Biosignal PI: Een betrouwbare, betaalbare open-source ECG- en respiratiemonitoringplatform

3.1. Embedded Platform

Tijdens het afgelopen decennium heeft de ontwikkeling van microelektronica kleinere, snellere en betaalbaardere computationele platforms opgeleverd. Omdat flexibiliteit de hoofbeperking is voor Biosignal PI, moet het gekozen embedded platform de mogelijkheid bieden voor modulaire ontwikkeling van hardware en software. Modulaire hardware-ontwikkeling kan met microcontroller-gebaseerde systemen, zoals bij Arduino-projecten [11]. Systemen gebaseerd op besturingssystemen zoals Linux kunnen echter een hogere mate van flexibiliteit bieden en zijn daarom gunstiger voor dit type ontwikkeling vergeleken met firmware-ontwikkeling voor microcontrollers. Verschillende compacte single-board computers zijn geïntroduceerd en zijn de laatste vijf jaar populair geworden, bijv. Raspberry PI (RPI) en BeagleBone Black. RPI [12] – een creditcard-grote single-board computer met een ARM-processor – is gekozen voor dit project, zie Figuur 1. De RPI is ontwikkeld door de Raspberry Foundation. De belangrijkste redenen voor het kiezen van RPI boven concurrenten waren de betaalbare prijs en de actieve open-source community met een enorme hoeveelheid projecten, shields en tutorials.

Figuur 1. De Raspberry PI Model B (bron: Raspberry PI website). Klik hier om figuur te vergroten.

RPI komt in drie modellen: A, B en recent B+. Alle modellen gebruiken dezelfde CPU en GPU, het verschil zit in de RAM-grootte en poorten. Het was initieel ontworpen als een betaalbare compacte computer ter ondersteuning van studenten in informatica-studies. Echter, de aanwezigheid van een general-purpose input/output-poort (GPIO) maakte het een populair platform voor ontwikkeling van veel embedded projecten. Model B, het type dat in dit project gebruikt wordt, voorziet een Ethernet-poort, twee USB- en één HDMI-poort, audio- en video-uitgangen; en het heeft een 700 MHz CPU, GPU, 512 MB RAM en SD-kaartslot. RPI ondersteunt verschillende Linux-distributies, bijv. Raspbian; een Debian-gebaseerde distributie geoptimaliseerd voor de Raspberry PI-hardware. Aangezien het op Linux draait, is de programmeertaal niet beperkt, maar Python, C/C++ en Java zijn onder de populairste in de RPI-community. Recent wordt RPI ook ondersteund door Simulink, wat opent voor nieuwe manieren van embedded programmeren zonder coderen [13]. Het is eenvoudig om een lichte webserver in te stellen, bijv. Lighttpd en Apache, een databaseserver, bijv. SQLite, MySQL voor specifieke toepassingen.

3.2. Electrocardiogram en Thoracale Bio-impedantie Analog Front-End

Zoals eerder gezegd, is een ECG- en respiratiemonitoringssysteem gekozen als eerste voorbeeld in de ontwikkeling van Biosignal PI. Respiratie kan worden vastgelegd via meting van bio-impedantie, d.w.z. door een kleine stroom door de thorax te injecteren en vervolgens de corresponderende spanningsval te meten. Tijdens inademing vergroot de thorax, en naarmate lucht de longen vult, neemt de bio-impedantie toe omdat het geleidende oppervlak voor de stroom toeneemt. Tijdens uitademing daalt de bio-impedantie weer [14]. Verwerving van ECG en thoracale bio-impedantie kan via verschillende benaderingen, van het gebruik van alleen discrete elektronische componenten tot volledig geïntegreerde analoge front-ends. Geïntegreerde front-ends verminderen niet alleen de grootte en stroomverbruik, ze bieden ook een breed scala aan extra functies zoals lead-off detectie en naleving van medische standaarden zoals AAMI EC11, AAMI EC38, IEC 60601-1, IEC 60601-2-25, IEC 60601-2-27 en IEC 60601-2-51. De belangrijkste concurrenten voor ECG front-ends zijn de ADAS1000-X van Analog Devices [15] en de ADS129X van Texas Instruments [16]. Beide series hebben bijna vergelijkbare specificaties. ADS1298 kan acht kanalen ECG-signalen in één chip leveren, goed voor ontwikkeling van een compactere en iets goedkoper 12-leads ECG-apparaat, vergeleken met ADA1000 dat maximaal vijf kanalen heeft. Toch is ADAS1000 (ADAS) in dit werk gekozen, voornamelijk omdat ADS1298R alleen beschikbaar is in een NFBGA-behuizing. Voor prototyping kan handmatig monteren cruciaal zijn en de LQFP-behuizing van ADAS is veel makkelijker te hanteren dan NFBGA-verpakking.

