Εισαγωγή
Η μελέτη των βιολογικών δεικτών (biomarkers) αποτελεί βασικό τμήμα της έρευνας του ανθρώπινου γονιδιώματος, και ταυτόχρονα σημαντικό εργαλείο στην έγκαιρη διάγνωση, πρόληψη και εξατομικευμένη αντιμετώπιση πολλών ασθενειών, καθώς και στον καθορισμό της αποτελεσματικότητας μιας θεραπείας. Η βασική ιδέα της εργασίας μας είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος με αισθητήρες που ελέγχονται από έναν μικροελεγκτή Arduino, για τη συλλογή και την παρακολούθηση των δεδομένων τεσσάρων βασικών βιολογικών δεικτών: τον καρδιακό ρυθμό, το επίπεδο οξυγόνου στο αίμα, τη θερμοκρασία σώματος, και τη μυϊκή δραστηριότητα. Οι παραπάνω αισθητήρες μπορούν να υποκαταστήσουν σε πολύ απλή μορφή τον καρδιογράφο, το οξύμετρο και το ηλεκτρομυογράφημα, καταγράφοντας όχι μόνο τα δεδομένα σε τιμές μέτρησης αλλά και να παρουσιάσουν τις μετρήσεις γραφικά στην οθόνη του υπολογιστή μέσω κατάλληλου προγραμματισμού.
Η παραπάνω κατασκευή είναι μικρή σε μέγεθος και φοριτή/φορετή, και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε κοινόχρηστους χώρους για τον έλεγχο ευπαθών ομάδων (άτομα με νοσήματα, άτομα 3ης ηλικίας κ.α.) ή σε αθλητές και αθλούμενους για εργομετρικά. Επιπλέον μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εξοπλισμός πρώτων βοηθειών και ως σύστημα καταγραφής και ειδοποίησης.
Κατασκευή – Υλικά
Στην εργασία αυτή συλλέγουμε δεδομένα από τέσσερεις βασικούς βιοδείκτες: τον καρδιακό ρυθμό, το επίπεδο οξυγόνου στο αίμα, τη θερμοκρασία σώματος, και τη μυϊκή δραστηριότητα. Η συλλογή των συγκεκριμένων βιοδεικτών είναι σημαντική, αφού ακόμα και μικρές αποκλίσεις μας παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για την κατάσταση του χρήστη.
Ως βασική πλατφόρμα ανάπτυξης χρησιμοποιούμε το Arduino Mega και τους αισθητήρες θερμοκρασίας υπέρυθρων MLX90614, καρδιακού παλμού και οξύμετρο MAX30102, και αισθητήρων ηλεκτρομυογραφήματος (EMG) για τη μέτρηση των βιοδεικτών. Οι αισθητήρες έχουν αρχικά βαθμονομηθεί (calibration) και δοκιμαστεί με ειδικό πρόγραμμα, ώστε να μην παρουσιάζουν αποκλίνουσες μετρήσεις. Οι αριθμητικές τιμές των μετρήσεων εμφανίζονται στη σειριακή οθόνη και τα γραφήματα καρδιακού παλμού και ηλεκτρομυογραφήματος στο σειριακό σχεδιογράφο του υπολογιστή στην εφαρμογή Arduino IDE. Το κύκλωμα οδηγείται από ένα πρόγραμμα που δημιούργησαν οι μαθητές, με σκοπό να συλλέγει τα δεδομένα από τους αισθητήρες και να τα παρουσιάζει στη σειριακή οθόνη.
Ο αισθητήρας θερμοκρασίας υπέρυθρων MLX90614 μετρά τη θερμοκρασία της επιφάνειας ανιχνεύοντας ενέργεια υπέρυθρης ακτινοβολίας και κατανομή μήκους κύματος. Ο αισθητήρας αποτελείται από ένα οπτικό σύστημα, φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή, ενισχυτή, μονάδα επεξεργασίας σήματος και εξόδου. Το οπτικό σύστημα συλλέγει την υπέρυθρη ακτινοβολία στο οπτικό του πεδίο, η περιοχή του οποίου καθορίζεται από τα οπτικά στοιχεία και τη θέση του θερμομέτρου, και η ενέργεια της υπέρυθρης ακτινοβολίας μετατρέπεται σε αντίστοιχα ηλεκτρικά σήματα όταν συγκλίνει στον φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή. Αφού υποβληθεί σε επεξεργασία από τον ενισχυτή και το κύκλωμα επεξεργασίας σήματος, βαθμονομημένο σύμφωνα με τον αλγόριθμο και την εκπομπή στόχου, το σήμα μετατρέπεται σε τιμή θερμοκρασίας του στόχου.
