Transcript Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika

Meriton Grand Hotell, Tallinn
9. okt. 2014
„Tarvilikud tehnikad tervikliku e-Tervise toeks“
CEBE ümarlaud
Ülevaade Tippkeskusest CEBE
Raimund Ubar
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Sisu

Kes me oleme

CEBE missioon ja fookused

Koostöö teemad ja vood – sünergia otsimine

Lühiülevaade uurimistööst ja rakendustest CEBEs


Biomeditsiinitehnika

Signaalitöötlus, elektroonika
CEBE ja eTervis
-------------------------------------------------------------
CEBE – Center of Integrated Electronic Systems and
Biomedical Engineering
2
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Kes me oleme

Uurimisrühmad:




Töökindlate sardsüsteemide disain (R.Ubar)
TTÜ Arvutitehnika instituut (M.Kruus)
Missioonikriitiliste sardsüsteemide elektroonsed
komponendid ja alamsüsteemid (M.Min)
TTÜ Elektroonika instituut (T.Rang)
Biosignaalide interpreteerimine meditsiinitehnikas
(I.Fridolin)
TTÜ Tehnomeedikum (K.Meigas)
Inimkoosseis:

Teadurid/õppejõud – 44 (22 ametikohta)

Doktorandid - 56 (CEBE alustas 40)
3
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
CEBE rahvusvaheline nõukoda - IAB

Bashir M. Al-Hashimi - University of Southampton, UK

Jürgen Bommer - Dialysezentrum Heidelberg, Germany

Bernard Courtois - CMP, France

Rainer Dorsch – Bosch/IBM, Germany

Manfred Glesner - TU Darmstadt, Germany

Ahmed Jerraya - CEA-LETI, MINATEC, France

Jaakko Malmivuo - Aalto University, Finland

Uwe Pliquett - Institut für Bioprozess- und Analytische
Messtechnik, Germany

Marta Rencz - Budapest University of Technology, Hungary
Iga kahe aasta järel (2009, 2011, 2013) on läbi viidud
ühiskonverentsid, aruandluskoosolekud ning CEBE tulemuste
kriitiline analüüs
4
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
CEBE missioon

Elukvaliteedi parandamine innovatsiooni abil

Interdistsiplinaarsete teadusuuringute läbiviimine


elektroonika,

analoog- ja digitaaldisaini, diagnostika ning

biomeditsiinitehnika alal
rakendustega

missioonikriitiliste
sardsüsteemide
valdkonnas
CEBE
5
CEBE positsioneerimisest
Tervis. Tervishoid. Sotsiaalhoolekanne
X-tee
Elektroonne
haiguslugu
Sotsiaalameti
infosüsteem
E-Tervis
Digiretsept
Registrid
Geenivaramu
Patsiendiportaal
Tervise infosüsteem
Teised
andmebaasid
E-Teenused
Mobiilirakendused
Telemeditsiin
Telemonitooring
E-Konsultatsioon
Digitaalsed andmed
Inimese terviseandmed
Biosignaalid
Kliinilised andmed
•
•
•
Tekstilised (kaebused,
varasemad haigused,
haiguse kulg, seisund)
Struktureeritud (retseptid)
Numbrilised andmed
•
•
•
Andmehõive
tehnoloogiad
Numbrid
Graafikud
Pildid
CEBE
Ross2014®
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
CEBE fookused
Ajusignaalide
uuringud
SASI
Depressiooni
analüüs
ATI
ELIN
TM
Impedantsspektroskoopia
Südamestimulaatorid
Biosignaalide
interpreteerimine
ELIN
Veresoonte
resistentsus
Dialüüsiprotsesside TM
analüüs
Signaalitöötlusalgoritmid
ATI
Verifitseerimine ja
diagnostika
Sardsüsteemide
disain
7
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
CEBE loosung: e-Tervis2
Patsiendi tervis
Tehnoloogia
Tehnikaalane
teave,
disain
Testimine,
diagnoos,
parandamine
Meditsiinitehnilised
seadmed
Disain
Süsteemi tervis
Meditsiini
alane
teave
Doktor
8
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
CEBE uurimistöö suunal e-Tervis2
Biomeditsiinitehnika uurimistöö
Bioimpedantsspektrograafia
& tomograafia
Aju-uuringud,
EEG
spektraalanalüüs,
SASI marker
Optiline
dialüüsi
monitooring
Optiline pulsilainete
mõõtmine
arterites
Rakendused
Meditsiiniseadmed
Projekteerimine
Signaalitöötluse
algoritmid
Südamestimulaatorid
Eriprotsessorite
disain
Bioimpedantsi
mõõteseadmed
Madal energiatarve,
kiirus, hind, töökindlus
Mobiilne
depressiooni
analüsaator
Optiliste
signaalide
mõõteseadmed
Informatsioon
meedikutele
Süsteemide
usaldatavus
Verifitseerimine,
vigade avastamine,
automaatne parandus
Testimine ja
rikete diagnoos
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Koostöövood CEBEs
Diagnostika
meetodid
Bioloogilised
süsteemid
Tehnomeedikum
Biosignaalid
Tehnilised
süsteemid
Elektroonika
instituut
Arhitektuurid
Arvutitehnika
instituut
Algoritmid
10
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
11
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
Koostööteemad ja sünergia otsimine
Signaaliprotsessorite
arhitektuurid
Arvutitehnika
Elektroonikaaparatuuri
testimine
Veakindlate
sardsüsteemide
disain ja test
Dialüüsi
monitooring
EEG
Signaalitöötlusprotsessor
Elektroonika
Biomeditsiinitehnika
Kolm piiririiki,
suhtlusmeediumiks
elekter
Veresoonte
resistentsuse
monitooring
Signaalitöötluse
algoritmid
12
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
Kaks sünergia tüüpi
Meetodite ja
algoritmide
konvergents
Arvutitehnika
Elektroonika
Sisse-poole
suunatud
sünergia
Välja- Rakendused
poole
suunatud
sünergia
Tippteadus
Tehnomeedikum
13
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
CEBE koostööprojektid