De ADAS kan een bemonsteringssnelheid van tot 128 kHz leveren en is geschikt voor draagbare, batterijgedreven apparaten, beddemonitoring, draagbare telemetrie en thuismonitoringssystemen. ADAS-chips kunnen in gang-modus worden gebruikt om meer ECG-kanalen te leveren [15]. In dit werk wordt één/twee ADAS1000BSTZ gebruikt – dat is de vijf-kanaalsversie die alle functies bevat – als master en optionele slave om 8-12 leads ECG in versie A en B respectievelijk te leveren. Als alternatief kan een betaalbaardere versie ADAS1000-2BSTZ als slave-chip worden gebruikt. De chip wordt gebruikt met LQFP 64-pin behuizing, zie Figuur 2. Het is de moeite waard om te vermelden dat handmatig solderen van LQFP64-behuizing redelijk moeilijk is en enige ervaring en hoog niveau soldervaardigheden vereist.

Typisch gebruikt een 12-leads ECG negen elektroden en right-leg drive (RLD). Drie elektroden verbonden aan ledematen; rechterarm (RA), linkerarm (LA) en linkerbeen (LL) en de overige zes elektroden, genaamd V1-V6, zijn op goed gedefinieerde locaties op de borstkast geplaatst. Tabel 1 vat de samenstelling van het typische 12-leads ECG-systeem samen. De berekening van aVR, aVL en aVF leads wordt niet door ADAS gedaan, ze moeten worden berekend als onderdeel van de daaropvolgende verwerking. De V1- en V2-kanalen kunnen geconfigureerd worden om te werken als ECG-invoer of als hulpinvoer voor andere metingen.

Respiratiemetingen worden gedaan door thoracale bio-impedantiemetingen op een programmeerbare frequentie van 46,5 kHz tot 64 kHz. Respiratiemeting kan worden gedaan op een van de ledemaat-leads (Lead I, II of III) of via aparte leads verbonden aan een paar speciale pinnen [15]. Uitgebreide informatie over principes en toepassingen van bio-impedantiemetingen is beschikbaar in [17].

ADAS biedt lead-off detectie door een DC- of AC-stroom te injecteren, om veranderingen in de spanning te monitoren om te detecteren of een elektrode niet meer met de patiënt verbonden is. De detectie heeft een vertraging onder de 10 ms voor de AC-modus, in de DC-modus hangt de vertraging af van de geprogrammeerde stroom en de kabelcapaciteit.

3.3. Communicatie tussen RPI en ADAS

Communicatie tussen analoge front-ends, andere geïntegreerde circuits en RPI kan via verschillende poorten, bijv. serial peripheral interface (SPI), inter-integrated circuit (I²C) en universal asynchronous receiver/transmitter (UART). ADAS gebruikt SPI wat vier verbindingen vereist om te communiceren tussen één master en verschillende slaves, een kloksignaal (SCLK) voor synchronisatie, een slave-select-signaal (SSn) en twee datalijnen: master-out-slave-in (MOSI) en master-in-slave-out (MISO). Communicatie wordt gecontroleerd door de master, die de slave selecteert, de klok activeert en informatie genereert op MOSI terwijl het MISO bemonstert [18]. In dit prototype fungeert RPI als de master, communicerend met één/twee ADAS als slave.

3.4. Defibrillator- en ESD-bescherming

In toepassingen met risico op defibrillatie, bijv. in intensive care of spoedeisende hulp, is bescherming tegen overspanning vereist. In andere toepassingsgebieden wordt het nog steeds aanbevolen, omdat het het apparaat kan beschermen tegen andere typen elektrostatische ontlading (ESD). De ESD-beschermingslaag is ontworpen volgens de aanbevelingen in de ADAS-datasheet [15]. Het beschermingscircuit is gebaseerd op SP720, wat bescherming biedt tot 8 kV tegen ESD en andere tranziënte overspanningsgebeurtenissen [19].

3.5. Elektrische veiligheidsisolatielaag

Elektrische veiligheid is een van de belangrijkste eisen in medische apparaatontwerp. Internationale Electrotechnische Commissie (IEC)-standaarden dekken twee typen isolatie voor gebruikersbescherming, IEC 60601 en IEC 60950. Om elektrische schok, hartritmestoornissen, brandwonden of zelfs schade aan inwendige organen te voorkomen [20], moet de gebruiker (patiënt/operator) geïsoleerd zijn van de hoogspanningsdelen van het systeem, en de lekkagestromen moeten laag worden gehouden.

Isolatie kan op verschillende niveaus geïmplementeerd worden. Voor toepassingen zonder verbinding, direct of indirect, met de netspanning, bijv. batterijgedreven Holter-apparaten, is het probleem automatisch opgelost. Echter, aangezien er een behoefte kan zijn om RPI aan te sluiten op randapparaten, bijv. printer, monitor, LAN, is een goede isolatie in het ontwerp opgenomen. Isolatie wordt bereikt door zowel de data (SPI) als DC-voedingsverbindingen tussen ADAS en RPI te isoleren, geïllustreerd in Figuur 3.

