چکيدهصرع یک اختلال عصبی است که عمدتاً با ایجاد تشنج مشخص ﻣﯽشود. نگرانی در مورد آسیب و یا حتی مرگ بعد از تشنج، زندگی کسانی که قادر به دستیابی کنترل کامل تشنج نیستند تحت الشعاع قرار ﻣﯽدهد. بعلاوه، خطر مرگ ناگهانی (SUDEP ) در افراد مبتلا به صرع 24 برابر بیشتر از افراد عادی است. استاندارد بالینی برای تشخیص تشنج، ترکیبی از EEG و نظارت ویدئویی است ولی این روش برای طولانی مدت و استفاده سرپایی امکان پذیر نیست. مانیتورینگ پیوسته فعالیت الکتریکی پوست (EDA) به عنوان شاخصی برای فعالیت سیستم عصبی سمپاتیک و استفاده از شتاﺏسنج سه بعدی (ACM3D ) برای محاسبه الگوی حرکتی دست در زمان وقوع تشنج به شناسایی آن کمک خواهد کرد. هدف از این پژوهش بررسی روشﻫﺎﻱ درمانی و کنترلی صرع به طور مداوم ﻣﯽباشد. در این پایاﻥنامه به بررسی انواع سنسورها و همچنین روش ارائه آن به کاربر از طریق سیستمﻫﺎﻱ همراه هوشمند در بستر شبکه پرداخته شده است. سنسور پیشنهادی از EDA و ACM برای تشخیص تشنج استفاده ﻣﯽکند و تا حد امکان راحت، کوچک، کمتر در معرض دید، غیر تهاجمی و پوشیدنی است. اطلاعات اندازﻩگیری شده توسط سنسور به صورت بیسیم از طریق تلفن همراه هوشمند بیمار با زیرساختﻫﺎﻱ موجود مانند بلوتوث، Wi-Fi، 3G و GPRS به پزشک و خانواده بیمار با کمک SMS و Email ارسال ﻣﯽشود. ویژگی دیگر این سیستم استفاده از GPS گوشی برای تعیین موقعیت فرد مصروع جهت اطلاع رسانی سریعتر برای کمک به وی ﻣﯽباشد. با کمک قابلیتﻫﺎﻱ تلفنﻫﺎﻱ همراه هوشمند، مانند بالا رفتن قدرت پردازشی و وجود انواع سنسورها بر روی آن، نظارت مداوم بر وضعیت بیمار میسر خواهد شد و به حضور کمتر بیماران در مراکز پزشکی و بیمارستانﻫﺎ کمک خواهد کرد. واژه هايكليدي:صرع، الکترو انسفالو گرافی، رسانایی الکتریکی پوست، شتاﺏسنج، تشنج تونیک-کلونیک عمومی، سرکوب EEG، مرگ ناگهانی و غیرمنتظره در صرع، الکترودهای نقره/کلرید نقره، تلفن همراه آندروید، فناوری های موبایل، ماشین بردار پشتیبان.فهرست مطالبعنوان صفحهفصل اول : کليات پژوهش11ـ1 مقدمه21ـ2 درمان صرع31ـ3 انواع روشﻫﺎﻱ شناسايی، پيش بينی و کنترل صرع31-4 ضرورت پژوهش41-5 اهداف و سوالات پژوهش41-6 جنبه جديد بودن و نوآوري پژوهش51-7 ساختار پژوهش61-8 خلاصهي فصل7فصل دوم : پيشينهي پژوهش82-1 مقدمه92-2 روشﻫﺎﻱ درمان و کنترل صرع از طريق عمل جراحی92-3 روشﻫﺎﻱ درمان و کنترل صرع با کمک سنسورها102-4 مرور مقالات مرتبط112-5 نحوه اطلاع رسانی152-6 استفاده از تلفن های همراه برای مداخلات و اقدامات سلامت182-7 M-health192-8 شبکه های سنسوری بدن (BSNs)212-9 خلاصهي فصل21فصل سوم : اطلاعات بالينی برای تشخيص تشنج223-1 مقدمه233-2 شتاﺏسنج233-3 استفاده از شتاﺏسنج سه محوره253-4 رسانايی پوست263-5 طراحی مدار GSR283-6 خلاصهي فصل30فصل چهارم : طراحی و پياده سازی سخت افزاری و نرم افزاری314-1 مقدمه324-2 