Prototipa ierīču izstrāde neinvazīvam ādas stāvokļa novērtējumam

Projekta nosaukums: Prototipa ierīču izstrāde neinvazīvam ādas stāvokļa novērtējumam

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/1/16/070

Projekta sadarbības partneri: Tallinas Tehniskā Universitāte.

Projekta īstenošanas termiņš: 36 mēneši (01.01.2018 uz 31.12.2020)

Projekta kopējais finansējums: 133 806.00 EUR

ERAF finansējums: 113 735.10 EUR

Valsts budžeta finansējums: 13 380.60 EUR

LU finansējums: 6 690.30 EUR

Projekta mērķis: izstrādāt jaunas tehnoloģiskas medicīnas prototipa ierīces cilvēka ādas veidojumu analīzei, novērtēšanai un monitoringam.

Projekta rezultāti: zinātniskās publikācijas – 3, konferenču tēzes – 4, starptautiskā mobilitāte – 1,

seminārs LU ASI – 3, izveidots uzlabots ādas vēža un hromoforu kartēšanas ierīces prototips – 1, izstrādāts un laboratoriski pārbaudīts funkcionējošs ierīces prototips ādas hromoforu kartēšanai izmantojot lāzeru apgaismojumu – 1, izstrādāts un pārbaudīts bezkontakta PPG signālu reģistrēšanas ierīces prototips – 1.

01.01.2018 – 31.03.2018
Strādāts pie multispektrālās ierīces Skimager attīstīšanas un uzlabošanas atbilstoši projektā plānotajam. Izveidots jauns Skimager LED gredzens – esmu veicis iepriekš izstrādātā LED gredzena diožu starojuma stabilitātes mērījumus. Rezultāti bija atšķirīgi katram viļņa garumam, ar tendenci uz intensitātes samazināšanos pirmajās piecās sekundēs. Galvenā atšķirība būs tāda ka jaunais būs izgatavots no 1,5mm alumīnija plāksnes. Tādējādi tiktu būtiski uzlabota termiskā atvade no gaismas diodēm. Veikts tehniski sarežģīts projektēšanas darbs, lai izstrādātu šādu diožu alumīnija gredzenu. 
Skimager korpuss – strādāts pie korpusa uzlabojumu veikšanas. 
Strādāts pie Skimager elektronikas plates papildināšanas– notestēti visi izstrādātās plates shēmu mezgli un veikta atklāto nepilnību uzskaite un uzlabojumu veikšana. Tiek veikta dažādu mezglu pārmainīšana un plates rasējuma uzlabošana.
Skimager programmatūras uzlabošana – veikta nepieciešamo SkImager uzlabojumu apkopošana, Windows Embedded Compact 7 izpēte, testa darbināšana un kameras piemēra koda izpēte. SkImager RAW attēlu programmēšanas izpēte un RAW attēlu sagatavošana Matlab izpētei.
Iesniegta publikācija: Uldis Rubins, Zbignevs Marcinkevics, Janis Cimurs, Andris Grabovskis, Edgars Kviesis-Kipge, Univ. of Latvia (Latvia) “Snapshot hyperspectral system for non-invasive skin blood oxygen saturation monitoring”, Paper No.10685-143. Iesniegšanas datums 3/30/2018, konference SPIE Photonics Europe. https://www.spie.org/EPE/conferencedetails/biophotonics-photonic-solutions#2306985

