MONITORZAREA PARAMETRILOR VITALI Coordonatori științifici Student Ș.l. Dr. Ing. Florin ARGATU Teodor Emanuel CAZANGIU Prof. Dr. Ing. George SERIȚAN… [305681]

PROIECT DE DIPLOMĂ

MONITORZAREA PARAMETRILOR VITALI

Coordonatori științifici Student

Ș.l. Dr. Ing. Florin ARGATU Teodor Emanuel CAZANGIU

Prof. Dr. Ing. George SERIȚAN

INTRODUCERE

Lucrarea de diplomă ” Monitorizare parametrii vitali ” [anonimizat], și au dificultăți în menținerea echilibrului. [anonimizat]. Boala nu poate fi oprită încă de la dezvoltare; înrăutățirea simptomelor demenței poate fi doar temporar încetinită pentru a îmbunătăți calitatea vieții pacienților cu Alzheimer și a celor care îi îngrijesc. [anonimizat] o luptă globală în curs de desfășurare pentru a găsi modalități mai bune de tratare a bolii, cum ar fi întârzierea și chiar împiedicarea acesteia de a se dezvolta.

Observarea pacienților cu boala Alzheimer demonstrează că pacienții prezintă mari dificultăți în realizarea activităților de viață zilnică și aceste modificări apar foarte devreme în boală

O [anonimizat]: un pacient: [anonimizat]-o fază incipientă poate dormi pentru perioade lungi de timp în timp ce un pacient: [anonimizat]-o stare avansată poate să doarmă doar o [anonimizat]-amiaza sau trezind de mai multe ori pe timp de noapte.

[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], și presiunea atmosferică.

În capitolul ”Notiuni teoretice” [anonimizat], inimă, [anonimizat].

Capitolul ” Materiale și metode ” [anonimizat], cum funcționează aceștia și felul în care se conectează.

Capitolul ” Rezultate ” [anonimizat] a [anonimizat].

În ultimul capitol “Concluzii” se va face o analiză a tutror informațiilor prezentate în lucrare și îmbunatațirile ce pot fi aduse pe viitor.

[anonimizat] a ușura viața de zi cu zi a [anonimizat] (ex. mâncatul, [anonimizat], etc.), informații despre inimă și componentele ei.

Pentru a [anonimizat]-un stadiu incipient este esențială.

Așadar, este necesar să avem o [anonimizat]-clinice. Tehnologiile wireless avansate și progresele recente în tehnologia senzorilor permit o monitorizare ambulatorie continuă în timp real a electrocardiogramei, [anonimizat]or de inimă pe minut și alți parametrii vitali.

Monitorizarea în timp real este o caracteristică importantă pentru orice dispozitiv medical, permițând transmiterea wireless a datelor către PC sau smartphone în modul cel mai securizat, încorporat cu stocarea datelor digitale.

Populația Europei a îmbătrânit în ultimele decenii, iar România nu este o excepție. Boala Alzheimer (AD) afectează aproximativ 270,000 de persoane din România, potrivit unui studiu realizat in anul 2016 ceea ce face ca această boală să reprezinte o problemă de sănătate publică. Deoarece aceasta este o boală neurodegenerativă, pacienții își pierd treptat capacitatea de a duce o viață normală fără a fi ajutați de alte persoane. Alzheimer este un tip de demență care provoacă probleme legate de memorie, gândire, discernământ și comportament. Simptomele se dezvoltă de obicei încet și se înrăutățesc în timp, devenind suficient de severe încăt îngreunează sarcinile zilnice, cum ar fi consumul de alimente, menținerea igienei personale, a relaților cu oamenii, etc.

Simptomele inițiale constau în pierderea memoriei, dar în stadiile avansate pacienții pierd capacitatea de a conversa cu cineva sau de a reacționa la stimulările produse de mediul înconjurător.

Odată cu înaintarea naturală în vârstă, oamenii se confruntă cu tulburări de memorie, vorbire, incapacitatea de a efectua activități motorii coordonate (ex. deschiderea unei uși cu cheia, pornirea televizorului, etc.). Acestea sunt probleme comune în stadiile incipiente ale AD și nu există teste complete pentru a le detecta. Ca urmare, este foarte dificil de diagnosticat. Din acest motiv, diagnosticul se face pe baza dosarelor medicale, examinarea anumitor simptome și excluderea altor boli.

Alzheimer nu are un tratament actual, dar există tratamente disponibile și cercetările continuă. Boala nu poate fi oprită încă de la dezvoltare; înrăutățirea simptomelor demenței poate fi doar temporar încetinită pentru a îmbunătăți calitatea vieții pacienților cu Alzheimer și a celor care îi îngrijesc. În prezent, există o luptă globală în curs de desfășurare pentru a găsi modalități mai bune de tratare a bolii, cum ar fi întârzierea și chiar împiedicarea acesteia de a se dezvolta.

Observarea pacienților cu boala Alzheimer demonstrează că pacienții prezintă mari dificultăți în realizarea activităților de viață zilnică și aceste modificări apar foarte devreme în boală

O altă problemă recunoscută este tulburările în timpul somnului, care se agravează de evoluția bolii: un pacient aflat într-o fază incipientă poate dormi pentru perioade lungi de timp în timp ce un pacient într-o stare avansată poate să doarmă doar o perioadă scurtă de timp, uneori dormind după-amiaza sau trezind de mai multe ori pe timp de noapte.

De asemenea, pe lângă simptomele prezentate mai sus, există și simptome non-cognitive, acestea fiind:

Agitație și agresivitate fizică sau verbală.

Tulburări psihotice: halucinații, de obicei vizuale, idei delirante (de persecuție, de gelozie, de abandon etc.).

Tulburări ale dispoziției afective: în principal depresie și anxietate, mai rar stări de euforie exagerată.

Tulburări ale comportamentului alimentar: reducere sau creștere exagerată a apetitului, alimentație neîngrijită, ingerare de substanțe non-alimentare.

Dezinhibiție sexuală: comentarii pe teme sexuale, gesturi obscene, mai rar agresivitate sexuală.[1]

Fig. 2.1 – Comparație între un creier sănătos și unul cu Alzheimer

În concluzie, Alzheimerul este principala cauză a dizabilităților persoanelor în vârstă, iar din cauza simptomelor pe care le are, reprezintă o mare problemă pentru sistemul de sănătate. Deși nu există încă un tratament pentru această boală și din princina faptului că diagnosticarea este foarte dificilă, tot ce putem face momentan este să încetinim procesul și să ușurăm viața persoanelor ce suferă de această boala prin intermediul unor dispozitive special concepute.

2.1 Inima

Inima (cordul) este motorul organismului. Este un organ ce funcționează ca o pompă. Are rolul de a prelua sângele încarcat cu oxigen si substanțe nutritive venite de la plămân și de a-l pompa spre toate celelalte organe prin aortă și arterele care se desprind din ea.

Tot inima este cea care primește sângele încarcat cu dioxid de carbon de la toate organele, prin sistemul venos, și îl pompează spre plamani pentru oxigenare. Acest circuit se repetă neîntrerupt pe tot parcursul vieții.

Pereții inimii sunt formați în principal dintr-un mușchi numit miocard, care are rolul de pompă. Alimentarea miocardului cu sange oxigenat, pentru a se putea contracta, este realizată prin 2 artere coronare-artera coronara dreapta și artera coronara stânga. Acestea sunt primele ramuri care se desprind din aorta, după ce aceasta pornește de la inima.[2]

Aorta, cu ramurile ei, care leagă inima de celelalte organe și venele, prin care sângele se întoarce de la organe la inimă, alcătuiesc marea circulație (circulația sistemică).

De la inimă spre plămâni sângele circulă prin artera pulmonară și ramurile ei. De la plămâni sângele se întoarce la inimă prin venele pulmonare. Artera pulmonară și venele pulmonare formează mica circulație (circulația pulmonară).

Cele doua circulații funcționează în serie, fiind conectate prin intermediul inimii. Inima este formată din 4 camere: două atrii și doi ventriculi. Cele 2 atrii sunt etajul superior al inimii, cel care primește sângele. Cele 2 atrii sunt separate print-un perete-septul interatrial.

Atriul stâng primește sângele oxigenat de la plămâni prin venele pulmonare. Atriul drept primeste sângele uzat de la celelalte organe prin venele cave. Ventriculii sunt cei care pompează sângele venit din atrii. Cei doi ventriculi sunt separați printr-un perete: septul interventricular. Atriile comunică cu ventriculii prin două valve, care au rolul de a permite curgerea sângelui doar într-un singur sens: dinspre atrii spre ventriculi. Atriul stâng este legat de vantriculul stâng prin valva mitrală.

