Rozvoj centra výzkumu a vývoje v oblasti měření a zpracování fyziologických charakteristik člověka
Název projektu:
Rozvoj centra výzkumu a vývoje v oblasti měření a zpracování fyziologických charakteristik člověka
Registrační číslo: CZ.01.1.02/0.0/0.0/19_297/0019495
Termín realizace: 1. 7. 2020 – 31. 12. 2021
Hlavní řešitel: Doc. RNDr. Martin Malčík, PhD.
Program: POTENCIÁL - VI. VÝZVA - OP Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost
Poskytovatel podpory: Ministerstvo průmyslu a obchodu
Anotace:
Cílem projektu bude prostorové, technické a personální zabezpečení pro zřízení a rozvoj výzkumného a vývojového centra v oblasti měření a zpracování fyziologických charakteristik člověka. V rámci řešení projektu dojde k přístavbě části objektu určené pro realizaci výzkumných a vývojových aktivit centra a současně bude pořízeno potřebné hardwarové a softwarové vybavení.
Pořízená zařízení v rámci projektu:
Přístavba objektu výzkumného centra
V rámci projektu byla vybudována přístavba výzkumného centra fyziologických charakteristik člověka. Vybudované prostory nabízíme k pronájmu:
Zasedací místnost včetně sociálního zařízení – v 1.NP jsme vybudovali zasedací místnost o celkové rozloze 29,80 m2, která je vhodná až pro 20 pracovníků VaV včetně vizualizační techniky a sociálního zázemí.
Tuto místnost je možné pronajmout za cenu 200 Kč bez DPH/hod.
Výzkumné kanceláře – v 2.NP jsme vybudovali celkem 3 výzkumné kanceláře pro výzkumné pracovníky VaV včetně technického vybavení.
Kancelář 2.08 – 12,95 m2
Kancelář 2.09 – 8,69 m2
Kancelář 2.11 – 12,95 m2
Cena pronájmu kanceláře je 450Kč bez DPH/hod.
Specializovaný SW – Komplexní vývojová platforma pro měření a zpracování fyziologických charakteristik člověka – HSM
Cena pronájmu SW je 5000 bez DPH Kč/rok
Cena obsahuje 1 časově neomezenou uživatelskou licenci na 1 PC včetně uživatelské podpory.
Základní popis systému
Vývojová modulární softwarová platforma pro realizaci fyziometrických a biometrických měření - HSM (Human Status Monitor) - představuje flexibilní a škálovatelný systém, který umožňuje sestavit volitelný on-line měřící systém/zařízení z již připravených a naprogramovaných modulů a dále vyhodnotit a komerčně uplatnit experimenty v oblasti měření fyziologických charakteristik a parametrů člověka.
V rámci softwarové platformy je možné připojit přes různá rozhraní (s podporou HID) zařízení a měřící senzory různého druhu, které zaznamenávají v aktuálním čase fyziologické charakteristiky člověka (GSR, HR, EEG, eyetrackový záznam apod.). Tyto signály je možné dále analyzovat, upravovat, vyhodnocovat a případně předávat jiným systémům a zařízením prostřednictvím API rozhraní. Všechna naměřená a zpracovaná data jsou průběžně ukládána buď na lokální disk aktivního PC nebo na server (dle typu modulu a úlohy) a archivována na datovém serveru v cloudu. Výsledky a výstupy z měření a analýz je možno předat klientovi okamžitě po ukončení měření v on-line režimu v podobě souhrnné zprávy, která bude obsahovat jak samotná měření, tak interpretace, zjištění a případně formulace nápravných opatření.
Vývojová platforma (viz principiální schéma uvedené na obrázku 1) je navržena a realizována jako jako modulární SW stavebnice, která je zčásti řešena na bázi on-line přístupů přes webové rozhraní a zčásti formou lokálních specializovaných úloh pro analýzy a vyhodnocování diagnostických měření. Díky tomu je umožněn standardizovaný a rychlý vývoj řady různých komerčních i výzkumných využití v oblasti měření fyziologických parametrů člověka na různé bázi a pro různé uživatele (od individuálního využití po uplatnění v laboratořích a psychodiagnostických centrech). Jednotné jádro pro měření a analytické funkce umožňuje také velmi efektivní propojení různých typů zařízení a měřících metod a vzájemné sdílení dat a výsledků analýz.
