Bağırsak Seslerinin Otomatik Tespiti İçin Biyoakustik Sensör Sistemi

15-18 Ekim 2015
Vogue Hotel Bodrum, Muğla
Biyomedikal Ölçüm 1
2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma
Bağrsak Seslerinin Otomatik Tespiti İçin Biyoakustik Sensör
Sistemi
Bioacoustic Sensor System for Automatic Detection of Bowel
Sounds
Ahmet Sefa Öztaş 1, Erdinç Türk 1, Ümit Deniz Uluşar 2, Murat Canpolat 3,
Muhittin Yaprak 4, Seyfettin Kazanr 3, Güner Öğünç 4,
Volkan Doğru4, Orhan Can Canagir 5
1
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
2
Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
3
Biyofizik Anabilim Dal
4
Genel Cerrahi Anabilim Dal
5
Makine Mühendisliği Bölümü
Akdeniz Üniversitesi
[email protected]
can extract spectral properties of the signal and present the
results in real time.
Özetçe
Bu çalşma abdominal ameliyat geçirmiş hastalarda bağrsak
aktivitesinin başladğnn gerçek zamanl tespitini ve bağrsak
ses analizini yapmak amacyla hazrladğmz biyoakustik
sensör sistemi anlatlmaktadr. Literatürde bulunan benzer
sistemlerden farkl olarak biyoakustik sensör tasarmnda iki
adet birbirine ters konumlanmş kapasitif mikrofon kullanld.
Bu sayede vücut yüzeyinden alnan bağrsak seslerinin
gürültüden arndrlmas hedeflendi. Bağrsak sesleri
genellikle 100 Hz ile 1500 Hz arasnda olup 0-20mV
genliğindedir. İşlemsel yükselteç devresinin ilk kanal ile
bağrsak sesleri 48 kat kazanç sağlanarak 0-1 V seviyesine
yükseltildi. İkinci kanalnda kullanlan mikrofon ile bağrsak
seslerine karşabilecek çevresel gürültüler (klinik oda
gürültüsü) sisteme dahil edildi. Her iki mikrofondan elde
edilen sinyaller daha sonra ADC (NI DAQ Data Acquisition
USB 6009) ile saysallaştrlarak dijital ortama aktarm
sağland. Dijital ortama aktarlan bu verilerden sinyalin
zamansal ve spektral özellikleri çkartld. Geliştirilen
yazlmla sonuçlarn gerçek zamanl gözlemlenmesi sağland.
Keywords — bioacoustic sensor; bowel sounds; operational
amplifier; electronic stethoscope.
1. Giriş
Abdominal cerrahi sonrasnda ameliyatn yaratmş olduğu
travma ve kullanlan anestezi nedeniyle bağrsak aktivitesinde
yavaşlama, durma ve komplikasyonlar oluşabilmektedir [1].
Klinik ortamlarda hastalarn durumundaki değişiklikler
düzenli kontrollerde bir stetoskop yardmyla bağrsak sesleri
dinlenerek takip edilmektedir. Fakat hastanedeki iş yoğunluğu
ve snrl sayda uzman personelin bulunmas sebebiyle
klinisyenlerin hastalar sk sk muayene etmesi nadiren
mümkün olmaktadr. Bağrsak aktivitesinin sürekli takip
edilmesiyle hastada oluşabilecek anastomoz kaçağ, pankreas
iltihab gibi çeşitli komplikasyonlarn erken tespiti mümkün
olmaktadr [2]. Bunun yannda bağrsak aktivesinin tekrar
başladğnn tespit edilmesi hastalarn erken beslenmesine
olanak sağlamaktadr. Erken beslemenin çeşitli faydalar
bulunmaktadr. Bunlardan bazlar hastalarn iyileşme
sürecinin hzlanmas, hastanede kalma süresinin ksalmas ve
ekonomik katk sağlamasdr [3].
Anahtar Kelimeler — biyoakustik sensör; bağrsak sesleri;
işlemsel yükselteç; elektronik stetoskop.
Abstract
Oskültasyon kaytlarndaki bağrsak seslerinin otomatik tespiti
için çeşitli çalşmalar bulunmaktadr. Bu çalşmalardan Ulusar
[4] çalşmasnda bağrsak seslerinin snflandrlmas için
Naive Bayes algoritmasn, gürültü tespiti içinse Minimum
İstatistik ve spektral özellik çkarma yöntemlerini kullanmştr.
