Proceedings of Clinical Innovation

Bachelor of Science Projects in Biomedical Engineering,

Lund University

Volume 3, 2016

Editors:

Tomas Jansson, Associate Professor, Clinical Sciences Lund, Biomedical Engineering,Lund University, and Medical Services, Skane University Hospital

Hanna Isaksson, Associate Professor, Department of Biomedical Engineering, Lund University

Department of Biomedical EngineeringFaculty of Engineering, Lund UniversityBox 118SE-221 00 Lund, Swedenwww.bme.lth.se

ISSN 2001-9629Printed by Tryckeriet E-huset, Lund University, Sweden

i

Contents

Preface

Lund University Innovation System Prize in Clinical Innovation

Contents (in alphabetical order, sorted by title)

Luisa Rusconi och Danilo PupoEDR-Algorithm based on the principal angle between subspacesin case of atrial fibrillation event

Yeimy Lopez och Ellinor FrostEn implementation av Calcium Scoring for berakning och visualisering av forkalkningar i kranskarlen

Erik Andersson och Ludvig HofmannForbattring av anvandbarhet vid bildanalys hos CT-undersokningar av hjartat

Alexander Warsi och Christofer LarssonImproved method for diagnosing and rehabilitating patients with damaged brain cortex

Jennifer Hagman och Amanda LindellMedioma, en webbapplikation for information ochkommunikation inom varden

Matilda Svensson och Frida BengtssonNanowire-based retinal implants

Malin Klerstad and Robin BerglundPotentialen for kommersiellt EEG ur ett medicinskt perspektiv

Sofia Karlen och Tina KrogerSeizure Alert Dogs (SAD): En forstudie for utveckling av ett tekniskt larmsystem for epileptiker

Jenny Karlsson och Therese JohanssonUtformning av tekniskt hjalpmedel for behandling av afatiker

Fredrik Hammar och Johan FlinkeUtveckling av flodesmatning med doppler-ultraljud i prenatal fosterdiagnostik

Mikaela Giegold och Mathilda JansonUtveckling av system for flodesmonitorering vid hjartevaluering

Jessica Ericsson och Elin KorpasUtveckling av upphangningsanordning till anestesiarbetsplats

Elin Edvinsson och Sanna EvertssonUtvardering av ISFET-chip for pH-matning i karies

Anna Goos och Emma AnzenVidareutveckling av smart shunt for behandling av hydrocefalus

Jenny Johansson och Emmy SandwallYoungERinfo - en applikation som hjalpmedel pa barnakuten i Lund

ii

iii

Preface

This is the third volume in a series of Bachelor of Science theses authored by students in theBiomedical Engineering program at Lund University. Again, all theses are based on scientificproblems or clinical needs stemming from activities at Skane University Hospital or the Facultyof Medicine at Lund University. Fifteen projects are presented which cover a wide range oftopics ranging from growth of retinal cells on nanostructured surfaces and design of mobilephone applications to feedback control of infusion pumps. All projects were conducted duringthe spring 2015 in the format of a course, including also a lecture series on topics relevant to theproject development, e.g., sustainability, technical writing, ethics, and perspectives from peopleemployed by the healthcare sector and industry.

The examination consisted of a report, included in this volume, and public defense heldat Skane University Hospital on June 2, 2016 when each group gave a presentation of theirwork followed by opposition from their peers. The reports are formatted as journal papers withthe goal to train students in scientific communication; the students could choose to author thereports in Swedish (preferred) or English.

The project course is designed to have a clear focus on innovation and entrepreneurship.In these respects, the active and supportive participation of Sven Olsson and co-workers atLund University Innovation System have been instrumental—they have prepared the studentsto perform a successful pitch of their project as half-time evaluation. As conclusion of theexamination, pitching was taken to a more serious level: three projects were elected to qualifyfor the Lund University Innovation System Prize in Clinical Innovation. The best pitch wasawarded with 10 000 SEK, to be spent on further development of the project (see next page).

We would like to express our gratitude to the following persons at Skane University Hospital,the Medical Faculty at Lund University, who have willingly served as initiators and advisorsto the projects: Jonas Brannstrom, Kristjan Dereksson, Jean-Christine Eklund, Dan Ericson,Henrik Jorntell, Babar Kahlon, Merab Kokaia, Eva Langebo, Hanna Markstad, Maria Mossberg,Henrietta Nittby, Ellen Ostenfeld, Audrius Paskevicius, Maria Thereza Perez, Alicia Saavedra,Trygve Sjoberg, and Stig Steen.

We would also like to express our gratitude to the following persons who have willinglyserved as supervisors: Martin Bengtsson, Helen Fransson, Einar Heiberg, Nils-Gunnar Holmer,Thomas Kirkhorn, Johan Nilsson, Thomas Persson, Anton Spanne, Martin Stridh, Leif Sornmo,and Lars Wallman,

Lund, September 2016

Tomas Jansson Hanna Isaksson

iv

v

Lund University Innovation System Prize in Clinical Innovation

Lund University Innovation System has again this year generously offered 10 000 SEK as a prizeto the group presenting the best arguments for commercial potential or project urgency. Thesum can be used to develop the project further, for instance acquisition of materials or marketsurveys. Three groups were selected as finalists by the course management, based on the reportshanded in at the first deadline, the criteria being innovative potential, scientific execution, andquality of the written report:

• Jennifer Hagman and Amanda Lindell—Medioma, en webbapplikation for informationochkommunikation inom varden

• Sofia Karlen and Tina Kroger—Seizure Alert Dogs (SAD): En forstudie for utveckling avett tekniskt larmsystem for epileptiker

• Matilda Svensson and Frida Bengtsson—Nanowire-based retinal implants

The jury, consisting of Linus Wiebe, CEO, Lund University Innovation System, Embla Ardal,Business developer, Lund University Innovation System, and Tomas Jansson, course manager,selected Matilda Svensson and Frida Bengtsson as recipients of the prize, after having deliveredan excellent pitch for their project Nanowire-based retinal implants.

Frida Bengtsson and Matilda Svensson (right) receiving the Lund University Innovation System Prize in

Clinical Innovation from Linus Wiebe, CEO (left).

vi

1

ECG-Derived Respiratory Frequency in AtrialFibrillation - An Algorithm based on the Principle

Angle between SubspacesDanilo Sergio Pupo (BME–15), Luisa Rusconi (BME–15)

Abstract—Since the eighties many researches have focused onthe extraction of the respiratory signal by electrocardiogramin healthy patients, known as ECG-derived respiration (EDRsignal). Now the demand for reducing the number of medicaldevices, in favor of increasingly accurate algorithms, pushestowards the development of a new technique for the extractionof the EDR signal in any clinical situation, particularly in caseof atrial fibrillation. This purpose has been achieved throughthe implementation of a method based on the variation of theprincipal angle between an observed vectorcardiographic (VCG)loop and a reference loop over time. The resulting series ofestimated rotation angles reflects changes in the heart’s electricalaxis direction during the respiratory cycle. The performance ofthe new method is validated on a database containing spiro-metric and plethysmographic signals from healthy subjects. Itachieves the same value compared to the ground truth whileother tested methods reach 1.6% and 1.9% in terms of meanabsolute percentage error. On patients with atrial fibrillation theestimated respiratory frequencies are within the physiologicalrange, therefore this new method is likely to extract the ECGrespiratory information even in case of atrial fibrillation.

I. INTRODUCTION

THE acquisition and the recording of the respiratory signalis required in several clinical and non-clinical situations.

They need devices, like spirometry or plethysmography, whichare bulky, expensive and may interfere with natural breathing,unsuitable in critical applications like monitoring and sleepstudies. It is well known that the respiratory activity influencesthe ECG because of the chest movements, variations of thethorax impedance and changes in the autonomic tone [1].Specifically, the beat-to-beat variations in QRS-morphologyare caused by rotation of the electrical axis of the heart, whilethe heart rate fluctuations are more related to the variabilityin autonomic tone between inspiration and expiration phasesduring a respiratory cycle. In such way the estimated respira-tory information, ECG-derived respiratory information (EDR),can be indirectly extracted through different approaches.

A. Background

The methods to extract EDR signal could be divided inthree principal categories: those based on morphological beatvariations, on HR series and techniques which exploits both ofthem. In the first group, the work of Moody [2] and Pinciroli[3], that developed an algorithm to exploit the variation in the

Submitted June 20, 2016Email address:luisa.rusconi@mail.polimi.it, danilo.pupo@mail.polimi.itTechnical supervisor: Professor Leif Sornmo, Lund Universitet

direction of the heart’s electrical axis, can be included. Amongothers, there are methods to extract respiratory frequency fromthe dominant frequency of the estimated rotation angles ofthe electrical axis [4] or from the variations in the inertialaxis and the center of gravity of QRS-VCG loops [5]. In thesecond category the EDR could be obtained from RR intervalseries using singular value decomposition to track the mostimportant instantaneous frequencies of the interval series [6]or from HR series using S-transform [8]. These techniquesbased on HR can not be used in case of atrial fibrillation,where the RR intervals are no more regular and so they donot contain any respiratory information. The different methodscan be combined using cross-power spectrum [4] or adaptivefilters [8].

B. ThesisThe choice of a particular EDR algorithm depends on the

application. In particular those which are built on the EDRamplitude can be used for a single-lead available and for sleepapnea monitoring, while those which consider the QRS-VCGloop alignment are advisable in non-stationary situations. Aproblem, observed in these algorithms, is among others theunreliability of the estimated respiratory frequency in presenceof ectopic beats, which increases the difficulty to work onpathological signals.

The aim of this project is to develop an algorithm that istrustworthy also in case of atrial fibrillation. This is used totest the possibility to find out a respiratory pattern from ECGsignals in pathological cases, so that such breath monitoringcan be applied in more clinical conditions.

C. AgendaFor the development of the algorithm, the first step is the

removal of the ectopic beats from ECG signals, which do notcontain breathing information and alter the results. Then twomethods are applied on non-pathological ECG signals, whosedatabase also contains breathing signals used as ground-truth.The reason is to choose the more reliable EDR algorithmthrough a comparison of the estimated respiratory frequencywith the ground-truth. At the end the EDR algorithms areapplied on ECG with atrial fibrillation to verify the thesis.

D. OtherThe project consists in developing a new diagnostic method

for respiratory frequency detection, which could be imple-mented in any commercial device used already for ECG

2

recording. Thus, it is a 100% software method and no morematerial is required to achieve the aim. The environmentalimpacts are controlled if the device that implements thealgorithm fulfils the requirements, but the design of this devicedoes not concern this project.

II. DATA

The database, used for verifying the reliability of the al-gorithms, contains ECG and respiratory signals of apparentlynon-pathological three young subjects (the “ECG & Resp”database of Politecnico di Milano, Italy) [9]. The signals wereacquired at a sampling rate of 1000 Hz and had a durationof about 24 min. The ECG signals were recorded by usingthe orthogonal Frank leads X, Y and Z. Two different typesof respiratory signals were originally recorded based on eitherair flow measurements (spirometry) or volume changes of thebody (plethysmography).

Two recordings with subjects in atrial fibrillation are ran-domly selected from the database of Stridh et al. [16] and usedto test the possibility to extract a breathing signal from ECG.The signals were acquired at a sampling rate of 1000 Hz andhad a duration of 5 min. The ECG signals were recorded byusing 9-leads.

Any explicit connection to personal patient data, such as thepersonal identity number or home address, are not includedin the two databases. Moreover, the database of Politecnico diMilano is public available and the database of Lund Universityhas been approved by the local ethic committee according withthe rules in the Personal Data Act, so this project does notrequire further authorizations for the treatment of data.

III. METHODS

A. Development of the algorithm

The changing in the direction of electrical axis of theheart during the respiratory cycle, which affects the beatmorphology of the ECG signal, leads to the estimated EDRsignal. Different EDR algorithms based on beat-to-beat mor-phological variations can be implemented and they differ aboutthe method to estimate these fluctuations. In this project twodifferent methods are developed and tested on the Pincirolidatabase [9] for a comparison, which conduces to the choiceof the more reliable and suitable one for each application, evenin case of atrial fibrillation.

A pre-processing on the raw ECG is required for allmethods; it includes the attenuation of baseline wander, inorder not to introduce a rotation of the electrical axis unrelatedto respiration, and the detection of QRS complex. Thesesteps are carried out following the Pan Tompkins algorithm[11]. Generally if some ectopic beats are detected, they arereplaced with a QRS complex; however in this project theyare not considered in the detection of the R-peaks in order toavoid interferences in the EDR. The modified Pan Tompkinsalgorithm used is now described.

First of all, DC offset cancellation is applied on the ECGlead, then a third order band-pass digital Butterworth filter witha cut-off frequency at 5Hz and at 15 Hz is used to get rid ofbaseline wander and high frequency noise. A derivative filter

Figure 1. Illustration of the R peaks projected on the plane jk.

is applied on the lead for the selection of the QRS complexin the frequency domain and then the output is squared toenhance this frequency band getting a single positive signal. Anormalization occurs after each step. After averaging to avoidspurious peaks, a thresholding on this signal allows to detectthe QRS complexes. In that way, the starting and ending pointsof each QRS complex can be extracted and saved in order tocalculate the QRS time intervals. This is useful to make somecontrols with a variable threshold for each beat to detect anddiscard ectopic beats. These checking steps are based on:

– the time interval of the QRS complex, which should beincluded within 80ms and 190ms;

– the minimum limit for the RR-interval, which is fixed ata threshold value between 450 ms and 650 ms accordingto the statistical distribution of RR-intervals in order toexclude eventual ectopic beats;

– the beat morphology, which should resemble a normalbeat.

First method: two-lead QRS peak algorithmThe first method explores the variations of R peaks’ amplitudeover the ECG during the breathing cycle. It is a basic methodused to verify the possibility to extract a respiratory signalfrom ECG. The projection of R peaks on the plane defined bytwo leads is considered. The fluctuation of the angle θjk(ti)between this projection and a reference lead is used to estimateEDR signal (Fig. 1). The angle is defined as:

θjk(ti) = arctan

(R amplitudek(ti)

R amplitudej(ti)

)(1)

Second method: VCG loop alignment algorithmThe second method is based on the work of Leanderson etal. [4]. It takes in consideration the analysis of the relativeposition of VCG loops in the space, which have the sameloop morphology and different directions in space dependingon which phase they occur in the respiratory cycle.The VCG loops are saved in a 3 × N matrix Y, where Nis the length of the loop, and a reference loop is extractedfrom these. It is defined as the average of the first ten loopsin the recording with similar morphology in order to create

3

Figure 2. Example of three successive VCG loops in the space. The dashedVCG loop represents the reference loop.

a reference loop with an improved signal-to-noise ratio. Inparticular, initially two loops are aligned using Procrustesmethod, then the reference loop is taken as the average ofthe two loops. Next, the third loop is aligned to the referenceloop and a new average is computed, and so on until ten loopshave been averaged (Fig. 2).After that, a normalization of the data is applied, just to getmeasurements within the same range, and finally Procrustesalgorithm is applied to align each observed VCG loop tothe reference one in order to extract the variation anglebetween them. Procrustes method is based on the similaritytransformation, which computes the best rotation matrix Q andtime shift matrix Jτ according to a minimization of distancebetween the observed VCG loops in the matrix Y and thereference loop YR, i.e.

ε2min = minQ,τ|Y−QYRJτ |2F (2)

Considering the estimated rotation matrix R defined:

Q =

* sinϕZcosϕY sinϕY* * sinϕXcosϕY* * *

(3)

it is possible to obtain three angles ϕX ,ϕY and ϕZ , whichdescribe the rotation of each VCG loop. The variation ofthese angles along the time represent the EDR signals, butthe respiration-induced variation is not equally visible in allof these. This means that one should try to select that anglewhich has the largest variation. There are different approachesto estimate the maximum angle of variation using:

– Averaging of the three lead-dependent spectraThe averaging is done with the intention to reduce thebackground noise level in order to extract the informationfrom all the angles. They are simply averaged together.

– The coherence between two anglesThe magnitude-squared coherence is a function of thepower spectral densities and the cross power spectraldensity. It considers the similarity between two signalsat each frequency. High coherence means that the twosignals, EDR signals from two different angles in thiscase, are well correlated at a certain frequency andthe highest value is taken as the value of respiratoryfrequency. This approach is based on the Matlab funcionmscohere().

– The principal angle between subspacesIn this project an innovative way to extract the largestvariation between VCG loops and the reference loopis implemented taking into account the principal anglebetween subspaces. In this case the variation of the anglebetween VCG loops is no more extracted through thealignment of the VCG loop to the reference one. With amathematical point of view, let (X, 〈·, ·〉) be a real innerproduct space and two nonzero, finite-dimensional sub-spaces U and V of X. If U = spanu,w2 , ...,wp andV = spanv ,w2 , ...,wp are p−dimensional subspacesof X that intersects on (p − 1 )−dimensional subspaceW = spanw2 , ...,wp with p ≥ 2 , then the angle θbetween U and V may be defined by

cos2θ =‖ v⊥

W ‖2

‖ u⊥W ‖2

(4)

where u⊥W and v⊥

W are the orthogonal complement of uand v , respectively on W. So the value of cos θ is equalto the ratio between the volume of the p−dimensionalparallelepiped spanned by the projection of u,w2 , ...,wp

on V and the volume of the p−dimensional parallelepipedspanned by u,w2 , ...,wp . From this, the angle betweena p−dimensional subspace U = spanu1 , ...,wp and aq−dimensional subspace V = spanv1 , ...,wp (withp ≤ q such that the value of its cosine is equalto the ratio between the volume of the p-dimensionalparallelepiped spanned by the projection of u1 , ...,wp

on V and the p−dimensional parallelepiped spannedby u1 , ...,wp . The ratio is a number in [0,1] and isinvariant under any change of basis for U and V [13]. Instatistics, canonical (or principal) angles are studied asmeasure of dependency of one set of random variableson another. If the angle is small, the two subspaces arenearly linearly dependent. Considering every VCG loopsas subspaces, it is possible to find out the amount ofvariation between them through the calculation of theangle between subspaces. This approach is based on theMatlab funcion subspace(), which ensures that smallangles are computed accurately and it allows subspacesof different dimensions following the definition in [14].

B. Estimation of the respiratory frequencyThe comparison of the methods is carried out looking

at the estimated respiratory frequencies and the true onesobtained from spirometry or plethysmography. The respiratoryfrequency is considered as the frequency corresponding tothe maximum peak of the power spectral density, which isobtained from the Fast Fourier Transform (FFT) and fromWelch’s estimation. The last one takes care of reducing thenoise in the estimated power spectra in exchange for reducingthe frequency resolution. Considering different length for thesignals and sampling frequency at 4Hz, the window for theWelch’s method is different for each database. So in presenceof a signal around 6000 samples long, the window is 360samples with an overlap of 180 samples. However with asignal around 1200 samples long, the window is 70 sampleswith an overlap of 35 samples.

4

Before the estimation of the respiratory frequency, a pre-processing on the EDR signal has been applied. In particular,a resampling with a cubic spline at 4Hz and a low pass filterare applied respectively in order to obtain uniform sampledsignal and to extract and remove the baseline wandering, soreducing the risk of spurious peak selection, which would notbe physiologically motivated in that frequency range [4]. Inthis way, the Lombs’ method, which is used for estimating thepower spectrum of a random sampled signal, can be skipped. Ithas also been applied to the EDR signal before the resamplingto compare the results.

C. Extraction of EDR signal from ECG signal with atrialfibrillation

After the development and the comparison of differentmethods, they are tested on Stridh’s database [16] to findout respiratory pattern from ECG signals in case of atrialfibrillation (AF). The data require a sort of preprocessingbefore applying EDR-algorithms, in particular it is necessaryto remove the baseline and to obtain the orthogonal Frankleads.

The baseline removal is based on a linear, time-invariantfiltering, precisely the technique of the sampling rate alteration[12]. This follows three principal steps: decimation of the orig-inal signal to a lower sampling rate better suited to the filter(in this case 10Hz), fifth order lowpass digital Butterworthfiltering (with a normalized cut-off frequency of 0.002*10Hz)and interpolation of the processed signal back to its originalsampling rate. In this way the baseline wander is extracted andthen subtracted from the ECG signal. The orthogonal Frankleads can be synthesized from the standard 12-lead ECG bymeans of the inverse Dower transformation [10]. The next stepis the detection of the QRS complex in the frequency domainas it has been done to healthy subjects and described above.If the time instant, given by the database and related to eachbeat, is within the estimated QRS interval, the detected QRScomplex is accepted; otherwise, a fixed temporal window of120 ms, centered in the given time instant, is considered.

After the preprocessing, the methods described above areapplied.

IV. PERFORMANCE EVALUATION

The three approaches of the second method, above de-scribed, are tested and compared on the Pinciroli database [9].The two-lead QRS peak algorithm has been implemented andtested on the same databese just to verify the possibility todetect respiratory signal form the ECG data.

The comparison is carried out looking the estimated res-piratory frequency from the EDR and the true respiratoryfrequency from spirometry and plethysmography. The meanabsolute percentage error is a good index to verify the accuracyof a method. The smaller this index is, the more accurate isthe method. It is calculated as:

ε =1

n

n∑t=1

∣∣∣∣At − FtAt

∣∣∣∣ (5)

where At is the actual/true value, Ft is the forecast/estimatedvalue and n is the number of patients.

Figure 3. Comparison of the FFT and Welch’s method for EDR signal ofthe first patient by subspace method.

V. RESULTS

In this section the obtained EDR signals are presented andthe estimated respiratory frequencies are shown in case ofsinus arrhythmia and atrial fibrillation. The three approacheshave been applied in both cases in order to compare the accu-racy in estimation. All of them start from the representationof the VCG loops and the computation of the reference loop,an example is shown in the Fig. 2. Successive VCG loopsare arranged on different planes in the space depending onwhich phase they occur in the respiratory cycle. Then differenttechniques explained above are implemented to obtain therespiratory frequencies. These are estimated through FFTgetting high frequency resolution and Welch’s method forreducing noise in the power spectrum.

A. Data with sinus arrhythmia

In the Pinciroli database, the respiratory information comingfrom simoultaneous spirometric and plethysmographic record-ings are available and they are used as ground truth onpatients with sinus arrhythmia to get a comparison of thedifferent methods. The performances of the three approachesare described by the percentage error of the estimated respira-tory frequencies with respect to the values of spirometry andplethysmography, see last two rows in Table I.

Table IRESULTS OF THE THREE APPROACHES OF THE SECOND METHOD ON

PINCIROLI DATABASE [9] COMPARED WITH SPIROMETRY ANDPLETHYSMOGRAPHY.

Average Coherence Subspace Sp. Pl.Patient1 0.242 0.233 0.242 0.242 0.242Patient2 0.087 0.107 0.105 0.105 0.105Patient3 0.165 0.152 0.148 0.171 0.148Error Sp. 8.17% 4.3% 12.8% – –Error Pl. 1.9% 1.6% 0% – –

The table also shows the frequency value in Hz correspond-ing to the maximum in the estimated power spectrum of theEDR signal, making use of Welch’s method. The coherencevalues written in the table I refer to the coherence between theangle ϕX and the angle ϕY , because only this offers results ina physiological range. The subspace method has demonstratedto achieve the same value of the ground truth in all the threecases. In particular, the EDR signal by subspace method is

5

Figure 4. Comparison of the EDR signal extracted through the subspacemethod with spirometry and plethysmography for the first patient with sinusarrhythmia

Figure 5. EDR signal estimated from patient2 with atrial fibrillation

more close to the plethysmography than the spirometry. Theresults from FFT are in agreement with the ones obtained byWelch’s method as in Fig. 3.

The Fig. 4 shows the ECG-derived respiratory signal incomparison with spirometric and plethysmographic signalswhen the subspace approach is applied. The EDR signal isreconstructed interpolating with a spline the amplitudes of theprincipal rotation angle between subspaces. The three signalsare resampled at a frequency of 4Hz.

The Fig. 7 illustrates how the frequency peak of the es-timated EDR signal changes as a function of the time. Thepower spectra is computed on consecutive 30 sec with anoverlap of the 50% in a subject with sinus arrhythmia.

B. Data with atrial fibrillation

The table II shows the respiratory frequency estimatesapplying the three different approaches on two patients with anatrial fibrillation event affecting the ECG measurements. Thecoherence approach has got some non-physiological valuesof respiratory frequency and for this reason they have beenrejected for this study. A comparison with a ground truthand the resulting mean absolute percentage error could notbe carried out because of the lack of respiratory data. Theresults from FFT are in agreement with the ones obtainedby Welch’s method, but one should notice from the Fig. 6that the Welch’s method does not achieve the same result ofthe Lomb’s method since it takes into account an average ofseveral FFT on a window.

Table IIRESULTS OF THE THREE APPROACHES OF THE SECOND METHOD ON

DATABASE WITH PATIENTS IN ATRIAL FIBRILLATION.They represent the estimated respiratory frequency in Hz obtained with

Welch’s method.

Average Coherence SubspacePatient1 0.183 – 0.356Patient2 0.184 – 0.224

Figure 6. Comparison between Lomb’s method and FFT after the resamplingof the EDR singal for the second patient

The Fig. 5 shows the respiratory signal estimated throughthe subspace approach while the Fig. 8 illustrates the respi-ratory frequency changing over time in a patient with car-diac arrhythmia. The signals were resampled at 4Hz beforeapplying the FFT and Welch’s method for computing thedominant frequency. In this case, the uneven sampling is dueto the abnormal heart rhythm, so the Lomb’s method forthe power spectrum estimate has been applied as well beforeresampling. Anyway no relevant difference has been noticed inthe frequency estimate before and after the resampling step.The highest peaks of the two techniques correspond to thesame frequency as shown Fig. 6.

VI. DISCUSSION

The present study wants to demonstrate the possibility toextract an EDR signal even in case of cardiac arrhythmia,like during an atrial fibrillation event. The development ofa new EDR algorithm has started from the initial assump-tion of exploiting morphological beat variation instead ofHR fluctuations, since we are dealing with irregular heartrhythms due to a pathological source. Thus, the new algorithmshould be able to distinguish and extract just the physiologicalfeatures that could contain respiratory information in the ECGrecording and exclude those affected by cardiac dysfunctions.This aspect represents many times the cause of unreliabilityfor the traditional methods exploiting the QRS-VCG loopalignment.

A typical issue for example is the presence of ectopic beatsin the recording, which generally is faced with the substitutionof them with arbitrary standard beats. The procedure appliedin this work instead consisted instead of the recognition andremoval of ectopic beats already in the QRS-complex detectionstep, in a way not to alter the original information containedin the signals. This new detector was developed and testedjust on patients with sinus arrhythmia and the results look

6

positively influenced. In a future work, the effective advantagesof this solution should be evaluated more closely, since thisanalysis was beyond the scope of this project and it is omittedhere. However, if it turns appropriate, the concept could bealso extended to work fine in patients with paroxysmal atrialfibrillation for the removal of ectopic beats, which frequentlyprecede the event [15]. In patients with atrial fibrillation, theQRS-complex detector above was substituted with anotherone, which selects the QRS-interval in the frequency domain inorder to enhance only the beat-to-beat morphology variationsconnected with the respiratory cycle. It provides better perfor-mances than just selecting a fixed time window, compatiblewith the duration of a standard QRS-interval and centred onthe given heartbeats instants.

Since we focused the study on the respiratory-inducedchanges in the direction of the electrical heart axis, theorthogonal Frank leads X, Y and Z were considered topoint out suitably this kind of variations for estimating therespiratory frequency, as demonstrated in [4]. Anyway, inthe first implemented method, just two out of three Frankleads were employed in the two lead QRS-peak algorithm, butthis has shown up a loss of information when the principalaxis of variation has not been taken into account. Giventhis result, the implementation of a more robust algorithm,which makes use of all the three orthogonal leads and themorphology of the whole QRS interval, was considered tomeet our intent properly. In a case of atrial fibrillation in fact,some pathological features in the ECG constitute an addednoise component, which could mask the respiratory patternwe would like to extract.

The estimation of the respiratory frequency from the threerotation angles has represented the principal focus in our study.The respiration-induced variation is not equally visible in allleads and this means that usually one should try to selectthat angle which has the largest variation, by comparing, forexample, the spectral peak of the respective leads. Anotherapproach, which is commonly applied, is to perform averagingof the three lead-dependent spectra in order to reduce the back-ground noise level. In this project, in addition to averaging,other two innovative ways of combining angles were actuallytried.

The spectral coherence is used to investigate the presence ofa strong relation between two angles at a specific frequency,which means in our case that they agree in providing avalue of respiratory frequency. This approach concurs withthe others in patients with sinus arrhythmia but it was rejectedin case of patients with atrial fibrillation, since it has ledto non-physiological values of respiratory frequency. Theimpossibility of getting an estimate through this approachin patients with atrial fibrillation could suggest that the res-piratory signals we are trying to extract are non-stationary,since the spectral coherence cannot deal with the time-varyingspectral variations. The non-stationarity of our respiratorysignals in atrial fibrillation would be confirmed by the time-varying power spectrum of the EDR-signal obtained throughthe second proposed approach based on the principal anglebetween subspaces. As one can easily notice from Fig. 8the breathing pattern looks much more irregular in atrial

Figure 7. Power spectra computed on consecutive 30 seconds segments withan overlap of 50% in the EDR signal in a subject with sinus arrhythmia

Figure 8. Power spectra computed on consecutive 30 seconds segments withan overlap of 50% in the EDR signal in a patient with atrial fibrillation

fibrillation than in case of the subject with sinus arrhythmia,Fig. 7.

Moreover, This new approach does not consider the pre-liminary Procrustes alignment between VCG loops but it justtakes into account the principal angle between an observedVCG loop and the reference loop. Its performance turned outto be superior to the other ones, as one can see from tableI. This could be explained from the fact that it extracts theangle related to the beat-to-beat largest variation, instead ofconsidering just the rotational angle around the origin whichminimizes the mean quadratic error.

A prerequisite for considering the present method is thatthe signals should be recorded by using an orthogonal leadconfiguration in order to get the VCG, which can be alsosynthesized from the standard 12-lead ECG by using a suitablemathematical transformation (like Dower transformation in ourcase). The performance of the algorithm in patients with atrial

7

fibrillation has been assessed just watching at the results, sincea ground truth was not available. Thus, a comparison withthe simultaneously recorded respiratory signals is required inthe future. Further developments should lead to handle morechallenging signals, with the purpose of dealing with paroxys-mal atrial fibrillation and other types of cardiac dysfunctions.It would also be important to verify and eventually increasethe robustness of this method when just two of the threeorthogonal leads are used.

VII. CONCLUSIONS

The development of a new EDR algorithm based on princi-pal angle between subspaces to extract respiratory signal froman ECG has proved to be trustworthy on healthy subjects.Physiological patterns have been obtained even in case ofpatient with atrial fibrillation, that validates the thesis of thisproject. This work accomplished a further step towards therealization of a single computerized system which permitsrespiratory monitoring in every clinical condition.

VIII. AFTERWORD

The authors are grateful to Prof. Sornmo, who provided thedatabase and always supported the project with his appropriateand concrete suggestions.

REFERENCES

[1] J. T. Flaherty, S. Blumenschein, A. W. Alexander, R. D. Gentzler,T. M. Gallie,and J. P. Boineau. “Influence of respiration on recordingcardiac potentials,” Am J Cardiol, 1967.

[2] G. Moody, R. Mark, R. Zoccola, and S. Mantero. “Derivation of respi-ratory signals from multi-lead ECGs,” Proc. Computers in Cardiology,pp. 113–116, IEEE Computer Society Press, 1986.

[3] F. Pinciroli, R. Rossi, and L. Vergani. “Detection of electrical axisvariation for the extraction of respiratory information,” Proc. Computersin Cardiology, pp. 499–502, IEEE Computer Society Press, 1986.

[4] S. Leanderson, P. Laguna, and L. Sornmo. “Estimation of the respiratoryfrequency using spatial information in the VCG,” Med. Eng. Phys., vol.25, pp. 501–507, 2003.

[5] A. Bianchi, G. Pinna, M. Croce, M. L. Rovere, R. Maestri, E. Locati,and S. Cerutti. “Estimation of the respiratory activity from orthogonalECG leads,” Proc. Computers in Cardiology, vol. 30, pp. 85–88, IEEEPress, 2003.

[6] B. Pilgram, and M. Renzo. “Estimating respiratory rate from instanta-neous frequencies of long term heart rate tracings,” Proc. Computers inCardiology, pp. 859–862, IEEE Computer Society Press, 1993.

[7] M. Varani, G. D. Paolis, M. Emdin, A. Macerata, S. Pola, M. Cipriani,and C. Marchesi. “Spectral analysis of cardiovascular time series bythe S-transform,” Proc. Computers in Cardiology, vol. 24, pp. 383–386,IEEE Press, 1997.

[8] M. Varanini, M. Emdin, F. Allegri, M. Raciti, F. Conforti, A. Macerata,A. Taddei, F. Francesconi, G. Kraft, A. L’Abbate, and C. Marchesi.“A respiration-related EKG database,” Proc. Computers in Cardiology,pp. 477–80, IEEE Computer Society Press, 1988.

[9] M. Pinciroli, G. Pozzi, R. Rossi, M. Piovosi, A. Capo, and R. Olivieri.“Adaptive filtering of ECG signal for deriving respiratory activity,” Proc.Computers in Cardiology, pp. 621–624, IEEE Computer Society Press,1990.

[10] L. Edenbrandt, and O. Pahlm. “Vectorcardiogram synthesized from a 12-lead ECG: superiority of the inverse Dower matrix,” J Electrocardiol.,vol. 21, no. 4, pp. 361–367, 1988.

[11] J. Pan, and W. Tompkins. “A Real-Time QRS Detection Algorithm,”IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, vol. BME-32, no. 3, 1985.

[12] L. Sornmo and P. -Laguna, Bioelectrical signal processing in cardiacand neurological applications. ELSEVIER ACADEMIC PRESS, 2005.

[13] H. Gunawan, O. Neswan, and W. Setya-Budhi. “A formula for anglesbetween subspaces of inner product spaces,” Contributions to Algebraand Geometry, vol. 46, No. 2, pp. 311–320, Heldermann Verlag, 2005.

[14] P. A. Wedin. “On angles between subspaces of a finite dimensional innerproduct space,” Matrix Pencils, Lecture Notes in Mathematics, vol. 973,pp. 263–285, Springer, 1983.

[15] J. E. P. Waktare, K. Hnatkova, S. M. Sopher, F. D. Murgatroyd, X. Guo,A. J. Camm, and M. Malik. “The role of atrial ectopics in initiatingparoxysmal atrial fibrillation,” European Heart Journal,vol.22, issue 4,pp. 333–339, The European Society of Cardiology, 2001.

[16] M. Stridh, L. Sornmo, C J. Meurling, and S. B. Olsson. “SequentialCharacterization of Atrial Tachyarrhythmias Based on ECG Time-Frequency Analysis,” IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL EN-GINEERING, vol. 51, no. 1, pp. 100–114, IEEE, 2004.

1

En implementation av Calcium Scoring forberakning och visualisering av forkalkningar i

kranskarlenYeimy Lopez Martinez (BME–13), Ellinor Frost (BME–12)

Sammanfattning—Calcium Scoring utfors med hjalp av da-tortomografi och ger ett densitetsberoende matt pa mangdenkalcium i kranskarlen. Idag gors Calcium Scoring pa Lunds Uni-versitetssjukhus for att bedoma risken for kranskarlssjukdomarhos asymtomatiska patienter. I detta projekt har vi fatt i uppdragav foretaget Medviso AB, i samarbete med Lunds Universi-tetssjukhus, att skapa en Calcium Scoring-funktion. Malet vardarefter att implementera denna metod i bildanalysprogrammetSegment-CT vilket inriktar sig pa analys av CT-bilder pa hjartat.

Tva metoder implementerades i MATLAB, Agatston Scoreoch Volume Score, samt tva olika visualiseringsfunktioner. Deolika score-metoderna gav information om mangden kalcium ikranskarlen medan visualiseringarna gav en fargkodad- samt en3D-bild pa utbredningen av kalcium i kranskarlen. Funktionernatestades och analyserades i bildanalysprogrammet Segment medhjalp av fem olika CT-bilder. Detta gav ett tydligt resultatmen det visade sig att de beraknade scoren avvek fran resultatgjorda av andra bildanalysprogram. Avvikelsen berodde pa attberakningarna inte var anpassade for olika CT-installningar ochytterligare arbete kvarstar innan metoden kan implementeras iSegment-CT.

Nyckelord: Calcium Scoring, Agatston Score, visualisering,ateroskleros, Segment.

I. INTRODUKTION

H JART- och karlsjukdomar ar den vanligaste dodsorsakeni Sverige [1], varje ar drabbas 28 000 personer av

hjartinfarkt varav cirka 7 000 avlider [2]. Hjartinfarkt orsakasav fortrangningar i kranskarlen som i sin tur har orsakatsav plack som kan vara forkalkade eller icke forkalkade [2].Vid tidigare studier har det med hjalp av bland annat stressekokardiografi, intravaskulart ultraljud och histopatologiskametoder faststallts att forkalkade plack har ett nara sambandmed sjukdomstillstandet ateroskleros. [3] Calcium Scoring haridag visat sig vara en av de mest palitliga metoderna for attfaststalla detta samband [4].

A. Bakgrund

1) Ateroskleros: Kranskarlssjukdomar, daribland ateroskle-ros, ar en av de vanligaste sjukdomsgrupperna i industria-liserade lander [5] och star for den ledande dodsorsaken ivastvarlden [4]. Hjartinfarkt orsakas av ateroskleros som i

Inlamnat den 3 juni 2016E-mailadress:bte12ylo@student.lu.se, mte12efr@student.lu.seTekniska handledare: Einar Heiberg, Medviso ABHandledare: Helen Fransson, Medviso ABKlinisk handledare: Hanna Markstad, Klinisk Fysiologi, SkanesUniversitetssjukhus

sin tur bland annat beror pa riskfaktorer som hogt blodtryck,rokning och hogt kolesterol [6]. Om patienten inte behandlaseller ingen atgard gors resulterar det i framtida plackbildningari kranskarlsvaggarna och risken for hjartinfarkt uppstar [7] [5].

Hjart- och karlsjukdomar som hjartinfarkt och aterosklerosstar idag for stora kostnader inom sjukvarden. Kostnaderna forhalso- och sjukvarden i Sverige uppgick under ar 2010 till 25miljarder kronor. [8] For att tidigt kunna upptacka kalcium ikranskarlen och darmed minska risken for plackbildning kravsdet en effektiv och palitlig metod. En tidig upptackt lederocksa till minskade kostnader inom sjukvarden.

Idag upptacks kalk i kranskarlen med bade invasiva metodersom till exempel invasiv angiografi och intravaskulart ultraljudsamt icke invasiva metoder som CT-angiografi. Nya metoderhaller pa att utvecklas och idag anvands mer frekvent datorto-mografi (CT) utan kontrast. Calcium Scoring ar en av dessametoder och anses sakrare och lampligare for berakning avmangden kalk och dess allvarlighetsgrad. [3]

2) Calcium Scoring: Calcium Scoring ar ett densitetsbe-roende matt pa mangden kalcium i kranskarlen. Det finnstre satt att berakna hur forkalkat ett omrade i hjartat ar,dessa ar Agatston Score, Volume Score och Mass Score.De bygger pa hur mycket rontgenstralning som dampas ikroppsvavnader och ger en CT-bild som darmed ar beroendeav tathetsfordelningen i vavnaden. Dampningsformagan berorpa vavnadstypen och mats i enheten Hounsfield Unit, HU [9].Om ett omrade har ett HU ≥ 130 betraktas det som ett omrademed kalcium och tas med i berakningen.

Agatston Score (AS) ar det aldsta mattet att mata kalciumpa. For att berakna AS multipliceras de kalcifierade omradena(mm2) i hjartats kranskarl med en viktningsfaktor som berorpa vilket HU omradet har, se tabell I. Viktningsfaktorerna ar1, 2, 3 och 4 och bygger alltsa pa dampningsformagan [10].Darefter summeras alla viktade omraden och ger ett totaltAS (1), dar ni ar antalet pixlar som ska viktas med faktorn ioch A ar arean for en pixel [10] [11].

Da AS-metoden introducerades anvandes EBCT (ElectronBeam Computerized Tomography), aven kallad UltrafastComputed Tomography. Nar AS beraknades anvandes in-stallningarna 120 kV och 80 mAs enligt Hanna Markstad(thoraxradiolog, klinisk fysiologi, SUS) samt en snittjocklekoch ett snittgap pa 3,0 mm respektive 0 mm [12]. Dessainstallningar blev standard och anvands an idag.

AS = A ∗4∑

i=1

ni ∗ i (1)

2

Tabell IHOUNSFIELD UNIT OCH MOTSVARANDE VIKTNINGSFAKTOR

HU Viktningsfaktor, i

130 ≤ HU < 200 1200 ≤ HU < 300 2300 ≤ HU < 400 3

400 ≤ HU 4

For att berakna Volume Score (VS) summeras alla kal-cifierade volymer (mm3) i hjartats kranskarl som har ettHU ≥ 130 [3]. Vid berakning av Mass Score (MS) anvandsaven har en viktningsfaktor som ar proportionell mot HU ochkranskarlet anses kalcifierat da voxeln har ett HU ≥ 130. Vidberakning av MS kravs dock ocksa en kalibrering, i milligramkalcium hydroxylapatit, med hjalp av en kalibreringsfantomeller en kalibreringsfunktion. Detta matt ar den basta indika-torn for att bestamma mangden kalcium i kranskarlen eftersomdet nastintill ar oberoende av tekniska faktorer. Den anvandsoftast som standard for Calcium Scoring [11].

B. Syfte

Malet med detta projekt var att implementera en plug-in till bildanalysprogrammet Segment-CT. Plugin-programmetska ge anvandaren mojligheten att upptacka och analyserakranskarlsfortrangningar med hjalp av Calcium Scoring.

Pa Lunds Universitetssjukhus anvands idag bildanalyspro-gram sasom syngo.via, IntelliSpace Portal och SECTRA. Detva forstnamnda innehaller Calcium Score-funktioner ochanvands fordelaktigt vid analys av bilder tagna fran samma CT-maskinleverantor. SECTRA ar oberoende av CT-maskin men armer inriktad pa andra delar av kroppen som hjarnan, lungornaoch blindtarmen for att till exempel detektera tumorer ochstroke.

Da Segment-CT ar inriktad for analys pa hjartat och dess-utom ar leverantorsoberoende samt forvantas anvandas inombade sjukvard och forskning, vill vi vidareutveckla mjukvaranoch komplettera den med en Calcium Score-funktion. Syftetmed detta projekt ar att undersoka och berakna ett CalciumScore samt att aven gora det mojligt for anvandaren att visuelltkunna bedoma bilden utifran ett 2D- och 3D- morfologisktperspektiv. Med hjalp av detta gar det att tidigt upptackakranskarlsfortrangningar innan det hinner leda till infarkt ochbli akut.

C. Segment-CT

Segment-CT ar ett svenskt medicinskt bildanalysprogramsom ar utvecklat av foretaget Medviso AB i Lund. Program-varan ar en vidareutveckling av forskningsmjukvaran Seg-ment, vilken ar kompatibel for analys av MR-, CT-, SPECT-och PET-bilder. Mjukvaran ar leverantorsoberoende och korsantingen fran kallkod i MATLAB eller som ett fristaendeprogram [13].

II. DATA

I projektet har det anvants fem olika CT-bilder fran patientA, B, C, D och E. Varje patientbild inneholl mellan 47-82

bilder per CT-stack, se tabell II. Alla bilderna var i DICOM-format, vilket ar ett format som inte bara innehaller informa-tion om sjalva pixeldatan utan aven patientinformation, vilkenCT-scanner som anvants samt antal snitt. DICOM star forDigital Imaging and Communications in Medicine och ar enstandard som anvands inom sjukvarden for hantering, lagring,utskrift och overforing av medicinska digitala bilder och infor-mation relaterad till dessa [14]. CT-bilderna fran patient A ochB har huvudsakligen anvants for att testa berakningsmetodernaoch implementationerna som gjorts under projektets gang.Implementationen gjordes i MATLAB och mjukvaran Segmenthar varit det bildanalysprogram som anvants for att testa denpa. Resterande CT-bilder anvandes sedan i samma syfte.

Undersokningen av patienterna var gjorda i tva olika CT-scanners. Innan projektet paborjades tillhandaholls AgatstonScore tagna fran andra bildanalysprogram, se tabell II.

III. METOD

A. Forstudie

For att forsta pa vilket satt Agatston Score och VolumeScore beraknas, behovdes det forst goras en forstudie vilkeninneholl intervjuer, litteraturstudier och undersokning av redanbefintlig implementation. Det forsta som gjordes var en inter-vju med Hanna Markstad for att bland annat fa grundlaggandekunskap om hur ett bildanalysprogram anvands vid berakningav Calcium Score. Ett par CT-bilder analyserades fran tvaolika bildanalyspogram for att diskutera for- och nackdelaroch darmed ta reda pa vad som skulle vara onskvart att hamed i Segment-CT. Nasta steg under forstudien blev littera-turstudier i form av artiklar och Medvisos tekniska manualfor Segment. Artiklarna behandlade berakningsmetoden samtolika riskanalyser. En del av artiklarna hamtades fran internetmedan andra erholls fran Hanna Markstad. Segments tekniskamanual gav information om de funktioner som kan anvandasinom mjukvaran Segment samt hur de anvands.

B. Implementation

Nedan beskrivs alla moment som genomfordes under arbe-tets gang i den ordning som de implementerades. Det forstasom gjordes var att en DICOM-bild laddades in i Segmentoch konverterades om till en 4D-single matris med hjalp avfunktionen calctruedata. 4D-matrisen ar uppbyggd av enmatris vars element motsvarar HU for varje pixel. Med hjalpav denna matris samt storleken pa pixeln respektive voxeln,beraknades sedan Agatston och Volume Score. Darefter vi-sualiserades fordelningen av kalcium i CT-bilden pa tva olikasatt, dels genom en 2D-fargmarkering samt en 3D-uppbyggnadav de omraden som bestod av kalcium.

1) Agatston Score: Som tidigare namnt grundar sigAgatston Score pa summan av viktade areor. Fyra matriserskapades som grundade sig pa 4D-single matrisen. Varje matrisbyggdes upp av element som motsvarade elementen i 4D-single matrisen men nu i form av ’0’ och ’1’. Varje ny matrismotsvarade ett HU-intervall antingen pa 130 ≤ HU < 200,200 ≤ HU < 300, 300 ≤ HU < 400 eller HU ≥ 400. Depixlar som i 4D-single matrisen hade ett 130 ≤ HU < 200blev i den nya matrisen markerade med ’1’ medan de ovriga

3

[t]

Tabell IIPATIENTDATA

Patient A Patient B Patient C Patient D Patient E

Kon Kvinna Kvinna Man Man ManAlder (ar) 48 64 50 47 82CT-scanner Philips iCT Siemens Definition Flash Siemens Definition Flash Philips iCT Philips iCTBildanalysprogram IntelliSpace Portal syngo.via syngo.via IntelliSpace Portal IntelliSpace PortalRorspanning (kV) 120 120 - - -Rorladdning (mAs) 40 80 - - -Antal snitt 56 86 84 72 56Snittjocklek (mm) 2,5 3,0 3,0 2,5 2,5Snitt gap (mm) 0 -1,5 -1,5 0 0Agatston Score 30,11 8,7 115,5 29 424

markerades med ’0’, motsvarande skedde i de tre ovrigamatriserna. Antalet kalcifierade element, det vill saga elementmarkerade med ’1’, beraknades med hjalp av funktionen findfoljt av funktionen length i MATLAB. Antalet elementmultiplicerades darefter med en viktningsfaktor, 1, 2, 3 eller 4,beroende pa vilken matris de tillhorde [10]. Antalet element imatris 130 ≤ HU < 200 multiplicerades alltsa med 1, matris200 ≤ HU < 300 med 2 och sa vidare. For att i berakningarnaendast fa med forkalkade kranskarl och inte ben eller andraforkalkade omraden beskars CT-bilden innan AS beraknades.Dessa produkter summerades och multiplicerades darefter medpixelns area vilket slutligen gav ett AS, se (1).

2) Volume Score: For att berakna Volume Score gjordespa liknande satt som for AS, det vill saga en ny 4D-singlematris skapades utifran den tidigare 4D-single matrisen. I dettafall blev alla element i den nya matrisen markerade med ’1’om de motsvarade ett HU ≥ 130 och ’0’ om de motsvaradeHU < 130. Darefter beraknades antalet element som varmarkerade med ’1’, precis som tidigare. For att fa fram dentotala volymen som bestod av kalcium multiplicerades antaletkalcifierade element med volymen for en voxel som i sin turgav ett VS [3].

C. Visualisering

For att gora det mojligt att representera var i CT-bildenkalcium fanns, kravdes det aven har en kort implementation.Tanken var att overlappa den aktuella bilden med en bild somendast fargar de kalcifierade omradena, det vill saga vid allaHU ≥ 130. Pa sa satt representeras dessa omraden tydligarei bilden.

1) Overlappning: Implementationen gjordes med hjalp aven redan befintlig funktion i Segment, showmaredits.Funktionen utfor en overlappning dar den belyser var i hjartatdet finns risk for infarkt, aven kallad MaR vilket star forMyocardium at risk. Funktionens input ar den aktuella bilden iSegment och inuti funktionen anges bland annat bildmatrisensom ska fargas och overlappa den aktuella bilden. Matrisensom fargas ar av samma storlek som den aktuella bilden ochinnehaller information om varje pixel i form av ‘1’ och ‘0’.‘1’ for sant och ‘0’ for falskt. I funktionen showmareditsinnehaller denna matris ‘1’ for pixlar som ar MaR och ‘0’

for ej MaR. Genom att ersatta denna matris med en annanmatris som istallet innehaller ‘1’ for varje pixel med ett HU ≥130 och ’0’ for under, skapades en ny anpassad funktion,showcalcium. Den nya funktionen markerar saledes var detfinns kalcium. Funktionen lades sedan in i datastrukturen SETvilket ar en global variabel som innehaller alla matningar ochbilddata som anvands inom Segment. All information somlagras i SET lagras i en strukturerad matris som sedan kananropas genom MATLAB.

Eftersom Agatston Score bygger pa viktade varden, vil-ka beskriver hur pass forkalkat ett omrade ar, inkludera-des pa samma satt aven de fyra olika bildmatriserna medtroskelvardena 130 ≤ HU < 200, 200 ≤ HU < 300,300 ≤ HU < 400 och HU ≥ 400 in i den nya funktio-nen. Funktionen showcalcium utvidgades aven genom attvarje bildmatris fargades i en specifik farg beroende pa vilkatroskelvarden den inneholl. Dessa overlappades darefter pa denaktuella bilden och pa sa satt visades en mer specifik bild pade kalcifierade omradena i kranskarlen.

2) 3D-visualisering: Nasta steg i visualiseringen var upp-byggnaden av en 3D-bild som visar de omraden dar kalkhar hittats. Da ytterligare implementation och mer tid kravdesfor att skapa en funktionell 3D-bild i Segment, utfordes 3D-visualiseringen endast i MATLAB. En 3D-bild i MATLABkan byggas upp pa flera olika satt och det finns ett flertalolika funktioner for att gora det. I detta fall anvandes blandannat funktionerna meshgrid och isonormals.

Da CT-bilder laddas in i Segment, laddas de som tidigarenamnts in som DICOM-bilder. Nar dessa hade gjorts omtill 4D-single matriser fick de dimensionerna X * Y * T* Z. I MATLAB tolkas X och Y som raderna respektivekolumnerna i varje 2D-bild, det vill saga i varje snitt, T somtidsramen och Z som antalet snitt som CT-bilden ar uppbyggdav. Morfologiskt bygger snitten upp en bild dar forsta snittetbefinner sig pa samma niva som basen av hjartat och sistavid spetsen av hjartat. Med hjalp av funktionen squeeze iMATLAB konverterades forst 4D-single matriserna till 3D-matriser. Dessa 3D-matriser behandlades sedan med funktio-nerna meshgrid och isonormals som gav en modell i tredimensioner, vilken visualiserade var i hjartat som det fannskalcium.

4

IV. RESULTAT

Har visas och forklaras de huvudsakliga resultaten tillberakningarna och implementationerna som utfordes pa CT-bilderna fran patient A till E.

A. Forstudie

Forstudierna gav inte bara information omberakningsmetoden utan aven en inblick till varforCalcium scoring ar en utmarkt markor for misstankeav kardiovaskulara sjukdomar samt utvardering avkolesterolsankande mediciner [4]. Intervjun med HannaMarkstad resulterade till iden att gora en visualisering i formav overlappning och 3D-bild. En annan ide som diskuteradesvar att infora en riskanalys i Segment-CT med Agatson Scoresom en av riskfaktorerna.

B. Agatston Score och Volume Score

Resultatet for Agatston och Volume Score kan avlasasfran tabell III samt de olika egenskaperna som togs med iberakningarna. De beraknade AS har jamforts med de AS somfinns i tabell II.

Den beraknade AS for patient A gav ett varde pa 25,48vilket i jamforelse med vardet fran tabell II ger en skillnad pacirka 4,63 enheter vilket motsvarar 18 %. Att AS for patientA har ett lagre score kan innebara att ett omrade har missatsatt beraknas. Ur tabell II gar det att avlasa att snittgapet forpatient B och C ar pa -1,5 mm vilket ger en overlappningav snitten. Detta innebar att vid berakning av den kalcifieradearean sa dividerades den forst med tva for att darefter beraknaAgatston Score. Den beraknade AS for patient B respektive Cblev 6,17 samt 51,98 vilket kan jamforas med AS fran tabell IIsom var pa 8,7 respektive 115,5. Tabellvardena var darmed 38% och 122 % hogre an de som beraknades.

Berakningen av AS for patient D stammer inte overens meddet givna vardet. Detta beror pa att i berakningen adderadesytterligare ett omrade av kalk vilket vi utifran Hanna Mark-stads beskrivningar ansag borde raknats med. Om omradet intehade inkluderats sa hade resultatet gett ett AS pa 25,98 vilketbattre stammer overens med det ursprungliga AS, se tabell II,som da var 12 % storre an det som beraknades.

Den beraknade AS for patient E gav ett varde pa 339,36vilket i jamforelse med vardet fran tabell II ger en skillnad pacirka 85 enheter, vilket motsvarar 25 %.

C. Overlappning

Foljande figurer 1, 2, 3, 4 och 5 visar utvalda snitt franrespektive patient. De vanstra ar originala CT-bilder medande hogra ar in-zoomade bilder dar overlappning har gjorts foratt tydligt se hur kalcifierat ett omradet ar. In-zoomningengjordes for att endast kalk i kranskarlen skulle fargas ochutesluta overlappning av ben. De olika fargerna visar de fyratroskelvarden 130 ≤ HU < 200 i lila, 200 ≤ HU < 300 irosa, 300 ≤ HU < 400 i bla samt HU ≥ 400 i limegront.

Ur CT-bilden fran patient A kunde man direkt se, i form aven ljus flack, lite av kalciumet i kranskarlen. Efter att noggrantgatt igenom alla 56 snitt togs det ut sex snitt som visade mer

eller mindre ljusa flackar i hjartat. I figur 1 visas snitten 20 och22 i bade original skick samt en in-zoomad bild pa hjartat. Detgar tydligt att se med hjalp av overlappningen att kalcifieringenframfor allt befinner sig i vanstra delen av hjartat. Eftersomdet ar kant att snitten gar fran basen av hjartat till dess spetskan vi dra slutsatsen att kalcifieringen aven befinner sig narabasen av hjartat da snitten uppgar till 56 stycken. I snitt 22finner vi ett litet men hogt kalcifierat omrade vid hogra delenav hjartat, detta ar kalk i aortan och inkluderades darmed intevid berakningarna. Som sagt inneholl sex snitt kalk i hjartatmen det var enbart i snitt 20 som kalk hittades i kranskarlet.

Patient ACT-bild Overlappning

Snitt 20

Snitt 22

Figur 1. Snitt 22 visar kalk i aortavaggen medan snitt 20 visar kalk i kranskarl.

I figur 2 visas pa liknande satt en CT-bild fran patient B. Av86 snitt var det fyra snitt som visade pa kalcifierade kranskarl,snitt 15, 16, 22 och 23. Aven snitt 19 och 20 pavisade kalkmen denna kalk befann sig i aortavaggen och togs da ej med.I figur 2 visas endast snitt 16 dar kalk gar att se till hoger ibilden medan alla andra sma lila prickar ar artefakter.

Patient BCT-bild Overlappning

Snitt 16

Figur 2. Overlappningen visar forkalkningar i hjartats vanstra del och mangaartefakter som har fargats i lila.

5

[t]

Tabell IIIRESULTAT OCH EGENSKAPER HOS CT-BILDERNA

Bild egenskaper Patient A Patient B Patient C Patient D Patient E

Pixelstorlek (mm2) 0.1348 0.1102 0,1348 0,1511 0,1348Voxelstorlek (mm3) 0.3371 0.1654 0,2022 0,3777 0,3371Antal kalcifierade element i kranskarlen 67 94 505 254 1131Kalcifierad area i kranskarlen (mm2) 9.03 5,18 34,04 38,37 152,49Agatston Score 25,48 6,17 51,98 47,56 339,36Volume Score 22,58 15,54 102,13 95,93 381,22

Figur 3 visar snitt 12 fran patient C. Patient C hade 84snitt varav sex snitt inneholl kalk i kranskarlen. I snitt 12gar det att urskilja tva limegrona prickar i hogra delen avhjartat, vilka visualiserar tva stycken elektrodkablar fran enpacemaker. Storre delen av kalken hittades i vanstra delen avhjartat i de flesta forkalkade snitt, vilket illustreras med en bildi figur 3.

Patient CCT-bild Overlappning

Snitt 12

Figur 3. Det vanstra pa bada bilderna visar elektrodkablar medan de rosaprickarna i hoger bild ar kalk.

Patient D hade kalk i tre snitt, 21, 22 och 23, av totalt 72snitt. Det ar dock mycket osakert om det verkligen fanns kalki snitt 23 men vi bedomde att sa var fallet. Figur 3 visar kalki snitt 22 dar det hogsta kalcifierade omradet befann sig.

Patient DCT-bild Overlappning

Snitt 22

Figur 4. Overlappningen visar forkalkat omrade i rosa medan de lila prickarnaar artefakter.

Patient E hade mycket kalcifierade kranskarl och darmedhogt AS som gar att se i tabell III. Antalet snitt som var

kalcifierade blev totalt nio av 56 snitt. I figur 5 har snitt 15 och19 valts ut. Snitt 15 ar i hog grad kalcifierat vilken syns dabilden innehaller limegrona flackar som motsvarar HU ≥ 400.Snitt 15 hade dessutom det hogsta AS av alla snitt. Hos dennapatient kunde vi aven se kalk i aortan men det inkluderade viinte i berakningarna.

Patient ECT-bild Overlappning

Snitt 15

Snitt 19

Figur 5. Bilderna pa overlappningen visar bada pa mycket forkalkadekranskarl, da prickarna ar limegrona innebar det ett HU ≥ 400.

Da det endast gar att se en 2D-bild av hjartat ar det svartatt bedoma exakt var och i vilket kranskarl kalcifieringenbefinner sig. De forkalkade omradena som befinner sig ihogra delen av hjartat kan vara i hogra kransartaren samtaortabagen. De som befinner sig i vanstra kan antingen liggai vanstra huvudkransartaren, vanstra circumflex artaren elleri den vanstra framre nedatgaende artaren, se figur 6. I nagrasnitt gick det dessutom att se kalcifiering i esofagus vagg.

D. 3D-visualisering

I MATLAB byggdes en 3D-bild av CT-bilderna fran patientA, C och E upp. 3D-bilden visar dock endast de delarna ibilden som mer eller mindre bestar av kalk. I figur 7 kan vi

6

Axial 3D

Figur 6. Vanstra bilden ar en bearbetad bild over de proximala delarna av vanster kranskarl, dar maximala intensiteten i bilden har viktats upp. Hogra bildenar en 3D-bild av hjartat med dess kranskarl.

se en 3D-bild fran patient A. De omraden som har ett HU ≥130 har fargats i bade svart och cyan. Det svarta, i mitten avbilden, visar de forkalkade omradena vid hjartat och i cyankan man bland annat se revben och ryggkotorna. Det gar avenatt se svarta omraden vid sternum som dyker upp pa grund avsvarigheter vid programmeringen i MATLAB. Ur den vertikalaaxeln gar det att avlasa att kalcium finns i snitt 1-3 och darefteri snitt 16, 20 och 22. Med en 3D-bild ar det dock svart attavgora om forkalkningarna befinner sig i kranskarlen eller itill exempel aortan, vilket ar fallet i snitt 22. I snitt 16 ar detistallet rorelseartefakter.

Figur 7. 3D-visualisering av kalk hos patient A. De fem svarta prickar imitten av bilden visar bade pa kalk i hjartat men aven pa artefakter, endastpricken i snitt 20 visar pa forkalkning i kranskarlen. Den svarta delen tillvanster fargades dock svart pa grund av svarigheter vid programmeringenoch det som visas i cyan ar revben och ryggkotor.

I figur 8 visas pa liknande satt en 3D-bild av patient C.Har syns aven elektrodkablarna vilka vandrar ned och faster ihoger formak och hoger kammare. Man kan fran den vertikalaaxeln pa bilden avlasa att snitt 21, 22 och 23 innehaller kalk.

Figur 8. 3D-visualisering av kalk hos patient C, det svarta som syns arelektrodkablar samt forkalkningar i snitt 21-23. Det som visas i cyan ar revbenoch ryggkotor.

Figur 9. 3D-visualisering av kalk hos patient E som visar nio forkalkadesnitt. Dessa visas som nio svarta prickar i mitten av bilden, den svarta delentill vanster fargades dock svart pa grund av svarigheter vid programmeringen.Det som visas i cyan ar revben och ryggkotor.

7

Patient E hade nio snitt som inneholl kalcium, dessa visassom sju stycken svarta prickar i figur 9, varav tva av dessautgors av tva snitt vardera och ar darfor lite storre an de ovriga.Prickarnas storlek avgors alltsa av storleken pa omradet sombestar av kalk. Aterigen ar de svarta stora omradena till vansterpa bilden resultat av svarigheter vid programmeringen.

V. DISKUSSION

A. Agatston Score och Volume Score

Under arbetets gang stotte vi pa svarigheter som gjorde attberakningen av Agatston Score andrades flera ganger. Idaganvands sallan EBCT och berakning av AS byggs sallan pastandardinstallningarna. Da en CT-bild fran en annan CT-scanner analyseras blir berakningen av AS annorlunda. Dettapa grund av att dess parametrar kan variera fran scanner tillscanner. Till exempel blir areaberakningen, for en CT-bild med2,5 mm tjocka snitt, storre da bilden ar oversamplad och gerdarmed ett hogre AS. Denna oversampling kan matematisktkorrigeras genom en lamplig skalfaktor (2,5/3 i det har fallet)enligt [15]. AS for CT-bilderna med en snittjocklek pa 2,5 mm,se tabell III, beraknades utan hansyn till denna skalfaktor dametoden for att inkludera denna i berakningarna inte angavs.Resultatet vi fick for dessa tre patienter blev lagre an deangivna, vilket vi tror ha orsakats av att skalfaktorn interaknats med. CT-bilderna for patient B och C har daremoten snittjocklek pa 3 mm men ett snittgap pa -1,5 mm. Somnamnts i resultatet anpassades dessa genom en division med2 men trots detta skiljer sig AS for patient C avsevart medden i tabell II. Vi tror att detta kan bero pa vardena forrorspanning och rorladdning da AS for patient B anvander sigav en rorspanning och rorladdning som stammer val overensmed standardvardena. Tyvarr fanns inte mojligheten att favardena pa rorspanning och rorladdning for CT-bilderna franpatienterna C-E vilket gjorde det svart att vidare analyseraresultatet.

Vi har upptackt att flera parametrar kan paverka resultatetoch att var algoritm behover forbattras i detta avseende.En metod for att anpassa alla parametrar har undersoktssamt diskuterats med handledarna Hanna Markstad och HelenFransson men tyvarr utan nagon framgang. Flera av artiklarnanamner endast att berakningen av AS bor anpassas till mjuk-varan for att erhalla ett jamforbart resultat, men inte vad somkravs for det [16].

I resultatet beraknades aven Volume Score men dessajamfordes inte med nagra andra varden da fokus endast lagpa Agatston Score. Om en jamforelse av VS hade gjorts, trorvi att resultatet inte hade paverkats lika mycket da endastett troskelvarde anvands och ingen hansyn behover tas tillsnittjockleken. Mass Score har visat sig vara den metodensom foredragits for kvantifiering av kalcium i kranskarlen.Den har formagan att jamfora den uppmatta MS med enkand fysisk standard och anses darmed lampligare for Calciumscoring [16]. Enligt Hanna Markstad kan trots allt AS, VSoch MS variera beroende pa vem som bedomer bilderna.Granskaren avgor var i bilderna forkalkningarna finns ochdarmed vilka varden som ska inga i berakningarna.

B. Overlappning och 3D-visualiseringOverlappningen utfordes for att tydligt visualisera var i

hjartat som det fanns kalcium och vilka snitt som skulleinkluderas vid berakning av AS. Vi tittade endast pa de olikasnitten pa dator utan nagra ytterligare hjalpmedel. Da enoverlappning pa de utvalda snitten gjordes upptackte vi iblandatt det fanns kalk pa platser som vi forst inte trodde att detfanns kalk pa, ett exempel ar snitt 16 i figur 2. Pa denna bildtrodde vi att det endast fanns brus, men efter overlappningenvisade det sig vara en mindre mangd kalk. Pa detta satt kannagra snitt ha missats eftersom vissa snitt tydligare visadeforkalkning av kranskarlen efter ovelappningen. Sannolikhetenfor att forkalkade omraden ska ha missats ar dock mycketliten eftersom vi ocksa har jamfort snitten vi ansag varaforkalkade med Hanna Markstads utvalda snitt. Inte bara kalkutan aven brus visualiserades tydligare vid overlappningen.Detta har dock bade sina for- och nackdelar, det gjorde detlatt att utesluta var det fanns kalk som skulle inkluderas iberakningarna av AS och VS samt vilka omrade som var brus.Dock kan vi pa grund av begransade kunskaper om hjartatsmorfologi exkluderat det som egentligen var kalk i kranskarlenoch darmed inte tagit med detta i berakningarna. Detsammagaller at andra hallet, vi kan ha antagit att flera omraden varforkalkade fastan det egentligen bara var brus. Exempel padenna typ av visualisering syns som sma lila prickar i snitt 16figur 2 men gar aven att se i snitt 22 figur 4 till bade vansteroch hoger i bilden.

Snitt 22 figur 1 visar pa en annan typ av artefakt som viforst trodde var kalk i kranskarlen. Vid fortsatt granskning avbilden och vid jamforelse med bilderna i figur 6 visade det sigvara kalk i aortavaggen. Liknande missbedomningar gjordes iborjan pa grund av begransade morfologiska kunskaper da vibland annat bedomde kalk i esofagus vagg som en forkalkningi kranskarlen.

Patient C hade en pacemaker inopererad fran vilken vi sagelektrodkablarna i hjartat. Elektroderna kunde dock feltolkassom kalk, se figur 3, men da en 3D-visualisering av bildengjordes 8, visades det tydligt att det var elektrodkablar. 3D-visualiseringarna, figur 7, 8, 9, visar tydligt i vilka snitt detfanns kalk, bade i kranskarlen och pa andra stallen som tillexempel i aortans- och i esofagus vagg. Visualiseringen i 3Danvandes som kontroll for att se till att all kalk i kranskarleninkluderats vid berakning av AS. For patient D var det osakertom det fanns kalk i snitt 23, men 3D-visualiseringen visade attsa var fallet. 3D-visualiseringen markerar allt som innehallerkalk sa vi var tvungna att aven har avgora om det var enforkalkning i kranskarlen eller nagon annanstans i hjartat,vavnader eller organ.

VI. ETIK

Bilderna som har anvants under projektet ar fran patien-ter vilka har givit sitt samtycke och tagit stallning till attderas bilder far anvandas inom forskning. Alla bilder somhar undersokts kommer fran ordinarie undersokningar dar enCalcium Scoring har gjorts. Det innebar att patienterna inteenbart har gjort en CT-scanning just for att bidra med bildertill forskning, de har alltsa inte behovt utsattas for nagon extrastralning.

8

VII. HALLBAR UTVECKLING

Segment-CT ar som tidigare namnt leverantorsoberoendeoch kan darmed anvandas vid analys av bilder fran olikaCT-scanners. Detta effektiviserar bildanalysen, da den smidigtkan genomforas oberoende av dator eller CT-scanner. Dettaleder i sin tur till minskade kostnader for sjukvarden dainget nytt bildanalysprogram behover kopas in. Dessutom gorsuppdateringar i Segment-CT vilka latt kan laddas ned utanextra kostnad.

Vid en tidig upptackt av ateroskleros kan patientens behand-ling paborjas i god tid vilket kan bromsa sjukdomsforloppet.Beroende pa behandling kravs mindre eller ingen sjukvard ochdess kostnader kan darmed minskas.

VIII. FRAMTIDSPLANER

Forst och framst behover berakningsprogrammet anpassasefter standardinstallningarna for en korrekt berakning av AS.Ett satt vore att skapa ett antal datorfantomer dar omraden medkanda HU laggs in och jamfors i olika programvaror samti-digt som snittjocklek, snittgap, rorspanning och rorladdningandras. Nasta steg skulle vara att vidareutveckla Segment-CT genom att implementera en riskanalys dar Calcium Scorear en av riskfaktorerna. Analysen gors for att forutse riskenfor kranskarlssjukdomar hos asymtomatiska patienter, det villsaga symptomfria patienter. Det har visats att patienter kanomklassificeras till antingen en hogre eller lagre riskkategorida Calcium Scoring inkluderas i riskanalysen [4].

Da en algoritm for hjartats morfologi haller pa att ut-vecklas av Medviso AB, vore det onskvart att den urskil-jer kranskarlen, aortan, revbenen, elektrodkablar samt andrastrukturer och artefakter for att underlatta granskningen av CT-bilderna.

IX. SLUTSATSER

Metoderna som utvecklades for Calcium Scoring kravervidare arbete da berakningsresultaten visade sig bero pa fleraparametrar an de vi raknat med. En losning maste hittasfor att anpassa dessa parametrar och fa ett resultat som kanvalideras och jamforas med andra bildanalysprogram. Dess-utom genomfordes visualiseringar som aven dessa behovervidareutvecklas for att endast visa forkalkningar i kranskarlen.

X. EFTERORD

Vi skulle vilja rikta ett stort tack till var handledare HelenFransson och var tekniska handledare Einar Heiberg pa Med-viso AB for underlaget och handledningen vi fick i bade Seg-ment och MATLAB for att kunna utfora detta projekt. Ett storttack riktas aven till var kliniska handledare Hanna Markstadsom har bidragit med medicinsk kunskap och erfarenhet samthjalp vid granskning av bilderna. Ett varmt tack riktas ocksatill Max Andersson som har hjalpt oss med struktureringen avbade rapporten och MATLAB koden.

Forfattarna till artikeln har bidragit lika mycket under helaprojektet.

REFERENSER

[1] Hjart-Lungfonden, Hjartrapporten 2015, https://www.hjart-lungfonden.se/Documents/Rapporter/Hjartrapporten Sammanfattning 2015WEBB 5.pdf, (Hamtad 2016-05-03).

[2] Hjart-Lungfonden, Hjartinfarkt-vad ar det?, https://www.hjart-lungfonden.se/Sjukdomar/Hjartsjukdomar/Hjartinfarkt/, (Hamtad2016-05-03).

[3] Z. Qian, I. Marvasty, S. Rinehart, S. Voros. “A Lesion-Specific CoronaryArtery Calcium Quantification Framework for Prediction of CardiacEvents”, IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,vol. 15, no. 5, 2011. DOI: 10.1109/TITB.2011.2162074.

[4] I. Zeb, M. Budoff. “Coronary Artery Calcium Screening: Do-es it Perform Better than Other Cardiovascular Risk StratificationTools?”, Int. J. Mol. Sci., vol. 16, no. 3, s. 6606-6620, 2015.DOI: 10.3390/ijms16036606.

[5] U. Hoffmann, T. J. Brady, J. Muller. “Use of New Imaging Techniquesto Screen for Coronary Artery Disease”, American Heart Association,Inc., 2003. DOI: 10.1161/01.CIR.0000085363.88377.F2.

