Projekty

Uživatelsky adaptivní systémy

SP2011/22

Krejcar Ondřej prof. Ing., Ph.D.

prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc.

01. 01. 2011 - 31. 12. 2011

Idea Uživatelsky Adaptivních Systémů (UAS) je založena na interakcích mezi uživatelem a systémem (např. pomocí jeho mobilního zařízení). Taková interakce může spočívat v reakcích na uživatelsky nedeklarované požadavky. Takové požadavky jsou založeny na současném prostředí uživatele a jeho biologických či emocionálních stavech (např. Kde jsem? Co teď cítím? Jsme v pořádku? atd.). Na takové „uživatelské otázky“ je možné odpovědět pomocí senzorů na těle uživatele nebo v uživatelských zařízeních. S pomocí mobilního zařízení můžeme získat polohu uživatele (např. jeho současná pozice, predikovaná budoucí pozice v čase, jeho pohyb či sledování, atd.). Bio-senzory na těle uživatele mohou detekovat některá důležitá biomedicínská data, která mohou být použita pro určení emočního stavu uživatele v kontextu okolního prostředí. Kombinací uživatelských požadavků (ať již zadaných či predikovaných) ve spojení s dalšími zdroji znalostí a chování uživatele může být vytvořen sofistikovaný informační systém založený na principech a architektuře uživatelsky adaptivního systému (UAS). Přínos UAS je možné nalézt ve zvýšeném uživatelském komfortu při přístupu k systému přes definované adaptivní rozhraní mobilního či stolního zařízení. Projekt navazuje na předchozí SGS projekty řady Biomedicínské inženýrské systémy III a IV a Mobilní biotelemetrický systém - Guardian II, kterých se řešitelé aktivně účastnili. Dříve dosažené výsledky a znalosti chceme v tomto projektu využít pro vývoj jednotlivých částí Uživatelsky Adaptivních Systémů v několika specifických směrech: 1. První oblastí je kontinuální sledování polohy uživatelů (pacientů) pro oblasti rekonvalescence pacientů při zátěžových testech na běžecké dráze či v lesním terénu (použití v lázních Teplice nad Bečvou), nebo v oblasti domácí péče pro vzdálené sledování a monitoring pacientů (především dětí) a záznam jejich EEG, EKG při nastalé anomálii (ve spolupráci s FNSP Ostrava). Další oblast nasazení je např. při náročném tréninku sportovců (hokejový klub Vítkovice), kde je žádoucí mít přesné informace v průběhu tréninku, které by mohly pomoci v některých případech předejít nečekaným problémům (smrti, či postižení) při utkáních, které v poslední době potkali nemálo sportovců. Řešení této části projektu kombinuje části jak z oblasti hardware tak i software. Jedná se v zásadě o software, který bude realizován na dvou platformách. První verze bude provozována na operačních systémech rodiny Windows Embedded (Embedded Standard, Embedded CE či Windows Mobile). Druhou jednodušší a levnější alternativou bude vestavěná aplikace v GSM modulu (Siemens AC75) napsaná v jazyce Java. 2. Druhá oblast řešení spočívá na požadavku propojení zdravotnických přístrojů používaných při kardio-implantačních výkonech a sjednocení takto získávaných dat do jednotné databáze použitelné i při následných kontrolách a k vědecko-výzkumným účelům. Jednou z možností je i propojení na nemocniční informační systém s cílem získávání dat o pacientech již registrovaných tomto systému. Konkrétně se jedná o propojení monitoru životních funkcí DASH 4000, operačního programátoru kardiostimulátorů ICS 3000 spolu se stolním či přenosným PC, který obsluhuje zdravotnický personál. Systém bude umožňovat správu pacientů v databázi spolu s jejich záznamy z přístrojů (ICS, DASH). Real-time zobrazování dat z DASH a úprava těchto dat ve vestavěném editoru. Import dat z ICS a jejich úpravu. Poskytne statistiky operačních výkonů a tvorbu závěrečných operačních protokolů pro archivaci. Bude propojen s druhou verzí systému v ambulanci, kde bude sloužit k účelům pravidelných kontrol pacientů s implantovaným kardiostimulátorem. Projekt vychází ze zadání formulovaného Městskou nemocnicí Ostrava - MNO. Navazuje na projekt z roku 2009, řešený až po současnost. 3. Cílem třetí části projektu je vývoj a implementace plánovacího algoritmu pro mobilní robotické jednotky fungující na paradigmatu SIM (Sensing-Inteligence-Motion) s uvažováním dynamiky řízené mobilní robotické jednotky. Obecně se jedná o metodu plánování, kdy je dostupná pouze neúplná informace o okolí mobilní robotické jednotky, přičemř je tato neúplnost způsobena přítomností jiných statických i pohybujících se překážek v pracovním prostoru jednotky. Ty svou přítomností způsobují nejistotu v pracovním prostoru jejímž důsledkem je nemožnost naplánovat celou trajektorii z počátečního do cílového bodu. Systém tedy provádí plánování trajektorie pouze pro několik příštích taktů řídicího systému s využitím trajektorie založené na Hermitově splajn křivce se zajištěnou bezpečnou drahou pro nouzové zastavení v případě náhlého výskytu překážky v naplánované cestě. Použití paradigmatu SIM umožňuje provádět plánování v reálném čase při omezených výpočetních prostředcích, současně plné plánování trajektorie v nejbližším okolí jednotky umožňuje provádět alespoň lokální optimalizace dráhy. Tato část projektu navazuje na předchozí práce realizované v rámci diplomových prácí a v rámci SGS 2010/165. 4. Čtvrtou oblastí je návrh algoritmu pro přesné měření frekvenčních komponent z diskrétního frekvenčního spektra signálu. Současné metody detekce fundamentální frekvence v signálu a měření výšky tónu pracující ve frekvenční oblasti řeší pouze přibližným způsobem problém vzniklé nepřesnosti způsobené diskretizací spektra při vzorkování signálu mimo periodu. Používají se statistické metody, neuronové sítě, filtrační metody, analýza kepstra, wavelety apod. Byla navržena nová metoda, která kombinuje amplitudové a fázové spektrum takovým způsobem, že je možno deterministicky určit frekvenci periodického signálu za hranicí přesnosti danou diskretizací, přičemž tuto metodu lze použít i pro signál s více složkami (polyfonie). Cílem je navrhnout a realizovat algoritmus pro ověření této metody a srovnání s konvenčními způsoby. V průběhu předchozích projektů dosáhl řešitelský tým i díky finanční podpoře z agentury SGS celé řady kvalitních publikačních výstupů na prestižních mezinárodních konferencích, které bychom rádi dále rozšířili. Za posledních pět let se nám podařilo publikovat tři články v impaktovaných časopisech, dále 26 článků jako kapitoly ve Springer Lecture Notes (série LNCS, LNAI, LNICST, IFIP, IFMBE) a dalších více než 40 článků na ostatních konferencích (IEEE, IFAC, atd.). Celkem tedy více jak 70 článků, které jsou, nebo budou indexovány na Thomson ISI webu. Dalších 19 publikací je indexováno na ostatních významných indexech (Scopus, Inscpec, DBLP, IEEE Xplore).