01.04.2018 - 30.06.2018

Strādāts pie multispektrālās ierīces Skimager attīstīšanas un uzlabošanas atbilstoši projektā plānotajam. Esmu veicis izstrādātā LED gredzena diožu starojuma intensitātes stabilitātes mērījumus. Uzsākts darbs pie Skimager korpusa uzlabojumu veikšanas. Uzlabots ierīces akumulatora uzlādes savienojuma mezgls. Strādāts pie ierīces ieslēgšanas mehānisma izveides. Izgatavota un pārbaudīta korpusa daļa, kurā montējās ieslēgšanas poga, USB kontaktligzda un atmiņas kartes pieslēgvieta. Uzrakstīta un iesniegta konferenču tēze: Edgars Kviesis-Kipge, Uldis Rubīns “Remote imaging photoplethysmography device for palm microcirculation assessment”. Veikta multispektrālās ierīces “Skimager” elektronikas shēmas optimizācija un uzlabošana. Testēta tā siltumatdeve, temperatūras režīms un gaismas intensitātes stabilitāte laikā. Atsevišķi pētīta UV diožu starojuma intensitātes vienmērība, kas noveda pie secinājuma, ka jāpapildina ierīces optiskā shēma ar atgriezenisko saiti, stabila starojuma iegūšanai. Kā rezultātā uzrakstīta publikācija Edgars Kviesis-Kipge, Uldis Rubīns, Oskars Rubenis “Multimodal imaging device for skin diagnostics: improvements and tests”.,

01.07.2018 - 30.09.2018

Strādāts pie multispektrālās ierīces “Skimager” elektronikas plates rasēšanas.
Piedalīšanas konferencē Northern Optics & Photonics 2018, kas notika Zviedrijā Lundā 12.-14. septembrim, kurā prezentēta Pēcdoktorantūras projekta laikā veiktās plaukstas bezkontakta asinsrites mikrocirkulācijas ierīces prototipa uzlabojumi. Piedalīšanās zinātnes popularizēšanas pasākumā "Zinātnieku nakts 2018”.

01.10.2018 - 31.12.2018

Piedalījos Baltijas Elektronikas konferencē, kas notika Igaunijā, Tallinā no 8 - 10 oktobrim, kur prezentēju Pēcdoktorantūras pētījumu projekta laikā izstrādātās multimodālo diagnostikas prototipa ierīces “Skimager” tehniskos risinājumus un iegūtos rezultātus. Uzrakstītā publikācija tiks ievietota www.ieee.org digitālajā datubāzē. 
Strādāts pie ierīces korpusa detaļām, precizēts rasējums, papildināts ar elementiem, kā piemēram, polarizācijas gredzena novietojums korpusā un tā stabila fiksēšana vietā. Precizētas korpusa savienojuma daļas, tā lai tas stabili turētos kopā. Pārbaudīti vairāki uzlabotie rasējuma mezgli, kas tika izprintēti uz LU ASI pieejamā 3D prototipēšanas printera.
Sagatavots ierīces korpusa rasējums profesionālai 3D izdrukai. Strādāts pie korpusa nobeiguma apstrādes. Gala rezultātā izveidots jauns tehniski pilnveidots ādas veidojumu diagnostikas ierīces prototips.

01.01.2019 - 31.03.2019

Uzsākts darbs pie projektā paredzētās otrās prototipa lāzeru ierīces koncepcijas izstrādes. Strādāts pie lāzerdiožu specifisku tehnisku parametru izpētes (starojuma jauda, lāzerdiodes izmērs un izvadu simetrija, starojuma profils un tā platums). Rezultātā izpētītās lāzerdiodes, kas atbilda projektā plānotās izveidojamās ierīces parametriem, tiks iegādātas un iemontētas ierīcē. 
Pētīju lāzerdiožu vadības elektroniskās shēmas, kas nepieciešamas ierīces izveidei. Pētījumā izmantoti interneta resursi no lielākajiem un populārākajiem elektronikas komponentu ražotājiem. Rezultātā iegūtā informācija izmantota, elektroniskās shēmas projektēšanai. Izveidota shēma, kas nodrošinās lāzerdiožu strāvas stabilizāciju un vienmērīgu starojuma intensitāti laikā. Strādāju arī pie šīs shēmas elektronikas plates rasēšanas.
Izpētīju lāzera speklu "izsmērēšanas" shēmas risinājumu. Tās darbības pamatā ir kustīgs elektromehānisks elements, parasti miniatūrs skaļrunis, kas pievienots pie signāla ģeneratora. Tā radītais signāls ar frekvenci ~500Hz ievibrē skaļruni un tas savukārt kustina nelielu difuzoru. Rezultātā lāzerdiožu starojuma radītās nevienmērības tiek nomaskētas, kas arī ir sagaidāmais rezultāts. Tika pētīti shematiskie risinājumi signāla ģeneratora jaudas pakāpes izstrādei. Tika plānots jaunizveidojamās prototipa ierīces konstrukcijas risinājums, kas nodrošinātu korpusa savietojamību ar iepriekšējā periodā izstrādātās diagnostiskās multimodālās ierīces Skimager prototipu. Tika izpētīti labākie lāzeru vadības shēmas novietojumi korpusa priekšējā daļā.
 

