Prof. dr Radovan Stojanović
Elektrotehnički fakultet Podgorica i MECOnet
Biomedicinski inženjering postaje sve uticajnija naučna disciplina u svijetu. Upravo oblast koja se tiče biomedicine zauzima najveći opseg inženjeringa. Elektrotehnički inženjering, mašinski inženjering, građevina, arhitektura – sve to je minijaturna priprema za biomedicinski inženjering. Ako samo zamislimo inženjering koji obuhvata oblasti u rasponu od farmakologije do veterine, zadivićemo se beskonačnom broju instrumenata koji se koristi za analizu beskonačnog broja signala ili pojava.
U Crnoj Gori je biomedicinski inženjering zastupljen na nivou nastavnog modula na Elektrotehničkom fakultetu UCG-a, dok na Tehničkom fakultetu u Novom Sadu postoji cjelovit program na svim nivoima studija. Činjenica je da je medicina je danas više napredovala zahvaljujući tehnici, nego klinici. Čak i najbolji kliničar, kada hoće da postavi dijagnozu, čita ono što mu aparat ponudi.
Tim biomedicinskih inženjera koji je oformljen u Crnoj Gori aktivno sudjeluje u razvoju inovacija u ovoj oblasti uz blisku saradnju sa ovdašnjim ljekarima. Do sada je razvijeno nekoliko prepoznatljivih proizvoda. Jedan od njih je predstavljen u Italiji, gdje je izazvao divljenje da se tako složena i inovativna rješenja realizuju u Crnoj Gori.
U ovoj oblasti prednjači kompanija MECOnet, koju su osnovali entuzijasti biomedicnskog inžinjeringa u Crnoj Gori, predvodjeni prof. Stojanovićem i koja je već izbacila nekoliko originalnih prototipova i proizvoda. MECOnet je najaktivniji u području elektrofiziologije, posebno kardiologije, što je i prikazao na nedavno održanim dogadjajima u Crnoj Gori, konferenciji Montenegro Rhythm i Sajmu medicine.
Integracija mobilnih tehnologija (engl. wearables)
Integracija wearable tehnologija danas predstavlja jednu od najbrže rastućih industrija u svijetu medicine. Globalno gledano, obično se radi o pečerima, pametnim časovnicima, inteligentnim monitorima, samomjeračima veličina od krvnog pritiska do glukoze itd.
Svaki treći čovjek u svijetu koristi neki vid prenosivog medicinskog uređaja (engl. medical wearables). Oni su danas veoma ozbiljni klinički instrumenti.
Mi projektujemo wearables, integrišemo ih u širi sistem, zajedno sa ostalim tehnologijama, ugradjujemo u njih vještačku inteligenciju. Model namijenjen za kardijalnu njegu, tj. tretman kardiovaskularnih oboljenja strukturiran je uz pomoć pristupa koji se zasniva na presjeku otvorenih disciplina: Open hardware (engl.), Open software(engl., medicinsko znanje (medical knowledge, engl.) i vještačka inteligencija (AI knowledge, engl.).
U tom presjeku se nalazi pametna integracija, što znači da moramo raspolagati nizom kompleksnih znanja, ako želimo napraviti upotrebljiv medicinski instrument. Generalno, baziramo se na “black box” principu sa akcentom na kardiologiju, tačnije na praćenje vitalnih zdravstvenih parametara (vital signs). „Black Box“ može biti upotrijebljen za mnoge druge oblasti, na primjer, za urodinamiku ili endrokrinologiju. U suštini to je uredjaj koji nema mnogo podešavanja. Npr. u kardiologiji, “black box” sa tri electrode. To je najprostija i najefiaksnija konfiguracija jednog odvoda. Dodavanjem četvrte elektrode možemo automatski izračunati šest odvoda. Rijetki su monitori (Holteri) sa 12 elektroda, ako je to gold standard, jer se ostali izvodi izračunavaju softverski iz osnovnih. Sistem se konfiguriše iz računara, laptopa ili najčešće mobilnog telefona. Tu više nemamo podjelu na monitore, loop recordere, Holtere itd, već se sve integriše u jedan “black box”. Analiza može biti kratkotrajna (do 1-3 minute) ili za dugotrajna (do 72 sata ili nekoliko nedelja). Pri analizi stanja nije potrebno snimati tzv. raw (sirovi) signal, već izvedene parameter što rezultira uštedama u memorijskim i komunikacionim resursima. Naš “black box” se može koristiti i u jedinicama intenzivne njege ili kolima hitne pomoći. Uredjaj je u potpunosti telemedicinski.
