Bağırsak Seslerinin Otomatik Tespiti İçin Biyoakustik Sensör Sistemi
Transkript
Bağırsak Seslerinin Otomatik Tespiti İçin Biyoakustik Sensör Sistemi
15-18 Ekim 2015 Vogue Hotel Bodrum, Muğla Biyomedikal Ölçüm 1 2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma Bağrsak Seslerinin Otomatik Tespiti İçin Biyoakustik Sensör Sistemi Bioacoustic Sensor System for Automatic Detection of Bowel Sounds Ahmet Sefa Öztaş 1, Erdinç Türk 1, Ümit Deniz Uluşar 2, Murat Canpolat 3, Muhittin Yaprak 4, Seyfettin Kazanr 3, Güner Öğünç 4, Volkan Doğru4, Orhan Can Canagir 5 1 Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü 2 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü 3 Biyofizik Anabilim Dal 4 Genel Cerrahi Anabilim Dal 5 Makine Mühendisliği Bölümü Akdeniz Üniversitesi umitulusar@akdeniz.edu.tr can extract spectral properties of the signal and present the results in real time. Özetçe Bu çalşma abdominal ameliyat geçirmiş hastalarda bağrsak aktivitesinin başladğnn gerçek zamanl tespitini ve bağrsak ses analizini yapmak amacyla hazrladğmz biyoakustik sensör sistemi anlatlmaktadr. Literatürde bulunan benzer sistemlerden farkl olarak biyoakustik sensör tasarmnda iki adet birbirine ters konumlanmş kapasitif mikrofon kullanld. Bu sayede vücut yüzeyinden alnan bağrsak seslerinin gürültüden arndrlmas hedeflendi. Bağrsak sesleri genellikle 100 Hz ile 1500 Hz arasnda olup 0-20mV genliğindedir. İşlemsel yükselteç devresinin ilk kanal ile bağrsak sesleri 48 kat kazanç sağlanarak 0-1 V seviyesine yükseltildi. İkinci kanalnda kullanlan mikrofon ile bağrsak seslerine karşabilecek çevresel gürültüler (klinik oda gürültüsü) sisteme dahil edildi. Her iki mikrofondan elde edilen sinyaller daha sonra ADC (NI DAQ Data Acquisition USB 6009) ile saysallaştrlarak dijital ortama aktarm sağland. Dijital ortama aktarlan bu verilerden sinyalin zamansal ve spektral özellikleri çkartld. Geliştirilen yazlmla sonuçlarn gerçek zamanl gözlemlenmesi sağland. Keywords — bioacoustic sensor; bowel sounds; operational amplifier; electronic stethoscope. 1. Giriş Abdominal cerrahi sonrasnda ameliyatn yaratmş olduğu travma ve kullanlan anestezi nedeniyle bağrsak aktivitesinde yavaşlama, durma ve komplikasyonlar oluşabilmektedir [1]. Klinik ortamlarda hastalarn durumundaki değişiklikler düzenli kontrollerde bir stetoskop yardmyla bağrsak sesleri dinlenerek takip edilmektedir. Fakat hastanedeki iş yoğunluğu ve snrl sayda uzman personelin bulunmas sebebiyle klinisyenlerin hastalar sk sk muayene etmesi nadiren mümkün olmaktadr. Bağrsak aktivitesinin sürekli takip edilmesiyle hastada oluşabilecek anastomoz kaçağ, pankreas iltihab gibi çeşitli komplikasyonlarn erken tespiti mümkün olmaktadr [2]. Bunun yannda bağrsak aktivesinin tekrar başladğnn tespit edilmesi hastalarn erken beslenmesine olanak sağlamaktadr. Erken beslemenin çeşitli faydalar bulunmaktadr. Bunlardan bazlar hastalarn iyileşme sürecinin hzlanmas, hastanede kalma süresinin ksalmas ve ekonomik katk sağlamasdr [3]. Anahtar Kelimeler — biyoakustik sensör; bağrsak sesleri; işlemsel yükselteç; elektronik stetoskop. Abstract Oskültasyon kaytlarndaki bağrsak seslerinin otomatik tespiti için çeşitli çalşmalar bulunmaktadr. Bu çalşmalardan Ulusar [4] çalşmasnda bağrsak seslerinin snflandrlmas için Naive Bayes algoritmasn, gürültü tespiti içinse