Atriul drept este legat de ventriculul drept prin valva tricuspidă. Ventriculul stâng pompează sângele în principala arteră a organismului – aorta. Aceasta pornește de la inimă, strabate toracele și abdomenul și se bifurcă în două ramuri, care merg la membrele inferioare. Pe acest traseu, din aorta pornesc numeroase ramuri: arterele coronare, arterele carotide, etc. Ventriculul drept pompeză sângele în artera pulmonară.[2]

Și între ventriculi și cele două artere există două valve care au rolul să permită circulația acestuia doar într-un singur sens. Ventriculul stâng este legat de aorta prin valva aortică. Ventriculul drept este legat de artera pulmonară prin valva pulmonară. Sintetizând, circulația sângelui în organism se face prin urmatorul circuit:

atriu stâng

valva mitrală

ventricul stâng

valva aortică

aorta

artere

vase mici din organe (vase capilare)

vene

atriu drept

valva tricuspidă

ventricul drept

valva pulmonară

artera pulmonară

vase capilare din plămân

vene pulmonare

atriu stâng[3]

Fig. 2.2 – Componentele inimii

2.2 Sistemul circulator

Sistemul circulator este cel ce realizează mișcarea sângelui prin ȋntreg organismul. Inima și vasele sanguine sunt cele mai improtante componente ale sistemului circulator. Fiecare bătaie ȋmpinge sângele ȋn vasele de sânge ce transportă: oxigen și nutrimente către țesuturi prin intermediul sistemului arterial și produși de degradare și metaboliți de la nivel tisular către cord prin intermediul sistemului venos. Sistemul limfatic este cea de- a treia componentă a sistemului circulator, iar mecanismul său de funcționare va fi detaliat ulterior.

Anatomia sistemului circulator

Sistemul circulator este alcătuit din două sisteme reprezentate de:

• Sistemul vaselor sanguine;

• Sistemul vaselor limfatice.

Sistemul vaselor sanguine este alcătuit din următoarele componente:

• Arterele – sunt vase ce pleacă de la nivelul cordului și se ramifică pe traiectul lor la fel ca ramurile unui copac, devenind din ce ȋn ce mai mici, alcătuind arborele arterial ce ȋndeplinește funcția de transport la nivel tisular atât a nutrimentelor, cât și a oxigenului.

• Capilarele – sunt vase sanguine de mici dimensiuni ce formează o rețea difuză ce realizază numeroase anastomoze și la nivelul cărora au loc schimburile dintre țesuturi și sânge.

• Venele – sunt vase ce se formează prin unirea rețelei difuze a capilarelor, realizând un sistem ramificat ce pornește ȋn mod opus arborelul arterial, de la terminații subțiri către canale progresiv mai largi. [4]

Fig. 2.3 – Sistemul circulator

Sistemul limfatic este alcătuit din:

• Un sistem complex de capilare ce colectează limfa de la diferite organe și țesuturi;

• Un sistem elaborat de vase ce colecteză și conduc limfa de la nivelul capilarelor la nivelul venelor gâtului și anume: la nivelul confluării dintre vena jugulară internă stângă și subclaviculara stângă pentru ductul toracic și confluarea dintre vena jugulară internă dreaptă și subclaviculara dreaptă pentru ductul limfatic drept;

• Organe limfoide și noduli (ganglioni) limfatici ce sunt localizați pe traiectul vaselor colectoare și au drept scop filtrarea limfei și ȋmbogățirea ei cu limfocite.

Fig. 2.4 – Sistemul limfatic

Structura vaselor sanguine [4]

Structura vaselor sanguine este una generală reprezentată de cele trei straturi: intima, media și adventicea, la care se adaugă diferite modificări și adaptări specifice fiecărui sistem.

Cele trei straturi, de la interior spre exterior, sunt:

1. Intima – este alcătuită la rândul ei din mai multe straturi reprezentate de:

• endoteliul ce este localizat la nivelul laminei bazale;

• țesutul subendotelial ce este reprezentat de țesut conjunctiv lax și fibre musculare netede cu dispoziție longitudinală și

• membrana elastică limitantă internă ce este prezentă doar la nivel arterial, fiind alcătuită din numeroase fibre elastice, cu multiple fenestrații.

2. Media – este alcătuită din multiple straturi concentrice reprezentate de fibre musculare ce au o dispoziție helicoidală, la care se adaugă numeroase fibre elastice, fibre reticulare, proteoglicani. Această tunica este limitată la exterior de membrana limitantă externă.

3. Adventicea – este alcătuită din țesut conjunctiv cu numeroase fibre de colagen de tip I, fibre elastice dispuse longitudinal. La nivelul vaselor mari, la nivelul adventicei, se poate identifica și vasa vasorum ce se definește ca fiind un strat ce conține numeroase vase ce realizează vascularizația adventicei și porțiunii externe a mediei. Vasa vasorum este mai bine dezvoltată la nivelul venelor. Ȋn ceea ce privește capilarele limfatice, acestea se pot găsi la nivelul adventicei pentru artere, iar pentru vene, acestea pot penetra și ajunge până la medie.

Fig. 2.5 – Intima, media, adventicea

Inervația vaselor se realizează prin intermediul unei rețele de fibre nervoase nemielinizate simpatice ce mai poartă denumirea și de nervi vasomotori și formează nervi vascularis. Fibrele nervoase sunt mai numeroase la nivelul venelor decâ la nivelul arterelor.

Terminațiile nervoase aferente de la nivel arterial se pot clasifica ȋn baroreceptori și chemoreceptori.

Baroreceptorii se pot identifica la nivelul:

• Sinusului carotidian, localizați imediat sub bifurcația carotidei primare, iar terminațiile nervoase provin din nervul XI;

• Arcului aortic.

Chemoreceptorii se pot identifica la nivelul:

• Corpusculului carotidian, fiind localizat la nivelul bifurcației carotidei și este alcătuit din două tipuri de celule glomice;

• Corpusculului aortic, ce este localizat ȋntre subclaviculară și carotida dreaptă, pe dreapta și ȋn apropierea subclavicularei stângi pe stânga.

A. Arterele[5]

Sunt vasele eferente de la nivelul cordului, adică toate vasele ce pleacă de la acest nivel. Au formă tubulară, asemenea unor conducte, și pe traiectul lor se bifurcă și se subțiază totodată, toată circulația arterială având aspect arborescent.

Dimensiunile lor sunt diferite, acestea putând fi clasificate ȋn funcție de acest criteriu:

• Arterele de mari dimenisuni sau arterele elastice sunt reprezentate de: aorta, ramurile sale mari, subclaviculara, carotida comună, artera iliacă și arterele pulmonare.

• Arterele medii sau musculare ce mai sunt denumite și artere de distribuție sunt reprezentate de arterele ce realizează vascularizația viscerelor.

• Arterele de mici dimensiuni sau arteriole ce se clasifică la rândul lor ȋn arteriole mari și mici.

Structura arterelor mari este reprezentată de cele trei tunici elementare: intima, media și adventicea la care se adaugă periadventicea, ce are drept scop poziționarea arterei pe traiectul său.

Intima este alcătuită din:

• Endoteliu ce se continuă și la nivelul cordului, constituind endocardul și este reprezentat dintr-un epiteliu simplu pavimentos. Celulele endoteliale au drept scop realizarea unei permeabilități selective ce facilitează o difuziune simplă pentru oxigen și dioxid de carbon, transportă activ glucoza, aminoacizii și electroliții, realizează endocitoză pentru diverse molecule precum: LDL colesterol, factori de creștere, transferină. De asemenea, celulele endoteliale ȋmpiedică apariția trombilor prin controlul trombozei, trombolizei și agregabilității palchetare, elaborând molecule anticoagulante și antitrombotice (prostaciclină, activator al plasminogenului, molecule heparin-like), molecule protombotice precum factorul von Willebrand și echilibrează fluxul sanguin și reactivitatea vasculară prin intermediul substanțelor vasoconstrictoare și vasodilatatoare.

• Subendoteliul – este un țesut conjunctiv cu numeroase fibre de colagen tip I și tip II, ȋntr-o matrice bogată ȋn proteoglicani.

• Membrana elastică limitantă internă ce este alcătuită din elastină dispusă lamelar.

Media este alcătuită din lame elastice formate din fibre elastice fuzionate. Acestea sunt dispuse sub formă de spirale, și sunt conectate prin punți. Printre lamele elastice pot fi identificate și fibre musculare netede.

Adventicea este alcătuită din țesut conjunctiv lax, iar la nivelul ei se găsește și vasa vasorum ȋmpreună cu terminații nervoase și are rolul de a fixa arterele pe traiectul lor, rol suplimentat prin intermediul periadventicei.

Structura arterelor medii și mici este reprezentată tot de cele trei component de bază: intima, media și adventica, ȋnsă cu anumite modificări specifice față de arterele de mari dimensiuni.

Intima este de astă dată aclătuită din endoteliu și din țesut endotelial, acesta din urmă putând fi chiar absent la nivelul arteriolelor. Membrana limitantă elastică internă are un aspect crenelat pentru arteriole și pentru arterele medii.

Media este alcătuită din miocite contractile ce sunt dispuse laminar, ȋn 10-38 de straturi concentrice. Pe lângă miocitele contractile se pot identifica și miocite secretorii ce sintetizează matricea extracelulară alături de prostacicline, factori de creștere și factori chemotactici. La nivelul mediei poate apărea și metaplazia fibroelastică din cadrul aterosclerozei. Numai la nivelul arterelor de calibru mare se poate identifica și membrana elastică limitantă externă.

Adventicea este alcătuită din țesut conjunctiv lax, ce este bogat ȋn colagen de tip I. Vasa vasorum este prezentă până la nivelul membranei elastice limitante externe, alături de terminațiile nervoase. Terminațiile nervoase de origine simpatică determină pe musculatura arterială vasoconstricție (numai la nivelul coronarelor determină vasodilatație), iar parasimpaticul determină vasodilatație.