Hadjileontiadis vd. [5] fraktal boyut tabanl ses kaytlarnn
karmaşklğn değerlendiren bir metot önermiştir. Yöntemde
aktivite bölgelerini tespit etmek için sabit eşik değeri
kullanmaktadr. Rekanos vd. [6] yüksek düzey istatistik
kullanmay önermiştir. Fakat bu teknik snrl sayda hastada
test edilmiştir ve çevresel etkenlere karş hassastr.
This study presents a bioacoustic sensor system developed for
early detection of the recovery of bowel activity after
abdominal surgery and to perform analysis on bowel sounds.
Different than other studies, in order to be able to attenuate
noise, two capacitive microphones oriented in opposite
directions are used. Bowel sounds are typically observed at a
frequency between 100 Hz and 1500 Hz and amplitude
between 0 and 20mV. The signal strength is boosted 48 times
with an amplifying circuit. The second microphone is used to
observe environmental noise such as examination room noise.
Both signals are digitized using an ADC (NI DAQ Data
Acquisition USB 6009). Finally, we developed a software that
Bağrsak seslerinin otomatik tespiti için geliştirilmiş
yöntemler, gerçek zamanl olarak bağrsak seslerini
978-1-4673-7765-2/15/$31.00 ©2015 IEEE
205
15-18 Ekim 2015
Vogue Hotel Bodrum, Muğla
Biyomedikal Ölçüm 1
2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma
kaydedebilecek
ve
verilerin
işleneeceği
bilgisayara
gönderebilecek
bir
biyoakustik
sennsör
sisteminden
faydalanmaktadr. Sensör geliştirme koonusunda yaplan
çalşmalardan, Luo [7] çalşmasnda kalp sesini, dolaşm ve
solunum sesinden ayran Bluetooth ile habeerleşen biyoakustik
sensör sisteminin bir prototipini üretmiştirr. Johnson vd. [8]
çalşmasnda, düşük güç tüketen dijital sinnyal işleme tabanl
bir biyoakustik sensör sistemi geliştirmiştiir. Bu sistem aşr
örnekleme ve filtre bankas kullanaraak sinyal işleme
yapmaktadr. Belloni vd. [9] ise çalşm
masnda kalp sesi
sinyallerini elde etmek ve analizini yapm
mak için sinyalleri
uyumlandrma algoritmas kullanarak bir ellektronik stetoskop
tasarm geliştirmiştir.
ksa süreli kaslmalarn sonucundda oluşur ve ani bir ses yaratr.
Çok patlama sesi bir grup tekli patlama
p
sesinin ard ardna hiç
aralk vermeden veya küçük bir
b boşluk vererek bir araya
gelmesiyle oluşur. Sessiz zam
manlar (Quite Periods (QP))
hiçbir aktivitenin ve gürültüünün olmadğ zamanlarda
gözlemlenir. Dimoulas vd. çalşmalarnda göğüs bölgesinden
a
yaplabilmesi için
gelen bütün seslerin örüntü analizinin
hiyerarşik bir ses snflandrrma taksonomisi önermiştir
(Abdominal Sounds Fine Classsification (ASFC)) [12]. Bu
snflandrma yöntemi sesten elde edilen aktivite süresi,
spektral merkez noktas ve spekktral bant genişliği gibi çeşitli
parametreleri kullanarak sesi, beş adet gürültü snfna
g
snf şunlardr;
ayrmaktadr. Belirtilen beş adet gürültü
Bu çalşmada, geliştirdiğimiz, 100-1500 Hzz frekans aralğnda
olan bağrsak seslerinin otomatik tespitini yapan biyoakustik
sensör sistemi anlatlmaktadr.
•
•
•
2. Metodoloji
•
•
Tasarmda vücut yüzeyinden ses alnm
mas için iki adet
birbirine ters yönde yerleştirilmiş mikroofonlar kullanld.
Mikrofonlarn bir tanesi biyoakustik senssör sisteminin dş
yüzeyine, diğeri ise stetoskop tarafna moonte edildi. Alnan
sesler işlemsel yükselteç ile yükseltilip filttrelendi. İki kanall
bu yükselteçte ilk kanal ile bağrsak seslerinnin, ikinci kanal ile
çevreden kaynakl gürültülerin tespiti hedeeflendi. Bu sayede
bağrsak seslerine karşabilecek çevreden kaaynakl gürültülerin
(ortamdan ve hastadan kaynaklanan gürültüler)
g
tespiti
sağland. İki kanaldan alnmş yükseltilenn sesler, bağrsak
seslerini otomatik olarak tespit edecek algorritmann bulunduğu
bilgisayara kablolu olarak gönderildi. Gelen seslerin gerçek
f
ve çeşitli
zamanl görüntülenmesine, sinyal üstünde filtreleme
analizlerin yaplmasna imkan sağlayan bir yazlm
y
geliştirildi.