Obr. 1a: Principiální zadání pro modulární platformu – HSM
Struktura a základní parametry jednotlivých modulů HSM
Popis struktury a základní parametry jednotlivých modulů HSM
Koncept celého systému HSM je maximálně modulární a umožňuje sestavit různé typy diagnostických úloh pro různé klienty a jejich požadavky. Některé z modulů mohou fungovat zcela autonomně a jejich funkce nejsou striktně vyhraněny. Původně plánovaná centrální administrace celého systému je zaměřena především na podporu on-line diagnostických modulů. Pokud je měření prováděno lokálně, pak je využita administrace dle potřeby konkrétního modulu. Východiskem pro návrh modulárního systému byla myšlenka sestavení volitelného experimentu s různým typem měřené fyziologické veličiny, měřeného zařízení a v různých případech využití.
Naprosto klíčovým požadavkem bylo využití specializované biometrické myši, kterou vyvinul jíž dříve Zadavatel a systém HSM by měl dále rozšířit její využití a možnosti uplatnění v praxi. Kromě využití biometrické myši se samozřejmě počítá s dalšími měřícími zařízeními, které mohou být k systému HSM připojeny a jejich signály dále zpracovány.
V další části je uveden stručný popis principů a funkcí jednotlivých vyvinutých modulů a také další možnosti jejich využití. Podrobný popis včetně ukázek uživatelského rozhraní a výtahu z technické dokumentace systému je uveden v následující kapitole 2. )
Signálový modul – základ systému HSM
Naprostým základem celého systému HSM je signálový modul, který umožňuje zpracování fyziologických signálů z následujících sensorů:
Snímací sensory pro měření GSR umístěné na povrchu počítačové myši nebo na pevných externích měřících kontaktech (prstové, hrudní pás, apod.).
Snímací sensory pro měření HR/HRV umístěné na povrchu počítačové myši, náramku nebo hrudního pásu.
Snímací sensory pro měření EEG – snímací elektrody - standardní medicínské provedení.
Snímací sensory pro měření EKG – snímací elektrody - standardní medicínské provedení.
Signálový modul zajišťuje základní zpracování naměřeného signálu se snímacích kontaktů/elektrod. Signálový modul zajišťuje také další zpracování primárních naměřených RAW dat pro měřící modul. Pro měření klíčových parametrů GSR a HRV jsou podporovány 2 základní principy v soulad u se zadáním:
Standardní měření fixovanými kontakty na prstech nebo hrudním pásu.
Měření nefixovanými povrchovými kontakty, kde není zajištěn fixní přítlak (např. povrch počítačové myši, apod.).
Signálový modul může komunikovat se zdroji signálu minimálně prostřednictvím rozhraní USB/HID – obvyklé u počítačové myši nebo případně pomocí rozhraní Bluetooth – obvyklé u náramku nebo hrudního pásu. Jiné metody komunikace byly v průběhu vývoje testovány, avšak z důvodů praktické nevyužitelnosti nebyly do systému zapracovány.
Měřící modul – hlavní prvek diagnostiky
Zajišťuje vlastní měření v rámci navržené diagnostiky fyziologických parametrů klienta. Měřící modul je navržen jako autonomní, může tedy fungovat lokálně off-line zcela samostatně, ale také jako součást on-line měřícího systému. Primárně zajišťuje měření GSR a HR (HRV) signálů, které může být dále kombinováno s libovolným dalším signálem EEG, EKG nebo Eye-trackingem. Tím je možné získat kompletnější obraz fyziologického stavu sledovaného klienta.
Měřící modul může pracovat ve 3 základních režimech:
Krátkodobé nestimulované měření v rozsahu cca do 1 hodiny.
Krátkodobé stimulované měření v rozsahu do 1 hodiny, kdy současně s měřením sledované fyziologické veličiny je klient ovlivněn působením doplňkových stimulů– obrázky, video, text apod.
Dlouhodobé kontinuální měření delší než 6 hodin (typicky 24 a více hodin).