Microcirculația este alcătuită din următoarele elemente:

• O arteriolă;

• Rețeaua de capilare;

• Metarteriole;

• O venulă postcapilară.

Excepțiile de la această regulă sunt reprezentate de glomerulul renal și sistemul port.

Arteriola are o structură asemănătoare arterelor musculare la care doar membrana elastică limitantă internă este vizibilă. Rolul arteriolelor este de a realiza rezistența vasculară periferică, apărând astfel tensiunea arterială diastolică. De la nivelul arteriolei vor lua naștere 2-3 metarteriole ce prezintă un diametru mai redus și sunt lipsite de adventice.

Rețeaua capilară este realizată prin intermediul ramificării arteriolelor, de la nivelul unei arteriole rezultând un capilar preferențial, iar din acesta formându-se rețeaua capilară, ce se concentrează pe capilarul preferențial ce drenează la nivelul venulei postcapilare. [6]

Capilarele sanguine sunt formațiuni tubulare cu dimensiuni foarte mici, cu un diametru de aproximativ 4-14 um și cu o lungime mai mica de 1 mm. Sunt alcătuită ȋn cea mai mare parte din endoteliu, iar la nivelul membranei bazale se pot identifica numeroase pericite sau celule Rouget. La nivelul locului de emergență din capilarul preferențial se găsește sfincterul precapilar, ce este prezent și la nivelul capilarului preferențial, relaxarea unuia determinând contracția celuilalt.

Fig. 2.6 – Rețeaua capilară

Capilarele pot fi ȋmpărțite astfel:

• Capilare de tip I sau continui sunt repartizate ȋn special la nivelul regiunilor cu schimburi reduse, pe la nivelul peretelui acestora putând sa treacă numai molecule mici și gazele.

• Capilarele tip barieră, localizate la nivelul timusului și țesutului nervos.

• Capilarele de tip II sau fenestrate ce sunt repartizate ȋn special la nivelul regiunilor cu schimburi mai intense precum intestinul, pancreasul, glandele endocrine.

•Capilarele de tip III sau sinusoide se pot identifica la nivelul ficatului, a măduvei hematogene, limfoganglionilor, dar și a splinei, fiind vase cu traiect sinuos ce prezintă un endoteliu discontinuu.

Structurile de tip glomus pot fi identificate la nivelul extermităților precum vârful degetelor, la nivelul urechilor, la nivelul lor vena fiind situată ȋn continuarea arterei, membrana limitantă elastică internă dispărând.

Venula postcapilară are un diametru cuprins ȋntre 10 și 100 um și prezintă numeroase pericite și colectează la nivelul venulei colectoare, ce drenează la rândul ei la nivelul venei musculare.

B. Venele sunt formațiuni tubulare, vase de capacitanță și pot fi de asemnea clasificate astfel:

•Vene mari: vena cava superioară, vena cava inferioară, venele pulmonare;

•Vene medii și mici: vena jugulară externă, vena jugulară internă;

•Venule.

Venele prezintă aceeiași structură generală reprezentată de intima, medie și adventice, ȋnsă la fel ca și ȋn cazul arterelor, acestea prezintă anumite specificități.

Fig. 2.7 – Sistemul venos

Intima este alcătuită din endoteliu și țesut endotelial, ȋnsă membrana limitantă elastică internă lipsește.

Media este alcătuită din țesut muscular, fibros și elastic, ȋnsă ȋn cantitate mai mică decât la nivelul arterei omonime.

Adventicea este de această data mai groasă decât la nivel arterial, cu vasa vasorum foarte bogată și cu numeroase terminații nervoase.

La nivelul porțiunii inferioare a corpului, venele sunt adaptate cu valve ce se formează prin plierea intimei, fragmentând astfel coloana de sânge, scăzând presiunea de la nivel parietal și deteminând o singură direcție de circulație a fluxului sanguin.

C. Vasele limfatice

Vasele limfatice sunt extrem de fragile, straturile lor fiind uneori translucide. Ele sunt ȋntrerupte din loc ȋn loc de porțiuni ȋngustate, traiectul lor având aspect nodular. Acest aspect este determinat de prezența valvelor, ȋn mod similar venelor. Ȋn ceea ce privește structura parietală, aceasta este similară venelor (intimă, medie, adventice) pentru vasele limfatice mari.

Intima este subțire, transparentă, ușor elastică și este alcătuită dintr-un strat de celule endoteliale ce este susținut de o membrană elastică.

Media este alcătuită dintr-un strat muscular neted și fibre elastice distribuite transversal.

Adventicea este alcătuită din fibre musculare netede cu dispoziție longitudinală sau oblică ce se ȋntrepătrund cu fibre conjunctive de la nivelul țesuturilor ȋnconjurătoare.

Valvele de la nivelul vaselor limfatice sunt alcătuite din țesut fibros ȋmbrăcat de țesut endotelial. Ȋn ceea ce privește forma, valvele sunt semilunare și sunt atașate prin intermediul marginii convexe la nivel parietal, marginile concave fiind libere și poziționate ȋn sensul fluxului limfatic. De obicei, valvele sunt localizate sub formă de perechi, una ȋn fața celeilalte, ȋnsa uneori se pot identifica și anomalii, ȋn special ȋn apropierea anastomozelor. La nivelul vaselor limfatice, spre deosebire de vene, valvele sunt localizate la intervale mai mici, iar numărul lor crește ȋn apropierea organelor limfoide, la nivelul vaselor limfatice cervicale și ale membrelor superioare.

Pe traiectul vaselor limfatice se pot identifica ganglionii limfatici ce au rol ȋn filtrarea limfei și ȋmbogățirea acesteia cu limfocite.[4]

2.3 Semnale electrofiziologice

Receptorii senzoriali fac legătura între organism și mediul de viață sau între diverse componente ale organismului; informațiile sunt preluate sub formă de stimuli de către celulele receptoare (senzitive), specializate, care compun fiecare receptor senzorial. Evoluția speciilor a marcat receptorii senzoriali prin:

– specializare și diversificare

– rafinarea performanțelor

– protecția față de agresivitatea condițiilor de mediu

– construcții anatomice auxiliare care favorizează funcția

Celulele receptoare sunt traductoare dintr-un semnal oarecare în semnal electric;

mărimi convertite: presiune, temperatură, substanță chimică, lumină, sunet.

Celulele receptoare sunt conectate la dendritele și corpul neuronilor senzitivi; axonii neuronilor senzitivi și fac legătura cu sistemul nervos central unde informația este transmisă și decodificată.

Exemplu de producere și transmitere a semnalelor electrice asociate excitației senzoriale. În figura de mai jos este reprezentată succesiunea evenimentelor electrice care apar la aplicarea unui stimul mecanic (de exemplu o înțepătură) la suprafața pielii. Stimulul acționează direct asupra celulei receptoare prin modificarea permeabilității și depolarizarea membranei acesteia; semnalul electric produs, potențialul receptor are amplitudinea și frecvența variabile în funcție de amplitudinea stimulului. Receptorii reacționează spontan la stimuli, cu o anumită constantă de timp, dar au tendința de adaptabilitate dacă stimulul este menținut timp îndelungat.[7]

Fig. 2.8 – Producerea și transmiterea semnalelor electrice asociate excitației senzoriale

2.3.1 Clasificare

Electrocardiogramă ( ECG )

Caracteristica semnalului:

Frecvență : 0.05 – 100 (1000) Hz

Tensiune : 10V – 5 mV

Traductoare folosite:

Electrozi de suprafață cu gel de contact

Electroencefalogramă ( EEG )

Caracteristica semnalului:

Frecvență : 0.1 – 100 Hz

Tensiune : 2 – 200V

Traductoare folosite:

Electrozi de suprafață cu gel de contact

Ac

Electromiogramă ( EMG )

Caracteristica semnalului:

Frecvență : 5 – 2000 Hz

Tensiune : 20 – 5000 mV

Traductoare folosite:

Electrozi de suprafață

Ac

Electroretinogramă ( ERG )

Caracteristica semnalului:

Frecvență : 0.01 – 200 Hz

Tensiune : 0.5 V – 1 mV

Traductoare folosite:

Electrozi aplicați pe cornee

Electrooculogramă ( EOG )

Caracteristica semnalului:

Frecvență : 0.05 – 100 Hz

Tensiune : 10 V – 3500V

Traductoare folosite:

Electrozi de suprafață în miniatură [8]

2.4 Unda pletismografică

Pletismografia înregistreaza modificările de volum ale unui segment anatomic în raport cu regimul sistolo-diastolic de curgere a sângelui prin acel segment.
1. Pletismografia de volum
Pletismografia poate fi folosită pentru detectarea modificărilor volumului pulsului la nivelul extremităților membrelor (degete)
Studiul volumului de puls indică gradul de permeabilitate a trunchiului arterial principal din deget. Amplitudinea pulsului este dată de diferența între fluxul arterial de intrare și cel venos de ieșire din deget, în timpul unui ciclu cardiac. Prezintă modificări spontane de amplitudine in raport cu respirația, tonusul vasomotor și rezistența periferică. Un puls amplu corespunde unei artere relaxate; un puls mic corespunde unei artere spastice sau obstruate.
Volumul pulsului este un indicator al activității vasomotorii (influențat de durere, excitare, frică, emoție, respirație adânca, etc.). Daca toți ceilalți factori se mențin constanți, volumul undei pulsatorii depinde de cantitatea de țesut închis de pletismograf. Pentru a se putea compara cifrele de la un pacient la altul, datele obținute trebuie să fie raportate la un volum de deget mediu (se consideră arbitrar ca fiind de 4 ml).
Valori normale:
– peste 6 – 8 mm 3 /4 ml deget = normal;
– sub 4 mm 3 /4 ml deget = diminuarea fluxului sanguin.
Limita inferioară a normalului în condiții de vasodilatație este de 4 mm 3 /4 ml deget. În situația diminuării fluxului arterial periferic, nu se poate diferenția etiologia spastică (funcțională) de cea stenozantă (organică), decât prin examenul suplimentar, de vasodilatație indusă.