[6] G. K. Hansson. Ateroskleros (aderforkalkning); internetmedicin.se: http://www.internetmedicin.se/page.aspx?id=2787 senast andrad 2015-10-25,(Hamtad 2016-04-29).

[7] F. H. Martini, E. F. Bartholomew. Essentials of Anatomy & Physiologys. 477. 6. uppl. USA: Pearson Education Limited, 2014.

[8] K. Steen Carlsson, U. Persson. “Kostnader for hjart-karlsjukdomar2010”, IHE Rapport 2012:1, s. 25, ISSN: 1651-7598.

[9] M. Magnusson Seger.TOMOGRAFI OCH BILDREKONSTRUK-TION;https://www.imt.liu.se/edu/courses/TBMI45/pdfs/CT Kap5.pdf(Hamtad 2016-04-30).

[10] A. S. Agatston, W. R. Janowitz, F. J. Hildner, N. R. Zusmer, M. Via-monte, R. Detrano. “Quantification of Coronary Artery Calcium UsingUltrafast Computed Tomography”, JACC, vol. 15, no. 4, s. 827-832,1990.

[11] A. L. Baert, M Knauth, K. Sartor.Integrated Cardiothoracic Imagingwith MDCT, kap. 19. Berlin: Springer-Verlag, 2009.

[12] C. B. Higgins, A. de Roos. MRI and CT of the Cardiovascular System,s. 377. Philadelphia, Pennsylvania: Lippincotts Williams and Wilkins,2006.

[13] E. Heiberg, J. Sjogren, M. Ugander, M. Carlsson, H. Engblom, andH. Arheden. “Design and Validation of Segment - a Freely AvailableSoftware for Cardiovascular Image Analysis”, BMC Medical Imaging,10:1, 2010.

[14] Wikipedia, Digital Imaging and Communications in Medicine,https://sv.wikipedia.org/wiki/Digital Imaging and Communicationsin Medicine. Sidan andrades senast den 15 februari 2015 kl.14.11,(Hamtad 2016-05-03).

[15] J. A. Rumberger, L. Kaufman. “A Rosetta Stone for Coronary CalciumRisk Stratification: Agatston Volume, and Mass Scores in 11,490 indivi-duals”, American Journal of Roentgenology, vol. 181, no. 3, s. 743-748,2003. DOI: 10.2214/ajr.181.3.1810743.

[16] C. H. McCollough, S. Ulzheimer, S. S. Halliburton, K. Shanneik,R. D. White, W. A. Kalender. “Coronary Artery Calcium: A Multi-institutional, Multimanufacturer International Standard for Quantifica-tion at Cardiac CT”, Radiology, vol. 243, no. 2, s. 527-538, 2007.DOI: 10.1148/radiol.2432050808.

1

Forbattring av anvandbarhet vid bildanalys hosCT-undersokningar av hjartat

Erik Andersson (BME–13), Ludvig Eek Hofmann (BME–13)

Sammanfattning—CT-undersokningar anvands inomsjukvarden for att skapa bilder av patientens inre. Detta kanbland annat ge detaljerade bilder av hjartat i tre dimensioner ochanvandas exempelvis for att bedoma slagvolymen, eller avgoraom en patients aderforkalkning kraver operation eller inte.Dessa undersokningar kraver analys av bilderna av en lakare. Idetta projekt utreds om det gar att forbattra anvandbarheteni ett bildanalysprogram och darigenom spara bade tid ochpengar. Det program som anvands som bas for projektet arSegment CT, utvecklat av Medviso AB. For att forbattraanvandbarheten har standarden SS-EN 62366 uppfyllts genomatt folja Medvisos egna dokumentation Usability engineeringprocess. Det mynnade ut i olika delmal som sedan anvandesunder projektets gang. Diskussioner fordes kontinuerligt medkunniga pa Skanes universitetssjukhus for att inse vad somkunde forbattras for att uppfylla dessa mal. Resultatet blevett nytt granssnitt med nya funktioner. Dessa syftar till atttillsammans ge en okad anvandbarhet. Om ett program harhog anvandbarhet eller inte varierar mellan individerna somanvander det, och darfor ar ett entydigt resultat svart att fa.Projektet har lett till ett program som kraver farre val frananvandaren, har fler funktioner, och framforallt kraver farreknapptryck for att uppna samma resultat.

I. INTRODUKTION

A. Bakgrundsteckning

DATORTOMOGRAFI eller Computed Tomography, oftaforkortat DT eller CT, anvands for undersokningar inom

sjukvarden dar avbildningar av patientens inre skapas. For attupptacka skador, sjukdomar och stalla diagnos maste bilder-na analyseras av en lakare. Dessa analyser kraver verktygi form av ett datorbaserat bildanalysprogram dar bildernakan bearbetas och forandras for att pa basta satt framhavaoch synliggora anatomi, fysiologi och status av olika organ.Under 2015 gjordes ungefar 90 stycken CT-undersokningarav hjartat pa Skanes universitetssjukhus varje vecka. Varjeenskild undersokning kostar ungefar 2500 kronor utan denefterfoljande analysen. 2010 var antalet hjartundersokningarper vecka endast fyra stycken, antalet CT-undersokningar avhjartat okar exponentiellt [1]. Om varje analys av bilder kundereduceras med fem minuter skulle det idag innebara 450 spara-de minuter varje vecka. Eftersom antalet undersokningar okarexponentiellt kommer aven de insparade minuterna oka. Attgora en CT-undersokning ar en bade kostsam och tidskravandeprocess dar den efterfoljande analysen som gors av lakare aren stor del. Darfor stalls hoga krav pa de verktyg som lakarna

Inlamnat den 9 Juni 2016Emailadress:erik.a@outlook.com, ludvighofmann@gmail.comHandledare: Helen Fransson, VD Medviso ABTeknisk hjalpreda: Einar Heiberg, Grundare Medviso ABKlinisk vagledare: Ellen Ostenfeld, specialist i kardiologi

anvander for att analysera bilder och diagnostisera patienter.En effektiv bildanalys leder till en effektivare helhetsprocess.Lakare arbetar ofta under tidspress och det ar en allman onskanatt lagga mer tid pa patienter och mindre pa datorarbetet.Bade tidspress och osakerhet kring anvandandet av tekniskaprodukter kan leda till en dalig arbetssituation och stress.En programvara for bildanalys av CT-bilder ska darfor, uranvandarens perspektiv, innehalla onskvarda funktioner ochsamtidigt presentera dem pa ett lattforstaeligt satt. Program-varans design ska syfta till att gora anvandandet sa enkeltoch effektivt som mojligt utan att forsamra programvaransfunktion. Den ska ocksa vara saker genom att dess utformningforebygger felhantering. Det finns manga olika programvaroridag som utgar fran ovanstaende kriterier i utformningen avdesign och manga ar kopplade till ett specifikt foretag somocksa levererar sjalva CT-utrustningen. Konkurrensen inomprogramvaror for bildanalyser ar stor vilket leder till attutformningen av granssnitt ar valdigt viktig och ar avgorandefor dess konkurrenskraft.

Medviso AB ar ett foretag som ar lokaliserat pa Skanesuniversitetssjukhus i Lund och som utvecklar programvarorfor analyser av medicinska bilder. Medviso har tidigare enprogramvara for bildhantering av MR-bilder ute pa marknaden.Nasta steg i foretagets utveckling ar skapandet av SegmentCT. Segment CT ar ett bildanalysprogram for CT-bilder avhjartat. Som redan har argumenterats for ar utformningenav granssnittet for en programvara en valdigt viktig del iutvecklingen av en stark slutprodukt och det ar den del avutvecklingen detta projekt omfattar.

Vid projektets start hade en forsta version av SegmentCT redan utvecklats. Denna version var en val utveckladprogramvara med onskade och val fungerande funktioner. Vartprojekts roll blev darfor att genom ett nara samarbete medEllen Ostenfeld, Specialist i kardiologi och metodansvarigfor CT-Hjarta pa Skanes universitetssjukhus i Lund, utveckladessa funktioner och konstruera dem pa ett anvandarvanligtvis. Att noga studera marknaden av bildanalysprogram har getten god inblick i hur programmen anvands kliniskt och hjalptoss skapa en valdigt bra bild pa vad som bor vara det centralai vart arbete for en battre anvandbarhet.

Vara tidigare studier pa civilingenjorsprogrammet i medicinoch teknik pa Lunds tekniska hogskola ger oss en uniktvarvetenskaplig synvinkel pa tekniska produkter som anvandsinom sjukvarden. Vara studier har aven gett oss en god inblicki omradet anvandbarhet och samspelet mellan manniska ochmaskin. Det ar framforallt dessa kunskaper som tas med tilldetta projekt. Vara kunskaper i anvandbarhet kan gora storskillnad dels for att skapa en konkurrensmassigt stark produkt

2

och samtidigt gora skillnad i lakares vardagliga arbete.

B. Mal

Vart mal med detta projekt ar att forbattra anvandbarheteni utformningen av Segment CTs granssnitt. Genom att utgafran anvandarnas behov och utifran det forandra programvaransa blir den sa val anpassad som mojligt. Detta arbete kanpa sa satt spara bade tid och pengar samtidigt som lakarnasvardagliga arbete med analyser underlattas. Malet ar alltsa atteffektivisera lakarnas arbete genom att i programvaran skapaett granssnitt som ger ett sjalvsakert och effektivt anvandandeav Segment CT. Vart huvudmal ar att skapa en sa storanvandbarhet som mojligt.

For att na vart huvudmal valde vi att anvanda oss avsex stycken “Usability goals” att arbeta efter. Dessa mal arhamtade fran litteratur [2] och ar val sammanlankade med deregulatoriska krav som finns for anvandbarhet.

• Effective to use - Programvarans funktioner ska vararelevanta och latta att anvanda.

• Efficient to use - Anvandandet av programvaran ska varatidseffektiv.

• Safe to use - Utformningen av granssnittet ska motverkafelanvandning.

• Have good utility - Endast funktioner med ett varde/nyttaska finnas.

• Easy to learn - Det ska vara latta att forsta hur program-met ska anvandas.

• Easy to remember how to use - Nar man lart sig hurprogrammet anvands ska det ocksa vara latt att kommaihag.

Att uppfylla dessa mal kommer effektivisera en del avsjukvarden och kommer att spara bade tid och pengar. Det-ta genom att reducera antalet knapptryck samt genom attgora anvandandet av programvaran bade sakrare och enklare.Samtidigt ska standarden SS-EN 62366 [3], som handlarom medicintekniska produkters anvandarvanlighet, foljas ochgenom att arbeta mot Medvisos Usability engineering process[4] sakerstalls det.

Detta projekt ar tidsbegransat och darfor kommer arbetet attfokusera pa ett av Segment CTs senast utvecklade verktyg LVperfusion(Left ventricular perfusion), som idag inte anvandskliniskt, men som kommer ge anvandaren mer informationfran samma undersokning. Var vision ar att efter detta projektkunna fortsatta vart arbete med programvaran och i slutandankunna tillampa samma kunskaper pa alla delar av SegmentCT.

C. Teori

1) Regelverk: Eftersom detta projekt syftar till att un-derlatta anvandandet av en programvara har standardenSS-EN 62366 “Medicintekniska produkter – Tillampningav metoder for att sakerstalla medicintekniska produktersanvandarvanlighet” [3] anvants. Som namnet antyder visarstandarden hur processen for att utveckla en saker ochanvandarvanlig produkt gar till. Till ytterligare hjalp finnsMedvisos egna dokumentation, Medvisos Usability enginee-ring process [4], som ar ett hjalpmedel for att kunna uppfylla

alla steg i standarden SS-EN 62366. Projektet har aven doku-menterats i Medvisos egna system for deras framtida bruk.

2) Definition av begrepp: I denna artikel anvander vi osskontinuerligt av ett antal specifika begrepp. I detta avsnittforklarar vi pa vilket satt vi har valt att definiera dem.Vi har utgatt fran ISO 9241 - Standard for Anvandbarhet.Anvandbarhet syftar till “... den grad till vilken en produktkan brukas av en viss anvandare i ett givet sammanhang foratt uppna specifika mal pa ett andamalsenligt, effektivt och foranvandaren tillfredstallande satt.” [5]

• Anvandare - vem som anvander programmet• Sammanhang - nar, var och hur det anvands• Mal - vad som ska uppnas med anvandandet och varfor

det gors• Andamalsenlighet - den noggrannhet och fullstandighet

med vilken man uppnar givna mal• Effektivitet - resursatgang i form av fokus/energi och tid i

forhallande till noggrannhet och fullstandighet av resultat• Tillfredstallelse - franvaro av obehag da programmet

anvandsEn del av projektet involverar snittbilder fran olika vinklar. I

kroppen ligger hjartat i en liten vinkel mot kroppen och for attge en tydligare visualisering gors nya bilder utifran originalensa att hjartat ligger rakt ner. Det gor att de anatomiska plan somfinns egentligen inte stammer pa hjartat. Under detta projektbeskrivs hur ett snitt ar placerat med hjalp av orden kortaxelvy,horisontal langaxelvy och vertikal langaxelvy. Bilder i hjartatsx-y plan/underifran kallas for kortaxelvy, y-z planet/fran sidankallas horisontal langaxelvy, och x-z planet/framifran kallasvertikal langaxelvy. Detta i ett koordinatsystem dar x ar sidled,y djupled, och z hojdled.

En stor del av programmet handlar om ett satt att presenteradata pa som kallas “bullseyeplot”, vilket syns i ovre hograhornet i figur 1-3. I alla de snittbilder som finns ar myokardietmarkerat och bildar en ring runt vanster kammare. Om ringenfran varje bild i hojdled laggs utanpa varandra bildas entvadimensionell bild som visar hur olika varden ifran alladjup av myokardiet varierar. Varje ring delas aven in i fleraolika segment som gor att anvandaren kan se var i myokardietvissa varden finns. Detta ger en valdigt bra oversikt om hurexempelvis perfusionen ser ut i olika omraden av kammaren.

3) Datortomografi: 1979 gick nobelpriset i medicin tillutvecklingen av datortomografi, pa engelska forkortat till CT.En av de tva som fick priset var Hounsfield, som aven ficknamnge en enhet som kan sagas beskriva hur svart det ar forrontgenstralningen att ta sig igenom vavnad. Olika materialoch vavnadstyper sasom fett, kalcium och vatten ger olikaHounsfieldvarden. Genom att i en digital bild definiera vilkenskala av Hounsfieldvarden som ar viktiga for undersokningenkan exempelvis kalcium visas tydligt, medan annan vavnadkan tas bort. [6] CT undersokningar ger en anatomisk bildav det omrade som ska undersokas. Med hjalp av kon-trastmedel kan aven vissa funktionella undersokningar goras.Undersokningen bygger pa rontgenstralning som skapas i ettsa kallat rontgenror. En hog strom kors genom en glodtradsom da frigor elektroner. Elektronerna accelereras mot en ro-terande skiva och skapar dar bromsstralning och karakteristiskrontgenstralning. Stralningen filtreras och leds mot patienten.

3

Olika amnen och vavnader absorberar sedan olika mycketav stralningen. Den principiella skillnaden mellan en vanligtvadimensionell rontgenbild och en CT-undersokning ar attinformation samlas fran fler vinklar vid en CT undersokning.Rontgenroret och detektorn roteras kring patienten och darmedkan information fran flera vinklar samlas. Denna informationanvands sedan for att skapa en snittbild genom patienten. Dettagors sedan i flera nivaer for att skapa en volym av bilder somsedan kan anvandas for att berakna fram bilder ur valfri vinkeloch utbredning, inom det rontgade omradet. [7] Eftersom attolika vavnader absorberar stralningen olika mycket kan deolika vavnaderna urskiljas. Denna rapport och den anvandaprogramvaran ar fokuserad pa CT undersokningar av hjartat.

4) Undersokningar: I princip hela kroppen kan undersokasmed CT. Likt vanlig tvadimensionell rontgen kan skelettetundersokas, men aven till storre utstrackning mjukvavnad.Eftersom bilder tas ur flera vinklar forsvinner problemet medatt all information blir overlagrad som sker vid vanlig rontgen.Det gor att olika typer av mjukvavnad enklare kan urskiljasoch att alla former av anatomiska fel kan upptackas, exem-pelvis benbrott eller stora tumorer i exempelvis levern ellerurinblasan. Aven vatskeansamlingar i exempelvis lungornaeller om det inte finns blod dar det borde finnas syns, vilketkan tyda pa en blodpropp. Vid analyser av hjartat med hjalp avCT-bilder anvands olika bildanalysprogram. Huvudsyftet meddessa program ar att kunna analysera hjartats funktion ochanatomi. Det ar mojligt att kvantitativt bestamma enddiastoliskvolym, slagvolym, ejektionsfraktion och vanster kammaresmassa. Undersokningar ger ocksa anatomisk information somtill exempel klaffar, forstorade karl och aortadissektioner. [8]

5) LV perfusion: En mojlig klinisk fragestallning som kanbesvaras med hjalp av det nyutvecklade perfusionsverktygetLV perfusion ar om en patient har aderforkalkning och omden ar signifikant. Manga patienter kan ha omraden som ardelvis aderforkalkade, men det ar viktigt att kunna avgora omderas hjartan fortfarande fungerar normalt, eller om patientenbehover vidare behandling som exempelvis operation medballongsprangning. For att avgora detta appliceras en serieav olika kontraster pa bilden. En viss kontrast visar var ibilden det finns kalcium, en bestandsdel i kalk, en annanvisar fett och en tredje visar perfusion. I en bullseyeplot finnsaven mojligheten att fa en overblick over exempelvis hurandelen fett ser ut over alla snitt, inte bara det snitt som fortillfallet tittas pa. Det kan vara sa att en lakare ser att ettkarl har en antydan till aderforkalkning, men att perfusionenar normal, da behover kanske ingen operation goras. Omperfusionen daremot ar daligt i ett omrade med forkalkningkan det behovas atgardas. En undersokning innebar alltsa oftaflera olika byten av kontraster for att se bade perfusion, fettoch kalcium. [1]

II. DATA

For att arbeta med programmet har anonymiserade CT-bilder av hjartat anvants fran patienter pa Skanes univeritets-sjukhus. Dessa har anvants for att under utvecklingens gangtesta vara implementeringar och nya funktioner. Var kodninghar utgatt fran Segment CTs kallkod och de implementationersom har gjorts har inkluderats i denna kallkod.

III. METOD

A. Malgrupp och intervjuerFor att fa en bild av Segment CTs tankta

anvandningsomraden och utformning holls tidigt motenmed Einar Heiberg, grundare av Medviso AB, och HelenFransson, VD for Medviso AB, som tillsammans ar skapareav Segment och initiativtagare till Segment CT. Genom dessamoten skapades en insikt i deras malsattning och ambitionmed Segment CT och vad de forvantade sig av vart arbete.Den tydliga malgruppen for projektet faststalldes tidigt tillatt vara lakare, da de ar de huvudsakliga anvandarna. EllenOstenfeld, specialist i kardiologi och metodansvarig forCT-Hjarta pa Skanes universitetssjukhus i Lund, intervjuadesfor att skapa en forstaelse kring hennes syn pa SegmentCT och anvandbarhet. Intervjuer genomfordes genom attdemonstrera den aktuella programvaran och konkurrerandeprogramvaror. Intervjuerna syftade till att se hur en lakareanvander programvaran och darigenom hitta omraden forforbattring. E.Ostenfeld delade ocksa sjalv med sig av vad somenligt hennes erfarenhet och bedomning saknades eller kundeforbattras. Under projektets gang gjordes aterkommandeintervjuer med E.Ostenfeld som gav feedback pa forandringaroch delade med sig av nya ideer och vardefulla synpunkter.De punkter som tas upp senare i rapporten bygger alla delvispa diskussioner med E.Ostenfeld [1]. Diskussionerna utgickifran stravan att uppfylla SS-EN 62366 och involveradedarfor bland annat vilka funktioner som andringen skulle ha,sakerhet, hur det skulle implementeras, och sedan hur denskulle valideras. Denna diskussion har sett olika ut for deolika andringarna, men har varit viktigt i varje del.

B. Analys och konceptframstallningFran intervjuer med Kardiologen E.Ostenfeld identifierades

vilka de huvudsakliga problemen kring programvaran var.En lista over problemen gjordes och anvandes som grundfor utvecklingen av programvaran. En viktig overblick kundeocksa fas over hur programmet var tankt att anvandas iden kliniska miljon. Listan med problem analyserades for atthitta de forbattringar som behovdes for att losa problemenpa ett smidigt satt. For att undvika att losningen pa ettproblem ledde till ett nytt problem, eller en svarare losningpa nasta, kravdes flera tillfallen av brainstorming och fritttankande kring olika losningar. Nar en forbattring hittadesutvarderades den utifran de resterande problemen for att seifall den overlappade negativt eller rent av loste flera problem.Flera olika tillvagagangssatt testades for att hitta den bastalosningen. Genom att sa ofta som mojligt aterga till varaUsability goals fastslogs att projektet hela tiden var pa rattvag for att uppna projektets huvudmal. Medvisos Usabilityengineering process foljdes och ett kontinuerligt tankande ochdiskuterande mellan framforallt projektdeltagarna men ocksaandra insatta i projektet, gjorde att standarden SS-EN 62366kunde foljas genom hela konceptframstallningen.

C. PrototyputvecklingUtvecklingen av olika losningar skedde bade med hjalp av

skisser pa papper och via programmeringsverktyget Matlab

4

som Segment CT ar skrivet i. Den grafiska delen av pro-grammet andrades via utvecklingsmiljon GUIDE i Matlab.Via GUIDE kunde det grafiska granssnittet utvecklas visuelltgenom att placera ut objekt i fonstret, istallet for att kodadem i m-filer och da ha svarare att se det faktiska resultatet.Koden fran det existerande programmet anvandes som bas,och nya funktioner och andringar lades till i m-filer. Kodenforseddes med lampliga kommentarer for dokumentation. Un-der projektets gang har implementationer av nya funktioneraterkommande testats genom att programmet dels anvants somtankt men ocksa medvetet felanvants.

1) Utvecklingsomraden:• Andrad bildvy

I den forsta versionen av Segment CT fanns mojlighetenatt andra mellan att se ett snitt av hjartat, “enbildsvy”,eller att se samtliga snitt samtidigt, uppradade bredvidvarandra. Det har andrats till endast en vy med fyrabilder och valet att kunna se alla snitt samtidigt togs bort.En av bilderna visar ett valbart kortaxelsnitt av hjartat,det vill saga den bild som tidigare synts vid funktionen“enbildsvy”. I denna bild gar det bladdra genom alla deolika snitten i kortaxelvyn av hjartat som skapats. For attfa plats med de resterande tre bilderna gjordes bilden tillen fjardedel mot vad den var i det gamla granssnittet.Ytterligare en av de fyra bilderna fanns i det gamlagranssnittet. Den visar vilket kortaxelsnitt som valts, denhjalper alltsa anvandaren att lokalisera sig. Tidigare fannsden i mindre format och var inte i anslutning till deandra bilderna vilket den nu ar. De andra tva bildernasom skapats visar hjartat fran sidan i tva nya vinklar,horisontal- samt vertikal langaxelvy.

• Valbara kontrasterFor att battre kunna undersoka hjartat kan kon-trastinstallningarna andras i bade bullseyeplotten och forde tre snittbilderna for att framhava fett, kalcium eller per-fusion beroende pa vad anvandaren ar intresserad av attse. I bullseyeplotten fanns tidigare mojligheten att valjamellan en automatiskt forinstalld kontrast eller en somstrackte sig fran det lagsta till det hogst uppmatta vardet. Idet nya granssnittet har valmojligheten for anvandaren attsjalv stalla in vilka nivaer som ska anvandas implemente-rats. Denna valmojlighet skapades genom att tva textbox-ar lades till dar hogsta och minsta vardet skrivs in. Dessatextboxar lases sedan av och staller in de nya vardena forbilden. I snittbilderna av hjartat fanns tidigare endast enforinstalld kontrast for varje undersokningstyp, perfusion,kalcium fett och myokardisk intensitet. Pa samma sattsom for bullseyeplotten skapades aven har textrutor foratt anvandaren sjalv ska kunna stalla in kontrasten. Istalletfor att valja ett hogsta och minsta varde anvands harvardena for “contrast width” och “contrast level” vilketar storleken pa spannet och kring vilket varde detta spannska rora sig.

• Avancerad vyTidigare visades alla valmojligheter och menyer samti-digt. Istallet skapades en checkbox for avancerade in-stallningar for att gomma och synliggora funktioner ochinformation. Genom att skapa denna checkbox doldes alla

funktioner och installningar som sallan anvands men somfortfarande ar viktiga att ha kvar. I startlaget valdes attendast visa de mest anvanda funktionerna och genom attmarkera checkboxen for avancerade installningar ta framresterande funktioner.

• Sammanlankad dataBeroende pa vad som ska undersokas valjs av anvandarenen undersokningstyp som ger olika kontrastinstallningarfor snittbilderna av hjartat och bullseyeplotten. Iden tidigare versionen av granssnittet valdes un-dersokningstyp separat for snittbilderna och bullseyeplot-ten. Installningarna for undersokningstyp av snittbil-dernas gjorde tidigare under en meny kallad ”Win-dowing”. Genom sammanlanka dessa installningar medinstallningarna for bullseyeplotten kunde menyn tas bort.

• Automatisk aterstallning till grundinstallningarFor varje undersokningstyp gar det dels att ha auto-matisk forinstallda kontrastvarden, kontrastvarden somsatts av det minsta och hogsta uppmatta vardet ellermanuellt installda varden. For att gora programmet merlattanvant skapades en funktion da byten sker mellanundersokningstyper. I den tidigare versionen av program-varan sparades installningarna for kontrastvarderna daundersokningstyp byttes. Den nya funktionen gor att dabyten av undersokningstyp sker valjs alltid automatiskavarden som grundinstallning. Detta for att varden anpas-sade for till exempel kalcium inte ska folja med da fettska framhavas. Detta hade sjalvklart kunnat andrats avanvandaren sjalv efter hen bytt grundinstallning. Dockfinns det ingen anledning att valja exempelvis fett ochsamtidigt ha kvar alla installningar anpassade for kalcium.

• Forbattrade grundinstallningarGenom samtal med E.Ostenfeld och genom att sjalvaanvanda programmet upptacktes det att vissa automatiskainstallningar av kontrast bade i bullseyeplotten och snitt-bilderna gav bilder som var svara att tolka. Nya vardenvaldes och implementerades.

2) Allman design: Den tidigare designen har i allmanhetandrats nagot. Exempelvis kravdes knappar for vissa nyainstallningar och olika val har andrat plats.

D. Uppfoljning och utvardering

Koden och anvandargranssnittet kontrollerades kontinu-erligt for att forsakra att ingen ny funktion andradeanvandningen av tidigare forbattringar. Utvecklingen de-monstrerades vid flera tillfallen for bade handledare ochE.Ostenfeld for ytterligare utvardering och for att se eventuellanya forbattringsmojligheter. De fick se hur programmet andratsoch att de uppfyllde kraven pa anvandbarhet. Aterkopplingenanvandes sedan for att fortsatta utvecklingen och andra dedelar som fatt kritik. Detta var en viktig del i att uppfyllaSS-EN 62366 [3] genom att analysera bade forbattringar ocheventuella risker som kan uppsta vid anvandning.

6

IV. RESULTAT OCH DISKUSSION

• Andrad bildvySom kan ses till vanster i anvandargranssnittet har vynfor att se snittbilder andrats (se skillnader mellan figur 1och 2). Numera finns alltid fyra bilder. En visar snitteti kortaxelvy, en visar vertikal langaxelvy, en visar hori-sontal langaxelvy och en visar vilket av kortaxelsnittensom visas. Tack vare de tva helt nya bilder som visarhorisontal och vertikal langaxelvy ges nu anvandaren merinformation pa ett smidigt sett och utan att krava nagrainstallningar fran anvandaren. Att bilden som syftar tillatt lokalisera sig i hjartat har flyttat till anslutning medkortaxelsnittet leder till en mer forstaelig design dar sakersom hor ihop ocksa har en grafisk narhet. Vid diskussio-ner med E.Ostenfeld framgick att den tidigare funktionenatt se alla snitt av hjartat samtidigt inte anvands da bilder-na av snitten blir for sma och varje enskild bild ger for liteinformation till anvandaren. Darfor har funktionen tagitsbort. Detta leder till ett luftigare gransnitt med mindreval och framforallt ett granssnitt utan onodiga funktionersom inte anvands. Forandringarna av bildvyn har alltsagjorts for att anvandaren ska kunna se all sin informationtydligt och pa ett avgransat omrade, istallet for att behovaleta efter ratt information i hela fonstret. Mer informationkan enkelt lasas av och onodiga valmojligheter har tagitsbort for anvandaren. Detta for att skapa ett enkelt ochsmidigt anvandande. Forminskningen av bilden pa denvalbara kortaxelvyn ar den mest kansliga forandringen.Det ar den viktigaste funktionen i denna del av program-varan. Efter vara diskussioner med E.Ostenfeld ska dockinte forminskningen vara nagot problem. Forminskningenkravdes for att ge utrymme for de resterande bildernavilket ansags vara av storre vikt. Genom vara forandringaruppnas flera av vara Usability goals. Framforallt skapardet en effektivare och enklare anvandning av denna del avprogrammet. De Usability goals som uppnas ar Efficientto use, Effective to use, Easy to learn och Easy toremember.

• Valbara kontrasterDe valbara granserna for kontrast i snittbilderna och ibullseyeplotten som har implementerats ger en storrefrihet for den anvandare som vill se nagot specifik somkanske inte syns tydligt inom de vanliga installningarna.I figur 3 som visar det avancerade laget syns de check-boxar som anvands. I bullseyeplotten skrivs det hogstarespektive lagsta vardet for kontrastnivan in, medan vidinstallningarna for snittbilderna anvands “contrast width”och “contrast level”. Att det i snittbilderna kallas contrastwidth och contrast level istallet for ett hogsta och lagstavarde beror pa de termer som anvands av lakare. For entekniker hade troligen ett hogsta respektive lagsta vardevarit tydligare men for E.Ostenfeld ar det en sjalvklarhetatt istallet tala om width och level. For att underlatta foranvandarna valdes darfor de termerna. Valbara kontrasterar en “avancerad” installning och ar alltsa dold narprogrammet startar (figur 2). Dessa installningar syftarframforallt till att skapa en bredare anvandningsmojlighet

dar funktionen gor att den vana anvandaren kan fa ut annumer av programmet. Detta uppfyller vart Usability goalHave good utility. Val av termer gor att funktionen arenkel att lara sig och forsta och att de ar gomda underavancerade installningar gor att granssnittet ar visuellttilltalande och latt att arbeta i.

• Avancerad vyI figur 2 och figur 3 visas hur denna funktion fungeraroch hur den anvands. Genom att anvanda en checkboxfor avancerade installningar skapas en tydlig layout medfa och viktiga funktioner som ofta anvands i startlaget.Genom ett enkelt knapptryck gar det att fa fram demer avancerade funktionerna. Funktionen mojliggor enenkel smidig och visuellt tilltalande design utan att tabort mojligheten till ett mer avancerat anvandande avprodukten. Att bara visa det mest nodvandiga i pro-grammet var ett starkt onskemal fran E.Ostenfeld. Omspecialinstallningar syns kan det gora anvandaren osakerpa hurvida de maste stallas in, vilket i sin tur leder till attanvandningen blir mindre effektiv. Denna funktion ledertill att vart Usability goal Easy to learn uppfylls.

• Sammanlankad dataGenom att sammanlanka installningarna avundersokningstyp for bullseyeplotten och snittbildernakravs nu endast ett knapptryck istallet for tre for att stallain onskad undersokningstyp. Enligt E.Ostenfeld finns detinte nagon situation som kraver olika typ av installningarpa bullseyeplotten och snittbilderna och darfor har ingenonskad funktion forlorats. Anvandbarhetsmassigt ardetta den kanske viktigaste andringen i programmet.Tidigare kravdes minst tre knapptryck for att fa framde kontraster som onskades pa bade snittbildernaoch bullseyeplotten. Ett knapptryck for att valjaundersokningstyp i bullseyeplotten, Ett for att oppnamenyn “Windowing” (se figur 1) och ytterligare ett foratt i den menyn valja installning for snittbilderna. Dennaforandring har gjort storst inverkan pa att effektiviseraprogrammet och att spara tid for anvandaren och darmedframforallt uppfyllt tva av vara Usability goals Efficientto use och Effective to use. Genom att ta bort menynWindowing som styrde installningarna for snittbildernahar mer plats i granssnittet skapats vilket syns i figur 2.

• Automatisk aterstallning till grundinstallningarGenom att skapa funktionen att alltid aterga till au-tomatiska varden for den undersokningstyp som valtssparas tid for anvandaren. Att inte lata kontrastvardenanpassade for en viss undersokningstyp folja medda anvandaren byter till en annan undersokningstypforebygger felanvandning av programmet. Om kon-trasvarden for fel undersokningstyp visas finns det ocksarisk for att fel diagnoser stalls. De Usability goals somuppnas genom denna forandring ar Safe to use ochEfficient to use.

• Forbattrade grundinstallningarDessa forbattrade grundinstallningar av automatiska kon-trastvarden har gjort det lattare att framhava det somar intressant. Mer sallan behovs finjusteringar av kon-trastinstallningar vilket sparar tid och ger ett effektivare

7

anvandande av programvaran. Dessa forandringar uppnarvara Usability goals Efficient to use och Effective to use.

A. Allman anvandbarhet

Vara implementeringar har forandrat segment CT fran enprogramvara med noga utvalda och val fungerade funktionertill att ocksa presentera dem pa ratt satt. Forandringarna hargjort det lattare att lokalisera vilket snitt i hjartat som un-dersoks. Det har blivit lattare att valja ratt installningar for vadman vill framhava och antalet val som kravs har minimerats.Genom att lagga in funktioner med valbara granser for kontrasthar aven mojligheterna till att bearbeta bilderna okat utanatt forsvara anvandandet av programmet. Anvandargranssnittethar blivit tydligare och hjalper anvandaren att anvanda pro-grammet pa ratt satt, exempelvis genom att kunna dolja funk-tioner som sallan anvands. Utformningen av programvaranfokuserar pa hur den anvands kliniskt och ar anpassad darefter.Granssnittet ar utformat for att ge tydliga ledtradar till hur pro-gramvaran ska anvandas och for att gora det svart att anvandaden fel. Designen ar enklare och mer visuellt tilltalande ochsparar tid genom farre steg, val och installningar.

Det ar svart att ge exakta matt pa hur mycketanvandbarheten har forbattrats, det ar nagot som var-je anvandare har en egen asikt om. Vi anser dock attanvandbarheten har forbattrats genom att tydliggora vilka valsom behovs och minska antal val som behover goras, samtidigtsom nya funktioner okat funktionaliteten. Det enda mattet somkan kvantifiera en forbattring ar hur manga knapptryck somkravs for att uppna ett visst resultat. Exakt vad anvandarenkollar pa, och darigenom hur manga knapptryck som kravs,varierar sjalvklart mellan undersokningar och vem som utforanalysen. Om vi utgar ifran ett enkelt fall, att en lakare villse en gang pa varje undersokningstyp, da kravde den gamlaversionen nio knapptryck medan den nya kraver fem. Detta ardessutom en valdigt kort och enkel analys, den faktiska skill-naden kan vara mycket storre. Den stora skillnaden kommernar anvandaren vill se en annan kontrast i snittbilderna, vilketkravde tre knapptryck i den gamla versionen, men bara ett iden nya.

I alla vara implementeringar har delmal uppnatts ochsammantaget har alla uppsatta delmal uppfyllts. Genom attdelmalen har uppfyllts och tack vare att arbetet utgatt franMedvisos Usability engineering process [4] har det sakerstalltsatt standarden SS-EN 62366 [3] foljts.

B. Etik och hallbar utveckling

Ur ett hallbarhetsperspektiv ar vart projekt enbart positivti forhallande till hur det sag ut innan vi borjade vart arbete.Programvaran kraver samma forutsattningar som tidigare vadgaller elforbrukning och vilka bilder som behovs fran pati-enten. Manga lakare upplever att deras vardag blir allt merstressig, nagot som definitivt inte ar hallbart. Det ar en av dedelar som har forbattrat genom att programvaran kraver farreknapptryck och farre installningar oavsett vilka funktioner somskall anvandas. Straldosen som en patient utsatts for ar ingetsom har paverkats. Vart projekt leder till en kortare analystid,vilket gor att tid frigors som kan anvandas till att hjalpa andra

patienter. Dagens sjukvard ar mycket anstrangd bade vad gallertid och pengar, nagot som vart projekt kan hjalpa att forbattra.Sjukvarden kraver mer och mer resurser, nagot som gor attmer resurseffektiva program och undersokningar behovs foren hallbar utveckling.

LV perfusion, som ar det verktyg inom Segment CT somvart projekt berort, ar ett nytt verktyg och anvands annu inte.Om det skulle borja anvandas skulle varje undersokning gemer information och nyttan skulle for varje undersokning blistorre.

V. SLUTSATSER

Tidigt i projektet framgick det att det var mojligt att effekti-visera bildanalysen av CT-bilder genom att oka Segment CTsanvandbarhet. Anvandandet kan bli enklare, vilket minskarlakarens osakerhet, tydligare, vilket ger en forbattrad mojlighetfor korrekt analys, och snabbare, vilket i forlangningen spararpengar och ger mer tid till annat. Nagot som tydligt syntesunder projektets gang ar vikten av att samarbeta med de somfaktiskt i slutandan ska anvanda programmet. Manga aspektersom verkade sjalvklara for en ingenjor kanske inte ar likasjalvklara for en lakare. Olika kultur och framforallt “hur sakerbrukar goras” paverkar vad som ses som naturligt att gora.Aven om de standarder som finns kring Usability engineeringanvands, ar det viktiga att vanda sig till ratt personer for deolika stegen. Projektet har lett till ett forbattrat program forbildanalys och slutsatsen att det finns stora mojligheter tillforbattrad anvandbarhet och effektivitet inom bildanalys, salange hjalp tas av ratt personers kunskap.

VI. FRAMTID

Manga delar av Segment CTs programvara har i dettaprojekt andrats till att bli mer lattanvant och anvandarvanligt.Anvandbarheten har darfor okat. Detta projekt har varit tids-begransat och Segment CT ar ett stort program med mangafunktioner och samtidigt ar anvandbarhet ett stort omrade medmanga olika aspekter. Darfor finns det sjalvklart omraden som,i detta projekt, inte har forbattrasa. Vissa delar har inte tanktspa och vissa delar har fatt utelamnats pa grund av tid ochforutsattningar.

Ett exempel ar att E.Ostenfeld garna hade sett mer dia-gnostiska hjalpmedel med hjalp av scoring. Exempelvis arkalciumscoring nagot som undersokts av ett annat arbete inomkursen Klinnovation [9] och som skulle kunna implementeras.Liknande kan goras for exempelvis fett.

Ett annat problem ar att farger som ska forandras mellanolika undersokningstyper och kontraster i vissa lagen intefungerar. Det ar ett problem som fanns innan detta projektpaborjades, men som behover fixas for att programmet skafungera pa ratt satt.

Bilderna av hjartat i horisontal- och vertikal langaxelvyvar tankta att vara sa hogupplosta som mojligt for att un-derlatta anvandandet. Funktionen for de hogupplosta bildernaar paborjad och vantar pa att bli fardig. For tillfallet finns enlosning med lagre upplosta bilder i programmet for att ge ettacceptabelt utseende.

8

I Resultat och diskussion ”andrad bildvy” diskuteras enkanslig andring av storleken pa bilden av det valda kortaxel-snittet. En losning vi framover skulle vilja implementera ar enfunktion dar ett enkelt tryck pa bilden av kortaxelsnittet skulleforstora denna bild fyra ganger och ett andra tryck skulle aterforminska bilden till utgangslaget.

VII. EFTERORD

Vi skulle vilja tacka de som vaglett oss under detta arbete.Det galler vara handledare Helen Fransson, VD for MedvisoAB, och Einar Heiberg, grundare av Medviso AB, for derashjalp med de tekniska aspekterna av vart arbete och for att dealltid varit tillgangliga for vara fragor. Vi skulle aven vilja tac-ka Ellen Ostenfeld, specialist i kardiologi och metodansvarigfor CT-Hjarta pa Skanes universitetssjukhus i Lund, som harhjalpt oss att forsta lakarnas syn pa anvandbarhet och hur devill anvanda programmet.

Under projektets gang har det mesta av arbetet gjortstillsammans. I bakgrundsstudier och intervjuer har arbetet varitjamnt fordelat och alla val av implementerade forandringar avprogramvaran har diskuterats fram och bestamts i samforstand.I programmeringen har E.Andersson skrivit det mesta av kodenmen med L.E.Hofmann alltid narvarande och delaktig medideer.

REFERENSER

[1] Ostenfeld, Ellen, specialist i kardiologi och metodansvarig for CT-Hjartapa Skanes universitetssjukhus i Lund, intervjuer

[2] Preece, J., Rogers, Y., Sharp, H.. (2002). Interaction Design: BeyondHuman-Computer Interaction, avsnitt 1.5.1, s. 14

[3] SS-EN 62366:2008, Medicintekniska produkter – Tillampning av me-toder for att sakerstalla medicintekniska produkters anvandarvanlighet,faststalld 2008-06-30

[4] QMS Operational Procedure QOP-73-10, Usability Engineering Process,faststalld 2014-04-17

[5] SO 9241-210:2010, Ergonomics of human-system interaction – Part 210:Human-centred design for interactive systems

[6] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1979, http://www.nobelprize.org/nobel prizes/medicine/laureates/1979/perspectives.html,hamtad 2016-04-29

[7] FDA What is Computed Tomography?, http://www.fda.gov/radiation-emittingproducts/radiationemittingproductsandprocedures/medicalimaging/medicalx-rays/ucm115317.htm, hamtad 2016-04-29

[8] Heiberg, Einar, grundare Medviso AB, intervjuer[9] Y. Lopez Martinez, E. Frost, En implementation av Calcium Scoring for

berakning och visualisering av forkalkningar i kranskarlen, 2016

1

Improved method for diagnosing and rehabilitatingpatients with damaged brain cortex

Alexander Warsi (BME–13), Christofer Larsson (BME–13)

Abstract—The central nervous system (CNS) is essential forour ability to move. When the cortex of the brain is damageddue to brain disease or trauma, abilities of motion are oftenaffected in patients. Recovery of patients is heavily dependenton the experience of the physician in practice since there isno quantitative measure of regularities in brain activity, andtherefore no specific way of diagnosing and treating patientswith cortical damage. In this project, we seek to develop such amethod. With the help of an EEG system and a motion detectorcalled Leap Motion, a designed motion is extensively analyzed.Principle component analysis is an important tool for the analysis.This research has great potential of developing a method thatwould be highly advantageous for both physicians and patients.

I. INTRODUCTION

A. The Central Nervous System (CNS)

The CNS essentially consists of nerve cells and glia cells.The nerve cells has two types of processes that emerge fromthe cell body; dendrites that branch off into numerous smallramifications that are covered with synapses, and axons thatprovide contact with dendrites of other cells through synapses.See figure 1. [1]

When the membrane of a nerve cell is penetrated witha microelectrode, a potential of 60-70 mV can be recordedintracellularly. This characteristic potential is dependant onthe chemical composition of substances within and outsidethe cells. The potential is a subject to fluctuations caused bysynaptic activity. Certain excitatory fluctuations give rise toaction potentials that travel along the axons and allow nervecells to communicate with each other. [1]

B. Mobility of the hand

Our hands are highly sophisticated and complicated struc-tures with several functional elements such as muscles, bonesand joints. As infants, we mostly use our hands as sensoryorgans to explore environmental properties around us. Aswe grow and the CNS continues to mature, we start usingour hands as motor organs to grasp objects and pre-shapeour hands before doing so depending on the dimensions ofthe object. The seemingly simple task of grasping an objectcontains a highly complicated cooperation of our muscles,bones and joints that is initiated in the CNS. [2]

Because of the critical role that the hands play in dailyactivities, many studies have been made to characterize the

Handed in June 14, 2016Email address:bim06awa@student.lu.se, mte13cla@student.lu.seTechnical supervisor: Anton Spanne, the Department of Experimental

Medical Science, Lund UniversityClinical supervisor: Henrik Jorntell, the Department of Experimental Med-

ical Science, Lund University

Figure 1. Schematic drawing showing the morphology of nerve cells andneural attachments. [1]

way the CNS controls the motions of the hand. Expanding ourunderstanding of this would enable us to improve functionalrecovery of patients after neurological injuries due to traumaor brain disease. [2]

C. Relevant technologies

For sufficient understanding of our project, two existingtechnologies need to be presented and described:

1) Electroencephalography (EEG): EEG is a techniqueused to record and study the previously described neuralactivity of the brain. It is done with the help of electrodes thatattach to the head and detect the electric fluctuations causedby action potentials travelling along the nerve cells in theCNS. See figure 2 for examples of EEG signals during REMsleep. The clinical uses of this technique are many, includingmonitoring of seizures in epileptic patients, monitoring ofpatients given anesthesia and analysis of sleep cycles. [1,3,4]

2) Leap Motion Controller: The Leap Motion Controller isa device that can be used for hand gesture control in computersand is primarily designed for hand gesture and finger position

2

detection in interactive software applications. See figure 3. Thedetector uses infrared light and cameras to detect motions ofthe hand and can display the hand on a screen in a three-dimensinal coordinate system. The Leap Motion Controllercan be connected to a computer using a USB connection. Theaccuracy of Leap Motion as a detector is presented in a studyby F. Weichert et al. [5,6]

Figure 2. EEG showing patterns of slow potential oscillations during naturalREM sleep from six different areas of the brain cortex. [1]

Figure 3. Leap Motion Controller [6]

D. Principal component analysis

Principal component analysis (PCA) is an important tool forour purpose. PCA is a general name for a technique that usesmathematical principles to transform a number of possiblycorrelated variables into a smaller number of variables. It isa very important mathematical tool when analysing large datasets and has a wide range of applications. Since large datasets may have many variables that can be hard to visualiseand analyze, PCA is often used to reduce dimensionality anddecrease the number of variables. From an initial large numberof variables, PCA results in a new set of a few variables(principal components) to simplify further analysis. MarkRichardson´ s essay on PCA allows a better understanding ofprincipal component analysis through theoretical explanationand examples of applications. [7]

E. Problem to solve

When suffering a head trauma or certain brain diseases suchas dementia, Alzheimer´ s, stroke and many more, the damageis in many cases located in the cortex of the brain. Other partsof the CNS such as spinal chord, brainstem and cerebellumare also affected as a result. In most cases, motile abilites ofthe patients are affected. Despite the damage in the cortex,the loss of motile function can be regained by adaption of thenervous system [2]. See figure 4. This adaption ability is usedfor rehabilitation of patients with a damaged cortex.

Figure 4. Schematic illustration of the outcome of brain damage in the cortexcaused by brain disease, stroke or head trauma. The red area in the upper partof A) visualises damage in the cortex, and the lower red parts are the resultsof the damage in other parts of the CNS such as brainstem, cerebellum andspinal chord. B) shows adaption to regain motile functions after the damagein the cortex.

Today, we lack a quantitative measure of brain function.This is needed for more accurate diagnosis of brain disease andto access optimal recovery of brain function after damage inthe brain cortex. Regarding stroke for instance, diagnosing andrehabilitation are dependent on the knowledge and experienceof the physician in practice. The reason is that the methodsused to diagnose today are medical examinations by physiciansand body scans that show only anatomy and not neurologicalfunction. L. B. Morgenstern et al. conducted a populationbased study for an article that concluded that their results arguefor a system with neurology support so that proper decisionsregarding stroke therapy can be made [8].

F. Aim

Since the methods used today to diagnose and treat patientswith damage to the cerebral cortex that affect their abilitiesto perform motions are not optimal, our aim is to access animproved method for physicians to do so by developing aquantitative measuring of brain function.

G. Approach

Our development of such a method builds on the theory thatin normal cases, EEG signals from different parts of the brainshow a regular distribution of brain activity in relation to eachparticular movement type. When experiencing head trauma orbrain disease, the normal distribution of brain activity can beexpected to become unbalanced due to partial damage of the

3

cortex. There is less activity in damaged parts of the cortexand more in the fully functional parts. When processed, thenormal distribution of brain activity in relation to specific typesof movement can serve as a tool for doctors to specify anddiagnose trauma and disease that cause irregularity in brainactivity distribution. The findings could also be used as a toolto create optimal therapy for the patients instead of treatmentsthat differ between physicians.

II. METHOD

A. Literature search

Initially a literature study was done to obtain informationand knowledge about the function of the brain. Several studieshave been undertaken to understand the control of mobility bythe CNS, and a few highly relevant studies were further lookedinto.

B. Testing of Leap Motion

Since the Leap Motion Controller is an important part ofthe project, it was studied both theoretically and practically tobegin with. The Leap Motion Website [9] contains substantialinformation about the product including open source docu-ments from the developers. With the help of this information,the controller was installed and tested on a computer.

C. Programming

The next step was to create a program that visualises thecoordinates of the hand in a three-dimensional coordinatesystem. The code that runs the Leap Motion Controller isavailable at the Leap Motion website. This code was importedto Eclipse for programming with Java. Another code fromthe website was found and copied into Eclipse resulting ina program that was activated when a hand was detected inthe Leap Motion Controller. In each frame that was 7-15 msapart, the program printed out a frame ID, timestamp, numberof hands and fingers detected, pitch, roll and yaw of thehand (degrees), length and width (mm) of all detected fingersand the xyz-coordinates of metacarpal joints, proximal joints,intermediate joints and distal joints in a three-dimensionalcoordinate system. See figure 5.

This program was not completely satisfactory for ourpurpose. To enable complete studies of the hand motions,code modifications were made to obtain additional necessaryinformation. Since the printed information of a detected handneeded to be saved for further studies, a filewriter functionin Java was added to the code to save all the info in eachtime frame into a data file to allow opening in programs suchas Excel. To be able to work with all the extracted numberscontaining information of a detected hand, all printing ofwords was removed from the code to obtain only numbersin the data file.

A problem with the initial code was that it created andprinted frame ID ´ s and timestamps for each time frame evenwhen a hand was not detected. Since this information wasunnecessary and only slowed the system, modification of thecode was made to obtain printing in the system only when

Figure 5. Visualisation of metacarpal joints, proximal joints, intermediatejoints and distal joints. In the Leap Motion system, the length of the metacarpalbone in the thumb is set to 0 mm to correctly depict the anatomy of the humanhand. [9]

a hand was detected. This was done by creating a booleanvariable that was set to true when a hand was detected. Thevariable was used to initiate printing. This way, the printingoccured only when a hand was detected.

D. EEG

Next, a hand motion was designed for repeat and analysis.The chosen motion was grasping an object resting on a table,lifting it slightly and finally putting it back down. An EEGsystem with 128 electrodes was used for further analysis.The electrodes were applied to the scalp of our test subject.The motion was repeated by the subject 76 times while EEGsignals were recorded in the 128 electrodes. The purpose ofthis initial EEG testing was to see if the EEG-system wasfunctional and if regularities could be found in the signalswhen a motion was repeated. The signals were imported intoMatLab. A code was written in MatLab that made an averageof the signals from the 76 events. This code can be found inappendix.

After conducting this initial testing of the EEG, threeseparate hand motions were designed to be analyzed. The firstone was grasping the lid of a jar held up by a metal stancewhile rotating the arm, and letting go. The second motionwas grabbing the top of a bottle with all fingertips and lettinggo, a more delicate motion. The third was grabbing the samebottle with the whole hand. The EEG was applied in the samemanner as before to the same test subject. Over 100 repeatsof each motion were made by the subject while recordingboth EEG signals in 128 electrodes and three-dimensionalcoordinates of the positions of the hand using the Leap MotionController. Timestamp marks were created in the beginningand end of the testing of each type of motion to enable syncing

4

between the two types of informations. Large data files werecollected with both types of informations for further analysis.

Figure 6. The setup when testing the motion of grabbing the bottle with thewhole hand. The Leap Motion Controller is visible.

III. RESULTS

A. Programming

The programming with the Leap Motion Controller resultedin a code that prints out and saves necessary informationabout a detected hand in addition to the information thatwas already available in the code downloaded from the LeapMotion website. The additional information that is obtainedfrom the modified code is the position of the wrist, elbow,palm and all fingertips in the form of xyz-coordinates, andthe direction of the arm in the form of a vector. The finalprogram prints and saves frame ID ´ s and timestamps onlywhen a hand is detected, which is desirable for our purpose.The finalized code can be found in appendix.

B. EEG

The information from the initial testing of the EEG systemand averaging of the signals in MatLab gave 128 graphs,each representing the average signal from each of the 128electrodes. As previously described, the motion performed inthis test was lifting a small object from a table, putting it backand letting go of the object. The object was let go at 1200 ms.A few of the 128 graphs that give a good overview of theresult were selected and are shown in the figures below.

Figure 7. An average of EEG-signal from electrode nr 5.

Figure 8. An average of EEG-signal from electrode nr 10.

5

Figure 9. An average of EEG-signal from electrode nr 26.

Figure 10. An average of EEG-signal from electrode nr 26.

Figure 11. An average of EEG-signal from electrode nr 26.

Figure 12. An average of EEG-signal from electrode nr 61.

Figure 13. An average of EEG-signal from electrode nr 91.

Figure 14. An average of EEG-signal from electrode nr 118.

IV. DISCUSSION

A. Programming

The finalized program obtained from the Java code modifi-cation in Eclipse has all required specifics for further use. Itsaves all necessary information of a detected hand automati-cally into a data file, which is very important for the upcomingprinciple component analysis of the hand motions.

6

B. EEG

The graphs obtained from the MatLab programming thatare presented in results are from the initial testing of theEEG system of which the purpose was to analyze if thedesigned motion leads to usable signals. The graphs depictaverage signals of all 76 repeats of the designed motionmeasured in named electrodes. The reason for averaging is toenhance dominant patterns. In the first dozens of electrodes,clear peaks and valleys are consistently visible around thesame moments of the motion. This can especially be seenaround 1200 ms when the object is let go by the subject. Thecharacteristic patterns in these graphs fade away in subsequentgraphs, while other characteristic peaks and valleys start todominate. These results lead to the conclusion that differentcharacteristic activities take place in different parts of the brainwhen performing a certain motion. It reveals that the EEGsystem is functional and can be used for continuation of theresearch.

C. Reliability

Because of the several complex parts that this researchinvolves, there are some possible sources of error that couldaffect the measurements and end results. It is important to keepthese in mind to reach full potential. One aspect that could beimproved before continuation is the trigger timestamps usedas a syncing point for the timelines of the EEG system andthe Leap Motion system for comparison. This has so far beendone manually and would be more exact by creating a digitaltrigger point.

When the subject was performing the motion while havingEEG measured, there were four people present in the room.This potentially affects the signals of brain activity sinceit could be a distraction. For optimal generation of signalsto perform research on, the motions should be performedwith minimum distraction in auditory or visual form. Themovement should also be performed in an automatic mannerwith minimum focus on the movement itself. This is hard toachieve since the subject is instructed to produce the motionsand is more aware of the motion compared to a scenario wherethe subject would choose to perform the motion. This sourceof error is minimized (though not eliminated) by repeatingthe motion many times so that it becomes somewhat of ahabit. Averaging of the signals minimizes temporary sourcesof distraction.

Another possible source of error is the connection betweenthe electrodes and the scalp of the subject. Each electrodeshould for best possible generation of EEG-signals be sub-jected to minimal resistance. If the electrodes are not wetenough, an unwanted amount of resistance emerges. Theresistance leads to attenuation of the signals or even inabilityto obtain signals. When performing the EEG, the electrodeswere carefully moistened to minimize resistance.

The Leap Motion Controller has a latency of detection thatin some cases could affect measurements. This was checkedbefore doing tests. The maximum latency seen was 15 mswhich would not affect measurements for our purpose.

D. Continuation

There is a lot more work that needs to be done within thisproject and this report merely presents how far we have comeat this point. The next step is to analyze the signals fromthe EEG without averaging. The raw data will be statisticallyanalyzed and processed by principal component analysis. Theanalysis will provide dominant patterns that appear whenperforming a motion. The dominant patterns will be subtractedfrom the graphs and we will be left with small differences insignals between each repeat of the studied motion. When thelowest common denominators are subtracted, small differenceswill be easier to find. These small differences reflect that thebrain as a whole follows a similar time profile but differentactivities take place in different departments of the brain.The end goal is to examine how regular the connections arebetween the different parts of the brain by looking at thepattern as a whole. A discovered regularity here would be aremarkable finding. When finding regularity for one motion asdescribed, we also hope to find a regularity in patterns of brainactivity distribution between different types of motions. Sinceeach individual has a unique brain activity, the distribution ofbrain activity is different for each person performing similarmotions. Still, the completed research will be appliciable toall patients.

In this research, the use of the Leap Motion Controller isimportant since it grants numerical values of hand position inthe three-dimensional coordinate system. The values will beanalyzed through principle component analysis which couldshow regularities in hand motions and grant a basic motion towork with. It will be used for connection and comparison withthe regularities in brain activity distribution. With the help ofthe Leap Motion Controller, quantitative analysis of a handmotion is made possible.

E. Potential

Regarding rehabilitation of stroke patients with corticaldamage, it has been shown that training of different handmotions often improve abilities to perform further motions.Physiotherapists have through the years by experience de-signed these motions and seen that they lead to improvementof coordination. The rehabilitating motions are general and notspecific for each patient, and therefore not optimal for eachcase. The method we are developing could be used as a toolto design motions that lead to the most desired types of brainactivity, allowing optimal recovery for each specific patient.

Since there is no method for quantitative measurement ofbrain activity available today that uses regularities of brainactivity, a development of such a method has great potential.It would greatly improve diagnosing and treatment of patientswith damaged cortex. The advantages would be significant forboth physicians and patients. The quality and reliability ofhealthcare should not be dependent on where or by whom itis provided; everybody should have a right to a similar qualityof healthcare. The method we are developing would enableexactly this regarding this particular type of healthcare.

7

F. Sustainable development

Since there is no development of a physical device, thisresearch has low environmental effects. The completed productwould be a software that uses existing technologies such as acomputer, Leap Motion and EEG systems. To minimize nega-tive environmental effects, efforts could be made to purchasetechnologies from companies with sustainable development ofproducts.

G. Ethics

As mentioned previously, with todays methods of diagnos-ing and treating patients with cortical damage, the healthcare isdependant on the expertise of the physician in practice. Thismeans that these patients get different care and possibilitiesdepending on their location. Development of our method couldeliminate this problem, bringing us one step closer to the idealthat each individual should have the same quality of healthcare.

Regarding other medical areas such as heart disease, a lotof research has been made with great progress. Since suchconditions are widely spread and often life threatening, re-search withing these areas are prioritised. Patients with corticaldamage are not in the same kind of acute condition. Alsothe brain is a highly complicated structure. These could bereasons to the lesser andvances within this area. Nevertheless,improvements of rehabilitation are needed to enhance the lifequality of patients with cortical damage.

V. CONCLUSION

We have managed to give a good start to this project.It needs further efforts to obtain an end result. The theoryis promising and the signals from the EEG show a fullyfunctional system. The developed Java code has resulted ina program that allows all necessary specifics of a detectedhand for further principle component analysis. Everything isset for continuation of the research.

VI. AFTERWORD

A. Acknowledgements

We would like to thank Henrik Jorntell at the Departmentof Experimental Medical Science, Lund University, who hasserved as our supervisor. We turned to him when guidancewas needed through theoretical parts of the project, and heprovided us with useful articles on relevant reseach to help usgain knowledge. We would also like to thank Anton Spanneat the same department for his expertise regarding practicalparts of the project such as programming.

All practical parts of the project have been performedtogether. Regarding the article: Christofer has been in chargeof article layout, integration of article into LaTeX, discussionand part of the method. Alexander has been in charge of therest of the text, figures and translation into english.

REFERENCES

[1] E. Niedermeyer, F. L. da Silva, ” Electroencephalography: Basic Prin-ciples, Clinical Applications and Related Fields ”, Lippincot Williams& Wilkins, 2004

[2] M. Santelloa, M. Bianchib, M. Gabiccini, E. Ricciardie, G. Salvietti, D.Prattichizzo, M. Ernst, A. Moscatelli, H. Jorntell, A. M. L. Kappers, K.Kyriakopoulos, A. Albu-Schaffel, C. Castellini and A. Bicchi, ’AuHandsynergies: Integration of robotics and neuroscience for understandingthe control of biological and artificial hands’Au, Science Direct, 2016

[3] P. L. Purdon, A. Sampson, K. J. Pavone and E. N. Brown, ” ClinicalElectroencephalography for Anesthesiologists Part I: Background andBasic Signatures ”, Anesthesiology, 2015

[4] M. A. Lopez-Gordo, D. Sanchez-Morillo and F. Pelayo Vallem ” DryEEG Electrodes ”, Sensors (Basel), 2014

[5] F. Weichert, D. Bachmann, B. Rudak and D. Fisseler, ” Analysis ofthe Accuracy and Robustness of the Leap Motion Controller ”, Sensors,2013

[6] https://www.leapmotion.com/, 2016-04-22[7] M. Richardson, ” Principal Component Analysis ”, 2009[8] L. B. Morgenstern, L. D. Lisabeth, A. C. Mecozzi, M. A. Smith, P. J.

Longwell, D. A. McFarling and J. M.H. Risser, ” A population-basedstudy of acute stroke and TIA diagnosis ”, Neurology, 2003

[9] https://developer.leapmotion.com/documentation/java/index.html, 2016-04-22

8

APPENDIX

Java code used in Eclipse:

i m p o r t j a v a . i o . F i l e ;i m p o r t j a v a . i o . F i l e W r i t e r ;i m p o r t j a v a . i o . IOE xcep t i on ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . Arm ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . Bone ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . C o n t r o l l e r ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . F i n g e r ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . Frame ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . Hand ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . L i s t e n e r ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . Tool ;i m p o r t com . l e a p m o t i o n . l e a p . V e c t o r ;c l a s s S a m p l e L i s t e n e r e x t e n d s L i s t e n e r

p r i v a t e F i l e W r i t e r f i l e w r i t e r ;p u b l i c vo id o n I n i t ( C o n t r o l l e r c o n t r o l l e r ) System . o u t . p r i n t l n ( ” I n i t i a l i z e d ” ) ;t r y

f i l e w r i t e r = new F i l e W r i t e r ( new F i l e ( ” d a t a f i l e . d a t ” ) ) ; c a t c h ( IOExcep t ion e )

r e t u r n ;

p u b l i c vo id o n D i s c o n n e c t ( C o n t r o l l e r c o n t r o l l e r )

/ / Note : n o t d i s p a t c h e d when r u n n i n g i n a debugger .System . o u t . p r i n t l n ( ” D i s c o n n e c t e d ” ) ;

p u b l i c vo id o n E x i t ( C o n t r o l l e r c o n t r o l l e r )

System . o u t . p r i n t l n ( ” E x i t e d ” ) ;t r y

f i l e w r i t e r . f l u s h ( ) ;f i l e w r i t e r . c l o s e ( ) ;

c a t c h ( IOExcep t ion e ) e . p r i n t S t a c k T r a c e ( ) ;

b o o l e a n l i n e = t r u e ;p u b l i c vo id onFrame ( C o n t r o l l e r c o n t r o l l e r )

/ / Get t h e most r e c e n t f rame and r e p o r t some b a s i c i n f o r m a t i o nFrame frame = c o n t r o l l e r . f rame ( ) ;i f ( f rame . hands ( ) . c o u n t ( ) != 0)S t r i n g B u i l d e r sb = new S t r i n g B u i l d e r ( ) ;l i n e = t r u e ;sb . append ( ” Frame i d : ” + frame . i d ( )

+ ” , t imes t amp : ” + frame . t imes t amp ( )+ ” , hands : ” + f rame . hands ( ) . c o u n t ( )+ ” , f i n g e r s : ” + f rame . f i n g e r s ( ) . c o u n t ( )+ ” , t o o l s : ” + f rame . t o o l s ( ) . c o u n t ( ) ) ;

/ / Get handsf o r ( Hand hand : f rame . hands ( ) )

S t r i n g handType = hand . i s L e f t ( ) ? ” , L e f t hand ” : ” , R i g h t hand ” ;sb . append ( ” ” + handType + ” , i d : ” + hand . i d ( )

+ ” , palm p o s i t i o n : ” + hand . p a l m P o s i t i o n ( ) ) ;/ / Get t h e hand ’ s normal v e c t o r and d i r e c t i o nV ec to r normal = hand . palmNormal ( ) ;V ec to r d i r e c t i o n = hand . d i r e c t i o n ( ) ;/ / C a l c u l a t e t h e hand ’ s p i t c h , r o l l , and yaw a n g l e ssb . append ( ” , p i t c h : ” + Math . t o D e g r e e s ( d i r e c t i o n . p i t c h ( ) ) + ” d e g r e e s , ”

+ ” r o l l : ” + Math . t o D e g r e e s ( normal . r o l l ( ) ) + ” d e g r e e s , ”+ ”yaw : ” + Math . t o D e g r e e s ( d i r e c t i o n . yaw ( ) ) + ” d e g r e e s ” ) ;

/ / Get arm boneArm arm = hand . arm ( ) ;sb . append ( ” , Arm d i r e c t i o n : ” + arm . d i r e c t i o n ( )

+ ” , w r i s t p o s i t i o n : ” + arm . w r i s t P o s i t i o n ( )+ ” , elbow p o s i t i o n : ” + arm . e l b o w P o s i t i o n ( ) ) ;

/ / Get f i n g e r sf o r ( F i n g e r f i n g e r : hand . f i n g e r s ( ) )

9

sb . append ( ” , ” + f i n g e r . t y p e ( ) + ” , i d : ” + f i n g e r . i d ( )+ ” , l e n g t h : ” + f i n g e r . l e n g t h ( )+ ”mm, wid th : ” + f i n g e r . w id th ( ) + ”mm” ) ;

/ / Get Bonesf o r ( Bone . Type boneType : Bone . Type . v a l u e s ( ) )

Bone bone = f i n g e r . bone ( boneType ) ;sb . append ( ” ” + bone . t y p e ( )

+ ” j o i n t : ” + bone . p r e v J o i n t ( ) ) ;

sb . append ( ” FINGERTIP ” + f i n g e r . t i p P o s i t i o n ( ) ) ;

/ / Get t o o l sf o r ( Tool t o o l : f rame . t o o l s ( ) )

sb . append ( ” Tool i d : ” + t o o l . i d ( )+ ” , p o s i t i o n : ” + t o o l . t i p P o s i t i o n ( ) ) ;

sb . append ( ’\ n ’ ) ;t r y

f i l e w r i t e r . w r i t e ( sb . t o S t r i n g ( ) ) ;System . o u t . p r i n t ( sb . t o S t r i n g ( ) ) ;

c a t c h ( IOExcep t ion e ) e . p r i n t S t a c k T r a c e ( ) ;

e l s e i f ( l i n e && frame . hands ( ) . c o u n t ( ) == 0 )

System . o u t . p r i n t l n ( ) ;l i n e = f a l s e ;

c l a s s Sample

p u b l i c s t a t i c vo i d main ( S t r i n g [ ] a r g s ) / / C r e a t e a sample l i s t e n e r and c o n t r o l l e rS a m p l e L i s t e n e r l i s t e n e r = new S a m p l e L i s t e n e r ( ) ;C o n t r o l l e r c o n t r o l l e r = new C o n t r o l l e r ( ) ;/ / Have t h e sample l i s t e n e r r e c e i v e e v e n t s from t h e c o n t r o l l e rc o n t r o l l e r . a d d L i s t e n e r ( l i s t e n e r ) ;/ / Keep t h i s p r o c e s s r u n n i n g u n t i l E n t e r i s p r e s s e dSystem . o u t . p r i n t l n ( ” P r e s s E n t e r t o q u i t . . . ” ) ;t r y

System . i n . r e a d ( ) ; c a t c h ( IOExcep t ion e )

e . p r i n t S t a c k T r a c e ( ) ;/ / Remove t h e sample l i s t e n e r when donec o n t r o l l e r . r e m o v e L i s t e n e r ( l i s t e n e r ) ;

Matlab code:

% Open f i l e wi th v a l u e s and run f o l l o w i n gmarks = [ . . ] ; % add marksA = c e l l ( 7 6 , 1 ) ;f o r i = 1 :76

A i = a D e f a u l t S u b j e c t 0 2 1 0 1 0 1 1 ( [ 1 : 1 2 8 ] , [ marks ( 1 , i )−1250: marks ( 1 , i ) + 5 0 0 ] ) ;endsum = a D e f a u l t S u b j e c t 0 2 1 0 1 0 1 1 ( [ 1 : 1 2 8 ] , [ marks (1 ,1 )−1250: marks ( 1 , 1 ) + 5 0 0 ] )− a D e f a u l t S u b j e c t 0 2 1 0 1 0 1 1 ( [ 1 : 1 2 8 ] , [ marks (1 ,1 )−1250: marks ( 1 , 1 ) + 5 0 0 ] ) ;f o r i = 1 :76

sum = sum + A i ;enda v e r a g e = sum . / 7 6 ;f o r i =1:10

f i g u r e ( i )p l o t ( a v e r a g e ( i , : ) )x l a b e l ( ’ Time ( ms ) ’ )y l a b e l ( ’EEG s i g n a l ’ )

end

1

Medioma, en webbapplikation for information ochkommunikation inom vardenAmanda Lindell (BME–13), Jennifer Hagman (BME–13)

Sammanfattning—Till foljd av den okade invandringen tillSverige de senaste aren, har antalet vardsokande som intekan svenska eller engelska stadigt okat pa Sveriges sjukhus.Kommunikationsmojligheterna vid dessa tillfallen ar begransadeoch nar tolk inte finns tillganglig maste anhoriga eller svartolkadebilder anvandas. Detta har resulterat i att personalen pa in-fektionskliniken i Malmo efterfragat ett hjalpmedel for attunderlatta kommunikationen vid sadana tillfallen och syftet meddetta projekt var att ta fram ett sadant hjalpmedel. Efter enlitteraturstudie, samtal med kliniken och efterforskningar paomradet utformades en webbapplikation. Den bestar av ettkommunikationsredskap samt information om olika sjukdomar,undersokningar och om verksamheten som infektionskliniken iMalmo bedriver. Tanken ar att anvandaren sjalv ska kunna valjavilket sprak innehallet ska vara pa, men i nulaget finns endastsvenska som alternativ. Kommunikationsredskapet innehallerenkla fragor samt fraser med tillhorande bilder pa svenskaoch det sprak anvandaren valt. Med den har webbapplikationenkommer vardpersonal och patienter kunna kommunicera om demest grundlaggande arenden utan att behova anvanda sig aven tolk. Informationen som finns i webbapplikationen kommerleda till att patienterna kanner sig mer sakra nar diversevardsituationer uppstar. Forhoppningen med webbapplikationenar att den ska anvandas som ett hjalpmedel i personalens dagligaarbete och skapa en tryggare miljo for bade patienter ochpersonal.

I. INTRODUKTION

VARJE dag utvaxlas det tusentals budskap mellan olikaparter inom sjukvarden och det ar viktigt att det inte sker

nagra missforstand. Enligt Socialstyrelsen ar brister i kommu-nikationen en av de vanligaste orsakerna till vardskador [1].Kommunikationen kan brista i manga led pa ett sjukhus ochfor att patienterna ska kanna sig trygga kravs det att kommuni-kationen mellan vardgivare och patient fungerar smidigt. I defall dar patient och vardgivare inte pratar samma sprak kravshjalpmedel av olika slag for att underlatta kommunikationen.

Ar 2015 agde 77 % av den svenska befolkningen ensmartphone och 67 % anvande dagligen internet i mobilen [2].Eftersom anvandandet av mobiltelefoner ar sa pass utbrettutgor detta en bra plattform for hjalpmedel som kan na uttill manga.

De senaste aren har nedladdningsbara applikationerdominerat marknaden men i och med inforandet av HTML5och en okad tillganglighet av att utforma egna hemsidor,har mojligheterna for att skapa responsiva webbsidor okat.Det borjar nu mer och mer ses som ett alternativ till nativa

Inlamnat den 3 juni 2016Emejladress:mte13al1@student.lu.se, mte13jh1@student.lu.seTeknisk handledare: Martin Stridh, Institutionen for Biomedicinsk TeknikKlinisk handledare: Eva Langebo, Infektionskliniken i Malmo

appar [3]. En responsiv webbdesign innebar att webbsidansdesign andras beroende pa skarmstorleken och anpassasutefter detta. Genom att anvanda denna teknik blir detlattare att na ut till flera tillverkare och enheter da den intebehover utvecklas for olika operativsystem utan istallet forplattformens storlek.

