Design of a wearable fNIRS neuroimaging device with an internet-of-things architecture
Nesnelerin interneti mimarisi tabanlı giyilebilir fNIRS sinir görüntüleme cihazı tasarımı
- Tez No: 880213
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KUNAL MANKODIYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Rhode Island
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgisayar Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Beyin insan vücudundaki en önemli ve karmaşık organlardan biridir. Vücudun temel işlevlerinden sorumludur. Beyin aktivitesinin izlenmesi, nörolojik bozuklukların teşhisi ve sinir sistemi hakkındaki anlayışımızın geliştirilmesi açısından önemlidir. Beynin yapısını ve işlevselliğini anlamak için, beyin aktiviteleri parmakla dokunma ve düşünme gibi günlük aktivitelerin yanı sıra yürüyüş, koşu ve bisiklete binme gibi açık hava etkinlikleri gibi doğal veya klinik olmayan ortamlarda da izlenmelidir. Bu izleme, bu doğal koşulların tespit edilmesine yardımcı olmalıdır. Beynin yapısını ve işlevini izlemek için fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), elektroensefalografi (EEG), manyetoensefalografi (MEG), pozitron emisyon tomografisi (PET) ve tek pozitron emisyon tomografisi (SPECT) dahil olmak üzere çeşitli teknikler vardır. Fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS), beyin dokusuna NIR ışığı yayan ve beyinden iletilen veya yansıyan ışığı tespit eden, invaziv olmayan bir beyin izleme yöntemidir. fNIRS, nispeten yüksek zamansal/mekansal çözünürlük, hareketlilik, taşınabilirlik ve güvenlik açısından benzerlerine göre birçok avantaja sahiptir. fMRI'dan daha yüksek bir zamansal çözünürlüğe ve EEG'den daha büyük bir uzaysal çözünürlüğe sahiptir. İletken jel genellikle gerekli olmadığından fNIRS ölçümüne hazırlık, EEG'ye göre daha kolaydır. Bu aynı zamanda hastaların fNIRS ölçümlerinden sonra saçlarını yıkamalarına gerek olmadığı anlamına da gelir. Üstelik NIR ışığının kullanılması nedeniyle LAZER teknolojisine göre daha güvenlidir. fNIRS teknolojilerindeki ilerlemelere rağmen hâlâ zorluklar mevcuttur. Hem alan gereksinimleri hem de uzun kabloların varlığı dahil olmak üzere fiziksel yapısı, fNIRS sistemlerinin klinik olmayan ortamlarda kullanılmasını zorlaştırır. Hazırlanma süresi ve fiyatı da endişe vericidir. Klinik olmayan deneylerde kullanılması için taşınabilir bir fNIRS sisteminin denek tarafından giyilebilir veya kolayca taşınabilmesi gerekir. Kabloların da kısa ve dayanıklı olması gerekir. Bu yüksek lisans tezi araştırması, giyilebilir, küçük form faktörlü bir fNIRS sistemi geliştirerek fNIRS'in donanım sınırlamalarını gidermeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada, Nesnelerin Interneti uygulamaları için tasarlanmış üst düzey bir gömülü sistem olan Intel Edison'u temel alan bir fNIRS sistemi geliştirdim. fNIRS sistemindeki Edison, aydınlatma ve veri toplama sürecini yönlendirir. Sistem iki bileşenden oluşmaktadır: fNIRS sensörlerini içeren bir kafa bandı ve veri toplama ve iletimini kontrol eden bir kontrol ünitesi. Kontrol ünitesi, LED'leri açıp kapatmak için bir LED sürücü devresi, fotodetektörlerden gelen analog değeri sayısallaştırmak için bir analog-dijital dönüştürücü ve veri toplama ve iletimini kontrol etmek için bir mikroişlemci içerir. Kontrol ünitesi seri iletişim yoluyla bir bilgisayara bağlanır. Bilgisayar, toplanan verileri saklayan ve gerekli değerlendirme ve hesaplamaları yapan bir bilgi işlem birimi görevi görür. Bu tez araştırmasında, sağlam, giyilebilir, kablosuz bir sistem oluşturma hedefine ulaşmak için üç versiyon geliştirilmiştir. Ayrıca yayılan ışığın yoğunluğu, örnekleme hızı ve kontrol ünitesi ile bilgi işlem ünitesi arasındaki iletişim de optimize edilmiştir. Bir kontrol ünitesi geliştirmek için öncelikle tüm bileşenleri bir devre tahtası üzerinde test edilmiştir. Daha sonra sistem 6 cm x 7,7 cm'lik tek bir PCB üzerinde birleştirilmiş ve sistem etkili bir şekilde minyatürleştirilmiştir. Daha sonra sensör bilgisayar ünitesine bağlanarak hemodinamik aktiviteyi ölçmek için insan üzerinde test edilmiştir. Eş zamanlı olarak doğrulama için deneklerin parmak uçlarından ve kollarından da veriler toplanmıştır. Sonuç olarak sistem, deneklerin nabzını ve hemodinamik değişikliklerini başarıyla tespit etmiştir. Sistem cepte taşınabilecek veya bir küçük kutu ile kafaya bağlanabilecek kadar küçük olduğundan bir sonraki versiyonu hastane dışı deneylerde kullanılabilecek potansiyele sahip, taşınabilir ve giyilebilir bir cihaz olacaktır.