Fig. 2.9 – Undă pletismografică

2.Pletismografia cu ocluzie venoasă
Este o variantă a pletismografiei de volum, prin care se determină indirect debitul arterial în teritoriul explorat. Se oprește întoarcerea venoasă prin compresia cu o manșetă pneumatică umflata brusc la o presiune de 40-50 mmHg
Volumul digital crește progresiv prin acumularea sângelui arterial. Pentru calculul fluxului arterial, se măsoară partea incipientă abruptă a curbei ascendente a volumului degetului. Se măsoară creșterea de volum pe unitate de timp și se raportează la volumul de țesut închis în pletismograf.
Presiunea de compresie venoasă optimă este aceea din care rezultă cea mai mare valoare de debit sanguin. Din acest motiv se recomandă să se facă mai multe încercări, cu diferite valori de compresie, până la obținerea debitelor celor mai mari.[9]

Fig. 2.10 – Pletismografie cu ocluzie venoasă

2.5 Studii relizate în domeniu

“Single-Lead wearable Patch for Wireless Continuous Montioring of ECG” ( Plasture cu un singur fir ce transmite wireless, încontinuu, timp de 72 ore informații despre impulsurile inimii)

Este un device non-invaziv, conceput special pentru a nu fi incomod și pentru a transmite constant, în timp real, datele necesare ale pacientului. Achiziția semnalului este realizată prin intermediul a 3 electrozi de argint.

Electrodul (Fig. 2.1) este realizat din cerneala conductivă de argint, imprimat pe foaie de poliuretan și uscat timp de două zile (dimensiunea electrodului prezentată mai jos este de 5 cm). Zona de contact trebuie să fie cât mai mare pentru a menține impedanța cât mai mică. Plasarea electrozilor pe suprafața pielii este prezentată în Fig. 2.2. Electrodul RL este conectat sub mușchiul pectoral stâng în apropierea vârfului inimii.[10]

Fig. 2.11 – Electrod de argint

Fig. 2.12 – Modul de plasare al electrozilor (Triunghiul lui Eindhoven)

Interpretarea datelor și afișarea acestora pe un dispozitiv (ex. telefon inteligent) se face prin intermediul unui chipset CSR1010, cu conexiune Bluetooth (Fig. 2.3)

Fig. 2.13 – Afișare ECG pe smartphone

Motion Detector With Remote Alarm (detector de mișcare cu alarmă de la distanță ) [11]

Dispozitiv care este alcătuit dintr-un transmiter și un reciever. Primul dă un semnal celui de-al doilea dispozitiv cât timp este într-o anumita rază de acțiune. În momentul în care cel de-al doilea dispozitiv părăsește raza definită, pornește o alarmă pe primul dispozitiv pentru a anunța îngrijitorul că pacientul a părăsit spațiul predefinit.

Fig. 2.14 – Detectorul de mișcare ( transmitter + reciever )

GPS Smart Sole ( Urmăritor GPS ) [12]

Acesta conține un element mic de urmărire GPS poziționat în branțul pantofului. Rulează cu un acumulator care are o autonomie de 2-3 zile. Dispozitivul funcționează în parametrii optimi până la 30 de luni, în funcție de uzură.

Fig. 2.15 – Dispozitiv GPS

iTraq [13] Folosind aplicația mobilă iTraq, utilizatorul poate defini frecvența rapoartelor de locație. Aceste rapoarte pot varia de la fiecare 5 minute până la o dată pe zi. Durata de viață a bateriei depinde de frecvența rapoartelor. Mai multe rapoarte pe zi înseamnă o scurtă durată de viață a bateriei.

Fig. 2.16 – Dispozitiv iTraq

Trax [14] Trax Play este un tracker GPS inteligent, mic și puternic care funcționează cu o aplicație pe telefon. Trax Play oferă o soluție ușor de utilizat pentru poziționarea în timp real, astfel încât să se poata urmări urmări familia, animalele de companie sau ce dorește utilizatorul.

Fig. 2.17 – Dispozitiv Trax

MindMe [15] Dispozitiv care permite trimiterea unui semnal către îngrijitor ( o alarmă ) în cazul în care pacientul simte că este într-un pericol iminent sau simte că nu poate efectua o anumită acțiune fără ajutor din partea îngrijitorului

Fig. 2.18 – Dispozitiv MindMe

MATERIALE ȘI METODE

3.1 Microcontroller

Un microcontroler este un circuit integrat compact conceput pentru a îndeplini o operație specifică într-un sistem încorporat. Microcontrolerul tipic include un procesor, memorie și intrări / ieșiri (I / O) periferice pe un singur cip.Uneori când se face referire la un controler încorporat sau o unitate de microcontroler (MCU), microcontrolerele se găsesc în vehicule, roboți, echipamente de birou, dispozitive medicale, transmițătoare radio mobile, automate și aparate de uz casnic, printre altele.[16]

Fig. 3.1 – Microcontroler ATmega328P

3.1.1 Caracteristici

Procesorul unui microcontroler variază în funcție de aplicație. Opțiunile variază de la procesoarele simple de 4 biți, 8 biți sau 16 biți la procesoare mai complexe pe 32 de biți sau pe 64 de biți. Din punct de vedere al memoriei, microcontrolerele pot folosi memorie cu acces aleator (RAM), memorie flash, EPROM sau EEPROM. În general, microcontrolerele sunt proiectate pentru a fi ușor de utilizat fără componente suplimentare de calcul deoarece sunt proiectate cu o memorie suficientă și au pini pentru operații generale de I / O, astfel încât acestea pot interfața direct cu senzorii și alte componente.

Arhitectura microcontrolerului poate fi de tipul Harvard sau von Neumann, ambele oferind metode diferite de schimb de date între procesor și memorie. Cu o arhitectură Harvard, magistrala de date și instrucțiunile sunt separate, permițând transferuri simultane. Cu o arhitectură Von Neumann, o magistrală este folosită atât pentru date, cât și pentru instrucțiuni.

Fig. 3.2 – Diferențe între arhitecturile Harvard și von Newmann

Procesoarele microcontrollerelor pot fi bazate pe "calculul setului de instrucțiuni complex" (CISC) sau pe "calculul redus al seturilor de instrucțiuni" (RISC). CISC are în general aproximativ 80 de instrucțiuni în timp ce RISC are aproximativ 30, precum și mai multe moduri de abordare, 12-24 în comparație cu RISC 3-5. În timp ce CISC poate fi mai ușor de implementat și are o utilizare mai eficientă a memoriei, poate avea degradări de performanță datorită numărului mai mare de cicluri necesare executării instrucțiunilor. RISC, care acordă mai multă atenție software-ului, oferă deseori performanțe mai bune decât procesoarele CISC, care pun accentul pe hardware, datorită setului simplificat de instrucțiuni și, prin urmare, simplificării designului sporit, dar datorită accentului pus pe software, software-ul să fie mai complexă. Codul ISC utilizat variază în funcție de aplicație.

Când au devenit disponibile pentru prima dată, microcontrolerele au folosit exclusiv assembly. Astăzi, limbajul de programare C este o opțiune des întâlnită.MCU-urile au intrări și ieșiri pentru implementarea funcțiilor periferice. Printre aceste funcții se numără convertoarele analog-digital, conectorii cu afișaj cu cristale lichide (LCD), ceasurile în timp real (RTC), transmițătorul sincron / asincron de recepție (USART), cronometrele, transmițătorul universal de transmisie asincronă (UART) ) conectivitate. Senzorii care colectează date referitoare la umiditate și temperatură, printre altele, sunt adesea atașați la microcontrolere.[17]

3.1.2 Tipuri

MCU-urile obișnuite includ Intel MCS-51, deseori denumit microcontroler 8051, dezvoltat pentru prima dată în 1985; microcontrolerul AVR dezvoltat de Atmel în 1996; controlerul de interfață programabil (PIC) de la Microchip Technology; și diverse microcontrolere ARM licențiate. Anumite companii fabrică și vând microcontrolere, inclusiv NXP Semiconductor, Renesas Electronics, Silicon Labs și Texas Instruments.