Minimum İstatistik ve spektral özellik çkarma yöntemlerini kullanmştr. Hadjileontiadis vd. [5] fraktal boyut tabanl ses kaytlarnn karmaşklğn değerlendiren bir metot önermiştir. Yöntemde aktivite bölgelerini tespit etmek için sabit eşik değeri kullanmaktadr. Rekanos vd. [6] yüksek düzey istatistik kullanmay önermiştir. Fakat bu teknik snrl sayda hastada test edilmiştir ve çevresel etkenlere karş hassastr. This study presents a bioacoustic sensor system developed for early detection of the recovery of bowel activity after abdominal surgery and to perform analysis on bowel sounds. Different than other studies, in order to be able to attenuate noise, two capacitive microphones oriented in opposite directions are used. Bowel sounds are typically observed at a frequency between 100 Hz and 1500 Hz and amplitude between 0 and 20mV. The signal strength is boosted 48 times with an amplifying circuit. The second microphone is used to observe environmental noise such as examination room noise. Both signals are digitized using an ADC (NI DAQ Data Acquisition USB 6009). Finally, we developed a software that Bağrsak seslerinin otomatik tespiti için geliştirilmiş yöntemler, gerçek zamanl olarak bağrsak seslerini 978-1-4673-7765-2/15/$31.00 ©2015 IEEE 205 15-18 Ekim 2015 Vogue Hotel Bodrum, Muğla Biyomedikal Ölçüm 1 2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma kaydedebilecek ve verilerin işleneeceği bilgisayara gönderebilecek bir biyoakustik sennsör sisteminden faydalanmaktadr. Sensör geliştirme koonusunda yaplan çalşmalardan, Luo [7] çalşmasnda kalp sesini, dolaşm ve solunum sesinden ayran Bluetooth ile habeerleşen biyoakustik sensör sisteminin bir prototipini üretmiştirr. Johnson vd. [8] çalşmasnda, düşük güç tüketen dijital sinnyal işleme tabanl bir biyoakustik sensör sistemi geliştirmiştiir. Bu sistem aşr örnekleme ve filtre bankas kullanaraak sinyal işleme yapmaktadr. Belloni vd. [9] ise çalşm masnda kalp sesi sinyallerini elde etmek ve analizini yapm mak için sinyalleri uyumlandrma algoritmas kullanarak bir ellektronik stetoskop tasarm geliştirmiştir. ksa süreli kaslmalarn sonucundda oluşur ve ani bir ses yaratr. Çok patlama sesi bir grup tekli patlama p sesinin ard ardna hiç aralk vermeden veya küçük bir b boşluk vererek bir araya gelmesiyle oluşur. Sessiz zam manlar (Quite Periods (QP)) hiçbir aktivitenin ve gürültüünün olmadğ zamanlarda gözlemlenir. Dimoulas vd. çalşmalarnda göğüs bölgesinden a yaplabilmesi için gelen bütün seslerin örüntü analizinin hiyerarşik bir ses snflandrrma taksonomisi önermiştir (Abdominal Sounds Fine Classsification (ASFC)) [12]. Bu snflandrma yöntemi sesten elde edilen aktivite süresi, spektral merkez noktas ve spekktral bant genişliği gibi çeşitli parametreleri kullanarak sesi, beş adet gürültü snfna g snf şunlardr; ayrmaktadr. Belirtilen beş adet gürültü Bu çalşmada, geliştirdiğimiz, 100-1500 Hzz frekans aralğnda olan bağrsak seslerinin otomatik tespitini yapan biyoakustik sensör sistemi anlatlmaktadr. • • • 2. Metodoloji • • Tasarmda vücut yüzeyinden ses alnm mas için iki adet birbirine ters yönde yerleştirilmiş mikroofonlar kullanld. Mikrofonlarn bir tanesi biyoakustik senssör sisteminin dş yüzeyine, diğeri ise stetoskop tarafna moonte edildi. Alnan sesler işlemsel yükselteç ile yükseltilip filttrelendi. İki kanall bu yükselteçte