01.04.2019 - 30.06.2019

Turpināju tehniskos un literatūras pētījumus par prototipa ierīces ādas hromoforu kartēšanai izmantojot lāzeru apgaismojumu. Pētījumu rezultātā izveidots gredzena veida plates rasējums uz kura izvietotas divdesmit lāzera diodes. Tās izvietotas četrās grupās pa piecām diodēm. Tās izvietoju konkrētās pozīcijās, balstoties uz laboratorijas izpēti par starojuma vienmērīgu sadalījumu. Uzrakstīta un apstiprināta konferenču tēze ar nosaukumu “Development of skin chromophore mapping device using five spectral line illumination” (Ādas hromoforu kartēšanas ierīces izstrāde, izmantojot piecus spektrālās līnijas apgaismojumus). Tēze apstiprināta, kā mutiskā prezentācija. Turpināju darbu pie lāzera ierīces koncepta izstrādes un pārbaudes laboratorijas apstākļos. Rezultātā izveidoju un testēju lāzerdiožu strāvas vadības shēmu. Pētīju lāzeru strāvas vadības shēmas izejas sprieguma filtrēšanas risinājumus. Sakarā ar to ka lāzeri ir ļoti jutīgi pret pārspriegumu, statisko spriegumu un impulsiem izveidoju filtru, kas samazina visas uzskaitītās nepilnības. Strādāju arī pie lāzerdiožu vadības shēmas izpētes un vienmērīga starojuma nodrošināšanas ar difuzoru palīdzību. Apmeklēju konferenci Imaging and Applied Optics 2019. Piedalījos ar mutisku prezentāciju sadaļā Imaging Systems and Applications un prezentēju Pēcdoktorantūras pētījumu projektā izveidotās diagnostikas ierīces rezultātus ar nosaukumu (Development of skin chromophore mapping device using five spectral line illumination - Ādas hromoforu kartēšanas ierīces izstrāde, izmantojot piecus spektrālās līnijas apgaismojumus). Prezentēju pēcdoktorantūras projektā paveikto LU ASI seminārā.

01.07.2019 - 30.09.2019

Veikts inženiertehniskais pētniecības darbs strādājot pie prototipa ierīces ādas hromoforu kartēšanai izmantojot lāzeru apgaismojumu. Pētīju tehnisko literatūru par lāzera vadības parametriem un strāvas regulāciju. Iepriekš izveidojot un testējot shēmas moduli, kas atbild par stabilu lāzera starojuma nodrošināšanu atklāju, ka dotās shēmas izejā ir liels trokšņu līmenis. Tā kā lāzeri ir ļoti jutīgi uz sprieguma un strāvas izlēcieniem, kas veidojas no trokšņaina signāla, tad izlēmu neriskēt ar lāzeriem un izstrādāt uzlabotu shematisko risinājumu. Ieguldot daudz laika, tāda shēma tika izveidota. Izstrādāju arī elektroniskās plates rasējumu, ko plānoju tuvākajā laikā izgatavot un notestēt. Strādāju arī pie prototipa ierīces korpusa vizuālā noformējuma izstrādes.
Piedalījos Zinātnieku nakts pasākumā, prezentēju pēcdoktorantūras projektā uzlaboto ādas diagnostiskās multimodālās ierīces Skimager prototipu.
 