Fig. 3.3 – Microcontroler 8051

Fig. 3.4 – Microcontroler AVR

3.1.3 Aplicații

Microcontrolerele sunt utilizate în mai multe industrii și aplicații, inclusiv în aplicațiile pentru acasă, în întreprinderi, automatizări în clădiri, producție, robotică, automobile, iluminat, energie inteligentă, automatizări industriale, și comunicații.

Cele mai simple microcontrolere facilitează funcționarea sistemelor electromecanice găsite în dispozitivele pe care le folosim zi de zi, cum ar fi cuptoarele, frigiderele, prăjitoarele de pâine, telefoanele, jocurile video, televizoarele și chiar și sistemele de irigare a gazonului. Acestea sunt, de asemenea, des întâlnite în dispozitivele de birou, cum ar fi fotocopiatoare, scanere, faxuri și imprimante, precum și contoare inteligente, bancomate și sisteme de securitate.

Mai multe microcontrolere sofisticate îndeplinesc funcții importante în aeronave, nave spațiale, nave maritime, vehicule, sisteme medicale și de susținere a vieții și roboți. În zona medicală, microcontrolerele pot regla funcționarea unei inimi artificiale, a unui rinichi sau a oricărui alt organ. Ele pot fi, de asemenea, necesare în funcționarea dispozitivelor prostetice.

Fig. 3.5 – Utilizări microcontroller Arduino

Arduino este o platformă de tipul "open source" (codul sursă este valabil pentru public) utilizată pentru construirea de proiecte electronice. Arduino reprezintă un ansamblu format dintr-o placă de circuite programabilă (un microcontroler), și software sau IDE (Integrated Development Environment – Mediu de dezvoltare integrat) care rulează pe computer. Este folosit pentru a scrie și a încărca codul pe plăcuța programabilă.

Fig. 3.6 – Placă programabila Arduino de tipul "UNO V3"

Fig. 3.7 – Captură ecran mediu de programare Arduino

3.1.4 Arduino

O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVR de 8-, 16- sau 32-biți cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite. Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele sunt adresabile individual prin magistrala serială I²C permițând utilizarea mai multor module în paralel. Până în anul 2015 plăcuțele Arduino oficiale au folosit cipuri Atmel din seria megaAVR, în special ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 și ATmega2560, iar în 2015 au fost adăugate cipuri de la alți producători. O multitudine de alte procesoare au fost folosite de dispozitive compatibile Arduino. Multe plăcuțe includ un regulator liniar de 5 V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz (sau un rezonator ceramic în unele variante), deși anumite plăcuțe, cum ar fi LilyPad, funcționează la 8 MHz și nu necesită regulator, datorită restricțiilor de formă. Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootloader care simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând programarea de pe orice computer ordinar. În prezent, bootloader-ul optiboot este bootloader-ul implicit instalat pe Arduino UNO. [18]

La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în funcție de versiunea hardware. Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL. Plăcuțele Arduino din prezent sunt programate prin USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial, cum ar fi FTDI FT232. Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze ca un convertor USB-serial, care poate fi reprogramat printr-un port ICSP dedicat. Alte variante, cum ar fi Arduino Mini și versiunea neoficială Boarduino, folosesc adaptoare detașabile USB-serial, cabluri, Bluetooth sau alte metode.

Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului, pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite. Diecimila, Duemilanove și UNO oferă 14 pini digitali de intrare/ieșire, dintre care 6 pot produce semnale PWM și 6 intrări analogice care, de asemenea, pot fi folosite ca intrări/ieșiri digitale. Acești pini sunt accesibili prin partea superioară a plăcuței, prin intermediul unor barete mamă cu pasul între pini de 2,54 mm.

Programele Arduino pot fi scrise în orice limbaj de programare cu un compilator capabil să producă un cod mașină binar. Atmel oferă un mediu de dezvoltare pentru microcontrolerele sale, AVR Studio și mai nou, Atmel Studio.

Proiectul Arduino oferă un mediu integrat de dezvoltare (IDE), care este o aplicație cross-platform, scrisă în Java. Acesta își are originile în mediul de dezvoltare pentru limbajul de programare Processing și în proiectul Wiring. Este proiectat pentru a introduce programarea în lumea artiștilor și a celor nefamiliarizați cu dezvoltarea software. Include un editor de cod cu funcții ca evidențierea sintaxelor, potrivirea acoladelor și spațierea automată și oferă mecanisme simple cu un singur click, pentru a compila și a încărca programele în plăcuța Arduino. Un program scris în IDE pentru Arduino se numește sketch.

Arduino IDE suportă limbajele de programare C și C++ folosind reguli speciale de organizare a codului. Arduino IDE oferă o librărie software numită Wiring, din proiectul Wiring, care oferă multe proceduri comune de intrare și ieșire. Un sketch tipic Arduino scris în C/C++ este compus din două funcții care sunt compilate și legate cu un ciot de program main(), într-un program executabil cu o execuție ciclică:

setup(): o funcție care este rulată o singură dată la începutul programului, când se inițializează setările.

loop(): o funcție apelată în mod repetat până la oprirea alimentării cu energie a plăcuței.

După compilarea și legarea cu GNU toolchain inclus, de asemenea, în IDE, mediul de dezvoltare Arduino trimite comandă către programul avrdude pentru a converti codul executabil într-un fișier text codat hexazecimal, care poate fi încărcat în placa Arduino de un program de încărcare.[19]

3.2 Dezvoltare

”Inima” dispoizitivului este un Arduino Nano.

Arduino Nano este o placă programabilă mică, bazată pe ATmega328P, cu arhitectură AVR. Are aproximativ aceeași funcționalitate ca Arduino UNO, dar într-un alt pachet și funcționează cu un cablu USB Mini-B în locul celui standard. Alimentarea plăcuței se face la 5V, și are o memorie flash de 32KB, dar 2KB sunt folosiți de bootloader. Capacitatea SRAM este de 2KB, iar viteza ceasului are valoarea de 16MHz. Valoarea memoriei EEPROM este de 1KB.

Fig. 3.8 – Arduino Nano

Date tehnice:

Fig. 3.9 – Schemă Arduino Nano

Pentru acest dispoizitv, au fost folosiți pinii analogici pentru a transmite datele furnizate de senzori, pinii digitali pentru a conecta ecranul, și pinii RX și TX pentru a realiza comunicarea cu modulul Bluetooth.

Fig. 3.10 – Modul de așezare al pinilor

Pinii pe care îi are sunt de două tipuri: analogi și digitali. Pini anologi sunt de tipul "IN" și există 8 pe placă, iar cei digitali sunt 22, dintre care 6 sunt de tipul "Pulse Width Modulation" (PWM).

Consumă arpoximativ 19mA. Dimensiunile plăcii sunt 18×45 mm, cu o greutate de doar 7g.

Fig. 3.11 – Arduino Nano conectat pe Breadboard

3.2.1 Baterie

Următorul pas a fost să adaug o sursă de alimentare, și anume o baterie LiPo, de 3.7V si 800 mAh.[20]

În prezent, bateriile LiPo (LitiuPolimer) sunt utilizate pentru acest tip de aplicație unde este necesară putere mare și greutate redusă. Aceste baterii sunt alcătuite din celule care pot fi grupate în serie și/sau în paralel pentru a obține tensiunile și curenții necesari. Denumirea de „litiu polimer” a cauzat confuzii în rândul utilizatorilor de baterii, deoarece poate fi interpretată în două moduri. La început, această denumire era dată pentru tehnologia care folosea electrolit polimer în locul unui lichid electrolitic comun.

Rezultatul este o celulă de ”plastic”, care, teoretic poate fi îngustă, flexibilă și manufacturată sub diferite forme, fără riscul scurgerilor de electrolit. Cea de-a doua însemnătate a apărut atunci când anumiți fabricanți au început să aplice denumirea de ”polimer” pe celulele litiu-ion. Aceasta este cea mai răspândită întrebuințare în zilele noastre, unde ”polimerul” a trecut de la indicarea unui ”electrolit polimer” la ”carcasă din polimer”, care este învelișul exterior al bateriei. Cu toate că designul este unul plat și foarte ușor, aceasta nu este întradevăr o celulă polimer, deoarece electrolitul este încă în stare lichidă, cu toate că acesta poate fi plasticizat printr-un aditiv polimeric.

La fel ca și cu celelalte celule litiu-ion, LiPo funcționează pe principiul intercalării și de-intercalării ionilor de litiu de la un electrod făcut să aiba potențial pozitiv și un electrod făcut să aibă potențial negativ prin intermediul unui lichid electrolitic care asigură un mediu conductiv. Pentru a prevenii electrozii să se atingă unul pe celălalt direct, un separator cu micropori este situat între cei doi electrozi ce permite ionilor și nu particulelor desprinse de pe electrod să migreze dintr-o parte în alta.[21]

Bateriile LiPo ofera trei mari avantaje față de bateriile clasice NiMH(Nichel Metal Hydride), NiCd (Nichel-Cadmiu) sau Litiu-Ion:

-bateriile LiPo sunt mult mai ușoare și pot fi făcute în aproape orice formă și mărime;

-bateriile LiPo oferă capacități de stocare mai mari, ceea ce le permite să dețină o putere mult mai mare;

-bateriile LiPo au o rată de descărcare mult mai mare.