Izazovi i rješenja u analizi kardiosignala
Postoji niz izazova u projektovanju neinvazivnih kardioloških uređaja. Prvi i početni izazov jesu elektrode, kontaktne, bezkontaktne. Na njima se akumulišu dominantni šumovi i artefakti. Nekada ne pomaže ni elektronika, nego se mora pribjeći mehaničkim rješenjima. Drugi je kvalitet pojačavača koji trebaju da osiguraju kvalitetan, upotrebljiv, signal, jer njegova amplitude zavisi od slučaja do slučaja i može varirati ispod 0.1 mV. Treći izazov jeste obrada signala, zatim vještačka intelegencija, integracija u lokalnu i globalnu telemedicinsku mrežu itd.
Treba biti na oprezu u vezi s uređajima za koje se tvrdi da svaki signal odlično snimaju
Koristeći AGC (Automatska kontrola pojačanja), što obično ftiziraju vodeći proizvodjači da bi dobili idealan signal može dovesti do zabune. Za detekciju neregularnosti su podjednako značajna i amplitudska i vremenska osobina EKG signala. Naš uredjaj uređaj ima tri elektrode i postavlja se kao narukvica ili ogrlica. Može da radi autonomno ili umrežen. Emituje zvučni signal koji upozorava korisnika da ima tahikardiju, bradikardiju, poremećaj ritma, atrijalnu fibrilaciju itd. Zašto se koristi baš zvučni signal? Razlog leži u prirodi interakcije između čovjeka i mašine,koja često može biti neintuitivna i neprivlačna za široku publiku. Većina korisnika izbjegava složene radnje poput dodirivanja ekrana ili podešavanja postavki. Umjesto toga, preferira se jednostavan, haptički interfejs koji diskretno upozorava na probleme – bilo zvučnim signalom ili vibracijom. Vizuelna upozorenja (kao svjetlosni signali ili displeji) često nisu dovoljno efikasna, jer zahtijevaju aktivnu pažnju. Mi smo svjesni ovih izazova i pažljivo ih adresiramo u našem pristupu. Integracija komponenti preko Clouda, personalnih računara, vještačke inteligencije i sličnih tehnologija može biti diskutabilna sa stanovišta praktičnosti i pristupačnosti za široke narodne mase, jer može komplikovati svakodnevnu upotrebu. Zato mi ove elemente objedinjujemo kroz jedinstven interfejs i “black box”, koji omogućavaju efikasno rukovanje na intuitivan način. Ovakav dizajn prioritet daje jednostavnosti, sigurnosti i širokoj primjeni, čineći tehnologiju dostupnijom svima.
Detekcija stresa iz srčanog ritma
Na Elektrotehničkom fakultetu dugo vreemna se razvijaju algoritmi i metode za odredjivanje nivoa stresa iz EKG signala. To je jedna od početnih lekcija na časovima iz predmeta medicinske elektronike i procesiranja biomedicinskih signala i slika. Svaki student dobije “black box” i prati dešavanja preko telefona. Na taj način pravi stres detektor. Detekciji QRS kompleksa i RR intervala (rastojanja je razmak između R zubaca) je početni korak u analizi stresa. To je priča za sebe. Postoji bezbroj algoritama koje u ovom cilju razvijamo ili usavršavamo postojeće. Smatra se da je Pan-Tompkinsov algoritam (nastao davne 1985) još uvijek najbolji i da ima teorijsku tačnost oko 98%. Ali, u praksi to nije tako, posebno u šumovitim uslovima, ili kada čitav uredjaj treba smjestiti na jednom čipu. Glavna metodologija detekcije stresa se bazira na varijabilnosti srčanog ritma (Heart Rate Variability – HRV), koja se kasnije statistički i frekventno obradjuje, da bismo dobili odgovarajući numerički podatak koji govori o njegovom nivou, npr. standardnu devijaciju . Ako vam scrce radi kao sat to nije dobro jer mora da postoji izvesna varijabilnost, kod sportista je najveća. Uređaj se jednostavno aplikuje i za 2 minuta moguće je utvrditi stanje vašeg stresa.