01.10.2019 - 31.12.2019

Strādāju pie prototipa ierīces ādas hromoforu kartēšanai izmantojot lāzeru apgaismojumu galvenās vadības shēmas lodēšanas un visu elektronikas mezglu testēšanas. Izlabota un salodēta lāzera diožu gredzena plate, kurā atklājās novirze no optiskās ass. Pabeigta un notestēta lāzeru vadības shēma. Izstrādājot jaunu vadības shēmu novērstas iepriekšējās nepilnības (paaugstināts izejas trokšņu līmenis un ieslēgšanās/izslēgšanās brīža sprieguma un strāvas pīķis, kas var bojāt lāzerus). Veikta elektronikas komponentu kalibrācija, kas nepieciešama lāzeru barošanas spriegumu nodrošināšanai. Notestēts lāzeru elektroniskās plates rasējums, plate izgatavota un salodēta. Izmantoju iepriekš atlasītus, testētus lāzerus, kuriem sakrīt starojuma viļņu garums. Pabeigts darbs pie prototipa ierīces korpusa 3D rasējuma. Pilnveidota korpusa priekšējā daļa, kurā montējas lāzeru gredzens un to vadības plate. Korpusā iestrādāts miniatūrs elektromehānisks elements lāzeru speklu izlīdzināšanai. Korpuss izgatavots un veikti visi pēcapstrādes procesi (tīrīšana, visu korpusa virsmu pulēšana un gruntēšana). Veikta komponentu montāža korpusā.
 

01.01.2020 - 31.03.2020

Šajā pārskata posmā uzsākts darbs pie bezkontakta fotopletizmogrāfijas prototipa ierīces izpētes un izstrādes.
Fotoplethmogrāfija (PPG) ir neinvazīva metode asins tilpuma pulsāciju pētījumiem, detektējot un analizējot no audiem atstaroto un izkliedēto optisko starojumu. Asins plūsmas dinamiku var novērot dažādās ķermeņa vietās - auss ļipiņā, pirksta galā, apakšdelmā utt. - ar vienkāršiem PPG kontakta sensoriem.
Fotopletizmogrāfijas attēlveidošana (PPGI) ir neinvazīva metode asins plūsmas pulsācijas noteikšanai ādā, izmantojot atpakaļ atstaroto optisko starojumu. Pēc iekļūšanas ādā optiskais starojums daļēji tiek absorbēts audos, un sirdsdarbības dēļ arī modulēts. No ādas atstaroto starojumu ar videokameras palīdzību var detektēt kā vāju gaismas pulsāciju, un to var vizualizēt ar videoapstrādes algoritmiem. Bezkontakta fotopletizmogrāfijas attēlveidošana ir metode ar spēju iegūt PPG signālu, nepieskaroties novērotajai ķermeņa vietai. Šajā projekta posmā plānots izveidot un pārbaudīt bezkontakta fotopletizmogrāfijas signālu reģistrēšanas ierīci, kas darbosies infrasarkanā diapazonā (760 nm) izmantojot tieši fotopletizmogrāfijas attēlveidošanas metodes principus. Ierīci plānots izgatavot kompaktu un viegli lietojamu, lai arī turpmāk ar to varētu veikt zinātniskus pētījumus no ādas un ādas veidojumiem.
Plānots, ka ierīce sastāvēs no 12 infrasarkanā spektra gaismas diodēm, kas savienotas sešās grupās pa divām diodēm katrā. Izpētītas dažādas virsmas montāžas gaismas diodes, rezultātā izvēlētas Roithner LaserTechnik piedāvātās ar starojuma jaudu 400mW.
Izveidota ierīces elektroniskā shēma un tajā ir iestrādāta gaismas diožu intensitātes regulēšana. Plānots, ka ierīci varēs arī vadīt no datora, izmantojot USB savienojumu. Visu ierīces funkcionalitāti nodrošinās iebūvētais mikrokontrolieris STM32F103 (STMicroelectronics), kas darbojas ar takts frekvenci 72MHz, 64KB programmas atmiņu un 20KB operatīvo atmiņu. Izpētot gaismas diožu specifikāciju un aprēķiniem to darbības laikā, ievērojams enerģijas daudzums tiks pārvērsts siltumā, tāpēc lai ierīce strādātu optiski stabili, tā ir jādzesē. To plānots paveikt otrpus montāžas plates (pie katras gaismas diodes) pieskrūvējot alumīnija radiatorus un papildus uz korpusa izvietojot četrus nelielus ventilatorus. Videokameras, kas detektēs atstarotās pulsācijas, objektīvam ir jābūt ar platu redzesleņķi no 10 cm attāluma.
Tālākā darba stadijā plānots no šīs elektroniskās shēmas rasēt montāžas plati, uz kuras būs izvietotas visas elektroniskās komponentes.