Eklenen Geniş-Bant Gürüültüsü (Additive Broadband
Noise (ABN)),
Solunum Gürültüsü (Respiraatory Related Noise (RRN)),
Hareket ve Sürtünme Gürülltüsü (Movement and Friction
Noise (SN)),
mination Room Noises (AN)),
Klinik Oda Gürültüsü (Exam
Kalp Atş Gürültüsü (Heartt-Beat Related Noise (IHS)).
N ve AN seslerini ayrt etmede
Kullanlan ikinci mikrofon ABN
etkin olarak kullanlmaktadr. Vüücuttan gelen RRN, IHS gibi
seslerin tespitinde tek kanall sinyal işleme teknikleri
(filtreleme, snflandrma, spektraal özellikler) kullanlmaktadr
[4].
2.2. Donanmsal Özellikler
2.2.1.
Sensör
Çalşmamzda çeşitli mikrofon seçenekleri değerlendirildi.
Bunlardan kapasitif mikrofonnlar genel olarak diğer
mikrofonlarn aksine yüksek hassasiyet
h
ve düşük gürültü
taban içerdikleri için çalşmamzzda tercih edildi.[13]
2.2.2.
İşlemsel yükselteç devre tasarm
Biyoakustik sensör sistemi için seçilen kapasitif mikrofonlar
ile elde edilen bağrsak motilitte seslerinin genliği 0-20mV
arasndadr. Sensör ile elde edilen bu genlikteki seslerin
saysallaştrlmas için sinyaller işlemsel
i
yükselteçler ile 0-1V
seviyesine yükseltildi. İşlemseel yükselteç için kullanlan
kazanç hesab Denklem 1’ de bellirtilmektedir.
m srasndaki
Şekil 1: Biyoakustik sensörün ölçüm
pozisyonu
Şekil 1 biyoakustik sensörün vücut üzzerinde örnek bir
yerleşimini göstermektedir. Ölçüm srasndda hasta hareketleri
sonucunda ortaya çkabilecek sürtünme sessini engellemek ve
hastann üstünde sensörün sabit kalmasn sağlamak
s
amacyla
özel çift taşycl elastik dokumasz nem geçiren ve
mayan medikal bir
kullanldğnda hastada cilt tahrişi oluşturm
bant hazrland.
2.1. Bağrsak Sesinin Özellikleri
Bağrsak aktivitesi sonucunda oluşan ses; durağan olmayan,
ksa süreli, çoğunlukla kalp sesi, harekeet, nefes alma ve
çevresel gürültülerle karşmş bir şekilde gözlemlenir [10].
0
ile 0,1 saniye
Tek bir bağrsak sesinin süresi genellikle 0,02
aralğnda gerçekleşir. Bağrsak aktivitesiinin yoğunluğuyla
aktivite sonucunda oluşan ses doğru orrantl bir şekilde
gözlemlenir. Bağrsak sesleri genellikle iki çeşit aktivite
grubuna ayrlmaktadr; tek patlama (Single Burst (SB)) ve çok
patlama sesi (Multiple Burst (MB)) [10][11]]. Tek patlama sesi
Şekil 2: 2 kanall işlemsel yükselteç devre şemas.
Devre besleme gerilimi 122 volt olup 100uF bir
kondansatör ile filtrelenmekktedir. Kaliteli filtreleme
için devre üstünde tantal konddansatörler kullanld. R3,
R4, R7, R8 dirençleri ile herr iki kanal için de kazanç
değeri 48 olarak ayarland (D
Denklem 1).
206
15-18 Ekim 2015
Vogue Hotel Bodrum, Muğla
Biyomedikal Ölçüm 1
‫ܩ‬ሺ‫­݊ܽݖܽܭ‬ሻ ൌ
2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma
ܴଷ
൅ ͳ ൌ Ͷͺ
ܴସ
(1)
Biyoakustik sensör sistemi tasarmnda 2 kanall işlemsel
yükselteç olarak TL072 (Texas Instrum
ments, TX, USA)
entegresi kullanld. Yükselteç devrenin illk kanal ile vücut
yüzeyinden alnan bağrsak seslerinin yüksseltilmesi ve diğer
kanal ile bağrsak sesine karşabilecek çeevresel gürültülerin
elde edilmesi hedeflenmektedir. 1kHz’dde Vn=18nV/√Hz
seviyesinde düşük gürültülü TL072 işlemssel yükselteç 12 V
besleme gerilimine sahiptir ve ~2,6 mA akm
a
çekmektedir.