Měřící modul využívá ke své činnosti výstupu signálového modulu, který mu posílá dle konkrétního nastavení primární RAW měřený signál nebo signál již předzpracovaný a základě definovaných algoritmů. Měřící modul sám signál dále nezpracovává, pouze zajišťuje jeho prezentaci na obrazovce a následné ukládání naměřených dat v různých formách:
Uložení v pracovní databázi na lokálním počítači.
Uložení v databázi na dedikovaném lokálním serveru.
Uložení dat ve vybrané DB v cloudu.
Prezentace a průběžné sledování měřeného signálu je jednou z hlavních funkcí měřícího modulu. Ke sledování a monitorování měřených signálů je využito monitorovací okno aplikace. Toto sledování umožňuje následující varianty monitorování měření:
Průběžné sledování 1 měřeného signálu ve formě grafické záznamové křivky na celé obrazovce.
Průběžné sledování grafických křivek více měřených signálů v několika oknech na 1 obrazovce.
Možnost interaktivního volitelného vstupu do měřeného signálu např. časová značka pro stisku myši nebo definované klávesy, případně interaktivní možnost audio vstupu do měření.
Při spojení měřícího modulu s dalšímu moduly – diagnostický, analytický – je možné průběžné sledování grafických křivek měřených signálů v kombinaci s doprovodnými stimuly ve formě textu, obrázků, audia a videa – včetně jejich časové synchronizace pro možnost sledování reakce na jednotlivé stimuly.
Měřící modul byl také doplněn o specializovaný off-line diagnostický modul, který zajišťuje především specializované funkce pro rozbor a vyhodnocení dat z nestimulovaných nebo lokálních krátkodobých a střednědobých měření. Tento modul slouží především pro vizuální porovnání naměřených fyziologických parametrů s dalšími vlivy v průběhu měření. Jeho hlavní funkcí je možnost hledání souvislostí mezi reakcemi klienta a dalšími vlivy (audio signál, čtený text, video, ad.). Detail jsou popsány v následující kapitole 2.
Podrobnější informace včetně příkladů grafického uživatelského rozhraní a uživatelského popisu všech dostupných funkcí jsou uvedeny v následující kapitole 2.
Analytický modul
Analytický modul provádí následné zpracování a detailní analýzu naměřených hodnot pro jednotlivé fyziologické parametry. Toto zpracování je nezbytné, protože jak signálový, tak měřící modul pracují pouze s primárně naměřenými daty (RAW data) z příslušných kontaktních sensorů, které jsou pouze vyhlazeny a očištěny od rušivých vlivů (šum, rušivé vlivy elmag. pole apod.). Analytický modul neumožňuje na rozdíl od měřícího modulu samostatnou práci a je vždy součástí celého diagnostického systému.
V analytickém modulu již dochází k vlastní pokročilé datové interpretaci, kdy po dalším vyčištění vstupních dat jsou využity náročné statistické metody a analýzy pro získání definovaných parametrů. Tyto metody byly odladěny s využitím statistického jazyka R a následně převedeny do knihoven, které jsou součástí systému HSM.
Analytický modul zajišťuje tyto funkce:
Vstupní datové filtry, které umožňují volitelné vyhlazení nastavením úrovně spline křivek a systémové filtrování formou volitelný parametrů (např. odstranění dat překračujících určitou mez apod.). Filtry jsou naprogramovány tak, že umožňují při návrhu diagnostického systému volitelné nastavení jednotlivých parametrů a úrovně vyhlazení vstupních dat.
Normalizace a klasifikace dat – nastavení základních úrovní, apod.
Procesně-statistické úlohy – hodnocení trendů, variability signálů, identifikace maxim (píků) a minim s různě nastavenou amplitudou, frekvence maxim a minim, ad. Tyto parametry jsou pak využity v rámci diagnostiky pro hodnocení a analýzu naměřených dat.
Ukládání zpracovaných dat na server nebo ve specializovaných případech na lokální PC.
Analytický modul pracuje ve 2 základních režimech:
On-line processing – data jsou vyhodnocovány okamžitě v průběhu měření s malým definovaným zpožděním, k vlastnímu vyhodnocení se využívá datového bufferu, kdy výsledek je vždy k dispozici s malým zpožděním, které však není kritické při intepretaci a prezentaci naměřených dat.