Uzrakstīta konferenču tēze "Development of the multimodal laser device for skin diagnostics", iesniegta uz konferenci "Developments in Optics and Communications” 2020. Tēze akceptēta no konferences organizētājiem. http://www.docriga.lv/assets/5e8ae67f8993b/Accepted%20abstracts%20DOC%202020.pdf

01.04.2020 - 30.06.2020.

Turpināts darbs pie bezkontakta fotopletizmogrāfijas prototipa ierīces izstrādes. Šajā pārskata periodā veikts liels galvenokārt tehnisks darbs. Plānots, ka vispirms tiek izveidota darboties spējīga infrasarkanā diapazona bezkontakta fotopletizmogrāfijas signālu reģistrēšanas ierīce, kuru pēc tam testē laboratorijā izmantojot mākslīgus ādas maketus un/vai brīvprātīgos. Tupinot iepriekšējā periodā aizsāktos projektēšanas darbus, pašlaik ir izveidota pilnīga ierīces elektroniskā shēma, kas ietver visus infrasarkano starotāju vadības un stabilitātes mezglus, kā arī ierīces režīmu pārslēgšanu no datora. Darba gaitā, tika izstrādāta arī ierīces blokshēma. Maketierīces galvenais uzdevums ir nodrošināt pietiekami kvalitatīva fotopletizmogrāfijas signāla iegūšanu, lai pēc tam to varētu izmantot ādas kartējuma izveidošanai, kā arī sekot līdzi asins plūsmas dinamikai. Nākošais solis pēc shēmas izstrādes, ir elektroniskās plates rasēšana. Tas ir ļoti intensīvs un intelektuāls darbs, kas laika ziņā var aizņemt pat mēnesi. Īpaša uzmanība tika pievērsta starojošo diožu novietojumam uz plates, attālumam vienai no otras un diožu dzesēšanas nodrošināšanai. Siltuma atvadīšana no diodēm tiek nodrošināta ar lielām nepārtrauktām vara slāņa kontaktvirsmām un ar metalizētām slāņu pārejām. Tās siltumu novada uz plates otru slāni, kur ir vieta alumīnija radiatora pievienošanai ar speciālu termopastu. Kā zināms, no iepriekšējās pieredzes un pētījumiem, ka mērījumu veikšanai un labu rezultātu iegūšanai nepieciešams, ļoti stabils optiskais starojums, ko var panākt starojošām diodēm nodrošinot nemainīgus darba apstākļus, ko var panākt izmantojot aktīvo dzesēšanu tas ir ventilatorus. Tāpēc, uz plates virsmas ir izvietoti četri nelieli ventilatori. Turpmāk būtu jāveic vibrācijas tests, lai noskaidrotu vai ventilatoriem griežoties, tie nekustina visu ierīci, kas varētu novest pie nederīgiem mērījumu datiem. Ierīce atstaroto optisko starojumu uztver, izmantojot iebūvēto, video kameru ar platleņķa objektīvu. Tam priekšā ir novietots krusteniski pagriezts polarizators, kas noņem tieši atstaroto starojumu no pētāmā objekta virsmas (tas ir nederīgais, jeb traucējošais starojums). Polarizatora izmantošanai ir viens būtisks trūkums, tas samazina uz kameras objektīva krītošo starojumu pat par 90%, tas nozīmē, ka lielākā starojuma daļa aiziet siltumā. Bet no šī procesa nevar izvairīties, zinot visas šīs nianses shēma tika rūpīgi projektēta, lai gala rezultātā, tā būtu pilnvērtīgi lietojama gan laboratorijā, gan klīnikā jaunu zinātnisku pētījumu veikšanai.