Ing. Vilém Srovnal, Ph.D.
Ing. Jiří Kotzian, Ph.D.
prof. Ing. Ondřej Krejcar, Ph.D.
Ing. Petr Wágner
Ing. Karel Vlach
Ing. Dalibor Janckulík
Ing. Jan Kordas
Ing. Viktor Michna
Ing. Leona Motalová
Ing. Jakub Jirka
doc. Ing. Jaromír Konečný, Ph.D.
Ing. Lukáš Černohorský
prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc.

Cílem projektu je dále rozvíjet a inovovat řešení, která byla realizována v předchozích letech, případně vyvýjet zcela nová řešení na základě dříve nabytých znalostí. Projekt navazuje na SGS projekty: Biomedicínské inženýrské systémy III, IV, VI a Mobilní biotelemetrický systém - Guardian II v rámci SGS 2007 až 2010. Rozšíření a inovace stávajících řešení budou spočívat v těchto základních směrech:

1. Kontinuální sledování polohy uživatelů/pacientů
2. Integrovaný programový systém pro podporu implantací kardiostimulátorů v reálném čase a pro správu databáze o kardio-implantačních výkonech – Systém ImplantSys
3. Adaptivní plánování trajektorie mobilních robotických jednotek
4. Metoda přesného určení frekvence periodického signálu


Výstupy projektu je možno rozdělit do několika oblastí:

• Průběžně dosažené výsledky budou prezentovány formou publikací na prestižních mezinárodních konferencích Springer (série LNCS, LNAI, LNICST, IFIP, IFMBE) a IEEE, které budou indexovány v databázi Thomson ISI Proceedings. Očekáváme přibližně 8 kvalitních výsledků. Již nyní máme přijaté 2 články na konferenci ACIIDS 2011 (Springer LNAI).

• Funkčnost jednotlivě vyvinutých částí bychom chtěli ověřovat prakticky formou měření a testování vyvinutého řešení na pacientech při rekonvalescenci v prostorách lázní Teplice nad Bečvou (Polárium, Stadion, Lesopark) a v prostorách Fakultní Nemocnice Ostrava-Poruba. Očekáváme získání velmi zajímavých kolekcí dat, po jejichž analýze bychom chtěli dosažené výsledky publikovat formou impaktovaných článků (Thomson Journal Citation Report).

• Témata disertačních prací, které mají studenti doktorského studia (Jaromír Konečný, Jakub Jirka, Dalibor Janckulík a Leona Motalová) vypsány u svých školitelů doc. RNDr. Jindřicha Černohorského, CSc. a prof. Ing. Viléma Srovnala, CSc., jsou přímo v oblastech, které budou tito studenti řešit na SGS projektu a dojde tedy ke značnému rozpracování jejich disertačních prací.

• Jednotlivé části projektu budou také použity jako základní podklady pro žádosti o projekty FRVŠ, které budou podávat taktéž zmínění studenti doktorského studia.

• Odpovědný řešitel SGS projektu Ing. Ondřej Krejcar, Ph.D. bude na základě výsledků SGS projektu podávat žádost o postdoktorský grant GAČR.