transducers and networks, as well as the introduction of the smart sensors and actuators concept. In this context the IEEE1451 protocol (Standards for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators) was proposed. In this perspective, this work presents two applications of biomedical engineering using the IEEE1451 standard. The first application is an embedded system for biopotencial acquisition and processing, specifically, electrocardiogram signals and data transmission through a wireless interface Wifi (IEEE802.11b/g) using IEEE1451.0 and IEEE1451.5 protocols. The other application is an electrogoniometer, for physiotherapy, that measures the joint movements amplitude and transfers the data through an USB (Universal Serial Bus) connection using the IEEE1451.0 and the IEEE1451.2 protocols as standards. Both systems allow local monitoring and the access to information through a remote instrumentation implemented by Web Services. Hence, this project demonstrates the IEEE1451 benefits and the potentialities.

A utilização de sensores e de atuadores cresceu vertiginosamente nos últimos anos. As aplicações centralizadas em sensoriamento e controle avançaram com a instrumentação industrial, passando pela incorporação desses elementos em redes distribuídas até culminar, na atualidade, em redes integradas que possuem inúmeras funções e aplicações, dentre elas: controle, monitoramento, rastreamento e segurança. Entretanto o crescimento do número de sensores e atuadores conectados através de barramentos e redes não ocorreu de forma única, proliferando uma diversidade de formas de padronização na comunicação entre esses e seus respectivos monitores ou controladores. Dessa pluralidade de protocolos emergiu a necessidade de criação de um padrão que permitisse interoperabilidade entre transdutores e redes de controle, bem como a introdução do conceito de sensores e atuadores inteligentes. Nesse contexto foi proposto o protocolo IEEE1451 (Standards for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators). Nessa perspectiva o trabalho em questão apresenta os resultados do desenvolvimento e a utilização desse padrão em duas aplicações de engenharia biomédica. Primeiramente em um sistema embarcado capaz de realizar aquisição e processamento de biopotenciais, em específico, de eletrocardiogramas e a posterior transmissão dos dados coletados através de uma interface sem fio Wifi (IEEE802.11b/g) utilizando os protocolos IEEE1451.0 e IEEE1451.5. E em um eletrogoniômetro, para fins fisioterápicos, que realiza medidas de amplitude de movimento das articulações e transfere os dados serialmente através de uma interface USB (Universal Serial Bus) utilizando como padrões o IEEE1451.0 e o IEEE1451.2. Ambos os sistemas permitem além do monitoramento local, o acesso das informações coletadas pela Internet através de uma instrumentação remota implementada por um Web Service. Dessa maneira foi construída uma rede de sensores padronizada que permitiu demonstrar os benefícios e as potencialidades do protocolo IEEE1451. / The use of sensors and actuators grew vertiginously in recent years. The centralized applications in sensing and controlling advanced with industrial instrumentation, going through the incorporation of these elements into industrial computer network protocols until currently culminating in integrated networks with innumerable functions and applications, amongst them: controlling, monitoring, tracking and security. However, the growth of the number of sensors and actuators connected through bus and computers networks did not occur in a single way, and a diversity of communication standards proliferated. From these protocols, plurality required the creation of a standard to allow interoperability between transducers and networks, as well as the introduction of the smart sensors and actuators concept. In this context the IEEE1451 protocol (Standards for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators) was proposed. In this perspective, this work presents two applications of biomedical engineering using the IEEE1451 standard. The first application is an embedded system for biopotencial acquisition and processing, specifically, electrocardiogram signals and data transmission through a wireless interface Wifi (IEEE802.11b/g) using IEEE1451.0 and IEEE1451.5 protocols. The other application is an electrogoniometer, for physiotherapy, that measures the joint movements amplitude and transfers the data through an USB (Universal Serial Bus) connection using the IEEE1451.0 and the IEEE1451.2 protocols as standards. Both systems allow local monitoring and the access to information through a remote instrumentation implemented by Web Services. Hence, this project demonstrates the IEEE1451 benefits and the potentialities.

"Non-invasive remote physiological monitoring of soldiers on the battlefield has the potential to provide fast, accurate status assessments that are key to improving the survivability of critical injuries. The development of WPI’s wearable wireless pulse oximeter, designed for field-based applications, has allowed for the optimization of important hardware features such as physical size and power management. However, software-based digital signal processing (DSP) methods are still required to perform physiological assessments. This research evaluated DSP methods that were capable of providing arterial oxygen saturation (SpO2), heart rate (HR), heart rate variability (HRV), and respiration rate (RR) measurements derived from data acquired using a single optical sensor. In vivo experiments were conducted to evaluate the accuracies of the processing methods across ranges of physiological conditions. Of the algorithms assessed, 13 SpO2 methods, 1 HR method, 6 HRV indices, and 4 RR methods were identified that provided clinically acceptable measurement accuracies and could potentially be employed in a wearable pulse oximeter."

