ARTSENS – eine einfach bedienbare Technik für Gefäßuntersuchungen

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Gesucht: Algorithmus für automatisierte Messungen

Nach der Machbarkeitsstudie zeigte sich, dass der Erfolg des Forschungs- und Entwicklungsprojekts primär an der Verfügbarkeit eines robusten und zuverlässigen Algorithmus für Signalverarbeitung und automatisierte Messungen hängt. Die Entwicklung eines solchen intelligenten Algorithmus setzt aber umfassende Analysen zum Verständnis der Signaleigenschaften voraus. Dafür ist es wiederum notwendig, eine Datenbank von Signalen anzulegen, die nur durch umfassende Experimente gefüllt werden kann.

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Auf dieser Basis wurde ein Laborprototyp entworfen, der die Echtzeit-Signalerfassung, Online-Signalanalyse und Datenspeicherung erlaubt. Der Prototyp basiert auf dem Counter/Timer NI PXI-6602 für die hochfrequente Impulserzeugung, der den Schaltkreis für die Sensorerregung ausführt und synchron mit dem Digitizer/Oszilloskop NI PXI-5152 für die Signalerfassung arbeitet. Für die Impulserzeugung, synchronisierte Datenerfassung, Echtzeit-Signalanalyse, Darstellung von Ergebnissen und Datenspeicherung wurde ein dediziertes VI entwickelt. Nachdem der Laborprototyp fertig war, fanden umfassende Experimente mit simulierten Signalen, Arterienmodellen und freiwilligen Versuchspersonen statt.

Nachdem die Labortests erfolgreich verlaufen waren, konnten im nächsten Schritt Messungen in klinischen Szenarien in Betracht gezogen werden. Dafür wurde ein viel handlicherer Desktop-Prototyp entwickelt.

Im Anschluss an die erfolgreiche Validierung der Desktop-Version ergab sich aus Rückmeldungen der teilnehmenden klinischen Institute der Bedarf für ein kleineres, tragbares Messgerät. Daraufhin wurde eine Touchscreen-Version von ARTSENS entwickelt. Für Feldversuche wurde außerdem eine robuste Variante davon erstellt. Mit diesem Gerät erfolgten im Rahmen von Feldversuchen über 640 Messungen.

ARTSENS Mobile: von der Entwicklung bis zum Einsatz

Neben Änderungen an der Hardware wurden auch die Algorithmen zur Identifizierung der Arterien und für die automatisierten Messungen fortlaufend weiterentwickelt. Klinische Studien erzeugten enorme Datenmengen, anhand derer die Identifizierung der Arterienwände immer weiter optimiert werden konnte. Auch die korrekte Erkennung der Anatomie, die Online-Evaluierung der Signalqualität, die Zuverlässigkeit durch qualitativ hochwertige Messungen und dergleichen konnten stetig verbessert werden.

Ausgehend von der anfänglichen manuellen Methode des frühen Laborprototyps wurde die Software so weit entwickelt, dass sie nun die gesamte Messung ohne Eingaben des Bedienpersonals vornehmen kann. Sobald der Bediener den Signalgeber auf den Hals des Patienten aufsetzt, kann das System die Arterienverhärtungen innerhalb einer Minute berechnen. In diesem Stadium wurde auch eine einfach bedienbare grafische Benutzeroberfläche ergänzt. Für Feldversuche wurde außerdem eine robuste Version erstellt.

Die nahtlose Integration von NI-Hardware mit der Software, einer modularen Hard- und Softwareschnittstelle sowie den Signalverarbeitungsmodulen in LabVIEW ermöglichte ein problemloses und fortlaufendes Update der intelligenten Messalgorithmen in den verschiedenen Versionen von ARTSENS. Die Übersetzung eines im F&E-Bereich entwickelten Algorithmus in ein betriebsbereites Softwaremodul ging sehr einfach vonstatten, da der Prototyp für das Endprodukt mit derselben Software-Hardware-Architektur entworfen werden konnte.

Im nächsten Entwicklungsschritt sollte nun ein mobiles Produkt entstehen. Deshalb entwarf das HTIC eine tragbare Version von ARTSENS mit einer traditionellen Plattform für die Embedded-Entwicklung. Auf Basis eines Prozessors des Typs OMAP L138 wurde ein neuer Entwurf erstellt und der ARTSENS-Algorithmus auf diesen Prozessor portiert. Das Portieren und Entwickeln einer Benutzeroberfläche forderte einen beträchtlichen Zeitaufwand. Da es sich um ein herkömmliches Embedded-Design handelte, konnten der umfassende Satz an Algorithmen, der bereits mit LabVIEW entwickelt worden war, in diesem Embedded-Produkt nicht genutzt werden.

Die Markteinführung des System on Module (SOM) sbRIO-9651 von NI beseitigte diese Problematik und unterstützt jetzt die Weiterentwicklung von ARTSENS zu einem mobilen, im Feld einsetzbaren Gerät für die schnelle und einfache Beurteilung von Arterienverhärtungen im Rahmen von Gefäßuntersuchungen. ARTSENS Mobile basiert auf sbRIO-9651 und kann mit einem intelligenten Gerät, etwa einem Smartphone oder Tablet, interagieren, das als Bedienoberfläche dient. Die fortdauernde Entwicklungsarbeit mit den SOM-Evaluierungskarten hat gezeigt, dass das SOM die funktionalen Anforderungen von ARTSENS erfüllt. Die Algorithmen für Signalverarbeitung und automatisierte Messungen wurden auf das SOM übertragen und ein funktionaler Prototyp des Systemkonzepts ist verfügbar. Eine anwenderdefinierte Karte unter Verwendung des SOM wird derzeit entwickelt.

Zusammenfassung der technischen Entwicklung

Die Entwicklung von ARTSENS Mobile mit SOM bildet das bislang letzte Kapitel eines langfristigen Forschungsprojekts, das – angefangen bei der Machbarkeitsstudie über die Prototypenentwicklung und Feldstudien bis hin zur finalen Produktentwicklung und -inbetriebnahme – kontinuierlich von NI-Werkzeugen begleitet und unterstützt wurde. Die Verfügbarkeit des SOM hat uns nun sogar in die Lage versetzt, das Projektkonzept von der Prototypenentwicklung bis hin zu Design und Einsatz des fertigen Produkts fortzuführen.

* Dr. Joseph Jayaraj ist Systemarchitekt am Healthcare Technology Innovation Centre (HTIC) im IIT Madras in Chennai.

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