01.07.2020.-30.09.2020.

Turpināju darbu pie bezkontakta fotopletizmogrāfijas prototipa ierīces izstrādes un sagatavošanas pirmo testa mērījumu veikšanai no plaukstas virsmas. Šajā periodā jaunā ierīce tika uzstādīta un noregulēta tā, lai ar to varētu veikt vismaz dažas mērījumu sērijas no cilvēka ādas virsmas. Galvenokārt tika izraudzītas labi apasiņotas ķermeņa daļas – rokas un plaukstas. Mērījumus veicu LU ASI laboratorijā uz sevi un brīvprātīgiem kolēģiem. Tika testēta ierīces apgaismojuma sistēma un piemeklēti programmatūras koeficienti, lai dinamiski pieregulētu infrasarkanā starojuma intensitāti uz mērāmās virsmas. Tieši šī funkcionalitāte arī ir viens no ierīces īpašajiem trumpjiem. Ierīci plānots izmantot dažādās vietās un veikt mērījumus gan no plaukstas, rokas gan arī no kājām, piemēram, slimnīcā pacientam ievadot anestēziju. Tā kā šīs ķermeņa daļas nav plakanas, līdz ar to arī apgaismojuma intensitāte, katrā punktā nav vienāda. Bet precīzu zemādas asins cirkulācijas kartējumu var iegūt, ja starojuma intensitāte ir pēc iespējas vienmērīgāka. Tāpēc tika testēta un papildināta ierīces programmatūra, kas nodrošina šo funkciju. Par šo prototipa ierīci uzrakstīta konferenču tēze. Tika uzrakstīta publikācija, kas mutiski prezentēta starptautiskā konferencē “BIOPHOTONICS - RIGA” 2020". Tā norisinājās Rīgā no 24.–25 augustam. Publikācijā ir aprakstīta, mērījumu metodika, ierīces darbības shēma un apkopoti rezultāti no cilvēka plaukstas, kas parāda, ka metode un ierīce darbojas ļoti labi. Tika uzrakstīta vēl viena publikācija, tajā ir prezentēta multispektrālo līniju ādas attēlošanas prototipa ierīce, ko izstrādāju pēcdoktorantūras pētījumu projektā iepriekšējos gados. Abas publikācijas ir nosūtītas un tiks ievietotas SPIE Digital library, kas tiek indeksēta SCOPUS datubāzē. Pagaidām raksti vēl nav pieejami publiski. Ierīci plānots pabeigt līdz projekta beigām.

01.10.2020.–31.12.2020.

Iepriekšējā periodā uzrakstītās publikācijas ir publicētas:
Edgars Kviesis-Kipge, Uldis Rubīns, "Remote photoplethysmography device with adaptive illumination for skin microcirculation assessment," Proc. SPIE 11585, Biophotonics—Riga 2020, 1158505 (28 October 2020); https://doi.org/10.1117/12.2581933.
Janis Spigulis, Ilona Kuzmina, Ilze Lihacova, Vanesa Lukinsone, Blaž Cugmas, Andris Grabovskis, Edgars Kviesis-Kipge, Alexey Lihachev, "Biophotonics research in Riga: recent projects and results," Proc. SPIE 11585, Biophotonics—Riga 2020, 1158502 (28 October 2020); https://doi.org/10.1117/12.2581799

Organizēju mobilitātes semināru ar Tallinas Tehnisko universitāti profesora Kalju Meigas laboratoriju. Seminārā prezentēju pēcdoktorantūras projekta laikā izveidotās ierīces un to rezultātus, kā arī pastāstīju par projektu un paveiktajiem darbiem. Semināra beigās atbildēju uz klausītāju jautājumiem. Seminārs tika organizēts Microsoft Teams platformā.
Izstrādes rezultātā ir izveidota un laboratoriski pārbaudīta ierīce prototipa ierīces bezkontakta PPG signālu reģistrēšanai no attāluma.