En litteraturstudie har gjorts angaende vad som redan finnspa marknaden inom omradet. Det finns ett flertal appar ochhemsidor med olika typer av medicinsk information pa olikanivaer. Manga ar pa engelska och innehaller langa listor medmedicinska termer och sjukdomar. Det finns aven en del sidorpa svenska som anvands inom sjukvarden idag.

1177 Vardguiden ar en svensk hemsida dar anvandarenkan fa fakta och rad om sjukdomar, undersokningar ochbehandlingar kostnadsfritt [4]. Storre delen av informationenfinns tillganglig pa flera sprak, bland annat arabiska, engelskaoch persiska. Det finns aven mojlighet att stalla personligafragor och fa svar av en person inom varden, detta kandock endast goras pa svenska. 1177 Vardguiden erbjuderaven sjukvardsradgivning over telefon dygnet runt pa svenska.For tillfallet erbjuder de aven denna tjanst pa arabiska ochsomaliska, dar en sjukskoterska svarar pa fragor med hjalp aven tolk.

Internetmedicin ar en applikation dar olika texter finnstillgangliga om symptom, diagnostik och behandling, skriv-na av experter [5]. Applikationen ar tankt att anvandas avsjukvardspersonal och finns tillganglig pa svenska.

Appen Healthcare Communication App har utvecklats foratt stodja kommunikationen mellan patient och vardgivare [6].Den anvander sig av en text-till-tal-teknologi kombinerat medillustrerade ikoner som anger en fraga eller behov som pati-enten har mojlighet att trycka pa. Appen erbjuder mojlighetenatt fa text och tal pa andra sprak, men stodjer just nu endastengelska och spanska. Mot en kostnad pa 341 kronor finnsden tillganglig att ladda ner pa Google Play samt App Store.

Utover detta finns det ocksa ett antal appar som innehallerfunktioner som gor det mojligt for personal att utreda huren patient mar och hur de upplever sin smarta med hjalpav interaktiva smartskalor och bilder. Nagra sadana appar arPain Scale VAS och Doloris, bada vilka ar pa engelska [7] [8].

Ar 2015 sokte 162 877 personer asyl i Sverige. Det aren okning med lite mer an 100 % jamfort med ar 2014, dasiffran lag pa 81 301 personer [9]. Infektionskliniken i Malmohar markt av okningen av icke-svensktalande personer inomvarden och efterlyste darfor ett hjalpmedel for att underlattakommunikationen med dem i sitt arbete. Idag sker den framsta

2

kommunikationen med hjalp av tolkar och nar dessa intear tillgangliga, eller situationer uppstar plotsligt, ar kommu-nikationsmojligheterna begransade. Som det ar nu anvanderpersonalen sig av svartolkade bilder och oversattningstjanster,som alltfor ofta ger bristfallig oversattning. Detta kan leda tilltillfallen dar patienter missuppfattar information och uppleversituationer som extra stressiga om de inte forstar vad somsker. Det finns darfor ett behov av ett verktyg som mojliggorkommunikationen gallande de mest fundamentala behov samten mojlighet for patienten att fa information pa sitt eget sprak.

Vi har utefter infektionsklinikens behov och onskemalutvecklat en tjanst som ska fungera som en informationsbankoch kommunikationsredskap. Det ar en internetsida medmojlighet att optimeras for mobiltelefoner och lasplattor.Patienterna kommer kunna lasa om sjukdomar ochundersokningar pa sina egna sprak, samt kunna svarapa enkla fragor angaende sin halsostatus. Tanken ar attwebbapplikationen ska underlatta personalens arbete painfektionskliniken och garantera en god vardkvalite for alla.

For att forsta hur var webbapplikation ska kunna hjalpasjukvardspersonalen i deras arbete borjar denna rapport medatt presentera den information som sammanstallts. Efter dettabeskrivs de metoder som har anvants i utvecklingen av tjanstenoch hur arbetet har fortlopt. Resultatet redovisas sedan ocholika aspekter av projektet diskuteras. Slutligen presenterasslutsatsen av arbetet.

II. DATA

Informationen som ar inlagd i webbapplikationen har framsterhallits fran Eva Langebo, enhetschef och tillika kontakt-person pa infektionskliniken i Malmo. Denna informationkompletterades med den litteraturstudie som utforts samt egnaerfarenheter av varden. Undersokningarna och sjukdomarna itjansten ar uppdelad enligt vad som visas i tabell I och II.

Tabell ILISTA PA SJUKDOMAR.

Sjukdomar

LunginflammationNjurbackeninflammationRosfeberHjarnhinneinflammationEndokarditBaltrosInfektios diarresjukdomVRE/MRSA/ESBLTuberkulosSarinfektion

Tabell IILISTA PA UNDERSOKNINGAR.

Undersokningar

DT skalle med intravenos kontrastDT utan forberedelserDT kropp med kontrastmedelSkelettscintigrafiTransthorakal ekokardiografi (TTE)Transesofagal ekokardiografi (TEE)

Utifran den information som erhallits om infektionskli-niken i Malmo kunde foljande slutsatser dras angaendeforutsattningarna pa avdelningen:

• Antalet personer som soker vard pa infektionsklinikenoch som varken pratar svenska eller engelska okar.

• Pa sjukhuset finns det tillgang till gratis WiFi for allapatienter och besokare. Darmed kan en bra internetupp-koppling garanteras.

• Spraken som infektionskliniken i Malmo oftast bestallertolkar for ar arabiska, serbokroatiska, farsi och dari.

• For kliniken kostar det mellan 380 och 520 kronor itimmen att boka en tolk pa plats.

• Det finns ett behov av att kunna fa en del fragor oversattasnabbt utan tolk, da det kan vara svart att fa tag i en tolkdirekt vid behov.

• De fraser som ar viktigast att snabbt och latt kunnakommunicera med mellan personal och patient i envardsituation ar sammanstallda i tabell III.

• Personalen har barbara datorer som, vid situationer dapatienten sjalv inte har nagon mobil, dator eller lasplatta,kan anvandas.

• Personalen ar positiv till en digital losning pa problemet.

Tabell IIIAKTUELLA AMNEN.

Om patienten har ont och i sa fall hur mycketOm patienten ar hungrig eller torstigOm patienten mar illaOm patienten behover ga pa toalettenFramfora att prover ska tasAllman information om sjukhuset, rutiner, mat etc.

Den allmanna informationen om sjukhuset togs fran detvalkomstblad som idag anvands pa infektionskliniken iMalmo.

III. METOD

LitteraturstudieEn litteraturstudie gjordes for att undersoka vad som redan

finns pa marknaden inom omradet. For att hitta relevanta artik-lar gjordes sokningar pa NCBI genom att anvanda sokord somapplication, information och health. De resultat som var mestaktuella for projektet valdes ut och granskades. Applikationersom redan finns pa marknaden, bade for Apple och Android,studerades genom att soka pa medical och information pa AppStore och Google Play.

All information som erholls fran infektionskliniken i Malmolastes och kategoriserades under olika rubriker. Informationenom varje sjukdom och undersokning sammanstalldes till kortaoch lattlasta texter genom anvandning av dokument fran in-fektionskliniken samt genom att komplettera med informationfran 1177 Vardguiden.

Vilka programmeringsmojligheter det finns for attprogrammera en app eller webbapplikation undersoktes samtvilka fordelar och nackdelar som finns med att anvandasig av de olika metoderna. Genom att soka pa bland annatprogram apps och webapp program erholls artiklar somgav storre kunskap i omradet och gav en battre inblick iutvecklingsprocessen. Darefter gjordes aven sokningar omhur en webbapplikation optimeras for mobiltelefoner. Dettagjordes genom sokningar pa mobile web application ochprogramming mobile website.

KategorierFor att losa de identifierade problemen och uppfylla de

onskemal som infektionskliniken i Malmo hade, arbetades

3

de olika kategorierna i webbapplikationen fram. Infektions-klinikens onskemal inkluderade framst mojligheten att ha enfunktion vars huvuduppgift ar att underlatta kommunikationmellan personal och patient. Ursprungsiden var att ha en snabbmaskinoversattning for olika sprak, men det insags tidigt attdet skulle inbjuda till fler problem an vad det skulle losa.Istallet utformades ett alternativ dar den mest grundlaggandekommunikationen kunde ske snabbt och smidigt mellan perso-nal och vardtagare. Eva Langebo blev tillfragad angaende vilkafragor som ar viktigast for personalen att snabbt kunna fa svarpa fran patienten och hur kommunikationen sker idag nar deinte har nagon tillgang till tolk eller anhorig. Vardpersonalmed andra upplevelser tillfragades for att fa fler asikter omproblemet och vad de skulle onska fanns med i en sadan harlosning.

Utover kommunikationsdelen undersoktes aven vilkeninformation som var onskvard att ha i webbapplikationen.Fokus lag pa att sammanstalla relevant information forsjukhusvistelsen, som patienterna sjalva kan lasa i lugn ochro. Med detta i atanke togs ett antal kategorier fram medinformation fran sjukhuset och infektionskliniken som grund.Alla kategorier ar utformade sa att webbapplikationen far ensa optimal och organiserad struktur pa datan som mojligt samtgor det latt for anvandaren att navigera sig genom innehallet.

UtvecklingMarkspraket som anvandes for webbapplikationen var

HTML5, som ar en officiell webbstandard for World WideWebb Consoritum. For att komplettera HTML, som star forHypertext Markup Language, med speciella funktioner ochdesign anvandes JavaScript samt CSS.

Utifran den data som samlats in under litteraturstudien,arbetades en grundstruktur fram for hur webbapplikationenskulle se ut och fungera pa papper. Detta gjordes for att faen klar bild over hur den skulle fungera nar sjalva kodningensattes igang. Kodningen skedde forst i Notepad men overgicksedan till Notepad++ for PC samt TextWranger for Macfor att underlatta informationsutbytet mellan datorerna da deanvander sig av olika operativsystem.

Kodandet utfordes med hjalp av diverse internetsidor, sasom w3schools och webbdesignguiden [10] [11]. Forst fo-kuserades arbetet pa att fa fram en fungerande HTML-kodsa att webbapplikationen hade den overgripande struktur ochde funktioner som efterstravades. Startsidan kodades forstoch anvandes darefter som mall nar Sjukdomar samt Un-dersokningar skapades. Dessutom lades den information somskulle finnas under dessa kategorier in. Sist skrevs HTML-koden for kommunikationsdelen.

Darefter skrevs den kod som gor att webbapplikationenar responsiv och alltsa optimeras for alla skarmstorlekar.For att folja utvecklingen pa mobiltelefoner och kontrolleraatt utseendet pa webbapplikationen anpassas efter vilkenskarmstorlek en viss enhet har, anvandes ett program somheter MAMP. Med MAMP installeras en lokal serverpa datorn som gor att hemsidan kan nas fran en enhetsom ar uppkopplad till samma natverk som datorn. Dettagjorde att webbapplikationens utseende och funktionkunde verifieras pa flera enheter utover den dator som

webbapplikationen skapades pa. Nar HTML-koden var fardiganvandes CSS for att utveckla designen. Med hjalp avCSS kan webbapplikationens exterior utformas efter egnaonskemal. Menyernas utformning, farg samt typsnitt arnagra av de parametrar som utformas med CSS och darmedger applikationen sitt utseende. JavaScript anvandes for attgenerera funktionen som tillater anvandaren att markera ochavmarkera olika svarsalternativ i en tabell.

DesignNar kategorierna for webbapplikationen var faststallda gjor-

des olika grovutkast for designen for hand. Darefter anvandesiBuildApp och Microsoft Word for att ta fram olika exem-pel for designen, se figur 1 [12]. Parallellt med att web-bapplikationen kodades utvecklades designen kontinuerligt.Webbapplikationen skapades for att fungera pa alla sortersenheter, oberoende av om det var en dator eller mobiltelefon.Eftersom skarmarna for de olika enheterna inte har sammastorlek kravs en annan layout mellan de olika plattformarnafor att anvandargranssnittet ska bli sa optimalt som mojligt.Darfor var det nodvandigt att designen anpassades utefterdetta, vilket medforde att det utvecklades tva versioner avwebbapplikationen. De har samma innehall och uppbyggnadmen nagot annorlunda utseende.

Figur 1. Ett av de forsta utkasten for designen pa webbappen

Namn & logotypFor att ta fram ett passande namn till webbapplikationen

skrevs ord ner som relaterade till funktionen hos tjanstensamt var och hur den ska anvandas. Orden sattes ihop iolika konstellationer och initialerna for orden sattes ihop tillord och forkortningar. Malet var att fa fram ett eller fleraord som representerade tjansten bra samtidigt som det skullevara relevant for andamalet. Det kandes ocksa vasentligt attnamnet skulle ha en internationell karaktar sa att personer franolika lander ska kunna uttala det, och alltsa inte innehalla desvenska bokstaverna a, a och o. Utover namnet valdes avenen slogan ut, med intention att forklara med ett fatal ord vadwebbapplikationens syfte ar.

En passande logotyp togs fram utifran namnet. Fokus lag

4

pa att gora en logotyp med namnet tydligt framtradandeoch med en tillhorande symbol som representerar tjanstenssyfte; att fungera som en tjanst som ger tillgang till sammainformation oberoende av vilket sprak patienten talar.

LathundEn lathund med instruktioner om hur hemsidan nas skrevs.

Syftet var att gora instruktioner som ar enkla att forsta ochdar vem som helst, oberoende alder och bakgrund, ska kunnaanvanda den. Lathunden kan ses i Bilaga A.

IV. RESULTAT

Utifran onskemal fran kliniken samt den litteraturstudie somgjorts, framgick en tydlig bild av hur kommunikationsproble-met sag ut och hur en losning skulle utvecklas. Det framgickatt det basta alternativet for detta arbete var att programmeraen webbapplikation. Namnet pa webbapplikation kommer attvara Medioma, med medical information and communicationsom tillhorande slogan. Den logotyp som togs fram bestar avnamnet Medioma med en jordglob istallet for bokstaven o.Denna symbol valdes da malet med tjansten ar att den skakunna anvandas oberoende av vilket land patienten kommerifran. For att fa en enighet i logotypen anvandes sammatextfarg pa namnet som den bla fargen pa jordgloben. Undernamnet fordes sloganen in i en kursiverad text, i en grafargnyans, se figur 2.

Figur 2. Den framtagna logotypen for webbapplikationen

Fargskalan som anvants i webbapplikationen bestar av ljusa,neutrala farger. For att skapa fler dimensioner pa sidan finnsen vit bakgrundsfarg med en fargad sektor ovanpa, dar allinformation finns. Langst upp i hoger horn finns en menydar anvandaren har mojlighet att andra sprak. En menyradar placerad langst upp pa sidan dar de olika kategorierna arutskrivna, se figur 3. I datorversionen andras bakgrundsfargenfor just den kategori som muspekaren halls ovanfor, detta foratt indikera vilket alternativ som ar pa vag att valjas. I de olikalistorna har alternativen gjorts tydliga genom att skilja dem atmed linjer samt att texten blir understruken da muspekarenfors over de olika valen.

En ikon designades ocksa for webbapplikationen. Dennakommer att komma i bruk om anvandaren valjer att spara engenvag till hemsidan pa sin enhet. Da ikonen ar valdigt liten,ungefar 1x1 centimeter, syns inte texten om den designadelogotypen anvands utan en tydlig bild med lite text kravs.Jordgloben fran loggan valdes som bakgrund och denna ficken ny fargskala i gratt. Detta for att inte ta for mycket fokuspa bokstaven som placerades ovanfor, ett m i samma stil

som namnet i logotypen. I HTML-koden har hemsidan fatttiteln Medioma, vilket gor att nar genvagen skapas far ikonenautomatiskt samma namn.

Figur 3. Mediomas startsida for datorskarmar

Medioma innehaller fyra olika kategorier; Sjukdomar, Un-dersokningar, Allman information och Kommunikation. Ka-tegorierna Sjukdomar och Undersokningar kommer att forsepatienterna med information om olika sjukdomar respektiveundersokningar och darmed gora det mojligt for patienterna attkunna lasa om sina akommor och eventuella undersokningar.Allman information ar till for att underlatta arbetet for per-sonalen genom att upplysa om infektionsklinikens kontakt-uppgifter, besokstider och rutiner, sa att bade patienter ochanhoriga kan anpassa sig efter dessa. Kommunikation skaframja kommunikationen mellan personal och patienter sominte kan svenska och gora det lattare att fa fram korta, menviktiga, budskap.

Medioma ar en webbapplikation optimerad for anvandningpa mobiltelefoner och lasplattor och har som syfte att un-derlatta arbetet for personal som jobbar pa infektionsklini-ken idag. Istallet for att tvingas anvanda svartolkade bilderoch oversattningstjanster online, ar tanken att Medioma skaanvandas som ett komplement inom infektionskliniken ochdarmed underlatta kommunikationen med icke-svensktalandepatienter. Till skillnad fran oversattningstjansterna somanvands i dagslaget av kliniken, ska all information oversattasav experter. Personalen ska kunna kanna sig trygga i att texter-nas oversattningar stammer och att ratt information formedlas.Det som kravs for att anvanda webbapplikationen ar tillgangtill internet samt en dator, mobiltelefon eller en lasplatta, vilketgor att informationen alltid finns lattillganglig.

Utover de fyra kategorierna i Medioma som tidigare namntsfinns det en startsida som ar den forsta sidan anvandarenmots av nar Medioma oppnas, se figur 3. Den innehaller entext som beskriver tanken bakom Medioma och syftet med attanvanda den som ett hjalpmedel inom varden. Nedan foljeren beskrivning av de fyra andra kategorierna.

SjukdomarUnder denna kategori finns det en lista pa sjukdomar

som infektionskliniken i Malmo har onskat ska finnas med.Listan bestar av olika infektionssjukdomar orsakade av

5

bakterier eller virus, se figur 4. Genom att klicka pa ensjukdom kommer en sida med utforlig information upp, sefigur 5. Utover det allmanna namnet pa sjukdomen star avenden medicinska termen. Varje sida inleds med en allmaninformationsdel och beroende pa vilken sjukdom det handlarom, star det beskrivet vad som orsakar den samt om den arsmittsam. Darefter foljer rubrikerna Symptom och Behandling.

Figur 4. Listan pa sjukdomar underkategorin Sjukdomar i den mobilan-passade versionen

Figur 5. Sidan med information omlunginflammation i den mobilanpas-sade versionen

UndersokningarUnder denna kategori finns en lista pa de vanligaste

undersokningarna som patienterna pa infektionsklinikeni Malmo genomgar. Genom att trycka pa namnet pa enundersokning erhalls en text med information. Texten artankt att beskriva hur undersokningen gar till och vad somkommer att ske sa att patienten vet vad som vantar. Texten aruppdelad i olika delar; Fore undersokningen, Undersokningenoch Efter undersokningen. Beroende pa vilken undersokningpatienten ska gora kan det kravas forberedelser infor moteteller nagot patienten borde gora efter undersokningen. Idessa fall finns detta tydligt beskrivit under varje rubrik.Informationen om varje undersokning ar tagen fran sjukhusetsinterna informationspapper. Pa detta vis far patienten rattinformation om hur undersokningarna gar till just pa SkanesUniversitetssjukhus i Malmo.

KommunikationDenna kategori ar till for att patienter och personal ska

kunna kommunicera med varandra pa ett grundlaggande plan.Det handlar om en tvavagskommunikation da bade personaloch patienter ska kunna framfora sina onskemal och fragor.Nar anvandaren kommer in pa sidan finns det hogst uppen mojlighet for anvandaren att valja om hen ar patienteller personal, detta genom att trycka pa antingen Om duar patient, tryck har eller Om du ar personal, tryck har.For att uppmana till handling ar de tva sista orden, tryck

har, understrukna, vilket ses i figur 6 och 7. Beroende pavilken av dem anvandaren trycker pa hoppar sidan ner till detavsnitt som innehaller fragor eller pastaenden ur det perspektivsom anvandaren angav att hen ville ha. Avsnitten bestar avenklare fragor som kliniken sjalva onskat och dar de flestaendast har svarsalternativen Ja eller Nej. Genom att tryckapa ett av alternativen fargmarkeras detta, vilket tydliggorvilket av alternativen som valts. Skulle fel svar markeras,tas detta bort vid ytterligare ett tryck. Vissa fragor kravermer utforliga svar och har darfor forsetts med foljdfragor ochsvarsalternativ som anvander sig av bilder samt skalor. Alltfor att gora kommunikationen sa enkel som mojlig. Fragornaoch pastaendena star pa det av anvandaren valda spraket ochprecis nedanfor, i ett mindre typsnitt, finns fragan oversatt pasvenska, som aven detta ses i figur 6 och 7.

Figur 6. Kommunikationsdelen urpatientens perspektiv i en engelskversion

Figur 7. Kommunikationsdelen urpersonalens perspektiv i en engelskversion

Personalens avsnitt innehaller foljande fragor och pastaenden:• Har du ont?• Mar du illa?• Ar du hungrig?• Ar du torstig?• Behover du ga pa toaletten?• Hur langesedan var det du at?• Nu ska vi ta prover.Patienternas avsnitt innehaller foljande konstateranden:• Jag ar hungrig.• Jag ar torstig.• Jag har ont.• Jag mar illa.• Jag behover ga pa toaletten.• Jag vill satta mig upp.

Om Har du ont? eller Jag har ont markeras nas en annan sidagenom att trycka pa tryck har som star precis under pastaendetrespektive fragan i de olika avsnitten. Detta gor att en nysida oppnas med en anatomisk bild samt en smartskala sa attpatienten kan peka var pa kroppen hen har ont och beratta hur

6

ont det gor genom att markera pa skalan, se figur 8. Pa dennasida finns aven en tillbaka-knapp sa att kommunikationssidankommer upp igen for att resten av fragorna ska kunna besvaras.

Figur 8. Den svenska versionen av sidan dar patienten kan visa var, och huront, hen har

Allman informationDenna kategori bestar av olika stycken med information om

infektionskliniken och den verksamhet de bedriver. Den harsamma utformning som det informationsblad kliniken delar uttill patienter och anhoriga i dagslaget. Rubrikerna pa de olikastyckena ar som foljer:

• Adress och telefonnummer• Information till anhoriga• Vardesaker• Patienttelefon/WiFi• Rokning• Isolering• Rond• Utskrivning• Maltider• Egenvard och hygien• Bibliotek

Under varje rubrik finns det en text som ger informationtill patienter och anhoriga. Under Adress och telefonnummerfinns det ocksa en karta med infektionskliniken utmarkeradsa att patienten ska veta var hen ar rent geografiskt.

LathundLathunden innehaller enkla instruktioner om hur Medioma

nas och kortfattad information om de olika funktionerna, seBilaga A. Lathunden inleds med en kort text som forklararsyftet med hemsidan och hur den ska anvandas. Det foljs avinstruktionerna om hur Medioma nas fran en smartphone,dator eller lasplatta. Efter det foljer kategorierna som rubrikmed medfoljande information om berord kategori. Just nufinns den bara pa svenska men om webbapplikationen borjaranvandas kliniskt ar det tankt att den ska finnas pa sammasprak som ska kunna valjas i Medioma, vilka kan ses inedastaende stycke.

SprakFor narvarande finns det bara mojlighet att fa informationen

i Medioma pa svenska, men tanken ar att informationen skafinnas pa flera sprak. De spraken inkluderar forst och framstarabiska, dari, farsi och serbokroatiska.

RegelverkEnligt definitionen av en medicinteknisk produkt som

aterfinns i lag 2§ (1993:584) om medicintekniska produkter,kommer Medioma inte att raknas som en medicintekniskprodukt. Medioma innehaller endast information och enkommunikationsdel och uppfyller darmed inte villkoren foratt klassas som en medicinteknisk produkt som kan ses nedan.

Med en medicinteknisk produkt avses i lagen en produktsom enligt tillverkarens uppgift ska anvandas, separat eller ikombination med annat, for att hos manniskor

1) pavisa, forebygga, overvaka, behandla eller lindra ensjukdom,

2) pavisa, overvaka, behandla, lindra eller kompensera enskada eller en funktionsnedsattning,

3) undersoka, andra eller ersatta anatomin eller en fysio-logisk process, eller

4) kontrollera befruktning.Da Medioma inte klassas som en medicinteknisk produkt

kravs heller ingen CE-markning.

V. DISKUSSION

I borjan av projektet diskuterades for- och nackdelar medatt gora en nativ applikation jamfort med att gora en responsivwebbapplikation. Efter mycket efterforskning och diskussiontogs beslutet att gora en webbapplikation. Fordelarna medatt gora en responsiv webbapplikation istallet for en vanligapplikation ar forst och framst att momentet med att utvecklaen app for respektive operativsystem forsvinner. Oavsett omen person har iOS, Android eller Windows Phone kan de na enwebbapplikation, det enda som kravs ar tillgang till internet.Detta leder i sin tur till en annan fordel, namligen att det intekravs en specifik plattform for att lansera en webbapplikation.For att kunna distribuera en mobilapplikation till allmanhetenkravs det att applikationen laddas upp bade pa Apples AppStore samt Androids Google Play, for att tjansten ska kunnaanvandas av sa manga som mojligt. Systemen for de olikaforetagen fungerar valdigt olika, men gemensamt ar att dekostar en summa pengar for att publicera sin applikation.

7

En annan fordel ar att anvandaren kan na sidan pa olikaenheter och tjansten blir da mer lattillganglig. For en nedladd-ningsbar applikation lases alternativen att oppna tjansten paolika enheter, da den endast ar tillganglig for vissa modellerav mobiltelefoner och lasplattor. Ytterligare en fordel med attskapa en webbapplikation ar att ett mer tillgangligt och stilrentkodningssprak anvands an for mobila applikationer. Dessutomforsvinner en del kodningssmoment for en webbapplikation,da vissa befintliga funktioner i en webblasare kan utnyttjas,sa som funktionen att ga tillbaka till foregaende sida. Ennativ app kraver ocksa att anvandaren sjalv uppdaterar appenom ny information eller uppdateringar ska inforas. Med enwebbapplikation kan nya funktionaliteter lanseras nar somhelst utan att anvandaren behover vara delaktig. Det kravsinte heller nagra kostnader for att skapa eller uppratthallahemsidan.

En nackdel ar att tillgang till internet kravs for attwebbapplikationen ska kunna anvandas. Ett problem med attskapa en hemsida med HTML-kod ar att koden kan se utpa olika satt beroende pa vilken webblasare som anvands.Detta sker da olika hemsidor kan tolka samma kod pa olikasatt. Dessutom kan mobilens hardvara inte utnyttjas med enwebbapplikation vilket ar mojligt med en nativ applikation.Trots detta anser vi att fordelarna med en webbapplikationar fler jamfort med en nedladdningsbar applikation. Attvalja en webbapplikation ar ett mer kostnadsvanligt ochsmidigare alternativ. Det enda som kravs for att sidan skavara tillganglig hela tiden ar att den ar lagrad pa en serversom alltid ar uppkopplad, nagot som kan erbjudas av RegionSkane om produkten kommer att anvandas i tjansten.

Ett av de huvudsakliga malen som vill uppnas medMedioma ar att kommunikationen mellan personal ochicke-svensktalande patienter ska kunna underlattas. Dadet ar meningen att Medioma ska anvandas som ettkommunikationsredskap ar det valdigt viktigt att personalenkan lita pa att all data som finns tillganglig ar korrektoversatt, och darmed kanner sig trygga i att anvandawebbapplikationen. Detta uppnas genom att mot en kostnadlata experter oversatta texterna istallet for att anvanda diverseoversattningstjanster som riskerar att ge felaktig oversattning.Jamfort med andra appar och hemsidor som erbjuder liknandetjanster, tillforser Medioma anvandaren med information ochar ett medel for kommunikation som ar skraddarsydd just forden avdelning som patienten i fraga ar inskriven pa. Detta goratt all information ar korrekt och relevant samtidigt som deninte innehaller overflodig information. Dessutom ar Mediomagratis for patienten att anvanda och den behover inte laddasner, en valdigt viktig egenskap for att patienterna sjalva skavalja att anvanda den.

I borjan var tanken med webbapplikationen att detskulle vara ett verktyg framst for att patienterna skulle fainformation pa sitt sprak och att kommunikationen skulleforas ur personalens perspektiv. Alltefter projektets gang ochefter kommentarer fran utomstaende pa vart arbete blev dettydligt att kommunikationsdelen aven borde inkludera ettavsnitt med fragor ur patienternas perspektiv. Pa detta vis far

aven patienterna en mojlighet att framfora sina onskemal ochaterge sin halsostatus. Genom att inkludera bada parterna blirMedioma ett mer flexibelt verktyg.

Nar iden bakom Medioma presenterats for personer badeinom och utanfor varden har bemotandet bara varit positivt.Manga inser att kommunikationen mellan personal och icke-svensktalande patienter ger upphov till problem i vardarbetetoch ar nagot som behover losas. Sjukvardspersonal stoterdagligen pa de svarigheter som kan uppkomma till foljd avkommunikationsproblem och har darfor sett fordelarna medatt anvanda ett verktyg som Medioma.

Det som ska goras harnast ar att presentera forslaget forinfektionskliniken i Malmo. Om det tas emot positivt safortsatter utvecklingen och sedan ar nasta steg i processen attfa texten oversatt till de sprak som ar onskade.

Hallbar utvecklingHallbar utveckling definieras enligt Brundtlandrapporten

fran 1987 som en utveckling som tillfredsstaller dagensbehov utan att aventyra kommande generationers mojligheteratt tillfredsstalla sina behov [14]. Det refererar bade tillekologisk, ekonomisk samt social hallbarhet. Malet medMedioma ar bland annat att kommunikationen mellanmanniskor ska underlattas och darmed anses den socialahallbarheten vara uppfylld, att grundlaggande manskligabehov tillgodoses. For att anvanda Medioma kravs enmobiltelefon, dator eller lasplatta, vars tillverkning belastarmiljon, men var produkt utgar ifran att anvandarna redanhar tekniken som kravs. Webbapplikationen kraver dock attservern hemsidan ligger pa hela tiden ar uppkopplad, vilketbelastar den ekologiska och ekonomiska hallbarheten. Medhjalp av Medioma kan personal pa infektionskliniken hanvisapatienter att na informationen de behover online, och darmedminska papperskonsumtionen.

EtikRatten till vard ar en mansklig rattighet, vilket innebar att

oavsett som svensk medborgare eller inte, har alla ratt till vardi Sverige. Enligt Statens offentliga utredning 1995:5 fastslogsdet vilka tre etiska principer som ska ligga till grund for arbetetinom sjukvarden [15]. En av dem ar Manniskovardesprincipensom lyder enligt foljande; alla manniskor har lika vardeoch samma ratt, oberoende av personliga egenskaper ochfunktioner i samhallet. Genom att anvanda Medioma som ettverktyg inom varden kommer forutsattningarna att jamnas utfor alla patienter och Manniskovardesprincipen kommer varaenklare att folja.

Idag behover ofta anhoriga anvandas for att hjalpa till medoversattning och kommunikation. Ur en etisk synpunkt ar dettainte optimalt da det kan vara svart for patienten att fa framvad hen verkligen kanner da den anhoriga ar narvarande ochlyssnar. Risken finns att den anhoriga utelamnar informationbade till patient och personal, vilket medfor att det blir svartfor vardgivaren att tillforse ratt vard. Med hjalp av Mediomakommer patienterna kunna skota sig sjalva battre vilket gerpatienten storre egenmakt och de slipper forlita sig pa andra.

8

VI. SLUTSATSER

Inom varden finns det ett behov av ett verktyg somkan underlatta kommunikationen mellan personal och icke-svensktalande patienter nar enklare budskap ska framforaseller nar patientens allmanna halsostatus ska kontrolleras. Daallt fler ager en smartphone, lasplatta eller barbar dator arden utvecklade webbapplikationen nagot som de flesta kananvanda och ett bra alternativ for att framfora information paolika sprak samt framja kommunikationen mellan personal ochvardgivare.

VII. EFTERORD

Vi skulle vilja tacka var kontaktperson Eva Langebo, enhets-chef pa infektionskliniken i Malmo, for ett givande samarbeteoch for att alltid varit tillmotesgaende nar vi kommit medfragor och funderingar. Vi vill ocksa tacka var handledareMartin Stridh, Universitetslektor vid Avdelningen for Biome-dicinsk Teknik, for att ha kommit med vardefulla kommentareroch gett oss rad for hur vi ska tanka for att komma vidare ivart arbete. Tillslut vill vi tacka alla de som har hjalpt oss narvi stott pa problem och gett oss inspiration som resulterat inya ideer.

Mycket av arbetet har gjorts gemensamt av Jennifer ochAmanda, detta inkluderar den huvudsakliga kodningen avwebbapplikationen, samtalen med Eva och bearbetandet avdesignen. De resterande delarna sasom rapportskrivandet ochlitteraturstudien har delats upp lika mellan de tva forfattarna.

REFERENSER

[1] Socialstyrelsen, (2016). Saker kommunikation i varden [Online]Tillganglig: https://www.socialstyrelsen.se/patientsakerhet/forbattra/sakerkommunikation

[2] O. Findahl, P. Davidsson, (2015). Svenskarna och internet 2015 [Online]Tillganglig: http://www.soi2015.se/sammanfattning/

[3] J. Summerfield, Mobile Website vs. Mobile App: Whichis Best for Your Organization? [Online] Tillganglig:https://www.hswsolutions.com/services/mobile-web-development/mobile-website-vs-apps/

[4] 1177 Vardguiden, (2016). [Online] Tillganglig: http://www.1177.se/[5] Internetmedicin, (2016). [Online] Tillganglig:

http://www.internetmedicin.se/[6] Healthcare Communication App, (2012). [Online] Tillganlig:

http://healthcarecommunicationapp.com/Default.aspx[7] Pain Scale VAS, (2014). [Online] Tillganglig:

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.windycrazy.eva[8] Doloris, (2016). [Online] Tillganglig:

https://play.google.com/store/apps/details?id=net.ctexdev.doloris[9] Migrationsverket, (2016). Asylsokande till Sverige under 2000-

2015 [Online] Tillganglig: http://www.migrationsverket.se/download/18.2d998ffc151ac3871598173/1460036885615/Asylsokande+till+Sverige+2000-2015.pdf

[10] w3schools, [Online] Tillganglig: http://www.w3schools.com/[11] Webbdesignskolan, [Online] Tillganglig: http://webdesignskolan.se/[12] iBuildApp [Online] Tillganglig: http://ibuildapp.com/[13] Lakemedelsverket, (2014). Definition av medicinteknisk produkt

[Online] Tillganglig: https://lakemedelsverket.se/malgrupp/Foretag/Medicinteknik/Vagen-till-CE-market/Definition-av-medicinteknisk-produkt/

[14] P. Elvingson, Hallbar utveckling [Online] Tillganglig:http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lang/hallbar-utveckling

[15] (1995). Till statsradet och chefen for Socialdepartementet [Online]Tillganglig: https://data.riksdagen.se/fil/464F5361-0B69-4C02-A5A1-04957D487A20

BILAGA A

1

Nanowire-based retinal implantsFrida Bengtsson (BME13), Matilda Svensson (BME13)

Abstract—The genetic disorder Retinitis Pigmentosa is a groupof illnesses where the photoreceptors in the eye lose their functionand die, which eventually can lead to complete blindness. At thistime, 1.5 million people suffer from the disease and there isno successful treatment or cure. The contemplated solution hasbeen to replace the lost photoreceptors and their function witha polymeric nanowire-based retinal implant. In this report, twopolymers, Durimide and Polycaprolacone (PCL), have been testedregarding their feasibility as a base in an implant. Parameterssuch as biocompatibility and light transmittance have thereforebeen tested. A new method to transfer the nanowires from theirbase material to the polymers in a controlled manner has alsobeen developed. The conclusions from this report are that bothpolymers tested might be suitable for a retinal implant and thatthe method of transferring nanowires is executable.

I. INTRODUCTION

A. Background

1) The retina: The retina is one of the innermost layers ofthe eye, which is responsible for converting visible light intoneuronal impulses. Light passes through the eye and reachesthe photosensitive cells at the back of the retina called rods andcones (Figure 1). When photoreceptors are exposed to lighta process called the phototransduction cascade initiates. Thephototransduction cascade involves a chemical process wherethe rods and cones are hyperpolarized, activating certain typesof bipolar cells. The bipolar cells then activate the ganglioncells, which transmit a neuronal impulse through the opticnerve to the brain, where the signal is interpreted [1] [2].

Fig. 1. Cross section of the eye and retina [3].

Hand in date: June 7, 2016Email addresses:mte13fbe@student.lu.se, ine12msv@student.lu.seClinical supervisor: Maria Thereza Perez, Department of Clinical Sciences,Division of Ophthalmology, Lund University.Technical supervisor: Martin Bengtsson, Department of BiomedicalEngineering, Lund University.

2) Retinitis Pigmentosa: The genetic group of disordersRetinitis Pigmentosa causes a degeneration of the photosen-sitive cells, which leads to a progressive loss of vision and,in many cases, eventually to blindness. It is estimated thatapproximately 1.5 million people worldwide are affected andtoday there is no cure or treatment. The fact that basically allother retinal components, except the photoreceptors, remainfunctional is typical for diseases like Retinitis Pigmentosa.This makes retinal implants a viable treatment which, takingadvantage of the remaining functions of the retina, providespatients with visual perception [4].

Fig. 2. Implant placed epiretinally and subretinally (M.T. Perez.).

3) Implants today: At the present time, retinal implantresearch is a progressing field. There is a variety of differentstudies and clinical trials focusing on restoring vision forpatients with Retinitis Pigmentosa. Most of these implantsinclude some sort of power source or external component,for example the bionic eye Argus R© II Retinal ProsthesisSystem manufactured by Second Sight Medical Products Inc.[5]. These prosthetic devices consist of a chip implantedsubretinally (i.e., in contact with the photoreceptors, Figure2A, C and D), a pair of glasses which registers the light anda portable computer. Other implants (e.g., the AMS electronicretina manufactured by Retina Implant AG) use chips withlight-sensitive micro electrodes (photodiodes) which combinethe function of registering the light and also stimulating theganglion cells (implanted epiretinally, Figure 2A and B). Thisequipment also has a cable connected to a power supplypositioned behind the ear to provide the chip with electricityand amplify the stimulating signal [6]. The implantationsof the existing devices have given good results and shown

2

restoration of vision, although there are limitations, such aspoor resolution and loss of functionality over time.

Using nano electrodes instead of micro electrodes wouldimprove the electrode-cell interaction due to both theirreduced size and the increased amount of electrodes thatcould be placed in the same area. Furthermore, nanoelectrodes would probably have a smaller impact on the eye,minimizing the damage to the surroundings of the implant.

4) Nanowires: The overall goal of the project is to gen-erate nano electrodes using a nanowire-based material thatcan be incorporated in a new generation of retinal implants.Nanowires are vertical structures with a diameter in the orderof nanometers. The nanowires are grown in arrays from asubstrate and their length is in the micrometer scale. Whennanowires are grown from a modified form of indium phos-phide (InP) they obtain the quality of being light sensitive.This attribute is the basic principle of photovoltaic retinalnano implants. By capturing the incoming light in the eye andgenerating an electrical impulse, nanowires placed subretinallycan act as electrodes that directly stimulate the bipolar cells,replacing the function of the damaged photoreceptors. Alterna-tively, an implant using nanowires could be placed epiretinally,in direct contact with the ganglion cells.

Gallium phosphide (GaP) nanowire arrays have been shownin previous biological studies to be a suitable base for retinalcell culturing in vitro [7]. This implies that nanowires couldbe a biocompatible component also in vivo. However, thesubstrate from which the wires are grown is too rigid. Bothduring and after insertion, there is then the risk of injuring theremainings of the retina and scar tissue can develop due to thestiffness of the implant. This scar tissue will eventually impairthe contact between the cells and the nanowires, lowering thefunctionality of the implant.

B. Purpose of the study and work plan

The ultimate purpose of this study is to examine thepossibility of transferring the nanowires to a flexible material,such as a polymer, and evaluate the suitability of this materialas the base in a retinal nano implant. An important aspectis the biocompatibility of the material and its stability onceimplanted. Polymers are used today in neural implants [8]and various biological tests are being made to examine otherapplications in the human body.

As mentioned earlier, it has previously been shown thatretinal cells can grow on nanowires consisting of GaP [7]. Inthis report, the biocompatibility of the polymers to which thenanowires will be transferred is tested. The polymers used areDurimide and Polycaprolacone (PCL), due to earlier resultsshowing that they are promising options for this purpose [9][8]. The final implant will eventually be placed in directcontact with retinal cells, which therefore is the primary factorto test. Since the implant at the moment is in an early researchstadium, in vivo tests would not be possible or justifiable. Thetests of the polymers were therefore only made in vitro.

Another feature that has to be tested is the amount of lighttransmitted through the material. Since the position of the

implants in the eye is not yet determined, both options haveto be taken into consideration. When the implant is placedepiretinally, i.e., in front of the retina, the light has to be ableto go through the material to reach the nanowires. On theother hand, the light transmittance through the plastic is notthat important when the implantation is subretinally and thelight reaches the nanowires before the polymer (Figure 2).

Once biocompatibility and light transmittance are tested, theremaining question is how to transfer the nanowires to thepolymer. Now, the challenges are to get the wires attached tothe polymers and also to make them come loose from its base.For these experiments, light sensitive nanowires will not beused, but instead nanowires made out of GaP. Since the mainfocus will be to find a method for transferring the nanowiresto a biocompatible flexible material, the light sensitivity is notimportant for now. It is not certain that the wires will break atthe right place, neither that they can sustain the strains ofthe spin coating and the separation of the different layers(Section III-A). Another aspect to consider is whether thewires themselves will affect the polymer and sacrificial layer.

C. Disposition

This report is disposed with main headings, and beneaththese, subsections regarding different aspects of the project.The different subsections follow the same order in which theexperiments were performed, since results from the previoustests led to conclusions used in the following ones. Firstly, themethods of polymer spinning and separation are described.Thereafter, the cell culturing performed on these polymers isreported, as well as the light transmittance tests. With referenceto these results, the final part of transferring the nanowiresis only performed on the polymers with the most suitableproperties.

II. ETHICS AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT

Within the biological research world, a concept known as”the three Rs” is taken into account. The three Rs stand forReplacement, Reduction and Refinement. These are three ofthe most important parameters one would have to considerbefore performing any tests on animals. Replacement meansto search for alternatives to animal experimentation; can thetests be performed in a way which would not involve animals?In the case of this report, the answer was no. To enablethe biocompatibility test performed in this report, four micewere sacrificed since no other system at the present time canreplicate the conditions of a living cell. Reduction means tokeep the number of animals used to a minimum necessary,which was done. Refinement refers to refining the tests tomake them as humane and painless as possible [10]. In thisstudy, the animals were not subjected to surgery or chronictreatments and the method used to sacrifice them followedapproved procedures (Section III-C).

Regarding sustainable development, a few studies have beenmade to investigate the environmental effects of nanomate-rials. In most cases, the type of nanomaterials discussed isnot nanowires, but nanoparticles. Nanoparticles are a morecommon component in our everyday products and are likely

3

to have a negative impact on the environment, through theirecotoxicological effects [11]. Systematic studies on nanowireshave not been performed.

III. MATERIALS AND METHODS

The basic plan in this project is to produce and test differentpolymer films for their biocompatibility and test whetherthey allow light to pass through. Subsequently, transfer thenanowires from the base material (in this case, the substrateis GaP). To transfer, the strategy is to use a sacrificial layerbetween the nanowire base and the polymer. The purpose ofthis sacrificial layer is to, once removed, define the length ofthe nanowires on the final substrate, and also facilitate theseparation of the films. Once both materials are spun (fordetails, see Table I) on top of the nanowires, the intentionis to separate them and thus rip the wires from their base. Theidea is then to dissolve the sacrificial layer and remain withthe nanowires attached to the polymers.

A. Polymer production and separation

Spin coating of polymers is a method used when creatingthin polymer films [12]. A polymer diluted in a solvent ispoured on a spinning wafer. The initial rotational accelerationmakes the polymer spread out in the radial direction. Thatmovement depends on the relationship between the centrifugaland viscous forces in the liquid. In other words, the thicknessof the film can be altered by changing the velocity with whichit is spun. After spinning the polymer, it has to be heatedup to reduce the amount of solvent in the film - called tosoftbake. Softbaking takes place either on a hotplate or in anoven, the temperature and time depends on the material andits thickness. The next step is exposure of the film to UV-light, whereby the molecules in the polymer get cross-linked.This hardens the film and makes it more stable, though itcan also create mechanical stress. Post exposure bake (PEB)is performed immediately after UV exposure and creates amechanical relaxation [13].

For this study, the polymers PCL (Sigma-Aldrich, USA) andDurimide 7505 (Fujifilm, Japan) were used. To create PCLin liquid form at a concentration of 4 %, 1 g PCL in solidform, with a density of 1.325 g/ml, was dissolved in 18 ml ofCH2Cl2. Two different types of polymers were used to actas sacrificial layers, AZ2070 2,0 (Clariant, Switzerland) andLOR-20B (MicroChem, USA). The solvent used was Dimethylsulfoxide 99 % (DMSO; Merck, Germany).

Silicon wafers with a diameter of 2 inches were used as abase for the polymers. The wafers were placed in a spinner(in house, Department of Biomedical Engineering, Lund,Sweden) and were kept in place with vacuum. A sacrificiallayer in liquid form was dripped on the wafer and spunat different velocities to obtain different thicknesses. Thewafers were then tempered and exposed to UV light (MA4Hg-lamp, Karl Suss, Germany) according to data in Table I.PCL is not UV-curable and was therefore not exposed. Whenthe sacrificial layer had set, the polymer in liquid form wasdripped on the wafers and spun at different velocities. Thewafers were repeatedly tempered and exposed to UV light

according to data in Table I. The wafers were left to curefor an hour and different methods were used to separate thetwo layers. One method was to try to peel off the polymerlayer with tweezers, another method was to use a scalpel tocreate a square shaped pattern in the two layers. All waferswere then placed in a solution of DMSO to resolve thesacrificial layer completely, both patterned and not. Theywere thereafter rinsed in ethanol and water to wash off theDMSO. The thincknesses of the layers were measured with aXP-1 profilometer (Ambios, Santa Cruz, CA, USA).

TABLE IPOLYMER PRODUCTION

Material 1 Material 2 Material 3Sacrificiallayer

AZ2070 LOR-20B AZ2070

Velocity,time

4000 r/min, 1min.

4000 r/min, 30sec.

4000 r/min, 30sec.

Temp., time 110C(hotplate),1 min.

180C (oven),10 min.

110C(hotplate),2 min.

UVexposure

30 sec. - 30 sec.

Temp.2.,time

110C(hotplate),1 min.

- 110C(hotplate),1 min.

Polymer Durimide Durimide PCLVelocity,time

1000 r/min, 1min.

1000 r/min, 1min.

230 r/min, 1min

Temp., time 100C(hotplate),3 min.

100C(hotplate),3 min.

70C(hotplate),1 min.

UVexposure

40 sec. 40 sec. -

B. Light transmittance

Polymers were spun on a borosilicate glass disc accordingto data in Table IV. To obtain information about the polymers’ability to transmit light, a laboratory arrangement was set up. Alight source which emitted light within the spectra 200 - 1100nm (AvaLight-HAL, Avantes, Netherlands) was used alongwith a collimator and a detector (AvaSpec, Avantes, Nether-lands). The glass discs with polymers were placed betweenthe light source and the detector and a spectra was collected.A spectra from the light source, i.e., with no obstacles, wasobtained as a reference along with a spectra from a clean glassdisc, before measurements from the glass discs with polymerswere made.

C. Biocompatibility

To examine the biocompatibility of the polymers, cells fromthe retinas of 4-days-old mice were collected. The mice used inthese tests (C3H/HeA, n=4) came from a colony maintained atthe BMC (Lund University, Lund, Sweden).They were sacri-ficed by cervical dislocation, thereafter the eyes and retinaswere removed. According to methods previously described[7], the cells were dissociated and seeded onto the materialswith parameters shown in Table III. The cells were suspendedin DMEM (Dulbecco’s modified Eagle’s Medium; Invitrogen

4

Life Technologies, USA). The medium contained 2% B27-supplement (Invitrogen Life Technologies, USA) and 2%L-glutamine–penicillin–streptomycin solution (Sigma-Aldrich,USA). The cells were kept in vitro for three days and thereafterfixed for 30 minutes using 4% paraformaldehyde, followed byseveral rinses before being permeabilized and processed forimmunohistochemistry. To identify neuronal cells, an antibodyagainst beta-tubulin III (Sigma Aldrich, USA) was used. Toidentify glial cells an antibody against glial fibrillary acidicprotein (GFAP; DAKO A/S, Denmark) was used. To detectand visualize the results, DyLight R© fluorochrome conjugatedsecondary antibodies (Jackson ImmunoResearch LaboratoriesInc, USA) were used. Immunoreactivity was visualized andpictures obtained using a field flourescence microscope (Axio-phot, Carl Zeiss Meditec Inc., Germany) with attached camera.All the methods used to examine biocompatibility have beenapproved by the local committee for animal experimentationand ethics. All the animals were also handled according to theARVO Statement for the Use of Animals in Ophthalmic andVision Research.

D. Nanowires

Nanowires consisting of GaP were grown vertically by themethod of metal organic vapor-phase epitaxy (MOVPE). Gold(Au) nanoparticles were placed on the GaP base materialaccording to methods previously described [7]. The materialswere placed in a growth chamber and grown at the temperatureof 470C. The type of nanowires used are shown in Figure 3.This was performed at the Division of Solid State Physics,Lund University, Sweden.

Fig. 3. Nanowires made of Gallium Phosphide (GaP), 10 µm scale bar.

E. Transferring of nanowires

A sacrificial layer was spun according to data in Table I ona silicon wafer with a diameter of 2 inches. The plate withnanowires was attached to the wafer before the layer was ableto dry, which kept it in place and allowed a second coatingof sacrificial layer to be spun on top. This layer is the onethat decides the length of the nanowires. The wafers were thenplaced in an oxygen plasma asher (FEMTO, Diener, Germany)in three intervals of five minutes each to remove approximately0.4µm at the time of the second sacrificial layer. This stepshould remove any sacrificial material from the protruding partof the nanowires which otherwise would make the wires come

loose from the polymer film. The two different polymers, PCLand Durimide, were used to create the final layer accordingto data in Table I. The PCL disc was placed in a solutionof DMSO to resolve the sacrificial layers and then rinsedin ethanol and water. A scalpel and tweezers were used tocollect samples of the material. In the case of the Durimide,a scalpel was used to cut around the edge of the nanowirewafer to simplify the detachment. Regarding the PCL plates,a larger circle of the material was cut out to release the strainsin the material and to simplify the process of collecting thesamples. The discs were then placed in DMSO and then rinsedin ethanol and water which made it possible for the wholecircle of PCL to be collected in one piece. For the attempt totransfer the nanowires from the base material to a polymer, asample with the following data was used (Table II).

TABLE IIPARAMETERS OF NANOWIRES USED

Material Length Diameter DensityGaP 8 µm 80 nm 1 NW/ µm2

The results obtained were visualized using Scanning Elec-tron Microscopy (SEM, SU8010, Hitachi, Japan) imaging.

IV. RESULTS

A. Polymer production and separationSpin coating of the polymers and sacrificial layers resulted

in pieces of different size, thickness and flexibility that couldbe used for the planned tests. Neither of the materials couldbe separated in one piece from the base wafer together withthe sacrificial layer. The AZ2070-Durimide which was put inDMSO in one piece started to come loose in different smallareas spread out over the wafer. No suitable pieces couldbe obtained. The wafers with a square pattern cut out of itbefore they were placed in DMSO produced different results.These pieces could be easily removed, some were flat andcompletely square and some were curled, due to mechanicalstress. The last method of removing pieces “dry” from thepatterned wafer before DMSO also resulted in usable pieces.The Durimide that was spun on a sacrificial layer of LOR-20B changed colour once put in the DMSO. It went fromyellow to a darker tone, almost brown or orange. The thirdset of material, PCL with AZ2070, gave the best result whencut in a square pattern, dissolved in DMSO and detached fromthe silicon wafer with tweezers. Because of their more suitableproperties, the following materials were used in the cell cultureexperiment to examine biocompatibility (Table III).

TABLE IIIPOLYMERS FOR BIOCOMPATIBILITY TESTS

Polymer Sacrificial layer ThicknessDurimide AZ2070 18 µmDurimide LOR-20B 22 µmPCL AZ2070 24 µm

The method in section III-A produced the following ma-terials which were used in an experiment to determine lighttransmittance (Table IV).

5

TABLE IVPOLYMERS FOR LIGHT TRANSMITTANCE TESTS

Polymer ThicknessGlass disc 220 µmPCL 29 µmPCL 18 µmPCL 90-190 µmDurimide 22 µmDurimide 34 µmDurimide 46 µm

B. Light transmittance

As shown in Figure 4 and Figure 5, the polymers showedthe expected result, i.e., decreasing light transmittance withincreasing thickness. However, it was also found that eventhe thinnest layer of PCL exhibited a lower rate of lighttransmittance than the thickest layer of Durimide (Figures 4and 5).

Wavelength [nm]

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Re

lative

in

ten

sity [

]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Light transmittance for PCL and references

Light source

Glass disc

PCL 29 um

PCL 18 um

PCL 90-190 um

Fig. 4. Light transmittance of PCL and references.

Wavelength [nm]

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Re

lative

in

ten

sity [

]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Light transmittance for Durimide and references

Light source

Glass disc

Durimide 22 um

Durimide 34 um

Durimide 46 um

Fig. 5. Light transmittance of Durimide and references.

C. Biocompatibility

The biocompatibility test with cell culturing gave goodresults regarding cell survival. On all polymer films tested,nuclei from various neural cells were present. This impliesthat the films created an environment where cells can live andthrive. Furthermore, the amount of nuclei found indicates thatthe films had a surface on which cells stick and are retained,i.e., the surfaces were sufficiently adhesive.

To identify the types of cells in the cultures, specific markerswere used. Beta-tubulin III, a protein that is specificallyexpressed in neurons, could be seen in a few cells on allthree materials. The second cell type to be examined wasglial cells, supporting cells which are important for the growthand survival of neurons. Glial cells were detected by theirexpression of the GFAP protein, and it was found that althoughpresent, there were relatively few GFAP-positive glial cellsafter three days in vitro.

The polymer made out of PCL seemed to produce the bestresults in cell culture (Figure 6). Although the film was notcompletely flat, it was visible that there were nuclei spreadover the whole film. Both neurons and glial cells were easilydistinguished and they also had short processes (Figure 6Band C).

Fig. 6. Retinal cell culture on PCL with the sacrificial layer AZ2070.Fluorescence images showing nuclei in blue (A), glial cells in green (B) andneurons in red (C).

In cultures on Durimide (Figure 7) cell nuclei were alsofound in large numbers. Neurons were detectable, though notas clearly as with PCL. No glial cells could be seen, possiblybecause the films could not be flattened on the microscopeslide.

6

Fig. 7. Retinal cell culture on Durimide with the sacrificial layer AZ2070.Fluorescence images showing nuclei in blue (A), glial cells in green (B) andneurons in red (C).

An unexpected result was the reaction that the Durimidewith LOR-20B showed under the wavelength used to detectGFAP (Figure 8B). The material emitted diffuse greenlight, probably as a result of autofluorescence, and no glialcells could be detected. Therefore it was not possible tocome to any conclusion regarding the presence of these.This phenomenon was also observed with the wavelengthused to detect beta-tubulin III, though it was still possible todistinguish some neurons (Figure 8C).

Fig. 8. Retinal cell culture on Durimide with the sacrificial layer LOR-20B.Fluorescence images showing nuclei in blue (A), glial cells in green (B) andneurons in red (C).

D. Transferring of nanowires

From the AZ2070-Durimide that was cut right at the edgeof the GaP nanowire plate, it was not possible to separatean intact piece. Instead, the polymer seemed to dissolve inthe DMSO and to soften in its texture. Small sections ofthe polymer could however be pulled off, though they were

wet and very fragile. The SEM showed that the methodwas successful and several nanowires of desirable length andposition could be detected (Figure 9). The sacrificial layerseemed to be completely dissolved and the material was, formost, intact.

Fig. 9. SEM images showing nanowires on Durimide, 30 µm scale bar (A),4 µm scale bar (B).

The wafer that had nanowires covered with PCL produced abetter result in terms of releasing a considerable piece. Sincethe PCL was cut in a circle around the plate of nanowires,the section that was taken to the SEM was a circular pieceof PCL with a dent in the middle, where the nanowire platepreviously had been. Visualized in the SEM, the results weremore inconclusive. The sacrificial layer had barely dissolvedand the majority of the nanowires were attached to it insteadof the polymer (Figure 10). In some areas the sacrificial layerseemed to have detached and lifted (Figure 11) from the PCLand had also torn and formed cracks in the material.

Fig. 10. SEM images showing nanowires on sacrificial layer and PCL, 100µm scale bar (A), 10 µm scale bar (B).

On the parts of the sacrificial layer which had lifted,nanowires could be seen on both sides of the material (Figure11).

7

Fig. 11. SEM image showing nanowires on sacrificial layer and PCL, 4 µmscale bar.

In some areas, holes were visible in the PCL. This indicatedthat the nanowires had been attached to the material but hadcome off when the sacrificial layer had lifted (Figure 12).

Fig. 12. SEM images: Holes from nanowires on PCL, 20 µm scale bar (A).Holes from nanowires on PCL, 5 µm scale bar (B).

V. DISCUSSION

A. Polymer production and separation

The method which showed the best result to separate thepolymers from the wafers proved to be to first create asquare shaped pattern before placing the wafers in DMSO. Byusing this method, the shape and size of the pieces could besupervised and performed under more controlled conditions. Ifthere was no pattern on the polymer, there was a bigger chanceto obtain a larger piece but the conditions were very uncertain.Some of the pieces collected curled up after being removedfrom the wafer. The curling of the polymer occurred due totensions in the material and might have its explanation in thevelocity in which they have been spun. When the polymer isspun with a high velocity it is pushed to the edges of the waferby forces created from the rotation. Higher velocity wouldtherefore correspond to the polymer being pushed further out,which then creates more tensions. When the material thenundergoes the softbake, even more tensions occurred due tothe resolving of the solvent. Due to this, the amount of liquidpolymer used might also affect the tensions and therefore theneed to curl.

It is plausible that the change in color of the LOR-20B-Durimide piece was due to a chemical reaction between some

of the components. Since this reaction had not taken placebefore, it gave reason to believe that the reaction was by theLOR-20B which was the only new component. During thespinning of Durimide on top of the LOR-20B-layer, a reactionmight have occurred, causing the LOR-20B to diffuse into theDurimide. When the wafer later was placed in DMSO, theLOR-20B was partly dissolved which might have caused thechange in color.

B. Light transmittance

Light transmittance is a parameter that depends on differentfactors, one of them being scattering of light in the material.In the case of the Durimide, the material is transparent butwith a distinct yellow color. The PCL on the other hand,is cloudy. A transparent material is more likely to have ahigher rate of light transmittance than a cloudy material,which also is coherent with the results obtained in these tests.Differences in density in the material might also affect thetransmission of light. In this case, the density of the twomaterials was quite similar, 1.325 g/ml for PCL and 1.39g/ml for Durimide. More scattering or absorption would beexpected in a material with higher density, i.e., the Durimide,which indicates that the results were inconclusive.

C. Biocompatibility

With all the materials, cell adhesion and survival wereobserved. Immunostaining showed that the cells had the abilityto express neuronal and glial markers, but in relatively smallnumber. A possible explanation to this could be the short time(three days) in vitro. However, a larger number of beta-tubulin-and GFAP-expressing cells have previously been observedon cells grown on other substrates using the same protocol[7]. Another reason for the apparent small amount of cellscould be autofluorescence, which mainly occurred with thesacrificial layer LOR-20B. It is possible that a larger numberof cells were present but could not be seen due to the limitedvisualization. To improve further experiments one option couldbe to use a method that reduces the autofluorescense [14], butin any case the biocompatibility test led to the conclusion thatwe should not continue with the sacrificial layer LOR-20B.

Concerning the Durimide with sacrificial layer AZ2070, thecurling of the polymer limited the possibility of determiningthe survival of glial cells (Figure 7B). As discussed in sectionV-A, the reason for the curled shape is likely to be mechanicalstress in the polymer.

Thin structures grown from the cell bodies could be ob-served (Figure 6B and C). These are short neuronal and glialprocesses which branch as a result of favorable conditions,that further suggest that the materials were well tolerated bythe cells. In any case, long-term cultures will be necessary asthe next step to establish full biocompatibility.

D. Transferring of nanowires

Even though the amount of nanowires that were able to betransferred varied in number on the different polymers, the

8

method would still be considered successful. There are a lotof aspects and approaches that need improvement, but the factthat nanowires could even be detected on the Durimide is apromising start for this field.

A reason as to why the Durimide polymer seemed to havealmost resolved itself might be because the nanowires actedlike a matrix which then trapped the DMSO, affecting thepolymer and the sacrificial layer for a longer period of timethan planned. Another reason is likely to be that the layerwas spun too thin to begin with. If the layer had been a fewmicrometers thicker, the softening effect might not have beenas great and a more manageable piece could hopefully beobtained. In future experiments it may also help to temperthe Durimide for longer, to get it more solid. For this tobe possible another sacrificial layer, which can endure highertemperatures, has to be used.

In the case of the PCL, the material was thicker and a circlewas cut out before the wafer was placed in DMSO. This islikely the reason why it was easier for the PCL piece to comeoff. To conclude, there were two main issues with this PCLexperiment. To begin with, the sacrificial layer was still presentat the final piece (Figure 10), covering the PCL. The sacrificiallayer had lifted off in some areas and was also full of cracks.This is probably a consequence of not enough time in theDMSO, it was not sufficiently dissolved and once it was letto dry the remaining sacrificial layer contracted. The secondissue was the resulting position of the nanowires. Apparently,the wires were attached harder to the sacrificial layer than tothe PCL. The holes in the polymer (Figure 12) correspondmost certainly to where the nanowires had been, though thereare no wires left. This implies that the PCL was too soft,it could not retain the nanowires. The question is when thisphenomenon occurred. In case it was due to the solidificationof the sacrificial layer, the solution could be to keep it in thesolvent for longer. Alternatively, if the wires were detachedfrom the PCL and attached to the sacrificial layer in an earlierstage, this would indicate that the PCL is not ideal to use asa base.

VI. CONCLUSIONS

A. Polymer production and separationThe method proven most suitable to separate the polymers

from the wafers was to cut out a square shaped patternbefore placing the wafers in DMSO. This allowed a controlledenvironment where symmetrical pieces could be collected.

B. Light transmittanceWith regard only to the ability of light transmittance and

with an implant intended to be located epiretinally, the mostappropriate material to use would be Durimide. If the implanthowever was intended to be located subretinally, PCL wouldbe the better choice.

C. BiocompatibilityThe material combination which showed the best results

regarding biocompatibility was PCL and AZ2070. This ma-terial produced a relatively high survival rate of retinal cellscompared to the other materials tested.

D. Transferring of nanowires

The tests showed that the method of transferring nanowiresfrom its base material to a polymer is executable. However, toobtain a better result, factors such as thickness of the polymerand time in the DMSO solvent have to be adjusted.

VII. ACKNOWLEDGMENTS

We would like to extend our gratitude to our two supervi-sors, Maria Thereza Perez and Martin Bengtsson. We wouldalso like to thank Christelle Prinz and Laura Abariute fromthe Division of Solid State Physics and Neven Ibrakovic fromDivision of Atomic Physics for their assistance and input.We would also like to thank the four little mice who weresacrificed in this project.

REFERENCES

[1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/retina.html, 2016-03-29

[2] https://www.khanacademy.org/science/health-and-medicine/nervous-system-and-sensory-infor/sight-2014-03-27T18:45:34.237Z/v/vision-structure-of-the-eye, 2016-03-29

[3] http://www.salk.edu/news-release/from-eye-to-brain-salk-researchers-map-functional-connections-between-retinal-neurons-at-single-cell-resolution, 2016-04-04

[4] http://www.aao.org/eye-health/diseases/what-is-retinitis-pigmentosa,2016-03-29

[5] Bourzac K. (2013) Bionic Eye Implant Approved forU.S. Patients. https://www.technologyreview.com/s/511356/bionic-eye-implant-approved-for-us-patients, 2016-04-06

[6] http://www.retina-implant.de/en/patients/technology/default.aspx, 2016-04-06

[7] Piret G, Perez MT, N. Prinz C (2012) Neurite outgrowth and synap-tophysin expression of postnatal CNS neurons on GaP nanowire ar-rays in long-term retinal cell culture. Biomaterials.34(4):875-87. DOI:10.1016/j.biomaterials.2012.10.042. Epub 2012-11-03

[8] Hassler C, Boretius T, Stieglitz T (2010) Polymers for Neural ImplantsPolymer Physics, Volume 49, Issue 1. DOI:10.1002/polb.22169

[9] Von Ahnen I, Piret G, N. Prinz C (2014) Transfer of vertical nanowirearrays on polycaprolactone substrates for biological applications. Mi-croelectronic Engineering, Volume 135. DOI:10.1016/j.mee.2015.03.007

[10] http://www.animalethics.org.au/three-rs, 2016-05-11[11] Kwak J. I., An Y.-J. (2015), A review of the ecotoxicological effects of

nanowires, International Journal of Environmental Science and Tech-nology, Volume 12, Issue 3. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13762-014-0727-4, 2016-05-12

[12] Bornside DE, Macosko CW, Scriven LE (1989) Spin Coating: onedi-mensional model. Journal of Applied Physics. http://diyhpl.us/∼nmz787/pdf/Spin coating One-dimensional model.pdf

[13] MicroChemicals. 2012. Photolithography - Theory and Application ofPhotoresists, Etchants and Solvents.

[14] Jaafar IH1, LeBlon CE, Wei MT, Ou-Yang D, Coulter JP, JedlickaSS. (2011) Improving fluorescence imaging of biological cellson biomedical polymers. Acta Biomaterialia, Volume 7, Issue 4.DOI:10.1016/j.actbio.2010.12.007

1

Potentialen for kommersiellt EEG ur ett medicinsktperspektiv

Malin Klerstad (BME–13), Robin Berglund (BME–13)

Sammanfattning—Elektroencefalografi, EEG, ar en mycketvanlig undersokning inom sjukvarden och anvands for att matahjarnans elektriska aktivitet. Forutom mer avancerad EEG-utrustning som anvands pa sjukhus finns aven flera typer avmindre komplex kommersiell EEG-utrustning pa marknaden.En av dessa produkter ar ”Muse - the brain sensing headband”som marknadsfors som en produkt for att forbattra sin medi-tationsformaga. Detta projektet undersoker, genom experiment,intervjuer och litteraturstudier om produkten aven skulle kunnaanvandas i ett medicinskt syfte. Resultaten har visat att Muse paett tillforlitligt satt detekterar alfavagor och kan ge anvandbarainspelningar av somn-EEG men resultaten paverkas tyvarr avmycket artefakter. Detta betyder att Muse i dagens lage inte kananvandas som ett diagnostiskt verktyg men att mojligheternaar manga och forhoppningsvis kommer detta utvecklas och iframtiden kommer mindre komplicerade typer av EEG kunnaanvandas i flera olika sammanhang.

I. INTRODUKTION

DETTA arbete undersoker om kommersiellt EEG kananvandas i ett medicinskt syfte. Den kommersiella EEG-

utrustning som projektet har utgatt fran ar ”Muse - thebrainsensing headband”. Projektet har innefattat studier overhur denna produkt fungerar, vad som gar att lasa av med denoch vad det skulle kunna finnas for anvandningsomraden inomvarden.

A. Elektroencefalografi, EEG

I hjarnan finns miljarder nervceller som konstant arbetarmed att skicka signaler fram och tillbaka i kroppen. Dessasignaler genererar elektriska impulser som kan lasas av medhjalp av elektroder som placeras pa huvudet i kontakt medhuden. Denna undersokning kallas elektroencefalografi, ellerEEG, och ar en vanlig undersokning inom sjukvarden. EEGanvands vanligtvis for att studera icke-normal hjarnaktivitet,till exempel vid misstanke om epilepsi eller vid tecken pafor hogt tryck i hjarnan. De signaler som registreras vidEEG ar lagvoltiga med spanningar pa nagra tiotal µV mattover huvudet. Pa grund av detta kravs god kontakt mellanelektroder och huden och darfor anvands ofta en gel for attminska impedansen. Den data som fas ur elektroencefalografirepresenteras pa elektroencefalogram, vilket aven det forkortasEEG.

Hur hjarnans elektriska signaler ser ut ar till viss del indivi-duellt, beror pa tiden pa dygnet, vakenhetsgrad och aven alder.Signalerna har kategoriserats utifran deras frekvensinnehall:

Inlamnat den 10 juli 2016E-mailadress: mte13mkl@student.lu.se, mte13rbe@student.lu.seTeknisk handledare: Tomas Jansson, LTH

gammavagor, betavagor, alfavagor, thetavagor och deltavagor[5] [18], se tabell 1. Granserna definieras nagot olika beroendepa kalla.

Tabell IFREKVENSSPANN FOR RESPEKTIVE GRUPP

Frekvens

Gamma > 31 Hz

Beta 12-30 Hz

Alfa 7,5-12 Hz

Theta 3,5-7,5 Hz

Delta 0,5-3,5 Hz

Gammavagor uppstar vid hog koncentration och vid pro-blemlosning. Betavagor visar ett aktivt tankande och koncent-ration. Thetavagor visas vid somn och deltavagor uppstar viddjupsomn.

Alfavagor ar den mest dominerande frekvensen och arnarvarande i alla aldrar men ar vanligast hos vuxna. Vagornasyns framst i bakre delen av hjarnan och uppstar vid stangdaogon och avslappning. Alfavagor slacks ut vid koncentrationoch vid ljusintryck [11] [5].

I ett EEG finns oftast alla frekvenser narvarande och detkravs mycket traning for att kunna urskilja olika typer avvagor fran varandra. Genom att studera EEG och de frekvensersom uppstar i olika situationer kan ett matt pa en personsvakenhetsgrad fas fram och aven om nagot i hjarnan intestammer. Om till exempel deltavagor uppstar i ett vakettillstand hos en vuxen manniska ar det ett tecken pa att nagotinte star ratt till och kan bero pa for hogt tryck i hjarnan ellerpa intoxikation. Om frekvensen istallet ar alldeles for hog kandet tyda pa ett epileptiskt anfall [11].

Vid anvandning av EEG inom sjukvarden idag anvandssom rutin 23 elektroder samt jord och referenselektroder.Vid mer avancerade undersokningar och i forskningssyftekan upp mot 128 elektroder anvandas [14]. Ett problem vidEEG-undersokningar ar att mycket artefakter uppstar somkan misstas for hjarnaktivitet och darmed paverka resultatet.Artefakterna kan antingen vara biologiska eller bero pa yttreomstandigheter. Biologiska artefakter ar signaler som inteharstammar fran hjarnan, till exempel EMG som ar elektris-ka signaler fran musklerna eller EKG-signaler vilket ar deelektriska signalerna fran hjartat. Aven pulsens rorelse kan geartefakter pa EEG-signalen eftersom pulsen gor sa att hudenror sig [11]. Artefakter som istallet beror pa miljon kan uppstaom man till exempel flyttar patienten eller om det inte ar godkontakt mellan elektroderna och huden. Detta gor att natbruset

2

slapps igenom vilket i Sverige ger en frekvensartefakt pa 50Hz.

EEG under somn har ett valdigt karakteristiskt utseen-de och anvands av lakare da EEG vid vaket tillstand integer tillrackligt mycket information eller for att undersokasomnstorningar. Vid somn okar de lagfrekventa hjarnvagornaoch snabbare vagor dampas. I vissa perioder under somnuppkommer aven flera karakteristiska vagformer. Tva av dessaar sa kallade K-komplex och somnspolar [8], vilket kan sesi figur 1. K-komplex definieras av lagfrekventa, hogvoltigatoppar, som borjar med en negativ nedgang for att sedan okamangfaltigt i positivt led och sedan lika mycket i negativtled. K-komplex ar framst synliga langs mittlinjen av hjarnan.Somnspolar definieras av nagot hogfrekventa pulser som varari minst en halv sekund upp till nagon sekund. Vagorna i dennapuls har en frekvens som ligger mellan 12 och 15 Hz. Avendessa bor vara synligast i de centrala delarna av hjarnan menkan aven yttra sig pa flera andra stallen [9].