I.Fridolin. Neeruasendusravi häiretevaba monitooring

K.Meigas. Optilised ja bioimpedantsmeetodid
kardiovaskulaarses diagnostikas

M.Jenihhin, H.Hinrikus. Aju seisundi diagnostika EEG
signaalide analüüsi abil

P.Ellervee, M.Min. Rakendusspetsiifilised protsessorid

T.Rang. Pooljuhtelektroonika seadiste uurimine

R.Ubar, J.Raik. Sardsüsteemide verifitseerimine ja
diagnostika, usaldatavus

A.Jutman. Elektroonikasüsteemide testimine

T.Hollstein. Signaalitöötlusvahendite disaini platform
14
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
Projektide vood
Projekt
P3
Süsteemide
prototüübid
Projekt
P6
TM
Kardioloogia
grupp
TM
Aju uuringute
grupp
Projekt P1
Biosignaalide
interpretats.
Signaalitöötluse
algoritmid
ELIN
Signaalitöötlus
Impedantsspektroskoopia
Trükkplaadid
Projekt P4
ATI
Disainigrupp
Disaini
lahendused
Projekt
P2
Testimise
meetodid
Testide
süntees ja
analüüs
ATI
Testigrupp
Testid
ATI
Diagnostika
grupp
Disain,
arhitektuurid,
teooria
Süsteemide
verifitseerimine,
diagnostika,
teooria
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
Biomeditsiinitehnika alased uuringud

Uurimistöö toimub valdkondades:

Aju uuringud
• EEG-signaalide analüüs ja aju seisundi diagnostika

Biovedelike optika
• Dialüüsi kvaliteedi monitooring

Ateroskleroosi
diagnostika
• Optilised pulsilaine
mõõtmise meetodid

Äkksurma ennetamise
uuringud
• EKG markerite analüüs
16
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Aju uuringud
Grupijuht: H.Hinrikus

Eesmärgid: EEG-signaalide
analüüs ja aju seisundi diagnostika,
mikrolainete mõju uurimine ajule

Tulemused:
• SASI algoritm – uudne spektraalse
asümmeetria indeksi arvutamisel
põhinev meetod depressiooni
avastamiseks ja aju funktsionaalse
seisundi hindamiseks
• Uudne aju testimise meetod
degeneratiivsete muutuste
avastamiseks aju närvirakkudes põhineb välismüra mõju analüüsil ajus
toimuvatele infotöötlusprotsessidele
17
© Raimund Ubar
EEG algoritmid
vaimsete häirete
(stress, ärevusehäire)
ja aju mõjutavate
väliste tegurite
mõju uurimine
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Ajusignaalide analüsaator
Portatiivne EEG
signaalide
analüsaator
depressiooni
avastamiseks
Koostöö
ATI/Tehnomeedikum
SASI algorithm
(H.Hinrikus/M.Jenihhin)
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Biovedelike optika
Grupijuht: Ivo Fridolin

Neeruasendusravi
Uudsed optilised
meetodid ravi
monitooringuks
Tulemused:
Põhja-Eesti Regionaalhaigla
Dialüüsi- ja nefroloogia
osakonnas

Dialüüsi kvaliteedi
jälgimine reaalajas
ilma vereproovideta

Häiretest vabanemine

Doosi operatiivne
hindamine ja
planeerimine ravi
käigus, dialüüsi kulu
prognoosimine
MCM©
Multi Component
Monitor
Optofluid
Technologies OÜ
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Kardiovaskulaarsete haiguste diagnostika