قطعات سختﺍفزاری مورد استفاده324-2-1 ميکروکنترلرها334-2-1-1 انواع روشها و پروتکل های ارتباطی بر روی ميکروکنترلر344-2-2 کريستال يا نوسان ساز364-2-3 رگولاتور364-2-4 LCD374-2-5 Op-Amp394-2-6 microSD Module414-2-7 مبدل آنالوگ به ديجيتال خارجی ADC0804424-2-8 توليد کننده مرجع ولتاژ REF30xx444-2-9 تقويت کننده ابزار دقيق AD620454-2-10 توليد ولتاژ متقارن با TC7660474-3 پياده سازی سختﺍفزاری سنسور474-3-1 تامين ولتاژ مدار474-3-2 نحوه اتصال پايه های ميکروکنترلر484-3-3 نحوه اتصال پايه های ماژول RS232504-3-4 نحوه اتصال پايه های ماژول بلوتوث HC05504-3-5 اتصال ماژول HC05 و RS232524-4 شرح نرﻡﺍفزارهای مورد استفاده534-4-1 Pic C Compiler534-4-1-1 برنامه نويسی ميکروکنترلر544-4-2 Proteus604-4-3 Altium Designer (Protel DXP)614-4-4 TNM Programmer624-4-5 برنامه نويسی آندرويد624-4-5-1 نحوه ارتباط بيسيم سنسور تشنج با گوشی همراه644-4-5-2 نرمال سازی دادﻩها674-4-5-3 ذخيره در پايگاه داده684-4-5-4 استخراج ويژگی ها694-4-5-5 استفاده از مدل SVM در آندرويد744-4-5-6 مکان يابی فرد مصروع با کمک GPS گوشی همراه754-4-5-7 اعلام هشدار (ارسال SMS و ايميل)764-5 خلاصهي فصل79فصل پنجم : داده کاوی805-1 مقدمه815-2 مقايسه حوزه زمان، تبديل فوريه و تبديل ويولت825-2 پيش پردازش دادﻩها835-3 استخراج ويژگی845-3-1 ويژگی ها در حوزه زمان865-3-2 ويژگی ها در حوزه تبديل ويولت955-3-3 انتخاب ويژگی های برتر1035-4 دادﻩکاوی با نرﻡﺍفزار Weka1045-4-1 مقدمه ای بر Weka1045-4-2 انتخاب SVM به عنوان طبقهﺑﻧﺩﻯکننده1055-4-3 طراحی طبقهﺑﻧﺩﻯکننده در Weka1065-5 خلاصهي فصل107فصل ششم : نتيجه گيری و طرح پيشنهادات1086-1 مقدمه1096-2 نتايج1096-3 پيشنهادات براي کارهاي آتي1136-4 خلاصهي فصل115منابع و مآخذ117پيوست الف: datasheet123Abstract135عنوان صفحهجدول 2-1: سنسورهای مورد استفاده در تشخیص تشنج تونیک-کلونیک عمومی17جدول 4-1: پایه های LCD 16x238جدول 4-2: میزان بهره در AD620 با توجه به اندازه مقاومت46جدول 5-1: نتایج حاصل از اعمال SVM با 13 ویژگی106جدول 5-2: نتایج حاصل از اعمال SVM با 7 ویژگی107جدول 5-3: نتایج حاصل از اعمال SVM با 6 ویژگی107 فهرست شکلهاعنوان صفحهشکل 3-1: ساختمان داخلی شتاﺏسنج سه محوره ADXL33526شکل 3-2: مدار پايه برای اندازه گيری ميزان مقاومت پوست28شکل 3-3: طرح مدار اندازه گيری ميزان مقاومت پوست با جزئيات30شکل 4-1: انواع پروتکل های ارتباطی تعريف شده بروی ميکروکنترلر36شکل 4-2: LCD 16x238شکل 4-3: Op-Amp40شکل 4-4: ترمينال های يک Op-Amp40شکل 4-5: ورودی های inverting و noninverting در يک Op-Amp41شکل 4-6: تقويت کننده عملياتی LM358N41شکل 4-7: microSD Module با يک حافظه 32GB42شکل 4-8: مبدل آنالوگ به ديجيتال خارجی ADC0804 با دقت 8 بيت43شکل 4-9: مرجع ولتاژ REF30xx45شکل 4-10: تقويت کننده ابزار دقيق AD62046شکل 4-11: مدار تست AD62046شکل 4-12: توليد کننده ولتاژ متقارن TC766047شکل 4-13: نحوه بستن مدار برای توليد ولتاژ متقارن با TC766047شکل 4-14: ماژول RS23250شکل 4-15: ماژول HC0552شکل 4-16: نحوه اتصال ماژول HC05 و RS23253شکل 4-17: پياده سازی دماسنج LM35 با کمک پروتئوس60شکل 4-18: يک نمونه طراحی PCB با کمک Protel61شکل 4-19: ويولت مادر Haar73شکل 4-20: فلوچارت روند کاری تشخيص تشنج78شکل 4-21: معماری سيستم79شکل 5-1: مجموعه سيگنال ها در سه محور شتاﺏسنج، (الف) تشنج، (ب) دويدن، (ج) بالا رفتن از پله، (د) پياده روی85شکل 5-2: ميانگين سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف87شکل 5-3: واريانس سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف88شکل 5-4: انرژی سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف89شکل 5-5: توان سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف90شکل 5-6: جذر میانگین مربع سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف91شکل 5-7: کشیدگی سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف92شکل 5-8: آنتروپی سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف93شکل 5-9: نرخ عبور از صفر سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف94شکل 5-10: میانگین تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف95شکل 5-11: واریانس تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف96شکل 5-12: انرژی تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف98شکل 5-13: توان تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف99شکل 5-14: جذر میانگین مربع تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف100شکل 5-15: کشیدگی تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف101شکل 5-16: آنتروپی تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف102شکل 5-17: نرخ عبور از صفر تبدیل ویولت سيگنال VM (بالا)، ميانگين سيگنال GSR (پايين) برای سه تشنج مختلف103شکل 6-1: PCB ميکروکنترلر، ADC0804 و ماژول MMC111شکل 6-2: PCB شتاﺏسنج، رسانايی پوست و بلوتوث111شکل 6-3: نصب سنسور تشخِص تشنج بر روی بازو112شکل 6-4: طرح PCB سنسور تشخيص تشنج112 فصل اول : کليات پژوهش 1ـ1 مقدمهوقتي مغز بطور طبيعي كار كند يك سري امواج الكتريكي از خود ايجاد مـﯽنماید كه اين امواج مانند الكتريسيته در مسير اعصاب عبور مـﯽكند. در حالت تشنج يك جرقه الكتريسيته ايجاد مي شود كه اين جرقه و طوفان الكتريكي بسته به محل خود در مغز، علائم، نوع تشنج و صرع را تعيين مـﯽنماید[1]. صرع یا epilepsy در نورولوژی به حالتی گفته می‌شود که شخص، بدون عامل محرک خاصی مثل افت قند خون، تب، کمبود کلسیم و یا مواردی از این دست، مکرراً