Figur 1. Somnspolar och K-komplex [13].

For att bestamma vakenhetsgrad inom akutvarden anvanderman sig inte av EEG utan av Glasgow Coma Scale, GCS,som ar en visuell bedomning. GCS ger en siffra pa patientensvakenhetsgrad beroende pa hur han eller hon reagerar pa olikastimuli. For en rutinerad lakare tar GCS inte lang tid och arinte en svar process. Det ar dock inte alltid enkelt att vetaanledningen till att en person ar medvetslos. Medvetsloshetenkan bero pa skada i hjarnan, pa grund av alkohol eller sa kandet vara en funktionell medvetsloshet. Vid en funktionell med-vetsloshet finns det ingen skada i hjarnan trots att symtomenkan tyda pa detta. Kroppen har helt enkelt slutat ge respons pagrund av for mycket emotionella intryck. Vid dessa tillfallenskulle det vara en fordel att ha en undersokning som direktkunde saga om det ar fel pa hjarnan eller inte. En enkel typav EEG-utrustning som skulle kunna faststalla om det lagamedvetandet beror pa en skada i hjarnan eller nagot annatvore da optimalt for att patienten ska slippa genomga en CT-undersokning som ar alternativet idag [12].

Inom EEG-forskning anvands ofta begreppet QEEG, eller”Quantative electroencephalography”. Detta falt amnar, tillskillnad fran vanlig visuell analys, att satta numeriska vardenpa EEG-data [16]. For detta anvands fouriertransformer vilketger varden pa signalens effekt. Detta kan visualiseras genomett effektspektrum, aven kallat spektraltathet, som visar hursignalens energi ar fordelad over frekvensplanet. Signaler somar definierade av spanningskillnader har ingen egentlig effektmen brukar defineras som kvadraten av signalens varde per

hertz, alltsa µV2

Hz . Genom att berakna integralen over ett visstfrekvensintervall i effektspektrumet far man ut den totalaeffekten for det frekvensintervallet. Pa detta satt kan man faett varde pa hur stor del av signalen som bestar av ett visstfrekvensband, nagot som ar mycket anvandbart vid analysav EEG. Ett matt pa en signals frekvensinnehall kan avenvisas i ett amplitudspektrum, som definieras som roten ureffekten, vilket i detta fall ger enheten µV√

Hz[17]. Korrelationer

soks mellan signalens frekvensinnehall och till exempel olikamentala uppgifter eller vid anvandning av mediciner.

B. Muse- the brainsensing headband

Muse ar en kommersiell EEG-utrustning, se figur 2, franforetaget InteraXon i Toronto, Kanada.

Figur 2. Muse- the brainsensing headband [15].

Produkten gar att bestalla over internet for privat bruk.Huvudbandet har fyra elektroder samt tre referenselektroderlangst fram i pannan, se figur 3 for elektrodplacering enligtinternationella 10-20 standarden for EEG-elektroder. Elektro-derna ar markerade med blatt och referenselektroderna mar-kerade med gront. De som ej ar markerade visar placeringenfor elektroder vid ett vanligt EEG.

Figur 3. Elektrodernas placering over huvudet med Muse [15].

Fran de fyra elektroderna kan hjarnans signaler avlasas irealtid nar anvandaren har pa sig bandet over pannan. Musekan kopplas till mobila enheter och datorer via bluetooth ochgenom att ladda ner utvecklingsprogramvara som distribuerasgratis av foretaget som saljer produkten kan obehandlad datafas fram.

Muse marknadsfors idag som ett hjalpmedel for personersom vill forbattra sin meditationsteknik. Huvudbandet anvandsda tillsammans med en app pa telefonen som heter Muse.Innan varje meditationstillfalle maste Muse kalibreras for attanvandarens individuella EEG ska kannas igen. Appen gersedan, via ljudsignaler, information till anvandaren om huravslappnad den ar for stunden. Efter varje meditationstillfalle,

3

som kan vara mellan 3 och 20 minuter, visas en procentsatsover hur stor del av sessionen som hjarnan var i ett avslappnatlage och hur ofta man koncentrerade sig pa nagot annat. Enforenklad bild av hjarnaktivitet som funktion av tiden visasaven och pa sa satt kan man fa en uppfattning om nar hjarnanvar i ett avslappnat tillstand gentemot ett koncentrerat tillstand.

Nagon gel for att minska impedansen anvands ej utan Museplaceras istallet sa nara huden som ar mojligt. Efter ett litettag skapas ett fuktigt lager mellan pannan och elektrodernavilket skapar bra kontakt [15].

C. Tidigare arbeten inom detta omrade

Sedan kommersiellt EEG kom ut pa marknaden har flerastudier gjort inom detta omrade, bade i medicinsk syfte menocksa av andra skal.

I ett tidigare arbete av Erik Andreas Larsen fran NorwegianUniversity of Science and Technology har kommersiellt EEGi form av produkten NeuroSky mindset anvands till att styraett spel med tanken. Denna produkt anvander sig endast av enelektrod i pannan som laser av hjarnans aktivitet och kan medhjalp av detta styra ett spel pa en datorskarm. [1]

Genom spel har man aven gjort studier av hjarnsignaler foratt kunna behandla barn med ADHD. Genom att lata patientenstyra spel med hjalp av tanken lar sig patienten pa ett ”ro-ligt” satt hantera sin koncentrationsniva. Nar koncentrationenminskar stoppas spelet och nar man ar fokuserad fortsatterspelet. Ar man fokuserad under en langre period blir speletsvarare. Detta hoppas man i framtiden ska anvandas sombehandlingsmetod istallet for de mediciner som finns idag [10].

Ett vanligt forsok nar man studerar EEG ar att klassificeraolika sa kallade ”mental tasks”, eller mentala uppgifter. Detsom undersoks da ar oftast hur de olika frekvensbandenpaverkas av olika uppgifter. Exempel pa en uppgift ar att utforaen svarare multiplikation i huvudet eller att man ska forestallasig att man roterar sin arm [3].

For medicinskt bruk undersoktes redan pa 80-talet om detgick att fa fram ett samband mellan vanligt EEG och GlasgowComa Scale. I ett arbete fran 1988 har 20 patienter i komaundersokts. Deras EEG har studerats och delats in i sex styckenundergrupper beroende pa frekvensinnehall i signalen. Dessaresultat har sedan jamforts med resultatet fran Glasgow ComaScale, som endast baseras pa den visuella respons lakarenfar fran patienten. Studien visade att resultaten fran dessa tvametoder inte korrelerade, men att man lattare kunde forutsagaen patients tillstand om de tva metoderna kombinerades [2].

D. Tes

Eftersom Muse har fler elektroder an produkter som anvantsi tidigare studier ar det troligt att Muse har god mojlighet attlasa av hjarnans signaler. Om detta fungerar finns det mangaanvandningsomraden for denna produkt, bade privat men aveninom varden. Om mojligheten fanns att anvanda en mindrekomplex form av EEG inom akutvarden skulle det kunna ge enbild av patientens vakenhetsgrad nar detta inte gar att se direkt.Muse skulle da vara ett bra alternativ eftersom det kraver liteforberedelser.

Mindre komplex EEG-utrustning skulle inte bara underlattavard pa sjukhus utan skulle aven oppna upp for storaanvandningar i hemmamiljo. Rorelsehindrade manniskor skul-le kunna ha stor anvandning av en enkel och billig produktsom kan anvandas for att kontrollera saker med endast tan-ken. En sadan produkt ar mojligtvis en bit in i framtiden,men forhoppningsvis kan detta projekt belysa potentialen forkommersiellt EEG inom detta omrade.

I denna rapport undersoks darfor om Muse ar tillrackligttillforlitlig for att kunna anvandas inom varden och aven vaddet skulle kunna finnas for anvandningsomraden for patienteri hemmet. Rapporten ar uppdelad i metod, resultat och diskus-sion. Under metod forklaras de program som har anvants foratt fa fram resultaten och hur projektet har genomforts. Re-sultaten diskuteras och analyseras under rubriken diskussion.

II. METOD

I projektet har Muse anvants for att samla in hjarnsignaler.Programmen som har anvants for att analysera denna data arMuseLab och tva plug-ins till MatLab: EEGlab och ERPlab.

A. MuseLab

MuseLab ar ett visualisering- och inspelningsverktyg forMuse utgivet av InteraXon. Nar Muse ar pa och samman-kopplat med datorn kommer MuseLab att visa den radata somMuse samlar in och denna data kan sedan spelas in. Figur 4visar hur radatan ser ut i realtid. De fyra kurvorna visar datanfran elektroderna pa huvudbandet dar de yttre kurvorna visarelektroderna vid oronen och de i mitten visar signalerna franelektroderna i pannan.

Figur 4. Muse-lab, ra EEG-data.

B. EEGlab och ERPlab

EEGlab och ERPlab ar verktygslador for MatLab som kananvandas for att behandla elektrofysiologisk data sa som EEG.Programmen ges ut gratis av Swartz Center for ComputationalNeuroscience, en fakultet vid University of California, SanDiego. Inbyggt i programmen finns verktyg for att badesignalbehandla samt visualisera data pa flera olika satt [6] [7].

C. Litteraturstudie

For att fa en grundlaggande forstaelse over EEG, hur dettaanvands inom sjukvarden och vad som finns pa marknaden

4

idag har en litteraturstudie utforts. Under senare delar av pro-jektet har studien fokuserat pa mer specifika omraden. Litte-raturstudien har innefattat artiklar och studier, samt hemsidor,anvandarmanualer och diskussionsforum for Muse. Sokningarhar gjorts pa bade svenska och engelska och innefattat sokordsom bland annat elektroencefalografi, kommersiellt EEG ochfrekvensspektra for EEG-signaler. Bland den information somhittats valdes den som kandes mest relevant ut och sammanfat-tades. Genom att studera hur liknande projekt och experimenthar genomforts har forsoken i detta projekt utformats pa ettsatt som har kants passande.

D. Intervjuer

Fragor angaende hur EEG anvands praktiskt inom vardenhar skickats ut via mail till Roland Flink, overlakare vid Insti-tutionen for neurovetenskap, Klinisk neurofysiologi vid Aka-demiska sjukhuset i Uppsala och till Janne Kautto, Ordforandefor Riksforeningen for ambulanssjukskoterskor. Bilder haraven skickats till Roland Flink for konsultation. Dessa svarhar anvants under projektets gang.

For information om EEG samt konsultation om vad sombor goras for att fa givande resultat har tva moten agt rum.Ett mote pa akuten i Malmo med Per Wihlborg, Specialisti Anestesiologi och Akutsjukvard och ett mote pa Biomedi-cinskt Centrum i Lund med Eskil Elmer, docent vid Kliniskneurofysiologi.

E. Experimentella forsok

Alla forsok i projektet har utforts pa en 24-arig kvinna.For att skapa battre kontakt mellan elektroder och skalphar ett elastiskt harband av tyg spants fast over Muse. Daexperimenten inte kravt oppna ogon har forsokspersonen haftstangda ogon for att minska artefakter fran blinkningar.

Varje inspelning har pagatt 10 sekunder langre an dentidsperiod som varit av intresse for analys. Detta for att deforsta och sista fem sekunderna av inspelningen skulle kunnatas bort vilket var nodvandigt da filtrering av data paverkadegranserna av inspelningarna. For att tydligare kunna se trenderi den analyserade datan har varje experimentell session utfortsflera ganger for att medelvarden och standardavvikelser skakunna beraknas.

Fyra olika grupper av forsok har genomforts; mentala till-stand, alfavagor vid koncentration, alfavagor vid ljusintryck,samt studier av somn.

1) Forsok 1 - mentala tillstand: For att studera olika typerav mentala tillstand har tva sessioner vid tva separata dagar ge-nomforts. Varje session har innefattat fyra ovningar: basniva,mental rakning, matte och sang. Varje forsok upprepades femganger och varade i 30 sekunder.

Basniva ar den matning som har utgatts ifran och som deandra matningarna sedan jamforts med. I detta fall ar basnivandet EEG som fas fram nar patienten ar i ett normalt avslappnatlage. Vid mental rakning har forsokspersonen fatt rakna tyst ihuvudet sa langt hon hunnit och samtidigt forsokt visualiserasiffrorna framfor sig. Vid matte har ett mattetal givits, tillexempel 22 × 35, som forsokspersonen har forsokt losa ihuvudet under inspelningar. Vid sang har forsokspersonen

sjungit en sang tyst for sig sjalv i huvudet. Alla inspelningarhar sedan analyserats med avseende pa frekvensinnehall.

2) Forsok 2 - Alfavagor vid koncentration: Detta forsok un-dersokte hur olika typer av koncentration paverkade mangdenalfavagor i hjarnan. Tva uppgifter utfordes, i ena uppgiftengavs forsoksperson ett mattetal att rakna som i tidigare forsok,och i andra uppgiften fick personen i uppgift att tanka pa nagotspecifikt. Fragorna var utformade sa att personen behovdekoncentrera sig for att minnas olika saker. Till exempel stalldesfragan ”vad at du till frukost i forrgar?”. Fragan stalldes imitten av sessionen, som varade totalt 25 sekunder, och togcirka fem sekunder att stalla. De forsta 10 sekunderna funge-rade som basniva, medan de 10 sista var den insamlade datasom ansags intressant for analys. De bada fallen genomfordestre ganger var. Information om alfavagornas totala effekt fororonelektroderna extraherades sedan.

3) Forsok 3 - Alfavagor vid ljusintryck: Detta forsokundersokte hur alfabandet paverkades av ljusintryck.Forsokspersonen fick sitta avslappnad i dagsljus i 10 sekundermed stangda ogon for att sedan oppna ogonen och haogonen oppna, utan att blinka, i 10 sekunder till. Identiskaforsok genomfordes sedan i ett helt morkt rum. Varje forsokgenomfordes fem ganger var. Forsta delen av inspelningen, daogonen var stangda, fungerade sedan som referens och dessfrekvensinnehall jamfordes med andra delen av inspelningenda ogonen hade oppnats. Information om alfavagornas totalaeffekt for oronelektroderna extraherades sedan.

4) Forsok 4 - Somn: For att undersoka utseendet av EEGunder somn genomfordes en 34 minuter lang inspelning daforsokspersonen lag ned i en sang i ett nedslackt rum ochforsokte sova, vilket hon lyckades med. Inspelningen stude-rades visuellt i EEG-lab for att K-komplex och somnspolarskulle detekteras. For att fa information om hur frekvensin-nehallet forandrades over tiden delades inspelningen in i 34stycken segment pa en minut vardera och analyserades var forsig.

F. Filtrering och analys av signaler

Det fanns fler installningar tillgangliga for Muses da-taoverforing till datorn. Standardinstallningen medforde ettforinstallt notchfilter vid 50 Hz och en samplingsfrekvens pa220 Hz. Denna installning gav ocksa tillgang till InteraXonsegna algoritmer for att bland annat berakna frekvensband.Det som eftersoktes i detta projekt var dock sa obehandladdata som mojligt, for att kunna gora egna signalbehandlingaroch analyser. Darfor valdes istallet research-installningen sominnebar att data ej filtrerades i forvag och som anvande enhogre samplingsfrekvens pa 500 Hz.

Data fran matningarna har matats in i EEGlab for ana-lys. Inspelningar har inspekterats visuellt for att upptackaovantade artefakter eller brus. Vid langre inspelningar sa somsomn-EEGt har uppenbara rorelseartefakter klippts bort. EttPark McGellan notchfilter har applicerats pa all data vid 50Hz for att eliminera natbrus. Olika bandpassfilter har sedanapplicerats beroende pa vad som skulle undersokas for attytterligare minska artefakter. Bandpassfiltret har varit av typenIIR Butterworth med ordning 2 och sa mjuk ”roll-off” som

5

mojligt for att minska artefakter orsakade av filtret. For deolika mentala tillstanden, dar hela frekvensspektrat var avintresse har den lagre brytfrekvensen for bandpassfiltret valtstill 0.1 Hz och den ovre brytfrekvensen 70 Hz. For matningarda alfa-frekvensbandet har varit av storsta intresse har den ovregransen sankts till 40 Hz for att ta bort eventuella hogfrekventastorningar. Den lagre gransen har i detta fall hojts till 0.5 Hzi ett forsok att eliminera dominerande lagfrekventa storningar.

For att analysera och jamfora olika inspelningar har vi-suell analys anvants. Detta innebar att inspelningarna harundersokts i tidsdomanen for att till exempel finna speciellavagformer. Kvantisering av signalerna har gjorts genom attberakna effektspektrum, amplitudspektrum och total effektfor de olika frekvensbanden. EEGlab respektive ERPlab haranvants vid berakning och skapandet av effektspektrum samtamplitudspektrum. For att berakna total effekt har egenskrivenkod i MatLab anvants for att integrera effektspektrumet fordet valda frekvensbandet. Vidare beraknades medelvarde ochstandardavvikelser for total effekt i programmet MicrosoftExcel.

III. RESULTAT

A. Forsok 1 - mentala tillstand

I tabell II visas medelvardet av total effekt for frekvens-banden under de olika mentala tillstanden. I tabell III visasstandardavvikelsen for de olika forsoken.

Tabell IIMEDELVADET AV TOTAL EFFEKT FOR DE OLIKA FREKVENSBANDEN.

Delta Theta Alfa Beta GammaBasniva 31,94 10,56 12,15 1,95 0,34Mental Rakning 37,51 10,76 10,55 1,77 0,25Matte 89,10 16,76 8,35 2,07 0,60Sang 34,93 9,06 11,50 1,96 0,45

Tabell IIISTANDARDAVVIKELSE AV TOTAL EFFEKT FOR DE OLIKA

FREKVENSBANDEN.

Delta Theta Alfa Beta GammaBasniva 8,27 2,33 3,61 0,24 0,07Mental Rakning 27,51 2,29 1,83 0,27 0,02Matte 31,52 3,79 1,74 0,88 0,41Sang 270 7,30 1,69 0,32 0,17

B. Forsok 2 - Alfavagor vid koncentration

Figur 5 visar effektspektrum for de forsta 10 sekunderna,basnivan, i en av matteuppgifterna som gjordes i forsok 2.Figur 6 visar effektspektrum for de senare 10 sekunderna isamma inspelning, alltsa da forsokspersonen forsoker losa ettmattetal.

Figur 5. Effektspektrum - basniva.

De tva ovre kurvorna, i figur 5 och 6, visar spektraltathetfran oronelektroderna och de nedre kurvorna visarspektraltathet fran de elektroderna som sitter vid pannan.

Figur 6. Effektspektrum - matte.

Tabell IV redovisar medelvarde, standardavvikelse och in-tervall for medelvardet av den totala effekten hos alfabandetfor elektroderna vid oronen.

Tabell IVALFAVAGOR VID KONCENTRATION FOR ORONELEKTRODERNA.

Medelvarde STDAV IntervallBasniva matte 4,54 1,20 3,34-5,74Matte 2,63 0,18 2,44-2,81Basniva fragor 4,37 1,20 3,17-5,57Fragor 3,44 0,43 3,02-3,87

C. Forsok 3 - Alfavagor vid ljusintryck

Nedan ses resultaten fran forsoket dar alfavagorna stu-derades vid stangda respektive oppna ogon i dagsljus ochmorker. Figur 7 och figur 8 visar resultaten for ett test underdenna session som genomfordes i dagsljus och figur 9 och10 visar resultaten for ett test som utfordes i morker. Grafernavisar amplitudspektra for de tva oronelektroderna tillsammans.Tabell V visar medelvarde, standardavvikelse samt intervall avmedelvardet for den totala effekten for alfavagorna fran allamatningar.

6

Figur 7. Amplitudspektrum - stangda ogon i dagsljus.

Figur 8. Amplitudspektrum - oppna ogon i dagsljus.

Figur 9. Amplitudspektrum - stangda ogon i morker.

Figur 10. Amplitudspektrum - oppna ogon i morker.

Tabell VALFAVAGOR VID OPPNA RESPEKTIVE STANGDA OGON.

Medelvarde STDAV IntervallStangda ogon ljust 4,13 0,88 3,26-5,01Oppna ogon ljust 1,86 0,81 1,05-2,67Stangda ogon morkt 4,08 0,48 3,59-4,56Oppna ogon morkt 3,33 1,14 2,19-4,48

D. Forsok 4 - Somn

Figur 11 visar EEG fran forsokspersonen da hon precis harlagt sig for att sova och figur 12 visar EEG da hon har soviti cirka 30 minuter.

Figur 11. EEG - vaken.

Figur 12. EEG - somn.

Figur 13 visar exempel pa K-komplex och spolar somaterfanns i inspelningen efter cirka 10 minuter somn. Figur14 visar forandring i effekt for theta-vagorna over sovtiden,dar varje datapunkt ar ett matt pa den totala effekten, i denminut som foregar punkten.

Figur 13. K-komplex respektive spole.

7

Figur 14. Mangden thetavagor som funktion av tiden.

IV. DISKUSSION

Nagot som varit framtradande i alla matningar som ge-nomforts ar den hoga andelen effekt av deltavagor. Deltavagorbor inte framtrada pa ett sadant dominerande satt hos friska,vakna personer, utan framkommer framst vid djup somn. Detfinns flera forklaringar till denna artefakt. Deltavagorna ar spe-ciellt dominerande i de undersokningar med intensivt tankandepa matteproblem. Detta kan bero pa ofrivilliga ogonrorelsersom kan uppsta vid hog koncentration, nagot som observeradesunder dessa inspelningar. Aven olika sorters EMG-storningarsamt pulsrorelser kan orsaka dessa lagfrekventa storningar.Nagot som framkommer av matningarna av mentala tillstandar att basniva, mental rakning och sang, har mycket likafrekvensinnehall. Detta beror antagligen pa att dessa tillstandaktiverar hjarnan pa liknande satt i de omraden som elektro-derna tacker. For att upptackta aktivitet fran mentalt raknandehade det varit onskvart med elektroder mitt pa huvudet da detar det omrade i hjarnan som utovar den sortens tankande [3][11]. I resultaten for de mentala tillstanden gar det ocksa attse att alfavagorna ar nagot mindre framtradande for matte.Detta ar ett forvantat resultat da alfavagorna slacks ut vidtankande som kraver koncentration [11]. Detta varde har docken relativt stor standardavvikelse vars intervall gar in i deandra mentala tillstanden. Det ar mojligt att de stora delta-storningarna som uppstod vid matte-inspelningarna paverkadedetta. Inspelningarna som analyserades ar ocksa relativt langa,30 sekunder, vilket introducerar en storre risk for storningarbade fran yttre miljo och fran signalbehandlingsmetoder sasom filtrering. Av dessa anledningar kortades tiderna somskulle analyseras ned till 10 sekunder for de nastkommandeforsoken som syftade pa att undertrycka alfavagorna. Daforsok 1 genomfordes upptacktes det att utslagen var tydligastvid oronelektroderna. Detta i samband med information om attalfavagor upptrader tydligast i bakre delen av hjarnan ledde tillatt frekvensanalys endast genomfordes for oronelektroderna iforsok 2 och 3.

Dessa forsok, vars resultat kan ses i tabell IV, gjorde dettydligare att mangden alfavagor sanktes da mattetal forsoktelosas i huvudet. Forsokspersonen gjordes aven medveten omogonstorningarna for att forsoka minska ogonrorelser. Standar-davvikelsen var mindre och intervallen visar att totala effekten

for alfavagorna ar signifikant mindre vid matteproblemet anvid basnivan. Detta stammer dock inte lika bra for forsokenda fragor stalldes. Det ar mojligt att forsoka losa ett mattetalkraver hogre eller annan sorts koncentration an att forsokaminnas nagot. Det ar ocksa mojligt att dessa funktioneri hjarnan har olika spatial position och att matteuppgiftenaktiverar hjarnan dar Muse-elektroderna ar placerade. Med flerforsok bor fler uppgifter kunna hittas som sanker mangdenalfavagor lika effektivt som att rakna mattetal.

Forutom att dampa alfavagorna bor hogre koncentration okamangden gammavagor men nagon signifikant skillnad mellanmangden gamma och olika tillstand har dock inte kunnathittas. Att detta inte syns beror troligtvis pa att det ar svarareatt fanga upp gammavagor pa de platser dar elektroderna sitteroch att deras kanslighet inte ar tillrackligt stor.

Eftersom alfavagor slacks ut av ljusintryck borde nivan avalfavagor minska nar ogonen oppnas i dagsljus men nivan avalfavagor borde vara oforandrad nar ogonen oppnas i morker[11]. Detta ar visuellt tydligt vid jamforelse av figur 8 och figur10. Detta bekraftas ocksa av tabell V som visar att effekten avalfavagorna sanks signifikant vid oppning av ogon i ett ljustrum, men sanks inte signifikant vid ogonoppning i morkt rum.Detta resultat tyder alltsa pa att Muse kan pa ett forvantat sattupptacka forandringar av mangden alfa i hjarnan.

Resultaten for somnforsoket gav kanske de mest tydligaresultaten. Vid jamforelse av figur 11 och figur 12 kan mantydligt se att signalerna har gatt fran mer hogfrekventa tillmer lagfrekventa. Detta bekraftas aven i figur 14 dar mankan utlasa att andelen thetavagor okar markant med tidenpersonen somnar in och sover. I inspelningen kunde aven K-komplex och somnspolar aterfinnas ett flertal ganger, se figur13. Utseendet och egenskaperna for dessa vagformer stammermycket bra overrens med det som beskrivs i andra studier ochartiklar om amnet [8] [9]. Dessa fynd ar mycket intressanta ochbekraftar att Muse har formagan att upptacka riktiga fenomeni hjarnan under somn.

Under projektets gang har fenomenet ”event related potenti-als”, ERP, undersokts. Vid ERP studeras hur EEG-signalernaforandras vid olika stimuli. Det gjordes ett fatal matningardar stimulit var forestallning av armrorelse. Fran dem gickdet inte att urskilja nagon forandring vid stimuli. For attgenomfora ERP-studier behovs en stor mangd data och nog-granna analyser. Pa grund av detta, samt en misstanke om attelektrodplaceringen for Muse inte tackte omraden for hjarnansrorelsecentra, sa valdes att inte undersoka detta vidare. Hadedetta genomforts med lyckade resultat hade det bland annatvarit mojligt att anvanda Muse for att intuitivt styra saker medtanken. Eftersom Muse fangar upp koncentrationsnivan i formav alfavagor skulle detta istallet kunna anvandas i samma syfte.Detta har inte studerats vidare i projektet men skulle kunnavara en mojlighet i framtiden.

For att kunna dra fler tillforlitliga slutsatser av dessa resultatkravs fler matningar och aven pa en storre grupp manniskor,eftersom EEG till viss del ar individuellt. I dessa experimenthar forsokspersonen varit frisk och for att fa en battre breddpa resultaten och for att produkten ska kunna anvandas inomvarden skulle testen aven behova utforas pa personer mednagon typ av nedsatt hjarnformaga som till exempel med-

8

vetsloshet. Eftersom Muse inte sitter helt fast eller anvandersig av nagon gel skapas mycket brus pa grund av rorelse. Foratt fa battre kontakt och darmed battre resultat skulle nagotsom haller fast bandet alltid behovas vilket gor att enkelhetenforloras. Under projektet har ett harband anvants men en battrelosning vore att foredra till exempel om Muse gick runt helahuvudet.

Fordelar med ett huvudband med nagra fa elektroder arframst simpliciteten och tillgangligheten. Produkten ar mycketlatt fa pa huvudet och bluetoothfunktionen gor det enkeltatt koppla den till olika enheter. Sjalvklart finns det ocksanackdelar med att ha farre elektroder. Eftersom aktiviteten intear homogen over hela hjarnan kan det se valdigt olika ut omman har elektroder i temporala eller frontala regioner. Medfa elektroder forloras alltsa tyvarr mycket av den topografiskainformationen och alla signaler fran hjarnan fangas inte upp.Vet man vad man soker sa kan fa elektroder fanga upp mycketsignifikant information.

A. Hallbar utveckling

Inom varden anvands idag mycket resurser och material.Sterila engangsprodukter anvands i mangder dagligen ochgenom att byta ut dessa samt onodigt avancerade instrumentoch maskiner dar det inte behovs kan bade pengar och resursersparas. Det ar alltid en fordel att gora teknik mer lattillgangligoch enkel. Genom att fler manniskor i framtiden kommerkunna gora undersokningar i hemmet kan resor till sjukhusoch vardcentraler sparas in. Eftersom Muse inte anvander sigav nagra engangsprodukter kan produkten anvandas mangaganger utan att material slosas vilket sjalvklart ar en fordelur miljosynpunkt.

B. Etiska aspekter

EEG ar en vanlig undersokning utan nagra signifikantabiverkningar [4]. Eftersom Muse anvander sig av sammaprincip finns det ingen anledning att tro patienten pa nagotsatt skulle utsattas for fara eller att det skulle vara nagraproblem ur en etisk synvinkel. I ett langre perspektiv skulle flerundersokningar i hemmet kunna skapa onodig oro och darmedleda till att sjukvarden belastas da det inte ar nodvandigt.Forhoppningsvis kommer istallet fler undersokningar i hem-met leda till att sjukdomar upptacks i tid och resurser ochonodigt lidande undviks. For att en produkt ska fa anvandasi ett medicinskt syfte kravs det att produkten gar igenommanga olika typer av tester och studier och det kravs myc-ket pengar och resurser for att en produkt ska bli godkandsom medicinteknisk produkt. Dessa regulatoriska fragor arsjalvklart mycket viktiga for att sakerheten inom varden skauppratthallas men ar idag aven ett hinder for att Muse skakunna anvandas i ett medicinskt syfte. Noggrannheten hosprodukten ar ocksa alldeles for lag for att den ska kunnaanvandas som ett diagnostiskt verktyg idag.

V. SLUTSATSER

Fran resultaten som tagits fram kan slutsatsen dras att Musepa ett tillforlitligt satt detekterar alfavagor. Detta skulle kunna

utnyttjas till flera olika applikationer, till exempel att syra sakermed tanken. Pa grund av att andra frekvenser inte detekte-ras med samma noggrannhet, och de manga artefakter somforekommer i inspelningarna, begransas anvandningsomradetfor Muse och sjalvklart da framforallt inom varden. Dock visaraven resultaten fran somninspelningarna att Muse avspeglarverkliga fenomen i hjarnan. Dessa resultat visar att det finnsstora mojligheter for Muse, och eventuellt liknande produkter,att utvecklas och anvandas i framtiden aven inom varden.

VI. EFTERORD

Vi skulle vilja tacka var handledare Tomas Jansson for stodunder projektets gang, Roland Flink for information om EEGoch Janne Kautto for information om ambulanssjukvarden.Vi vill aven tacka Per Wihlborg, pa sjukhuset i Malmo, forinspiration och Eskil Elmer, pa BMC i Lund, for hjalp medatt tolka EEG-resultaten. Vi har tillsammans genomfort alltarbete till denna rapport, Robin har dock varit mer ansvarigfor programmeringen och Malin har gjort storsta delen avrapportskrivandet och sammanfattning av litteraturstudien.

REFERENSER

[1] Erik Andreas Larsen ”Classification of EEG Signals in a Brain-Computer Interface System” Norwegian University of Science andTechnology, Department of Computer and Information Science, 2011

[2] Hakkinen VK1, Kaukinen S, Heikkila H ”The correlation of EEGcompressed spectral array to Glasgow Coma Scale in traumatic comapatients.” International journal of clinical monitoring and computing,1988;5(2):97-101

[3] Charles W. Anderson and Zlatko Sijercic ”Classification of EEG Signalsfrom Four Subjects During Five Mental Tasks” Department of ComputerScience Colorado State University

[4] Skanes Universitetssjukhus, https://www.skane.se/sv/Webbplatser/Skanes-universitetssjukhus/Organisation-A-O/Neurofysiologiska-kliniken/For-patienter/Undersokningar/EEG---somn/Hamtad 2016-05-15

[5] MedScape,http://emedicine.medscape.com/article/1139332-overview#a2Hamtad 2016-03-12

[6] EEGlab tutorial outline, http://sccn.ucsd.edu/wiki/EEGLABTUTORIAL OUTLINE Hamtad 2016-03-12

[7] Steven J. Luck, Javier Lopez-Calderon, ”ERPLAB: an open-source tool-box for the analysis of event-related potentials” Frontiers, Department ofPsychology, Center for Mind and Brain, University of California-Davis,Davis, CA, USA,14 April 2014

[8] Selim R Benbadis, MD ”Normal Sleep EEG” Departments of Neurologyand Neurosurgery, Tampa General Hospital, University of South FloridaCollege of Medicine, Updated: May 10, 2016 http://emedicine.medscape.com/article/1140322-overview#showall.

[9] Thomas Andrillon, Yuval Nir, Richard J. Staba, Fabio Ferrarelli,Chiara Cirelli, Giulio Tononi and Itzhak Fried ”Sleep Spindles inHumans: Insights from Intracranial EEG and Unit Recordings” TheJournal of Neuroscience, 7 December 2011, 31(49): 17821-17834; doi:10.1523/JNEUROSCI.2604-11.2011

[10] ”The future of ADHD treatment lies in drug-free BCI therapys” Neuro-gadget, December 18, 2012

[11] Mote med Eskil Elmer, Docent vid Klinisk neurofysiologi 2016-05-10[12] Mote med Per Wilhborg, Specialist i Anestesiologi och Akutsjukvard

2016-04-20[13] Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Sleep spindle Hamtad 2016-05-

16[14] Mail fran Roland Flink 2016-02-19[15] Muse-the brainsensing headband, http://www.choosemuse.com/ Hamtad

2016-02-04[16] Juri D. Kropotov ”Quantitative EEG, Event-Related Potentials and

Neurotherapy”, Chapter 8 - Methods of Analysis of Background EEG,Pages 116-160.

[17] Michael Cerna, Audrey F. Harvey ”The Fundamentals of FFT-BasedSignal Analysis and Measurement ”, National instruments, juli 2000

[18] Nervsystemet http://nervsystemet.se/nsd/structure 1025 Hamtad 2016-05-20

1

Seizure Alert Dogs (SAD): En forstudie forutveckling av ett tekniskt larmsystem for epileptiker

Sofia Karlen (BME-13), Tina Kroger (BME-13)

Sammanfattning—Hundar kan kanna av ett kommande epi-leptiskt anfall och varna sin agare 10-50 minuter innan anfall,oavsett vilken ras, alder eller kon hunden har. Det ar trots dettasvart att certifiera dessa hundar till tranade Seizure Alert Dogs(SAD), epilpsihundar, eftersom ingen vet vad det ar hundarnareagerar pa innan ett anfall. Manga epileptiker har dessutomav ekonomiska, praktiska eller personliga skal ingen mojlighetatt aga en epilepsihund. Foljaktligen finns det ett stort behovav ett tekniskt larmsystem som, i likhet med hundarna, varnarepileptiker fore varje kommande anfall och ger mojlighet till attforhindra dessa anfall och/eller de konsekvenser som ett ovantatanfall for med sig. Det finns hittills for lite vetenskapligt belaggfor att forsta och sprida epilepsihundars larmformaga i denomfattning som behovs. Denna studie lagger grunden for badevidare forskning samt for utveckling av ett tekniskt larmsystem.Kunskaper och asikter fran olika spetskompetenser har harmedsammanstallts med syfte att klarlagga dagens situation, forakunskaperna om hundarnas formagor ett steg framat samt visade basta alternativen for vidareutveckling.

Slutsatsen av denna studie ar att framtiden ar positiv foren utveckling av ett tekniskt larmssystem for epileptiker medutgangpunkten hos Seizure Alert Dogs (SAD) och deras detek-tionsformagor.

I. INTRODUKTION

EPILEPSI ar en sjukdom som kannetecknas avaterkommande, provocerade eller oprovocerade,

epileptiska anfall samt av de neurobiologiska, kognitiva,psykologiska och sociala konsekvenser av dessa anfall.Alla manniskor har en anfallstroskel, men en del har lagreanfallstroskel och kan lattare fa epileptiska anfall. Cirka 1%av varldens befolkning, 60 miljoner, har blivit diagnostiserademed sjukdomen och i Sverige ar det idag minst 60 000 sjukaoch manga fler som indirekt paverkas. Detta gor epilepsitill den fjarde vanligaste neurologiska sjukdomen och denpaverkar manniskor i alla aldrar.

Epilepsi klassificeras efter orsak och delas da in i genetiskepilepsi (forr benamnd idiopatisk epilepsi), som beror paidentifierade mutationer eller forekomst i familjen, struktu-rell/metabolisk epilepsi (forr benamnd symptomatisk epilepsi),vilket innebar att epilepsin beror pa en bestaende paverkan pahjarnan orsakad av till exempel stroke eller skallskada ochepilepsi av okand orsak (forr benamnd kryptogen epilepsi),vilket ar fallet hos 6 av 10 patienter, [1].

Merab Kokaia, professor vid Neurologi och Experimentellepilepsi samt avdelningschef vid Epilepsicentrum i Lund, vetefter manga ars erfarenhet av epilepsiforskning att behovet

Inlamnat den 5 juni 2016Emejladress: mte13ska@student.lu.se, mte13tkr@student.lu.seTeknisk handledare: Lars Wallman, Biomedicinsk teknik, LTHKlinisk handledare: Merab Kokaia, Medicinska fakulteten, LU

av ett alarm, innan ett epileptiskt anfall bryter ut, ar enormtstort. “Man lever standigt under fruktan for ett anfall” uttrycktesig prof. Kokaia vid en intervju. Ett epileptiskt anfall utlosesav storningar i hjarnans nervceller. Anfallets utseende avgorsav var i hjarnan urladdning uppstar. For samtliga typer avanfall galler att de alltid borjar plotsligt och pagar fran nagrasekunder till flera minuter. Medvetandet kan under anfalletvara mer eller mindre paverkat och medvetsloshet ar ingetovanligt, [2]. Sjukdomen klassificeras aven efter anfallstyp.Det finns generaliserade anfall dar den epileptiska aktivitetenstartar i nagon del av hjarnan och sedan sprider sig till badahjarnhalvorna och stora delar av hjarnbarken engageras. Exem-pel pa generaliserade anfall ar toniska anfall (omedvetna mus-kelspanningar), myoklonala anfall (forlust av muskelkontroll),kloniska anfall (kramper), atoniska anfall (snabb tonusforlust),absenser (tidigare benamnt Petit Mal) och toniska-kloniskaanfall (tidigare benamnt Grand Mal). Det finns aven fokalaanfall dar anfallsaktiviteten ar begransad till mindre omradenoch yttrar sig beroende pa lokaliseringen i hjarnan samtomradets funktion, [2][3].

Epilepsi ar en mycket komplex och svarforstadd sjukdomoch det finns manga variationer bade vad galler orsak ochanfallsforlopp mellan olika patienter. Detta ar orsaken tillatt handelserna i kroppen precis innan ett epileptisk anfallfortfarande ar okanda, [4][26].

Behandling av epilepsi

Ungefar 70% av epileptiker kan med hjalp av antiepileptikabli helt anfallsfria, medan hos 30% kan anfallsfrekvensenendast delvis minska. Manga lever fortfarande ett osakertliv i standig radsla infor kommande epileptiska anfall, [5].Anfallens art och typ av epilepsi paverkar vilken medicinlakaren valjer och anpassning sker pa individniva, [6]. Denexakta verkningsmekanismen for antiepileptika ar annu intehelt klarlagd, men vad man vet ar att medicinerna hojer densa kallade anfallstroskeln, [4]. Antingen genom att inhiberaneuronens retbarhet eller genom att hamma impulsledningeni det centrala nervsystemet. Detta sker genom paverkan avjonkanaler och receptorer och delas in i fyra huvudsakli-ga effekter: 1. Okning av GABA-medierad hamning ochdarmed aven paverkan av kloridkanalerna, 2. Hamning avglutamatfrisattning, 3. Stabilisering av det inaktiva tillstandetav spanningsstyrda natriumkanaler och darigenom inhiberingav neuronala urladdningar och 4. Direkt membranstabiliseringav exciterbara celler och/eller okning av signalsubstansernaoch pa sa satt hamning av spanningsberoende kalciumkanaler,[4][6].

2

For de epileptiker hos vilka medicinering bara hjalper tillviss del finns det alternativa behandlingssatt. Ett av dessa aratt operera bort den del av hjarnan dar anfallen startar. Dettagors framforallt vid temporallobsepilepsi da temporallobenopereras bort. Pa Lunds Universitetssjukhus gors detta cirka15-20 ganger per ar och behandlingen ar pa kort sikt mycketeffektiv. 80-90% av patienterna blir anfallsfria under det forstaaret, men bara 50% efter 5 ar och endast ett fatal ar fortfarandeanfallsfria efter 10 ar. Detta beror pa arrbildningen som uppstarefter operationen, [4].

Dietandringar ar en alternativ behandling av epilepsi dadet har visat sig att ketogen kost over lag halverar anfalls-frekvensen for haften av alla patienter, [49]. Ketogen kostar en fettrik, kolhydratfri diet som framforallt anvands vidsvarbemastrad epilepsi hos spadbarn och yngre barn. Dettaberor bland annat pa att deras matvanor ar mer kontrollerbaraan hos ungdomar och vuxna, [7]. Kunskap om dietens exaktaverkningsmekanismer saknas, men effekten formodas bero paketogenkropparna, en forandring i kroppens syrabalans ellerde okade fettnivaerna i blodet, [8].

Vagusstimulering, en annan behandlingsform, innebar att ennerv som sitter pa sidan av halsen far sma impulser av en litenpacemaker, som sitter inopererad under nyckelbenet, [9]. Forpatienter dar ingen annan behandling har hjalpt kan deep brainstimulering bli aktuellt, [10].

Epilepsihundar

Epilepsihundar samt diabeteshundar utgor de medicinskaalarmerande hundarna, som tillsammans med servicehundar,signalhundar och ledarhundar benamns som assistanshundarenligt figur 1.

Figur 1. Skiss over olika indelningar av assistanshundar, [11].

Begreppet epilepsihund delas in i tva olika grupper. SAD(Seizure Alert Dogs) omfattar alarmhundar, som reagerar foreen epileptiker far ett epileptiskt anfall och har formagan attvarna. De hundar som efter att en patient fatt ett epileptisktanfall larmar och/eller hamtar hjalp kallas istallet for SRD(Seizure Response Dogs). De epilepsihundar som i dennarapport syftas pa ar SAD, det vill saga de hundar medformagan att larma fore ett anfall. Dessa epilepsihundar kan getydliga varningssignaler till en epileptiker cirka 10-50 minuterinnan ett epileptiskt anfall, [12]. Epilepsihundar varnar medtydliga signaler och mojliggor for sina agare att forbereda siginfor ett anfall i tid. Pa sa satt undviks fallolyckor, brannskadoroch liknande genom att patienten satter sig ner eller tar an-tiepileptika, som tagen vid ratt tidpunkt kan forhindra anfallet

helt.[13] De agare till epilepsihundar som bidragit till dennastudie har klargjort att epilepsihundar kan varna med 100%sakerhet utan felalarm eller misstag, [16][29].

Hundar som reagerar innan ett anfall uppstar kan se-dan tranas och certifieras till fardigutbildade epilepsihundar.Reaktionen ar en naturlig, spontan och annu vetenskapligtoforklarig alarmformaga hos hundar. Upptacker agare dennaformaga kan agaren sedan, i Sverige, vanda sig till en foreningeller organisation som kan trana och certifiera hunden till enfardig epilepsihund. Agaren med hund blir tillsammans eki-page och hunden far bara ett sarskilt tacke. Svenska Service-och Signalhundsforbundet certifierade det forsta epilepsieki-paget, Britta Blomqvist och Atlas, ar 2007. Ofta vill orga-nisationen som ska trana hunden ha filmbevis pa att hundenbesitter denna alarmforaga. Det ar da vanligt att agaren satterupp en kamera som filmar hunden under ett anfall och visarhur hunden varnar och beter sig under hela anfallet. Hundarkan bete sig olika vid varning, men det finns ett antal typiskabeteendemonster sasom ogonkontakt, knuffa med tassen ochslicka i ansiktet. Hunden, med sin agare, genomgar sedan enbeloningsbaserad traning dar hunden tranas att larma pa ettkonsekvent och onskvart satt, [14]. Certifieringen gor hundarnatill assistanshundar och mojliggor for agarna att ta med sighundarna aven i hundforbjudna omraden.

I Sverige finns idag 10-15 certifierade epilepsihundar. Hun-dars formaga att reagera fore ett epileptiskt anfall upptacktesgenom en tillfallighet da epileptiker gang pa gang rapporteradeett markligt beteende hos sina hundar innan ett anfall brutitut, [15]. Hundar kan aven valja att inte varna da de eventuelltinte uppfattar en forandring, inte forstar betydelsen av denforandring de uppfattar eller att agarna oavsiktligt redan tranatbort den spontana formagan. Vill hunden av nagon anledninginte varna agaren kommer hunden inte att varna, men dettroliga ar att hunden alltid vet om anfallet i forvag, [14][16].

I Sverige finns inget regelverk for traning och certifiering avepilepsihundar, men i borjan av 2016 genomforde Myndighe-ten for delaktighet (MFD) en upphandling dar Svenska Bruks-hundsklubben (SBK) utsags till stodfunktion for service- ochsignalhundar i Sverige, inklusive epilepsihundar. Detta innebaratt det ar SBKs uppgift att bland annat underlatta samarbetetmellan brukare, finansiarer och utbildare av epilepsihundar,[17]. SBK har hittills inte certifierat en epilepsihund, [18].

Vad ar hittills kant om hundarnas larmformaga?

University of Florida utforde mellan 1997 och 1998 enstudie av epileptiker i samvaro med hundar. De upptackte attett beteende hos hundar som tolkades som en varning existerar,oavsett hundens alder, ras och kon. En studie av organisationenSupport Dogs i England visade 2001 att antalet epilepsian-fall minskade hos epilepsihundagare. Pa Alberta Children’shospital i Kanada utfordes 2004 en studie angaende huruvidaotranade hundar kan upptacka anfall i forvag. 9 av 45 familjernoterade ett forandrat beteende hos hunden. 2007 gjordes pasamma sjukhus en annan studie dar 87% av deltagarna medepilepsihundar intygade en sakrare och mer oberoende vardagmed epilepsihundar. Pa universitetet i Bologna, Italien, visadesig epilepsihundar vara palitliga vid samtliga anfall och att en

3

sadan hund avsevart forbattrar livskvaliteten och aven minskarantalet anfall hos epileptiker.

Forskarteamet pa tyska Assistenzhunde-Zentrum, den le-dande tyska assistanshundorganisationen, utforde 2014 enstorre allman studie om medicinska alarmerande hundar medutgangspunkt diabeteshundar. Efter en sju ar lang studie med1000 deltagande hundar, alla otranade, men med formaganatt varna, faststalldes att hundar inte bara kanner av en hogrespektive lag sockerhalt hos diabetiker utan ocksa epileptiskaanfall, migrananfall och livsfarliga astmaanfall. Vid alla till-stand betedde sig hundarna likartat da de sokte uppmarksamhetgenom att slicka i ansiktet och pa handerna, knuffa pa hander,ora, ben, mun och/eller lagga upp framtassen. De tva delta-gande epileptikerna, av sammanlagt 24 deltagare med olikasjukdomstillstand eller helt friska, var for vissa av hundarnakanda och andra hundar okanda, men hundarna uppvisade ingaskillnader i beteende. Kort tid innan anfallet sjonk SpO2-halten, det vill saga syrgassaturation i huden matt med enpulsoximeter, signifikant. Vid en sankning med 3-4 enheterreste sig hunden och gick fram till deltagaren och beteddesig enligt studien varnande genom knuffar, slickningar ochtassupplaggning. I vissa fall gick syremattnaden upp tillfalligt,men sjonk sedan igen och normaliserades forst da epilepsian-fallet var over. Hundarna varnade tills syremattnaden ater laginom normalomradet och ingen hund varnade om Sp02-vardetinte sjunkit med minst tre enheter. Forskarna drog slutsatsenatt det var den forandrade andningsfrekvens, som uppstar vidsjunkande syrehalt, som hundarna reagerade pa. Detta aven foratt hundarna enligt studien utforde tydliga oronrorelser, somfor att lokalisera ett ljud de precis hort, innan de gick framtill epileptikern for att varna. I dessa tva studier fran 2013och 2014 undersoktes dock inte huruvida hundarna upptackerprimara generaliserade anfall, [20].

Ovanstaende studier ar nagra av de storre studier som utfortspa epilepsihundar. Varje studie och forsok som utfors medepilepsihundar vacker storre intresse i varlden och nya teorierborjar alltmer diskuteras. Oavsett kalla ar det idag allmantvedertaget att vad hundar kan detektera fore ett epileptisktanfall ar okant, [21][22][23][24][25][32]. Teorier finns dock,men det finns for lite etablerad och beprovad vetenskapligforskning pa epilepsihundar for att stodja dessa fullt ut.

Behov av tekniskt larmsystem

Mojligheten att kanna av ett nara forestaende epileptisktanfall i tid ar av stor betydelse for alla epileptiker. Denpsykologiska stress som uppstar pa grund av ovisshet ochofta radsla infor en plotslig medvetsloshet, som ett anfallofta medfor, ar stor. “De flesta kanner inte i forvag av narett anfall ar pa vag, och om man skulle kunna fa vetskapom det skulle detta ta bort mycket oro”, [27]. Fallolyckor aralltfor vanliga hos epileptiker och ar den vanligaste orsakentill skador och i varsta fall dodsfall. Skadans karaktar berorpa vilken typ av anfall man har och i vilken miljo de intraffar.Vanliga skador ar blamarken, tungbett och stukningar, menaven brannskador, frakturer och hjarnskakningar forekommeroch i allvarligaste fall aven dodsfall, [1]. Denna standiga riskleder till ett handikapp som begransar livskvaliteten. Manga

tors inte ga ut, rora sig fritt eller utfora vardagliga sysslorsom att duscha och laga mat pa egen hand. Epileptiker,som far mojlighet att leva med en epilepsihund, upplever engenomgaende positiv forandring dar personen med epilepsikan fa ett friare liv utan oro infor kommande anfall, [48]. Dethar aven framkommit att patienternas anfallsfrekvens sjunkervid narvaro av en epilepsihund, men det finns annu ingenforklaring till varfor detta sker, [28][54].

Skalet till att SBK hittills inte certifierat en hund tillepilepsihund ar bland annat att hundarnas palitlighet inte kangaranteras da det ar okant vad hundarna reagerar pa, [18].“Det ar fortfarande inte helt klarlagt vad hundarna reagerarpa och darmed inte helt sjalvklart hur man ska testa ochutbilda den har typen av assistanshundar”, [32]. Bristandekunskaper rader fortfarande pa grund av otillrackliga ochinte alltid slutforda studier. Enligt studien “Can seizure-alertdogs predict seizures?” fran 2011 framgar att det hittillsinte existerar nagra konkreta uppgifter angaende huruvidaepilepsihundars formaga att forutsaga anfall ar nagot annatan slumpen samt hur falska negativa och positiva prognoserskulle se ut, [15]. Epilepsihundagare havdar daremot att derashundar larmar infor varje kommande anfall med en hundrapro-centig sakerhet, [16][29]. Andra studier diskuterar faktumet attdetektionsformagan hos vissa hundar ar en naturlig medfoddformaga, men att denna formaga definitivt existerar.

Framgangen hos dessa hundar som medicinska alarmeran-de hundar i alla situationer beror till stor del pa forarensmedvetenhet samt respons pa hundens beteende, [30]. Detrader tveksamhet angaende hundarnas formaga att uppvisa ettkonsekvent beteende och utan certifiering kan inte hundarnaklassas som tillforlitliga medicinska alarmerande hundar. Viden intervju berattar SBK att de haller med den allmannaasikten om att hundarna kan kanna av epilepsi i forvag, menatt begransningarna ligger hos oss manniskor som inte alltidforstar hundarnas sprak, [18]. Manniskan maste lita pa hundenoch hunden maste lita pa manniskan, [14][16].

Sallskapshundar som uppvisat negativa beteendeuttrycksom flykt, undvikande och aggressivitet i samband medepilepsianfall har rapporterats av bland annat den brittiskavalgorenhetsorganisationen Support Dogs i Sheffield, [33]. Dethar till och med forekommit att hundar, i samband med agarensanfall, attackerat agaren eller forbipasserande manniskor, [28].Enligt forfattarna av dessa studier kan det darfor vara forenatmed risker, bade for hund och for manniska, om epileptikernshund inte ar tranad pa ett tillrackligt kompetent satt, [25].Det ar dessutom viktigt att tankta pa att hunden inte ar etthjalpmedel for alla epileptiker, det kravs ett spontant intressefor hundar och agaren maste vara beredd pa ett kontinuerligtarbete och ett liv tillsammans med hunden, [14][32].

Behovet att utnyttja och sprida epilepsihundarnasalarmformaga till fler epileptiker, som lever ett begransat liv,ar oerhort stort och en teknisk produkt med en larmfunktion,som likt epilepsihundars formaga, kan varna innan ettepileptiskt anfall ar en losning.

TES

Malet med denna studie ar att skapa en grund for forskningsom i slutandan ska leda till en utveckling av ett tekniskt

4

larmsystem, som kan ersatta eller komplettera epilepsihundar.Detta kommer ge en bredare mojlighet for alla epileptikeratt pa ett smidigt och sakert satt utnyttja epilepsihundensalarmformaga. Det finns for lite forskning och for fa kandapublicerade forskningsresultat pa epilepsihundar i Sverige ochvarlden idag. For att komma vidare inom detta omrade behovsmer malinriktad forskning, som endast fokuserar pa alar-merande epilepsihundar (SAD) och dessa hundars formagor.Denna studie lagger grunden for detta och visar nasta steg.Epilepsiforskare, lakare och hundtranare har ett stort intresseav att fa reda pa vad det ar hundarna kan detektera foreett epileptiskt anfall. For epilepsiforskare och lakare skulledet vara en intressant aspekt att forsta epilepsi ur hundarnassynvinkel. Detta bade for dagens och for framtidens forskningom vad som sker i kroppen fore ett epileptiskt anfall, [4].En ny malinriktad forskning om hundarnas formaga skulleaven underlatta att trana och certifiera epilepsihundar i storreskala an idag, [14][18]. Att ta reda pa vilken eller vilkaforandringar hundarna reagerar pa ar aven ett forstadium tillatt kunna utveckla ett tekniskt larmsystem. Darfor fokuserardenna studie pa att ta reda pa vad hundarna skulle kunnadetektera hos sin agare fore ett epileptiskt anfall samt hurteorier angaende detektionsformagor kan testas for att darefterge forslag pa vidareutveckling av tekniska alternativ.

II. METOD

Bakgrundssamling och nutidsperspektiv: Var ide till dennagenerella studie om epilepsihundarnas larmformaga foddes uren diskussion om pH och epilepsi med Ronald Kroger, zoologoch forskare vid Lunds Universitet, [43].

Vi valde att detta projekt skulle bygga pa ett omfattandeoch unikt sammanforande av spetskompetenser inom olikaomraden for att utreda epilepsihundars larmformaga. Allavalda kompetenser bidrog med bade givande och intressantafakta och erfarenheter angaende allt fran epilepsi, epilepsi-medicinering och ketogen kost till epilepsihundar, epilepsi-hundsforskning och epilepsihundstraning samt till fysik-ochteknikkunskaper for tekniska losningar.

Epilepsiperspektiv: Studien tog sin borjan med en om-fattande intervju pa Epilepsicentrum pa BMC i Lund medsyftet att djupare forsta epilepsi och epileptikers situationidag. For att fa behovet av ett alarmsystem for epileptikerbekraftat kontaktades Epilepsiforbundet. For att battre forstaden kemiska delen av ett epileptiskt anfall traffade vi enprofessor i kemi pa Kemicentrum, Lunds Tekniska Hogskola.Via mail har lakare, overlakare och avdelningschefer pa kli-niken vid Lunds Universitetssjukhus respektive KarolinskaUniversitetssjukhuset kontaktats angaende fragor om kemiskaforandringar vid epileptiska anfall samt deras asikter angaendeepilepsihundars detektionsmojligheter.

Hundperspektiv: Svenska Service- och Signal-hundsforbundet (SoS) intervjuades ett flertal gangerangaende epilepsihundar som medicinska alarmerandehundar samt hur traning och certifiering gar till hos SoS.Pa en, sedan januari 2016 tillsatt, epilepsihundsavdelningpa Svenska Brukshundsklubben (SBK) holls en intervju dar

det framkom att en utvardering av epilepsihundars situationi Sverige diskuteras. En eventuell framtida forbattring ellereffektivisering av certifiering togs aven upp. For att fa ennoggrann inblick i epilepsi och epilepsihundar intervjuadestva epileptiker med certifierade epilepsihundar, som vitack vare SoS fick mojlighet att kontakta. Hundtranareoch hunduppfodare pa Kennel Chanco, rekommenderadav en etologiprofessor vid Linkopings universitet, gav ennoggrannare forstaelse for hundars beteende, sinnen ochformagor.

Ovriga perspektiv och litteraturstudie: Universitetslektorervid avdelningen for Biomedicinsk teknik pa Lunds Teknis-ka Hogskola (LTH), handledare, examinatorer, kursansvarigasamt programledning for Medicin och Teknik (LTH) har in-tervjuats for tekniska specifikationer liksom bidragit till samt-liga delar av denna studie via diskussioner. En civilekonomoch doktorand pa institutionen for Medicin och Halsa paLinkopings universitet redogjorde vid intervju om en pagaendestudie innehallande huruvida epilepsihundar ar lonsamma forsamhallet. Direktkontakter med spetskompetenser har kombi-nerats med en omfattande litteraturstudie dar mycket infor-mation harstammar fran sokningar i PubMed samt publiceradinformation pa epilepsihundorganisationers hemsidor i Sverige(SoS, SBK), England (Support Dogs) och Tyskland (DeutschesAssistenzhunde-Zentrum). For ovrigt har allt fran bocker ochtidningsartiklar till allmanna diskussionsforum, bloggar ochYoutubeklipp varit nodvandigt for att samla ihop allmannaasikter och teorier. Ett flertal videos pa Youtube dar epileptikerhar filmat sina hundars varnande beteende vid anfall harstuderats. Detta med syfte att, som utforare av denna studie,kunna intyga samt skaffa egna uppfattningar om fenomenet.Arbetet har anpassats efter hand som vi har forstatt att epilep-sihundsfenomenet ar mycket mer komplext an vad vi trodde iborjan.

III. RESULTAT OCH DISKUSSION

Idag ar det annu inte kant vad hundar kan reagera pa foreett epileptiskt anfall. Genom vara intervjuer, kontakter, diskus-sioner och litteraturstudier framkom att det finns manga starkaoch intressanta asikter och teorier angaende epilepsihundarsalarmformaga och att behovet av ett palitligt alarmsystem arstort.

I denna studie har vi valt att redovisa och reda ut asikteroch fakta for respektive mot de tre mest vanligt forekommandeteorierna, namligen att det ar elektromagnetiska falt, kemiskaforandringar eller beteendeforandringar (eller en kombinationav dessa), som hundar detekterar. Vidare presenteras forslag tillforsoksuppstallningar for test och vidarestudier av dessa tre te-orier med syfte att kunna utesluta en eller flera av dessa teorier.Detta for att i slutandan leda fram till ett tekniskt larmsystem.For varje teori presenteras vidareutvecklingsmojligheter i rikt-ning mot denna produkt. Ovriga mojligheter och diskussionerliksom etiska aspekter och hallbar utveckling tas hansyn till.

5

1) Reagerar hundar pa elektromagnetiska falt?: Pa Svens-ka Kennelklubbens (SKK) hemsida star det att epileptiskaanfall orsakas av elektriska spanningar i hjarnans nervcelleroch att man tror att det ar dessa forandringar som hundarnareagerar pa, [32] Britta Blomqvist, en av de forsta i Sverigesom borjade arbeta med epilepsihundar pa 70-talet, har langpersonlig erfarenhet av hur det ar att leva med en epilepsihund,som varnar henne infor varje anfall. Hennes erfarenhet ar atthundarna reagerar pa en sorts karismaforandring runt henne,som enligt henne beror pa att det sker intensivare urladdningari hjarnan innan ett epileptiskt anfall, [16]. Alla nervsignalerger upphov till strommar och spanningar i hjarnan, vilka kanmatas med hjalp av Elektroencefalografi (EEG). Strommarnager aven upphov till sma elektromagnetiska falt och det ardessa hundarna eventuellt kan kanna av. Ar 2013 utfordesstudien “Dogs are sensitive to small variations of the Earth’smagnetic field” dar forsok pa over 70 hundar gjordes och derasmagnetiska kanslighet bevisades for forsta gangen. Dennastudie visade aven att hundar har en hog kanslighet for smaforandringar i polariteten av magnetfaltet, [36].

2002 publicerades artikeln “Prediction of epileptic seizures”som tillkannagav att det finns nyfunna bevis pa att anfallutvecklas redan minuter till timmar innan kliniska utbrott.Dessa bevis kom fran kvantitativa studier med langa intrakra-niella EEG-matningar hos patienter infor epilepsikirurgi. Efteratt detta resultat spridit sig paborjades manga forsok till attutnyttja detta for att utveckla larmsystem baserade pa blandannat frekvensbaserade metoder, statistisk analys av EEG-signaler och icke-linjar dynamik (kaos), [37]. Ett tillforlitligtoch praktiskt anvandbart tekniskt larmsystem for prediktionav epileptiska anfall har man hittills inte lyckats utveckla pagrund av de individuella skillnader i anfall som finns mellanepilepsipatienter, [25]. Var ide for vidareutveckling ar att man,istallet for att utga ifran patienternas EEG-signaler, anvandersig av hundarnas formaga och utgar fran hundarnas perspektiv.Huruvida hundarnas tydliga larmformaga beror pa variationeri elektriska eller magnetiska falt behover darmed undersokasdjupare och testas.

Det finns bara ett fatal studier dar EEG monitoreras medanhundarna larmar, men det finns brister i dem. En av de mestavancerade studierna utfordes under mars-maj 2004 i Philadel-phia, USA, dar tva patienter med tva certifierade epilepsihun-dar studerades under kontinuerlig EEG-monitorering. Resultatvar bristfalligt da den forsta hunden mer fungerade som SRDoch den andra hundens prestation var vilseledande da patientenupplevde Psychogenic NonEpileptic Seizures (PNES) istalletfor verkliga epileptiska anfall. I studiens diskussion framkom-mer dessutom det faktum att miljon kring forsoket kan ha varitstorande samt att det behovs fler liknade studier i storre skala,[38].

Teorin att det ar det elektriska faltet, som hundarna reagerarpa kan uteslutas genom att anvanda sig av en jordad skold.Det elektriska faltet ar relativt enkelt att hindra, [31]. Ettexperimentupplagg ar att bygga en tunn, genomskinlig vaggmellan hund och epilepsipatient och se om hundarna dafortfarande reagerar innan anfall bryter ut. Denna vagg kantill exempel besta av jordat honsnat sasom visat i figur 2.

Ar 1988 paborjades forskning om det elektriska faltet runt

manniskans kropp och resultaten visar att en persons indi-viduella karakteristiska elektrostatiska falt existerar och armojlig att avskilja fran andra personer. Det ar i studien enkontaktlos mottagare pa nagra centimeters avstand fran hudensom registrerar det elektriska faltet fran manniskokroppen,[39]. Att utnyttja denna forskning som da gallde akupunkturfor att istallet undersoka hundarnas formaga ar ett alternativtnasta steg. Att stoppa det magnetiska faltet for att utesluta attdet ar detta som hundarna reagerar pa ar inte lika enkelt, [31].

Figur 2. Skiss over forsoksuppstallning.

2) Reagerar hundar pa kemiska signaler?: SvenskaService- och Signalhundsforbundet har lange diskuterat hun-darnas alarmformaga och tror att det skulle kunna vara nagotkemiskt, till exempel utsondring av feromoner i luften, somhundarna uppfattar, [14]. Forskare uppskattar att hundar harover 220 miljoner luktreceptorer i sin nos, jamfort med denmanskliga nasan som endast har 5 miljoner, [40].

Hundarnas otroliga luktsinne lade grunden till hypotesenatt det hundarna reagerar pa innan ett epileptiskt anfall arnagot kemiskt sparamne fran epileptikern. Vid utredning avdenna hypotes ansag vi det rimligt att jamfora epilepsihundarmed diabeteshundar, som varnar sina agare vid hyperglykemioch hypoglykemi. Diabeteshundar detekterar namligen dessaforandringar genom att kanna av kemiska signaler med hjalpav luktsinnet. Teorin om att det finns betydelsefulla likhetermellan larmhundarna avfardades dock av Christina Kallen,avdelningschef for Kliniska Vetenskaper i Helsingborg ochdocent vid Neurologi i Lund. Hon forklarade att sjukdomsme-kanismerna hos diabetes och epilepsi ar sa markant olika attdet inte finns en lika enkel forklaring till varfor hundar kanforutsaga anfall som blodsockerforandrinar, [42]. Att det ar enkemisk forandring som detekteras innan anfall ska dock inteuteslutas endast pa grund av de skillnader som finns mellandiabetes och epilepsi som sjukdomar.

I studien “Frontal hemodynamic changes precede EEGonset of temporal lobe seizures” av M Seyal framgar det attkort fore fokala epilepsianfall andras syrehalt och syresattningi hjarnan, [19]. Studien fran 2014 pa Assistenzhunde-Zentrumdar deltagande hundar enligt studien reagerade pa en sankningi SpO2-varde ar en kemisk forandring, men det var enforandring i beteende, i form av andningsfrekvens, hos epilep-tikern som ska ha varit den forandrningsfaktor, som hundarnavia horseln ska ha reagerat pa, [20].

Att ketogen kost effektivt minskar anfallsfrekvensen ar

6

intressant da det galler teorier om kemiska forandringar.Nervceller behover naring i form av antingen glukos ellerketoner for att fungera. Vid en ketogen diet ater man ingakolhydrater och da tar glukoslagren i kroppen slut da glukosinte kan produceras i kroppen. Detta loses genom att istalletomvandla fettsyror till ketoner och anvanda sig av dessa. Vissaav de ketoner som bildas ar sura och kan vara orsaken tilldietens positiva effekt pa anfallsfrekvensen hos epileptiker,[43]. Dieten paverkar sannolikt aven glutamat, GABA, endel jonkanaler och kanske aven adenosin. Det ar mojligt attaven detta ger den gynnsamma effekt pa epilepsi, men det arannu inte klarlagt, [26]. Det ar tydligt att ketogen kost hojeranfallstroskeln och om man forstar verkningsmekanismernafor dieten kan det leda till en battre forstaelse av anfallstroskelnoch pa sa satt aven reglering av denna. Detta kan aven ledatill en battre behandling av epilepsi, men for att komma ditbehovs mer forskning om ketogen kost.

pH och epileptiska anfall: Teorin att det ar nagon kemiskdoft som hundarna reagerar pa stottas aven av Ronald Kroger,professor vid Biologiska Institutionen i Lund, som tror attepileptiska anfall kan utlosas av en rubbning i pH-balanseni kroppen, [43]. Det ar till och med kanske sa att vid epilepsiar hjarnan offret istallet for boven? [43]. Det har i over 80 arvarit kant att en okning i andelen koldioxid till over 10% iinandningsluften kan dampa epileptiska anfall. For bara nagraar sedan fastslogs det i en studie pa moss att redan en okningav koldioxid till 5%, jamfort med luftens normala CO2-haltpa 0,035%, har en snabb och effektiv antikonvulsiv verkan,[44]. Studien tydde pa att en okning av koldioxid stopparanfallen genom att forandra hjarnans pH. Detta ar en effekt avatt acidos, det vill saga ett sankt pH, ger stark inhibering avnervaktiviteten. En annan studie visade att denna inhiberingregleras av en syrakanslig jonkanal (ASIC1a). I denna studiesager de dock att denna kanal inte paverkade anfallstroskelneller uppkomsten av anfall utan endast hejdar anfall, [45]. Detfinns rapporter som visar att risken for anfall okar vid hog hojdfor personer som redan har laga anfallstrosklar, [50]. Dettakan kopplas till att partialtrycket for syre minskar vid hogrehojd, vilket gor att personer andas snabbare och da andas utmer koldioxid an vanligt. Detta kan leda till okat pH i blodetoch lagger grunden till teorin om att okat pH leder till okadanfallsrisk. Aven att ketogen diet, som leder till acidos, hjalpermot epilepsi stottar denna teori.

Det star klart att det finns manga samband mellan pHoch epilepsi och vi har dragit slutsatsen att for att utredadetta samband fullstandigt behovs ett nytt projekt som endastkoncentrerar sig pa att utreda kopplingen mellan pH-balansenoch epilepsi.

Teorin om att det ar en kemisk forandring som hundarnareagerar pa och larmar for skulle kunna uteslutas genom attplacera hunden i en stor lufttat bur och se om den fortfarandekan larma innan ett epileptiskt anfall. Detta kan kombinerasmed vart forslag for hur man kan utesluta elektriska falt genomatt buren av honsnat (se figur 2) aven gors lufttat. Det skullekrava en del resurser att gora denna luftata bur tillrackligtstor och bekvam for hunden att kanna sig trygg i, men

experimentuppstallningen kan valdigt tydligt visa huruvidahundarna reagerar pa enbart kemiska forandringar eller enbartelektromagnetiska faltforandringar eller en kombination avdessa tva teorier. Det ar viktigt att man i studien har mycketgod kunskap om hundarnas vanliga beteende med sin agarefore ett anfall, sa att man efter forsoken inte drar felaktigaslutsatser.

For att bestamma vilken/vilka kemiska signaler som hun-darna reagerar pa foreslar vi anvandning av en artifici-ell/elektronisk nasa. Den elektroniska nasan ar en kombinationav gassensorer, vatskesensorer och biosensorer som genererarsignaler for ett analyssystem. Dagens sensorer blir alltmerkansliga och kan detektera gaser som ar helt oidentifierbara formanniskor. Israeliska forskare har utvecklat en artificiell nasasom detekterar cancer i manniskors andedrakt. Aven dennaprodukt ar inspirerad av hundars formaga att lukta sig till,i detta fall, malignt melanom, [51]. Den elektroniska nasanfungerar genom att bygga upp ett “minne”. Denna artificiellanasa ar med denna teori en losning till ett tekniskt larmsystem,men innan vi vet exakt vilken/vilka kemiska signaler somhundarna reagerar pa behovs en artificiell nasa med sa mangasensorer som mojligt.

Denna nasa ska vid experiment placeras pa en certifieradepilepsihund och analysera allt som hunden ocksa analyserar.Genom att sedan gora ett stort antal forsok, analysera ochhitta monster i de signaler som skickas fran sensorerna kan vibestamma den kemiska forandring innan ett epileptiska anfallsom hundarna kanner av. Aven om vi inte kan bestamma allasignaler som hundarna reagerar pa sa racker det med enstakafor att grunden till ett tekniskt larmsystem ska laggas.

Det finns alltsa manga resultat som visar att det ar en kemiskforandring som hundarna reagerar pa innan ett epileptisktanfall, men David Selin, erfaren hunduppfodare och utbildare,tror att fortroendet i hundarnas luktsinne kan ga till overdriftoch att man inte kan lita pa det till hundra procent, somman idag gor i manga fall. Han tror att deras luktsinne arbetydelsefullt, men att hundarna med hjalp av andra sinnenlaser av oss manniskor mer an vad man hittills har trott, [46].

3) Reagerar hundar pa beteendeforandringar?: Mangakallor tyder pa att det framst ar forandringar i epileptikernasbeteende, som hundarna reagerar pa innan ett anfall bryter ut.Subtila forandringar i ansiktsuttryck, kroppssprak och bete-ende hos manniskan, som karakteristiskt foregar ett klinisktanfall tros vara indikatorn for hundarna, [28][41].