Alternativne metode detekcije ritma
Za detektovanje ritma i anomalija ritma obično se koristi PLETH, tzv., fotopletizmografski signal, zbog jednostavnosti aplikovanja, što upotrebljava većina komercijalnih uređaja. Ritmičnost se može očitati i iz signala krvnog pritiska itd. Srce, kao svaka pumpa, ima ritam koji je moguće analizirati. Svi algoritmi, bez obzira da li je ulazni signal EKG, PLETH ili signal arterijskog krvnog pritiska moraju biti ugradjeni (usadjeni) u čip, jer komunikacija sa dodatnim uredjajima komplikuje system i izazov je sam za sebe. Npr. danas se masovno upotrebljava bežični prenos, koji nije dobar za realno vrijeme, naročito kod procesiranja više signala. U tom slučaju se koristiti ekstraktovanje parametara iz osnovnog signala, kao što su vrijednost pulsa, saturacije, da li aritmije postoje i ne, nivo stresa izražen brojčanim podatkom itd. Žičani prenos još uvijek predstavlja najpouzdanije rešenje jer omogućava velike brzine i tačnost prenosa. Zato se i danas koristi.
Šapćuće srce
Veliku inovaciju u našem radu čini Šapćuće srce (engl. Whispering Heart) razvijen od starne naše grupe. Mi prenosimo kardio informacije u zvučnom opsegu. To, dakle, nijesu tehnologije tipa BlueTooth, WiFi ili slično. Mi jednostavno usadjujemo medicinske informacije u zvuk, u jednom frekventnom gapu, gdje ljudsko uho ne čuje, blisko ultrazvučno ili ultrazvučno područje, najčešće iznad 18Khz. Nije potrebno uparivanje, više uredjaja može slušati istovremeno, a faktički radi u slučajevima gdje ne možemo koristiti druge protokole, kao npr. vodi ili u podzemlju. Nezaboravimo da voda pokriva 2/3 zemljine kugle i da postojeća komunikacija tamo ne važi. Signal ekstrahujemo iz zvuka nizom složenih matematičkih operacija u svim domenima, vremenskom, frekvetnom i vremensko-frekventnom. U toj oblasti smo pioniri u svijetu i moramo istaći da je dio istraživanja pomognut projektom HealthTalk ode strane Fonda za inovacije Crne Gore.
Što više signala to lakše
Iako kardiolozi jako cijene efekat očitavanja EKG signala, mi danas smatramo da je EKG signal neupotrebljiv ako ga ne prati neki drugi signal, prije svega akcelerometrijski signal. Akcelerometrijski signal ima svrhu da opiše našu fizičku aktivnost, koja korumpira EKG signal. Npr. da znamo da li je pacijen sjeo ustao, šeta ili trči, ili čak da li je pao. Na taj način možemo otkloniti mnoge sumnje.
Primjena vještačke intelegencije
Veoma interesantan je naš proizvod koji se zove KARDIO TALKTEL (CardioTalker). On je EKG uredjaj povezan sa serverima koji pogone vještačku intelegenciju kao što je popularni ChatGPT. Jednostavno, signal se nakon snimanja jednim klikom salje vještačkoj intelegenciji koja vrši analizu i vraća rezultate. Za sada ispitujemo tačnost vještačke dijagnoze i veoma smo zadovoljni, mada treba tu još rada i specijalističkih modula.
Tačno mjerenje krvnog pritiska
Postoji jedna velika zabluda stara vjekovima, da se krvni pritisak može tačno izmjeriti i da se dijeli na gornji i donji. Generalno postoje dva metoda njegovog mjerenaj, oscilometrijski i auskultatorni, a razlika leži u načinu detekcije i mjerenja arterijskog pritiska na principu gornji, donji. Auskultatorni metod je star oko 100–120 godina, dok je oscilometrijski oko 50 godina. Medjutim matematički samo postoji srednji krvni pritisak, koji se jedino jednoznačno može odrediti. Ostalo je stvar ljekarske intuicije i vještine da čujemo i razlikujemo karakteristične tonove, što dovodi do greške. Možemo da se pohvalimo da naš skener krvnog pritiska daje najtačnije rezultate, ali je baziran na sofisticiarnoj tehnologiji i algoritmima. U novije vrijeme pritisak se često mjeri bez mehaničkih djelova, pumpe i mažetne. Jednostavno se koriste ECG i PLETH i iz njihovih karakterističnih tačaka se odredjuje korelacija sa krivnim pritiskom. Na tom principu radi većina pametnih satova koji pružaju ovu mogućnost.
O MECOnet instrumentima i metodama možete više pročitati na: https://meconet.me/smarthealth/
Na kraju želimo da se zahvalimo časopisu Medical koji je prvi u Crnoj Gori pisao o značaju Biomedicinskog inžinjeringa i koji to konstantno to radi.