Şekil-2 tasarlanan elektronik devre şemasn göstermektedir.
2.2.3.
Veri iletimi ve saysallaştrma
Şekil 5: 3d tasarrm yan kesit.
İşlemsel yükselteç ile yükseltilen ses sinyallleri DAQ (NI-USB
6009) kullanlarak 8192 Hz ile örneklendi. Elde edilen veriler
saysallaştrlarak kablolu olarak iletildi. (Şeekil 3)
Şekil 5 biyoakustik sensör için tasarlanan mekanik tasarmn
yan kesitini göstermektedir. Stetoskop çan bölgesi hasta
derisine özel tasarm bant ile yaapştrlmaktadr. Bu düzenek
ile bant diyafram etkisi göstermekte ve stetoskop çan ise sesin
s
İlk mikrofon
akustik olarak yükselmesini sağlamaktadr.
stetoskoptan gelen bağrsak seeslerinin elde edilmesi için
stetoskop çannn içine yerleştirilldi. İkinci mikrofon ise birinci
mikrofona zt yönde ve çevreseel gürültüleri elde edebilecek
şekilde kutunun dş yüzeyine yerrleştirildi. Pil ve PCB kutunun
iç ksmna yerleştirildi. İşlemssel yükselteç ile yükseltilen
sesler kablolu olarak DAQ’ a akttarlacağ için kutuda PCB’nin
yerleştirildiği seviyede kablonunn çkş yapabileceği bir boşluk
oluşturuldu.
Şekil 3: Biyoakustik sensör sistem
mi ve DAQ
2.2.4.
Mekanik Tasarm
Mevcut stetoskoplar üzerine mikrofonuun ve elektronik
devrenin entegrasyonu pratik bir çözüm olm
madğ için yeni bir
dş tasarma ihtiyaç duyuldu. Bu tasaarm 3 bölümden
oluşmaktadr; alçak perdeden sesleri yükkseltmeye yarayan
ksm (stetoskop çan), elektronik devre kart
k
(PCB Printed
Circuit Board) yuvas, pil yuvas. (Şekil 4, Şekil
Ş
5)
Şekil 6: Tek Patlama BS. Elde
E
edilen sinyal 14 bit
hassasiyetinde 8192 Hz örnekleme oran ile
worth tipi 100 Hz yüksek
örneklendi. 2. Derece Butterw
geçiren, 1000 Hz alçak geçirren ve 50 Hz Notch filtre
kullanld.
Şekil 4: Stetoskop çan ve 3d taasarm.
207
15-18 Ekim 2015
Vogue Hotel Bodrum, Muğla
Biyomedikal Ölçüm 1
2. Gün / 16 Ekim 2015, Cuma
3. Bulgular
[7]
Şekil 6 biyoakustik sensör sistemi ile elde edilen örnek bir ses
sinyalini ve ilgili frekans spektrumunu göstermektedir. Tek
patlama sinyalinin sinyal enerjisi net bir şekilde 100-500 Hz
aralğnda gözlemlenmektedir. Çevresel gürültüden ede edilen
sinyallerde sinyalin enerjisi geniş bir aralkta bulunmakta ve
filtre snrlarna yaklaştkça gücünü kaybetmektedir. Ayrca
tek patlama sesi gibi bağrsaktan gelen sesler genelde sessiz
bir periyodun sonucunda aniden oluşan sesler şeklinde
gözlemlenmektedir. İkinci mikrofondan elde edilen sinyal
üstünde bağrsaktan gelen seslerin izi gözlemlenmemektedir.
[8]
[9]
[10]
4. Sonuçlar
Bu çalşmada, bağrsak aktivitesinin takibi için geliştirdiğimiz
biyoakustik sensör anlatld. Oluşturulan sistem ile çevresel
gürültünün alglanmas ve sürekli gözlem yaplmas mümkün
olmaktadr. Çalşma kapsamnda, donanma uygun bir
yazlmla elde edilen sinyaller görselleştirildi ve çeşitli
analizlerin yaplabilmesine uygun hale getirildi.