I en studie, som undersokte om epilepsihundar kan kannaav epileptiska anfall, utford 2011, drogs slutsatsen att SADformodligen varnar for subtila beteendeforandringar som foross manniskor ar omarkbara, men aven att de kan vara kansligafor hjartfrekvens eller luktsignaler, [15]. Samma studie pre-senterade fall da hundar larmat aven da de befunnit sig irummet bredvid, vilket utesluter hypotesen om att det arvisuella signaler som startar hundarnas reaktion. Vid narmareundersokning visade videoinspelningar dock att hundarna all-tid gatt in i rummet dar epileptikern befunnit sig och undersoktsituationen narmare innan de larmat fullt ut. Det ar viktigtatt vid vidare forskning vara noggrann med vidoeinspelningaroch tidsbestamning sa att inga resultat feltolkas. Inom detta

7

omrade ar det aven viktigt att inte lata forutfattade meningarstyra tolkningen, [15].

Kicki Kingeliin har levt tillsammans med sin certifiera-de epilepsihund Plutten i 5 ar och kanner sig tryggare annagonsin. Han larmar med 100% sakerhet cirka 10 minuterinnan ett epileptiskt anfall vilket gor att hon kan ta sin medicinoch hinna lagga sig ner. I manga fall kan hon avvarja anfallenmed medicin, men i de fall hon far anfall haller sig Pluttennara henne tills hon mar bra igen. Hon marker sjalv inte naranfallen kommer utan Plutten kan komma och varna trots atthon kanner sig som vanligt, men da vet hon att ett anfallar pa vag. Kickis teori ar att det ar en forandring i hennesbeteende som Plutten reagerar pa, att hunden kanner av ellerser sma vibrationer hos henne och larmar efter detta, [51]. Forvidare undersokning av denna teori kan man anvanda sig avolika sensorer, som kontinuerligt mater epileptikerns rorelser.Det finns tradlosa matinstrument som anvands for att matahelkroppsvibrationer i samband med olika arbetssituationer,[53]. Dessa kan vara lampliga att anvanda for vidareutvecklingav vart projekt med syftet att undersoka om det gar attupptacka nagon forandring i epileptikerns vibrationsmonsteri samband med hundens varningar.

I studien som utfordes 2014 visades att hundarnas larmkorrelerade med ett sankt SpO2-varde och forskarna drogsom en del av sina resultat slutsatsen att det ar den okadeandningsfrekvensen, som foljd av minskningen i SpO2-halt,som hundarna reagerar pa och larmar for, [20]. I studien ingickdet dock endast en epilepsihund och flera diabeteshundar ochderas upplagg var inte avsett endast for att svara pa vadepilepsihundar kanner av. Vi tror att deras resultat ar valdigtviktigt for att svara pa fragan vad epilepsihundar reagerarpa och vi anser att en liknande studie, men med endastepilepsihundar och noggrannare matning av SpO2-varde ochandningsfrekvens ar nasta steg. Andningsfrekvensen kan moni-toreras med hjalp av ett respirationsbalte fran foretaget Biopac,[56].

I borjan av 2016 startades foretaget Empatica som utvecklaroch saljer smart-watches som med klinisk kvalitet overvakaroch analyserar personers beteende. Dessa klockor gor detenkelt att monitorera fysiologisk stress, upphetsning, somnoch fysisk aktivitet och ar gjorda for epileptiker for att lattarekunna folja deras vardag. Det pagar forskning for att med hjalpav klockorna och e-dagbocker karakterisera epileptiska anfalloch skapa ett sakert larmsystem. Deras klockor mater denelektrodermiska aktiviteten med hjalp av galvaniska hudsen-sorer och larmar da kroppens sympatiska aktivering av detautonoma nervsystemet okar. Det har namligen visat sig att desympatiska signalerna okar vid aktivering av specifika delar avhjarnan, [52]. Att gora forsok med certifierade epilepsihundaroch epileptiker med dessa Empatica-klockor ar en vidareut-vecklingsmojlighet.

Att anvanda sig av vibrationssensorer, andningsfre-kvensmatare och Empatica-klocka hos epileptikern samtidigtsom hundarnas beteende filmas ar nasta steg i denna utredning.Genom att tidsbestamma de olika handelserna och se hur dekorrelerar med hundarnas larm kan vi forhoppningsvis visa, ialla fall en del, av vad hundarna reagerar pa.

Det ar viktigt att i denna rapport inte utesluta nagon teorisamt att ta hansyn till mojligheten att ingen av vara treteorier, EEG, kemiska signaler eller beteende ar losningen. Detforeligger emellertid med stor sannolikhet att en kombinationav vara hypoteser stammer mer overens med vad hundarreagerar pa i verkligheten. Detta ar dock pa inget vis ett hinderfor betydelsen av att testa samtliga teorier och att forsoka finnaen eller flera forandringar hos epileptikern fore ett anfall somingar i hundarnas detektionsformaga. Det ar viktigt att kommaihag att det bara behovs en matbar forandring for att kunnautveckla ett tekniskt larmsystem.

Intuition ar en viktig del av hundars beteende

Det begrepp som anvands for att beskriva de mentalaprocesser som forsiggar hos hundarna ar “kognition”. Medhundars “kognitiva formaga” syftar man pa deras tankar,reflektioner och inlarningsformaga, [47]. Eftersom hundar intetalar kan vi endast anvanda oss av deras handlingar for attdra slutsatser om deras tankar och intentioner. David Selin,hunduppfodare och erfaren ledare i hundyrkesutbildningarvet att intuitionen hos hundar ar mycket valutvecklad, [46].Nobelpristagaren Daniel Kahneman skriver i sin bok “Tankasnabbt och langsamt” fran 2011, att “Traffsaker intuition haroverhuvudtaget inget med magi att gora”. For att forklara dethan kallar professionell intuition ger han exemplet med lakarensom staller en komplicerad diagnos efter att bara ha kastatett oga pa patienten och namner forfattaren Herbert Simonsforklaring: “Situationen har genererat en signal; signalen geryrkespersonen tillgang till information som finns lagrad iminnet och denna information tillhandahaller svaret. Intuitionar detsamma som igenkannande, varken mer eller mindre”,[55]. Att hundar ar skickliga vad galler igenkanning i olikasituationer ar allmant kant. Vid all sorts hunddressyr anvanderman sig av det som kallas operant betingning, vilket innebaratt beteenden kan forstarkas eller slackas ut och att det skerberoende pa konsekvenser av beteendet, [57]. All hundtraningar alltsa uppbyggd pa att hundar ar bra pa igenkanning och atthundarna reagerar pa sma intuitiva forandringar fore ett anfallar darfor valdigt troligt.

David Selins teori ar att hundar reagerar pa mangasmasignaler utan att sjalva reflektera over dem. Hade hundenkunnat prata tror han inte att den hade kunnat saga exaktvad det ar den reagerar pa fore ett anfall, [46]. Vara resultatar alltsa inte entydiga, men de lagger grunden till en viktigdiskussion med manga utvecklingsmojligheter. Fragan om vaddet ar som hundarna reagerar pa kan for tillfallet vara forkomplicerad att svara pa exakt. Men for att utnyttja hundarnasalarmformaga innan ett epileptiskt anfall i ett tekniskt larm-system sa racker det med att en av de olika forandringarnafaststalls. Viktigt att ha i atanke ar att olika epilepsityper kankrava olika larmsystem, men i vart projekt har vi valt att varasa generella som mojligt da vi startade fran grunden.

Resultaten i denna studie lagger grunden for de vetenskap-liga forsok som behovs och utifran detta kan man paborjautvecklingen av ett larmsystem som sedan forbattras i taktmed flera forskningsresultat.

8

Etiska aspekter

Precis som vid all vetenskaplig forskning ar det viktigt attvid forskning om epilepsihundar behalla en medvetenhet ochdiskussion om etik och moral. Speciellt viktigt ar det da forsokpa djur och manniskor ar involverade.

Bland vara kallor finns det funderingar kring huruvida detkan vara en negativ eller stressande arbetssituation om epilep-sihundar lever i standig oro for sin agare, [18]. Det ar en viktigaspekt att beakta. Svenska Service- och Signalhundsforbundetbrukar rekommendera att en epilepsihund bor vara utan sinagare och fa vila upp sig lite da och da, medan David Selintror att hundarna har det bra sa lange de samtidigt som SADaven fungerar som vanliga sallskapshundar, [14][46]. Da enepileptiker vill ha hjalp av en epilepsihund i vardagen ardet viktigt att vara medveten om att hundarna ar levandealarmsystem som kraver mycket arbete och uppmarksamhet.Den forskning som foljer denna studie kan underlatta traningoch certifiering av epilepsihundar och da ar det viktigt att manser till att de som ansvarar for epilepsihunden har mojlighetatt ta hand om hunden pa ett lampligt satt. Da alla inte harmojlighet till detta och hundar darmed kan riskera att fara illaar ett tekniskt alternativ aven etiskt forsvarbart.

En viktig fraga att diskutera ar det forskarstod som i Sverigehittills varit lagt for forskning om epilepsihundar. Hur mycketska man satsa pa forskning kring hundar med tanke pa att 1%av befolkningen har epilepsi?

Hallbar utveckling

Vid intervju med en civilekonom och doktorand paLinkopings Universitet, Martina Lundqvist, framkom atten studie just nu pagar angaende endast epilepsihundarslonsamhet for samhallet. Det ska undersokas huruvida deninbesparade vardkostnaden fran ett minskat antal olyckor pagrund av fallskador och dylikt vager upp for kostnaden forepilepsihundar, traning och certifiering, [35].

Socialstyrelsen utforde mellan 2009 och 2014 enutvardering over bland annat hur certifierade service-och signalhundar paverkar de totala samhallskostnaderna.Finansanalysen visade att kostnaderna for stat, kommun ochlandsting blev lagre i jamforelsen med skadekostnader utanepilepsihundar, men att hundagarna fick okade utgifter pagrund av hunden, [48]. En tysk epilepsiforbundstidning haraven tagit upp bekymret med att traning av assistanshundar iTyskland ar mycket dyrt och att inte alla som behoveren epilepsihund far denna kostnadsersattning fransjukforsakringen eller har rad att betala det sjalv, [34].

Ett mal med ett tekniskt larmsystem ar att det ska hasamma ekonomiska fordelar som en epilepsihund samt att det ilangden kraver mindre arbete och pengar fran anvandarna. Ettlarmsystem mojliggor aven for epileptiker att ta sin medicini tid, vilket kommer att leda till mindre onodig medicinering,vilket ar en viktig del inom hallbar miljo.

IV. SLUTSATSER

Slutsatsen av detta projekt ar att en mer malinriktad forsk-ning for att utreda hundarnas larmformaga inte bara ar viktigutan nodvandig. Det finns ett stort behov for ett tekniskt

larmsystem, som kompliment till eller ersattning for en SeizureAlert Dog (SAD). Detta larmsystem kommer att bidra tillen expandering av hundarnas larmformaga och verka for enforbattrad livskvalite for manga epileptiker. Denna studie gerden oumbarliga grundforskningen som kravs for att fortsattaen forskning, som kan gynna epileptiker, epilepsiforskare ochhundtranare.

V. EFTERORD

Vi skulle vilja tacka var handledare Lars Wallman, kliniskavagledare Merab Kokaia, examinator Ingrid Svensson samtkursansvarig Tomas Jansson. Ett stort tack riktas till RonaldKroger, Karin Ekdahl, Britta Blomqvist med Atlas, Kicki medPlutten, Therese Palm, David Selin, Martina Lundqvist samtalla som tagit sig tiden att svara pa E-mail och intressera sigfor denna studie.

Till denna studie har medskribenterna gemensamt arbetatfram utformningen, innehallet samt slutsatsen, men SofiaKarlen ansvarade for den huvudsakliga delen av de personligakontakterna medan Tina Kroger ansvarade framforallt for denstorre delen av litteraturstudien.

REFERENSER

[1] Svenska epilepsiforbundet; 2010; Epilepsi, intressepolitiskthandlingsprogram. http://epilepsi.se/Intressepolitiskt-handlngsprogram-7-dec-2010-laag–2.pdf. Hamtad: 28 februari 2016

[2] Svenska Epilepsiforbundet. Om epilepsi. http://epilepsi.se/Om-epilepsi.html. Hamtad: 19 februari 2016

[3] Egidius, H. Epilepsi. Psykologilexikon.http://www.psykologiguiden.se/www/pages/?Lookup=epilepsi. Hamtad:18 februari 2016.

[4] Kokaia, Merab; Professor vid Experimentell epilepsi och Neurologi,Lund och Avdelningschef vid Epilepsicentrum. 2016. Intervju 25 febru-ari.

[5] Support Dogs. Sheffield, England. 2016. Seizure Alert Dogs.https://supportdogs.org.uk/our-work/seizure-alert-dogs/. Hamtad: 18 feb-ruari 2016

[6] MVZ Labor Dr. Limbach, Heidelberg. Laborinformationen, Antiepilepti-ka. Labor, Dr. Limbach und Kollegen. http://epilepsi.se/Intressepolitiskt-handlngsprogram-7-dec-2010-laag–2.pdf. Hamtad: 30 februari 2016

[7] Dr. med. Gunter Kramer, Prasident der Schweizerische Epilepsie-Liga.Info epilepsi, Ketogene Diaten. http://www.epi.chfiles/.pdf. Hamtat: 11mars 2016.

[8] Abteilung Epileptologie - Epilepsiezentrum, Univer-sitatsklinikum Freiburg. Ketogene Diat. https://www.uniklinik-freiburg.de/epilepsie/therapie/ketogene-diaet.html. Hamtad: 20 februari2016

[9] Epilepsiforeningen i Stor-Stockholm. Epilepsi, behandling.http://www.epistockholm.nu/menu.do;jsessionid=672A4B30EB2E05750F1ADBDD3BC57B48?menuid=35014lang=sv. Hamtad: 20 februari2016.

[10] Neuroforbundet. 2011. Behandling av epilepsi meddjup hjarnstimulering. http://neuroforbundet.se/diagnos-symtom/epilepsi/aktuellt-om-epilepsi/behandling-av-epilepsi-med-med-djup-hjarnstimulering/. Hamtad: 20 februari 2016.

[11] Svenska Service- och Signalhundsforbundet (SoS). Bild:Omassistanshundar-skiss. http://www.soshund.se/assistanshund/. Hamtad:10 april 2016.

[12] Strong, V., Brown, SW och Walker, R. 1999. Seizure-alert dogs–factor fiction? http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10091851. Hamtad: 10april 2016.

[13] Mein Assistenzhund e.V, Hunde fur menschen. Epilepsiwarn.http://www.mein-assistenz-hund.de/epilepsiewarnhund.html. Hamtad: 2april 2016.

[14] Ekdahl, Karin; Kanslist, Svenska Service- och Signalhundsforbun (SoS).Intervju 15 februari och 15 april 2016.

[15] Stephen W. Brownemail och Laura H. 2011. Can seizure-alertdogs predict seizures? http://www.epires-journal.com/article/S0920-1211(11)00327-5/abstract?cc=y=. Hamtad: 30 februari 2016.

9

[16] Blomqvist, Britta; Epileptiker, agare till epilepsihunden Atlas m.fl samtepilepsihundstranare. Intervju 18 mars 2016.

[17] Myndigheten for delaktighet. 2016. Stodfunktion for brukare, bestallare,finansiarer och utbildare av assistanshundar. http://www.mfd.se/om-mfd/vi-arbetar-med/regeringsuppdrag-och-projekt/stodfunktion-for-brukare-bestallare-finansiarer-och-utbildare-av-assistanshundar/.Hamtad: 2 april 2016.

[18] Palm, Therese; Handlaggare, Forbundskansliet, Svenska Brukshunds-klubben (SBK). Intervju 31 mars 2016.

[19] Seyal, M. 2013. Frontal hemodynamic changes precede EEG onset oftemporal lobe seizures. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24079949.Hamtad: 11 mars 2016.

[20] Deutsches Assistenzhunde-Zentrum .T.A.R.S.Q. 2014.Epilepsiewarn-und Epilepsieanzeigehund. http://www.assistenzhunde-zentrum.de/index.php/assistenzhunde/epilepsiewarnhund. Hamtad:mars-april 2016.

[21] Svenska Service- och Signalhundsforbundet (SoS). Epilepsihund.http://www.soshund.se/epilepsihund/. Hamtad: februari-mars 2016.

[22] National Geographics. 2004. Seizure-Alert Dogs Save Humans WithEarly Warnings.

[23] Service Dogs Central. 2014. Seizure alert/response dogs.http://www.servicedogcentral.org/content/node/491. Hamtad: 11 mars2016.

[24] Sveriges radio, Boras. 11 februari 2016.Epilepsihunden Dexter varnar vid anfall.http://sverigesradio.se/sida/artikel.aspx?programid=95artikel=6361731.Hamtad: 11 mars 2016.

[25] Svartberg, Kenth. 7 februari 2013. Assistanshund som hjalp vid epilepsi,diabetes och migran – en litteraturstudie.

[26] Campagno Strandberg, Maria. Lakare vid Neurologi, Lund. E-mail 29mars 2016.

[27] Svenska Epilepsiforbundet. E-mail 29 mars 2016.[28] Brown, Stephen W. 2001. The use of seizure-alert dogs.

http://www.seizure-journal.com/article/S1059-1311(00)90481-3/abstract. Hamtad: 20 mars 2016.

[29] Kingelin, Kristiin (Kicki). Epileptiker, agare till epilepsihunden Plutten.Intervju 1 april 2016.

[30] Dalziel, DJ., Uthman BM., Mcgorray SP och Reep, RL.2003. Seizure-alert dogs: a review and preliminary study.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12566236. Hamtad: 6 april2016.

[31] Wallman, Lars; Handlerade, Universitetslektor for avdelningen for Bi-omedicinsk teknik och Programledare vid Elektroteknik, LTH. 2016.Intervju 9 maj samt kontinuerliga moten januari-maj 2016.

[32] Svenska Kennelklubben (SKK) Alarmerande hundar - epilepsi.http://www.skk.se/sv/hundagande/fokus-pa/assistanshundar/vad-ar-en-assistanshund/alarmerande-hundar-epilepsi/. Hamtad: 5 mars 2016.

[33] Support Dogs. Sheffield, England. 2016. https://supportdogs.org.uk.[34] Epikurier. Der epilepsihund oder anfallshund.

http://www.epikurier.de/archiv/ausgabe-32006/der-epilepsiehund-oder-anfallswarnhund/. Hamtad: 15 april 2016.

[35] Lundqvist, Martina; Civilekonom och Doktorand pa institutionen forMedicin och Halsa pa Linkopings universitet. Intervju 29 mars 2016.

[36] Hart, Vlastimil., Novakova, Petra., Malkemper, Erich Pacal.,Begall, Sabine., Hanzal, Vladimır., Jezek, Milos., Kusta,Tomas., Nemcova, Veronika., Adamkova, Jana., Benediktova,Katerina , Cerveny, Jaroslav och Burda, Hynek. 2013. Dogsare sensitive to small variations of the Earth’s magnetic field.http://frontiersinzoology.biomedcentral.com/articles/10.1186/1742-9994-10-80. Hamtad: 28 april 2016.

[37] Litt, B och Echauz, J. 2002. Prediction of epileptic seizures.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12849542. Hamtad: 20 april 2016.

[38] Ortiz, R och Liporace, J. 2005. “Seizure-alert dogs”:observations from an inpatient video/EEG unit.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15907758. 20 april 2016.

[39] Bongart, Marcus. Qigongmastare och lakare i Traditionell KinesiskMedicin. Undersokningar av det elektriska faltet runt manniskans kropp.http://www.cesamq.se/forsk/text1.htm. Hamtad: 28 april 2016.

[40] Tornio, Stacy. 2016. 6 surprising facts about the ways animals smell.http://www.mnn.com/earth-matters/animals/photos/6-things-you-didnt-know-about-way-animals-smell/dogs-noses-are-far-superior-humans-nosestop-desktop. Hamtad: 24 april 2016.

[41] Rosen, Ingmar. Professor emeritus vid Klinisk neurofysiologi, LU. E-mail 26 februari 2016.

[42] Kallen, Kristina. Avdelningschef vid Kliniska Vetenskaper, Helsingborg,och Docent vid Neurologi, Lund. Email 28 februari 2016.

[43] Kroger, Ronald. Professer vid Funktionell Zoologi, LU. Kontinuerligasamtal januari-mars 2016.

[44] Miller, John W., 2011. Stopping Seizures With Carbon Dioxide.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3152150/. Hamtad: 20april 2016.

[45] Ziemann, Adam E., Schnizler, Mikael K., Albert, Gregory W., Severson,Meryl A., Howard, Matthew A., Welsh, Michael J och Wemmie,John A. 2008. Seizure Termination by Acidosis Depends on ASIC1a.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2553357/. Hamtad: 21april 2016.

[46] Selin, David; Hundtranare och hunduppfodare. Intervju 25 april 2016.[47] Jensen, Per. 2014. Hunden som skams : myt eller sanning? 1.uppl.

Linkoping: Natur Kultur Allmanlitteratur.[48] Socialstyrelsen. 2014. Utvardering av

forsoksverksamhet med service- och signalhundar.http://www.socialstyrelsen.se/Lists/Artikelkatalog/Attachments/19639/2014-12-30.pdf. Hamtad: 25 april 2016.

[49] Sharma, Suvasini and Jain, Puneet. 2014. The ketogenic dietand other dietary treatments for refractory epilepsy in children.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4162008/. Hamtad: 15mars 2016.

[50] Daleau, P., Morgado, DC., Iriarte, CA och Desbiens, R.2006. New epilepsy seizure at high altitude without signsof acute mountain sickness or high altitude cerebral edema.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16544970. Hamtad: 15 mars2016.

[51] Eriksson, Linda. 2010. Att lukta sig till sjukdom. Fokus.http://www.fokus.se/2010/09/att-lukta-sig-till-sjukdom/. Hamtad:20 april 2016.

[52] Empatica. 2016. Monitoring the Autonomic Nervous Systemhttps://www.empatica.com/science. Hamtad: 25 april 2016.

[53] Koenig, Diogo., Chiaramonte,Marilda S och Balbinot, Alexandre.2008. Wireless Network for Measurement of Whole-Body Vibra-tion. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3675532/. Hamtad:28 april 2016.

[54] Jonsson, Kerstin och Paulsson, Karin. 2011. Eilepsihundar och livskva-litet. Ett projekt om Sveriges forsta epilepsihundar. Ett samarbetsprojektmellan Svenska Service- och Signalhundsforbundet, Svenska Epilep-siforbundets ungdomssektion och Astrid Lindgrens Barnsjukhus.

[55] Kahneman, Daniel. 2011. Thinking fast and slow. [Tanka, snabbt ochlangsamt.] Stockholm: Volante

[56] Biopac, USA. 2016. Respiration recording.http://www.biopac.com/knowledge-base/respiration-recording/. Hamtad:2 maj 2016.

[57] Køste, Cecilie. Canis hundskola. 2012. Klassisk betingning operant be-tingning. http://www.canis.se/bibliotek/artikkel.php?artid=179. Hamtad:5 maj 2016.

1

Utformning av tekniskt hjalpmedel for behandlingav personer med afasi

Therese Johansson (BME–13), Jenny Karlsson (BME–13)

Sammanfattning—Det finns mycket att vinna pa att effektivi-sera dagens behandling av afasi och utrymme finns att integrerafler tekniska hjalpmedel. I detta projekt har en prototyp av appli-kationen aPhasia utvarderats for att ta fram forbattringsforslagsom efterliknar den vard som ges av logoped i storsta mojligautstrackning. Projektet har utforts inom region Skane genomlitteraturstudie, utvardering av marknad samt moten med lo-gopeder och patienter. Mycket tyder pa att en pekplatta aren val lampad plattform betraffande anvandarnas fysiska ochkognitiva forutsattningar. aPhasia utnyttjar de fordelar somfinns hos plattformen genom att ha ett enkelt och lattillgangligtupplagg. Applikationen innefattar funktioner som lappavlasning,skrivning och lasning, vilket ar unikt pa den svenska marknaden.For att effektivisera och forenkla anvandandet ytterligare kanolika former av prompting och modifieringar i design, upplaggoch innehall inforas. Ett bra tekniskt hjalpmedel har potential attforkorta behandlingstiden, effektivisera kostnader och framforallt ge personer med afasi en battre livskvalitet.

I. INTRODUKTION

VARJE ar drabbas ungefar 12 000 personer i Sverige avafasi [1]. Afasi innebar en nedsatt spraklig formaga till

foljd av skada i hjarnans sprakomraden. Hjarnskadan orsakasi manga fall av stroke men kan aven komma till foljd avbland annat en hjarntumor, inflammation eller yttre vald [1].Afasi medfor framforallt svarigheter i tal, skrift, lasning ochsprakforstaelse. Hur skadan yttrar sig varierar fran patienttill patient. Manga personer med afasi lider aven av andrasvarigheter relaterade till hjarnskadan, sa som depression,talapraxi (svarighet att utfora munrorelser), dysartri (skada i demuskler som kontrollerar talet) samt annan rorelsenedsattning.Det kan ta lang tid for patienten att bli aterstalld och omsymptom kvarstar ett ar efter insjuknandet bedoms afasin somkronisk.

Behandling av afasi sker genom besok hos en logoped.Hos logopeden utgar traningen fran patientens individuellaforutsattningar med ovningar i ordbenamning, sprakforstaelse,lasforstaelse samt skrivning. Mellan besoken ar det vanligtatt patienten far med sig nagon form av stod for att kunnafortsatta traningen pa egen hand. Mer traning leder till enokad chans for aterstalld spraklig formaga [2]. Anvandningav dagens teknologi kan leda till en okad hemmatraning ochaven medfora nya mojligheter for logopedtraningen.

I denna rapport utvarderas Android applikationen aPhasia,som ar under utveckling inom Region Skane. aPhasia ar ett

Inlamnat den 9 juni 2016Emejladress:mte13tjo@student.lu.se, mte13jka@student.lu.seTeknisk handledare: Nils-Gunnar Holmer, Medicinsk TeknikKlinisk handledare: Thomas Persson, Institutionen for DatavetenskapKlinisk vagledare: Jean-Christine Eklund, logoped och idegivare till aPhasia

traningsprogram som i forsta hand ar riktat mot diagnosernatalapraxi, verbalamnesi (ordglomska) eller las- och skriv-svarigheter. Applikationens funktioner granskas utifran dessapatientgruppers forutsattningar och bedoms utefter hur val deoverrensstammer med den vard som ges av logopeder. Fokusligger pa att ta fram forbattringsmojligheter och forslag tillvidareutveckling av aPhasia for att ytterligare efterlikna dentraning som utfors hos logoped. Vidare stalls aven anvandandetav en surfplatta mot andra tekniska alternativ. Plattformenanalyseras utifran anvandares perspektiv samt hur val denskulle kunna passa in i verksamheten.

Projektet har skett i samarbete med idegivare samt ska-pare till aPhasia och innefattat tva delar. Syftet med denforsta var identifiering av forutsattningar hos anvandare samttraningsupplagg hos en logoped. Dessa iakttagelser utnyttja-des sedan i den andra delen dar forbattringsmojligheter hosaPhasia utarbetades.

II. DATA

aPhasia har tidigare testats pa 19 patienter med kronisk afa-si. Patienternas afasi karakteriserades genom att lata patienter-na utfora ett svenskt benamningstest (SBP). Detta foljdes av eninstruktion om hur aPhasia fungerar och darefter anvandningav det pa plats hos logoped under 45-minuters pass fyra gangerper vecka med i genomsnitt totalt 7 st besok. Efter avslutadbehandlingsperiod testades patienterna med SBP-testet igenoch resultaten jamfordes med de tidigare. Resultaten gav attpatienterna i medelvarde kunde benamna 23 procentenheterfler av orden i SBP-testet i slutet av perioden. Vidare visade sigpatienter med gott auditivt minne ha storst nytta av traningen.Patienter fann aPhasia roligt och motiverande.

Tabell IDATA FRAN UTVARDERING.

Kommentar Antal som namnde

Kravfritt 6Roligt 5Bra med lappavlasning 7Forkorta/Ta bort sekvenser 4

Samtliga patienter som har testat aPhasia har i samradmed sina logopeder lamnat fritt formulerade utvarderingar.Patienter och logopeder var positivt installda till aPhasia ochsag bra framtidspotential. I tabell I presenteras nagra av dekommentarer som flest personer namnde i sina utvarderingar.Utover dessa kommentarer namndes att det var bra att ap-plikationen utnyttjade bade horsel och syn, att den var enkel

2

vid uppstart samt under anvandning, att den var motiverande,inte distraherande, samt hade en bra design riktad mot vuxna.Dessutom onskades ett storre ordforrad, svarare ord, satser, flersvarighetsgrader, fler ovningar, att materialet skulle innehallatestunderlag for att underlatta avstamning och alternativ forgemener istallet for versaler. Det framgick aven att ungefar20% av personerna hade onskat att fa med sig plattan hemistallet for att endast testa den hos sin logoped, samt att nagonenstaka patient tyckte att tekniken var svar att anvanda.

III. METOD

Arbetet inleddes genom moten med kliniska handledaresamt logoped/idegivare till aPhasia dar applikationen presen-terades. Tidigare given data insamlad fran test av aPhasiastuderades. Under projektets gang skedde lopande kontakt foratt hela tiden stamma av arbetets fortgang.

A. Informationssokning

I syfte att fa en bredare bild av vad afasi ar och vaddiagnosen kan innebara for patienten utfordes en litteratur-studie. For att fa en uppfattning av vilka kognitiva ochfysiska forutsattningar som patienten kan ha, inte bara kopplattill diagnos, studerades aven foljder av stroke och annanhjarnskada. Sokningar utfordes i PubMed. Information franafasiforbundets hemsida anvandes for ytterligare forstaelseav hur ett liv med afasi kan se ut. Utover detta studeradesaven artiklar som rekommenderats av de kliniska handledarna.Utbud av applikationer och mjukvara for afasi men aveninlarningsprogram for sprak undersoktes genom sokningar iApp Store och Google Play dar termer sasom ”aphasia”,”afasi”, ”sprak”, ”taltraning” och ”logoped” anvandes. Dess-utom utnyttjades webbsidan Aphasia Software Finder foratt studera utbudet som finns tillgangligt pa engelska [3].Forutom programvara for pekplattor undersoktes aven svenskatraningsprogram for datorer, som anvands i Region Skane idag.

Med syfte att fa en battre bild av hur vard for personermed afasi sker i nulaget besoktes en vardcentral i Skane forauskultation under ett patientbesok. Vid besoket antecknadestraningsupplagget samt i vilken form stod gavs av logoped.Inga behandlingsresultat eller patientuppgifter noterades. Dettasteg var viktigt for att fa en djupare forstaelse for inte barahur behandlingen sker men aven for hur diagnosen afasi yttrarsig.

Kontaktuppgifter till ett antal logopeder samt utbildare avlogopeder varav vissa testat aPhasia tidigare erholls. Tva avdessa hade mojlighet att hjalpa till med arbetet. Intervjuerutfordes via mailkontakt samt besok dar fragor handladeframst om fordelar och nackdelar med applikationen samtbehandlingsprocessen for personer med afasi. I sallskap avidegivare till aPhasia genomfordes aven moten med tva pa-tienter med kronisk afasi. Dessa testade aPhasia for forstagangen och iakttagelser av vad som fungerade bra eller daligtmed applikationen antecknades. Ett av patientbesoken foljdesupp vid tva senare tillfallen for att fa en uppfattning avsvarighetsgrad i inlarning av hur programmet anvands.

B. Utarbetning av forbattringsmojligheter

Arbetet fortlopte genom utvardering av behov och krav pahjalpmedlet. Detta gjordes inledningsvis med hjalp av metodenPersonas. De olika anvandarna som kan tankas komma ikontakt med mjukvaran utvarderades da med avseende pasociala forhallanden, teknikvana samt kognitiva och fysiskaforutsattningar. Utifran dessa Personas kunde paralleller drastill respektive anvandares specifika krav pa programmet vil-ket utnyttjades vid analys av tekniska hjalpmedel. Lampligafunktioner som skulle kunna anvandas i programvaran foratt efterlikna den behandling som ges av logopeder togsfram genom Brainstorming samt utifran den information somsamlats vid besok och intervjuver. Fordelar och nackdelardiskuterades.

Varje del av aPhasia granskades for sig och aven systemetsom helhet utifran design, enkelhet att forsta och anvanda,lattillganglighet, distraktioner och innehall. Med fokus pavilket slags stod som ges av logoped samt hur upplaggetindividanpassas, utarbetades motsvarigheter for pekplatta. Foratt ta fram en enkel prototyp for hur layouten skulle kunna seut gjordes designskisser med hjalp av ritprogrammet Sketches2. Ett blockschema skapades och skisserna simulerades somen applikation via Marvel for att fa en overblick och ge stodfor diskussion med kliniska handledare. Skisserna omarbetadesunder arbetets gang och sammanstalldes med hjalp av Micro-soft PowerPoint.

IV. RESULTAT OCH DISKUSSION

Resultat och diskussion presenteras nedan. Inledningsvisbeskrivs logopedtraningen som sker pa plats och detta foljssedan upp av en analys av plattform och marknad. Darefterpresenteras aPhasia som det ser ut idag tillsammans med de ut-vecklingsmojligheter som tagits fram under arbetets gang. Av-slutningsvis diskuteras framtidsutsikter, etiska aspekter samthallbar utveckling.

A. Vard idag

Afasipatienter behandlas genom regelbundna besok hosen logoped. Vid forsta besoket genomfor patienten ettbenamningstest och utifran detta stalls en diagnos. Hareftersker ett eller flera logoped-besok i veckan under ett antalveckor. Besoken bestar ofta av ovningar med bilder utskrivna ipappersform och ibland i kombination med datorprogram. Medhjalp av bilderna ska patienten exempelvis uttala ordet, skrivaordet eller para ihop bilder. Traningens utformning bestams avlogopeden med avseende pa diagnos och patientens personligaforutsattningar.

Logopeden arbetar mycket med att ge patienten nagonform av ledtrad. Denna prompting kan ske genom semantik(innehall, betydelse, attribut, sammanhang), fonologi (forstaljudet/stavelsen i ordet, rim), visuellt eller genom ord i skrift.Om patienten inte kan hitta ordet ges prompting pa ett ellerflera av dessa satt. Vilket som ger bast stod varierar mellanpatienter. Vid diagnosen talapraxi ger artikulering av den forstabokstaven exempelvis ett bra stod och ibland underlattar enspegel. Spegeln anvands for att patienten ska kunna se sinaegna munrorelser och kunna jamfora med logopedens. For

3

somliga patienter kan aven utnyttjande av det skrivna ordetfortydliga ytterligare.

Prompting ges ofta i en viss ordning for att delvis stodjapatienten men aven for att ge olika svarighetsgrader. Hos enlogoped kan traningen exempelvis ga till pa foljande satt:inledningsvis satts ordet i ett sammanhang ”Katten blev jagadav en...”. Fungerar inte detta artikuleras den forsta delen ochdarefter sags hela ordet sa att patienten kan harma. Dettamoment innebar en lappavlasning.

Mellan logoped-besoken har patienten med sig ovningarhem for att fortsatta trana pa egen hand, aven detta viabildkort eller i form av datorprogram. Hjalp av anhorig kravsi princip alltid vid anvandning av datorprogrammen men arocksa fordelaktig da ovningarna ar i pappersform. Vid nastabesok hos logoped repeteras de ord som tranats pa hemma foratt stamma av hur det har gatt. Efter en tid tas vanligtvis ettuppehall pa nagra manader, vilket beror pa att patienten naren grans dar forbattringen stannar av och det kan behovas entids vila. Forloppet med intensiv traning och paus i perioderkan upprepas ett antal ganger for att efter hand na en nivadar utvecklingen planar ut. I samforstand mellan logoped ochpatient avslutas da behandlingen.

B. Plattform for tekniska hjalpmedel

I den verksamhet som har kommits i kontakt med underdetta projekt ar det endast datorer som anvands som etttekniskt hjalpmedel vid vard av afasi. Da de flesta patienterhar drabbats av afasi till foljd av en stroke och drygt 80% avalla som drabbas av stroke i Sverige ar over 65 ar foljer detatt en stor del afatiker tillhor en aldre malgrupp [4]. Detta kanleda till att manga ar ovana vid tekniken och dessutom kan habegransad rorlighet av hander, fingrar och leder.

Manga personer med afasi ar aven drabbade av and-ra akommor som ar vanliga efter en hjarnskada, exempel-vis rorelsenedsattningar, nedsatt korttidsminne, trotthet ochbrist pa initiativformaga [5]. Pekplattor kan utifran des-sa forutsattningar anses ha ett enklare styrdon an datorer.Dels ar det lattare att manovrera rent fysiskt jamfort medanvandning av mus och tangentbord, och dels ger pekplattorsanvandargranssnitt generellt sett ett mer intuitivt intryck av vadanvandaren forvantas gora och hur. Vissa patienter uppleveren prestationsangest i samband med att sitta mittemot sinlogoped. Denna undviks till viss del genom anvandning avpekplatta, speciellt vid hemmabruk. Det ar dessutom smidigareatt ta med en platta fram och tillbaka till logopeden, samtvid resor och liknande. Det har aven visats att pekplatta gerpositiva resultat vid egentraning for personer med afasi [6]. Pagrund av dessa insikter anses pekplatta vara en lamplig platt-form for patienter att anvanda. Det ar viktigt att programmethalls enkelt och lattillgangligt da det ar detta som ar den allrastorsta fordelen gentemot andra plattformer. Rent tekniskt borapplikationen inte ga i vantelage medan anvandaren funderaroch aven alltid startas upp direkt pa den bild som avslutadesmed gangen innan.

Datorer ar val integrerade i verksamheten och ar darfor denplattform som finns narmast till hands. Utifran verksamhetensupplagg foreslas saledes en kombination mellan dator och

pekplatta for logopedens bruk. Pa detta satt kan logopedenanvanda sig av ett datorprogram for val och installningar avaPhasia och detta kan i sin tur vara integrerat med applikatio-nen till pekplatta.

C. Utbud av tekniska hjalpmedel

I nulaget finns det inte nagra svenska traningsappar de-dikerade till afasi. De applikationer som existerar pa andrasprak innehaller funktioner som att lyssna, lasa eller se enbild pa ett ord och darefter valja ratt alternativ. Anvandningav associationer sa som hur nagot later, ser ut, farg, form ochlukt forekommer som ledtradar. Det finns inlarningsprogramfor det svenska spraket riktat mot invandrare eller barn. Attmalgruppen skiljer sig for dessa kan upplevas negativt foranvandaren men manga funktioner ar desamma. Pa svenskafinns det aven kommunikationshjalpmedel, dvs hjalp att ut-trycka sig, riktade till personer med afasi. En del logopederanvander sig av datorprogram for traning tillsammans medsina patienter. Dessa har en stor mangd olika funktioner ochalternativ.

D. aPhasia

aPhasia innehaller fyra olika sorters ovningar. Dessa arassociation, benamning, lasning, samt stavning. Logopedenvaljer i en separat applikation vilka av dessa ovningar, vilkensvarighetsgrad de ska ha samt vilka ord som ska inga ipatientens traningsprogram. Ord kommer i bokstavsordningoch ovningarna ar alltid i samma ordning for varje ord ochpatienten gar igenom alla valda ovningar for ordet innanprogrammet gar vidare till nasta. Gemensamt for alla ovningarar att en bild pa ordet visas i ovre delen av skarmen. Att bilderanvands som illustration for det ord som soks ar grunden itraningen med aPhasia och det ar aven pa detta satt logopederarbetar. Nedan foljer en beskrivning av aPhasia steg for stegtillsammans med de forbattringsmojligheter som har tagitsfram. En sammanfattning av de nya installningsmojlighetersom utarbetats visas i figur 10 senare i rapporten.

Figur 1. Val av patientprofil i aPhasia.

1) Uppstart: Nar aPhasia oppnas upp sker forst val avpatientprofil, se figur 1. Darefter gar programmet direkt vidarein i traningslaget pa den forsta ovningen. Om anvandaren

4

sedan behover byta profil gors detta genom att klicka pa enikon i ovre vanstra hornet av skarmen.

Figur 2. Skiss pa forslag till kugghjulsikon i aPhasia.

Patientprofilen stalls in i en annan applikation pa pekplattan,som ar kopplad till aPhasia. Ett satt att kombinera dessa istalletfor att ha tva separata applikationer ar att infora ett kugghjuli ovre hogra hornet, se figur 2.

Det ar da viktigt att forhindra att patienten av misstag skakomma in i detta lage och andra installningar. I den separataapplikation som finns i nulaget anvands darfor ett losenordoch detta foreslas anvandas aven i denna utformning avapplikationen, se figur 3. Observera att det aven behovs nagonslags knapp for att avbryta och ga tillbaka till traningslaget.

Figur 3. Skiss pa forslag till losenordsskydd inkorporerat i aPhasia. Rodinringning representerar valt alternativ.

Anvandande av detta slags hjalpmedel i verksamhetenkraver att traningsprogrammet passar val in i arbetsupplagget.Som tidigare namnt sker ovning hos logoped och patient farova hemma till nasta behandlingstillfalle. For detta andamalfungerar en pekplatta utmarkt. Konceptet kan utvidgas genomatt de ord som valts under patientprofilen vid det forsta be-handlingstillfallet sparas undan i en lista, se figur 4. Nar appensedan startas hemma ar det dessa ord som dyker upp. Vid nastatillfalle kan da patient tillsammans med logoped repetera dessaord och sedan skapa en ny ovningslista. Vid skapande av dennabor de ord som redan anvants vara forstarkta i exempelvis rottoch om det ar nagot som ska anvandas igen sa kan dessaklickas i. De nya orden kan sparas som en ny lista och nastagang patienten ar hemma ar det endast dessa som ar med i

traningen. Da det ar dags for ett langre uppehall kan det finnasett alternativ for att oppna upp alla ord som redan ovats pa.Pa detta satt skulle patienten kunna ova pa alla sina ord i egentakt och pa eget bevag nar det kanns bra.

Figur 4. Skiss pa forslag till att spara undan listor med ord. Rod inringningrepresenterar valt alternativ.

Personer med afasi kan lida av psykiska problem i form avdepression. Depression brukar forekomma efter stroke och aran vanligare hos personer med afasi [7] [8]. Detta i kombina-tion med nedsatt initiativformaga och hjarntrotthet kan leda tillatt det ar svart att komma igang med traning privat. Fordelarnahos aPhasia ligger i mojligheten att motivera patienter att ovamer pa egen hand, inte nodvandigtvis under langa stundermen nar det passar. Darfor skulle ett beloningssystem foratt anvandaren har startat upp applikationen vara bra. Dettaforeslas vara i form av en kalender dar man som anvandarefar satta en stampel pa dagens datum och da aven kunna sestamplar fran tidigare datum, se figur 5. Vid skarmtryck, vartman an trycker, satts stampeln automatiskt pa ratt datum ochdarefter gar programmet direkt vidare in i traningslaget efteren viss fordrojning. Detta kan aven ge en battre uppfattningav omvarlden genom att patienten far se dagens datum ochveckodag vid uppstart.

Figur 5. Forslag till uppstart med kalender.

2) Association: Den forsta ovningen i aPhasia handlar omassociation. Tanken bakom denna ovning ar att anvandarenmed stod i form av en associationsvideo ska benamna detord som soks. Pa skarmen visas ordet och under finns det

5

en kort video som har syfte att akalla en association hosanvandaren. I videon finns aven ett ljudspar dar ordet lasesupp. Exempelvis for substantivet kniv visar filmen nagon somrakar skara sig i fingret, se figur 6. Genom att associeratill handelser eller kanslor som manga kan kanna igen sig iforvantas detta kunna ge en slags prompting till vilket ord somsoks. Denna associationsform motsvaras i logopedtraning avenklare beskrivningar av det ord som soks. Metoden anvandsaven i viss annan mjukvara som undersokts i form av att enbild har flera beskrivningar for att satta ordet i sammanhangsasom hur det luktar, later eller kanns.

Figur 6. Associationsovning i aPhasia dar ordet kniv illustreras genom atten person rakar skara sig i fingret.

Till skillnad fran de andra momenten i aPhasia utgor intedenna ovning en uppgift utan ar enbart till for att ge enprompting till ordmobilisering, dvs den syftar till att anropaoch trigga kopplingar till ordet. Under de patientbesok somgjordes samt fran tidigare utvardering och diskussion medlogopeder ar detta ett avsnitt som anses ta lite for lang tid ochoftast skippas efter att filmen setts en gang. Denna associationhade istallet kunnat utnyttjas som stod och ledtrad for att finnaratt ord i de andra ovningarna. Detta kan astadkommas genomutbyte av den stillbild som anvands i resterande ovningar tillen kort animerad bild, forslagsvis i gif-format, som avslutas ien stillbild. Pa detta satt kan traningen effektiviseras utan atthjalpen uteblir.

3) Benamning: Benamningsmodulen har som mal att pa-tienten ovar sin expressiva formaga. Detta ar centralt forpatienter med verbalamnesi och talapraxi. Under bilden finnsen lappavlasningsvideo som kan startas genom ett klick, sefigur 7. Denna kan sedan upprepas det antal ganger sombehovs.

Semantisk prompting anvands i nulaget inte i aPhasia ochbor inkluderas i form av en mening dar ordet satts i kontext.Pa detta satt skulle aPhasias benamningsovning ge en hogresvarighetsgrad och gora arbetsgangen mer lik den behandlingsom sker hos en logoped. Den semantiska promptingen kanske i tva svarighetsgrader dar meningen antingen innehallerordet sa att anvandaren far hora det och upprepa, eller attordet utelamnas. Vid tillampning av denna finess hors promp-tingen den forsta gangen klippet spelas och avslutas med attlappavlasningen tar vid. Foljande uppspelningar av videon

Figur 7. Benamningsovningen som finns i aPhasia innehaller lappavlasning.

ska inte inkludera den semantiska promptingen utan endastlappavlasning.

aPhasias lappavlasning ar unik och nagon motsvarighethar inte hittats i de produkter som undersokts vid informa-tionssokningen. Denna funktion har fatt mycket bra kritik frantidigare anvandare av aPhasia. Eftersom endast munnen avbil-das kan fokus laggas pa det som ar relevant och distraktionersasom hur resten av ansiktet ser ut stor inte. Nagot som hadeforbattrat kvaliten ytterligare hade varit att en lampa riktatsmot lappavlasarens mun vid inspelning. En iakttagelse fran pa-tientbesok var att anvandare under aPhasias benamningsovningupprepade ganger tittade pa lappavlasningen utan att forstforsoka hitta ordet sjalv. Detta resulterar i en harmning, vilketofta ar det sista stodet som ges vid traning hos en logoped. Ettsatt att losa detta ar att ge lappavlasningen tre svarighetsgrader.Med latt svarighetsgrad skulle hela lappavlasningen spelas uppoch ordet representeras aven skriftligt over bilden. Vid medel-svarighet skulle ovningen vara identisk med den nuvarande iaPhasia. Den mest utmanande svarighetsgraden skulle endastvisa den forsta delen av ordet. Upprepas videon tillrackligtmanga ganger bor efter hand hela lappavlasningen visas.

Det som saknas i nulaget ar aterkoppling till anvandarenhuruvida svaret ar korrekt eller ej. Vid logopedbesok gors dettakontinuerligt och i en pekplatta kan detta endast motsvaras avrostigenkanning. En bra rostigenkanning ar svar att konstrueraoch de alternativ som existerar idag till ett rimligt pris narinte upp till de krav som stalls. Det ar ytterst viktigt att geratt respons till patienten for att inte orsaka frustration elleravskracka fran vidare anvandning.

I en pekplatta kan anvandande av spegel efterliknas genomatt utnyttja den inbyggda kameran. I utvardering av detta fannsdet dock tva problem. Delvis att rikta kameran ratt da mangaovar med pekplattan liggandes pa en yta och inte vinklad direktmot ansiktet. Detta i kombination med patientens eventuellarorelsesvarigheter visade sig forsvara anvandandet. Det andraproblemet var att fa bilden tillrackligt skarp och inzoomad papatientens mun, vilket begransas av ljusinslapp, eventuell blixtfran plattan och kamerans upplosning. Eftersom hjalpmedletar tankt att vara sa enkelt som mojligt och inte kravandeav patienten ar det darfor bast att utelamna denna funktioni dagslaget.

6

Figur 8. Lasovning i aPhasia.

4) Lasa: I momentet lasa ska den bild som visas parasihop med korrekt alternativ fran en lista om fyra olika ord,se figur 8. Denna slags ovning aterfinns i annan mjukvara iliknande utformning och aven i mer komplicerad form dargrammatik och sprakforstaelse ingar. Nar anvandaren valjerett ord kommer ordet antingen andra farg till gront ellergratt beroende pa om det ar korrekt eller ej. Aven auditivaterkoppling ges da svaret ar korrekt. Anvandning av grattistallet for rott minskar risken for att patienten ska bli upprordeller ledsen over att ha fatt fel svar, vilket finns stor riskfor om patienten ar drabbad av depression. Den gra fargenhade kunnat vara lite dovare for att annu tydligare visa attalternativet redan har testats en gang men var fel. Det ar viktigtatt de ord som listas inte kan missuppfattas som ratt alternativ,exempelvis om bilden forestaller en fot och bade ”fot” och ”ta”finns med som alternativ. Alla ord tillhor i nulaget sammakategori. For ordet ”kaka” visas aven alternativen ”bulle”,”kaffe” och ”te”. Att alla ord tillhor samma kategori kanunderlatta att aktivera ratt kopplingar i hjarnan.

5) Skriva: Stavning av ordet gors genom att dra bokstavertill ratt plats i botten av skarmen, se figur 9. Placeras bokstavenratt fastnar den och vid felplacering aker den tillbaka till sinursprungliga slumpmassiga plats i mellersta delen av skarmen.Varierande svarighetsgrad bestammer om bokstaver ska visas ide rutor som de dras till eller inte. Vid latt svarighetsgrad visashela ordet svagt i rutorna, vid medel finns forsta bokstavenifylld och vid svar ar det ingen extra hjalp.

Denna ovning aterfinns i nagon form i manga av de andraprogramvarorna som har undersokts, och motsvaras vid logo-pedtraning av skrivning for hand. Avsnittet har upplevts fun-gera bra vid patienttester och det ar tydligt att forsta vad somforvantas. Nagot som har orsakat missforstand och svarighetatt genomfora ovningen har dock varit att bokstavernasslumpmassiga placeringar vid enstaka tillfallen har overlappatvarandra. En annan aspekt som ar viktig att ha i atankevid utformning av denna slags ovning ar patienternas fysiskaforutsattningar. Pa grund av eventuella rorelsesvarigheter ochnedsatt koordination hos patienten kan det vara svart att drabokstaverna till exakt ratt omrade, och det ar darfor viktigt attha en tillrackligt stor slappyta kring rutorna i bade horisontelloch vertikal led. En mojlighet som hade underlattat ytterligare

Figur 9. Skrivovning i aPhasia.

med tanke pa detta hade varit att anvandaren endast klickar paratt bokstav i turordning. Bokstaverna skulle sedan automatisktflyttas till ratt plats och pa sa satt skippas dragmomentet helt.

6) Statistik: I programmet finns en enkel raknare som hallerkoll pa hur manga ganger patienten har tranat pa varje ord. Omdenna statistik hade visats under exempelvis patientens profilhade det underlattat for logopeden att kunna se hur mycketsom ovats pa egen hand. For ytterligare aterkoppling skulle detfor varje ord kunnat raknas antal korrekta respektive inkorrektasvar. Da det i dagslaget inte finns nagon aterkoppling forbenamningsavsnittet kan detta tyvarr inte tas med i statistikenoch eftersom denna del ar sa central maste en avvagning gorasom det i nulaget ger tillrackligt mycket att visa denna statistik.

7) Forslag till nytt innehall: Mer an hundra utvalda sub-stantiv finns med i aPhasia. aPhasia stravar mot att forbattrabenamning, sprakforstaelse, lasning och skrivning och for attgora detta ar substantiv ett bra initiellt val. Det gar att hitta fleraolika substantiv for att beskriva det som vill uttryckas an vadsom kan goras med verb och adjektiv. Exempelvis kan verbetdricka och adjektivet torstig beskrivas med alltifran kopp, glasoch mugg till kaffe, vatten eller mjolk och om patienten lyckashitta ett av dessa ord kan den onskade betydelsen formulerasi grova drag. Det som framst saknas i aPhasias uppsattningav ord ar kanslor. Adjektiv som glad, ledsen, arg och kallar valdigt viktiga for det vardagliga livet och for att kunnaberatta om kanslor och onskemal. Att lagga till kanslo-ordsom komplement bor darfor vara nasta steg.

Adjektiv kan ovas pa liknande satt som substantiven. Vidbenamning kan de uttryckas i bilder pa exempelvis smileyseller temperaturmatare. Semantisk prompting kan med nyttaske genom anvandning av motsatsord som exempelvis varmoch kall genom ”Han ar inte varm. Han ar...”. Anvandning avdessa slags satser leder dessutom till minskad arbetsbelastningvid inspelning eftersom delar av meningarna kan ateranvandasoch ord sattas in i dem, i detta fall ”Han ar” och ”Han arinte”. For kanslo-ord sker lampligtvis lasning och stavning pasamma satt som tidigare. Pa detta satt halls igenkanningsnivanhog och darmed blir programmet sa enkelt att anvanda sommojligt.

Vid jamforelse med annat innehall som anvands hos logope-der och som ingar i de datorprogram som finns, ingar gramma-

7

tiska ovningar samt ovningar for djupare sprakforstaelse. Ensadan ovning i sprakforstaelse kan exempelvis utformas genomatt anvandaren utefter en mening ska trycka pa den bild somillustrerar ratt situation. Aven ovningar som handlar om siffror,klockslag, datum och anhorigas namn skulle kunna inkluderasi traningsprogrammet. Under hela processen ar det viktigt attlogopeden gor en bedomning om vilka ovningar som ska inga ivarje patients traningsprogram, och vager ovningens nytta motpatientens individuella forutsattningar for att anvandningeninte ska bli for komplicerad.

Orden kommer i bokstavsordning vilket har iakttagits varaett bra upplagg. Speciellt for afatiker med talapraxi underlattardet att ova pa liknande munrorelser och kunna associera till detidigare orden. Nagot som man anvander sig av vid behandlinghos logoped ar att om det blir fel pa sa satt att en bokstav inteuttalas ratt, ovas det nagra ganger pa att saga just det ljudet.Repetitionen underlattar for vidare upprepning av ordet. Enfunktion som med nytta kan utvecklas till aPhasia ar att vid deljud som kan vara svara att uttala lagga in en extra ovningsbildinnan alla ord som borjar pa detta ljud. Denna del skulle darkunna visas i skrift samt en animerad lappavlasning av just denstavelsen. Pa detta satt varms anvandaren upp innan orden somborjar pa samma late foljer. Forslaget som framtagits innebaratt logpeden ska valja vilka ljud och bokstaver patienten harsvart for, se figur 10.

En annan aspekt som skulle kunna utnyttjas ar att aktiveringav den friska hjarnhalvan kan leda till att det ord som tappatsar enklare att hitta. Detta kan dras nytta av genom att utnyttjapatientens kreativa sida genom exempelvis sang. Det kan varasvart att inkorporera detta i ett traningsprogram till pekplatta,men nagot som skulle kunna utnyttjas for semantisk promptingar rimmande. Dessutom kan automatiskt tal, sa som rabblandeav alfabetet eller ”Hej, jag heter...” vara en slags promptingsom underlattar att hitta ratt omrade i hjarnan.

Figur 10. Skiss pa forslag till installningsmeny inkorporerad i aPhasia.

E. Framtidsutsikter

Nasta steg i arbetet med aPhasia ar att lata fler patienteroch logopeder komma i kontakt med detta traningsalternativ.Ur utvecklingssynpunkt behovs framst en bredare utvarderingav hur anvandare upplever produkten samt av effektiviteten avtraning med aPhasia. For att gora detta behovs en godkandetikansokan, vilket beror pa att forskningen avser manniskor.

Utvecklare av aPhasia har i nulaget en etikansokan pa gangmen den hann tyvarr inte bli fardig innan detta projekt.

I framtiden skulle aPhasia kunna laddas ned till egenpekplatta. Detta skulle vara bra for de patienter med kroniskafasi som inte langre ar i kontakt med sin logoped, sa att detrots detta ges mojlighet att trana och utveckla sin sprakligaformaga. For att genomfora detta behover beroendet av lo-gopedens selektion av ord, svarighetsgrad och andra val tasbort. Detta skulle lampligtvis ske genom att ett visst antalord genereras slumpvis och att alla typer av ovningar ochledtradsalternativ foljer i en given ordning. Nar sedan ord ovatspa ett visst antal ganger skulle de efterhand bytas ut mot nya.

For att programmet ska vaxa finns dessutom mojligheterfor att skapa ett anvandarforum kring programmet. Genomatt anvandare eller anhoriga kan lagga in egna ord i systemetalternativt ge en hint om onskade ord kan en databas utvidgassnabbare. Om ett valfungerande system for rostigenkanning ut-formas kan detta anvandas for ett initiellt test dar anvandarensprofil stalls in sa att ovningsval samt svarighetsgrad gene-reras. Detta skulle aven kunna utnyttjas for bedomning omovningarna for respektive ord har utforts korrekt. Vid tillaggav fler valmojligheter kan aven traning individualiseras ochegna listor av ord skapas.

F. Etik & Hallbar Utveckling

Vid overgang till pekplatta kommer ingen personlig datasom kan kopplas till en person att lagras i systemet. Deinstallningar som gors i patientens profil ar generella ochinte kopplat till den individuella personen i annat an vilkensvarighetsgrad, vilka slags ovningar och vilka ord som skainga. Under moten med patienter under projektets gang haringa personuppgifter noterats. Patienterna har varit frivilligaoch medvetna om projektets utformning. Logopederna sommedverkat vid besoken har kontinuerligt forsakrat sig om attallt kanns bra for patienten och avbrutit traningen sa fort nagothar verkat kannas jobbigt for patienten. Det ar alltid viktigt attha patienternas maende i huvudfokus. Det ar speciellt viktigtatt ha i atanke att de ofta kan vara extra kanslomassiga ochbefinner sig i en pafrestande situation.

Vid overgang till pekplatta maste vi fraga oss om vi pa bastasatt skyddar deras kanslor och inte kranker deras integritet. Forsomliga patienter kan det kannas mindre personligt att tittaned i en pekplatta istallet for pa personen som sitter mittemot,vid anvandning av pekplattor under logopedtraning, och forandra kan det kannas battre for att prestationsangesten minskar.Det ar darfor viktigt att logopeden i varje enskilt fall utgarfran den enskilda patientens fall och fragar sig om anvandningav pekplatta ar gynnsamt. Med detta som grund ser vi ingensignifikant etisk nackdel under projektets informationssamlingeller vid overgang till pekplatta.

Enligt Brundtlandskommisionens ursprungliga definition avhallbar utveckling ska dagens behov tillfredsstallas utan attkommande generationers mojligheter att tillfredsstalla sinabehov aventyras. Det galler alltsa effektiv anvandning avbade ekonomiska och materiella aspekter. aPhasia uppfyllerdetta genom att effektivisera varden som ges pa flera olikasatt. Logopeders arbetstid effektiviseras till foljd av minskat

8

administrativt arbete, vilket leder till att mer tid kan laggas pabehandling. En mer tillganglig behandlingstid hos logopederi kombination med en forbattrad egentraning leder till enkortare och effektivare behandlingstid. Det kan i det langaloppet leda bade till kostnadsbesparingar for sjukvarden samtminskat antal resor till och fran logopedbesok vilket germinskade koldioxidutslapp. Dessutom leder aPhasia till attallt mer kan lagras i datorform vilket medfor en minskadpappersanvandning.

Nagonting som maste overvagas ar pekplattans livscy-kelanalys (LCA). aPhasia kan leda till okad produktionoch anvandning av plattor, speciellt bland den primaraanvandargruppen som lanas en platta av sjukvarden istalletfor att anvanda den de eventuellt sjalva ager.

V. SLUTSATSER

Ett forslag pa ett tekniskt hjalpmedel som efterliknar denbehandling som afasipatienter ges av logoped har tagitsfram, genom att utga fran applikationen aPhasia. Darefter harforbattringsforslag till aPhasia utformats. Manga faktorer tyderpa att anvandande av pekplatta ar ett bra satt att forbattraspraktraningen av personer med afasi vid mote med logopedmen framfor allt aven vid egentraning. Det finns ett fatalexisterande tekniska hjalpmedel riktade mot behandling avafasi pa den svenska marknaden, men inga som ar utformadefor denna plattform. Vid design av en sadan applikationbehover saval patientens fysiska och kognitiva forutsattningarsom verksamhetens utformning och logopedernas arbetsgangtas i beaktande.

VI. EFTERORD

Vi vill tacka vara kliniska handledare Nils-Gunnar Holmeroch Thomas Persson som foljt och stottat oss genom helaprojektet, samt Jean-Christine Eklund som med stort engage-mang forklarat sin ide, delat sina erfarenheter och hjalpt ossatt komma i kontakt med patienter och andra logopeder. Vivill aven tacka alla de patienter och logopeder som vi varit ikontakt med och som gjort detta arbete mojligt. Arbetet i dettaprojekt har utforts gemensamt av bada forfattarna.

REFERENSER

[1] L. Nestor. Afasi. http://stroke.se/afasi/ Hamtad: 2016-05-02.[2] J. Carpenter, L.R. Cherney. Increasing aphasia treatment intensity in an

acute inpatient rehabilitation program: a feasibility study Aphasiology,30:5, 542-565, 2016.

[3] Aphasia Software Finder. http://www.aphasiasoftwarefinder.org/Hamtad: 2016-04-29.

[4] Socialstyrelsens Statistikdatabas. http://www.socialstyrelsen.se/statistik/statistikdatabas/strokeHamtad: 2016-04-29.

[5] Afasiforbundet i Skane. Kognition http://www.skane.afasi.se/afasi/kognition/Hamtad: 2016-04-29.

[6] M. Lavoie, S. Routhier, A. Legare, J. Macoir. Treatment of verb anomiain aphasia: efficacy of self-administered therapy using a smart tabletNeurocase, 22:1, 109-118, 2016.

[7] P. Mbeleso, V.P. Senekian, E. Yangatimbi, A.Tabo, A.J. Zaoro-Kponsere,G.Z. Kette, B. Oundagnon. Depression post stroke in Africa: Myth orReality? Bulletin de la Societe de pathologie exotique, 107:5, 350-355,2014.

[8] Afasiforbundet i Sverige. Depression efter stroke ? vanligt men un-derskattat problem http://www.afasi.se/om-afasi/depression-efter-stroke-vanligt-men-underskattat-problem/ Hamtad: 2016-05-14.

1

Utveckling och automatisering av flodesmatningmed doppler-ultraljud inom fosterovervakning

Fredrik Hammar BME13, Johan Flinke BME13

Sammanfattning—Anvandningen av ultraljud ar idag vanliginom fosterdiagnostik. Utover visualisering av kroppens anatomikan ultraljud aven anvandas till flodeshastighetsmatningar ikroppen. Genom att uttnyttja det dopplerskifte som uppstarnar ultraljudet reflekteras mot roda blodkroppar i rorelsekan blodets flodeshastighet beraknas. Pa gravida kvinnorkan doppler-ultraljudsundersokning anvandas for att beraknablodflodet i navelstrangen, nagot som starkt korrelerar medfostrets blodcirkulation och darmed dess tillvaxt, utveckling ochvalmaende. Dopplerskiftet presenteras audiellt i samband medflodesmatningen. En erfaren sonograf kan darmed lyssna tillljudet och utrona flodets kvalite, en bedomning som ofta stammerbattre overens med verkligheten an vad ultraljudsmaskinenklarar av att berakna och presentera.

Pa Skanes Universitetssjukhus i Lund har en metodutvecklats for att kvantifiera det ljud som hors underundersokningen. Metoden ar manuell och syftar till att gekompletterande information om flodet i navelstrangen. Foratt underlatta anvandningen och spridningen av metodensa har en automatiserad berakningsmetod utvecklats iberakningsprogrammet MatLab som utgar fran den manuellametoden. Metoden samplar ljudinspelningar fran doppler-ultraljudsundersokningar och utfor en frekvensanalys. Darefterberaknas ljudets forstarkning vid olika frekvenser utifran Welchsmetod. Frekvensbandet dar ljudets maximala forstarkning haravtagit med 15 decibel registreras och anvands for attkvantifiera det karakteristiska ljud en sonograf lyssnar till foratt bedoma blodflodet. Den automatiserade berakningsmetodenhar jamforts med den manuella metoden utifran Bland-Altmansmetod. Resultatet visar pa att den automatiserade metodenstammer overens med den manuella. I framtiden skulle denautomatiserade metoden kunna erbjudas hos vardgivare sominte har tillgang till den expertis som kravs idag for att evalueraflodet genom att lyssna till dopplerskiftet.

Nyckelord: Ultraljud Doppler Navelstrang FrekvensanalysBland-Altman

I. INTRODUKTION

ULTRALJUD har sedan 1970-talet anvants inomobstetriken for att identifiera sjukliga tillstand

under graviditeten. I dagslaget utfors det varje arultraljudsundersokningar pa ungefar 100 000 gravida kvinnori Sverige for att tidigt upptacka eventuella komplikationer [1].

Att undersoka fostret med hjalp av ultraljud kan ske pa olikasatt beroende pa syftet med undersokningen. Generellt ar malet

Inlamnat den 8 juni 2016Emailadress:mte13fha@student.lu.se, mte13jfl@student.lu.seTeknisk handledare: Tomas Jansson, universitetslektor vid biomedicinsk

teknik, Lunds UniversitetKlinisk handledare: Jonas Brannstrom, universitetslektor vid logopedi,

foniatri och audiologi, Lunds Universitet

att fa fram tillracklig information for att utesluta riskgravidite-ter. Utover den traditionella metoden att skapa en visuell bildav fostret med hjalp av ultraljud kan en sa kallad doppler-ultraljudsundersokning utforas. Undersokningen utnyttjar detdopplerskifte som uppstar da en signal, exempelvis ljus ellerljud, sands ut av en kalla, eller reflekteras mot en yta, som ari rorelse. Konsekvensen blir att signalens frekvens forandrasberoende pa vilken hastighet som kallan eller reflektionsytanror sig med [2]. Signalens ursprungliga frekvens i kombinationmed den erhallna dopplerskiftade frekvensen kan anvandasfor att bestamma hastigheten pa kallan eller reflektionsmedietenligt ekvation 1.

fdopplerskiftat =vmedium − vmottagare

vmedium − vsandare× fkallan(1)

Genom att utnyttja att ultraljudet reflekteras mot rodablodkroppar i rorelse och dopplerskifte uppstar, sa kanblodflodeshastigheten beraknas i olika blodkarl. Inomobstetriken appliceras doppler-ultraljudsundersokning panavelstrangen mellan fostret och moderkakan. Navelstrangenbestar av tre blodkarl, tva artarer och en ven (se Figur 1) [3].De tva artarerna transporterar syrefattigt blod fran fostret tillmoderkakan medan navelstrangsvenen forser fostret med syre-och naringsrikt blod som mojliggor kontinuerlig utvecklingoch tillvaxt under graviditeten. Om syre- eller naringsbristskulle uppsta kan det resultera i en ofullstandig utvecklingvilket kan leda till allvarliga komplikationer och skador forlivet [4]. Hastigheten pa blodflodet i navelstrangens artarmats upp och beraknas med hjalp av det dopplerskifte somuppstar. Blodflodet i navelstrangsartaren pulserar tack varefostrets hjartslag och kan darfor ge information om fostretsblodcirkulation, nagot som ar av yttersta vikt eftersomblodcirkulationen starkt korrelerar med dess tillvaxt ochvalmaende i magen.

Figur 1. Navelstrangen i genomskarning. A. och B. ar navelstrangens artareroch C. ar navelstrangsvenen. [5]

2

I dagslaget presenterar ultraljudsmaskiner ett pulsatilt indexi samband med doppler-ultraljudsundersokningen. Syftet aratt kvantifiera det arteriella blodflodet i navelstrangen. Pul-satilt index ar en kvot och beraknas som differensen mellanden maximala systoliska hastigheten och den minsta diasto-liska hastigheten dividerat pa medelhastigheten under helahjartcykeln. Se ekvation 2 [6].

PI =MaxSystolic −MinimumDiastolic

vMedel(2)

Pulsatilt index har begransningar eftersom dethuvudsakligen reflekterar motstandet i det arteriellaflodet. Indexet paverkas aven av andra faktorer som tillexempel hjartkontraktiliteten, avstandet till hjartat ochblodviskositeten. Darfor kan samma varde pa pulsatilt indexvid olika undersokningar erhallas trots att blodflodet skiljersig at i de olika fallen. Thuring et. al. har funnit att dennaskillnad kan uppfattas i det dopplerskifte som uppstar isamband med flodesmatningen [4]. Dagens ultraljudsmaskinerberaknar en frekvens, ∆f , som representerar den forandringi frekvens som uppstatt pa grund av dopplerskiftet. Enfunktion pa ultraljudsmaskinen presenterar ∆f genomatt spela upp frekvensen som ett ljud i realtid underdoppler-ultraljudsundersokningen. Passande nog befinner sigfrekvensen ofta i det frekvensintervall som manniskans horselkan uppfatta och darmed lyssna till. En erfaren sonografkan da lyssna pa ∆f och urskilja huruvida blodflodet inavelstrangen ar bra eller daligt. Pa sa satt kan ytterligareinformation om fostrets blodcirkulation utlasas.

Figur 2. Exempel pa hur ultraljudsmaskinens skarm presenterar informa-tion vid en doppler-ultraljudsundersokning. Kurvan visar flodeshastighet pertidsenhet i den undersokta navelstrangsartaren. Vid berakning av pulsatiltindex (se ekvation 2) representerar punkt A; MaxSystolic och punkt B;MinimumDiastolic.

Idag aker blivande modrar fran stora delar av landet tillSkanes Universitetssjukhus i Lund for att utfora doppler-ultraljudsundersokning, detta for att en erfaren sonograf skallkunna narvara och lyssna till blodcirkulationen.

En manuell metod for att kvantifiera det som horshar utarbetats av Thuring et al [4]. I metoden utfors enfrekvensanalys pa ljudet som spelas upp i samband medflodehastighetsmatningen. Huvudsakligen utnyttjas tva

parametrar, det frekvensband med maximalt energi-innehallsamt det frekvensband dar energi-innehallets forstarkninghar avtagit med 15 decibel i forhallande till den maximalaenergin. Dessa parametrar aterspeglar den skillnad som kanhoras i undersokningen och verkar ha en battre kanslighet anpulsatilt index i atergivandet av blodflodet i navelstrangen.

I rapporten presenteras en automatiserad berakningsmetodfor att kvantifiera det karakteristiska ljud som hors underundersokningen och anvands for att bedoma huruvida flodetar normalt eller ej. Den automatiserade berakningsmetodenutgar fran den befintliga manuella metoden men skall i storstamojliga man vara helt automatisk. Syftet med foljande rapportar att utreda om den automatiska berakningsmetoden fungerarlika val som den manuella.

Avsikten med berakningsmetoden ar att pa ett enkeltsatt presentera ljudets frekvensinnehall sa att personal utanden erfarenhet och expertis som kravs idag kan tolka omblodcirkulationen hos fostret inte ar tillrackligt bra, trots attpulsatilt index antyder nagot annat. Detta innebar att manskulle kunna sprida kunskapen till fler delar av landet ochvarlden. I framtiden skulle varden besparas tid och resurserda berakningen kan utforas i samband med de rutinmassigaundersokningar som redan gors idag.

Rapporten kommer att beskriva hur den automatiseradeberakningsmetoden fungerar fran det att ett ljudspar lasesin till det att ett resultat presenteras. Metoden kommer attevalueras genom att resultatet fran flera ljudspar jamforas medresultatet fran tidigare manuella berakningar. Darefter foljeren diskussion om metodens potentiella utvecklingsmojlighetersamt fordelar och nackdelar gentemot dagens analysmetoder.

II. DATA

Den data som har anvants till att utarbeta och evalueraden automatiserade berakningsmetoden bestar av 110 styckenljudfiler. Ljudfilerna bestar av inspelningar av det dopplerskiftesom uppstar i samband med doppler-ultraljudsundersokningarpa foster. Inspelningarna har gjorts av Ann Thuring i sambandmed undersokningar pa Skanes Universitetssjukhus i Lund.

Varje ljudfil innehaller ett ljudspar i filformatet .wav ochar mellan 3 till 18 sekunder langt. Viktigt ar att det inspeladeljudet minst tacker over tva perioder vilket motsvarar tvahjartcykler for att sakerstalla att frekvensatergivningenblir korrekt. Da metoden skapar ett medelvarde avfrekvensinnehallet kommer fler cykler innebara att tillfalligastorningar far minskad paverkan.