ilk kanal ile bağrsak seslerinnin, ikinci kanal ile çevreden kaynakl gürültülerin tespiti hedeeflendi. Bu sayede bağrsak seslerine karşabilecek çevreden kaaynakl gürültülerin (ortamdan ve hastadan kaynaklanan gürültüler) g tespiti sağland. İki kanaldan alnmş yükseltilenn sesler, bağrsak seslerini otomatik olarak tespit edecek algorritmann bulunduğu bilgisayara kablolu olarak gönderildi. Gelen seslerin gerçek f ve çeşitli zamanl görüntülenmesine, sinyal üstünde filtreleme analizlerin yaplmasna imkan sağlayan bir yazlm y geliştirildi. Eklenen Geniş-Bant Gürüültüsü (Additive Broadband Noise (ABN)), Solunum Gürültüsü (Respiraatory Related Noise (RRN)), Hareket ve Sürtünme Gürülltüsü (Movement and Friction Noise (SN)), mination Room Noises (AN)), Klinik Oda Gürültüsü (Exam Kalp Atş Gürültüsü (Heartt-Beat Related Noise (IHS)). N ve AN seslerini ayrt etmede Kullanlan ikinci mikrofon ABN etkin olarak kullanlmaktadr. Vüücuttan gelen RRN, IHS gibi seslerin tespitinde tek kanall sinyal işleme teknikleri (filtreleme, snflandrma, spektraal özellikler) kullanlmaktadr [4]. 2.2. Donanmsal Özellikler 2.2.1. Sensör Çalşmamzda çeşitli mikrofon seçenekleri değerlendirildi. Bunlardan kapasitif mikrofonnlar genel olarak diğer mikrofonlarn aksine yüksek hassasiyet h ve düşük gürültü taban içerdikleri için çalşmamzzda tercih edildi.[13] 2.2.2. İşlemsel yükselteç devre tasarm Biyoakustik sensör sistemi için seçilen kapasitif mikrofonlar ile elde edilen bağrsak motilitte seslerinin genliği 0-20mV arasndadr. Sensör ile elde edilen bu genlikteki seslerin saysallaştrlmas için sinyaller işlemsel i yükselteçler ile 0-1V seviyesine yükseltildi. İşlemseel yükselteç için kullanlan kazanç hesab Denklem 1’ de bellirtilmektedir. m srasndaki Şekil 1: Biyoakustik sensörün ölçüm pozisyonu Şekil 1 biyoakustik sensörün vücut üzzerinde örnek bir yerleşimini göstermektedir. Ölçüm srasndda hasta hareketleri sonucunda ortaya çkabilecek sürtünme sessini engellemek ve hastann üstünde sensörün sabit kalmasn sağlamak s amacyla özel çift taşycl elastik dokumasz nem geçiren ve mayan medikal bir kullanldğnda hastada cilt tahrişi oluşturm bant hazrland. 2.1. Bağrsak Sesinin Özellikleri Bağrsak aktivitesi sonucunda oluşan ses; durağan olmayan, ksa süreli, çoğunlukla kalp sesi, harekeet, nefes alma ve çevresel gürültülerle karşmş bir şekilde gözlemlenir [10]. 0 ile 0,1 saniye Tek bir bağrsak sesinin süresi genellikle 0,02 aralğnda gerçekleşir. Bağrsak aktivitesiinin yoğunluğuyla aktivite sonucunda oluşan ses doğru orrantl bir şekilde gözlemlenir. Bağrsak sesleri genellikle iki çeşit aktivite grubuna ayrlmaktadr; tek patlama (Single Burst (SB)) ve çok patlama sesi (Multiple Burst (MB)) [10][11]]. Tek patlama sesi Şekil 2: 2 kanall işlemsel yükselteç devre şemas. Devre besleme gerilimi 122 volt olup 100uF bir kondansatör ile filtrelenmekktedir. Kaliteli filtreleme için devre üstünde tantal konddansatörler kullanld. R3, R4, R7, R8 dirençleri ile herr iki kanal için de kazanç değeri 48 olarak ayarland (D Denklem 1). 206 15-18 Ekim 2015 Vogue Hotel Bodrum, Muğla Biyomedikal Ölçüm 1 ܩሺ݊ܽݖܽܭሻ ൌ 2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma ܴଷ ͳ ൌ Ͷͺ ܴସ (1) Biyoakustik sensör sistemi tasarmnda 2 kanall işlemsel yükselteç olarak TL072 (Texas Instrum ments, TX, USA) entegresi kullanld. Yükselteç devrenin illk kanal ile vücut yüzeyinden alnan bağrsak seslerinin yüksseltilmesi ve diğer kanal ile bağrsak sesine karşabilecek çeevresel gürültülerin elde edilmesi hedeflenmektedir. 