Qu’il s’agisse de suivre des patients à domicile, ou de prévenir l’isolement ou la vulnérabilité de personnes âgées, les systèmes de suivi et d'assistance électroniques qui émergent offrent des opportunités sans précédents. L’enjeu est considérable, et on assiste à un développement technologique important qui permet désormais aux particuliers ou aux établissements hospitaliers ou médico-sociaux d’assurer le diagnostic, la prévention, le contrôle, voire le traitement de patients à distance (mesures de paramètres physiologiques, administration de médicaments, détection de chutes, etc.). Ce suivi à distance est en particulier devenu possible et performant avec l’avènement des objets connectés. On peut ainsi envisager d’exploiter un réseau de capteurs embarqué sur un patient pour mesurer à distance et en temps réel la température, le rythme cardiaque ou la tension artérielle d’un patient. Les données sont transmises (et/ou stockées) au praticien pour réaliser le diagnostic et définir les traitements. Pour autant la conception optimale (choix des technologies de transmission, de stockage, etc.) ainsi que la problématique de la gestion d’énergie constituent des verrous à leur adoption. Le travail proposé dans cette thèse consiste donc à développer un outil d’aide à la conception de réseaux de capteurs médicaux communicants embarqués sur la personne. Il s’agit en particulier de fournir une information sur la faisabilité au plus tôt dans le cycle de conception, et garantir l’obtention d’un circuit « correcte par construction ». L’accent est porté sur la maîtrise (voire la réduction) de la consommation d’énergie Dans ce sens, une simulation fiable et précise permet de contrôler, dès le début du flot de conception, la consommation en énergie du réseau. Elle assure par la suite une meilleure gestion de l’énergie disponible et éventuellement une autonomie plus importante. L’outil, centré sur l’optimisation de la consommation d’énergie, est implémenté dans un environnement Matlab. Basé sur une modélisation de la consommation en énergie d’un nœud de capteur, il se veut générique aussi bien que précis. Il assure une implémentation simple de nouveaux composants à partir de fiches techniques. Ces composants sont construits sous la forme de blocs réutilisables permettant ainsi à l’utilisateur de créer sa propre librairie. En plus de l’estimation de la consommation, cet outil met en œuvre des algorithmes d’optimisation pour guider l’utilisateur vers une conception qui respecte les contraintes énergétiques et médicales de l’application (choix de composants, choix de source d’énergie, configuration du réseau, etc.). Une application est proposée d’abord au niveau d’un nœud de capteur de température corporelle communiquant par Bluetooth Low Energy. Ce même nœud est ensuite placé au sein d’un réseau de capteurs pour la surveillance de cinq paramètres physiologiques différents. Une validation expérimentale des résultats de simulation est également réalisée. / Whether it is to monitor patients at home, or to prevent the isolation and vulnerability of the elderly, the emerging electronic monitoring and assistance systems offer new opportunities. The technological development we have witnessed allows individuals, hospitals, or medical aid organizations to provide the diagnosis, prevention, control or even treatment of patients outside of conventional clinical settings (measurements of physiological parameters, drug administration, fall detection, etc.).Recent developments in connected objects made efficient remote patient monitoring possible. In other words, we are able to use a network of wearable or implantable sensors to remotely obtain real time measurements of a patient’s vital signs (temperature, heart rate, blood pressure, etc.). Data is transmitted (and / or stored) to medical personnel who are able to perform diagnosis and define treatments accordingly. An optimal design (transmission protocols, data storage, etc.) and energy management are the bottlenecks involved in the implementation of such systems. This work proposes to develop a tool to help in the design of medical sensor networks. It aims to provide information regarding feasibility during the early stages of the design thus ensuring that a "well-constructed" circuit is obtained. The emphasis is on the control (or even reduction) of energy consumption. In this regard, an efficient energy consumption simulation at the beginning of the design flow would enable the user to decide on system parameters. This will ensure an optimal management of the available energy and eventually a longer network lifetime. The proposed tool is centered on the optimization of the energy consumption using Matlab environment. It is built over a model of the energy consumption of wireless sensor nodes. It is intended to be generic and accurate. In fact, it enables fast creation of new component description based on the datasheets. These components are reusable thus producing a growing database. In addition to energy consumption estimation, the tool uses optimization routines to guide the user through an energy aware design (picking energy sources, components, network configuration, etc.) that complies with medical requirements. An application to a single Bluetooth Low Energy body temperature sensor is first proposed. The same sensor is then included in a physiological sensor network. A physical implementation is used in order to compare the results obtained through simulation with practical measurements.