Post-processing – data jsou zpracována až po ukončení celého měření nebo jeho části. Tento systém zpracování naměřených dat umožňuje mnohem rozsáhlejší analýzy, avšak neposkytuje aktuální informaci v průběhu vlastní diagnostiky.
Diagnostický modul
Diagnostický modul je navržen pro podporu a provádění on-line diagnostických úloh a to především v oblasti psychodiagnostiky. Umožňuje kompletní přípravu pro vlastní měření a následně také řízení stimulovaného diagnostického experimentů. Podstatou tohoto typu diagnostiky je sledování reakce klienta na tematicky zvolenou sadu stimulů (obrázek, animace, video), které jsou mu nabízeny na obrazovce s přesně nastaveným časováním a sledem tak, aby psychoterapeut/psycholog zjistil, na co daný klient jakým způsobem reaguje. Tato metoda diagnostiky se současným sledování více typů fyziologických parametrů umožňuje velmi dobré stanovení potenciálních příčin psychických problémů různého typu.
Diagnostický on-line modul nabízí následující hlavní funkce:
1) Příprava diagnostického testu
a) Výběr klienta a nastavení jeho parametrů v diagnostickém modulu.
b) Výběr vhodných testů pro klienta dle jeho nastavených parametrů.
2) Řízení vlastního diagnostického měření ve formě on-line diagnostiky.
a) Vlastní řízení měření/prezentace stimulů na obrazovce dle nastavených parametrů a současné zpracování dat z měřícího systému HSM.
b) Interaktivní komunikace s Klientem v průběhu měření.
c) Uložení naměřených dat na serveru nebo v dedikovaném prostřední na cloudu.
Tento modul je základním on-line prvkem systému HSM, ale není jej možné provozovat autonomně. Ke své činnosti potřebuje minimálně signálový, měřící a analytický modul. Uložená data z provedené diagnostiky jsou následně zpracována do požadované formy v manažérském modulu nebo je možné je načíst pro další analýzy.
Manažérský modul
Manažérský modul umožňuje finální zpracování, reporting a prezentaci naměřených dat a dalších informací získaných na základě kompletního zpracování diagnostických měření. Manažérský modul je konečným prvkem základního měřícího řetězce systému HSM, umožňuje načíst uložené data z měření a analytických hodnocení a následně zajišťuje:
Prezentaci kompletních výsledků diagnostiky (grafy, tabulky) na obrazovce v on-line režimu a v reálném čase (zpoždění cca 20s) po ukončení diagnostického měření/experimentu.
Vytváření Závěrečné zprávy na základě interaktivního výběru z předdefinovaného obsahu. Zpráva je vytvářena ve formě PDF dokumentu
Možnost nastavení vybraných přehledové reportů pro vybranou osobu nebo skupinu osob (pacienty/klienty) s možností porovnání vybraných typů dat.
Nastavení API rozhraní pro poskytování dat externím systémům a pro další zpracování formou BI (Business Inteligence).
Návrhový modul a administrativní modul
Základní „operační“ moduly systému HSM jsou doplněny moduly, které slouží pro nastavení a správu systému ze strany administrátora systému nebo diagnostiky.
Administrativní modul spravuje administrátor systému a slouží pro zajištění kompletní autorizace a správy registrovaných uživatelů v systému. Umožňuje vytváření hierarchické uživatelské struktury na bázi následujících rolí:
Administrátor systému
Správce diagnostiky
Manažér testů
Klient/uživatel
Návrhový modul slouží primárně k návrhu diagnostických experimentů (testů) a je plně v kompetenci uživatele s rolí „Správce diagnostiky“. Umožňuje interaktivní parametrický návrh a sestavení kompletního experimentu z oblasti monitorování a sledování fyziologických parametrů člověka. V návrhovém modulu může příslušný specialista (psycholog, psychoterapeut) sestavit diagnostický test na míru pro konkrétního uživatele. Návrhový modul je vytvořen ve vizuálním stylu a nevyžaduje znalosti programování.