Ljudsparen fran inspelningarna vid undersokningarna bestarav tva ljudkanaler. Det innebar att ljudsparets informationar sparat i tva olika ljudkanaler. Inspelningsutrustningenhar samplat ljudet till de tva kanalerna beroende pa flodetsriktning. Den ena kanalen samplar det dopplerskifte somuppstar nar flodet fardas mot givaren, vilket innebar attdet reflekterade ultraljudet far en hogre frekvens. Den

3

andra kanalen samplar det dopplerskifte som uppstar narflodet fardas bort fran givaren som i sin tur innebar att detreflekterade ultraljudet far en lagre frekvens.

Navelstrangen ar slumpmassigt orienterad inuti livmodernoch det kan vara svart att traffa exakt ratt pa de intressantaartarerna vid en undersokning. Detta innebar att det iblandaven samlas in oonskad information som exempelvis bruseller flodesinformation fran den narliggande venen i sambandmed undersokningen. Det betyder att det kan vara svart attforutse at vilket hall det intressanta arteriella flodet ror sig atoch darav aven svart att forutse vilken av ljudkanalerna somar den informationsbarande.

I Figur 3 kan tva grafer ses. Vardera graf representerarsamplat ljud i en ljudkanal. Tillsammans bygger de tva ljud-kanalerna upp ett ljudspar. For att utfora metoden pa ljudetmaste man veta vilken kanal som ar den informationsbarandekanalen. Detta kan avgoras genom att titta pa ljudets energi-innehall dar den kanal med hogst sammanlagd energi mesttroligt ar den informationsbarande.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tid (s)

-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

Sam

pelv

ärd

e

Kanal 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tid (s)

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

Sam

pelv

ärd

e

Kanal 2

Figur 3. Visualisering av de tva kanalerna i ett ljudspar. Kanal 2 visar detpulserande ljudet fran det arteriella flodet.

III. METOD

Avsnittet ar uppdelat i tva delar. Den forsta delen behandlarberakningsmetodens uppbyggnad och forklarar hur den arimplementerad for att analysera det inspelade dopplerskiftet.Det andra avsnittet behandlar hur den automatiserade metodenhar evaluerats och hur resultatet har jamforts med de manuellaberakningar som tidigare gjorts.

A. Berakningsmetoden

Berakningsmetoden har utarbetats med hjalp avberakningsprogrammet och programspraket MatLab (versionR2015b). I koden som bygger upp berakningsmetodenspecificerar anvandaren forst en ljudfil som skall analyseras.En forutsattning for att metoden skall fungera ar att filenar en ljudfil i filformatet .wav. Ljudet som representeras iljudfilen samplas av MatLab med funktionen audioread [7].

Funktionen samplar med samplingfrekvensen 48 000 Hz. Detva ljudkanalerna representeras i MatLab av tva olika vektorerdar varje sampelvarde for respektive ljudkanal sparas ned imotsvarande vektor.

Som tidigare namnt (se Data), ar det av yttersta vikt att vetavilken kanal som innehaller den intressanta informationenoch darmed vilken ljudkanal som berakningen skall utforaspa. Valet gors genom att jamfora det totala energi-innehalletfor det samplade ljudet i respektive ljudkanal. Som avenvisas i Figur 3 har ljudkanalen som samplat det arteriellapulserande flode en hogre sammanlagd energi jamfort medden ljudkanalen som endast samplat brus eller backflode.Metoden valjer automatiskt kanal baserat pa vilken ljudkanalsom innehaller mest energi och darmed den vardefullainformationen.

Efter valet av ljudkanal sa transformerar berakningsmetodendet samplade innehallet fran tidsplanet till frekvensplanet.Transformationen sker med Welchs Metod och syftet ar attuppskatta ljudets frekvensinnehall och berakna signalensforstarkning vid olika frekvensband [8]. Metoden utgar franatt hela signalen delas upp i ett visst antal datasegment,som overlappar varandra med 50 %. Segmenten bestar av2048 sampel och kommer saledes overlappa varandra med1024 sampel. Pa varje segment appliceras en fonsterfunktionvilket innebar att varje segment av ljudsignalen multiplicerasmed en funktion, i metodens fall ett Hamming-fonster. EttHamming-fonster ser till att datan i segmentet gar mot nolli andarna av segmentet. Pa det viset minskas inverkan avsidlober sa att en battre frekvensatergivning erhalls. Dareftertransformeras varje segment med en diskret Fouriertransformfor att overfora informationen till frekvensplanet (Se Figur4).

Den ursprungliga signalen medelvardesbildas genom attinformationen i samtliga transformerade segment summerasoch sedan divideras pa antalet segment. Syftet med Welchsmetod ar att skapa en hogre frekvensupplosning i analysenav ljudet fran flodesmatningen. Tack vare Welchs metod saundertrycks storningar automatiskt samt att problem gallandeperiodiciteten i ljudsignalen, exempelvis om ljudfilen brytsmitt i en hjartcykel, ger en minskad paverkan tack varemedelevardesbildningen pa samtliga segment.

I samrad med utvecklarna av den manuella metoden hardet intressanta frekvensintervallet definierats till att borja forstefter 150 Hz. Detta beror pa att den utrustning som spelarupp ljudsignalen har svart att presentera horbara ljudsignalerav frekvenser lagre an 150 Hz. Den ovre gransen, 2500 Hzhar valts for att effektivisera berakningen da ingen vardefullinformation forvantas over denna grans. Signalens frekven-sinnehall utanfor detta intervall tas ej i beaktning och analy-seras darfor ej. Forstarkningen for samtliga frekvenser i detutvalda omradet omvandlas till decibelskala. Det innebar attenergin omvandlas enligt ekvation 3 dar Gamplitud motsvararden samplade medelvardesbildade energinivan och GdB armotsvarande varde i decibelskala.

4

Figur 4. Welchs metod. A: Signalen samplas och lases in. B: Signalendelas upp i 50 % overlappande segment. C: Varje segment multipliceras medett Hamming-fonster. D: Frekvensinnehallet i varje segment beraknas medhjalp av en diskret Fouriertransform. E: Samtliga transformerade segmentmedelvardesbildas. Tillfalliga storningar, brus och liknande slacks ut.

GdB = 10 ∗ log10(Gamplitud) (3)

Den maximala forstarkningen och motsvarandefrekvensband (fMax) lokaliseras och noteras. Dareftersoker metoden upp och registrerar vid vilket frekvensbandden maximala forstarkningen har sjunkit med 15 decibel(fMax−15dB).

fMax och fMax−15dB sparas ned i en resultatmatristillsammans med ljudfilens namn. Berakningsmetodenmojliggor for anvandaren att visuellt granska berakningen,detta genom att presentera frekvensinnehallet i ett diagram(Se Figur 5).

Darefter skrivs vardena pa de tva frekvensbanden ut.

B. Evaluering/jamforelse

For att evaluera metoden har en jamforelse med tidigaremanuella berakningar gjorts. Skaparna bakom den manuellametoden har latit forfattarna till rapporten att ta del av 110ljudfiler inspelade vid doppler-ultraljudsundersokningar. Itillagg till ljudfilerna har aven resultatet fran den manuellaberakningen tillhorande dessa ljudfiler erhallits. Beraknadevarden pa fMax−15dB ar de varden som kommer att jamforasfor respektive ljudfil och berakningsmetod.

En modifikation har gjorts i koden sa att metoden iterarigenom samtliga 110 ljudfiler och utfor berakningen pavarje ljudfil. Funktionen att presentera frekvensanalysen i ettdiagram har inaktiverats da det inte ger nagon information hurmetoderna forhaller sig till varandra. Vardefull information(ljudfilens namn, fMax och fMax−15dB) sparas ned i enresultatmatris.

Nar metoden itererat igenom alla ljudfiler och alla vardenhar lagrats, skapar MatLab en Microsoft Excel-fil till vilkenresultatmatrisen skrivs ut i form av en tabell. Detta gor detmojligt att enklare na och exportera informationen efter attberakningmetoden utforts.

Bara for att tva olika metoder mater samma parameterkan det inte forutsattas att de ger samma resultat. For att tareda pa hur val de varden berakningsmetoden beraknar ochger tillbaka overensstammer med tidigare resultat behovermetoden evalueras. For att jamfora metoderna har tva typerav jamforelser overvagts, Pearsons korrelationskoefficientoch Bland-Altmans metod. Valet har gjorts att inte studeraPearsons korrelationskoeffecient utan istallet anvanda sigav Bland-Altmans meotd. Ar 1983 forklarade Bland ochAltman att korrelationskoefficienten inte nodvandigtvis visarpa overensstammelse mellan tva metoder [9]. Tva metoderkan korrelera val samtidigt som resultaten fran de badametoderna skiljer sig stort. Detta beror ofta pa att skillnadenmellan tva matvarden ar mycket storre an skillnaderna i utfallav de olika metoderna.

For att evaluera och jamfora berakningsmetoden med detidigare referensvardena har alltsa Bland och Altmans egenmetod anvants [9]. Varje ljudfil representeras av en matpunkt.Varje matpunkt innehaller tva matvarden pa fMax−15dB .Matvardena skiljer sig utifran att de har beraknats med olikametoder. Darefter presenterats jamforelsen i ett diagram darvarje matpunkt ritats ut utifran ekvation 4.

S(x, y) = (S1 + S2

2, S1 − S2) (4)

Det innebar att skillnaden mellan matvardena ritats ut pa y-axeln gentemot medelvardet av de tva matvardena pa x-axeln.For att titta pa den procentuella skillnaden mellan metodernahar aven en jamforelse gjorts och ritats ut i ett diagram utifranekvation 5. Detta ar anvandbart for att enklare kunna draslutsatser om hur variansen okar eller minskar i takt med attmedelvardet for de tva matningarna okar. Detta innebar attman lattare kan se om den automatiserade berakningsmetodenblir mer eller mindre tillforlitlig for hogre frekvenser.

S(x, y) = (S1 + S2

2,S1 − S2

Sx) (5)

Resultatet for samtliga 110 har ljudfiler har ritats ut ochsammanstallts i respektive diagram. I diagrammen har avenett 95 % konfidensintervall for normalfordelade varden ritatsut.

I evalueringen har vardet pa fMax−15dB anvants for attjamfora metoderna.

IV. RESULTAT

A. Berakningsmetoden

Vid exekvering ritar berakningsmetoden ut resultatet avfrekvensanalysen i ett diagram, se Figur 5. Dessutom ritashjalplinjer ut som visualiserar den berakning som gjorts pafrekvensanalysen. Hjalplinjerna visar fMax och fMax−15dB .

5

Frekvens (Hz)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Magnitud (

dB

)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

(840, -59)

(272, -44)

Frekvensanalys

Figur 5. Frekvensanalys som visar ljudsignalen innehall i frekvensplanet.Ljudsignalens forstarkning (dB) har ritats ut pa y-axeln mot frekvensbandet(Hz) pa x-axeln. I tillagg visas den maximala forstarkningen samt nar den harsjunkit med 15 dB. Observera att x-axeln ar inzoomad fran 2500 Hz till 1600Hz for att tydligare visa den vardefulla informationen.

B. Evaluering/jamforelse

Vid analys av samtliga 110 ljudfiler skriver MatLabover resultatmatrisen till ett Microsoft Exceldokument.Resultatmatrisen bestar av varje ljudfils namn tillsammansmed de tva intressanta frekvensbanden fMax och fMax−15dB .

I Figur 6 och 7 visas resultatet av jamforelsenmellan de manuella berakningarna och den automatisera-de berakningsmetoden. Jamforelsen ar gjord utifran Bland-Altmans metod for jamforelse av medicinsk statistik [9].

Figur 6. Bland-Altman diagram som visar skillnaden mellan metodernagentemot medelvardet for de tva matvardena i varje matpunkt. De linjeradelinjerna representerar ett 95% konfidensintervall for normalfordelade vardenvilket motsvarar ± 1.96 standardavvikelser.

Diagrammet i Figur 6 visar att den automatiseradeberakningsmetoden visar ett lagre varde pa frekvensbandetan den manuella. Medelvardet av skillnaderna ar −13 Hz.En stor majoritet av matpunkterna ligger innanfor det 95 %konfidensintervallet och konfidensintervallet stracker sig overvardet 0 vilket innebar att metoderna stammer overens [10].Utover den negativa forskjutningen finns det inget tydligtmonster pa matvardena som skulle pavisa nagot systematiskteller frekvensberoende fel. Ytterligare information kan utlasasur Figur 7 nedan. I Figur 7 presenteras skillnaderna mellan

metodernas matvarden istallet i procent (se y-axel i Figur 7).

Figur 7. Bland-Altman diagram som visar skillnaden mellan metodernagentemot medelvardet for de tva matvardena i varje matpunkt. De linjeradelinjerna representerar ett 95% konfidensintervall for normalfordelade vardenvilket motsvarar ± 1.96 standardavvikelser. I bilden presenteras bade skill-naderna och konfidensintervallet som procentsatser av medelvardet av de tvamatningarna.

V. DISKUSSION

Berakningsmetoden verkar i hog grad gora det somefterfragas. Den klarar av att lasa in ett inspelat ljud fran endoppler-ultraljudsundersokning, ta reda pa vilken ljudkanalsom ar informationsbarande och utfora den berakning som kankvantifiera det karakteristiska ljudet som en sonograf lyssnartill for att utlasa mer information fran en flodesmatning panavelstrangen.

Jamforelsen som ar gjord enligt Bland-Altman metodenvisar pa att den automatiserade berakningsmetoden stammerval overens med de manuellt beraknade vardena. Diagrammeti Figur 6 tyder pa att medelskillnaden mellan metodernaar 13 Hz, dar den automatiserade berakningsmetoden imedelfallet beraknar en lagre frekvens. Figur 7 visar avenden att metoderna stammer val overens, men figuren visaraven pa att den procentuella skillnaden mellan de tvamatningarna minskar for hogre frekvenser. Detta innebaratt den automatiserade berakningsmetoden stammer battreoverens med den manuella metoden om fMax−15dB intraffarvid hogre frekvenser.

I stort sett ligger alla varden innanfor de tva streckadelinjerna i diagrammet som motsvarar ett 95% konfidensintervalfor normalfordelade varden. I Figur 6 ligger tva punkterutanfor intervallet och skiljer over 60 Hz, men ser manprocentuellt i Figur 7 sa ligger endast en av dessa punkterutanfor konfidensintervallet. En viktig fraga man kan stallasig ar huruvida detta ar tillrackligt bra. Vidare ar det ar ocksaviktigt att poangtera att Bland-Altman diagram visar hur valtva metoder overensstammer med varandra och sager ingetom metoderna ar acceptabla att anvandas kliniskt. Detta maste

6

istallet definieras i hur val metoderna maste overensstamma isamband med att ta hansyn till risker, anvandbarhet och syftetmed metoden.

Det som ocksa maste ifragasattas ar kvalitetenpa de referensvarden vi jamfor den automatiseradeberakningsmetoden med. Med tanke pa att de ar manuelltframtagna spelar den manskliga faktorn in i storreutstrackning. Infor varje manuell analys har dessutomljudfilerna bearbetats och klippts till sa att endast ett helt antalperioder av hjartcykler har analyserats. Det innebar att de tvaolika metoderna inte analyserat exakt samma ljudsekvenser.Den automatiserade metoden har i samtliga fall analyserathela ljudfilen oavsett antal perioder.

Om Frekvensanalysen visar att forstarkningen ar konstanthog mellan 0 och 150 Hz (se Figur 8a.) forutsatter metodenatt den maximala forstarkningen tros vara runt 150 Hz ochresultatet antas vara tillrackligt bra. Om det daremot finns entydlig maximal forstarkning pa exempelvis 130 Hz samtidigtsom energin i ovrigt pa frekvenser mellan 0 och 130 Hz(se Figur 8b.) ar lag sa borde metoden istallet anvanda sigav den maximala forstarkningen vid 130 Hz. Vid ett sadantfall aterger metoden en maximal forstarkning som inte arhelt korrekt. Detta ar en begransning for den automatiseradeberakningen. Vid en manuell berakning ar det mojligt att forvarje ljudfil bedoma och energi-innehallet i frekvensanalysen.Detta kan ocksa bidra till de skillnader i resultat som finnsmellan metoderna.

Figur 8. Tva olika fall som metoden inte klarar av skilja pa. I bagge fallenpekas den maximala forstarkningen ut vid samma frekvensband.

Det finns potential att utveckla metoden ytterligare.En mojlig vidareutveckling ar att forenkla anvandingenav metoden. For tillfallet kraver det viss vagledning ochgrundlaggande programmeringskunskap att anvanda metoden.Pa sikt skulle man kunna skapa ett anvandargranssnitt ellerfristaende mjukvara som kan forenkla anvandningen for denoerfarna anvandaren. Analysen kraver aven att ljudet spelasin, omvandlas till filformatet .wav och sedan overfors tillen extern dator med tillgang till MatLab och den kod sombygger upp berakningsmetoden. Med ett fristaende programskulle man slippa kravet pa MatLab, dock skulle fortfarandeljudet behovas spelas in och lagras pa en extern dator.

En mojlig losning skulle vara att implementera kodendirekt i de ultraljudsmaskiner som finns och anvands vidundersokningarna. Exempelvis skulle da den person somutfor den rutinmassiga undersokningen valja funktionen paultraljudsmaskinen da fostret ligger stilla och en bra signalkan erhallas. Darefter skulle bilden med frekvensanalysenoch tillhorande intressanta frekvensband presenteras. Istalletfor att sampla ljudet som spelas upp av ultraljudsmaskinenoch transformera det till frekvensplanet skulle da mjukvara imaskinen direkt analysera de olika frekvenser dopplerskiftetbestar av och som maskinen samtidigt spelar upp forsonografen. Detta skulle vara en mycket enkel anvandningav berakningsmetoden som ett komplement till bland annatPulsatilt Index. Detta ar dock en lang och komplicerad processoch kraver ett samarbete med ultraljudsmaksinleverantoren.

Ett annat omrade metoden kan utvecklas pa ar de krav somstalls pa ljudfilen som lases in. Nu klarar metoden endast avljudfiler i filformatet .wav med ej fler an tva ljudkanaler. Enutveckling skulle kunna vara att metoden antingen klarar avfler filformat och da inte bara fler ljud-filformat utan avenklara av till exempel analysera ljud tillhorande video-filformatda rorlig bild med tillhorande ljud har spelats in vid endoppler-ultraljudsundersokning. Dessutom lases hela filen inoavsett langd. Detta skulle kunna modifieras sa att metodenraknar antalet hela perioder av hjartcykler och pa sa sattundviker att analysera for korta inspelningar med otillrackliginformation eller for langa inspelningar med overflodiginformation. Ju langre de ar desto battre kommer medelvardetrepresentera flodet men samtidigt kommer det kravas mer avdatorns kapacitet och kommer ta langre tid att berakna ettresultat. Det blir alltsa en fraga om hur bra som ar bra nogoch till vilket pris i form av tid, datorkapacitet och liknande.

En yttre felkalla som ocksa kan paverka hur bra metodenfungerar och aterspeglar flodet ar ljudkvaliteten. Dels berorden pa vilken inspelningsutrustning som har anvants men detar dessutom viktigt att den operator som utfor undersokningenlyckas fokusera pa just det flodet som ar av intresse. Genomatt valja ett lampligt djup och en lamplig riktning erhallsen bra fokusering och darmed en bra ljudkvalitet med rattinformation. Metoden kan da latt urskilja vilken ljudkanalsom skall analyseras och resultatet blir ett korrekt vardepa frekvensbandet. Det kan ocksa diskuteras huruvidainformationen i den bortvalda ljudkanalen kan vara intressantoch ge ytterligare information om flodet. Till exempel omstorleken pa ett eventuellt backflode och hur det forhaller sigtill det arteriella flodet.

Ann Thuring, som utfort dessa undersokningar i fleradecennier, beskriver att det inte ar helt latt att fa fram ett braresultat fran undersokningen. Varken moder eller foster farrora pa sig utan maste vara stilla. Sedan maste operatoren hittaen passande del av navelstrangen och darefter fa fram ett brafokus. Minsta rorelse paverkar fokus och proceduren borjarom. Undersokningen blir alltsa en avvagning mellan tid ochkvalitet. En dalig eller felaktig fokusering av flodesmatningenkan orsaka fel i berakningsmetoden.

7

Dopplerskiftet fran flodet hamnar i olika ljudkanalerberoende pa flodets riktning. Om en stor del av navelstrangensven istallet for nagon av artarerna hamnar i fokus kommerden distinkta skillnaden i energi mellan ljudkanalerna viden bra fokusering minska. En mojlighet ar da att metodenvaljer fel ljudkanal och mangder av foljdfel kommer attuppsta i berakningarna da fel ljudkanal, och darmed ocksa felblodflode, analyseras.

I jamforelsen mellan de tva metoderna har samma ljudfileranvants och darav borde inte ljudkvaliteten och fokuseringsa-spekten spela nagon roll.

A. Etik & Hallbarhet

Att utfora en doppler-ultraljudsundersokning pa ennavelstrang kan ta relativt lang tid. Eftersom barnet masteligga stilla i magen for att optimal signal skall erhallas, sakan det ta uppemot en timme innan detta sker. Eftersomultraljudssignaler utvecklar varme i kontakt med vavnad sakan en for lang undersokning vara av obehag eller till ochmed orsaka skada pa fostret eller modern [1]. Darfor ar deten avvagning om nyttan med undersokningen i forhallandetill skadan. Idag finns det riktlinjer for att minska riskenvid ultraljudsundersokningar. Exempelvis skall ultraljudendast anvandas i diagnostiskt syfte och av utbildad personal.Man efterstravar dessutom sa kort undersokningstid sommojligt tillsammans med att inte anvanda hogre intensitet annodvandigt.

Idag utfors undersokningen pa riskgraviditeter, dar manredan har nagon annan indikation pa felaktigheter undergraviditeten. Det skulle dock kunna vara av varde att utforaundersokningen pa fler, men da maste man som sagt gora enavvagning om nytta kontra skadan. Det ar ocksa en fraga omdet skulle effektivisera upptackten av riskgraviditeter, skulleman verkligen upptacka fler an idag? Gar det i sa fall attmotivera ur ett tids- och ekonomiskt perspektiv?

Det ar svart att uttala sig om ultraljudets paverkan pa miljonmen ur hallbarhetssynpunkt bor det tillaggas att det finns ettvarde i mojligheten att kunna utfora undersokningen pa flerasjukhus i landet, for att dels undvika transport av patientermellan landsting men ocksa for att underlatta vardkon pastorre sjukhus. Att dessutom anvanda sig av en automatiseradberakningesmetod innebar att resurs- och tidsatgang skullekunna minskas och darmed vara intressant aven ur ett eko-nomiskt perspektiv.

VI. SLUTSATSER

Jamforelsen enligt Bland-Altmans metod samt diskussionmed utvecklare av den manuella metoden visar pa att metodenuppfyller sitt syfte pa ett tillfredsstallande satt. Det finnsen liten avvikelse mellan metoderna men det finns mangapotentiella felkallor. Tolkning av berakningsmetodens resultatkraver fortfarande viss expertis, men bor vara nagot forenklat

i forhallande till att dra slutsatser fran att lyssna pa dopp-lerskiftet. Det finns mojligheter att forbattra metoden for attunderlatta anvandningen samt gora metoden mer effektiv ochtillganglig.

VII. EFTERORD

Vi skulle vilja rikta ett stort tack till projektetstekniska handledare Tomas Jansson, universitetslektorvid avdelningen for biomedicinsk teknik, och projektetskliniska vagledare Jonas Brannstrom, legitimerad audionomoch universitetslektor vid Lunds universitet. De har visat stortengagemang i vart projekt och alltid varit nara till handsfor diskussioner som fort projektet framat och mojliggjortutvecklingen av berakningsmetoden. Ett extra tack riktasocksa till Ann Thuring, biomedicinsk analytiker pa SkanesUniversitetssjukhus i Lund, som med sin langa erfarenhetinom omradet och engagemang varit en stor inspirationskalla.

Arbetet med detta projekt har genomforts genom lika delatansvar mellan de bada forfattarna.

REFERENSER

[1] H. Almstrom et. al. ”Obstetriskt Ultraljud” Svensk forening for Obs-tetrik och Gynekologi , vol. 73, 2014.

[2] G. Jonsson. ”Vaglara och Optik” , femte upplagan,pp. 82-96, 2013.[3] Hill, M.A. (2016) Embryology,”Cord - Placenta”

https://embryology.med.unsw.edu.au/embryology/index.php/Placenta−Cord [Hamtad 2016-05-10]

[4] A. Thuring, K. Jonas Brannstrom, T. Jansson, K. Marsal. “Audio spect-rum analysis of umbilical artery Doppler ultra- sound signals applied toa clinical material.” Obstetricia et Gynecologica Scandinavica, vol. 93,pp. 1320–1324, 2014.

[5] Bild av Ed Uthman, MD. (http://www.flickr.com/photos/euthman/3276268079/) [CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)],via Wikimedia Commons [Hamtad 2016-05-05]

[6] Dr. Avni K P Skandahan et. al ”Uteroplacental blood flowassessment”http://radiopaedia.org/articles/uteroplacental-blood-flow-assessment [Hamtad 2016-05-07]

[7] Mathworks Matlab Documentation, ”Audioread”,http://se.mathworks.com/help/matlab/ref/audioread.html [Hamtad2016-05-05].

[8] Mathworks Matlab Documentation, ”Welch’s po-wer spectral density estimate - MATLAB pwelch”,http://se.mathworks.com/help/signal/ref/pwelch.html [Hamtad 2016-05-18].

[9] J. Martin Bland, Douglas G. Altman. “Statistical methods for assessingagreement between two methods of clinical measurement” InternationalJournal of Nursing Studies, vol. 47, pp. 931–936, 2010.

[10] L. Olbjer. “Experimentell och Industriell Statistik”, Femte upplagan,2000.

[11] MATLAB Release 2015b The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts,United States

8

Bilaga

Bilagan innehaller berakningsmetoden. Programmet ar skrivet i berakningsprogrammetoch programmeringsspraket MatLab (version R2015b).

%Las in och sampla ljudfilensample = 'doppler insp.wav';[B,FS] = audioread(sample);

%ljudspar 1Y = B(:,1);sum 1 = sumabs(Y);%Ljudspar 2Y 2 = B(:,2);sum 2 = sumabs(Y 2);

%Jamfor energiernaif sum 2 > sum 1

Y = Y 2;end

%% Frekvensanalys m.h.a. Welchs metod

% Segmentstorlek: 2048 sampel, steglangd: 1024 sampel.[gain, f] = pwelch(Y,2048,1024,length(Y),FS,'power');%Omvandla till dB-skalagain db = 10*log10(gain);

figure %Rita ut frekvensinnehalletplot(f, gain db);hold onaxis([0 2500 -100 -40]);ylabel('Magnitud (DB)');xlabel('Frekvens (Hz)')

%% Lokalisera intressanta frekvensband inom utvalt omrade (150 Hz - 2500 Hz)lowlimit = 150;highlimit = 2500;% Sample som motsvarar frekvens 150 Hz.lowlimit sample = round(lowlimit*2*length(f)/FS);% Sample som motsvarar frekvens 2500 Hz.higlimit sample = round(highlimit*2*length(f)/FS);

% "Klipp ut" det utvalda omradet.gain db interval = gain db(lowlimit sample:higlimit sample);

%Sok upp maximal forstarkning och motsvarande sampel.[db max, sample max] = max(gain db interval);%Omvandla till frekvensfreq max = (sample max+lowlimit sample-1)*FS/length(f)/2;

%Berakna maximal forstarkning minus 15 dBdb max 15 = db max - 15;

9

%Lokalisera hogre sampel da forstarkningen avtagit 15 dBfor i= sample max:length(gain db interval)

currentValue = gain db interval(i);diff = abs(currentValue - db max);if diff > 15

sample max 15 = i;break

endend

%Vilken frekvens motsvarar detta sampel.freq 15 = (sample max 15+lowlimit sample-1)*FS/length(f)/2;

%Rita ut for maximal forstarkningplot([0 freq max],[db max db max]);line([freq max freq max],[-100 db max]);%Skriv ut koordinater/varden i diagrametstr max = [num2str(freq max),', ', num2str(db max)];text(freq max,db max,str max);

%Rita ut for maximal forstarkning minus 15 dB ochplot([0 freq 15],[db max 15 db max 15]);line([freq 15 freq 15],[-100 db max 15]);%Skriv ut koordinater/varden i diagrametstr max 15 = [num2str(freq 15) ,', ', num2str(db max 15)];text(freq 15,db max 15,str max 15);

%skriv ut frekvensband for maximal forstarkningfreq max%skriv ut frekvensband da maximal forstarkning avtagit 15 dBfreq 15

1

Utveckling av system for flodesmonitorering vidhjartevaluering

Mikaela Giegold (BME–13), Mathilda Janson (BME–13)

Sammanfattning—Syftet med projektet var att ta fram en upp-stallning for flodesmonitorering i samband med hjartevaluering,genom att kontinuerligt mata hjartats vikt. Uppstallningen kom-mer fylla en viktig sakerhetsfunktion i en produkt som i nulagetutvecklas pa Igelosa Life Science AB. Denna produkt amnartesta formagan hos donerade hjartan for att utreda om dessaklarar av att forse mottagarpatienten med tillrackliga mangderblod. Detta kommer utgora en metod for att avgora organetslamplighet infor transplantation.

Efter en marknadsanalys inforskaffades den hardvara sommojliggjorde uppmatning av viktfluktuationer hos hjartat. Ge-nom implementering av mjukvara kunde den insamlade datanvisualiseras och tolkas matematiskt. I samband med ett slutligtbesok pa Igelosa testades funktionerna hos produkten somutvecklats samt dess noggrannhet.

Framtagandet av denna produkt har visat att hjartats kom-plexa fysiologi innebar att det finns manga parametrar att tahansyn till. Produkten som presenteras utgor en grundlaggandekonceptuell losning som uppmuntrar till vidareutveckling, blandannat genom forbattring av funktionen som hanterar asynkronasammandragningar. I nulaget gors ingen skillnad mellan arytmieroch ventrikelflimmer, men detta ar nagot som i praktiken integar att forsumma.

I. INTRODUKTION

F OR att bevara donerade hjartan i gott skick infor trans-plantation anvander sig de flesta kliniker av en metod

som innefattar att hjartat forst spolas med en kardioplegiskvatska, vilket resulterar i att metabolismen i myokardietminskar. Darefter halls hjartat isolerat under syrefattiga ochlagtempererade forhallanden under maximalt 4-5 timmar [1].Darpa tillfors syreberikat blod under kontrollerade former foratt undvika att cellerna, som hallits under stranga ischemiskaforhallanden, tar skada. Denna atertillforsel har visat sig varamojlig i upp till 3 timmar utan att hjartat uppvisat nagra teckenpa dysfunktioner [2].

Stig Stens forskningsgrupp har pa Igelosa Life Science ABarbetat med att utvardera och vidareutveckla dessa metoder.De amnar aven, i samband med denna forskning, ta framen produkt for evaluering av donerade hjartans formaga infortransplantation. Idag saknas namligen ett tillvagagangssatt foratt avgora om ett donerat hjarta klarar av att forsorja mottaga-rens kropp med tillrackliga mangder blod. Som en konsekvensav detta ar svinnet av donerade hjartan orovackande stort.Idag kommer ungefar 20% av de hjartan som doneras tillanvandning [3].

Inlamnat den 8 juni 2016Emejladress: mte13mgi@student.lu.se, cek12mja@student.lu.seTeknisk handledare: Tomas Jansson, Institutionen for Biomedicinsk TeknikKlinisk handledare: Audrius Paskevicius, Igelosa Life Science ABKlinisk handledare: Trygve Sjoberg, Igelosa Life Science AB

Som en losning pa detta problem amnar Igelosa forsknings-station ta fram en produkt for utvardering av transplanteradehjartan for anvandning inom forskning och utveckling samtfor kliniskt bruk. Det finns forhoppningar om att detta konceptskall kunna anvandas pa sjukhus for att testa formagan hos do-nerade hjartan infor transplantation. Idag finns ingen liknandemetod for att evaluera hjartats formaga innan det opereras ini en annan kropp. Det hander ibland att lakaren inte lyckasfa igang hjartat efter operationen eller att hjartat inte orkarforsorja den nya kroppen med nodvandiga blodmangder vilketkan leda till hjartsvikt.

Igelosas losning pa detta problem utgors av ett pump-system, i vilket hjartat kopplas upp och ansluts via aorta,stora halvenen samt lungartaren och lungvenen. Dessa fyrakopplingar utgors av tunna plastslangar, vilka visas i Figur 1.Systemet fungerar enligt foljande; hjartas satts igang med hjalputav en elektrisk puls och slar darefter utan ytterligare externtriggning. Samtidigt pumpas blod kontinuerligt runt i systemet.For att studera hjartats formaga att pumpa runt blod i systemetokas blodflodet successivt varpa abnormaliteter som asynkronasammandragningar iakttas. Da en arytmi eller ett ventrikelflim-mer intraffar, uppstar det ett overtryck i de anslutningar sommynnar i vanster och hoger formak vilket kan resultera i attde tunna slangarna brister. Dessutom kan hjartat som testasta skada av den overbelastning som en abnormalitet medfor.En innovation som denna, som ger ett tydligt matt pa hjartats

Figur 1. Utrustningen vid experimentellt forsok pa Igelosa Life Science AB[3].

kapacitet, leder latt till missuppfattningen att om hjartat ar igod form gar det att operera in i vilken patienttyp som helst,men sa ar inte fallet. Det finns ett antal riktlinjer som mastefoljas for att en transplantation skall bli aktuell. Donator ochmottagare maste till exempel vara av samma kon, annars kanhormonella skillnader leda till komplikationer. Storleken pa det

2

donerade organet bor aven motsvara mottagarens fysiologiskauppbyggnad. De tva personerna bor dessutom vara i sammaalder och ha samma blodgrupp. Dessa direktiv gar inte attkringga aven vid anvandning utav Igelosas produkt.

Ett sakert och valfungerande system som mojliggor testningav hjartats funktion innan transplantation skulle kunna minskasannolikheten att operationen misslyckas. Dessutom skulle detleda till att fler donerade hjartan kommer till anvandning.Det finns alltsa mycket vinning med att fardigstalla en sadanprodukt men vagen ar lang innan innovationen nar marknaden.I nulaget utfors endast forsok med hjartan som tagits fran ettar gamla grisar. De forsta forsoken med manskliga hjartanforutspas kunna genomforas om cirka tio ar.

Som ett led i utvecklingen av denna produkt har en losningfor att gora det mojligt att studera viktutvecklingen hos hjartatunder en hjartcykel efterfragats. Detta for att undvika attslangarna brister samt att forhindra skador pa hjartat. Attkontinuerligt folja viktforandringarna hos det studerade hjartatar nodvandigt for att kunna upptacka ansamlingar av blodtill foljd av arytmier och darmed anpassa blodtillforseln franpumparna [3].

Vi har i samrad med Igelosa Life Science AB tagit fram enuppstallning som mojliggor en kontinuerlig viktuppmatning avhjartat. For att mata upp vikten hos hjartat hangs det upp i last-celler via ingangen till aorta och vena cava. Lastcellens uppgiftar att omvandla vikt till spanning varpa denna signal skickasvidare till en forstarkare. Den forstarkta signalen processassedan av en analog-till-digital-omvandlare for att kunna tolkasav en dator med hjalp av programspraket LabView [4]. Enligtoverenskommelse har storst fokus lagts pa att hitta optimalutrustning for insamling av data samt pa att utveckla ett pro-gram for hantering av insignalen. En schematisk bild av helasystemet inklusive lastceller visas i Figur 2. Denna rapport ger

Figur 2. Schematisk bild over utrustningen framtagen av Igelosa Life ScienceAB [3].

ett losningsforlag till denna utmaning. Inledningsvis atergesden metod som anvandes vid framtagandet av produkten,

dar stort fokus har lagts pa marknadsanalys av lastceller,de olika delarna som anvandes vid montering av hardvaransamt beskrivning av den mjukvara som utvecklades. Vidarebeskrivs, i del III. Resultat, de slutliga testerna som framforalltgenomfordes vid ett sista besok pa Igelosa Life Science AB.Detta foljs av mojliga forbattringar och vidareutvecklingar idel IV. Diskussion. Avslutningsvis presenteras de viktigasteslutsatserna.

II. METOD

A. Litteraturstudie och intervju

En litteraturstudie genomfordes for att fa en overblick avomradet. Som en konsekvens av att denna typ av forskningenbart bedrivs pa Igelosa Life Science AB samt av de tydligariktlinjer som gavs av klinisk handledare, Audrius Paskevicius,erholls dokumentationen till storsta del av forskningsstationen.En intervju med docent Trygve Sjoberg samt tva artiklar [1] [2]som tidigare publicerats inom omradet anvandes som centralaelement for att forsta problematiken.

Utover detta togs stod av anvandarmanualen Digital SignalProcessing and digital communications [5] vid implemente-ring och anvandning av LabView. Detta gjordes for att fa enokad kunskap om programspraket LabView.

B. Marknadsanalys

For att hitta den mest lampade lastcellen med tillhorandeforstarkare gjordes en marknadsstudie. Den utgjordes av enjamforelse av marknadens utbud utifran nagra centrala krite-rier. Dessa kriterier var en lastcell som:

• var konstruerad for matningar inom viktspannet 0-5 kg,• hade en noggrannhet pa nagra gram eller delar av gram,• talde att utsattas for diverse vatskor sasom blod och

vatten,• hade en tillfredsstallande upphangningsmekanism,• var av minimal sensorstorlek, samt• utgjordes av en hallbar produkt fran en tillforlitlig leve-

rantor i syfte att kunna ateranvandas.

Produkten som valdes var Modell 31, av tillverkare Honeywellmed kanslighet 2.243 mV/V och med en maximal kapacitetpa 4,5 kg [6]. Produkten var dyrare an de flesta andra last-celler som fanns med i marknadsanalysen men uppfyllde allaovanstaende kriterier vilket motiverade beslutet.

Det var dessutom nodvandigt att koppla lastcellen till enforstarkare for att amplifiera den Wheatstonebrygga som last-cellen inneholl. Modellen Strain Gauge Converter WZSG avtillverkaren SENECA valdes for detta andamal [7].

3

C. Hardvara

Som tidigare namnts och aven illustrerats i Figur 2, skallden slutgiltiga produkt som Igelosa Life Science AB kommeratt anvanda sig av i sin forskning besta av en uppsattning medtva lastceller. En av lastcellerna skall fixeras vid ingangen tillaorta och den andra lastcellen skall fixeras vid ingangen tillvena cava. Men for att testa den teoretiska uppstallningen franFigur 2 togs beslutet i samrad med Igelosa Forskningsstationatt endast bestalla en lastcell. Om resultaten som utkommerav denna montering visar sig lovande kommer ytterligare enlastcell av samma tillverkare bestallas.

Hardvaran var sammanlankad enligt foljandekopplingsmonster; Lastcellens uppgift var att omvandladen uppmatta vikten (i gram) till spanning (i volt). Darefterforstarktes signalen av forstarkaren. Lastcell och forstarkarespanningssattes med ett spanningsaggregat varpa denforstarkta signalen skickades till en A/D-omvandlare. I dettafall anvandes ett DAQ-kort av modell NI-9205 av tillverkareNational Instruments [8]. Den digitala signalen tolkadesslutligen av datorn.

Vid ett forsta forsok att koppla samman utrustningen gjordesen inkorrekt koppling, vilket efter en felsokning med enmultimeter resulterade i att forstarkaren antogs vara ur funk-tion. Lastcellen och spanningskallan gav forvantade utslag,dock kunde ingen analog output fran forstarkaren till A/D-omvandlaren matas upp. Detta ledde till att ett beslut togs, isamrad med aktuell handledare, Tomas Jansson, att kontaktaforstarkarens tillverkare SENECA for ytterligare informationsamt att forsoka experimentera vidare med annan forstarkare.Beslutet togs dels for att sakerstalla att ingen annan utrustningvar defekt och dels for att undvika tidsbrist.

En instrumentforstarkare med drivkrets for hel- och halv-brygga samt ett andra ordningens Butterworthfilter lanadesdarefter av institutionen for Elektrisk matteknik pa LTH,Lund. Da forstarkaren tillverkades ar 1988 pa institutionenoch ingen instruktionsbok fanns tillganglig visade det sig efterforsok att forstarkaren var otillracklig for att ge utslag i A/D-omvandlaren.

Som en konsekvens av detta togs beslutet att ga vidaremed en operationsforstarkare som aven denna var tillverkadpa institutionen for Elektrisk matteknik pa LTH, Lund. Ing-en ytterligare information om instrumentet fanns att tillga.Uppkopplingen med denna provisoriska operationsforstarkareforstarkte signalen till det onskade omradet 0-10 V ochfastslog saledes att ingen av den ovriga utrustningen pavisadedefekter.

Efter kommunikation med leverantoren SENECA blev detdock tydligt att den forsta forstarkaren inte var bristfallig.Ett kopplingsfel mellan lastcell och forstarkare var orsakentill att ingen analog utsignal kunnat matas. Lastcellen hadefelaktigt kopplats som ett sexkabligt matinstrument istallet forett fyrkabligt, detta visas i Figur 3. Detta innebar i praktiken

att anslutningarna 7 och 8 samt 10 och 11 skulle ha kopplatssamman med en trad.

Figur 3. Schematisk bild av utgangarna pa forstarkaren [7].

D. Mjukvara

Da utvecklingen av mjukvaran skulle paborjas beslutades,efter konsultation med teknisk handledare, Tomas Jansson, attprogramspraket LabView skulle anvandas. Programmet utfor-mades i enlighet med den kravlista som Igelosa forskningssta-tion lamnat i samband med det forsta motet. Kriterierna varatt det skulle ges mojlighet:

• till nollkalibrering,• till A/D-omvandling med en hastighet pa 100 till 200 Hz,• att upptacka och urskilja ventrikelflimmer fran arytmier,• att se realtidskurva for att kunna studera signalens kvali-

tet,• att se numeriskt varde,• att samla in data med tidsangivelser,• for anvandaren att aterstalla programmet da ett

hjartstillestand intraffat,• till digital utsignal da ett ventrikelflimmer intraffat.

I enlighet med dessa kriterier skapades forst ett underprogram,Nollkalibrering, i vilket nollkalibreringen av signalen imple-menterades. For att gora detta anvandes en vektor i vilken deforsta 400 matvardena sparades med en sampelfrekvens pa 200Hz. Darefter beraknades ett medelvarde av dessa varden.

I huvudprogrammet implementerades koden for att kunnaurskilja den drastiska viktokning som skulle intraffa till foljdav ett ventrikelflimmer. Detta gjordes genom att medelvardetav tio pa varandra foljande sampel beraknades och sparades ien variabel. Darefter beraknades kvoten av detta medelvardeoch det varde som tagits fram i Nollkalibrering. Pa frontpane-len placerades en variabel i vilken anvandaren gavs mojlighetatt valja ett varde pa den maximala procentuella viktokningen.Darefter jamfordes kvoten av de tva medelvardena med detav anvandaren inmatade vardet. Det forsta mojliga utfalletvar att kvoten av de tva medelvardena oversteg anvandarens

4

varde och konsekvensen blev da att programmet avbrots. Daskickades aven en digital utsignal i form av en “digital etta”for vidare hantering av en D/A-omvandlare. Det andra mojligautfallet var att kvoten av de tva medelvardena inte oversteganvandarens varde vilket da skulle leda till att programmetfortsatte exekveras.

For att anvandaren skulle kunna folja viktutvecklingenkontinuerligt pa frontpanelen skapades aven en realtidskurva,i form av tva grafer, dar spanningen visades som funktionav tiden. I anslutning till dessa grafer placerades aven fyravariabler pa frontpanelen for att anvandaren skulle kunnase den numeriska presentationen av nollkalibreringen i voltrespektive gram samt spanningen som funktion av tiden i voltrespektive gram. I huvudprogrammet implementerades aven enfunktion som gjorde det mojligt for anvandaren att spara dendata som samlats in. Denna placerades sa att anvandaren gavsmojlighet att spara forst da den procentuella kvoten overstigitsoch programmet slutat exekverats. En ”stopp-knapp” fannsaven sa att anvandaren kunde avbryta programmet nar somhelst och da ocksa spara sina resultat. Se Figur 7 respektiveFigur 8 i Bilaga.

E. Insamling av data

For att hitta det linjara sambandet mellan den uppmattaspanningen (i volt) och motsvarande vikt (i gram) mattesolika vikter upp med en koksvag med kanslighet pa 1 gram[9]. Darefter hangdes dessa vikter i lastcellen for att se vilkaspanningar de motsvarade. Resultaten plottades darefter i engraf med vikt som funktion av spanning. Genom att ta fram entrendlinje ur denna graf, med hjalp av minsta kvadratmetoden,kunde ett forhallande mellan spanning och vikt tas fram i formav linjens ekvation. Detta samband fordes in i huvudprogram-met i LabView, vilket mojliggjorde avlasning av resultat i badevolt och gram.

F. Experimentellt utforande

Efter det att hardvara och mjukvara kopplats sammanutfordes experimentella forsok for att sakerstalla att utrust-ningen fungerade korrekt. Detta gjordes genom att knyta fastobjekt av varierande vikt i lastcellen samtidigt som program-met exekverades i LabView. Funktioner som att programmetskulle stangas av da den ursprungliga vikten som forsoketpaborjades med hade okat med ett visst antal procent (somangivits av anvandaren innan experimenten) kontrollerades.Det kontrollerades aven hur val den vikt som mats uppmed hjalp av lastcellen i programmet motsvarade diverseforemals verkliga vikt och hur pass sma viktforandringar somprogrammet kunde kanna av. Dessa kontroller gjordes forstpa egen hand och sedan tillsammans med kliniska handledareAudrius Paskevicius och Trygve Sjoberg under ett avslutandebesok pa Igelosa Life Science AB.

III. RESULTAT

A. Hardvara

Den slutgiltiga hardvaran uppfyllde de krav som angivitsi samband med projektets borjan, det vill saga att lastcellenmatte upp en spanningsforandring, forstarkaren amplifieradesignalen till det onskade intervallet 0 - 10 V och A/D-omvandlaren var kompatibel med detta omrade. En bild overuppstallningen visas i Figur 4.

Figur 4. Uppstallning av den hardvara som anvandes. Langst bak fran vanster:A/D-omvandlare, forstarkare, spanningskalla. Langst fram: lastcell.

B. Mjukvara

1) Frontpanel: Anvandaren mots vid nyttjande av program-met utav tva grafer som visar spanning som funktion av tid.Den ena grafen beskriver varje spanningsforandring mycketnoggrant medan den andra grafen ger en oversiktlig bildav forloppet under experimentets gang. I frontpanelen finnsaven tva variabler som gor det mojligt for anvandaren attse den numeriska presentationen av nollkalibreringens vardeoch det kontinuerliga vardet av spanning som funktion avtid. I anslutning till dessa visas aven motsvarande resultat ivikt. Utover detta finns tva funktioner som ar installningsbarafor anvandaren. Den forsta ar en ruta dar anvandaren kanmata in den maximala procentuella viktokningen som far skemellan det kontinuerliga vardet av spanningen och vardet frannollkalibreringen. Den kontinuerliga procentuella forandringenmellan dessa tva variabler kan aven foljas i en separat ruta.Den andra ar en “stopp-knapp” som avbryter exekveringen avprogrammet. En bild pa frontpanelen ses i Figur 5.

2) Huvud- och underprogram: Tankeprocessen som presen-terades i metoden ovan resulterade i foljande kopplingsschemaover huvud- och underprogram (Figur 7 respektive Figur 8 iBilaga):

(a) Da programmet startas skapas ett medelvarde av de forsta

5

Figur 5. Anvandargranssnitt hos produkten.

400 insamlade samplen. Detta gors i underprogrammetNollkalibrering.

(b) I huvudprogrammet samlas darefter nya sampel in. Nartio varden samlats in beraknas ett medelvarde av dessa.

(c) Kvoten av resultaten fran b) och a) beraknas sedan.(d) Darefter jamfors resultatet fran c) med det gransvarde

som anvandaren matat in. Om kvoten fran c) overstigergransvardet returneras true och huvudprogrammet av-bryts. I annat fall returneras false och programmetfortsatter exekveras.

(e) Den digitala utsignalen hanteras av en vektor som fyllspa med varden efter varje iteration. Da anvandarenvaljer att avsluta programmet eller da den procentuellaforandringen gor att programmet avbryts skickas en ut-signal i form av en “digital etta”.

C. Insamling av data

Data samlades in for att sakerstalla det linjara sambandetmellan den uppmatta spanningen (i volt) och motsvarande vikt(i gram). Detta gav upphov till grafen i Figur 6, dar det avengar att avlasa att vikten beror av spanningen enligt forhallandeti ekvation (1).

y = 407, 5x− 5, 947 (1)

Detta resultat anvandes i mjukvaran for att ge den numeriskapresentationen av vikten.

D. Experimentellt utforande

Programmet gav onskade resultat vid testkorning pa IgelosaLife Science AB. Den procentuella viktokningsgransen somangavs av anvandaren foljdes noggrant av programmet.Mojligheten till att avsluta och spara programmet fungerade.De tva graferna och de numeriska variablerna aterspegladeforloppet av den kontinuerliga spanningsforandringen. Utoverdetta stamde aven de uppmatta vikterna overens med de viktersom kunde avlasas i LabView.

Figur 6. Vikt som funktion av spanning.

IV. DISKUSSION

Framtagandet av hardvara och mjukvara ledde i huvudsaktill forvantade och onskvarda resultat. Med en forbattradarbetsgang hade dock mer tid kunnat laggas pa justeringarav mjukvaran. Bestallning och sammankoppling av hardvaranskomponenter tog betydligt mer tid an vantat, men den slut-liga lastcellen med forstarkare uppvisade god kvalitet ochnoggrannhet. Den inkopta utrustningen utgor en bra grundfor vidarutveckling av projektet. Som tidigare namnts ladesfokus pa att ta fram en utrustning for insamling av data samtutveckling av ett program for hantering av denna insignal.Utsignalen kommer senare implementeras av tekniker vidIgelosa Life Science AB, darfor innehaller var mjukvara endasten utsignal for digital anvandning.

Vid insamling av data for etablering av ett linjart sambandmellan vikt och spanning hade en vag med battre precisionkunnat anvandas. Att manuellt samla in varden fran olikavikter och plotta dessa mot de spanningar som kunde avlasasi programmet visade sig vara en effektiv metod for att fa framdet linjara sambandet.

Vid besoket pa Igelosa Life Science AB uppvisade utrust-ningen lovande resultat och bekraftade de teoretiska antagan-den som gjorts. Samtliga inblandade parter var positiva till denlosning som presenterades. Det finns god utvecklingspotentialfor projektet och hade mojligheten givits till fortsatt samarbetemed Igelosa hade nasta steg varit att utveckla mjukvaranytterligare. Till att borja med hade fokus lagts pa att utvecklaett program som fortsatter exekveras trots att en betydandeviktforandring skett. Detta da det blev tydligt vid samtalmed en av de kliniska handledarna, Audrius Paskevicius, attanvandaren inte har mojlighet att starta om programmet sa passofta som det i nulaget kraver. Fortsattningsvis hade ett alterna-tivt satt att mata den procentuella spanningsskillnaden kunnat

6

tas fram. I nulaget jamfors den kontinuerliga spanningenmed det medelvarde som tagits fram vid nollkalibreringen,men hjartats fysiologiska uppbyggnad tillater inte sadanaforenklade antaganden. Den grundvikt som registreras vidstart av programmet kan fluktuera, exempelvis till foljd avvatskeansamlingar, sa kallade odem.

For att bemota denna svarighet skulle tva flytande medianerkunna anvandas, varav den ena samlar in varden over enlang tid och den andra over en kort tid. Sedan beraknas denprocentuella skillnaden mellan dessa varden. Detta skulle avengora det mojligt att urskilja arytimer fran ventrikelflimmergenom att se om spanningsokningen endast ar lokal ochovergaende (arytmi) eller langvarig (ventrikelflimmer), det villsaga ett problem som pumparna maste fa signal om.

A. Etiska aspekter och hallbar utveckling

Pa Igelosa Life Science AB utfors djurforsok for att testade olika produkterna som utvecklas dar. Detta ar i mangafall en nodvandighet for att forsok skall fa genomforas pamanniskor. Som tidigare namnt har det utforts undersokningarpa grishjartan for att utveckla den aktuella produkt som testardonerade hjartans funktion. Anvandningen av grisar i forsokeninnebar en mangd etiska overvaganden och darfor valdes detatt inte testa produkten som behandlas i denna rapport pa nagotgrishjarta.

Det ar viktigt att ha respekt for de djur som anvands vidforsoken och att inte gora onodiga tester. Finns det mojlighetatt uppna tillrackliga resultat pa annat satt, skall den metodenprioriteras, vilket var fallet har. Det kommer dock bli aktuelltmed forsok pa grishjartan senare men innan dess behoverytterligare en lastcell och forstakare bestallas samt mjukvaranforfinas. Den digitala utsignal som utvecklats bor aven kopplastill en D/A-omvandlare som i sin tur kopplas samman medpumparna som styr blodflodet. En del forbattringar skullefoljaktligen kunna goras fore det att tester utfors med verkligahjartan for att bedoma huruvida produkten fungerar.

Forsok med grishjartan skall utforas nar det ar absolutnodvandigt eftersom varje forsok som initieras ar valdigt dyrtoch har en negativ inverkan pa miljon. Uppfodning av grisar,transport av djuren till och fran Igelosa samt utrustning somanvands under forsoken ar alla faktorer som paverkar.

Vid val av utrustning infor projektet lades aven stort fokuspa att valja leverantorer som ar kanda for sin goda kvalitetoch kundservice. Det var vasentligt att valja produkter medgod hallbarhet och speciellt en lastcell som tal att utsattasfor diverse vatskor och inte behover bytas ut i forsta taget.Nar elektronisk utrustning nyttjas ar det centralt att tankapa miljoaspekter eftersom den maste sorteras enligt specifikaangivelser nar den skall slangas pa grund av att den innehalleramnen som ar skadliga for miljon. Detta har tagits i beaktning.

Ur ett halsoekonomiskt perspektiv kan anvandandet avprodukten som Igelosa planerar att utveckla bidra till en

okad livskvalitet for patienten. Forhoppningarna ar aven attpatienten skall fa storre tillit till den operation som skallgenomforas. Beslut om donator, tester och medicinering tashelt utav ansvarigt lakarteam och patienten har idag mycketliten mojlighet att paverka dessa beslut. Sannolikheten atttransplantationen blir lyckad okar alltsa vasentligt da kompli-kationer och oforutsagbara resultat i samband med operationminskar. Detta leder till stora besparingar och en effekti-visering inom varden da aterbesoken for de patienter somgenomgatt transplantation kan komma att minska.

V. SLUTSATSER

Projektet har visat att det med framgang gick att anvanda enlastcell for viktmonitorering av hjartat. Det ar dock viktigt attha sett problematiken fran olika perspektiv och overvaga fleralternativ innan en losning nar marknaden da det inte finnsutrymme for misstag vid produktutveckling inom thoraxki-rurgi. Patientens sakerhet star pa spel vilket gor att felaktigakonstruktioner kan fa forodande konsekvenser. Nagra av defaktorer som maste beaktas ar hjartats komplexa fysiologiskauppbyggnad och de skillnader som kan upptrada hos olikapatienter.

VI. EFTERORD

Vi vill tacka Igelosa Life Science AB for det intressantakandidatarbete som vi fick mojlighet att genomfora tack varederas nara samarbete och engagemang. Vi vill rikta ett specielltstort tack till Audrius Paskevicius samt Trygve Sjoberg franIgelosa som varit vara kliniska handledare under detta arbeteoch gett oss vardefull kunskap och handledning under helaprojektet. Vi vill aven tacka Docent Tomas Janson, franinstituitionen for Biomedicinsk Teknik, for viktig vagledningunder hela projektets gang samt god teknisk radgivning.Vidare vill vi tacka avdelningarna for Biomedicinsk teknikoch Elektrisk matteknik pa Lunds Tekniska Hogskola for lanav diverse teknisk utrustning och avdelningen for MedicinskTeknik pa Skanes Universitetssjukhus i Lund for den tillfalligakontorslokal som tillhandaholls.

Den storsta delen av arbetet har utforts gemensamt ocharbetsbelastningen har varit jamnt fordelad mellan skriben-terna. Dock har Mathilda tagit overgripande ansvar vid ge-nomforandet av marknadsanalysen och kontakt med diverseleverantorer medan Mikaela dirigerat utvecklingen av mjukva-ran. Denna uppdelning skedde spontant och berodde till storstadel pa intresse i olika delar av projektet.

REFERENSER

[1] Algimantas Budrikis, MD, Qiuming Liao, MD, Ramunas Bolys, MD,Boris Westerlakery MD and Stig Steery MD, PhD. Effects of Cardiople-gic Flushing, Storage, and Reperfusion on Coronary Circulation in thePig. Ann Thora. Surg 1999;67:1345 9.

7

[2] Algimantas Budrikis, MD, Ramunas Bolys, MD, Quiming Liao, MD,Richard Ingemansson, MD, PhD, Trygve Sjo berg, PhD, and Stig Steen,MD, PhD. Function of Adult Pig Hearts After 2 and 12 Hours of ColdCardioplegic Preservation. Ann Thorac Surg 1998;66:73– 8.

[3] T. Sjoberg, Docent vid Igelosa Life Science AB[4] National Instruments, Texas, USA. LabView System Design Software

[Online]. Tillganglig: http://www.ni.com/labview/ Hamtad: 2016-05-16.[5] Cory L.Clark, Digital Signal Processing and digital communications,

The McGraw Hill Companies Inc., 2005.[6] Honeywell, USA. Model 31, Part No: 060-1426-04. Tillganglig:

http://sensing.honeywell.com/honeywell-t&m-model-31-low-miniature-load-cell-product-sheet-008629-1-en.pdfHamtad: 2016-05-16.

[7] Seneca, Padova, Italy. Z-SG Strain Gauge Converter. Tillganglig: http://www.senecainstruments.com/datasheets/modular-converters-isolators/manuals/seneca-z-sg-manual.pdf Hamtad: 2016-05-16.

[8] National Instruments, Texas, USA. Operating Instructions and specifica-tions NI-9205 Tillganglig: http://www.ni.com/pdf/manuals/374188d.pdfHamtad: 2016-05-17.

[9] Clas Ohlson, Sverige. Koksvag, Modell: CFC2025, Tillganglig: http://images.clasohlson.com/medias/sys master/9448433025054.pdf Hamtad:2016-05-20.

BILAGA

Figur 7. Underprogram i LabView

Figur 8. Huvudprogram i LabView

1

Utveckling av upphangningsanordningtill anestesiarbetsplats

– for okad patientsakerhet och forbattrad arbetsmiljoElin Korpas (BME–12), Jessica Ericsson (BME–13)

Sammanfattning—Patientsakerhet star alltid i fokus inomsjukvarden men lika viktigt ar arbetsmiljon for personalen. Paanestesiavdelningen i Malmo finns idag brister i bada avseendena.I denna rapport beskrivs utvecklingen och implementeringen aven produkt som minskar risken for tryckfall i patienters lungoroch samtidigt ger en avsevard forbattring av arbetsmiljon forsjukskoterskor och lakare som arbetar med anestesiarbetsplatsenPrimus SW 4.n. Produkten ar en losning for lattare hanteringav andningsblasan pa narkosmaskinen. Eftersom det i dagslagetinte finns nagon mojlighet att hanga upp den pa ett sakertoch hygieniskt satt hamnar den ofta pa golvet eller laggs paden nedsovda patienten. Genom utveckling av en ny produkt,som vi senare valda att kalla Myran, kan personal nu hangaupp andningsblasan pa en upphangningspigg pa narkosmaskinenvilket underlattar arbetet fore och mellan nedsovningar. Den nyalosningen har annu en fordel jamfort med andra som funnitstidigare, blasan kan nu aven hangas pa operationsbordet narpersonal tillfalligt behover fria hander under nedsovningen. Dettagor Myran till ett anvandarvanligt alternativ som okar pati-entsakerheten genom att se till att andningsblasan ar lattillgangligoch risken att den gar sonder minskas.

Den fardiga produkten raknas som egentillverkad och kommerdarfor till att borja med endast finnas tillganglig for Narkos-avdelningen i Malmo. Med mer ekonomiska resurser finns deti framtiden god potential for att vidareutveckla produkten ochgora den tillganglig for andra anvandare av anestesiarbetsplatsen.

I. INTRODUKTION

ANESTESIAVDELNINGEN pa Skanes universitetssjuk-hus i Malmo har i dagslaget 38 aktiva salar. En ge-

nomsnittlig vecka sker 264 operationer dar man registreratgenerell anestesi, allmant kant som narkos [1]. Dragers anes-tesiarbetsplats Primus SW 4.n, som kan ses i figur 1, anvands isamtliga salar. Utover maskines inbyggda funktioner finns detaven olika mojligheter att koppla pa annan utrustning som ejsyns pa bilden. Pa varje narkosapparat finns en andningsblasamed vilken personal manuellt pumpar in extra syresatt luft ipatientens lungor vid behov. Originalblasorna hade en oglapa toppen som gjorde det mojligt att placera den pa enupphangningsanordning pa maskinen (se figur 1) da den inteanvands. Pa grund av en upphandling finns dessa blasor intelangre tillgangliga pa sjukhuset i Malmo.

Eftersom blasorna som anvands idag inte har nagon ogla saar det inte mojligt att hanga upp den pa upphangningspiggen

Inlamnat den 9 juni 2016Emejladress:mte12eko@student.lu.se, dic12jer@student.lu.seTeknisk handledare: Thomas Kirkhorn, Medicinsk teknik, Skanes universi-

tetssjukhus LundKlinisk vagledare: Alicia Saavedra, Anestesiavdelningen, Skanes universi-

tetssjukhus Malmo

vilket har lett till en del komplikationer som paverkar per-sonalens dagliga arbete. I en operationssal ar hygien hogtprioriterat pa grund av infektionsrisken och overlag ar manmycket noggran med att rengoring, disinfecering och sterili-sering av utrustning. Pa grund av detta ar det inte acceptabeltatt blasan, i brist pa andra losningar,ofta hamnar pa gol-vet. Sjukskoterskorna som jobbar pa anestesiavdelningen hardarfor efterfragat en losning pa problemet. Problemstallningenvi fick var att hitta ett satt att aterigen kunna hanga upp blasanpa maskinen. Ett viktigt krav var att varken blasan eller slangenfick blockera nagon av maskinens andra funktioner.

Figur 1: Anestesiapparat Primus SW 4.n fran Drager [2]

2

For att fa en battre bild av arbetsmiljon och problemeti sin helhet gjordes ett flertal besok pa sjukhuset dar visamtalade med personal och var narvarande under ca 15nedsovningar. Ett flertal problem uppstod under hela forloppetfran att personal skulle forbereda infor patientens ankomst tillslutet av operationen. I forberedeldsefasen var andningsblasanantingen kastad over maskinen pa olika satt, inklamd i enspringa pa maskinens nedre del eller, som tidigare namnts,placerad pa golvet. Detta ledde ofta till att personal antingentrampade pa eller korde over den vid forflyttning av maskinen.Nar blasan sedan ska anvandas hander det att den fastnari maskinen och rycks loss alternativt att personal upptackeratt blasan fatt en lacka till foljd av den korts over. Pa grundav hanteringen aventyras patientsakerheten eftersom en trasigblasa leder till tryckfall i patientens lungor. Utover detta ardet i en operationssal inte godtagbart att utrustning hamnar pagolvet och trampas pa eftersom salen skall vara en steril miljo.Sjukhusets egen tillsynspersonal har anmarkt pa att hygienenblir samre nar blasan anvands som i dagslaget, trots detta finnsidag ingen alternativ losning.

Aven ur ergonomisk synpunkt ar laget oacceptabelt eftersompersonal dagligen behover boja sig ner eller krypa pa golvetfor att anvanda maskinen. Vid en av nedsovningarna underforundersokningen stallde en skoterska fragan till en annan”Vem ska krypa pa golvet idag, du eller jag?”. Att dettill och med har blivit en rutin i det dagliga arbetet forpersonal att overanstranga sina knan och ryggar visar hurakut det ar med en battre losning. Pa grund av avstandetar det under tiden nedsovningen pagar inte praktiskt mojligtfor personal att stracka sig bort till maskinen eftersom henhaller andningsmasken over patientens mun och nasa medandra handen. Nar personal tillfalligt behover fria handertill andra arbetsuppgifter forsoker de hanga blasan pa ettvolymreglage vilket ofta leder till att den aterigen ramlarner pa golvet. Andra alternativ ar att personal forsoker laggablasan pa operationsbordet eller pa patientens brost i brist paplats. Dagens losningar ar absolut inte gangbara varken forpersonal eller patienter. Genom att endast hitta ett satt atthanga upp blasan pa maskinen kan inte alla problem sombeskrivits losas. Problemstallningen utokades darfor till attaven innefatta ett satt att gora blasan lattillganglig for personalunder nedsovningar. Malet med var produkt ar att med en enkelmen effektiv losning minska onodiga komplikationer, okapatientsakerheten och forbattra arbetsmiljon for personalen.

Rapporten tar upp arbetsgangen fran ritning till fardigprodukt. I avsnittet metod ligger stort fokus pa de lagar ochregler om egentillverkning av medicinteksinska produkter somtillampats eftersom detta har varit en stor del av arbetet. Avenandra prototyper och alternativa ideer diskuteras men storstvikt laggs pa den slutliga produkten. Delar av den tekniskadokumentationen for produkten aterfinns i avsnittet resultatoch slutligen diskuteras slutproduktens for- och nackdelar,hallbarhetsperspektivet samt faktorer som spelar in ifall att viskulle tillgangliggora produkten for sjukvardspersonal utanforanestesiavdelingen i Malmo.

II. DATA

Med hjalp av skjutmatt togs detaljerade matt for att kunnautforma en sa bra prototyp som mojligt. Alla matt ar avrundadetill hela millimeter i denna tabell.

Tabell I: Mattabell

Slang (diameter)Vuxna >20 kg 23 mmBarn 10 -20 kg 17 mmBarn <10 kg 11 mm

UpphangningspiggMinsta diameter 7 mmStorsta diameter 11 mm

III. METOD

A. Regelverk och lagkrav

Vi gick fran borjan in med installningen att produkten skullevara egentillverkad och anpassad specifikt efter behoven paanestesiavdelningen i Malmo. Detta for att slippa den valdigtomfattande process som kravs for att fa CE-marka en produkt,men ocksa for att en storskalig produktion skulle bli relativtdyr. Vid utformningen av produkten tillampades Socialstyrel-sens foreskrifter SOSFS 2008:1 anvandning av medicinteknis-ka produkter i halso- och sjukvarden 2 kapitlet 1§. Dar definie-ras en egentillverkad medicinteknisk produkt som en produktsom vardgivaren har tagit ansvar for som tillverkare ochsom konstruerats och tillverkats uteslutande for att anvandas iden egna verksamheten. En vardgivare definieras som statligmyndighet, landsting och kommun i fraga om sadan halso-och sjukvardsverksamhet som myndigheten, landstinget ellerkommunen har ansvar for (offentlig vardgivare) samt annanjuridisk person eller enskild naringsidkare som bedriver halso-och sjukvardsverksamhet (privat vardgivare). For att en egen-tillverkad produkt ska fa anvandas maste den uppfylla sammakrav som for CE-markning enligt lagen om medicintekniskaprodukter (1993:584) samt Lakemedelsverkets foreskrifter ommedicintekniska produkter (LVFS 2003:11). Skillnaden blir attman slipper kostnader for granskningar och sjalva markningenom man egentillverkar produkten.

Produkten ar, aven om den inte kommer i kontakt medpatient, en medicinteknisk produkt enligt definition i 3§ lagen(1993:584) om medicintekniska produkter. Om avsikten aratt den tillverkade produkten skall vara ett tillbehor till enmedicinteknisk produkt raknas aven den tillverkade produktensom medicinteknisk. Vidare kommer den klassas som klassI, enligt bilaga 9 i Lakemedelsverkets foreskrifter (LVFS2003:11) om medicintekniska produkter som sager att allaicke-invasiva produkter tillhor klass I, om ingen annan regelkan tillampas. En invasiv produkt definieras som en produktsom helt eller delvis tranger in i kroppen, antingen genomkroppsoppning eller genom kroppens yta.

For att fa anvanda den egentillverkade produkten kravs enforsakran om overensstammelse, vilken visar att produktenuppfyller alla krav enligt gallande lagstiftning. Ett utav kravenar att tillverkaren ska kunna tillhandahalla teknisk dokumen-tation vid kontroll under minst fem ar efter att sista produktentillverkats.

3

Dokumentationen i vart fall skall innehalla:

• En allman beskrivning av produkten.• Konstruktionsritningar med tillhorande beskrivningar.• Resultat av riskanalys.• Resultat av konstruktionsberakningar och utforda un-

dersokningar.• Vilka vasentliga krav som ar uppfyllda.• Markning och bruksanvisning.

I Lakemedelsverkets foreskrifter (2003:11) om medicintek-niska produkter bilaga 1 anges de vasentliga kraven vilket arett flertal punkter som papekar vad som ska tas hansyn tillvid konstruktion, tillverkning och anvandning av produkten.Det ar till stor del sakerhetsrisker som ska ses over, sa sommaterialval, kontaminationsrisk, amneslackage, oonskade bief-fekter och avsedd prestanda i relation till beraknad livslangd paprodukten. Den skall aven vara saker for avsedd anvandning,det vill saga man maste ta hansyn till vilka gaser och vatskorprodukten kommer komma i kontakt med nar den anvandsunder standardforhallanden. Eventuellt oonskade bieffekteroch risker som inte gar att atgarda far endast finnas om dear acceptabla nar de vags mot produktens avsedda prestanda.Om risker kvarstar efter att konstruktionen optimerats masteanvandare och patient meddelas om risker som inte tacks aveventuella sakerhetsatgarder.

Foreskrifterna sager att produkten ska ha markning ommojligt. Anvandningen av dessa markningar varierar beroendepa vad den specifika produkten kraver. Det ar inte nodvandigtatt skapa en bruksanvisning till anvandaren ifall anvandaren,med den kunskap hen har, kan anvanda produkten pa ettkorrekt och sakert satt. Det ar endast produkter av klass I ochklass IIa som ar undantagna fran kravet om bruksanvisning,och som namnt ovan klassas produkten som klass I.

En medicinteknisk produkts avsedda andamal ar detanvandningsomrade som en tillverkare anger. Aven den avsed-da prestandan ar definierad av tillverkaren. Detta betyder attsakerhetskraven som stalls pa produkten och som intygas upp-fylls endast galler for exakt de omstandigheter som tillverkarenangett med till exempel sista anvandningsdag eller bruksanvis-ning. Aven dess definitioner kommer fran Lakemedelverketsforeskrifter (2003:11) om medicintekniska produkter.

B. Produktkrav

Anestesiarbetsplatsen har mangder av viktiga funktionersom alla maste vara lattillgangliga, och det finns darfor intemycket plats over for att lagga till fler. Upphangningspiggendar blasan var avsedd att hanga fick darfor vara utgangspunktfor den nya upphangningsannordningen. Det ar onskvart attprodukten ska kunna halla alla tre storlekarna pa blasorna menvuxenblasan ar prioriterad eftersom majoriteten av patienternavager mer an 20 kg (Se Tabell I). Tva utav de krav somaterfinns under vasentliga krav i lakemedelsverkets foreskrifter(LVFS 2003:11) om medicintekniska produkter ar att produk-ten skall konstrueras och tillverkas pa ett sadant satt att denar saker att anvanda bade for patient och annan anvandare,samt att den skall uppfylla sitt andamal som medicintekniskprodukt.

Dessa krav kombinerat med forundersokningen mynnade uti en kravspecifikation for produktens design och funktionalitet:

• Produkten ska vara enkel att anvanda.• Produkten far inte sticka ut for mycket eftersom det da

finns en risk att personal rycker ner den eller skadar sigpa den.