Fig. 3.12 – Acumulator LiPo 3.7V 800mAh

3.2.2 Modul încărcare

Pentru a nu fi nevoit să decuplez fizic bateria de la ansamblu pentru a o incărca, am adăugat un modul de încărcare pentru bateriile LiPo, ce permite încărcarea bateriei cât timp aceasta încă alimentează întreg ansamblul.

Fig. 3.13 – Încărcător SparkFun USB LiPo

Încărcătorul USB LiPo SparkFun este un circuit de încărcare de bază care vă permite să încărcați celulele LiPo de 3,7 V la o rată de 500 mA sau 100 mA. Este conceput pentru a încărca baterii Li-Ion sau Li-Polymer cu o singură celulă.[22]

Placa conține un circuit de încărcare, LED ce indică faptul că bateria se încarcă, intrare USB-MINI, doi conectori JST, SYS OUT pentru a conecta ansamblul și BATT IN pentru a conecta bateria.

3.2.3 Senzor de puls

Senzorul de puls DFRobot este un senzor care este dezvoltat pe baza tehnicii de fotopletismografie (PPG) . Aceasta este o tehnică optică simplă care poate fi utilizată pentru a detecta schimbarea volumului sanguin în patul microvascular al țesuturilor. Este relativ ușor de detectat componenta pulsată a ciclului cardiac conform acestei teorii.[23]

Acesta poate fi plasat pe deget sau pe încheietura mâinii pentru a putea înregistra date.

Fig. 3.14 – Senzor puls

Specificații:

Acest senzor se conectează în modul următor:

– GND (Împământarea) care se conectează la Arduino pe pinul specific (GND).

– VCC Alimentarea care se conectează la Arduino pe pinul specific (3v3).

– S (pinul de date) care se conectează la Arduino pe pinul analog A1.

3.2.4 Senzor de persiune Sparkfun MPL3115A2

Fig. 3.15 – Senzor presiune MPL3115A2

Specificații:

MPL3115A2 este un senzor de presiune compact, piezorezistiv, cu o interfață digitală I2C (Inter-Integrated Circuit). MPL3115A2 are o gamă largă de operare de 20 kPa la 110 kPa, o gamă care acoperă toate suprafețele de pe pământ. Acesta măsoară și temperatura folosind un senzor de temperatură pe cip. Datele privind presiunea și temperatura sunt introduse într-un CAD (convertor analog-digital) de exactitate mare pentru a furniza cât mai exacte despre presiune în Pascali (Pa) și temperatură în grade Celsius (° C).[24]

Pentru presiune, senzorul citește presiunea în atmosfere (atm), iar pentru a o transforma în Pascali, se aplică următoarea formulă:

Temperatura este înregistrata inițial în grade Fahrenheit, iar pentru a o transforma în grade Celsius se foloseste formula:

Fig. 3.16 – Schemă senzor presiune

Acest senzor se conectează în modul următor:

– GND (Împământarea) care se conectează la Arduino pe pinul specific (GND).

– VCC Alimentarea care se conectează la Arduino pe pinul specific (3v3).

– SDA transmite datele și se conectează la Arduino pe pinul analog A4

– SCL sincronizează transferul de date, se conectează la Arduino pe pinul analog A5.

3.2.5 Bluetooth

Bluetooth este utilizat ca o platformă pentru comunicarea pe distanțe scurte și de a conecta dispozitive mobile, tablete, calculatoare, etc. pentru diferite aplicații, inclusiv audio.

Tehnologia Bluetooth și-a stablit poziția pe piață, oferind posibilitea conectării fără fir a mai multor dispozitive pe o rază de la 10 la 100 m.

Este cunoscută în mod general ca fiind tehnologia care permite utilizarea căștilor fără fir atașate la diferite dispozitive, dar pe langa asta, are multe alte întrebuințări benefice.

Evoluția acestei tehnologii este atât de avansată încât anumite dispozitive pentru casă vin deja cu module de Bluetooth pre-instalate.

Fig. 3.17 – Siglă Bluetooth

Istoria tehnologiei a luat naștere în 1994, când Ericsson a creeat un concept prin care să utilzeze o tehnologie fără fir pentru a conecta o cască la telefonul mobil. Ideea din spatele Bluetooth-ului (încă nu avea această denumire) consta în conectarea unei multitudini de dispozitive periferice, de exemplu o imprimantă, sau telefon. Utilizând această tehnologie, posibilitatea unei conectări ușoare și rapide între diferite dispozitive electronice devenea posibilă. Pentru a continua dezvoltarea tehnologiei Bluetooth și pentru a fi acceptată, era nevoie să fie catalogată ca un standard industrial. Așadar, în februarie 1998, cinci companii (Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba and Intel) au format Bluetooth SIG – Special Interest Group. Istoria spune că Bluetooth SIG a avut o creștere foarte rapidă, întrucât la sfârșitul anului 1998 a fost recunoscută ca fiind al 400-lea membru. Bluetooth SIG a dezvoltat foarte repede tehnologia Bluetooth întrucât trei luni mai târziu, s-a creeat numele " Bluetooth ". Acest nume își are originile de la Harald Blåtand care a fost rege în Danemarca între 940 și 981 . Numele lui se traduce ca "Blue Tooth ( Dinte Albastru)" și era porecla lui. De-a lungul timpului, au fost versiunile de Bluetooth au fost adaptate conform cerințelor de pe piață.De-a lungul timpului, au fost versiunile de Bluetooth au fost adaptate conform cerințelor de pe piață.[25]

Versiuni

3.2.5.1 Modul Bluetooth HC-06

Fig. 3.18 – Modul Bluetooth HC-06

Specificații:

HC-06 este un modul Bluetooth de tip ”slave”, de clasă 2 conceput pentru o comunicare ușoară, fără fir. Odată ce este asociat cu un dispozitiv Bluetooth principal, cum ar fi PC-ul, telefoanele inteligente sau tableta, acesta începe să funcționeze, adică sa primească sau să trimită date. Toate datele primite prin intrarea serială sunt transmise imediat prin aer. Când modulul primește date ”wireless”, acestea sunt trimise prin interfața serială exact cum sunt recepționate. Nu este necesar niciun cod specific pentru modulul Bluetooth în programul de microcontroler al utilizatorului.HC-06 va funcționa cu o tensiune de alimentare de 3.6V DC până la 6V DC. Cu toate acestea, nivelul logic al pinului RXD este 3.3V și nu este tolerant la 5V. Un convertor de nivel logic este recomandat pentru a proteja senzorul dacă este conectat la un dispozitiv de 5V.

Ansamblul meu este alimentat de o baterie LiPo de 3.7V, așadar utilizarea unui convertor de nivel logic nu este necesară.

Fig. 3.19 – Schemă modul Bluetooth HC-06

Acest senzor se conectează în modul următor:

– GND (Împământarea) care se conectează la Arduino pe pinul specific (GND).

– VCC Alimentarea care se conectează la Arduino pe pinul specific (3v3).

– TX transmite datele și se conectează la Arduino pe pinul analog RX

– RX primește datele și se conectează la Arduino pe pinul analog TX

3.2.6 Afisaj

Fig. 3.20 – Afișaj Adafruit

Specificații:

Ecranul de 2,2" are o rezoluție de 320×240, spre deosebire de ecranul LCD" Nokia 6110 ", care este de tip CSTN și are o culoare redusă și o reîmprospătare lentă, acest afișaj este un TFT foarte performant. Driverul TFT (ILI9340 sau compatibil) pot afișa o culoare completă de 18 biți (262144 de nuanțe). Este produs de Adafruit. [26]

Acest afișaj se conectează în modul următor:

– GND (Împământarea) care se conectează la Arduino pe pinul specific (GND).

– VCC Alimentarea care se conectează la Arduino pe pinul specific (3v3).

– D/C se conectează la Arduino pe pinul digital D9

– CS se conectează la Arduino pe pinul digital D10

– MOSI se conectează la Arduino pe pinul digital D11

– SCK se conectează la Arduino pe pinul digital D13

3.2.7 App Inventor

MIT App Inventor este un mediu de programare intuitiv, care permite tuturor să construiască aplicații pe deplin funcționale pentru smartphone-uri și tablete. Este un mediu bazat pe blocuri de comandă care facilitează crearea unor aplicații complexe, cu impact ridicat, într-un timp mult mai mic decât mediile tradiționale de programare.

Am ales să folosesc acest mediu pentru a realiza conexiunea între dispozitiv și smartphone-ul care citește informațiile furnizate.

Fig. 3.21 – Logo AppInventor

Rezultate

4.1 Proiectarea dispozitivului

Pentru început, pentru acest dispozitiv am nevoie de o sursă de energie, așadar acesta va fi alimentat de o baterie LiPo de 3.7V 800mAh, pentru a-i oferi o autonomie de aproximativ 48 ore. Pentru a ușura modalitatea de încarcare a dispozitivului, conexiunea între Arduino și baterie se va face printr-un modul de încarcare Sparkfun. Acesta permite dispozitivul să rămână operațional cât timp bateria se încarcă. Toate schemele prezentate în acest capitol au fost realizate prin intermediul softului ”Fritzing”.[27]

Fig. 4.1 – Mod conectare Arduino, modul de încărcare și baterie

În continuare, am realizat conexiunea senzorului de puls cu microcontrolerul. Aceasta a fost realizată conectând firul de alimentare al senzorului la 3.3V pe placuța Arduino, firul de împământare la masă (GND) și firul ce transmite datele legate de pulsul utilizatorul pe pinul analog ”A0”.