Grupijuht: Kalju Meigas/Margus Viigimaa



Optilised meetodid varase ateroskleroosi avastamiseks
Pulsilaine kuju analüüsil põhinev meetod arterite jäikuse
hindamiseks
Uudsus seisneb - kiiretoimelisus
• tulemuse saab pärast ~1 minuti pikkust signaalide registreerimist
• tavaline meetod: vajab väljaõppinud operaatorit, võtab aega ~15
minutit, kallid meetodid

Pulsilaine analüsaator PA-21
Uudne optiline sensor pulsilaine
registreerimiseks arteritelt ning
perifeersetelt veresoontelt
20
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
TM Kardioloogia uuringute keskkond
Mõõtekompleks arterite erinevate parameetrite
uurimiseks optiliste, piesoelektriliste, fonokardiograafiliste ja elektrokardiograafiliste meetoditega
Patsiendilt pulsilaine registreerimine arterite vanuse hindamiseks.
21
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Äkksurma uuringud
Projekti juht: Jüri Kaik
Südame äkkseiskumise ennetamine


Mitteinvasiivsete südametöö markerite korrelatsioon ja
kasutamise võimalikkus äkksurma ennetamisel
Südamevatsakeste repolarisatsioonifaasi ajalist ja ruumilist
variaabelsust iseloomustavate sooliste iseärasuste uurimine
äkksurma ennetamisel
Uudsed algoritmid kahe
EKG monitooringul määratava
müokardi elektrilise ebastabiilsuse
parameetri, QT intervalli
variaabelsuse ja QT intervalli
adaptatsioonikiiruse, hindamiseks

Valdkond:
Kardiovaskulaarne
diagnostika
EU – 3000 äkksurma
USA – 1500 äkksurma
päevas
22
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Signaalitöötlus
Grupijuht: Mart Min



Signaalitöötluse uued algoritmid (DASP-tehnika), andmehõive,
laiaribaline andmeedastus, analoogsignaalide digitaliseerimine
Impedantsspektroskoopia
Rakendused bio- ja meditsiini-tehnoloogiates ning mittedestruktiivse testimise eesmärgil
Tooted:
Südamestimulaatorid (Koostöös
firmaga St.Jude Medical, USA)
Impedants-spektroskoopia
mõõteseade QUADRA (Koostöö: EAS
Prototuba OÜ
Euroopa leiutaja auhinna
2011. aasta nominent
kategoorias “Teadus”
23
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
Rakendus-spetsiifilised protsessorid
Grupijuht: Peeter Ellervee/Mart Min
Uute signaalitüüpide
Bioimpedance
ja signaalitöötluse
Ż = R+ jX
algoritmide välja töötamine Excitation signals
Response signals
Source of
Excitation
Signals
..
.
..
.
Analog
Channel
Selector
Channel
Control
Kiirus,
madal
energiatarve
Uute
spetsiaalprotsessorite
arhitektuuride
välja töötamine
Synchro
Digital
output
Digital
Signal
Analyzer
Sampling
pulses
Sampler
D0
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Une apnea uuringud
Grupijuht: Gert Jervan
Mairo Leier
PPG signaalid
Signaalitöötluse
algoritmid
Ekstraktitud
signaalid
Elektroonika
integreeritud
kinga sisse
Hingamine
SpO2 tase
Pulss
Une info
Lapsevanemad
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Digitaalsüsteemide usaldatavus
Grupijuhid: Jaan Raik, Maksim Jenihhin



Matemaatilised mudelid, meetodid ja tarkvara
digitaalsüsteemide rikete analüüsiks ja diagnoosimiseks
Digitaalsüsteemide verifitseerimine, disainivigade diagnoos
ja automatiseeritud parandamine
Hierarhiline testprogrammide süntees keerulistele
digitaalsüsteemidele