• Blasan far inte blockera andra funktioner pa maskinen.• Vid pagaende nedsovning far den ej vara ivagen for till

exempel dropp eller andra externa tillaggsprodukter• For att minimera risken for skador vid anvandning far det

inte finnas nagra vassa kanter.• Produkten maste tala desinfektionsmedlet som anvands i

operationssalarna

C. Konceptframtagning

Initialt diskuterades flera mojligheter till att flyttafastningsanordningen till en ergonomiskt battre hojd. Tyvarrinnebar detta att andra funktioner blockerades. Forsta tankenvar att fasta den hogt upp pa maskinen dar inga andra knappareller reglage sitter, men pa grund av blasans position blocke-rades istallet skarmen av slangen. En sjukskoterska overvakaroch dokumenterar patientens syresattning och allmantillstandunder hela operationen genom att kolla pa skarmen ochbehover darfor fri sikt. Det diskuterades aven att satta blasanpa sidan av maskinen, men under operation positioneras enannan skarm dar som visar puls och blodtryck. Skulle blasanav nagon anledning behovas under operationen ar den davaldigt svaratkomlig vilket utgor en stor sakerhetsrisk.

Flera olika satt att halla slangen och blasan har ocksadiskuterats men utan framgang nar det galler att hitta ettsatt att tillverka dem. Delvis for att metallkonstruktionerkan vara svart att tillverka sjalv, men ocksa for att vissakonstruktionsmetoder inte uppfyller sakerhetskraven for enmedicinteknisk produkt. Andra produkter som redan anvandesi operationssalen inspirerade till nya losningar. Exempelvisfanns ett band med en hake i var ande som anvands for attspanna fast patienten pa operationsbordet om man till exempelmaste luta bordet under operationen. Detta gav en ide om attprodukten skulle kunna hanga pa sangkanten. Pa avdelningensom besokts fanns aven en anordning for att halla slangarnatill andningsmasken under operationen som kallas Algen, sefigur 2.

Figur 2: Algen

Algen visade sig vara en egentillverkad produkt, men tyvarrfanns ingen information om var den kom ifran, var den till-verkats eller vilket material den var tillverkad av. Avdelningen

4

som kommit fram med produkten ar nedlagd sedan lange ochingen i personalen pa sjukhuset kunde svara pa var man fatttag i komponenterna till produkten. Plastdelen har en CE-markning, vilket indikerar att den ar monterad av delar franen medicinteknisk produkt. Tyvarr fanns inte nagot produkt-,ID- eller serienummer kvar, sa detta hjalpte inte till att hittaden ursprungliga produkten.

Algen fungerade bra for sitt andamal och var popular blandpersonalen. Till foljd av detta inkorporerades dess design iprototypen. Slangarna till andningsblasan och andningsmaskenar av samma typ och storlek vilket gjorde att algens matt ochutformning kunde anvandas som utgangspunkt i ritningen avden forsta prototypen tillsammans med en modifierad variantav den hake som tidigare namnts.

Eftersom personalen fran borjan efterfragade en produktsom endast faster blasan vid maskinen paborjades arbetet paen prototyp med detta andamal. Iden var en klamma med enogla som med hjalp av en gummibkladd yta kunde uppnahog friktion sa att den inte gled av blasan nar den var fulltuppblast. Forhoppningen var att det skulle komma naturligt forpersonalen att anvanda den eftersom anvandningsforfarandetvar kant. Arbetet med denna prototyp avslutades efter enkort tid eftersom personalen uppskattade mojligheten att avenkunna hanga blasan pa sangen sa pass mycket att en annanlosning inte langre ansags nodvandig. Darefter utokades kra-ven i konceptgenereringen till att inkludera upphangning avenunder nedsovning och operation. Allt fokus hamnade da pautveckling och forbattring av den forsta prototypen som senarekom att kallas Myran.

Efter att prototypen skissats fran flera vinklar ritades mo-dellen med angivna matt i tre dimensioner i programmet PTCCreo. For att kunna skrivas ut med hjalp av en 3D skrivaresparades modellen i .stl format. Skrivaren som anvandes varav typen FDM, Fused Deposition Modeling, vilket innedaratt man skriver ett lager i taget med ett smalt material somstelnar och faster ihop med underliggande lager kort efter attdet lamnat det varma munstycket. Detta ar alltsa en additivtillverkningsmetod [3].

Det fanns tva material tillgangliga for skrivaren som nytt-jades, polylaktid-plast(PLA) och nylon. PLA ar relativt starktmen samtidigt skort och ansags darfor vara det samre alternati-vet. For att undvika risken att produkten gar sonder efter ett faantal anvandningar, valdes alternativet nylon. Monofilament avnylon har lag bakteriekolonisation, ar slitstarka och elastiska[4]. Materialet anvands ofta som ett tillsatsamne inom medi-cintekniska branschen for att oka hallfastheten hos en produkt[5]. Eftersom nylon anvands flitigt i medicintekniska produkterkan de anses icke-toxiskt.

Riskanalyser utfordes kontinuerligt under projektets gangfor att sakerstalla att alla sakerhetskrav uppfylldes. For varjeforandring i produktens konstruktion har mojliga risker pekatsut och varderats utifran hur stor skada de kan gora. Ingasakerhetsrisker har uppdagats som kan anses vara sa patagligaatt det kravs varningsmarkningar pa sjalva produkten. Se bila-ga A. Riskanalysen utformades med hjalp av Sveriges kommu-ner och landstings handbok: Riskanalys och Handelseanalys -analysmetoder for att oka patientsakerheten [6].

IV. RESULTAT

Den forsta prototypen som skrevs ut med 3D-skrivarekan ses i figur 3. Produkten ar designad sa att blasan medtillhorande slang som anvands for barn mellan 10-20 kgpassar i den inre oglan medan slangen for patienter over 20kg passar i den yttre. For att gora det mojligt att anvandaprodukten for den minsta blasan till barn mellan 0-10 kg skulleytterligare en ogla behovas. I sadant fall skulle produktensticka ut for mycket fran sangkanten samt bli mer instabil.Eftersom den minsta blasan anvands ytterst sallan och for attuppfylla kravspecifikationen valdes detta alternativ bort. Deovriga kraven uppfylldes pa foljande satt:

• Delen med oglorna placerades hogt upp i forhallande tillhalet.

– Blasans tyngd gor da att den tippar at sidan och inteblockerar volymreglaget ovanfor. (se figur 8a i bilagaB)

• Kroken gjordes bredare an sangkanten.– Underlattar att skjuta den i sidled for att eventuellt

gora plats till ovrig utrustning.– Lattare ditplacering och avlagsning.

• Materialet nylon anvands.– Latt att desinficera med medel som ar vanliga inom

sjukvarden.

Figur 3: Prototyp 1.0

Redan i designen av prototyp 1 fick en andring goras foratt mojliggora tillverkning med 3D-skrivare. Hela ovre delenav konstruktionen behovde vara i samma plan eftersom 3D-skrivaren behover en stabil bas att borja med (se figur 10 bilagaB). For att fa en stabil utskrift och for att slippa stodstruktureri sa stor utstrackning som mojligt skrevs den namligen utupp och ner. Efter forsta utskriften upptacktes att oglan varfor flexibel och darmed inte kunde halla kvar den storsta avslangarna. For att atgarda detta minskades radien pa ytterstaoglan samt oppningen for att hindra slangen och blasan franatt ramla ur. Efter dessa andringar gjorts kallades produktenPrototyp 1.5. Tva kopior av denna skrev sedan ut for testningpa sjukhuset.

5

Forsta testningen av de tva kopiorna utfordes samtidigt itva separata operationssalar och ett flertal problem uppstod.Resultaten var i stort sett lika for de bada testen. Blasanfor barn mellan 10-20 kg faste perfekt i den inre oglan meneftersom nylon ar ett mer elastiskt material an det som algenar tillverkad av faste den storre slangen inte ordentligt i denyttre oglan. For att tillfalligt halla den pa plats under restenav testet anvandes ett gummiband sa att oglan klamdes runtslangen ordentligt. Till foljd av blasans tyngd tippade helaMyran utat fran sangen sa som planerat. Olyckligtvis tippadeden aven at sidan vilket ledde till att den ett flertal gangerunder nedsovningen ramlade av sangkanten och ner pa golvet.Hur prototypen hangde pa sangkanten kan ses i figur 8b ibilaga B. Ytterligare ett problem var att marginalen pa haletsom anvands for att hanga upp blasan pa maskinen mellannedsovningarna var nagot for stor. Bara genom att ga emotblasan kunde hela konstruktionen halka av maskinen och nerpa golvet. Eftersom produkten i detta stadie inte uppnaddesitt andamal som medicinteknisk produkt var dessa problemhogprioriterade att atgarda.

Efter testet diskuterades vilka andringar som behovde gorasfor att ta itu med problemen och utifran denna analys tog enny prototyp form. Efter samtliga omarbetningar pa prototyp1.5 designades den slutliga produkten, Myran 2.0. Eftersomden inre oglan i prototyp 1.5 fungerade som planerat medanden yttre var instabil rekonstruerades Myran till att endastha en ogla (se figur 4). Genom att minska hojden pa oglannagot kunde den aven fasta runt mynningen till de tva mindreblasorna vilket resulterade i en stabilare konstruktion somfungerar till alla patienter (se figur 9a i bilaga B). Den storaslangens diameter ar endast 0,25 mm mindre an mynningenpa de sma blasorna, vilket ar forsumbart nar det galler hurbra den sitter i oglan. For att undvika att blasan tippar atsidan och trillar av sangen konstruerades en liten kant paden korta delen av kroken (se figur 5). Diametern pa haletminskades aven for att anpassas battre till upphangningspiggenpa maskinen (se figur 6). Efter de forsta utskrifterna framkomaven att munstycket till den 3D-skrivare som anvants ar 0,8mm bred. Om bredden pa prototypen da ar en multipel av 0,8blir ytan jamnare. En jamn yta ar mindre benagen att samladamm och bakterier vilket ger en sakrare produkt. Myran2.0 har anpassats till detta krav och darfor ar inte alla mattjamna siffror. Figur 4, 5 och 6 ar konstruktionsritningarna somaterfinns i den tekniska dokumentationen for produkten.

Resultaten av riskanalysen visade att Myrans nyttaoverstiger riskerna med god marginal, se bilaga A. Endastett fatal risker har identifierats, alla med lag sannolikhet ochlag allvarlighetsgrad. De flesta riskerna ar relaterade till attblasan av olika skal kan hamna pa golvet vilket skulle innebarasamma risker som i dagslaget. Riskpoangen for samtligaalternativ hamnar pa hogst 2 pa en skala fran 1-16 vilket tydligtvisar hur minimala riskerna ar. Genom forbattringar fran forstatill sista prototyp har sannolikheten for en del risker minskatytterligare. Exempelvis sticker Myran 2.0 inte ut lika mycketfran sangen vilket minskar risken att personal gar in i deneller drar ner den av misstag. 3D-modellen av den slutligaprodukten Myran 2.0 kan ses i figur 7. Samtliga prototyperoch slangar kan ses i figur 9a i bilaga B.

Figur 4: Myran 2.0 fran ovansidan

Figur 5: Myran 2.0 fran sidan

Figur 6: Myran 2.0 fran baksidan

6

Figur 7: Slutprodukten Myran 2.0

V. DISKUSSION

Eftersom nya narkosarbetsplatser kommer att kopas in omungefar tva ar finns det idag ingen annan som forsoker losaproblemen med blasan. Pa den nya modellen kommer dettroligtvis att finnas nagot satt att hanga upp blasan pa maskinenmen det kommer inte losa problemet med vart personal skagora av blasan nar den behover vara nara till hands undernedsovningarna. Var produkt kommer alltsa fortfarande varaaktuell aven i framtiden. Personalen pa avdelningen sombesokts var mycket positiva till iden men klargjorde att slang-arna maste sitta fast ordentligt och den far inte ramla av varkenmaskinen eller sangen. Det faktum att blasan nu gick att fastapa sangkanten var de valdigt glada over, eftersom det varen mojlighet de ville ha aven efter maskinerna uppdaterats.Sjukvardspersonal ar ofta valdigt inkorda i sina rutiner ochdet kan darfor handa att de inte tanker pa att Myran finnsvilket da kommer leda till att de forsatter hantera blasan pasamma satt som forut. Pa grund av detta raknar vi med attdet kommer bli en viss inlarningsperiod innan det blir rutinatt anvanda den, och under denna period kommer manga utavtidigare namnda problem att kvarsta.

Myran kommer forhoppningsvis anvandas pa sjukhuset salange den haller, och om den sedan atervinns nar den aruttjant kan den anses vara en mycket miljovanlig produkt.Hela tillverkningsprocessen ar mycket resurssnal och det endaunderhall som kravs ar desinficering med sprit. Eftersom My-ran ar tillverkad av plast och har liknande farg som slangarnatill blasorna finns det en risk att personal av misstag slangerMyran i slutet pa arbetsdagen da alla slangar och blasorbyts ut. Detta ska i storsta mojliga utstrackning forhindras daMyran inte ar en engangsprodukt utan kan anvandas kontinu-erligt under en langre tid. Det finns mojlighet att farga denfardigutskrivna nylonprodukten, men detta skulle innebara enrisk att fargamnet lacker ut vilket kan paverka hygien ochrenhet i operationssalen. Test kommer att genomforas med

svart nylon som kopts fargat, eftersom detta minimerar riskenfor att fargrester finns kvar.

Anestesiavdelningen i Malmo ar inte den enda somanvander sig av Primus anestesiarbetsplats och det skulledarfor potentiellt finnas andra som skulle kunna ha nyttaoch intresse av var losning. Om vi skulle vilja utoka pro-duktionen och leverera till andra avdelningar skulle Myraninte langre raknas som en egentillverkad produkt. Produktenskulle da raknas som en medicinteknisk produkt pa denoppna marknaden vilket skulle leda till att en mangd olikalagar och krav skulle behova uppfyllas utover de som redannamnts. Att slappa ut en produkt pa marknaden definieras iLakemedelsverkets foreskrifter (2003:11) om medicintekniskaprodukter att tillhandahalla en produkt, gratis eller mot betal-ning, vilken ar avsedd for distrubution och/eller anvandninginom Europeiska Ekonomiska Samarbetsomradet oavsett omden ar ny eller helrenoverad. Vid utslappning pa marknadenskulle exempelvis produkten behova CE-markas, vi skulleaven behova registrera ett foretag som agare av produktenoch anmala hos lakemedelsverket. Endast registrering av ettforetag kostar 2150 kr/ar, utover det tillkommer kostnaderfor registrering av produkter. For upp till 10 produkter kostardet 1000kr/ar att uppratthalla markningen. En medicinteknisktprodukt kan slappas ut pa den europeiska marknaden utanett registrerat foretag, i fallet att en eller flera sa kalladeauktoriserade representanter tar ansvar for den. Dessa personerska ansvara for varan fran att den slapps ut pa marknadenoch under resten av produktens livslangd. De ska ocksa,om de har ett foretag registrerat i Europeiska EkonomiskaSamarbetsomradet, underratta Lakemedelsverket om foretagetsadress och vilken kategori den utslappta produkten tillhor.Detta ar alltsa ingen mojlighet i dagslaget. Med de resurservi haft tillgang till anser vi att slutprodukten ar ett mycket braresultat.

De lagar som beskrivits och anvants i projektet har vi sjalvalast, utvarderat och tolkat. Vi har inte tagit in nagon juristsom korrekturlast avsnittet vilket innebar att feltolkningar kanforekomma. Med fler resurser och mer tid hade Myran kunnatutvecklas vidare. Exempelvis hade kanten pa prototyp 2.0inte behovts om Myran delvis hade varit tillverkad av etttyngre material exempelvis nagon metall. Om produkten skullemassproduceras hade formsprutning i plast varit det bastaalternativet. Tyvarr ar ingangskostnaden valdigt hog eftersomsjalva gjutformen ar dyr att tillverka. Den tillverkare somverkade mest lovande och som hade vana av att tillverkamedicintekniska produkter tar ca 19 000 kr i startkostnadfor en produkt i samma storleksordning som Myran [7]. Tilldetta kommer ytterligare kostnad for varje hundra eller tusenstycken som tillverkas. Det skulle aven vara problematiskt attvara tvungen att bestalla sa stora kvantiteter nar endast etttiotal behovs. Mojligheten att 3D-skriva ett negativ till varprodukt och anvanda som gjutform hade varit ett alternativ omvi kant till ett foretag med en 3D-skrivare som kan skriva ut imetall. Problemet med sjalva gjutningen kvarstar dock, och detverkar svart att fa ett bra resultat om man skulle forsoka sjalv.Formsprutning hade gjort Myran mer hallfast da den gjuts iett stycke istallet for att skriva ut lager for lager. Ytan hadeocksa blivit jamnare vilket hade ytterligare reducerat risken

7

for ansamling av smuts och bakterier. Kostnaden for badaalternativen ar mycket hogre an vad som ryms i ramen forett kandidatarbete.

Under slutskedet av projektet uppdaterades skrivaren vilketledde till fel i utskrifterna. De lager som bygger upp utskriftenfaste inte ordentligt i varandra och foll darfor isar. Myran 2.0gick sonder direkt efter utskrift och fick sedan limmas ihopfor att kunna testas. Problemet var som storst med nylon saen Myra i PLA kunde skrivas ut for att se att allt stamdemed konstruktionen. Tyvarr gar denna myra inte att testa pasjukhuset da den inte ar tillrackligt flexibel for att kunnasatta i en blasa eller satta pa sangkanten. Eftersom att 3D-skrivaren behovde kalibreras om kommer slutprodukten intekunna tillverkas och overlamnas inom tidsramen for kandidat-arbetet. Uppdateringen kommer a andra sidan leda till att denya utskrifterna blir stabilare och slatare, nagot som kommergora Myran battre. Nar produkten sedan overlamnas ar detavdelningschefen som kommer att ha det yttersta ansvaret forden.

A. Hallbar utveckling och etik

3D-printing vaxer allt mer och manga satsar pa just denmedicintekniska branschen, detta for att man med hjalp avtekniken kan individanpassa produkter. Istallet for att tillver-ka exempelvis standardstorlekar av nagon produkt kan deanpassas till varje patients unika behov. Detta leder till enmer jamnlik vard med okade mojligheter till att forbattra flerpatienters livssituation och ge dem hogre livskvalite. Med 3D-printing kan man tillverka komplexa geometrier samt sparapengar pa prototyptillverkning av manga slag [9]. Ur etthallbarhetsperspektiv ar detta mycket bra eftersom det spararbade ekonomiska och fysiska resurser. Etiskt sett ar det enklar fordel att kunna anpassa behandlingar och produkter eftervarje individ sa att ingen behover anvanda en produkt som intepassar dem.

VI. SLUTSATSER

Myran 2.0 kan bidra till okad patientsakerhet och enforbattrad arbetsmiljo pa anestesiavdelinen pa Skanes uni-versitetssjukhus i Malmo. Den kommer fohoppningsvis tasi bruk och darmed underlatta det dagliga arbetet for badesjukskoterskor och lakare. Med ratt resurser hade Myrankunnat massproduceras och distribueras till andra som kan haanvandning av den.

VII. EFTERORD

Stort tack till var kliniska vagledare Alicia Saavedra, aneste-sisjukskoterska pa universitetssjukhuset i Malmo, som avsatttid bade privat och i arbetet for att fora oss framat genomhela processen. Alicia har anpassat sitt jobbschema for att viskulle fa mojligheten att narvara pa sa manga nedsovningarsom mojligt under besoken. Hon har vaglett oss och alltidvarit tillgagnlig pa bade mail och telefon for att svara pa allavara fragor. Vi vill aven tacka var tekniska handledare ThomasKirkhorn, universitetslektor vid Medicinsk Teknik i Lund,for vagledning genom projektet. Speciellt tack for hjalpenmed tidsplaneringen och riskanalysen. Utover detta vill vi

tacka Oskar Korpas, civilingenjor i maskinteknik, for hjalpenmed konstruktionen av prototypen i PTC Creo. Slutligen arvi oerhort tacksamma for all hjalp vi fatt av Axel Tojo,forskningsingenjor vid andelningen for biomedicink teknik,som bidragit med bade tid, kunskap och materiel till att skapaprodukten.

Arbetet har delats upp efter respektive forfattares formagoroch intressen. De flesta moment har delats upp sa att endast enperson arbetade med det for att effektivisera tiden. Resultatenhar sedan stamts av. Exempelvis konstruerades 3D-modellen iprogrammet PTC Creo av Elin medan halvtidspresentationenforberedes och genomfordes av Jessica.

REFERENSER

[1] Ingvar Perstoft, IT sammordnare Skanes universitetssjukhus Malmo[2] Drager Medical GmbH Bruksanvisning Primus Anestesiarbetsplats

SW4.n., Lubeck: utgava 2 2010[3] thre3d.com 2016-05-20[4] S.Acosta, P.Frykholm, F.Hammarskjold, A.T.Larsson, S.Lindgren,

R.Lindwall, A.Pikwer, K.J.Taxbro, J.Akeson, F.ObergCentral Venkate-terisering, kliniska riktlinjer och rekommendationer, Svensk foreningfor anestesi och intensivvard, Remissversion 2010-12-02.

[5] K.Modjarrad & S.EbnesajjadHandbook of polymer applications in me-dicine and medical devices, William Andrew imprint of Elsevier, 2013.

[6] Riskanalys och Handelseanalys - analyser for okad patientsakerhettredje reviderade upplagan, Sveriges kommuner och landsting, 2015.

[7] http://www.lcplastic.se/ 2016-05-20[8] L. W. McKeen and F. Lopes da Silva, Electroencephalography. Basic

Principles, Clinical Applications and Related Fields. Baltimore: Willi-ams & Wilkins, 1998.

[9] http://innovationonline.se/tillverkning/prototyp/3d-printing/ 2016-06-09

8

BILAGA

A. Riskanalystabell

Tabell II: Riskanalys Myran 2.0

Aktivitet Beskrivning av risker Konsekvenser Allvarlighets-grad (1-4)

Sannolikhet(1-4)

RiskpoangA*S

Forberedelse inforankomst av patient

Personal stoter till blasan ellerMyran sa att den trillar ner

Blasan hamnar pa golvet och kantrampas pa eller koras over,personal kan snubbla

1 1 1

Nedsovning av patient Felanvandning: Personal tar endastav blasan, inte hela annordningen

Blasan kan ej hangas pa sangenutan Myran 1 2 2

Personal gar in i myran nar de garemot sangen

Personal kan fa blamarke ellerkanna tillfallig smarta 1 1 1

Personal rycker av misstag nerblasan pa golvet

Blasan hamnar pa golvet medanMyran sitter kvar pa sangen 1 1 1

Blasan ar i vagen for annan utrustning Annan funktion blir mer svartillgaglig 2 1 2

Allmanna risker Smuts fran tillverkningsprocessenfinns kvar pa Myran Infektionsrisk okar 2 1 2

Produkten gar sonder eller tojs ut Produkten far kastas och ersattasmed en ny 1 1 1

Allvarlighetsgraden ar skalad fran 1-4 dar 1 ar liten allvarlighetsgrad och 4 ar extrem. Sannolikheten ar aven skalad fran 1(lag) till 4(hog). Riskpoangens skala ar da 1-16.

9

B. Bilder

(a) Blasan vid piggen och volymreglaget samt hur den ska hanga (b) Myran 1.5 pa operationsbordet

Figur 8: Bilder pa funktionalitet hos myran

(a) Alla storlekar pa blasor och de olika prototyperna. (b) Myran 2.0 pa stora slangen.

Figur 9: Blasor och prototyper.

Figur 10: Forflyttning av oglan for att mojliggora utskrift i 3D-skrivare.

1

Utvardering av ISFET-chip forpH-matning i karies

Elin Edvinsson (BME13), Sanna Evertsson (BME13)

Sammanfattning—Att det ar syraproducerande bakterier somorsakar folksjukdomen karies ar redan ett allmant kant faktuminom tandvarden. Utover detta faktum hade det varit onskvartatt kunna folja bakteriernas aktivitet i kariesskadan for att faen okad forstaelse for forloppet. Denna rapport innefattar enutvardering av en teknologi for insamling av data for dettaandamal. Utvarderingen ror ett ISFET-chip som lampar sigval for integrering i mikrosensorer med intention att matajoner i sma volymer. Chipet har darfor en stor potential forpH-registrering i kariesskador. Genom att fasta ISFET-chipetpa ett kretskort och sedan sammankoppla det med ett manu-ellt matsystem studerades resulterande spanningsvariationer ilosningar av olika surhetsgrad. Matningarna gjordes i salivlikna-de miljoer, bade sett till pH-varde och struktur pa losningarna.

Chipet uppfyllde val de dimensioner och krav pa talighetsom stalldes for att kunna fa en god matning i karies. Dess-utom pavisade resultaten en linearitet mellan spanningen ochlosningens pH-varde, samt att ISFET-chipet kunde mata i detaktuella pH-omradet 3.5-7. Vidare diskussion om stabilitet gorsi rapporten.

Att utveckla en mikrosensor som uppfyller alla de kravsom stalls pa ett matinstrument, som ska kunna mata pH-varde i karies, ar av storsta intresse inom tandvardsforskning.Matinstrumentet skulle kunna bidra till forbattring inom mangaanvandningsomraden for tandvarden i framtiden, inte minst forett preventivt arbete mot kariesskador.

I. INTRODUKTION

A. Sjukdomshistoria

MUNNEN har en mikroflora dar over 500 olika arter avbakterier lever. [1] Dessa bakterier missgynnas av att

leva i en miljo med hog halt av jasbara kolhydrater, exempelvissocker, och bryter darfor ner dessa till syra da de intas somfoda. Syraproduktionen i bakteriebelaggningarna pa tandytanleder till en sankt pH-halt och en upplosning av tandens hardamineraler. Denna process kallas for demineralisering och arcentral i utvecklingen av tandskadan karies. Pa emaljen vidtandens yta startar demineraliseringen under det kritiska pH-vardet 5.5 och vid dentinet, nara tandens karna, startar den vidpH-vardet 6.3. [2]

Karies ar en infektionssjukdom som drabbar 60-90 % avalla skolbarn och majoriteten av vuxna i industrilander. Dettagor att karies raknas som en av vara vanligaste folksjukdomargenom tiderna. [3]

Vid kortvariga och sallan forekommande perioder med sy-raproduktion repareras demineraliseringen tack vare saliv som

Inlamnat den 7 juni 2016Emejladress: mte13sev@student.lu.se,mte13eed@student.lu.seTekniska handledare: Johan Nilsson och Martin Bengtsson,Institutionen for Biomedicinsk teknik, Lunds Tekniska HogskolaKlinisk handledare: Dan Ericson, Odontologiska fakulteten,Malmo Hogskola

innehaller nya mineraljoner som kan remineralisera tanden.[2] Aven fluor har visat sig ha stor betydelse for deminerali-seringen eftersom det har en uppbromsande effekt pa dennasamt hammar bakteriernas formaga att bryta ner kolhydrater,vilket leder till en minskad syraproduktion. [4] Fluor har alltsakarieshammande egenskaper. [2]

En langvarigt sankt pH-halt kan medfora att demineralise-ringen blir storre an remineraliseringen vilket leder till att enstor del av det upplosta mineralet forsvinner fran tandytan.Denna langvariga forsurning ger sa smaningom en defekt patandytan som blir borjan till ett hal. Ju fler syraattacker destostorre ar risken for en kariesskada. [2]

Normalt sett tar det flera ar for ett hal att uppkomma.Detta innebar att nar en kariesskada upptacks, med dagensmetoder, har de biokemiska processerna som orsakar skadanredan pagatt under en lang tid. Under denna tid hade detfunnits flera mojligheter att pa vagen forsoka stoppa proces-sen, nagot som ar av hogsta intresse inom tandvarden. Idagupptacks kariesangrepp pa patienter genom att se och kannaskadan med spegel och sond under kliniska undersokningar.Detta kompletteras med en rontgenundersokning for att okatillforlitligheten. [2]

For att fa en okad forstaelse for bakteriernas aktivitet ochdarmed deras syraproduktion hade det enligt overtandlakareoch forskare Dan Ericson vid Malmo hogskola varit onskvartatt kunna mata pH-vardet i en kariesskada. Inom kliniskanvandning har Dan tagit fram en metod for hur matningen skaske. Matinstrumentet fors in antingen direkt i kariesangreppetutan att ga igenom emalj eller genom en forborrad kanalfor att komma i kontakt med kariesangreppet. Kanalen, meddiametern 0.3-2 mm, gors genom cirka 6 mm tandsubstansav emalj och dentin. [5] Pa grund av kariesskadors storlek,konsistens och ofta svaratkomliga placering stalls det storakrav pa det matinstrument som ska anvandas.

Matinstrumentet maste forst och framst uppna kanalensdimensionskrav for att na ner till skadan. Instrumentet masteaven vara tillrackligt styvt sa att det inte bryts av vidanvandning eftersom kariesskador har en seg konsistens.

Tabell I: Kravlista for matinstrumentet

Responstid < 10 sekunderStorlek 0.3-2 mm i diameterMatomrade pH 3.5-7Matosakerhet ±0.01 pH-enheterSterilisering Ska vara genomforbar med vatskaMekanisk talighet Ska kunna tryckas genom en kariesskada

utan att ga sonder

2

Utover dessa krav maste matinstrumentet kunna mata i inter-vallet pH 3.5 till pH 7 eftersom det motsvarar de varden somkan forvantas finnas i en kariesskada. [5] De mest vasentligakraven for matinstrumentet ar samlade i Tabell I.

B. Undersokning av befintliga metoder

Ett flertal metoder for pH-matning finns pa marknaden idagmen ingen av dessa ar optimal for det aktuella matproblemet.Befintliga pH-indikatorer, exempelvis kemiska som BTB, arinte tillrackligt specifika da de bara ger en fingervisning pa detaktuella pH-vardet i form av en fargskala dar det sura represen-teras av fargen gult, det basiska av fargen blatt och det neutralaav fargen gront. [6] Detsamma galler for lackmuspapper,bestaende av cellulosa, som loser upp sig i kontakt med vatskaoch reagerar med ett fargomslag pa aktuellt pH-varde. [7]Dessa kemiska indikatorbaserade metoder kan darfor uteslutasfor denna studiens syfte.

En teknologi som finns pa dagens marknad och som kantillgodose dimensionskraven och pH-omfanget ar miniatyrise-rade glaselektroder. Nackdelen med dessa ar att de ar sprodaoch omtaliga och darfor bryts de latt av vid anvandning vilketvarken ar ekonomiskt eller miljomassigt hallbart. [8]

En relativt ny teknik inom mikroelektroder, som utveckladespa 1970-talet for att mata pH-varde, ar ISFET, Ion SensitiveField Effect Transducer. ISFET kan utover pH-matning avenanvandas for att mata jonkoncentrationer av Na+, K+, Cl−,NH4

+ och Ca2+. [9] Ett kretsschema for ISFET-teknologinvisas i Figur 1 och en schematiskt bild pa dess uppbyggnadvisas i Figur 2. I Figur 1 star D for drain, S for sourceoch G ar den externa referenselektroden. ISFET har sammauppbyggnad som falteffekttransistorn MOSFET, Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor, men har istallet foren metallgate ett kemiskt jonkansligt membran som tillaterkontakt mellan det elektriska systemet och den biologiskamiljon. [10] Membranet, som aven benamns som oxidlagret,angransar till den losning som man onskar mata pH-vardet i.

Figur 1: Kretsschema over en ISFET. [10]

Da vatejoner, H+, i losningen donerar eller accepterar pro-toner fran det kansliga oxidlagret polariseras membranet ochen kanal skapas darmed i det halvledarmaterial som forbinderdrain och source, se Figur 2. Denna kanal mojliggor att enstrom, som ar proportionell mot vatejonkoncentrationen, garmellan drain och source. [11] Det elektriska falt som skapasover det polariserade membranet kan beskrivas enligt NernstEkvation. [12]

E(pH) = E0 − 2.3RT

nF(pH) (1)

pH = −log(H+) (2)

I Ekvation 1 ar R den allmanna gaskonstanten, T ar denabsoluta temperaturen i Kelvin och F ar Faradays konstant.

Det som karaktariserar ISFET-chip ar att de ar robustaoch taliga, nagot som ar onskvart vid matningar i karieseftersom matinstrumentet maste tala ett visst tryck in tillmatomradet. [9] ISFET har en snabbare matningsprocess anmikroelektroder av glas tack vare att tekniken grundar sig paatt mata skillnad i ytpotential istallet for diffusionspotential.[13] Dessutom kraver ISFET-chip minimalt underhall, kanforvaras torrt, kan anvandas i ett brett temperaturomfang samtar steriliserbara med vatska. Att de ar steriliserbara innebaratt de har potential att anvandas bade i biologiska, medicinskaoch farmaceutiska sammanhang. ISFET-teknologin har avenhog specificitet och kan anvandas for att gora matningar irealtid samtidigt som de behaller tillforlitligheten i dessa. Denhar aven en snabb responstid och lampar sig darfor for attanvandas vid integration i sensorer. [9] Tekniken kraver dockreferenselektrod och membranet ar kansligt for blockering ochnedsmutning da den angransar direkt till matomradet. [14]

Figur 2: Uppbyggnad av en ISFET. [10]

I dagslaget finns ISFET-chip integrerade i biosensorer ochstudier har visat att de ar lampliga vid bioaktiv monitoreringfor att studera bakteriers aktivitet. [9] [15] Dessutom har vidarestudier aven pavisat att ISFET lampar sig att anvandas for attstudera biologiska processer i sma volymer. [16]

Denna slutsats, tillsammans med uppfattningen om att IS-FET ar den teknologi pa marknaden som mest fordelaktigtuppfyller de krav som stalls for att kunna mata pH-vardet i enkariesskada, lag till grund for syftet med denna studie. Syftetvar att undersoka och utfora matningar pa ett ISFET-chip foratt utvardera om det uppfyllde de krav som stalls for att kunnadra slutsatser om bakteriers aktivitet, se Tabell I.

C. Agenda

Denna rapport borjar med att beskriva sjukdomsforloppet avkaries och behovet av att kunna folja utvecklingen av denna

3

skada. Sedan diskuteras befintliga metoder for pH-matning ikariesskador samt vilka krav som stalls pa matinstrumentet.Detta for att fa en klar bild over den unika matsituationsom finns i kariesskador och varfor just ISFET valts forutvardering. Efter detta redovisas de matningar som gjortsoch resultaten av dessa diskuteras. De viktigaste slutsatsernapresenteras sedan och slutligen diskuteras ISFET-chipet urperspektivet hallbar utveckling.

II. METOD

Mycket tid av projektet lades ner pa att undersoka utbudet avbefintliga pH-metoder. Detta gjordes for att hitta en metod somverkade lamplig for matningar i kariesskador och tillgodosagde behov som stalls i Tabell I.

Det ISFET-chip som testades i studien var av modell MO-PSF02 fran foretaget Micropto. Chipet av kisel hade ytter-dimensionerna 1.5 × 4 mm och en gate av Ta2O5 meddimensionerna 20 × 700 µm, se Figur 3. Dimensionernapa chipet sakerstalldes genom observation i mikroskop. IFigur 3 visas chipets gate av den ovre rektangeln och chipetstemperatursensor av rektangeln nedanfor. Bindningsplatsernaar kontakterna 1, 2, 3 och 4, dar 1 och 4 gar till gaten och 2och 3 gar till temperatursensorn. ISFET-chipet fastes i andenav ett 0.81 mm tjockt kretskort som frasts ut just for dennastudie. Efter denna sammankoppling med hjalp av epoxylimdrogs aluminiumtradar fran chipets source (kontakt 4) ochdrain (kontakt 1) till kopparn pa kretskortet for att skapa enledande forbindelse for signalerna. Slutligen isolerades chipetoch kretskortet med lim av market Loctite, se resultatet i Figur4.

Figur 3: Dimensioner pa det chip som anvandes i studien.

Referenselektroden som anvandes var av typen Ag/AgCli ett glasror med poros ande. Den genererade en konstantpotential, Eo, som ISFET-chipet kunde mata emot.

Forsoken utfordes manuellt med 2 stycken multimetrar(Hewlett Packard 3478A) och 2 stycken voltmetrar (HewlettPackard E3612A). En resistor pa 1 kΩ kopplades mellanreferenselektroden och source, se Figur 5. Denna resistorbegransade strommen daremellan. Strommen sattes till ettkonstant varde pa 100 µA, se A i Figur 5. Detta var detvarde som specificerades av tillverkarna. Strommen stalldes

Figur 4: ISFET-chip monterat pa ett kretskort.

Figur 5: Kretsschema over en ISFET medutplacerade multimetrar A och V.

in manuellt pa en av voltmetrarna och sedan avlastes denaktuella spanningen pa en av multimetrarna, se V i Figur 5, narbade referensen och chipet var i losningen. Samtidigt anvandesen extern pH-elektrod for att samla in pH-varden. I MatLabpresenterades spanningarna fran multimetern som funktion avvardena fran den externa pH-elektroden i grafer.

Forsoken i studien delas upp i tre delar:

A. Stabilitet

I dessa forsok anvandes tre olika buffertlosningar med pH 4,7 och 9 for att studera hur stabil signal ISFET-chipet kunde ge.En losning bestaende av 40 ml buffert placerades i en bagaretillsammans med en magnetstav. Bagaren stalldes sedan paen magnetplatta for att fa en jamn omrorning och darigenomen homogen losning. Chip och referenselektrod placerades ilosningen och spanningen registrerades fran multimetern dastrommen sattes till 100 µA. En extern pH-matare anvandesfor att observera det faktiska pH-vardet i losningen, se Figur6. Matningen repeterades tre ganger for samtliga tre buf-fertlosningarna.

Aven chipets stabilitet over tid undersoktes. Detta gjordesgenom att registrera den uppmatta spanningen var 10:e minutunder 60 minuter for att se om vardena holls stabila pa sammaniva eller om registreringen fran chipet var tidsberoende.

4

B. Matning i sur losning

1) Kaliumkloridlosning och attiksyra: 60 ml losning av ka-liumklorid, KCl, uppmattes och pH-vardet i losningen mattesvarannan minut samtidigt som attiksyra, CH3COOH, droppvistillfordes for att undersoka chipets formaga att mata i ensur miljo. Attiksyran var utspadd till 25 %. Syran tillfordesvarannan minut tills pH-vardet sjunkit till pH 3.5 vilket var denundre gransen pa kravet i Tabell I. Den externa pH-matarenanvandes for att kontrollera detta.

Figur 6: Matuppstallning.

2) Kaliumkloridlosning, attiksyra och gelatinpulver: 60 mllosning KCl uppmattes och 1.2 g gelatinpulver tillsattes ochrordes om till en relativt homogen losning som skulle liknamunnens proteinrika saliv. Den utspadda attiksyran tillfordesdroppvis ner i bagaren for att fa en forandring av pH-vardet.Attiksyran tillfordes varannan minut tills pH-vardet sjunkit tillpH 3.5. Aven har anvandes den externa pH-elektroden for attkunna kontrollera detta.

I samtliga forsok anvandes en magnetomrorare for att syranoch gelatinpulvret snabbt skulle fordelas i losningen. Dess-utom anvandes destillerat vatten i plastpipett mellan forsokenfor att rengora bade chip, referenselektrod och extern pH-elektrod.

C. Mekanisk talighet

For att utvardera om ISFET-chipet klarade av det motstandden behover tala for att halla en god kontakt under matningari kariesskador undersoktes dess talighet. Vatten och gelatin-pulver kokades upp och placerades i kylskap for att stelna. Dalosningen stelnat och bildat en massa, med ett motstand sommotsvarade det som aterfinns i kariesskador, trycktes chipetmot massan. Ett mikroskop anvandes sedan for att studera omdet blivit nagon yttre paverkan pa chipet.

III. RESULTAT

Resultaten nedan presenteras utifran de matningar somgjordes med ISFET-chipet.

A. Stabilitet

I Tabell II visas medelvardet pa de matningar som gjordespa tre olika buffertlosningar med pH 4, 7 och 9.

Tabell II: Buffertlosningar

pH-varde: 4.4 7.4 9.3

Uppmatt spanning [V]: 2.88 3.02 3.00

Inga fullstandiga resultat kunde samlas in under den 60minuters langa matningen for att studera ISFET-chipets sta-bilitet. Vid matningens tre forsta forsok visade den externaelektroden pH 3.71, 3.70 och 3.70. Nar strommen genomchipet sedan slogs pa sjonk referensvardet fran den externapH-elektroden drastigt till pH-omradet 3.23-3.45 vilket gjordeatt spanningsmatning inte var aktuell i detta lage. Samtliga sexmatningar slutfordes alltsa inte.

B. Matning i sur losning

Tabell III visar hur pH-vardet och spanningen forandradesnar droppar av attiksyra med en styrka pa 25 % droppades neri en losning med KCl. Vardet fran den externa pH-elektrodenvisas i samband med dessa matningar. Resultatet visas avenoverskadligt i Figur 7. Samma matningar utfordes darefter medgelatinpulver och dessa resultat visas i Figur 8.

Tabell III: Matning i sur KCl losning, tre olika matserier

pH Spanning pH Spanning pH Spanning

5.9 2.69 5.9 2.56 5.4 2.28

4.0 2.74 4.2 2.74 3.8 2.91

3.8 2.87 4.0 2.74 3.8 2.91

3.8 2.87 3.9 2.74 3.7 2.93

3.6 2.96 3.6 2.83 3.5 2.96

3.5 3.05 3.5 2.86 3.5 3.01

pH värde3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

Spännin

g v

s. A

g/A

gC

l. [V

]

2.6

2.65

2.7

2.75

2.8

2.85

2.9

2.95

3

3.05I.

pH värde3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7

Spännin

g v

s. A

g/A

gC

l. [V

]

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3II.

pH värde3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

Spännin

g v

s. A

g/A

gC

l. [V

]

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2III.

Figur 7: Tre matningar i losning med KCl samtvarierande mangd attiksyra.

pH värde3.5 4 4.5 5 5.5 6

Spännin

g v

s. A

g/A

gC

l. [V

]

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6I.

pH värde3.5 4 4.5 5 5.5 6

Spännin

g v

s. A

g/A

gC

l. [V

]

2.6

2.65

2.7

2.75

2.8

2.85

2.9II.

pH värde3.5 4 4.5 5 5.5 6

Spännin

g v

s. A

g/A

gC

l. [V

]

2.7

2.75

2.8

2.85

2.9

2.95

3

3.05

3.1

3.15

3.2III.

Figur 8: Tre matningar i losning med KCl,gelatinpulver samt varierande mangd attiksyra.

5

C. Mekanisk talighet

Chipet paverkades inte da det trycktes in i massan av vattenoch gelatinpulver. Inga defekter upptacktes da chipets strukturstuderades efter forsoket.

IV. DISKUSSION

Efter pH-matningarna i losning med KCl samt olika mangdattiksyra ser vi i Figur 7 att det finns ett nast intill linjartsamband mellan pH-varde och spanning. Detta resultat tyderpa att chipet kan registrera olika pH-varden och att chipetdelvis verkar leva upp till tillverkarens specifikationer omlinearitet. Eftersom detta samband dock inte atergavs pa samt-liga matningar hade vidare studier behovt goras for att heltsakerstalla linearitet. Ett markbart resultat var aven att pH-vardet med den externa pH-elektroden vid start av de olikamatningarna inte gav samma varde i den tredje matningen, seTabell III. Det skulle kunna bero pa att bagarna inte blivit heltrengjorda fran syra efter foregaende forsok eller att chipet heltenkelt paverkats over tid. Anledningen till att KCl anvandesvar for att den jonmassigt liknade munnens saliv.

Tabell II, som visar resultaten fran matningarna i de olikabuffertlosningarna, visar en avvikande trend pa spanningen.Ett okande pH-varde ska generera en minskande spanning,nagot som inte stamde genomgaende i forsoken. Detta resultatskapade en ovisshet kring chipets tillforlitlighet, men pa grundav de linjara sambanden i Tabell III anser vi att det arorsaker utover chipet som paverkar. Exempelvis skulle detkunna vara buffertsystemens sammansattning som forsvararpH-matningen. En annan orsak skulle kunna vara att chipetvar temperaturberoende. Om sa var fallet hade de avvikanderesultaten kunnat forklaras av att magnetplattan genererade enliten mangd varme till losningen da den var igang under enlangre period. Matosakerheten pa grund av eventuellt tempe-raturberoende hade i vidare studier kunnat elimineras genomatt koppla upp systemet mot chipets temperatursensor, kanal2 och 3 i Figur 3.

Vardena fran matningarna i sur losning med gelatinpulver,Figur 8, ar aven de avvikande mot det linjara sambandet i Figur7. En orsak till detta hade kunnat vara att gelatin lagger sigsom en belaggning pa chipets jonkansliga membran, se Figur9, och darmed forsvarar jonmatningen. En ytterligare faktorkan ha varit att vi tillsatte en for stor mangd gelatinpulvertill losningarna. For att helt kunna utvardera chipet hade det iframtida studier darfor varit onskvart att mata i riktigt saliv.

Nar matningar under 60 minuter skulle goras i del A avmetoden kunde inga trovardiga varden registreras pa grundav att den externa pH-elektroden borjade visa skiftande pH-varden sa fort strom borjade ga genom ISFET-chipet. Dettaskulle kunna bero pa att det blivit ett avbrott i chipets tradareller att det var ett lackage mellan isoleringen och kretskortetsom gjorde att strom drevs genom losningen. En isoleringkring halvledarmaterialet gjordes for att hindra strommen franatt lacka ut ur dioden, som annars var den vagen med minstmotstand som strommen darmed ville ta. Isoleringen fickstrommen att istallet ga mellan drain och source. En felkallakan ha varit att isoleringen inte var tillracklig och att en del avstrommen lackte ut, vilket skulle paverka resultaten. Det kan

ocksa ha varit sa att limmet som anvandes vid isoleringeninte var avsedd for att anvandas i vatskor. Det har visarytterligare pa att fler undersokningar hade behovt goras foratt kunna utvardera ett ISFET-chip fullstandigt. Det var alltsaflera komponenter i matningen som kunde paverka resultatet,inte bara chipet i sig.

Manga av matosakerheterna i denna studie beroddeformodligen till stor del pa att matningarna utfordes med ettmanuellt matsystemet. Detta matsystem gjorde det svart attpa ett trovardigt och fullstandigt satt utvardera ISFET-chipetsframtida potential inom tandvarden. Det som kunde ses somden storsta felkallan var att strommen som reglerades manu-ellt inte kunde hallas konstant under hela matningarna utanfick korrigeras kontinuerligt i samtliga forsok. Matsystemetbegransade aven vara matningar. Det hade namligen varitonskvart att mata chipets responstid vid andrad syrahalt mendetta gick inte att genomfora pa grund av den stora osakerheteni systemet.

Resultatet av att fora ned ISFET-chipet i en gelatinmassavisade pa att den var tillrackligt talig for att inte brytas avunder anvandning. Denna talighet ses som en viktig egenskapeftersom den mojliggor ateranvandning av ett ISFET-chip vil-ket ar onskvart ur ett ekonomiskt och miljomassigt perspektiv.

A. Hur representativt det ar

Simuleringarna som gjordes under matningarna represente-rade enligt oss den verkliga matsituationen relativt val mendock inte fullstandigt. Under matningarna utgjorde bagaren,med sur losning i varierande styrka, tander med olika grad avkaries. Detta var dock inte fullstandigt representativt eftersomvi anvande oss av storre volymer i vara forsok samt antogen homogen losning, vilket inte med sakerhet forekommer ikariesskador. Gelatinpulvret tillsattes till losningarna for attefterlikna den proteinrika miljo som aterfinns i saliv. Eftersomsaliv innehaller fler bestandsdelar an protein innebar pulvretdock inte en fullstandig aterskapning av miljon utan bidrogendast delvis till en verklighetstrogen simulering.

Syran som tillsattes representerade bakteriernas syraproduk-tion vid stimulering av jasbara kolhydrater. I matningarna

Figur 9: Mikroskopbild av ISFET-chip som anvandes i studien.

6

tog vi inte hansyn till den tidsfordrojning som generellt sker,fran det att bakterier stimulerats tills dess att syra bildats. Visag alltsa inte ett helt representativt forlopp over bakteriernasutveckling.

B. Framtidsplaner

Det optimala hade i framtiden varit att anvanda sig av ettautomatiskt matsystem som registrerade vardena kontinuerligtsamtidigt som detta hanterades pa ett overskadligt och pe-dagogiskt satt pa en extern enhet. Framtida anvandare inomtandvarden har varken tid eller tillrackligt med teknisk kunskapfor att sjalva koppla upp systemet utan det behovs ett “allt-i-ett-system“ som bade klarar av att mata och presentera resul-taten. Darigenom hade det darfor varit onskvart att integrerareferenselektroden i chipet, istallet for att ha den extern somi nulaget. Man skulle aven kunna fasta referenselektroden padraneringssugen sa att den inte ar i vagen vid matning.

Dessutom hade det varit optimalt om det jonkansliga mem-branet istallet satt pa spetsen av chipet for att slippa fora inmatinstrumentet langt i kariesmassan. Foretaget Micropto er-bjuder specialbestallning av ISFET-chip som hade kunnat varaav intresse for tandvarden eftersom det hade varit onskvartatt modifiera placeringen av membranet. Detta var dock enekonomisk fraga i det har projektet.

Inom tandvarden hade produkten kunnat anvandas preven-tivt for att kontinuerligt mata pH-vardet pa tandbelaggningar.Det hade dock kravts en modifikation av matinstrumentetfor detta syfte eftersom chipet hade behovt fastas pa tander.En sadan kontinuerlig matning hade kunnat lara och hjalpapatienter att ata ratt saker och lagom ofta for att undvikakariesskador. Den hade aven underlattat diagnostiseringen formanga tandlakare da de hade kunnat forsta orsaken till karieshos de patienter som pastar sig skota sin munhygien och ataenligt tandvardens riktlinjer. Matinstrumentet hade registreratpatienters rutiner och vanor och overfort matvardena till enenhet via tradlosa natverk. Detta preventiva arbetssatt hade in-neburit effektivisering samt besparing av tandvardens resurser.

I denna studie har Tabell I, med krav pa vad matinstrumentetbehover uppfylla for att vara av intresse for tandvarden, varitcentral. Chipet uppfyller delvis de krav som tandvardsforskareDan Ericson stallt och med vidare studier tror vi att det kan haen stor potential bade inom forskning och klinisk anvandningfor matning av intraorala pH-varden i kariesskador.

V. SLUTSATSER

Fran resultaten kan slutsatsen dras att ISFET-chipet uppfyl-ler bade dimensionskrav och krav pa talighet. Dessutom klararden av att mata i det onskvarda pH-omfanget samt ar latt attrengora.

ISFET-chipet kan registrera andringar i pH men pa grundav det manuella matsystemet kunde inga slutsatser dras omchipets osakerhet. Vidare matningar hade behovt goras for attutvardera chipet mer fullstandigt.

VI. HALLBAR UTVECKLING OCH ETIK

Hallbar utveckling definieras enligt FN-rapporten “Var ge-mensamma framtid” som en utveckling som tillgodoser dagens

behov utan att aventyra kommande generationers mojligheteratt tillgodose sina behov. I begreppet ingar tre dimensionerav hallbar utveckling - den ekologiska, den sociala samt denekonomiska. Ekologisk hallbarhet innebar minskad paverkanpa naturen samt manniskans halsa och social hallbarhet in-nebar uppbyggnad av ett langsiktigt, stabilt samt dynamisktsamhalle. Ekonomisk hallbarhet innebar hushallning medmanskliga och materiella resurser pa lang sikt. [17]

Prevention inom tandvarden har sarskilt stor betydelsefor att uppna ekonomisk hallbarhet. Genom att arbeta ka-riesforebyggande och sjukdomsbehandlande kan tandvardenminska behovet av framtida tandvardsinsatser. Genom att tidigtstalla diagnos och behandla sjukdomen minskar aven lidandetfor de drabbade patienterna. [18]

For att belasta miljon sa lite som mojligt hade malet medmatinstrumentet varit att den helt och hallet skulle besta avlangsiktigt hallbara resurser, bade nar det galler utrustning somanvands vid tillverkningen men aven for sjalva instrumentetsom tillverkas. For att kunna utvardera ISFET-chipet, ochta hansyn till alla de faktorer som paverkar belastningen pamiljon, anser vi att den maste den studeras ur ett helt livscy-kelperspektiv fran produktion till avfall. Materialatgangen imatinstrumentet ar relativt liten eftersom produkten ar liten.Detta ar dock inget skal for att inte ta hansyn till materialetspaverkan pa naturen. Chipet som anvands i var nuvarandeprototyp bestar av kisel vars paverkan pa miljon beror till stordel pa karaktaren, fysiska formen och tillvagagangssattet daden kasseras. Vid produktion av kisel sker utslapp av koldioxidvilket innebar en negativ paverkan pa miljon. [19] Av de totalautslappen av vaxthusgaser i Sverige star koldioxid for knappt80 % av dessa. [20] Vaxthusgaserna bidrar till vaxthuseffektengenom att solens stralar tillats varma upp jordytan istallet foratt strala ut i atmosfaren igen.

Gaten i det chip som anvands i var nuvarande pro-totyp bestar av tantaloxid, Ta2O5, som ar en oorganisksammansattning som renats fran malmen colton. Tantalforekommer endast pa nagra fa platser pa jorden, huvudsak-ligen i Demokratiska Republiken av Kongo dar regnskog ochexotiskt djurliv finns. For att utvinna tantal skovlas mycketregnskog och pa grund av vaskningen forgiftas vattendragenvilket leder till att djurlivet drabbas. [21] Tantaloxid kandarfor varken ses som ekonomiskt, socialt eller ekonomiskthallbart utan borde i storsta mojliga utstrackning ersattas avett battre alternativ som ar langsiktigt hallbart. Mineralen kaninte heller ses som etiskt forsvarbar eftersom stora delar avde inkomster som fas in tack vare utvinningen av tantal gartill att uppratthalla bevapnade konflikter i ostra DemokratiskaRepubliken av Kongo. En mortalitetstudie, av International Re-scue Committee, gjord med avseende pa de konfliktrelateradedodsfallen mellan augusti 1998 och april 2007 uppskattar attmer an 5.4 miljoner manniskor har dott pa grund av vapnadekonflikter i Kongo. Dessa konflikter kan vara de globaltdodligaste sedan andra varldskriget. [22] Ingripande atgardergors over varlden for att stoppa att vinster fran handeln medmineralerna anvands for att finansiera bevapnade konflikter.Europaparlamentet har som mal att utveckla en effektiv ochbalanserad forordning som framjar ansvarsfull utvinning frankonfliktdrabbade omraden. OECD, Organisationen for ekono-

7

miskt samarbete och utveckling, och FN har i ett forsok attkapa banden mellan mineralutveckling och konfliktfinansieringutvecklat riktlinjer for foretag som hanterar mineral utvunna ikonfliktomraden. [23]

I ett fortsatt arbete hade det varit av storsta vikt att hittaett ersattningsmaterial till tantaloxid, som behaller de godaegenskaperna, eller atminstone sakerstalla att inkop av kom-ponenter till matinstrumentet sker av foretag som foljer deriktlinjer och forordningar som finns. Ur miljosynpunkt haralltsa ISFET-chipet en stor forbattringspotential.

Generellt satt ar elektronisk utrustning en komplex bland-ning av material och komponenter och innehaller flertaletskadliga substanser sa som giftiga metaller. Alla indikationerpa marknaden pekar pa en fortsatt okad kvalitativ och kvanti-tativ efterfragan av metaller vilket innebar att storre volymeri en bredare utstrackning av metallegeringar kommer kravasi framtiden. Denna snabba okning ar orovackande eftersomde skadliga substanserna skapar stora miljoproblem vid slutetav livscykeln. Det ar darfor mycket viktigt att utrustning,innehallande metaller, atervinns pa ratt satt. Idag innehallermanga produkter aven komplexa blandningar, dar metall ar endel, vilket leder till en forsvarad atervinning. [24]

Det finns flertalet metoder for att minska belastningen pamiljon. Dematerialisering innebar att livstiden pa produkterforlangs eller att atervinningen av produkten och de anvandamaterialen okar. ISFET-chipet har en lang livstid eftersom denar latt att sterilisera och kan darfor ateranvandas manga ganger.Dematerialisering i form av okad atervinning minskar dockinte utslapp eftersom de sker under sjalva produktionen ochatervinningen sker efterat. En mer effektiv och genomforbarstrategi ar transmaterialisering som innebar att smartare kon-struktioner kan minska eller totalt undvika utslapp. En ytterli-gare effektiv metod ar miniatyrisering som innebar att smartareoch mindre konstruktioner introduceras for att gora produktermer miljovanliga. Den minskade belastningen tack vare dessametoder overskuggas dock av den exponentiella okningen avprodukter som sker pa dagens marknad. [24]

VII. EFTERORD

Vi vill rikta ett stort tack till vara tekniska handledareJohan Nilsson och Martin Bengtsson for ett stort engagemang,vardefull vagledning genom projektet samt utlaning avutrustning. Ett stort tack aven till var kliniska handledare DanEricson som gav oss iden till projektet och delade med sig avsina vardefulla kunskaper inom tandvarden.

Det mesta av arbetet, sasom laborationer, intervjuer ochmoten, har under projektets gang gjorts gemensamt.Resterande efterforskningar och rapportskrivning har delatsupp likvardigt samtidigt som en dialog hela tiden har fortsmellan forfattarna.

REFERENSER

[1] Dahlen, G och Frandsen, E. 2002. Allmant om orala infektioner.Tandlakartidningen 1:3.

[2] Hansson, B-O och Ericsson, D. 2014. Karies - sjukdom och hal. 3. uppl.Stockholm: Gothia Forlag.

[3] World Health Organization.What is the burden of oral disease?Tillganglig: http://www.who.int/oral health/disease burden/global/en/

[4] Petersson, L-G et al. 2009. Prevention av rotkaries med fluor ochprobiotika. Tandlakartidningen 3: 64.

[5] Ericson, D.; overtandlakare och forskare vid Malmo Hogskola. 2015.Mote 7 december.

[6] National Chemicals. 2013.Bromotymol Blue. Tillganglig: http://www.nationalbiochem.com/

[7] Made How. Litmus Paper. Tillganglig. http://www.madehow.com/Volume-6/Litmus-Paper.html

[8] Meyerhoff, ME et al. 1982. Polymer-membrane electrode-based potenti-ometric sensing of ammonia and carbon dioxide in physiological fluids.Clin Chem 28(9): 1973-8.

[9] Yuqing, M et al. 2003. Ion sensitive field effect transducer-basedbiosensors. Biotechnology Advances 21(6): 527-534.

[10] Kuribayashi, M et al. 2012. Intraoral pH measurement of carious lesionswith qPCR of cariogenic bacteria to differentiate caries activity. Journalof Dentistry 40(3): 222-228.

[11] Bergveld, P. 2003. Thirty years of ISFETOLOGY, What happened inthe past 30 years and what may happen in the next 30 years. Sensorsand Actuators B: Chemical 88(1): 1-20.

[12] Mettler Toledo. A guide to pH measurement - the theory and practiceof laboratory pH applications. Tillganglig: http://se.mt.com/mtext files/Editorial/Generic/1/Guides to Electrochemical Analysis0x000248ff00025c9a00093c4a files/guideph.pdf

[13] G.R, Langereis. 1999. An integrated sensor system for monitoringwashing processes. Tillganglig: http://www.ub.utwente.nl/webdocs/el/1/t000000a.pdf

[14] Bengtsson, M.; Forskare vid Lunds tekniska hogskola, BiomedicalEngineering. 2016. E-mail 16 Maj.

[15] Bettaieb, F et al. 2007. Immobilization of E.coli bacteria in three-dimensional matrices for ISFET biosensor design. Bioelectrochemistry71(2007): 118-125.

[16] Duarte-Guevara, C et al. 2015. On-chip metal/polypyrrole quasi-reference electrodes for robust ISFET operation. Analyst - Royal societyof chemistry 140: 3630-3641.

[17] Reistad, N. 2015. Energi- och miljofysik. 8. Uppl. Lund: Lunds Univer-sitet.

[18] Socialstyrelsen. Nationella riktlinjer for vuxentandvard 2011 - stod forstyrning och ledning. Vasteros: Edita Vastra Aros.

[19] Stevens, C et al. Silicones and Their Impact on the Environment. DowCorning.

[20] Eriksson, M. Konsumtionens klimatpaverkan. Naturvardsverket 2008[21] Merrick. 2003. Gorilla Killers: The environmental cost of electro-

nics. Head Heritage. Tillganglig: https://www.headheritage.co.uk/uknow/features/?id=41

[22] Coghlan, B et al. 2008. Mortality in the Democratic Republic of Congo:An ongoing crisis. New York: International Rescue Committe.

[23] Europaparlamentet. 2015. Konfliktmineraler: Import utan att finansieravapnade grupper. Tillganglig: http://www.europarl.europa.eu/pdfs/news/public/story/20150519STO56417/20150519STO56417 sv.pdf

[24] Griese, H et al. 2004. The role of metals in future interconnectiontechnologies. Sustainable Development of microelectronics industry.IEEE.

1

Vidareutveckling av smart shunt for behandling avhydrocefalus

Anna Goos (BME–13), Emma Anzen (BME–13)

Sammanfattning—Hydrocefalus, ocksa kallat vattenskalle,uppstar av ett forhojt tryck i hjarnan som skapas nar draneringav cerebrospinalvatska inte sker korrekt. Patienter som lider avhydrocefalus behandlas i dagslaget med passiva shuntar. En shuntdranerar overflodig ventrikelvatska ur hjarnans ventriklar narkroppen inte sjalv klarar av det. Dagens shuntar fungerar inteoptimalt, de kan overdranera nar patienten star upp och ar inteindividanpassade. Dessutom kan det bildas stopp i katetern somleder vatskan fran huvudet till buken. Ett stopp i en kateterar svarlokaliserat och ar den vanligaste anledningen till att enshunt inte haller i en livstid. For att finna placeringen av stoppetkravs en full genomgang av shuntsystemet nagot som medforomvalvande operationer.

Genom att skapa en smart shunt som kompenserar for deproblem som dagens shuntar orsakar patienter och lakare, erhallsmer kunskap om och sakrare behandling av hydrocefalus.

Den smarta shunten har ett inbyggt system for kontrollav flodet genom katetern, nagot som gor den unik inom sittomrade. Genom att registrera tryckforandringar langs kateternkan stopp lokaliseras och detekteras. Den foreslagna prototypenar validerad med hjalp av uppstallningar och utforda forsok. Pasa satt har losningar pa de befintliga problemen iakttagits ochkompenserats for.

Om rapportens resultat appliceras i en verklig produkt iframtiden minskar vardkostnader, lidande for patienten ochbehandling av hydrocefalus forenklas.

I. INTRODUKTION

A. Sjukdomsbakgrund

Produktionen av cerebrospinalvatska, CSV, ar mycket indi-viduell och varierar over dygnets timmar. Det gor det svart atthitta ett normalvarde for en enskild individ, men en vuxen per-son producerar uppskattningsvis 500 ml CSV per dygn [1]. Foratt halla ett konstant tryck i skallen kravs att absorptionen avCSV motsvarar produktionen. Cerebrospinalvatska producerasfran det artara blodet framst i Plexus Choroideus, se Figur 1.Det syrerika blodet filtreras via diffusion, pinocytos samt aktivtransport genom ventriklarnas vaggar. Vid normal funktionabsorberas CSV via arachnoidala villi i spindelvavshinnan,som ar placerad runt om hjarnan, tillbaka till den venosablodcirkulationen. En stor volym CSV draneras, enligt M.DDimitri P. Agamanolis [2], troligtvis aven till de lymfkarl somomringar hjarnans kavitet och ryggmargskanalen. Cerebrospi-nalvatskan har framst en stotdampande roll men ar aven viktigfor kroppens immunologiska forsvar.

Hydrocefalus kan delas in i tva storre grupper som bada an-ses vara kroniska sjukdomar. Normaltryckshydrocefalus beror

Inlamnat den 9 juni 2016Emejladress: mte13ago@student.lu.se, mte13ean@student.lu.seTeknisk handledare: Lars Wallman, Biomedicinsk teknik, LTHKlinisk handledare: Babar Kahlon, Neurokirurgen, SUSKlinisk handledare: Henrietta Nittby, Neurokirurgen, SUS

Figur 1. Hjarnans anatomi. [3]

pa en okad volym CSV i ventriklarna och drabbar ofta aldrepersoner. Tryckokningen i hjarnan som uppstar av att CSV intedraneras bort ordentligt ar relativt liten. Normaltryckshydroce-falus ar svardiagnosticerat da det ofta har sjukdomssymptomsom liknar andra kroniska tillstand, som exempelvis Parkinsonoch Alzheimer. Sjukdomstillstandet ar inte forenat med fara fordoden men orsakar funktionsnedsattningar hos den drabbade,bland annat gangrubbningar och inkontinens.

Obstruktiv eller icke-kommunicerande hydrocefalus berorpa att flodet av CSV blockeras redan inne i ventrikelsystemetoch darmed fungerar inte draneringen som den ska. Sylviusakvedukt som leder vatskan fran den tredje till den fjardeventrikeln, se Figur 1, kan blockeras av en tumor, missbild-ning, blodning eller inflammation. Obstruktiv hydrocefaluskan obehandlat vara livsfarligt och darfor ar dessa patienterextremt beroende av vard. Personer som lider av obstruktivhydrocefalus fods vanligtvis med sjukdomen till skillnad franpatienter med normaltryckshydrocefalus, dar tillstandet ofta aren degenerativ process. [4]

B. Behandling av hydrocefalus

En shunt, se Figur 2, ar idag den vanligaste behandlingen foralla sorters hydrocefalus. Shunten dranerar CSV fran hjarnansventriklar ned till bukhalan med hjalp av en tryckregleradventil och ersatter pa sa satt kroppens egna dranering. Patientersom genomgatt manga operationer kan ha mycket arrvavnadi buken. Bukhalan anses da inte vara lamplig som slutstationfor shuntens utslapp av cerebrospinalvatska och den distaladelen av katetern placeras istallet i hjartats hogra formak elleri lungsacken [5].

Vid inlaggning av en shunt placeras ingangssnitt i bukensamt ett snitt bakom patientens ora. Den distala delen avkatetern tunnlas darefter fran det ovre snittet under huden nedtill bukhalan dar cerebrospinalvatskan ska aterabsorberas avkroppen. Om tunneleringen ar svargenomford kan strackandelas upp sa att en forsta tunnelering sker fran orat tillnyckelbenet och sedan en andra fran nyckelbenet till buken.

2

Ett litet snitt laggs i huvudsvalen och ett hal borras iskallbenet for att na in till hjarnans inre halrum. Den proximaladelen av katetern placeras i ventrikeln. Darifran leds kateternvidare under huden ned till snittet bakom orat dar ventilenkopplas pa. Har kopplas bade den distala och proximala delenav katetern till ventilens vardera sida, se grov skiss i Figur 2.Kopplingen gors genom att knyta en tunn icke resorberbar tradrunt katetern som ar tradd utanpa ventilens inlopp respektiveutlopp. [4]

Figur 2. Schematisk bild over en kommersiell shunt.

Dagens shuntar bestar med andra ord endast av en tryckre-glerad passiv ventil som ar kopplad till en proximal ochen distal kateter [4]. Den passiva ventilen kraver ingenstromforsorjning utan anvander sig enbart av mekaniskatryckforandringar for att oppnas och stangas.

C. Problem med dagens shuntar

De shuntar som idag anvands i kliniska sammanhang har ettantal problem som skapat en onskan om en ny och utveckladprodukt for behandling av hydrocefalus. Nar patienten star uppoverdranerar ofta shunten, nagot som beror pa den sa kalladesifoneffekten. Sifoneffekten uppstar da jordens dragningskraftpaverkar vatska som leds fran en behallare till en annan somar placerad pa en lagre niva. Det tryck som da bildas i detslutna systemet ar beroende av hojdskillnaden mellan de tvabehallarna. Pa grund av effekten skapas ett flode fran den ovretill den nedre behallaren.

Da det i staende position ar en tydlig hojdskillnad mellanskallen och bukhalan kommer sifoneffekten orsaka ett forhojtflode i katetern. I liggande position hamnar skallen och bukenpa samma plan och darmed minskar sifoneffekten betydligt.For att forhindra overdraneringen ar losningen i dagslaget attsatta dit en enhet som motverkar sifoneffekten. Antisifon-enheten kan antingen vara inbyggd i ventilen eller vara etttillval som placeras efter ventilen i samband med insattningav shunten. Enheten har som huvuduppgift att motverka flodetsom uppstar pa grund av sifoneffekten [6]. Nackdelen somuppstar ar att flodet riskerar att hindras for mycket vilket kanleda till underdranering, nagot som inte ar bra for patientensvalmaende. Installningarna for antisifon-enheten kompenserar

for ligglage eller stalage men inte individuellt for varje person.Den ar darfor inte en optimal losning pa problemet medsifoneffekten.

Dagens shuntar ar endast reglerbara, med avseende pa tryck,i ett fatal nivaer vilket innebar att de inte ar tillrackligtindividanpassade [7], [8]. Det kan leda till att shunten antingenover- eller underdranerar da omslaget hos ventilen sker meden viss fordrojning.

Fortrangningar som over tid kan bilda stopp i katetern arden storsta anledningen till att shuntens livstid ar begransad.Stoppen sker oftast i den proximala delen av katetern [9] ochberor pa att partiklar ur CSV fastnar pa kateterns innervagg.Det kan ta upp till tio ar innan fortrangningar paverkar patien-ten. Avhopp, da katetern lossnar fran ventilens fasten, ar ocksanagot som kan orsaka problem i draneringen. Ofta marks dessaproblem genom att patientens ursprungliga sjukdomssymptomaterkommer.

Om en patient soker sjukvard pa grund av symptom somtyder pa shuntdysfunktion far patienten genomga ett antaltester med syfte att utreda vad felet ar och var det ar lokaliserat.Patienten genomgar en datortomografi samt en shuntoversikt,som ar en slatrontgen over systemet. Med hjalp av dessabildgivande system ser lakaren om avbrott mellan kateter ochventil har skett samt forandringar av ventriklarnas volym,nagot som indikerar hur shunten fungerar. I shuntoversiktenkontrolleras aven att ventilinstallningen ar korrekt och att dendistala katetern ligger ratt positionerad intraperitonealt.

Om inget fysiskt hinder upptacks fortsatter utredningen, pavilket satt ar delvis beroende pa patientens skick samt vadsymptomen indikerar. Om laget ar akut gors en sa kalladshuntrevision som ar en operation dar hela systemet oppnasupp, vilket ar ett relativt stort ingrepp. Vid shuntrevisionenersatts de delar av shunten som inte fungerar som de ska.Om patienten har normaltryckshydrocefalus och det finns enviss osakerhet huruvida systemet fungerar, kan ett lumbaltinfusionstest, matning av CSV-resorption, genomforas for attpavisa felaktig funktion.

D. ProjektbakgrundProjektet ar en fortsattning pa ett arbete som genomfordes

av tva studenter pa civilingenjorsprogrammet Medicin ochTeknik vid Lunds Tekniska Hogskola ar 2014 i samarbetemed Dr Babar Kahlon, overlakare inom neurokirurgi. Vida-reutvecklingen av arbetet utgar fran de resultat och utvaldakomponenter som studenterna foreslog i sin rapport [10], foratt konstruera en verklig testuppstallning. Uppstallningen skafungera som en forsta prototyp for att sedan forfinas tillslutmalet; en produkt for kliniskt bruk.

E. TesSyftet med arbetet ar att utveckla en smart shunt som ska

losa de huvudproblem som finns hos kommersiella shuntarpa ett sa smidigt och effektivt satt som mojligt. Dagensshuntar anvands flitigt trots sina brister, darfor ar det viktigt attideer som arbetas fram under projektet erbjuder liknande menforbattrade funktioner samtidigt som behandlingen av hydro-cefalus underlattas. Med andra ord ska den smarta shunteninnebara fordelar bade for personal och patienter.

3

Var hypotes ar att trycket minskar i katetern fran skallenned till bukhalan, pa grund av friktionsmotstandet fran kate-terns vaggar. Om ett stopp eller en fortrangning sker bordeen onormal tryckgradient uppsta langs katetern. Gradientenkommer att se olika ut beroende pa var i katetern som problemuppstar.

Hypotesen loser framst problemen med fortrangningaroch kan sedan byggas pa for att motverka ovriga problemmed dagens shuntar. Projektet utgor ett viktigt steg iutvecklingen av en smart shunt, som i sin tur ska erbjudaval fungerande losningar till de namnda problem somfinns hos dagens shuntar. Den smarta shunten ska forenklafor sjukvardspersonal och forsakra korrekt behandling avhydrocefalus.