Fig. 4.2 – Mod conectare Arduino, modul de încărcare, baterie și senzor de puls

Următorul pas constă în realizarea conexiunii senzorului de presiune și temperatură cu Arduino.

Aceasta este realizată prin următoarele etape:

-GND (Împământarea) care se conectează la Arduino pe pinul specific (GND).

-VCC Alimentarea care se conectează la Arduino pe pinul specific (3v3).

-SDA transmite datele și se conectează la Arduino pe pinul analog A4

-SCL sincronizează transferul de date, se conectează la Arduino pe pinul analog A5.

Fig. 4.3 – Mod conectare Arduino, modul de încărcare, baterie, senzor de puls și senzor de presiune/temperatură

Se atașează modului Bluetooth, conectând la fel cum am procedat anterior pinii de VCC și GND cu pinii 3v3 respectiv GND, pinul RX al modului Bluetooth cu pinul TX al microcontrolerului și pinul TX cu RX-ul de pe placuța programabilă.

î

Fig. 4.4 – Mod conectare Arduino, modul de încărcare, baterie, senzor de puls, senzor de presiune/temperatură și Bluetooth

La final, se atașează un ecran de rezoluție 320×240, acesta afișând datele înregistrate de senzori pentru a putea fi observate de pacient. Pentru a realiza conexiunea, am urmati acești pași:

– GND (Împământarea) care se conectează la Arduino pe pinul specific (GND).

– VCC Alimentarea care se conectează la Arduino pe pinul specific (3v3).

– D/C se conectează la Arduino pe pinul digital D9

– CS se conectează la Arduino pe pinul digital D10

– MOSI se conectează la Arduino pe pinul digital D11

– SCK se conectează la Arduino pe pinul digital D13

Fig. 4.5 – Mod conectare Arduino, modul de încărcare, baterie, senzor de puls, senzor de presiune/temperatură, Bluetooth și afișaj

4.2 Ansamblarea dispozitivului

În primă fază le-am conectat pe un breadbord și le-am testat funcționalitatea:

Fig. 4.6 – Testare dispozitiv pe breadboard

După ce testarea a funcționat, am trecut la următoarea etapă, mai exact folosirea letconului pentru a creea conexiunile între senzori si Arduino Nano.

Fig. 4.7 – Varianta BETA

Fig. 4.8 – Varianta 1.0

În final, am ansamblat dispozitivul, și i-am atașat o brățară

Fig. 4.9 – Model final

4.3 Modelare 3D

Pentru a obține un rezultat cât se poate de bun, am decis să utilizez un soft de modelare 3D, pentru a creea o carcasă potrivită pentru dispozitiv, luând în calcul dimensiunea componentelor și necesitatea unei accesibilitatăți ușoare în interiorul dispozitivului.

Proiectarea 3D a carcasei a fost făcută în Autodesk Fusion 360. Acesta este un soft de modelare 3D intuitiv, ce îi permite utilizatorului să proiecteze orice fel de obiect în spațiu. [28]

Pentru a mă asigura că nu irosesc prea mult spațiu, am introdus componentele dispozitivului în soft și am încercat să găsesc cel mai optim mod de aranjare pentru a reuși să reduc dimensiunile carcasei cât de mult posibil.

Fig. 4.10 – Versiune carcasă

Până să ajung la un model final, am creat mai multe versiuni ale carcasei, schimbând dimensiunile în funcție de diferiți parametrii pe care inițial nu i-am luat în considerare (ex. grosimea firelor cu care am realizat conexiunile, accesul la port-ul de comunicare al microcontrolerului, etc.)

Fig. 4.11 – Versiuni intermediare

După mai multe încercări și teste, am reușit să ajung la un model ce permite funcționarea la capacitate maximă a tuturor componentelor dispozitivului.

Fig. 4.12 – Versiune inițială

Fig. 4.13 – Versiune finală

4.4 Imprimare 3D

Toate componentele fizice, au fost introduse într-o carcasă printată la o imprimantă 3D.

Printarea 3D este cunoscută și sub alte denumiri, mai mult sau mai puțin similare, precum fabricație aditivă AM (additive manufacturing), fabricare rapidă RM (rapid manufacturing) sau prototipare rapida RP (rapid prototyping).

Tehnologia de prototipare rapidă FDM (Fused Deposition Modeling), în traducere Modelare prin Extrudare Termoplastică (depunere de material topit) este cea mai utilizată tehnologie de fabricare aditivată datorită simplității și a accesibilității acesteia. Este utilizată în modelare, prototipare dar și in aplicații de producție. Alte denumiri utilizate sunt: MEM (Melting Extrusion Modeling), extrudare termoplastică TPE (Thermoplastic Extrusion), FFF (Fused Filament Fabrication).

Cu ajutorul unei aplicații software dedicate, modelul 3D dorit este feliat inițial în secțiuni transversale numite straturi (layere). Tehnologia de printare constă în trecerea unui filament din material plastic printr-un extrudor ce îl încalzește până la punctul de topire, aplicandu-l apoi uniform (prin extrudare) strat peste strat, cu mare acuratete pentru a printa fizic modelul 3D conform fișierului CAD.

Capul (extrudorul) este încalzit pentru a topi filamentul plastic, deplasându-se atât pe orizontală cât și pe verticală sub coordonarea unui mecanism de comandă numerică, controlat direct de aplicația CAM a imprimantei. În deplasare, capul depune un șir subțire de plastic extrudat care la răcire se întarește imediat, lipindu-se de stratul precedent pentru a forma modelul 3D dorit.

Pentru a preveni deformarea pieselor cauzată de racirea bruscă a plasticului, unele modele profesionale de printere 3D includ o cameră închisă de construcție, încalzită la temperatură ridicată. Pentru geometrii complexe sau modele în consolă, tehnologia FDM necesită printarea cu material suport care va trebui ulterior îndepartat manual.

Acuratețea părților printate este medie, finisarea suprafețelor printate este medie spre slabă, iar viteza de printare este scazută.

Materiale utilizate: ABS (acrylonitrile butadiene styrene), PLA (polylactic acid), PVA (solubil), PC (policarbonat), polietilena HDPE, polipropilena, elastomer, polyphenylsulfone (PPSU) si ultem Polyphenylsulfone (PPSF), poliamida, ceară de turnare.[29]

Fig. 4.14 – Tipuri de filament

Imprimanta pe care am folosit-o este “Wanhao Duplicator 3D”, ce a fost pusă la dispoziție de departamentul MAECTS pentru imprimarea pieselor.[30]

Fig. 4.15 – Imprimanta WANHAO Duplicator i3

4.5 Dezvoltarea Aplicatiei în IDE Arduino

Pentru a înregistra datele furnizate de senzori, și pentru a le afișa pe display-ul aparatului, respectiv pe telefonul mobil prin comunicarea Bluetooth. Pentru a funcționa citirea valorilor prin Bluetooth, este necesar să afișez datele înregistrate și în "Serial monitor". Pentru asta, au fost scrise următoarele linii de cod:

Înregistrare și afișare în serial monitor puls:

float myBPM = pulseSensor.getBeatsPerMinute();

if (pulseSensor.sawStartOfBeat()) {

Serial.print((float)myBPM, 0);

}

Înregistrare și afișare în serial monitor presiune și temperatură:

float pressure = myPressure.readPressure();

float temperature = myPressure.readTemp();

Serial.print((float)pressure, 0);

Serial.print((float)temperature, 1);

Afișare date pe ecran:

tft.fillScreen(ILI9341_BLACK);

tft.setRotation(1);

tft.setTextColor(ILI9341_RED); tft.setTextSize(3);

tft.setCursor(80 , 20);

tft.println("BPM: ");

tft.setCursor(80 , 50);

tft.println(pulseSensor.getBeatsPerMinute());

tft.setTextColor(ILI9341_YELLOW); tft.setTextSize(3);

tft.setCursor(80 , 90);

tft.println("Presiune: ");

tft.setCursor(80 , 120);

tft.println(myPressure.readPressure(),0);

tft.setCursor(180 , 120);

tft.print(" Pa");

tft.setTextColor(ILI9341_BLUE); tft.setTextSize(3);

tft.setCursor(80 , 160);

tft.println("Temp: ");

tft.setCursor(80 , 190);

tft.println(myPressure.readTemp(),1);

tft.setCursor(140 , 190);

tft.print(" C");

Inițializare comunicare Bluetooth:

BTserial.begin(9600);

4.6 App Inventor

In paginile ce urmează, voi arăta, pas cu pas, cum am realizat aplicația.

Am accesat site-ul gold.appybuilder.com [31]

Fig. 4.16 – Meniu principal Appybuilder

Se apasă butonul ”Start new project”, aleg numele aplicației și dupa se deschide mediul de programare. Acest mediu este împărțit în două zone:

Zona ”Designer”, acolo unde se lucrează exclusiv pentru partea grafică a aplicației. Este locul unde poziționez toate butoanele, meniurile și orice alt aspect pe care utilizatorul îl poate accesa și îl vede.