1kHz’dde Vn=18nV/√Hz seviyesinde düşük gürültülü TL072 işlemssel yükselteç 12 V besleme gerilimine sahiptir ve ~2,6 mA akm a çekmektedir. Şekil-2 tasarlanan elektronik devre şemasn göstermektedir. 2.2.3. Veri iletimi ve saysallaştrma Şekil 5: 3d tasarrm yan kesit. İşlemsel yükselteç ile yükseltilen ses sinyallleri DAQ (NI-USB 6009) kullanlarak 8192 Hz ile örneklendi. Elde edilen veriler saysallaştrlarak kablolu olarak iletildi. (Şeekil 3) Şekil 5 biyoakustik sensör için tasarlanan mekanik tasarmn yan kesitini göstermektedir. Stetoskop çan bölgesi hasta derisine özel tasarm bant ile yaapştrlmaktadr. Bu düzenek ile bant diyafram etkisi göstermekte ve stetoskop çan ise sesin s İlk mikrofon akustik olarak yükselmesini sağlamaktadr. stetoskoptan gelen bağrsak seeslerinin elde edilmesi için stetoskop çannn içine yerleştirilldi. İkinci mikrofon ise birinci mikrofona zt yönde ve çevreseel gürültüleri elde edebilecek şekilde kutunun dş yüzeyine yerrleştirildi. Pil ve PCB kutunun iç ksmna yerleştirildi. İşlemssel yükselteç ile yükseltilen sesler kablolu olarak DAQ’ a akttarlacağ için kutuda PCB’nin yerleştirildiği seviyede kablonunn çkş yapabileceği bir boşluk oluşturuldu. Şekil 3: Biyoakustik sensör sistem mi ve DAQ 2.2.4. Mekanik Tasarm Mevcut stetoskoplar üzerine mikrofonuun ve elektronik devrenin entegrasyonu pratik bir çözüm olm madğ için yeni bir dş tasarma ihtiyaç duyuldu. Bu tasaarm 3 bölümden oluşmaktadr; alçak perdeden sesleri yükkseltmeye yarayan ksm (stetoskop çan), elektronik devre kart k (PCB Printed Circuit Board) yuvas, pil yuvas. (Şekil 4, Şekil Ş 5) Şekil 6: Tek Patlama BS. Elde E edilen sinyal 14 bit hassasiyetinde 8192 Hz örnekleme oran ile worth tipi 100 Hz yüksek örneklendi. 2. Derece Butterw geçiren, 1000 Hz alçak geçirren ve 50 Hz Notch filtre kullanld. Şekil 4: Stetoskop çan ve 3d taasarm. 207 15-18 Ekim 2015 Vogue Hotel Bodrum, Muğla Biyomedikal Ölçüm 1 2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma 3. Bulgular [7] Şekil 6 biyoakustik sensör sistemi ile elde edilen örnek bir ses sinyalini ve ilgili frekans spektrumunu göstermektedir. Tek patlama sinyalinin sinyal enerjisi net bir şekilde 100-500 Hz aralğnda gözlemlenmektedir. Çevresel gürültüden ede edilen sinyallerde sinyalin enerjisi geniş bir aralkta bulunmakta ve filtre snrlarna yaklaştkça gücünü kaybetmektedir. Ayrca tek patlama sesi gibi bağrsaktan gelen sesler genelde sessiz bir periyodun sonucunda aniden oluşan sesler şeklinde gözlemlenmektedir. İkinci mikrofondan elde edilen sinyal üstünde bağrsaktan gelen seslerin izi gözlemlenmemektedir. [8] [9] [10] 4. Sonuçlar Bu çalşmada, bağrsak aktivitesinin takibi için geliştirdiğimiz biyoakustik sensör anlatld. Oluşturulan sistem ile çevresel gürültünün alglanmas ve sürekli gözlem yaplmas mümkün olmaktadr. Çalşma kapsamnda, donanma uygun bir yazlmla elde edilen sinyaller görselleştirildi ve çeşitli analizlerin yaplabilmesine uygun hale getirildi. [11] İlerleyen çalşmalarda, klinik ortamda kullanlmas hedeflenen biyoakustik sensör sisteminin hasta ve klinisyen için daha rahat kullanma sahip olmas hedeflenecektir. Bu kapsamda ilk olarak dş sistem boyutlarnn daha küçük olmas ve veri aktarm için kablosuz bir teknoloji kullanlmas düşünülmektedir. Bu amaç doğrultusunda elektronik devre kartnn boyutlarnn küçültülmesi için çalşmalar yürütmekteyiz. Ayrca sistemde daha yüksek kapasiteli ve daha küçük boyutlu pil kullanlabilir. Klinik ortamda kablolu sistem kullanm rahatsz koşullara sebep olabilmektedir. Bu sebeple kablosuz veri aktarm bir sonraki adm olarak düşünülmektedir. 5. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [12] [13] Kaynakça S. J. Lewis, M. Egger, P. A. Sylvester, ve S. Thomas, “Early enteral feeding versus ‘nil by mouth’ after gastrointestinal surgery: systematic review and metaanalysis of controlled trials”, BMJ, c. 323, say 7316, s. 773, Eki. 2001. A. C. J. Windsor, S. Kanwar, A. G. K. Li, E. Barnes, J. A. Guthrie, J. I. Spark, F. Welsh, P. J. Guillou, ve J. V. Reynolds, “Compared with parenteral nutrition, enteral feeding attenuates the acute phase response and improves disease severity in acute pancreatitis”, Gut, c. 42, say 3, ss. 431–435, Mar. 1998. D. Schroeder, L. Gillanders, K. Mahr, ve G. L. Hill, “Effects of Immediate Postoperative Enteral Nutrition on Body Composition, Muscle Function, and Wound Healing”, J. Parenter. Enter. Nutr., c. 15, say 4, ss. 376–383, Tem. 1991. U. D. Ulusar, “Recovery of gastrointestinal tract motility detection using Naive Bayesian and minimum statistics”, Comput. Biol. Med., c. 51, ss. 223–228, Ağu. 2014. L. J. Hadjileontiadis ve I. T. Rekanos, “Detection of explosive lung and bowel sounds by means of fractal dimension”, Signal Process. Lett. IEEE, c. 10, say 10, ss. 311–314, Eki. 2003. I. T. Rekanos ve L. J. Hadjileontiadis, “An iterative kurtosis-based technique for the detection of nonstationary bioacoustic signals”, Signal Process., c. 86, say 12, ss. 3787–3795, Ara. 2006. 208 Y. Luo, “Portable Bluetooth Visual Electrical Stethoscope research”, içinde 11th IEEE International Conference on Communication Technology, 2008. ICCT 2008, 2008, ss. 634–636. J. Johnson, D. Hermann, M. Witter, E. Cornu, R. Brennan, ve A. Dufaux, “An Ultra-Low Power Subband-Based Electronic Stethoscope”, içinde 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2006. ICASSP 2006 Proceedings, 2006, c. 3, ss. III–III. D. D. G. F Belloni, “A new digital stethoscope with environmental noise cancellation”, 2010. C. Dimoulas, G. Kalliris, G. Papanikolaou, V. Petridis, ve A. Kalampakas, “Bowel-sound pattern analysis using wavelets and neural networks with application to long-term, unsupervised, gastrointestinal motility monitoring”, Expert Syst. Appl., c. 34, say 1, ss. 26–41, Oca. 2008. R. Ranta, V. Louis-Dorr, C. Heinrich, D. Wolf, ve F. Guillemin, “Digestive Activity Evaluation by Multichannel Abdominal Sounds Analysis”, IEEE Trans. Biomed. Eng., c. 57, say 6, ss. 1507–1519, Haz. 2010. C. A. Dimoulas, G. V. Papanikolaou, ve V. Petridis, “Pattern classification and audiovisual content management techniques using hybrid expert systems: A video-assisted bioacoustics application in Abdominal Sounds pattern analysis”, Expert Syst. Appl., c. 38, say 10, ss. 13082–13093, Eyl. 2011. D. T. Martin, J. Liu, K. Kadirvel, R. M. Fox, M. Sheplak, ve T. Nishida, “A Micromachined DualBackplate Capacitive Microphone for Aeroacoustic Measurements”, J. Microelectromechanical Syst., c. 16, say 6, ss. 1289–1302, Ara. 2007.