Özet (Çeviri)
The brain is one of the most important and complex organs in the human body. It is responsible for the essential functions of the body. Brain activity monitoring is important in order the diagnosis of neurological disorders and for improving our understanding of the nervous system. To understand the structure and functionality of the brain, it must be monitored it in natural or nonclinical settings such as during daily activities including finger tapping and thinking, as well as in outdoor activities like walking, jogging and cycling. Therefore, the changes in different natural circumstances can be detected easily. There are several techniques to monitor the brain's structure and function including functional magnetic resonance imaging (fMRI), electroencephalography (EEG), magnetoencephalography (MEG), positron emission tomography (PET), and single positron emission tomography (SPECT). Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a non-invasive brain monitoring method which emits NIR light into the brain tissue and detects the transmitted or reflected light from the brain. fNIRS has many advantages over its counterparts in terms of its high temporal and spatial resolution, mobility, portability and safety. It has higher temporal resolution than fMRI and greater resolution than EEG. The preparation for fNIRS measurement is also easier than for EEG, as conductive paste is not required. This also means patients do not need to wash their hair after fNIRS measurements. Moreover, it is safer than laser due to the usage of NIR light. Despite advances in fNIRS technologies, there remain challenges. Its physical set up, including both space requirements and the presence of long cables, contributes to difficulty using fNIRS systems in non-clinical environments. Preparation time and price are also concerns. For use in non-clinical experiments, a portable fNIRS system must be wearable or easily carried by the subject. The cables must also be short and durable. This study aims to address the limitations of fNIRS by developing a wearable, small-in-size fNIRS system. I have developed an fNIRS system based on the Intel Edison that controls the system for emitting light and data collection. The system is comprised of two components: a headband containing fNIRS sensors and a control unit which controls the data collection and transmission. The control unit includes an LED driver circuit to turn LEDs on and off, an analog to digital converter to digitize the analog value from the photodetectors and a microprocessor to control data collection and transmission. The control unit is connected to a computer with serial communication. The computer acts as a computing unit, storing the collected data and making the necessary evaluations and calculations. We developed three systems to achieve the goal of creating a robust, wearable, wireless system. We also optimized the intensity of emitted light, the sampling rate and communication between control unit and computing unit. To develop a control unit, I first tested all the components on a breadboard. Then I combined the system on a single 6cm x 7.7cm PCB, effectively miniaturizing the system. Then I connected the sensor and computing unit and tested the system. To measure hemodynamic activity, I performed human testing. I collected data from fingertips and arms to validate the system. The system successfully detected pulses and hemodynamic changes. Since the system is small enough to carry in a pocket or put in the back of the head cap, it is portable and wearable. Thus, it easily can be used in ambulatory experiments.
Benzer Tezler
- Moda tasarımında giyilebilir teknoloji uygulamalarına inovatif yaklaşımlar: Esnek güneş panelli giysi ve aksesuar tasarımları
Innovative approaches to wearable technology applications in fashion design: Flexible solar panel clothing and accessory designs
ÇİĞDEM DÜZGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Giyim EndüstrisiUşak ÜniversitesiSanat ve Tasarım Ana Sanat Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞENGÜL EROL
- Design of a wearable multi-sensory based chest belt integrated with iot functions for respiration monitoring
Solunum izleme için nesnelerin interneti fonksiyonlarıyla entegre giyilebilir çoklu sensör tabanlı göğüs kemer tasarımı
GÖZDE ÇAY
Doktora
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolUniversity of Rhode IslandElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KUNAL MANKODİYA
- Segmental solunuma yönelik giyilebilir bir telerehabilitasyon sisteminin kavramsal tasarımı
Conceptual design of a wearable telerehabilitation system for segmental respiratory
FATMA BETÜL DERDİYOK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyomühendislikSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KASIM SERBEST
- Mikrokontrolör tabanlı çoklu sensör ölçüm sistemi ile giyilebilir vücut duruş analiz sistemi tasarımı
Design of microcontroller-based multi-sensor measuring system for wearable body posture analysis
MEHMET ULUÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYozgat Bozok ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET KARABULUT
- Bir giyilebilir alt vücut dış iskeleti tasarımı ve küçültülmüş prototip üretimi
Design and prototype manufacture of a wearable lower extremity exoskeleton
HALDUN KÖKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mekatronik MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHATTİN KANBER