Rapporten behandlar de problem som finns med nuvarandeshuntars funktioner. Den presenterar aven ett forslag pa ensmart shunt som ska losa problemen. Inkluderat i rapportenar matvarden och resultat fran laborationsuppstallningar somstarker tesen att funktionen av den tilltankta nyutveckladeshunten fungerar som beskrivet. Dessutom finns forslagtill lampliga komponenter som kan bygga upp den smartashunten. Komponentforslagen harstammar ur resultaten franforsoksuppstallningarna som genomforts under arbetet och imanga fall har inga, i dagslaget fullt utvecklade, produkteransetts passa shunten. Darfor har en hel del utvecklingsforslagtill nya produkter angetts i rapporten.

II. MATERIAL

For att samla in resultat som starker tesen genomfordesett antal laborationsforsok. Material som anvants i de olikaforsoksuppstallningarna ar listade nedan. Specifikationer forforsoksuppstallningarna kan utlasas i Tabell I.

• Sprutpump• Spruta• 3 st Trycksensorer MPX10GP CASE 344B-01• 3 st Multimetrar• 3 st Kopplingsplattor• Ledare• Spanningsaggregat• Tratt• Kateter• T-kopplingar• Bagare

Tabell ISPECIFIKATION FOR FORSOKSUPPSTALLNINGAR.

Diameter spruta 30mmDiameter katet 1,3mmKateterlangd mellan trycksensor 1 och 2 186mmKateterlangd mellan trycksensor 2 och 3 410mmKateterlangd efter trycksensor 3 189mmTotal langd katet 785mmFlode fran sprutpump 0,4ml/minMatningsspanning 5VVolym vatten i tratt 150ml

III. METOD

Inledningsvis lades den storsta delen av tiden pa att skapaforstaelse om arbetet for att pa basta satt bygga vidare franforegaende projekt [10]. Arbetet bedrevs som en litteratur-studie dar lampliga val av komponenter som erbjods pa denaktuella marknaden undersoktes samt jamfordes med de redanforeslagna delarna [10] till den smarta shunten. Foretagen somtillverkar de utvalda delarna kontaktades och kostnader for attbestalla komponenterna undersoktes.

Nar de foreslagna komponenterna studerades ansag vi attmarknaden utvecklats snabbt under de tva aren som passerat.Dessutom ansags utformningen av den smarta shunten ochde valda losningarna pa problemen inte vara optimala. Detar anledningarna till att shuntens ursprungliga utformningreviderades. Nya ideer for den smarta shuntens design vaxtefram, nagot som behandlas genomgaende i texten nedanfor.

De tankta ideerna for den smarta shuntens funktion byggdesupp i storre skala med material som redan fanns pa institutio-nen Matteknik pa LTH. Pa sa satt kunde uppstallningar testastrots att det inte fanns nagon avsatt budget for projektet. Upp-stallningarna gjordes aven for att undersoka om ideerna somforvantades losa problemen fungerade i praktiken. Labora-tionsforsoken genomfordes i mindre dimensioner allteftersomarbetet fortskred och modelleringen blev mer lik verklighetenefter varje forfining.

Genom laborationsuppstallningarna har en battre forstaelsefor nodvandiga specifikationer hos de ingaende komponen-terna skapats. Det ar viktigt att forsakra att de delar ochmekanismer som undersokts fungerar i kliniskt bruk, darforanvandes mycket tid i slutet av projektet till att fundera overkomponenters egenskaper. Det ansags viktigt att de delar somvaldes ut redan i dagslaget kan mata i ratt matomrade, ar billigasamt att inga sensorer placeras i flodets vag. Alla delar mastevara energisnala sa att livstiden for den smarta shunten intebegransas av de nya adderade delarna.

Iden om att mata flodet i katetern, som erholls fran detursprungliga projektet [10], byttes ut mot att mata tryckskill-nader pa olika avstand i katetern. Den nya iden om att mataflodet genom att studera trycksskillnader i katetern uppstod pagrund av att direkta flodesmatningar kraver en sensor placeradi flodets vag. Det anses ur en flodesmekanisk aspekt inte varaoptimalt da shuntens kateter ger sma dimensioner for vatskanatt floda igenom. Att placera nagot i flodets vag okar vasentligtrisken for att fortrangningar byggs pa, ett problem den smartashunten ska motverka.

Med antaganden om att vatskan ar Newtonsk och attflodet ar paraboliskt, kan ett flode indirekt beraknas medhjalp av uppmatta tryckskillnader da trycket ar proportionelltmot flodet. Poiseuilles lag, Ekvation (1), har inte anvantsfor berakningar utan endast for att pavisa forhallandetmellan tryck och flode. Pa grund av att alla andra varden arkonstanter i de utforda forsoken racker vardet for tryck foratt veta om komplikationer uppstatt, vilket skulle bevisas ilaborationsuppstallningarna. Se Bilaga for antaganden samtberakningar som gjorts for att pavisa linjart flode.

4

Q =∆pD4π

128µL(1)

Q = flodeshastigheten∆p = tryckforandringar genom slangenD = slangens diameterµ = vatskans dynamiska viskositetL = slanglangd

Forsok genomfordes for att se om tryckskillnaderna somuppstod var tillrackligt stora for att detekteras och om ettsamband kunde upptackas. Sambandet kan i sa fall anvandasi senare utvecklingsstadier for att programmera ett styrsystemtill shuntens dranering samt for att bygga ett varningssystemsom kan ange var eventuella problem ar lokaliserade.

I Figur 3 nedan visas en av de forsta uppstallningarna,i rapporten kallad Forsoksuppstallning 1. Den ar placeradhorisontellt och trycksensorerna ar fastsatta pa samma hojd.I forsoken anvandes en sprutpump vilket inte ar en fullstandigmodellering av verkligheten. Sprutpumpen satter ett konstanttryck pa vatskan i slangen vilket inte finns i hjarnan, sa langeventriklarna inte ar overfulla. Darfor ger forsoksuppstallningenendast en vag uppfattning om hur den smarta shunten kommeratt fungera i framtiden.

Figur 3. Forsoksuppstallning 1 som en forenklad skiss. Se underrubrikMaterial for en komplett sammanstallning av uppstallningsmaterial.

Testerna utfordes ursprungligen med kommersiella tryck-sensorer som matte i omradet millibar, nagot som i forsokenansags vara en for liten upplosning. Sensorerna byttes darforut i senare forsok mot trycksensorer som gav en spanning somutsignal, for att gora forsoken sa verklighetstrogna som mojligtsamt for att oka kansligheten hos systemet.

Nasta steg blev att stalla uppstallningen lodratt sa att aventyngdkraften inkluderades i berakningarna. I de nastkommandeforsoken sattes en tratt overst i uppstallningen som skullemodellera ventriklarna i hjarnan. Sprutpumpen placeradesovanfor tratten och bidrog med ett flode pa 0,4ml/min, ett flodesom motsvarar normal produktion av CSV. Tratten fylldesmed 150ml vatska, motsvarande ventrikelvolymen [1], for attmodellera trycket i katetern pa ett mer verklighetstroget satt.Se Figur 4 for den slutliga forsoksuppstallningen, benamndForsoksuppstallning 2. De tva uppstallningarna och resultatensom erhalls fran dem modellerar en person i liggande respekti-ve staende position. Resultaten fran forsoken ar viktiga for attfa forstaelse om hur shunten fungerar i olika kroppspositioner.

Figur 4. Forsoksuppstallning 2 som en forenklad skiss. Exkluderat i figurenar kopplingar, multimetrar samt en spanningskalla.

IV. RESULTAT

A. Trycksensorernas funktion

Trycksensorerna och ovriga komponenter ar strategiskt pla-cerade, se Figur 5, for att inlaggningen av en shunt ska kunnagenomforas pa liknande satt som idag och med samma risker.Daremot kommer snittet som laggs vid trycksensor 2 att blirutinmassigt jamfort med dagens operationer da det gors vidbehov. Trycksensor 1 ska bade anvandas for att kontrolleraom stopp uppstatt samt vagleda ventilen till korrekt dranering.Vagledningen gors genom att trycksensor 1 med jamna mel-lanrum mater trycket i ventrikeln dar den distala katetern arplacerad. Om trycket overstiger ett forutbestamt varde skasignaler skickas till ventilen som gor att den oppnas. Nartrycket sedan sjunker under en viss niva kommer trycksensor1 ater att kommunicera med ventilen vilket gor att signalenavtar och ventilen stangs. Det forutbestamda vardet stalls inav lakaren och ska kunna justeras utifran efter behov for attuppna storsta mojliga valmaende hos patienten.

Trycksensor 2 ska placeras vid nyckelbenet tillsammansmed ett batteri och ett kontrollsystem. Funktionen hos denandra trycksensorn ar enbart att avgora om stopp ellerfortrangningar uppstatt. Samma funktion har den tredje ochsista trycksensorn som ska placeras i buken, cirka 30cm franden distala anden av katetern. Anledningen att placeringen intear exakt i slutet av katetern ar att katetern ofta ar perforeraden bit upp fran utgangshalet, for att skapa fler satt for vatskanatt floda ut i buken.

Efter litteraturstudier har vi bedomt att membrantrycksenso-rer ar det basta alternativet att anvanda i den slutgiltiga smartashunten. Trycksensorerna bygger pa ett flexibelt membran pla-cerat parallellt med flodet. Vid ett okat tryck i katetern kommermembranet att ge efter. Det finns ett flertal tekniker [11]–[14]

5

for att registrera hur pass mycket som membranet buktar ochdarmed hur stort trycket i katetern ar. For trycksensorerna iden smarta shunten skulle piezoresistiva membrantryckgivarepassa utmarkt da dessa gar att tillverka i ratt storlek och medkorrekt matintervall.

Figur 5. Schematisk bild over den smarta shunten.

De piezoresistiva trycksensorerna [15] som vi har valtut till den smarta shunten ar konstruerade som en halvWheatstonebrygga. Ett piezoresistivt element ar placeratpa det deformerbara membranet och blir darmed ett aktivtelement, se Figur 6. Det andra elementet ar passivt och sitter iett kompakt material och andrar darmed aldrig sin resistivitet.Nar ett tryck paverkar det deformerbara membranet andrasresistansen i det aktiva elementet. Skillnaden i resistansmellan elementen ger en utsignal som kan oversattas tilltryck. Trycksensorn mater absoluttryck om halrummet ar avvakuum, vilket ar att foredra i den smarta shunten da den blirmer oberoende av yttre faktorer.

Figur 6. Piezoresistiv membrantrycksensor designad for den smarta shunten.Till vanster ses trycksensorenheten i genomskarning dar membranet buktarvid hogt tryck.

For att gora systemet sa energisnalt som mojligt ska tryck-sensorerna endast registrera varden med jamna mellanrum.Tidsintervallet ska kunna justeras for varje patient och in-nebar, forutom att energi sparas, att det tar langre tid innanminnet blir fullt. Med tanke pa att det tar tid for stopp och

fortrangningar att bildas, behover inte matvarden samlas inkonstant. Projektet [10] som rapporten bygger pa, foreslogatt avlasning behover goras en gang i timmen. Om detta arlampligt far vidare studier avgora.

B. Ventilens utformning

Ingen ventil pa dagens marknad har ansetts vara fullstandigeller lamplig for den smarta shunten. Darfor har riktlinjerfor utformning samt ett forslag till en forslutningsmekanismarbetats fram for att skapa en ventil val anpassad till densmarta shunten.

Ventilen kan placeras pa ett annat stalle i kroppen anvad som gors i dagslaget, exempelvis i bukhalan, men vidradfragning med Henrietta Nittby, Neurokirurgen, Skanes uni-versitetssjukhus, har fordelen med en extra behallare, for attkunna ta prover pa cerebrospinalvatskan, tydligt framkommit.Behallaren nas enklast om ventilen ar placerad pa samma sattsom i dagens shuntar, vilket motiverar positioneringen straxbakom orat. Storleken pa shuntens ventil ar i allra hogsta gradberoende pa var i kroppen som den ar tankt att placeras.

Det ar av stor vikt att flodet genom ventilen kan ske enkeltoch utan risk for att stopp eller fortrangningar bildas. Forvidare utveckling av den smarta shunten kravs en ordent-lig genomgang av vilka biokompatibla material som finnstillgangliga pa marknaden. Eventuellt kan det finnas effektivametoder for att skapa en yta pa ventilen som minskar denframmande kroppsreaktionen.

Ventilens forslutningsmekanism som utformats i projektetbygger pa piezoelektricitet dar en piezokeram ar sammanfo-gad med ett passivt material till en tunn skiva, se Figur 7.Grundiden for ventilen ar inspirerad fran foretaget Festo [16]som redan idag skapar ventiler inom medicinsk teknologi ochlaboratorieautomatik.

Figur 7. Skiss over forslutningsmekanismen hos ventilen. Det bla materialetar det passiva materialet och det gra omradet ar piezokeramen. Ovre bildenvisar en stangd ventil. I den undre bilden laggs en spanning over det graomradet som kontraherar och ventilen oppnas.

I neutralt lage kommer skivan att sitta i vagen for flodetoch hindra vatskan fran att rinna ner i buken. Den overstatrycksensorn kanner av om det intrakraniella trycket blir forstort och en signal skickas da till ventilen. Nar signalennar ventilen kommer en elektrisk spanning att laggas overpiezokeramen vilket gor att den kontraherar. Kontraktionenleder till att hela skivan ratas ut nedat mot kateterns vagg

6

vilket oppnar fri passage for ventrikelvatskan att floda ner tillbukhalan, se Figur 7. Nar signalen avtar och den elektriskaspanningen forsvinner kommer skivan ater att hamna i ur-sprungslage och darmed hindra dranage. Korta responstider,liten varmeutveckling och lag energiforbrukning [16] motive-rar valet av forslutningsmekanism.

Ventilen ska utformas pa sa satt att den forhindrar backflode,det vill saga da vatska flodar fran buken upp till skallen.Ventilen ska vara aktiv vid normal funktion, men vid problemovergar ventilen till att endast vara tryckreglerad. Det gorsgenom att tillverka skivan i ett flexibelt material som ger vikafor hogre tryck. Pa sa satt ar ventilen genomslapplig om feluppstar samtidigt som flodet bara kan ga i en riktning, vilketskapar en gardering mot risken att ventilen fullstandigt slutarfungera.

Slutligen ska ventilen vara utformad pa ett satt som gor detenkelt att ansluta den till katetern. Dagens befintliga shuntarhar sma ytliga skaror for att kunna knyta fast katetern, mendet sker anda att katetern hoppar av vilket kan orsaka problemfor patienten.

C. Shuntens kommunikation

For att shunten ska vara programmerbar samt kunna angepositioneringen av eventuella komplikationer ar en internrespektive en extern kommunikation vasentlig. Den internakommunikationen byggs upp av sma ledare nara integrerademed katetern och den externa tvavagskommunikationen medomvarlden, till och fran shunten, kommer att ske via enBluetooth-anslutning med lag energi som inte ar skadligt forkroppen.

Bluetooth-teknologin medfor manga fordelar daribland attanslutningen ar otroligt snabb, vilket leder till att batterikapa-citet kan sparas samtidigt som risken for dataoverforingsfelminskar. [17] Den smarta shunten ska kommunicera medforslagsvis en applikation i patientens mobil, som sedan forvidare informationen till ett moln dar den lagras. Om patientenmar daligt kan han/hon eller berorda lakare se om nagot ar feloch i sa fall vad felet ar genom att aktivt koppla upp sig tillshunten. Pa sa satt kan shunten spara energi och far darmedlangre livstid. Med andra ord kommer inte shunten att larma avsig sjalv utan varden lases endast av nar patienten mar daligtoch ansvarig lakare kan da gora nodvandiga justeringar for attanpassa shunten efter patientens behov.

D. Ovriga komponenter

En accelerometer och ett gyroskop ska tillsammans avgorapatientens position i alla riktningar. Med vetskap om detta kankompensationer for positionering av patientens huvud gorasoch sifoneffekten kontrolleras. Berakningarna i den smartashunten ska genomforas och behandlas i en microcontroller.Microcontrollern sammankopplar alla delar i shunten och denmaste vara liten och stromsnal for att kunna styra draneringenav CSV pa basta satt. Resultat ska registreras och en databasbyggas upp for att mojliggora individuell anpassning. Densmarta shunten behover ocksa ha ett internt minne som spararvarden momentant innan de sparas i databasen dar vardenaska ga att na via en applikation. Microcontrollern och minnet

utgor tillsammans kontrollsystemet och placeringen av densmarta shuntens komponenter visas i Figur 5. Hos de ovrigakomponenterna har endast funktionen studerats, pa grund avdet anges inga specifikt utvalda produkter.

E. Forsoksresultat

Fran Forsoksuppstallning 1, se Figur 3, ochForsoksuppstallning 2, se Figur 4, har tryckvardenregistrerats. Varje delmoment i forsoken utfordes femganger, vardena askadliggors i bade tabeller och grafer.

Resultaten fran Forsoksuppstallning 1 kan studeras i Figur 8.Tabell II har modellerats med hjalp av medelvarden fran defem olika forsok som gjordes.

Figur 8. Resultat fran Forsoksuppstallning 1.

Tabell IIRESULTAT FORSOKSUPPSTALLNING 1.

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Startvarde [mV] 31,52 23,92 28,76Stopp mellan sensor 1 och 2 [mV] 44,76 23,72 28,66Stopp mellan sensor 2 och 3 [mV] 44,70 37,10 28,82Stopp efter sensor 3 [mV] 26,49 39,21 55,59

Figur 8 visar att om en fortrangning i katetern sker,kanner trycksensorn som ar placerad innan stoppet av entryckokning jamfort med startvardet. Sensorn efter stoppetvisar ett oforandrat tryckvarde.

Nedan finns insamlade varden fran Forsoksuppstallning 2,se Figur 9. Vardena i Tabell III ar medelvarden fran femgenomforda forsok.

7

Figur 9. Resultat fran Forsoksuppstallning 2.

Tabell IIIRESULTAT FORSOKSUPPSTALLNING 2.

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3

Startvarde [mV] 26,66 31,70 37,72Stopp mellan sensor 1 och 2 [mV] 26,48 8,58 28,98Stopp mellan sensor 2 och 3 [mV] 26,49 38,75 28,82Stopp efter sensor 3 [mV] 26,49 39,21 55,59

I den lodrata uppstallningen erholls liknande resultat somi den vagrata, vilket starker de individuella resultaten franuppstallningarna. Med registrerade varden gar bevisligentryckforandringar att mata for att bestamma om och varfortrangningar, stopp och avbrott har skett. De erhallna resul-taten och slutsatserna som skapats darefter, ar mycket viktigafor rapportens innehall, det bevisar aven i praktiken att teorinfungerar.

V. DISKUSSION

Dagens shunt ar inte optimal och en onskan om forbattringkommer fran saval lakare som patienter. Fokus i utvecklingenav produkten har hela tiden tagit oss tillbaka till anvandarnasperspektiv. Under projektets gang har problemen med dagensshuntar studerats. Utifran en hypotes gjordes ett antal forsoksom bevisar att det ar mojligt att upptacka samt lokalisera destopp och fortrangningar som kan uppsta i en shuntkateter.Forslag pa korrektion av overdranering och individualiseraddranering har endast studerats teoretiskt for att i framtidenkunna skapa en smart shunt med val anpassade egenskaper.Med andra ord har enbart ett system for att finna fortrangningartestats i praktiken.

Accelerometern och gyroskopet bestammer tillsammans po-sitionen pa kroppen och ar kopplade via styrsystemet tillventilen. De har inkluderats i den smarta shunten for att justerapaverkan av sifoneffekten. Sifoneffekten ar en bidragandeorsak till overdranering av CSV, nagot som alltsa inte skapaverka en patient med en smart shunt. Som tidigare beskrivetska trycksensor 1, som sitter strax innan ventilen, mata trycket

i hjarnans ventriklar och styra nar ventilen ska oppnas. Pagrund av att bade ventilen och trycksensorerna ar kopplade tillkontrollsystemet och att tvavagskommunikationen mojliggorindividualiserade installningar av kontrollsystemet, kan densmarta shunten justeras om draneringen anses felaktig forpatienten. Tanken med en aktiv styrning av det har slaget aratt skapa en smart shunt som kan individualisera draneringenmed nagra fa, latta installningar.

Dagens shuntar gar forvisso att justera, men da de endast harett fatal trycknivaer som ska styra nar ventilen ska oppnas ardet svart att exakt anpassa shunten efter en patients sarskildabehov. Den smarta shunten ska justeras genom exakta ochpersonliga varden vilket skapar mojligheten till en mycketmer noggrann installning. Dessutom gor minnet att lakarentillsammans med patienten kan ga tillbaka i tiden och se vidvilka varden som patienten madde bra och hur draneringen varnar patienten inte madde sa bra.

Inom sjukvarden finns det alltid en fin balans mellan nyttaoch risk. Det gar inte att fullstandigt eliminera alla nackdelarmed en produkt. Till exempel kraver den nya iden om ensmart shunt fortfarande en operation, nagot som i sig innebarstora risker. Fordelen med det nya systemet ar att framtidakorrigeringar pa grund av shuntdysfunktion kan undvikaseller i alla fall minimeras. Med hjalp av resultaten franforsoksuppstallningarna ar det bevisat att tryckforandringarlangs shuntens kateter gar att registrera och tolka. Tryckvardensom samlas in och kontrolleras av systemet i den smartashunten kan vagleda en lakare da shuntdysfunktion uppstatt.Patienten soker sjukvard da symptom kanns av och lakarenfar da tillgang till de registrerade vardena. Det betyder attpatientens valmaende kombineras med information fran densmarta shunten och en diagnos kan stallas. Pa sa satt kravsinte langre en utvardering av hela shuntsystemet utan lakarenfar vardefull vagledning via lokalisering av problemet, vilketsparar bade resurser och onodigt lidande for patienten.

I den smarta shunten ar extra teknik och komponenterinkorporerade, vilket kan leda till ytterligare nackdelar. Detbetyder att priset pa produkten kommer att stiga samtidigtsom livstiden riskerar att bli kortare. Batterier kan med dagensteknologi goras biokompatibla, sma och billiga [18]–[21]. Dekan vara uppladdningsbara utifran, vilket innebar att inga inva-siva ingrepp behover goras for det har andamalet. Kombineratmojliggor de namnda egenskaperna att ett batteri i dagens lagekan placeras in vivo.

Vardkostnader har lange varit och ar an idag en avgorandefaktor nar nya produkter ska introduceras pa marknaden. Ioch med att fler manniskor blir aldre, folkmangden okar ochatt kroniska sjukdomar blir allt vanligare kommer en reformav varden att kravas. Mer resurser kommer i framtiden attlaggas pa forebyggande vard, vilket innebar farre besok tillden avancerade sjukvarden. Vi anser att den smarta shuntenskulle bidra till reformen och vara en naturlig del av framtidenssjukvard.

En shunt kops i dagslaget in av sjukhuset till en kostnadav 12 000kr, vilket ar en valdigt liten del av totalkostnadenfor en shuntinlaggning som med alla omkostnader uppskattastill atminstone 200 000kr [22]. Med de extra komponenter-na okar kostnaden for den smarta shunten men samtidigt

8

forvantas minskade vardkostnader ur ett langre perspektiv.Kortare operationstid kravs och eftervarden av patienter kanreduceras. Darfor anser vi att totalkostnaden for behandling avhydrocefalus inte behover oka med den smarta shunten.

De forsta smarta shuntarna kommer, forutom att underlattabehandlingen av hydrocefalus, aven att bidra till mer vetskapom hur ventriklarna och dranering av CSV fungerar badevid sjukdom och vid normal funktion. I dagslaget finns intenagra specifikt uppmatta varden pa trycket i ventriklarna utandet ar uppskattade varden som vi, patienterna och lakarnaarbetar utifran [23]. De varden som samlas in kan skapakunskap om normalt ventrikeltryck och darigenom bidra tillforskning. Dessutom besparas patienter fran onodiga shuntre-visioner och tiden for de shuntrevisioner som fortfarandebehover utforas kan forkortas da fel redan lokaliserats avden smarta shunten. Tack vare lokaliseringen minskas anta-let rontgenundersokningar som patienter behover genomga isamband med revisionen. Det sparar pengar och an viktigareminskar den skadliga rontgenstralningen som framfor alltpaverkar manga barn med shunt da de lever med den i mangaar.

Sammanfattningsvis har vi i det har arbetet framst fokuseratpa att hitta en metod for att kunna detektera problem i flodetgenom katetern. Kontrollen av individanpassad dranering samtkorrekt dranering av vatska da patienten star upp jamfortmed ligger ned har bada bara undersokts teoretiskt. For attfullstandigt bevisa att en individanpassad shunt gar att skapaefter de forslag som vi arbetat fram, kravs fler val genomtanktaforsoksuppstallningar. Arbetet har genomforts noggrant ochutforligt efter var basta formaga, men tiden for projektet harinte varit tillracklig for att hinna undersoka alla aspekter samtatt utveckla mer verklighetstrogna prototyper. I framtiden skaett kontrollsystem som styr dataoverforing, varningssystemoch dranering av vatskan byggas upp och komponenter skaundersokas, kontrolleras och inhandlas.

A. Hallbar utveckling

Alltmer fokus i dagens samhalle laggs pa att skapa pro-dukter och processer som belastar miljon och resurser sa litesom mojligt. Den smarta shunten som presenteras i rapportenkommer ha en viss inverkan pa miljon, nagot som ar svartatt helt lyckas undvika. Den storsta nackdelen med de smartashuntarna jamfort med dagens traditionella shuntar ar attfler komponenter kravs, daribland ett batteri. Da framtidensbatterier gors sma och langlivade kan paverkan pa miljon mini-meras, samma sak galler trycksensorerna och kontrollsystemet.

Det ar aven viktigt att hela produktionsvagen ses over saatt allt fran ramaterial till transporter ar miljovanliga. Enforbrukad shunt ar tankt att hanteras av medicinsk personalpa sjukhus vilket gor det enkelt att skapa tydliga riktlinjer forhur den pa basta satt ska atervinnas och tas om hand om. Pasa satt minskas det skadliga utslappet till miljon aven i slutetav den smarta shuntens levnad.

B. Etiska aspekter

Det faktum att den smarta shunten ska opereras in medliknande tillvagagangssatt som shuntoperationer genomfors

idag medfor att lakarteamet inte behover lara om och fornyasina kunskaper i sa stor omfattning. Det skulle innebara att detredan idag finns valutbildad expertis inom omradet, nagot somgor att riskerna vid operation inte kommer att oka orovackandemycket.

Risken for skador med den smarta shunten ska vara obetyd-liga jamfort med den nytta som erhalls. Den smarta shuntensfunktion anses nyttig for anvandaren samt vetenskapligt brapa grund av de utforda testerna. Den ar aven etisk forsvarbarda den kraver farre operationstimmar och mindre risker forpatienten i dagligt bruk. Infor kommande test in vivo kravsnoggranna och genomtankta forsoksupplagg for att skapa enetisk forsvarbar produkt.

VI. SLUTSATSER

Den stallda hypotesen kan valideras med hjalp av de utfordaforsoken. Med tre tryckmatare kan stopp i shuntkateternupptackas samt lokaliseras. Draneringen av CSV bor kunnakontrolleras pa en individuell niva och tekniken finns foratt skapa dranering anpassad for olika kroppspositioneringar.Stora vinster kan goras bade for personal och for patienter,lidandet kan minskas, sakerheten kan forbattras och kostnaderkan reduceras. Iden om att tillverka en smart shunt ar valgrundad i teorin och fungerar i forsok.

VII. EFTERORD

Ett stort tack till vara vagledare pa Neurokirurgen vidSkanes universitetssjukhus, Babar Kahlon och Henrietta Nitt-by, som med professionell kunskap och expertis underlattadearbetet mot en anvandbar produkt. Tack till Lars Wallman,var handledare pa LTH, som alltid haft nya infallsvinklar paproblemlosning och gett oss stod genom projektets alla faser.Tack for all tid ni lagt ned och den hjalp ni bidragit med.

Utover ovan namnda personer finns ytterligare ett antalpersoner som pa olika satt funnits dar och talmodigt svaratpa vara fragor, ett stort tack aven till er.

Projektet har utforts gemensamt av forfattarna. Bada harlikvardigt bidragit till att fora processen for arbetet framatoch vara respektive egenskaper har kombinerats for att goraprojektet sa bra som mojligt.

REFERENSER

[1] A. C. Guyton, J. E. Edward. “Textbook of Medical Physiology” ELSE-VIER SAUNDERS, utgava. 11, pp. 763–764, 2006.

[2] D. P. Agamanolis. “CHAPTER 14 CEREBROSPINAL FLUID” NEU-ROPATHOLOGY, An illustrated interactive course for medical studentsand residents, [Online] Tillganglig pa: 〈http://neuropathology-web.org/chapter14/chapter14CSF.html〉 [Hamtad 12 april 2016].

[3] Blausen Medical Communications, Inc. “Ventricular system”From Wikipedia, the free encyclopedia, [Online] Tillganglig pa:〈https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/Blausen 0896Ventricles Brain.png〉 [Hamtad 2 maj 2016].

[4] “Vad ar hydrocefalus?” Patient- och anhorigforeningen Hydrocefalus-NPH, [Online] Tillganglig pa: 〈http://www.hydrocefalus-nph.se/vad-ar-hydrocefalus/〉 [Hamtad 12 april 2016].

[5] “Behandling vid hydrocefalus” Medtronic, [Online] Tillganglig pa:〈http://www.medtronic.se/sjukdom/hydrocefalus/behandling/〉 [Hamtad28 april 2016].

[6] S. B. Johansson, A. Eklund, J. Malm, G. Stemme, N. Roxhed. “AMEMS-based passive hydrocephalus shunt for body position controlledintracranial pressure regulation,” Biomedical Microdevices, vol. 16,utgava 4, pp. 529–536, 2014.

9

[7] B. Kahlon; Neurokirurgen, Skanes universitetssjukhus. Intervju 26 janu-ari 2016.

[8] H. Nittby; Neurokirurgen, Skanes universitetssjukhus. Intervju 19 feb-ruari 2016.

[9] M. S. Greenberg. “Handbook of Neurosurgery” Thieme, utgava. 7, 2010.[10] R. Henrysson, A. Ahlinder. “Smart shunt for aterkopplande och regler-

bar behandling av hydrocephalus,” Proceedings of Clinical Innovation.Bachelor of Science Projects in Biomedical Engineering, Lund Univer-sity, vol. 1, pp. 91–99, 2014.

[11] P. Saccomandi, E. Schena, C. M. Oddo, L. Zollo, S. Silvestri, E. Gugli-elmelli. “Microfabricated Tactile Sensors for Biomedical Applications:A Review ,” Biosensors, vol. 4, utgava 4, pp. 422–448, 2014.

[12] B. Firtat, C. Moldovan, R. Iosub, D. Necula, M. Nisulescu. “Differen-tial piezoresistive pressure sensor,” 2007 International SemiconductorConference, vol. 1, pp. 87–90, 2007.

[13] L. Yu, B. J. Kim, E. Meng. “Chronically Implanted Pressure Sen-sors: Challenges and State of the Field,” Sensors, vol. 14, utgava 11,pp. 20620–20644, 2014.

[14] Y. Ono, Q. Liu, M. Kobayashi, C. K. Jen, A. Blouin. “5H-2 APiezoelectric Membrane Sensor for Biomedical Monitoring,” UltrasonicsSymposium, 2006. IEEE, pp. 800–803, 2006.

[15] Z. Z. Wu, N. Bhattacharjee, C. Y. Li, J. A. Hartings, R. K. Narayan,C. H. Ahn. “A new intracranial pressure sensor on polyimide lab-on-a-tube using exchanged polysilicon piezoresistors,” 2013 Transducers &Eurosensors XXVII: The 17th International Conference on Solid-StateSensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS & EUROSEN-SORS XXVII), pp. 1779–1782, 2013.

[16] Piezo valves in medical technology and laboratory automation,Tillganglig pa: 〈https://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/172927/Piezo Broschuere en M.PDF〉 [Hamtad 13 april 2016].

[17] “Bluetooth is Changing the Face of Healthcare” Bluetooth, [On-line] Tillganglig pa: 〈https://www.bluetooth.com/marketing-branding/markets/medical-health〉 [Hamtad 13 april 2016].

[18] “Non-Cytotoxic Rechargeable Batteries for Medical Devices”Cymbet Corporation Tillganglig pa: 〈http://www.cymbet.com/pdfs/WP-72-09-Medical-Devices.pdf〉 [Hamtad 6 april 2016].

[19] “Smaller, Smarter, Ultra-Low-Power Sensors Raise Potential for EnergyHarvesting in Medical Implants” Digi-Key’s European Editors, [Online]Tillganglig pa: 〈http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2013/sep/smaller-smarter-ultralowpower-sensors-raise-potential-for-energy-harve/sting-in-medical-implants〉 [Hamtad 6 april 2016].

[20] M. R. Jo, K. M. Nam, Y. Lee, J. T. Park, Y. M. Kang. “Phosphidation ofLi4Ti5O12 nanoparticles and their electrochemical and biocompatiblesuperiority for lithium rechargeable batteries,” Chemical Communica-tions, utgava 47, pp. 11474–11476, 2011.

[21] “Implantable Medical Batteries” Quallion, [Online] Tillganglig pa: 〈http://www.quallion.com/sub-mm-implantable.asp〉 [Hamtad 6 april 2016].

[22] H. Nittby; Neurokirurgen, Skanes universitetssjukhus. Intervju 30 mars2016.

[23] L. G. Petersen, J. C. G. Petersen, M. Andresen, N. H. Secher, M. Juhler.“Postural influence on intracranial and cerebral perfusion pressure inambulatory neurosurgical patients,” The American Journal of Physiology- Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, pp. R100–R104,2016.

[24] G. A. Truskey, F. Yuan, D. F. Katz. “Transport Phenomena in BiologicalSystems,” Pearson Education, Inc. utgava. 2, internationell upplaga,pp. 108–110, 2010.

[25] “Flow control in microfluidic devices. Nanofluidics, microfluidicsand milli-fluidics” Elveflow, [Online] Tillganglig pa: 〈http://www.elveflow.com/microfluidic-tutorials/microfluidic-reviews-and-tutorials/flow-control-in-microfluidic-device/〉 [Hamtad 22 mars 2016].

[26] E. R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell, S. A. Siegelbaum, A. J. Hud-speth. “Principles of Neural Science,” The McGraw-Hill Companies, Inc.utgava. 5, 2013.

[27] I. G. Bloomfield, I. H. Johnston, L. E. Bilston. “Effects of proteins,blood cells and glucose on the viscosity of cerebrospinal fluid,” PediatrNeurosurg., vol. 28, pp. 246–251, 1998.

[28] A. C. P. Lui, T. Z. Polis, N. J. Cicutti. “Densities of cerebrospinal fluidand spinal anaesthetic solutions in surgical patients at body temperature,”Canadian Journal of Anaesthesia, vol. 45, utgava 4, pp. 297–303, 1998.

[29] “Water” Viscopedia — A free encyclopedia for viscosity, [Online]Tillganglig pa: 〈http://www.viscopedia.com/viscosity-tables/substances/water/〉 [Hamtad 22 mars 2016].

BILAGA

Smaskaliga ror har ofta laminara floden med paraboliskahastighetsprofiler och darmed ett litet varde for Reynolds tal.For att bevisa att vatskan i shuntkatetern antar laminart flodeska Reynolds tal vara under det kritiska vardet som ar 2100for cylindriska ror [24]. Detta ar antaganden som gors for attanvanda Poiseuilles lag. [25]

Cerebrospinalvatskan bestar till storsta delen av vatten.Resterande del av CSV ar en sammansattning av olika joner,glukos samt cirka 0,3 % plasmaproteiner. [26]

I Tabell IV ar nodvandiga parametrar listade for att beraknamedelhastigheten i Ekvation (2) och bestamma Reynolds tal iEkvation (3). En jamforelse kan aven goras mellan densitetenoch viskositeten for CSV [27], [28] och vatten [29].

Tabell IVVARDEN FOR BERAKNING AV REYNOLDS TAL SAMT FOR JAMFORELSE AV

FLUIDER.

Volymflode, Q 0,4 ml/minTvarsnittsarea, A 1,327 mm2

Diameter, D 1,3 mmViskositet CSV, µ 0,7 mPasDensitet CSV, ρ 1,00059 g/mlViskositet H2O, µ 0,69 mPasDensitet H2O, ρ 0,99 g/ml

V =Q

A(2)

Re =V Dρ

µ= 9, 333 (3)

I Ekvation (3) beraknas Reynolds tal till betydligt mindrean 2100, vilket innebar att de antaganden som gjorts arkorrekta. Pa grund av att bade CSV och vatten raknas somNewtonska fluider [27], [29] samt har liknande densitet ochviskositet kunde forsoken genomforas med vatten som ar enmer lattillganglig fluid.

1

YoungERinfo - en applikation som hjälpmedel påbarnakuten i Malmö och Lund

Jenny Johansson (BME-13), Emmy Sandwall (BME-13)

Sammanfattning—YoungERinfo är en applikation för mobilte-lefon och surfplatta framtagen i samarbete med pediatrikavdel-ningen på Skånes Universitetssjukhus för att undersöka om enapplikation kan användas som hjälpmedel vid förberedelsernai akutrummet. Här samlas de funktioner och dokument somidag är utspridda på flera olika system, allt för att skapa en såsmidig och användarbar lösning som möjligt. YoungERinfo harutvecklats till en applikation med intuitiv design och funktionersom bjuder in till väldigt enkel navigering. I dagsläget ärapplikationen framtagen för Android men basen går att användaäven för iOS-programmering. För att göra YoungERinfo till enprodukt som kan användas av sjukvårdspersonalen behöver den iframtiden kopplas till en databas där alla dokument den är tänktatt innehålla kan ligga. Resultaten bygger både på applikationensdesign och funktion men också en utvärdering gjord tillsammansmed de kliniska handledarna.

I. INTRODUKTION

NÄR ambulansen rullar in till barnakuten på Skånes Uni-versitetsjukhus används en mängd system som tjänar som

hjälpmedel för förberedelser inför den kommande patientensbehov. Även om läkare och sjuksköterskor har utbildning ochkunskapen med sig så kan det vara skönt att i en stressadsituation ha ett hjälpmedel där det svart på vitt står hur manska gå till väga vid olika patienttillstånd. Hjälpmedlen ärextra viktiga för nyexaminerade läkare som kan behöva stödi det nya arbetet. Systemen som används idag är tidskrävandeoch helt skilda åt vilket gör det svårare än nödvändigt förpersonalen att ligga steget före. Det huvudsakliga system somanvänds är en, i akutrummet placerad, stationär dator därpersonalen har tillgång till en dokumentportal med diversebehandlingsrekommendationer. Denna portal saknar struktursamt en välfungerande sökfunktion och förutom de relevantadokumenten kommer personalen även åt dokument som bättrehör hemma på andra avdelningar vilket gör det svårt ochtidsödande att hitta det som söks. Något annat som hindrararbetsgången är att det behövs två olika inloggningar föratt få tillgång till dokumenten trots att dessa inte innehållernågon känslig patientinformation. Utöver detta används ocksåett pappersbaserat system för WETFLAG-riktlinjer vilka sitteruppsatta på väggen i andra änden av akutrummet. Dessaanvänds mer eller mindre dagligen och består av ett antalriktlinjer för olika hjälpmedel baserat på patientens ålder,exempelvis energi för defibrillering och adrenalindos. Nyligenhar man utöver detta infört en akuthandbok av de mest

Inlämnat den 9 juni 2016Emejladress:psy13esa@student.lu.se, mte13jjo@student.lu.seTeknisk handledare: Martin Stridh, Biomedical Signal ProcessingKlinisk handledare: Maria Mossberg och Kristján Dereksson, Pediatrikav-

delningen SUS

använda dokumenten från de båda systemen. Detta är enliten fickbok som personalen ska bära med sig sitt personligaexemplar av. Problemet man ställdes inför med införandet avakuthandboken var att det blev väldigt svårt att uppdatera ochändra dokumenten kontinuerligt, något som behövs göras ofta.Många i personalen tycker också att boken är otympligt då deninnebär ännu en sak som ska få plats i fickorna. På grund avatt det idag finns så många olika sätt att nå informationen harvarje läkare och sjuksköterska valt en egen favorit, något somgör att alla inte använder sig av samma information. För attgöra arbetet på sjukhuset både lättare och säkrare vill man nusamla ihop informationskanalerna till något som är lättanväntoch alltid innehåller rätt information.

Det har undersökts ifall en applikation för telefon ochsurfplatta är ett bra verktyg till personalen på barnakutenför att lösa detta. Tillsammans med de kliniska handledarnaKristján Dereksson och Maria Mossberg (avdelningsrepresen-tanterna), som är barnläkare på Skånes Universitetsjukhus,har vi påbörjat utvecklingen av applikationen YoungERinfosom en lösning på problemen. I applikationen vill vi kunnasamla alla de system som används idag samtidigt som vi villlåta avdelningsrepresentanterna sortera ut de dokument sombehövs för en fungerande verksamhet.

Rapporten inleds med metoden där planeringen av appli-kationens design och funktion beskrivs, samt tillvägagångs-sätt för att ta reda på vad som krävs av applikationen. Iresultatet presenteras hur applikationen ser ut idag samt deviktigasste stegen för att nå dit. Även vilka funktioner somhar implementerats och vilka problem som har stötts påunder programmeringen av dessa finns redovisade. Resultatetinnehåller också den respons som avdelningsrepresentanternahar framfört efter att ha testat applikationen, allt detta för attse om en applikationen kan bli ett bra hjälpmedel i akutrum-met. I diskussionen tas utvecklingspotential samt miljö- ochetikaspekter upp.

II. METOD

A. Förundersökning

Under första delen av projektet hölls två personliga mötenmed avdelningsrepresentanterna på pediatrikavdelningen vidLunds Universitetssjukhus för att skaffa en uppfattning omarbetsplatsen samt vilka funktioner och vilken design somönskades till applikationen. Ett antal konkreta önskemål an-gående både design och funktion framkom, vilka finns listadenedan.

Önskemål från avdelningsrepresentanterna:• lätt att hitta inom rubrikerna

2

Figur 1. En första skiss på startsidans design där tankar om rutmönster,intuitiva bilder och möjliga funktioner tagits med.

• lätt att hitta rätt dokument via sökord• lätt att uppdatera i filer och lägga till nya filer även för

icke-teknikutbildad sjukvårdspersonal• användarnas enheter uppdateras när filerna ändras• snabbt att navigera mellan de olika funktionerna• möjligt att använda applikationen utan internetuppkopp-

ling• gärna fungera på både Android och iOS• home-knapp för att komma tillbaka till startsidan alltid

synlig• sökfunktion alltid tillgänglig• back-knapp för att komma till föregående sida alltid

synligDessa önskemål låg sedan till grund för det fortsatta arbetet.För att få bättre inblick i hur applikationen är tänkt attanvändas har avdelningsrepresentanterna beskrivit de situa-tioner och kontexter som kan uppstå på barnakuten. De harockså beskrivit innehållet i de dokument som ska finnas i ap-plikationen. Avdelningsrepresentanterna har dessutom skickatPDF-filer med Akuthandboken samt PDF-filer innehållande deWETFLAG-rekommendationer som idag används i utskrivetformat, vilka har gjort det lättare att sätta sig in i sättetpå vilket applikationen kommer att användas. Applikationensanvändningsområde kommer att vara inne i akutrummet, detvill säga en miljö full av stress och där saker behöver gå såfort som möjligt.

Efter det första mötet gjordes en grov skiss på ett förslagtill startsidans design utifrån de önskemål och funderingar somhade framkommit. Denna skiss finns i figur 1. Bilderna somär ritade i denna skiss har inget att göra med de faktiskarubrikerna då dessa ännu inte var fastställda när skissengjordes, utan användes bara för att få ett visuellt intryckav att varje knapp skulle ha en unik bild samt att dessaskulle vara placerade i ett rutmönster. Skissen visades upp föravdelningsrepresentanterna som tyckte att den överensstämdemed deras förväntningar. En skiss över WETFLAG-designenhade också gjorts inför detta möte, se den vänstra bilden ifigur 2. I den högra bilden i figur 2 har korrigeringar för de

Figur 2. T.v. Den första skissen på andrasidans design. T.h. En uppdateradversion av densamma, anpassad för att uppfylla önskemål från pediatrikav-delningen samt getaltlagarna.

önskemål och synpunkter som dök upp under mötet gjorts.Skisserna i figur 1 samt figur 2 användes därefter som en basför arbetet med applikationens design.

B. Att göra en applikation

Önskemålet från kliniska sidan var att applikationen skullefungera både i telefon och surfplatta, helst för både Androidoch iOS, detta för att läkare och annan sjukvårdspersonal såsmåningom ska kunna ha applikationen på sin egen telefon.Dock var det primära målet att applikationen skulle kunnaanvändas av personalen i behandlingsrummet på en surfplattasom tillhör sjukhuset. Eftersom Android är det operativsy-stem som vi använder privat fanns bättre testmöjligheter ocherfarenheter för detta än för iOS vilket gjorde att vi valdeatt bygga vår applikation för Android. För att få möjlighetatt själva genomföra programmeringen valdes online-programmed färdiga applikationsmallar såsom iBuildApp och MITApp Inventor bort. Även webapplikationer, där applikationensinnehåll hämtas från internet, valdes bort eftersom ett viktigtönskemål från användarna var att applikationen inte skullekräva tillgång till internet. Programmet som har använts förYoungERinfo heter Android Studios och är en gratis plattformdär Android-applikationer kan byggas i Java. I och med attapplikationen skrivs i Java-kod finns det potential till att denkan användas som bas för att utveckla en version även till iOS.

För Android finns det tre olika distributionsmöjligheter närapplikationen väl är färdig. Den kan läggas ut på Google Play,skickas till användarna via mejl eller läggas upp på en webb-sida [5]. För YoungERinfo är ett mejl mest lämpligt eftersomden är väldigt specifik för just personalen på barnakuten iMalmö och Lund. Att distribuera applikationen på GooglePlay fyller ingen ytterligare mening eftersom det bara tillför attpersoner utan koppling till pediatrikavdelningen kan få tillgångtill den. Samma sak gäller för publicering på en webbsida. DåYoungERinfo inte innehåller någon känslig patientinformationhade dock alla alternativen varit en möjlighet rent teoretiskt.Genom att endast distribuera applikationen via mejl behöverden inte omfattas av regleringen av medicin tekniska produkterutan kan klassificeras som en egentillverkad produkt [8].

3

Trots att många av funktionerna i applikationen är önskadespecifikt för att passa barnakuten finns det förväntningar på attvariationer kommer att förekomma mellan hur olika användareupplever användargränssnittet och applikationens funktioner.Att därför låta personalen testa YoungERinfo kommer vara ettviktigt steg för applikationens utveckling.

C. Funktioner

I YoungERinfo ska alla de olika system som användspå barnakuten idag samlas på ett och samma ställe vilketbetyder att användaren ska ha tillgång till både WETFLAG-funktionen och någon form av dokumentportal. Applikatio-nen ska innehålla flera funktioner som gör det möjligt föranvändaren att snabbt navigera mellan olika vyer för att sparatid vid hanteringen. Genom att använda dokumentationen förAndroid Developers hittas förslag på hur navigationen kanimplementeras i en applikation, både de lösningar som finnsinbyggt i Androidsystemet men också klassförslag för egnalösningar [5]. Utöver den bakåt-navigation som finns inbyggti Android, som alltid tar användaren ett steg bakåt, är det ocksåbra att ha möjligheten att kunna navigera direkt till startsidanav applikationen för att snabbt kunna börja om och hitta annaninformation.

Den data som ska användas i applikationen är en väldigtstor samling dokument. Dessa dokument ska vara sorteradeunder olika rubriker och dessutom vara sökbara direkt iapplikationen. Utöver detta är det viktigt att dokument kansparas som en favorit specifik för den enskilda användaren. Påså sätt kan var och en spara de dokument som används oftaoch komma åt dessa snabbt. Det ska vara möjligt för den icke-teknikutbildade personalen på pediatrikavdelningen att snabbtoch enkelt kunna ändra, lägga till eller ta bort dokument. Attha dokumenten liggandes direkt i applikationen är därför ingenbra lösning utan det krävs en databas som är lätt och smidigatt hantera och som inte kräver någon programmering. För attinte belasta personalens tid och resurser och för att förhindraatt obehöriga kan redigera dokumenten bör databasen ligga påavdelningens redan befintliga datorer och fungera med någonform av dra-och-släpp funktion som gör att användaren kanplacera dokumenten under rätt rubrik direkt. Då en del avdokumenten kan tillhöra många olika rubriker är det dessutombra om samma dokument kan visas under flera rubriker.

III. RESULTAT

A. Användargränssnitt

Det var redan från början tydligt att det var ett stort kravatt applikationens design skulle inbjuda till enkel och snabbinteraktion med användaren. Genom att att utgå från denmänskliga kognitionen och de gestaltlagar som finns för de-sign, kombinerat med avdelningsrepresentanternas önskemål,skissades ett menysystem upp [1]. Tanken har varit att plockafram stora knappar som är lätta att trycka på oavsett fingerstor-lek med både bild och text som förhindrar missförstånd ochförstärker de kognitiva färdigheterna. Efterhand som projektethar fortskridit har knappar bytts ut och bytt plats, dels föratt det ska fungera programmeringsmässigt men också för attbättre matcha gesaltlagarna om närhet och likhet. I figur 2

Figur 3. Startsidan på YoungERinfo så som den såg ut vid halvtidspresenta-tionen.

Figur 4. Två olika varianterna av startsidan som gjorts för att beskrivaskillnader i olika färgsättningar.

visas ett exempel på en förändring där både funktion, designoch önskemål påverkat. I den högra skissen har sökfunktionenflyttats upp till övre delen av skärmen för att matcha denstandard som finns i många av dagens befintliga applikationer,exempelvis Facebook. Back-knappen har också flyttats uppsamtidigt som home-knappen har fått en tydlig placering nerei högra hörnet. Figur 2 är dock inte den slutliga designen.Halvvägs in i projektet såg applikationens design ut somi figur 3, visad på en telefon. Detta är en av de förstadesignerna som gjordes i Android Studios av oss. Här troddevi att designen var klar och att det bara var funktionerna somsaknades. Det visade sig senare att avdelningsrepresentanternahade kommit fram till fler rubriker de behöver ha med. Vikom med denna version även fram till att sökfunktionen togför mycket plats om den låg positionerad på detta vis och denflyttades därför upp till fältet som kallas ActionBar, se figur 4.För att hitta rätt design på startsidan har arbetet pågått medtvå olika versioner vilka syns i figur 4. Fördelen med denfärgglada versionen av YoungERinfo (till höger i figur 4) äratt färger ger ett visuellt intryck som, när användaren har lärt

4

Figur 5. Startsidan på YoungERinfo så som den ser ut i färdig version i ensurfplatta.

känna gränssnittet, hjälper användaren att komma ihåg vilkenknapp man ska trycka på. Fördelen med den mindre färggladaversionen (till vänster i figur 4) är att den kan tänkas ge ettintryck av att vara en seriös och pålitlig medicinsk applikation.Båda dessa egenskaper är viktiga på sitt sätt.

Knapparna är placerade i ett rutmönster eftersom det ärett vanligt sätt att presentera ikoner på. Det används påhemskärmen både i Android och i iOS. För att YoungERinfoska passa den stressiga miljön i akutrummet har det varitviktigt att ta fram en design som stimulerar ihågkomsten avvilken knapp som gör vad. Färger, bilder, ikoner, teckensnitt,placering och storlek på knapparna är egenskaper som harövervägts.

Applikationen i sin färdiga version 1.0 presenteras i figur 5samt figur 6. I figur 5 presenteras den i det format den får ien surfplatta och i figur 6 presenteras samma version så somden ser ut i en telefon. Gränssnittet skiljer sig åt något mellandessa på grund av att förhållandet mellan höjd och bredd ärolika för platta och telefon. I denna version finns en favorit-knapp med en central placering så att den ska vara lätt att nå dåvi förväntar oss att denna kommer användas väldigt mycket.Knapparna i rutnätet är sorterade efter bokstav med undantagför Primär Bedömning som ligger på den första positionenpå grund av att denna enligt avdelningsrepresentanterna ärviktig och har större betydelse för arbetet. Då vi ansåg attWETFLAG-knappen såg ut som applikationens rubrik där denlåg placerad överst på sidan så som i figur 3 lades rubrikenYoungERinfo till och WETFLAG flyttades ner till högrahörnet. Här ligger den tillsammans med Administration ochBarnhälsa och har fått den högra placeringen av dessa tre så attden är närmst höger tumme vilket är av vikt då applikationen

Figur 6. Startsidan på YoungERinfo så som den ser ut i färdig version i entelefon.

används i en telefon eftersom detta gör den mest lättillgänglig.Anledningen till att vi slutligen valde den färgglada variantenav applikationen är att vi tror att användaren kommer att hittarätt dokument snabbare än vad man hade gjort i den mindrefärgglada versionen.

Startsidans skärmorientering är låst i ett stående formateftersom tanken är att applikationen först och främst skaanvändas på en stående platta. Syftet med att låsa skärmenär att designen på startsidan alltid ska se precis likadan ut.Detta kommer förhoppningsvis göra att personalen lär sig varvarje knapp ligger så att det går snabbt att komma in till devalda artiklarna. Om skärmorienteringen inte hade varit låsthade knapparnas placering behövt ändras om i det liggandeformatet vilket hade kunnat leda till förvirring och att dettar längre tid att hitta önskad knapp. När man kommer intill applikationens andrasida, där artiklarna presenteras så somi figur 7, är skärmorienteringen inte låst. Där presenterasartiklarna i en lista med varje artikel placerad under dentidigare vilket fungerar utmärkt både i stående och liggandeformat, utan någon skillnad för inlärningen. Detta gör ocksåatt man tar hänsyn till de skillnader som förekommer avföredragen läsorientering och det går alltså att läsa artiklarnai både liggande och stående format.

Avdelningsrepresentanterna har bestämt vilka knappar somska finnas på startsidan, och de har efterhand upptäckt nyaknappar som har behövt läggas till. Det är därför antaletknappar och rubriker skiljer sig mellan de olika versionerna.Avdelningsrepresentanterna har även bestämt vad rubrikernaska heta och vilken typ av bild eller symbol som ska finnaspå de flesta av knapparna. Alla knappar förutom WETFLAG-knappen har en bild eller symbol på sig. Bilderna är hämtadefrån Openclipart vilket är en hemsida med bilder som ärgratis och får användas obegränsat även för kommersielltbruk [2]. Undantagen är bilderna under rubrikerna Hematologioch Onkologi samt Endokrin och Metabol som är hämtade frånWikimedia Commons och är fria från kända begränsningarenligt upphovsrätten samt bilderna till Olyckor och Barnhälsasom är egendesignade [3] [4]. I största möjliga mån har enkla

5

Figur 7. Den färdiga applikationens andrasida till vilken navigationen sker näranvändaren klickat på någon av knapparna på startsidan. Här ska dokumentenmed behandlingsrekommendationerna ligga.

och stilrena bilder valts till knapparna för att man snabbt skakunna tolka och förstå vad bilden syftar till. Vid varje bildfinns också ett eller ett par ord som beskriver den kategoriav dokument som användaren kommer till om han eller hontrycker på knappen. Detta för att man ska kunna förstå vad somfinns bakom varje knapp även om man inte förstår vad bildenföreställer. Bilderna är redigerade online i PIXLR EDITORoch texten ligger inlagd i varje bild [6]. Det har varit enutmaning att få in bilderna på ett snyggt sätt i Android Studioseftersom Android Studios har vissa ramar man måste hållasig inom. Programmeringsmässigt är varje enskild knapp enImageButton, vilket är en Widget-klass i Android Studios [7]och bilderna är kopplade till sin ImageButton via funktionensource. På en ImageButton finns möjligheten att lägga tillnågot som heter elevation. Elevation är en skuggning somlägger sig runt knappen. Målet har varit att knapparna skase klickbara ut, vilket är anledningen till att vi har valt attlägga till elevation på alla knappar. Skuggan gör att knappenser lite upphöjd ut. Möjligheten att ha elevation är ocksåanledningen till att WETFLAG-knappen är implementeradsom en ImageButton trots att den bara innehåller text. Det gårinte att lägga till någon elevation på en TextButton, som annarshade varit det naturliga sättet att implementera en knapp medbara text på.

Namnet på applikationen har valts till YoungERinfo, därYoung syftar på pediatrik, ER är en förkortning av engelskansEmergency Room och info betyder att det är informationsfilersom ska finnas i applikationen. Applikationens ikon som kom-mer att finnas på surfplattan eller mobiltelefonens skrivbordkan ses i figur 8. Även denna är egendesignad och går välihop med applikationens färgtema.

Figur 8. Den färdiga applikationens ikon som kommer att synas på surfplat-tans eller mobiltelefonens skrivbord.

B. Funktioner

En stor del av arbetet har varit att implementera funktioneri applikationen så att de fungerar på ett önskvärt sätt. Tidigt iprojektet kom vi till insikt att det inte var möjligt att både till-verka en databas till dokumenten och samtidigt programmerasjälva applikationen. Eftersom frågeställningen främst syftartill en applikations plats på sjukhuset valde vi att fokuserapå programmeringen. Detta innebär att funktioner som sökoch favoriter endast fått en teoretisk plats i YoungERinfo.Sökfunktionen med förstoringsglas på varje menysida är idagimplementerad som en SearchView vilket betyder att vi kom-mer åt alla de funktioner som är förknippade med sök iAndroid. Detta gör att det är ett väldigt kort steg mellan därvi är idag och där det hade varit möjligt att söka på enskildaord och hitta rätt dokument. Genom att sätta taggar mednyckelord på dokumenten direkt när de läggs till i databasenkan sökfunktionen göras väldigt smidig. Det är då viktigt attnyckelorden är anpassade efter användarna och verksamhetenvilket betyder att det är vårdpersonalen som ska bestämmadessa. För att kunna implementera möjligheten att lägga tillfavoriter så finns många olika lösningar. En lösning är att tillåtaanvändaren att spara dokument på sin enhets internminne,på en plats angiven av applikationen, och sedan ge favorit-knappen tillgång till denna plats. På så vis kan var och en sparasina personliga dokument utan att andra användare påverkaseller att listan påverkas av en uppdatering av applikationen.

Mest tid har lagts på att få navigationen mellan appli-kationens sidor att fungerar på ett logiskt och struktureratsätt. Den största utmaningen med detta har varit att få våregenimplementerade home-knapp att ta användaren tillbakatill och börja om på startsidan. Varje knapp på startsidanär nu implementerad som en enskild klass vilket gör attanvändaren kan navigera fram och tillbaka mellan vyerna hurmånga gånger som helst oavsett om back-knappen eller home-knappen används. Skillnaden mellan back-knappen och home-knappen är att back-knappen tar användaren tillbaka endastett steg åt gången medan home-knappen alltid tar användarendirekt till startsidan oavsett hur djupt inne i applikationensstruktur man befinner sig. Home-knappen är implementeradsom en FloatingActionButton vilket betyder att den alltid ärplacerad över det andra innehållet på skärmen, på så viskommer man alltid åt den utan att exempelvis behöva scrollasidan till botten.

Vi valde att lägga WETFLAG-funktionen som en artikellistadär användaren väljer artikel genom patientens ålder precissom det görs i akutrummet idag, se figur 9. Alternativet varatt programmera en funktion som räknar ut vilket dokument

6

Figur 9. Genom att trycka på WETFLAG-knappen hamnar användaren påen sida med WETFLAG-rekommendationer uppdelade efter ålder. Artiklarnahär är de samma som används på pediatrikavdelningen idag.

som ska visas men då artiklarna innehåller behandlingsrekom-mendationer hade detta gjort att applikationen setts som enmedicinteknisk produkt som hade behövt testas i flertalet stegför att kunna användas på sjukhuset. Genom att använda sam-ma system som personalen redan är bekanta med tillsammansmed de befintliga dokumenten minskas risken för att fel görsjämfört med om vi satt in en egen funktion som innebär etthelt nytt tankesätt och ny arbetsgång.

Artikellistan som finns i figur 9 är gjord med hjälp avListView vilket är ett sätt att presentera en vy på i AndroidStudios. En ListView tillåter att man visar ett nästintill oändligtflöde av ListObjects. Exempelvis är varje inlägg i ett Instagrameller Twitterflöde ett ListObject. I YoungERinfo består varjeListObject enbart av en TextView, eftersom ”0-12 mån” och ”1år” bara är text. Jämför detta med exempelvis Instagram somäven har en liknande Widget som kan visa bilder. Vi har gjorten egen klass för utformningen på vårt ListObject, där manenkelt kan ändra exempelvis textstorlek och färg på texten.Om man, precis som i exempelvis Instagram, vill lägga till enbild eller ikon vid varje artikel skulle även detta vara möjligtatt ändra i denna klass. För att koppla ihop ListObject, ListViewsamt vad som ska stå i varje ListObject har vi implementeraten ListAdapter. ”0-12 mån”, ”1 år” etc. är inlagda i en String-vektor i den klass som öppnas när man på Startsidan tryckerpå WETFLAG, och det är detta som är själva innehållet.Samma sak händer i figur 7, där är ”Artikel 1”, ”Artikel2” och så vidare är inlagda som Strings i varje klass somfinns bakom de andra knapparna på startsidan. ListAdapternär dock densamma, och den anropar samma ListObject ochsamma ListView oavsett vilken knapp man trycker på och detenda som ändras av den specifika klassen är vilken text somvisas i listan. Detta kommer att leda till att alla artikellistori applikationen har samma utformning, vilket bidrar till ettenhetligt och professionellt intryck av appen.

C. Applikationens plats på sjukhuset

I slutet av projektet har vi återigen haft ett möte medavdelningsrepresentanterna. Under mötet fick avdelningsrepre-sentanterna testa applikationen på en Nexus surfplatta ochen Sony telefon. Det var den mindre färgglada av våra tvåalternativ som de fick testa, se figur 4. De tycker att applika-tionen är ett bra första steg mot en färdig applikation. Bildernaär fina och själva applikationen känns harmoniskt tilltalande.Dock är de inte helt överens om ifall den färgglada eller denmindre färgglad versionen är bäst. Detta är ett problem somåterstår och som kommer att tas upp i diskussionen nedan.Avdelningsrepresentanterna tror absolut att man kommer attkunna hitta rätt artikel i applikationen under de rubriker somhar valts. Vad gäller sökfunktionen är åsikten från deras sidaatt den har en naturlig position och att det är där den ska vara.Home-knappen är “perfekt, snygg och gör det den ska” enligten av avdelningsrepresentanterna.

De största fördelarna med applikationen, enligt avdelnings-representanterna, är att den kommer att underlätta mycket idet dagliga arbetet på akuten och kan bli ett fantastiskt verktygsom innehåller pålitliga dokument. Applikationen kommer un-derlätta för personalen att snabbt kunna hitta rätt dokument ochmanualer. Att det lätt går att uppdatera applikationen är ocksåen stor fördel. Förväntningarna är att applikationen kommervara till stor nytta och bli en naturlig del av arbetsgången förpersonalen på pediatrikavdelningen, kanske främst för nyligenutexaminerade läkare.

IV. DISKUSSION

Genom vårt arbete har vi blivit varse om att det oftastfinns mer än ett sätt att programmera en applikation på. Varjefunktion i YoungERinfo är vald på grund av att den har gått attkombinera med både våra tankar om funktion och den tänktadesignen. Det är dock viktigt att poängtera att det för mångaav dessa funktioner finns fler tillvägagångssätt än de vi valt.Vi anser att vi trots detta lyckats visa att det går att göra enapplikation anpassad för ändamålet och att en sådan passar ini den tänkta miljön.

Det finns i dagsläget mycket utvecklingspotential förYoungERinfo. Den största förändringen kommer ske när denkopplas till en databas och användaren faktiskt kan kommaåt alla de dokument som är tänkta att hjälpa verksamhetenpå barnakuten. Utöver att detta innebär att sök- och favorit-funktionen hade kunnat implementeras fullt ut hade det ocksågjort att applikationen kunde testats av fler användare än baraavdelningsrepresentanterna. Vi anser att i nuläget tillför enundersökning med tester inte någonting för vårt resultat just pågrund av att det inte finns några dokument att testa på. Vi hardärför valt att basera resultatet på avdelningsrepresentanternasutlåtande om applikationen. Eftersom de har fört talan för pe-diatrikavdelningen när funktionerna önskades är de väl insattai hur det är tänkt att den ska fungera och vilka dokumentsom ska finnas med. I en undersökning med andra användarehade vi riskerat att få ett resultat som påverkats av derasokunskap om det tänkta innehållet och det hade varit omöjligtatt avgöra ifall ett negativt resultat hade berott på detta elleratt applikationen faktiskt upplevdes som dålig. I ett stadium

7

där det finns dokument kopplade till applikationen hade detvarit intressant att ta reda på hur olika användare uppleverbåde design, intuitivitet och funktionalitet, vilket hade gettett större helhetsintryck av applikationen. Exempelvis hadefrågor angående home-knappen, sökfunktionen och favorit-knappen varit intressanta att undersöka då varje användareanvänder sig av olika operativsystem och favoritapplikationerprivat och alltså har olika förhållande till hur sådana funktionerfungerar. En FloatingActionButtons vanliga uppgift är oftastatt skapa något nytt och är ett attribut som endast finns iAndroid. På grund av detta kan hem-knappen potentiellt skapaförvirring om vad den egentligen gör. Genom samtalen medavdelningsrepresentanterna har vi dock konstaterat att knappeninte är speciellt förvirrande även om man är iOS-användare.Vi tror att detta beror på att symbolen med ett hus är allmäntkänd oavsett operativsystem. De som skulle kunna ha problemmed knappen är istället de som inte är välbekanta med dennasymbol och kanske inte så vana användare, vilket hade varitintressant att observera. Sökfunktionen hade behövt både ettpraktiskt test samt en undersökning med frågor om hur denupplevs för att se om användarna faktiskt hittar rätt dokument.Samma sak gäller favoritfunktionen för att se om användarnaupplever det som smidigt att lägga till och ta bort dokumentfrån listan. Färgtemat i applikationen hade också varit bra attlåta en större användargrupp testa i praktiken, särskilt eftersomavdelningsrepresentanterna inte har samma åsikt om vilket avvåra två förslag som är det bästa alternativet. Man hade kunnattesta hur snabbt användaren hittar rätt knapp och man hadekunnat fråga om applikationen ger ett professionellt intryck.

YoungERinfo har hittills inte krävt någon etisk prövningunder utvecklingsfasen då den ännu inte faller under någon avde forskningskategorier som kräver detta. Den innehåller ingafysiska ingrepp, syftet är inte att påverka varken psykiskt ellerfysiskt, den behandlar inga känsliga personuppgifter och ingenanalys av biologiskt material sker. Men eftersom YoungERinfokommer vara ett hjälpmedel som används dagligen kan energonomisk utvärdering komma att bli aktuell i en eventuellframtida utvärdering, vilket skulle kunna ses som en prövningav risk för fysisk skada för användaren. Även doseringsverk-tyget WETFLAG som ska ingå i applikationen kommer attbehöva utvärderas eftersom feldosering kan leda till fysiskskada för patienten. De dokument som ska läggas in underknappen WETFLAG i applikationen kommer att vara sammadokument som idag används i akutrummet. Den enda riskenmed en applikation är att fel dokument öppnas när mantrycker på knappen för en viss ålder. Innan applikationen tas ibruk måste WETFLAG-funktionen därför kontrolleras för attsäkerställa att rätt dokument ligger under rätt knapp. Ett annatproblem skulle kunna vara att användaren av misstag tryckerpå fel ålder. Åldrarna ligger i stigande ordning vilket gör attom man trycker fel blir det troligtvis max en ålderskategorifel, vilket är en förhållandevis liten felberäkning i dosering.Men för att undvika att man råkar använda sig av fel doseringtycker vi att en rubrik bör läggas till på varje dokument så attman inifrån dokumentet tydligt ser vilket dokument man haröppet. En sådan lösning hade hjälpt oavsett vad anledningenär till att fel dokument öppnas.

YoungERinfo kan diskuteras även ur miljösynpunkt. Förde-

larna med en applikation jämfört med dagens lösningar är attman slipper att skriva ut nya akuthandböcker och WETFLAG-rekommendationer när uppdateringar ska göras. Detta spararin på pappersförbrukningen. YoungERinfo minskar dessutomrisken för att någon råkar använda en gammal version av enhandbok vilket skulle kunna leda till att någon tar fram felmaterial eller läkemedel i onödan. Nackdelarna med en appli-kation är att plattan som applikationen ska köras i kräver strömoch att tillverkningen av en surfplatta kräver resurser. Eftersomapplikationen är tänkt att kunna läggas in i användarnas privatatelefoner blir dock denna resursförbrukning förhållandevisliten eftersom användandet då inte kräver ytterligare en enhettill varje användare.

För att applikationen ska räknas som en egentillverkadprodukt och inte omfattas av föreskrifterna för medicintekniskaprodukter krävs det att vårdgivaren tar ansvar för produktenoch att den uteslutande används inom den egna verksamhe-ten [8]. Fördelen med detta är att den inte behöver gå igenomde prövningar som annars hade behövts. Nackdelen är attapplikationen aldrig kommer kunna utvecklas till att användasnågon annanstans. Dock är inte detta tanken och vi anser därföratt fördelarna är störst för att disponera detta som en specifikprodukt för barnakuten i Malmö och Lund.

V. SLUTSATSER

Genom att samla pediatrikavdelningens system på ett ochsamma ställe i en och samma applikation har vi skapat enlösning som är både portabel och lättanvänd. Detta gör attdet är lätt för både oss och avdelningsrepresentanterna att seapplikationen som en självklar del av sjukvårdspersonalensvardag. Idag är YoungERinfo en bra och välfungerande bassom erbjuder användaren snabb och enkel navigering. För attta applikationen hela vägen till en färdig produkt behöverden kopplas till en databas där dokumenten kan sorterasoch redigeras efterhand, först då kan YoungERinfos potentialutvärderas helt opartiskt. Avdelningsrepresentanternas utvär-dering tyder på att en applikation är rätt väg att gå för att hjälpapersonalen på pediatrikavdelningen. Tack vare att användarenkan installera applikationen på sin egen enhet innebär den ensmidig lösning som alltid finns i fickan. YoungERinfo är gjordså att den ska vara så intuitiv som möjligt och inbjuda tillen hög grad av inlärning, vilket vi tror kommer göra att denblir ett populärt verktyg bland en stor grupp olika typer avanvändare.

VI. EFTERORD

Stort tack till Maria Mossberg och Kristján Derekssonsom genom klinisk vägledning har hjälpt till att formulerapediatrikavdelningens behov och kommit med feedback underprojektets gång. Tack även till Martin Stridh för hjälp medinriktning på projektet, handledning och tekniska frågor gäl-lande rapportskrivningen. Tack till Patrik Persson som hjälptoss att komma igång med Android Studios och dessutomställt upp med hjälp och felsökning när vi haft problem medprogrammeringen. Arbetet med detta projekt har fördelats jämtmellan rapportskrivarna.

8

REFERENSER

[1] J. Johnson. (2010). Designing with the Mind in Mind. Burlington:Elsevier Inc.

[2] Openclipart. (2016). Unlimited Commersial Use. Hämtad 2016-03-29,från https://openclipart.org/share

[3] Wikimedia Commons. (2015). File:Red White Blood Cells.png. Hämtad2016-04-14, från https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Red_White_Blood_cells.png?uselang=sv

[4] Wikimedia Commons. (2015). File:Blausen 0534 Goiter.png. Häm-tad 2016-05-02, från https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Blausen_0534_Goiter.png

[5] Android Developers. (2016). Alternative Distribution Options.Hämtad 2016-04-21, från http://developer.android.com/distribute/tools/open-distribution.html

[6] Autodesk, Inc. (2015). PIXLR EDITOR. Hämtad 2016-04-21, från https://pixlr.com/editor/

[7] Android Developers. (2016.) ImageButton. Hämtad 2016-05-04, frånhttp://developer.android.com/reference/android/widget/ImageButton.html

[8] Läkemedelsverket. (2014.) Egentillverkade produkter. Hämtad 2016-05-10, från https://lakemedelsverket.se/malgrupp/Foretag/Medicinteknik/Regelverket/Egentillverkade-produkter/