[11]
İlerleyen çalşmalarda, klinik ortamda kullanlmas hedeflenen
biyoakustik sensör sisteminin hasta ve klinisyen için daha
rahat kullanma sahip olmas hedeflenecektir. Bu kapsamda ilk
olarak dş sistem boyutlarnn daha küçük olmas ve veri
aktarm için kablosuz bir teknoloji kullanlmas
düşünülmektedir. Bu amaç doğrultusunda elektronik devre
kartnn
boyutlarnn
küçültülmesi
için
çalşmalar
yürütmekteyiz. Ayrca sistemde daha yüksek kapasiteli ve
daha küçük boyutlu pil kullanlabilir. Klinik ortamda kablolu
sistem kullanm rahatsz koşullara sebep olabilmektedir. Bu
sebeple kablosuz veri aktarm bir sonraki adm olarak
düşünülmektedir.
5.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[12]
[13]
Kaynakça
S. J. Lewis, M. Egger, P. A. Sylvester, ve S. Thomas,
“Early enteral feeding versus ‘nil by mouth’ after
gastrointestinal surgery: systematic review and metaanalysis of controlled trials”, BMJ, c. 323, say 7316, s.
773, Eki. 2001.
A. C. J. Windsor, S. Kanwar, A. G. K. Li, E. Barnes, J.
A. Guthrie, J. I. Spark, F. Welsh, P. J. Guillou, ve J. V.
Reynolds, “Compared with parenteral nutrition, enteral
feeding attenuates the acute phase response and
improves disease severity in acute pancreatitis”, Gut, c.
42, say 3, ss. 431–435, Mar. 1998.
D. Schroeder, L. Gillanders, K. Mahr, ve G. L. Hill,
“Effects of Immediate Postoperative Enteral Nutrition
on Body Composition, Muscle Function, and Wound
Healing”, J. Parenter. Enter. Nutr., c. 15, say 4, ss.
376–383, Tem. 1991.
U. D. Ulusar, “Recovery of gastrointestinal tract
motility detection using Naive Bayesian and minimum
statistics”, Comput. Biol. Med., c. 51, ss. 223–228, Ağu.
2014.
L. J. Hadjileontiadis ve I. T. Rekanos, “Detection of
explosive lung and bowel sounds by means of fractal
dimension”, Signal Process. Lett. IEEE, c. 10, say 10,
ss. 311–314, Eki. 2003.
I. T. Rekanos ve L. J. Hadjileontiadis, “An iterative
kurtosis-based technique for the detection of
nonstationary bioacoustic signals”, Signal Process., c.
86, say 12, ss. 3787–3795, Ara. 2006.
208
Y. Luo, “Portable Bluetooth Visual Electrical
Stethoscope research”, içinde 11th IEEE International
Conference on Communication Technology, 2008.
ICCT 2008, 2008, ss. 634–636.
J. Johnson, D. Hermann, M. Witter, E. Cornu, R.
Brennan, ve A. Dufaux, “An Ultra-Low Power
Subband-Based Electronic Stethoscope”, içinde 2006
IEEE International Conference on Acoustics, Speech
and Signal Processing, 2006. ICASSP 2006
Proceedings, 2006, c. 3, ss. III–III.
D. D. G. F Belloni, “A new digital stethoscope with
environmental noise cancellation”, 2010.
C. Dimoulas, G. Kalliris, G. Papanikolaou, V. Petridis,
ve A. Kalampakas, “Bowel-sound pattern analysis
using wavelets and neural networks with application to
long-term, unsupervised, gastrointestinal motility
monitoring”, Expert Syst. Appl., c. 34, say 1, ss. 26–41,
Oca. 2008.
R. Ranta, V. Louis-Dorr, C. Heinrich, D. Wolf, ve F.
Guillemin, “Digestive Activity Evaluation by
Multichannel Abdominal Sounds Analysis”, IEEE
Trans. Biomed. Eng., c. 57, say 6, ss. 1507–1519, Haz.
2010.
C. A. Dimoulas, G. V. Papanikolaou, ve V. Petridis,
“Pattern classification and audiovisual content
management techniques using hybrid expert systems: A
video-assisted bioacoustics application in Abdominal
Sounds pattern analysis”, Expert Syst. Appl., c. 38, say
10, ss. 13082–13093, Eyl. 2011.
D. T. Martin, J. Liu, K. Kadirvel, R. M. Fox, M.
Sheplak, ve T. Nishida, “A Micromachined DualBackplate Capacitive Microphone for Aeroacoustic
Measurements”, J. Microelectromechanical Syst., c. 16,
say 6, ss. 1289–1302, Ara. 2007.