Fig. 4.17 – Ecran zonă ”Designer”

A doua zonă este numită ”Blocks”, iar aici se face ”codarea” în sine, prin intermediul unor blocuri logice, acestea fiind intuitive și mai ușor de utilizat decât codarea clasică, prin intermediul liniilor de cod.

Fig. 4.18 – Ecran zonă ”Blocks”

Revenind la zona ”Designer”, am accesat din meniul prezent în partea stângă secțiunea ”Layout”, și am selectat ”HorrizontalArrangement” pentru a creea bara principală, unde este indicat textul care arată în ce zonă a aplicației se află utilizatorul.

Fig. 4.19 – Capturi ecran pentru indicarea pașilor urmați

Pentru a adăuga textul dorit, din ”User interface” am selectat ”Label” și am introdus texul dorit, iar în final pentru a modifica dimensiunea textului, fontul, culoarea, modul de aliniere pe ecran am utilizat meniul ”Properties”. Setările pentru orice tip de text prezent în aplicație au fost realizate exact în același mod pe care l-am descris anterior.

Fig. 4.20 – 1. Meniul pentru ”Label” ; 2. Meniul ”Properties” ; 3.Indicare text

Acestea există acum, dar pentru a putea fi accesibile și a naviga de la una la alta, în zona ”Blocks” va trebui să creez anumite blocuri.

Fig. 4.21 – Instrucțiuni necesare pentru a inițializa lista și butoanele existente în aplicație

Pentru a face posibilă trecerea dintr-o zonă în alta a aplicației, se execută următoarele blocuri:

Fig. 4.22 – Instrucțiuni pentru a schimba meniurile

De asemenea, prin intermediul modului Bluetooth am realizat conexiunea intre dispozitiv și telefon, acesta fiind capabil să afișeze datele înregistrate de senzori. Sunt captate toate datele înregistrate în Serialul din Arduino și sunt transmise pe afișajul telefonului. Pentru a face posibilă conexiunea și afișarea, au fost folosite următoarele blocuri:

Fig. 4.23 – Conexiune și afișare date prin Bluetooth

4.7 Interfața software

Prin intermediul mediului de progrmare App Inventor am creeat o aplicație care primește datele de la dispozitivul pentru pacient, și le afișează pe un smartphone.

Aplicația este divizată in 4 zone principale:

Prima zonă ( ecranul principal ). Aici se poate observa cu ușurință orice informație despre pacient în timp real, fără a fi necesar să se acceseze un alt meniu separat.

Fig. 4.24 – Ecran principal

În următoarele zone, va fi prezentat în detaliu fiecare parametru măsurat.

A doua zonă este dedicată pulsului pacientului, acesta fiind afișat separat. Există posibilitatea afișării si evoluției acestuia în ultimele 24 ore accesând butonul ”Grafic 24h”.

Fig. 4.25 – Ecran afișare puls

A treia zonă este utilizată pentru a afișa datele despre temperatura corporală a pacientului în timp real, existând și posibilitatea de a observa evoluția acesteia în ultimele 24 ore apăsând butonul ”Grafic 24h”.

Fig. 4.26 – Ecran afișare temperatură

A patra, și ultima zonă, este folosită pentru a arăta datele înregistrate de senzorul de presiune, pentru a determina dacă pacientul a suferit o criză. La fel ca și la parametrii anteriori, există posiblitatea să se afișeze datele înregistrate în ultimele 24 ore accesând butonul ”Grafic 24h”.

Fig. 4.27 – Ecran afișare presiune atmosferică

Concluzii

Cunoscându-se noțiunile introductive din capitolul doi și anume modul în care "funcționează" inima și creierul și modul în care reacționează la boala numită "Alzheimer" am construit și modelat un sistem de monitorizare al parametrilor vitali. Acesta are scopul de a ușura viața de zi cu zi a persoanelor responsabile cu îngrijirea bolnavilor, ei beneficiind de o aplicație conectată în permanență cu persoana bolnavă și reușind să îi monitorizeze de la distanță semnele vitale.

Utilizând drept materiale de bază pentru construcția acestui ceas senzori de presiune, temperatură și puls, o plăcuță arduino pe care s-a montat întregul ansamblu, ecranul pentru afișaj și o carcasă printată cu ajutorul unei imprimante 3D, s-a obținut un dispozitiv pe care persoanele bolnave îl pot purta în permanență și care transmite rezultatele citite de senzori catre persoana responsabilă cu îngrijirea acestuia.

Modul de funcționare al întregului ansamblu este următorul: senzorul de temperatură citește temperatura mediului ambiant, astfel asigurându-se faptul că utilizatorul se află într-un mediu favorabil, senzorul de presiune permite verificarea stării acestuia, dacă utilizatorul își pierde conștiința și leșină presiunea va crește cu aproximativ 10-15 unități, iar senzorul de puls monitorizeză bătăile inimii utilizatorului, în cazul unei crize ritmul bătăilor inimii accentuăndu-se. Toate aceste componente sunt montate pe un arduino, ansamblul având și un buton de on/off.

Deci, considerând toate datele prezentate mai sus se poate afirma că ansamblul construit constituie un mod eficient de monitorizare a persoanelor bolnave de Alzheimer și de comunicare a stării acestuia către persoanele responsabile cu îngrijirea lor.

Luând în calcul, o perspectivă de viitor, ansamblul actual poate fi îmbunătățit prin mai multe metode. De exemplu, se poate utiliza un senzor de presiune mult mai sensibil, pentru a detecta eventualele modificări ale valorilor în cazul în care pacientul își pierde echilibrul. Comunicarea se poate realiza prin intermediul unui modul GSM, înlăturând dependența de modulul Bluetooth. Se pot micșora dimensiunile ansamblului, prin fabricarea unui PCB cu toate circuitele imprimate, fără a mai fi nevoie să se facă lipituri de mână, sau să se utilizeze fire care ocupă foarte mult spațiu.

În concluzie, ansamblul pentru monitorizarea sănătății, este un dispozitiv cu aplicații practice în momentul actual, existând posibiltatea înfiintării unei noi ramuri de piață în acest domeniu.

Cu această lucrare, am obținut la Sesiunea de Comunicări Științifice Studențești din mai 2018, "Premiul Special".

Bibliografie

[1] A. S. Dean Sherzai, "The Alzheimer's Solution: A Breakthrough Program to Prevent and Reverse the Symptoms of Cognitive Decline at Every Age," 2017.

[2] G. A. Stefania Pelmus, Simona Popescu, Marilena Croitoru "Anatomie si fiziologie umana, Genetica si Ecologie umana," 2011.

[3] "http://www.cardioclinic.ro/despre-inima/."

[4] K. L. Moore, "Anatomie clinica. Fundamente si aplicatii – Editia a VI-a," 2012.

[5] C. P. I. C. Voiculescu, Maria Șoigan, Elena Năsăudeanu, Olga Braga, Aurelia Radu, "Biologie, anatomie și fiziologie comparată," 1972.

[6] T. McCracken, "Nou atlas de anatomie umana " 2005.

[7] M. Morega, "Bioelectromagnetism," 2012.

[8] "C. RAVARIU, Elena Manea, Alina Popescu, Cecilia Podaru, Catalin Parvulescu, "Micro-Technological Steps During the Fabrication of an AcHE Biosensor Designated to the Environment Monitoring," UPB, vol. 3, 2015."

[9] D. E. Braunwald, "Heart Disease – Tratat de boli cardiovasculare," 2000.

[10] https://www.ijntr.org/download_data/IJNTR02040066.pdf.

[11] "https://www.alzstore.com/motion-detector-with-remote-p/0093.html."

[12] "https://www.alzstore.com/gps-smart-sole-p/2026.html."

[13] "https://www.itraq.com/?rfsn=608860.34035&gclid=EAIaIQobChMIwLyC8saS2gIVQiQrCh2siAz1EAAYASAAEgJimPD_BwE."

[14] Trax Play. Available: https://traxfamily.com/#

[15] "http://www.mindme.care/about.html.."

[16] "http://www.futureelectronics.com/en/microcontrollers/microcontrollers.aspx."

[17] S. Zoican, "Microprocesoare și microcontrolere," vol. Ed. Politehnica Press, 2011.

[18] T. Anghel, "Programarea plăcii Arduino," 2017.

[19] M. Banzi, "Getting Started with Arduino: The Open Source Electronics Prototyping Platform," 2014.

[20] https://www.robofun.ro/Acumulator-LiPo-3.7v-800mAh.

[21] http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/Acumulatori-Litiuion-polimer-L84.php.

[22] https://www.sparkfun.com/products/12711.

[23] "https://www.dfrobot.com/product-1540.html."

[24] https://www.sparkfun.com/products/11084.

[25] https://www.bluetooth.com/bluetooth-technology.

[26] https://www.adafruit.com/product/1480.

[27] http://fritzing.org/home/.

[28] https://www.autodesk.com/products/fusion-360/students-teachers-educators.

[29] O. Mihalcea. (2013). https://www.zspotmedia.ro/blog/printare-3d/.

[30] http://www.wanhao3dprinter.com/Unboxin/ShowArticle.asp?ArticleID=70.

[31] http://appybuilder.com/.