Ο αισθητήρας καρδιακού παλμού MAX30102 χρησιμοποιεί τη φωτοπληθυσμογραφία (PPG), μια μη επεμβατική οπτική τεχνική για την παρακολούθηση του καρδιακού παλμού και της μεταβλητότητας του καρδιακού παλμού (HRV). Χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα φωτός “Light Photo Sensor” (LPS) για να καταγράψει την ένταση της ανάκλασης τους φωτός στο δάχτυλο. Φως εκπέμπεται στον εξεταζόμενο ιστό, το οποίο στη συνέχεια διασπάται και απορροφάται. Η μεταβαλλόμενη ένταση φωτός που ανακλάται πίσω μπορεί να ανιχνευθεί με τη χρήση μιας φωτοδιόδου. Το σήμα φιλτράρεται, επεξεργάζεται και αποστέλλεται στην έξοδο μέσω ενός ενισχυτή. Ο αισθητήρας πρέπει να τοποθετείται σε περιοχή όπου οι αρτηρίες είναι κοντά στο δέρμα, όπως ένα δάχτυλο στο χέρι, τον λοβό του αυτιού ή το μέτωπο. Το πλάτος αυτού του σήματος είναι άμεσα ανάλογο με την παλμική πίεση. Όσο υψηλότερη είναι η κορυφή τόσο πιο έντονος είναι ο παλμός. Ο ίδιος αισθητήρας MAX30102 λειτουργεί και ως οξύμετρο. Η ποσότητα του φωτός που ανακλάται πίσω στον αισθητήρα υποδεικνύει τον κορεσμό του οξυγόνου που συνδέεται με την αιμοσφαιρίνη στο αίμα.
O αισθητήρας ηλεκτρομυογραφήματος (EMG) ενσωματώνει κύκλωμα φιλτραρίσματος και ενισχυμένο κύκλωμα. Το σήμα εξόδου είναι αναλογικό, το οποίο παίρνει 1,5 V ως τάση αναφοράς. Το εύρος τάσης εξόδου είναι 0~3,0V. Η ισχύς του σήματος εξαρτάται από την ένταση των μυϊκών δραστηριοτήτων. Η κυματομορφή του σήματος εξόδου υποδεικνύει τη μυϊκή δραστηριότητα και συμβάλλει στην ανάλυση και έρευνα του sEMG. π.χ. αν ο μυς είναι τεντωμένος. τη μυϊκή δύναμη κ.λπ. Πρόκειται για έναν ενεργό αισθητήρα επαγωγής που μπορεί να παρέχει υψηλής ποιότητας συλλογή σημάτων και είναι εύκολος στη χρήση. Το ξηρό ηλεκτρόδιο εφαρμόζεται στη μονάδα και το σήμα καλής ποιότητας είναι διαθέσιμο ακόμη και χωρίς αγώγιμο τζελ. Σε σύγκριση με το αγώγιμο τζελ μιας χρήσης που απαιτείται από τα ιατρικά ηλεκτρόδια, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείτε και να παρατείνετε τη μακροζωία του. Επομένως, είναι πιο κατάλληλο για τους περισσότερους χρήστες.
Συμπεράσματα
Ένας βιολογικός δείκτης είναι κάτι που μπορεί να μετρηθεί αξιόπιστα και να μας παρέχει πληροφορίες για την υγεία ή την παθολογική κατάσταση ενός ατόμου: για παράδειγμα, την παρουσία μιας ασθένειας, μια αλλαγή στη φυσιολογία, την ανταπόκριση σε μια θεραπεία ή μια ψυχολογική κατάσταση. Οι βιοδείκτες χρησιμοποιούνται σε πολλούς επιστημονικούς τομείς και χρησιμοποιούνται με διαφορετικούς τρόπους σε διάφορα στάδια της ανάπτυξης φαρμάκων. Οι βιοδείκτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρήσουν α) τις φυσιολογικές βιολογικές διεργασίες στο σώμα (καρδιακός ρυθμός, αρτηριακή πίεση, θερμοκρασία), β) την εξέλιξη μια νόσου (παθολογία) στο σώμα, ή γ) την ανταπόκριση ενός ατόμου σε μια θεραπεία ή ένα φάρμακο. Επιπρόσθετα, το ηλεκτρομυογράφημα χρησιμοποιείται κυρίως σε βιοϊατρικές εφαρμογές, οι οποίες α) βοηθούν τους γιατρούς να διαγνώσουν μυϊκές και νευρικές διαταραχές των ασθενών για έγκαιρη πρόληψη/θεραπεία, β) αποτελούν ερευνητικό εργαλείο κινησιολογίας, και γ) για τον έλεγχο προσθετικών συσκευών. χέρια, βραχίονες και κάτω άκρα.
Υλικά – Κόστος
Gravity Αισθητήρας Καρδιακών Παλμών & Οξύμετρο – MAX30102 €27.20
Gravity Αισθητήρας Θερμοκρασίας Υπέρυθρος – MLX90614-DCC €22.80
Gravity Analog EMG Sensor by OYMotion €61.40
GitHub – Code & Hardware
https://github.com/gnicolakakis/ArBiTeS