Rikete simuleerimine

Digitaalsüsteemide isetestimine

Kiipvõrkude testimine ja rikete diagnoos

Nanoelektroonika füüsikaliste vananemisprotsesside
uurimine – kaks europrojekti BASTION ja IMMORTAL
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
Elektroonikasüsteemide testimine
Grupijuht: Artur Jutman
Tester CERN’i
tellimusel
Hadronite Põrguti
jaoks
Koostöö
spin-off firmaga
Testonica Lab Eestis
ja firmaga
Göpel Electronics
Testilahendused
trükkplaatidele
Testonica/ELIKO
ATI
Receiver
Channel
under test
Transmitter
Testide
programmeerimise,
automatiseerimine
CEBE kompetentsi on vajanud Eesti trükkplaate
valmistavad firmad Elcoteq ja Ericsson
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
Disaini ja testi keskkond
Professionaalne tarkvara
maailma tipptööstusest
EUROPRACTICE
„klubi“ liikmena
ZamiaCAD Design Framework
TTU/IBM/Zamia cooperation
High
level
High-Level Synthesis
TTU
RTL
VHDL-Design
Hardware
Verification
Framework
VHDL > DD
APRICOT
DD
Hierarchical
ATPG
Oleme väga odavad
Eesti
maksumaksjale
Behavioral
VHDL-Design
Logic-Level Synthesis
Synopsys/Cadence
Gate-Level
EDIF Netlist
EDIF > SSBDD
EDIF
ISCAS
Convert
er
Logic-Level ATPG
Defect
Library
TURBO-TESTER
Logic
level
Test
Defect
level
University Software
SSBDD
DECIDER
ISCAS
Netlist
Defect-Fault
Analysis
TU Warsaw
Meie teadustöö
kõrvalefekt:
Uute tarkvara prototüüpide
pidev loomine oma ideede
testimiseks
Defect-Level
ATPG
DOT
28
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
CEBE Knowhow: Disaini Platvorm
Grupijuht: Thomas Hollstein

Sensorvõrgud

Algorithms
Architectures
Sensors

Signalitöötlus
protsessorid
Disaini
meetodid
Design space
exploration


Prototype
Verifitseerimine
Automaatne disainivigade
parandamine

Testide genereerimine

Rikete diagnostika
29
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Europrojektide koordinaatorid
Gert Jervan
FP7: CREDES
2010-2012
Artur Jutman
FP7: BASTION
2014-2016
Jaan Raik
FP7: DIAMOND
2011-2013
Partners: IBM,
Ericsson...
Jaan Raik
HORIZON 2020
IMMORTAL
2015-2017
30
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
© Raimund Ubar
CEBE Koostöövõrgustik
B.Braun Avitum AG
Fresenius Medical Care AG
Gambro AB
Carometec A/S
Injeq OY
Mariachi OY
OY Lade
MarinePool GmbH
St. Jude
Medical
Partnerid Eestis
AS Cybernetica
ELIKO
Clifton Ltd
Tensiotrace OÜ
Prototuba OÜ
AS Ldiamon
Smartimplant OÜ
CEBE
Optofluid
Technologies OÜ
Testonica Lab OÜ
Ericsson
Eesti
Hospitals
CERN
Göpel
Electronics
GmbH
SleepCatch
PERH
2 kliinikut
4 haiglat
10+ firmat
Partnerid raja
taga:
IBM,
Ericsson,
Infineon,
St. Jude Medical,
Boston Scientific,
Goepel Electronic,
STMicroelectronics,
a.o.
© Raimund Ubar
Integreeritud elektroonikasüsteemide ja biomeditsiinitehnika tippkeskus
Pisut statistikat CEBE-st (2008-2014)

14 rahvusvahelist projekti (4 FP7 + 1 Horizon 2020)
25 ETF granti

Akadeemiline väljund: 500+ publikatsiooni

Doktoriõpe: 25 PhD väitekirja

Rakenduslik väljund: 15 patenti ja 11 patenditaotlust

15+ tööstuspartnerit Eestis ja 30+ asutust 15+ riigis

Spin-off frirmasid 5 (Testonica Lab, Tensiotrace OÜ,
Optofluid Technologies OÜ, Prototuba OÜ, SmartImplant OÜ)

Tooteid: 9

Rahvusvaheline evalvatsioon
2008 Taotlemisel – 4 (Very Good)
2011 Vahe-evalveerimisel – 5 (Excellent)
Andmehõive, -töötlus ja -esitlus
Digitaalsed andmed
Inimese terviseandmed
Kliinilised andmed
•
•
•
Tekstilised (kaebused,
varasemad haigused,
haiguse kulg, seisund)
Struktureeritud (retseptid)
Numbrilised andmed
Analoogsignaalid
•
•
•
Signaalitöötlus
Andmesalvestus
Andmeedastus
BIOSIGNAALID
Digitaalsignaalid
•
•
•
Signaalitöötlus
Andmesalvestus
Andmeedastus
Andmehõive tehnoloogiad
• Signaalitöötluse algoritmid
• Andurid
• Meditsiiniaparatuur
Andmeesitlus
• Otsustustugi
• Agregeerimine
Infotehnoloogilised rakendused
• Elektroonne haiguslugu
• Personaalne terviselugu
• Kasutajaliideste disain
CEBE
Ross2014®
Näide CEBE potentsiaalist e-Tervisele
(telemeditsiin ja diabeet):
Füüsiline aktiivsus ja kliinilised andmed
näitavad diabeedi ravitasakaalu ning nende
esitlemine jooksvalt ja arusaadavalt aitab
ravitulemusi parandada
Niisugused andmed tulevad sensoritest ja
seadmetest, riistvara nutikuse toimel, mis
ongi CEBE rakendusvaldkond
Tänan tähelepanu eest