Optokoppelaars zijn typische componenten om isolatie te bereiken; signalen worden overgedragen tussen geïsoleerde en niet-geïsoleerde delen met behulp van licht. Een alternatief is iCoupler-technologie, die high-speed CMOS en monolithische luchtkern-transformatortechnologie combineert, wat lagere kosten, grootte, stroomverbruik en hogere betrouwbaarheid toelaat vergeleken met optokoppelaars [21]. De SPI- en DC-lijnen worden geïsoleerd door gebruik te maken van de ADuM64XX- en ADuM44XX-families van Analog Devices. Ze bieden 5 kV isolatie, dus voldoen aan IEC 60601 en IEC 60950. De ADuM6200 levert geïsoleerde DC-voeding, en ADuM4400 geeft geïsoleerde digitale communicatie, met een bitrate van 90 Mbps [22–24].

3.6. Softwareontwikkeling

Zoals eerder besproken, biedt RPI veel vrijheid van keuze wat betreft besturingssysteem en programmeertaal. In dit werk werden Raspbian Linux en C++ gekozen voor de implementatie van software die de ADAS initialiseert, de signalen ervan ophaalt, en de signalen visualiseert en registreert in een gewenst formaat. Voor de grafische gebruikersinterface (GUI)-ontwikkeling wordt Qt gebruikt, een cross-platform applicatieframework dat standaard C++ gebruikt. Qt faciliteert ook multi-threading. Qt is een erg populair framework met uitstekende documentatie en nuttige voorbeelden [24]. Omdat compileren van een applicatie op de RPI het ontwikkelproces kan vertragen, wordt cross-compilatie op een pc met Ubuntu OS [18] gebruikt om uitvoerbare code voor het RPI-platform te produceren. Om de vereiste bemonsteringssnelheden boven 2 kHz te bereiken terwijl de signalen worden geplot, wordt bemonstering gedaan in een onafhankelijke thread van de GUI. Communicatie tussen deze twee threads gebeurt via een methode van Qt genaamd signal & slot. Dit mechanisme gebruikt een queued connection wat betekent dat het signaal in de GUI-threads event-loop wordt geplaatst en de GUI mag zijn huidige taak afmaken voordat de slot wordt aangeroepen [25].

Ontwikkeling van software voor medische apparaten wordt gereguleerd door verschillende standaarden, zoals ISO 13485, EN ISO 14971 en IEC 62304. Deze standaarden dekken kwaliteitsmanagementsystemen, risicomanagement en softwarelevenscyclusprocessen van medische apparaten, respectievelijk [26]. Aangezien de softwareontwikkeling van dit project aan geen van deze standaarden voldoet, moet het worden beschouwd als software van onbekende afkomst (SOUP). Elk klinisch gebruik moet worden gedaan na het waarborgen van veilige en betrouwbare prestaties van het apparaat. Alle verantwoordelijkheden hiervoor liggen bij de gebruiker, de auteurs van dit paper nemen geen aansprakelijkheid voor het gebruik van dit materiaal.

3.7. Biosignal PI-architectuur

Figuur 3 toont de voorgestelde systeemarchitectuur voor Biosignal PI. Het systeem omvat RPI als computationele module, een digitale en DC-voeding isolatielaag, electrostatic discharge (ESD)-bescherming voor lichaamselektroden verbonden met analoge biosignaal front-ends. Verschillende biosignalen en vitale-teken monitoringmodules kunnen worden toegevoegd door passende front-ends of als draadloze monitors via Bluetooth, WiFi of ZigBee. RPI kan worden verbonden met verschillende randapparaten zoals monitor, printer en toetsenbord en zelfs beschikbare shields voor RPI, afhankelijk van de eisen van elk project. RPI en potentiële randapparaten zijn niet ontworpen als medisch apparaat en daarom wordt een isolatielaag gebruikt om de breakout-board van RPI te isoleren. Zelfs als isolatie- en ESD-beschermingskenmerken gekozen zijn om te voldoen aan de eisen voor patiëntveiligheid, zijn er geen stappen ondernomen naar formele certificering. Het is aan iedereen die een MDD- of FDA-goedgekeurd apparaat op basis van Biosignal PI wil bouwen, om ervoor te zorgen dat alle vereisten zijn vervuld.

In de eerste implementatie van deze architectuur werd een ECG- en respiratie-breakout-board ontworpen voor de ADAS1000-chip. Het schema en dubbellaagse printed circuit board (PCB) is ontworpen met de gratis versie van CadSoft Eagle V6.5 [27]. Figuur 4 toont het schematisch diagram van een 5–8 leads-systeem met alle benodigde componenten voor de werking van ADAS, ESD-bescherming en isolatie van het bord van RPI.