BIOPAC set pro profesionální měření elektrodermální aktivity (EDA/GSR) s možností rozšíření pro měření dalších fyziologických charakteristik člověka
Profesionální laboratorní systém pro měření fyziologických parametrů člověka, který je určen pro výzkumné a vývojové laboratoře. Systém je důsledně modulární a je vybaven SW pro zpracování i následné vyhodnocení a prezentaci data. V rámci projektu předpokládáme nákup základní univerzální 4-kanálové jednotky, univerzálního obslužného SW (Acqk FOR Windows) a setu pro profesionální laboratorní měření elektrodermální aktivity (EDA). Zařízení bude poptáváno v následující konfiguraci:
Základní jednotka - MP36RWSW (4-ch Acquisition Sys. with USB Cable, DC Adapter - 220V/50Hz) včetně specializovaného SW pro analýzy měření AcqK - AcqKnowledge Acquisition & Analysis Software for Windows
Připojovací sada pro měření EDA SS57LA (EDA lead for Disposable Setup) - 1 ks
Sada speciálních gelových elektrod pro měření EDA EL507 (EDA Isotonic Gel Snap Electrodes) - 1 balení a 100 ks
Modulární sada experimentálních čidel s řídící jednotkou
Výzkumný modulární komplet pro vytváření modulárních měřících systémů s využitím moderní technologie jednočipových procesorových systémů. Zahrnuje centrální procesorovou jednotku s definovaným a standardizovaným rozhraním a sadu externích modulů pro sledování různých typů biofyziologických parametrů člověka i fyzikálních parametrů prostředí (umožňuje tak komplexní analýzu člověk vs. prostředí). Součástí kompletu je také specializovaný SW pro sestavování komplexních experimentů a centralizovanou správu a obsluhu systému. Packet Environment obsahuje především:
Měřící rozhraní (USB 2.0, 6 vstupů/12 bit AD)
Čidlo O2 (0 - 100 %)
Čidlo CO2 (200 - 10 000 ppm)
Senzor EKG (0 - 5 mV)
Senzor vodivosti pokožky (0 - 5 000 AU)
Čidlo měření krevního tlaku (0 - 250 mmHg)
Čidlo znečištění ovzduší (0 - 500 µg/m3)
Čidlo rozpuštěného kyslíku ve vodě (0 - 20 mg/l)
Senzor srdečního tepu (30 - 230 bpm)
Teploměr povrchový (-5 °C - 105 °C)
Hlukoměr (30 - 130 dB)
Vybavení serverovny
V rámci projektu byla modernizována stávající serverová kapacita společnosti Slamka Consulting. Pro vývoj a operační nasazení bude pořízeno nové serverové centrum/serverovna na bázi moderní, robustní IT infrastruktury a s dostatečnou výkonovou i diskovou kapacitou, která umožní bezproblémový provoz on-line diagnostických aplikací s velmi kritickými nároky na spolehlivost a dostupnost služeb. S ohledem na to, že většina nových diagnostických systémů je koncipována jako on-line systémy, které vyhodnocují měření fyziologických parametrů v reálném čase, je toto vybavení jednou z klíčových podmínek dalšího rozvoje služeb výzkumného centra.
Popis vybavení:
2x výkonný server pro virtualizaci, min. 64 GB RAM
Diskové pole SAN (RAID 0,1) s minimální využitelnou kapacitou 10TB
2x Síťový přepínač - switch (min. 1x10Gbe)
Záložní napájecí zdroj dostatečného výkonu
Příslušenství pro instalaci v nové serverovně
Nezbytný SW pro virtualizaci, podporu provozu serverů a diskového pole
Instalační a implementační služby
VYBAVENÍ VÝZKUKMÝCH PRACOVIŠŤ
V rámci projektu byla vybavena celkem 3 pracoviště (1 kompletní HW vývojová experimentální pracoviště pro vývoj prototypů, 1 analytické pracoviště pro výzkumného pracovníka, a 1 testovací pracoviště pro laboratorní i praktické testy jednotlivých měřících zařízení, čidel a systému). Vybavení pracoviště bude spočívat v nákupu NB včetně SW.
Všechna měřící zařízení a vybavení výzkumného centra lze pronajmout za cenu 100 Kč bez DPH / hodina.
Kontakt:
Doc. RNDr. Martin Malčík, PhD.
E-mail: info@slamka.cz
Telefon: +420 603 254 759