دچار حملات تشنج شود. در کودکان و افراد جوان، صرع اغلب به ضربه زمان تولد، ناهنجاریﻫﺎﻱ مادرزادی یا اختلالات ژنتیکی تاثیر گذار بر مغز نسبت داده ﻣﯽشود. در افراد میانسال و سالمندان، سکتهﻫﺎﻱ مغزی، تومورها و بیماری عروق مغزی در اغلب موارد علل بروز صرع است[2]. صرع یکی از شایع ترین بیماریﻫﺎی عصبی مهم و خطرناک است، که تقریباً 60 میلیون نفر در جهان (نزدیک به 1٪) درگیر این مسئله هستند و 5/2 میلیون مورد جدید هر سال به این آمار اضافه مـﯽشود. برای 30-25٪ از بیماران، هیچ ترکیب درمانی استاندارد (دارو یا جراحی) برای کنترل تشنج آنها وجود ندارد. این بیماران از صرع مقاوم به درمان یا مقاوم به دارو رنج مـﯽبرند [3][4].در سراسر جهان، 10.5 میلیون کودک زیر 15 سال مبتلا به صرع فعال تخمین زده می شود، که در حدود 25 درصد از جمعیت کل بیماران صرعی می باشند. از 3.5 میلیون نفر که سالانه دچار صرع می شوند، 40 درصد کمتر از 15 سال هستند، و بیش از 80٪ آنان در کشورهای در حال توسعه زندگی می کنند. مطالعات مبتنی بر جمعیت صرع در دوران کودکی نشان می دهد نرخ بروز سالانه 61- 124 نفر در 100000 نفر در کشورهای در حال توسعه، و 41-50 نفر در 100000 نفر در کشورهای توسعه یافته می باشد [5]. صرع شایع ترین اختلال عصبی دوران کودکی است. تقریبا نیمی از موارد صرع در دوران کودکی رخ می دهد.کودکان مبتلا به صرع و والدین آنها با بسیاری از مشکلات اجتماعی و روانی مواجه هستند. مشکلات جامعه پذیری، اضطراب، اختلال شناختی و اختلالات رفتاری به ترتیب در 39.8٪، 45.8٪، 49.4٪، و 42.2٪ کودکان درگیر با بیماری صرع دیده شد [6].طبق آمار رسمی سایت صرع حدود 60 میلیون نفر در جهان مبتلا به صرع هستند که هر سال به طور متوسط بین 125000 تا 150000 به این آمار افزوده می شود و از این تعداد در حدود 30% مربوط به کودکان است. یک نفر از بین 10 نفر، حداقل یکبار در طول زندگی دچار تشنج می شود [7]. آمار افراد مبتلا به صرع در ایران در حدود 1 میلیون نفر اعلام شده است [8].تاکنون روشﻫﺎﻱ درمانی متعددی برای صرع پیشنهاد شده است، که در بیشتر موارد موثر بوده و به قطعیت ﻣﯽتوانند صرع را درمان کنند که در ادامه به آنﻫﺎ اشاره ﻣﯽکنیم. یکی از روشﻫﺎﻱ متداول، داروها هستند، بیش از دهها داروهای ضد تشنج (AEDs[1]) برای درمان صرع در دسترس هستند. این داروها به طور معمول به دنبال جلوگیری از توسعه تشنج با کاهش تحریک عصبی یا افزایش بازدارندگی هستند [9]. در روشی دیگر، افرادی که از نظر پزشکی مبتلا به نوعی از صرع مقاوم هستند، در بعضی موارد ﻣﯽتوانند برای جراحی کاندید شوند، البته اگر صرع آنﻫﺎ از نوع partial باشد. رژیم غذایی کتون زا (توليد كتون‌ها در بدن در اثر اكسيده شدن ناقص مواد آلى مثل اسيدهاى چرب و غيره) یکی دیگر از گزینه درمانی است که عمدتاً در کودکان استفاده ﻣﯽشود. در این شیوه رژیم غذایی با چربی بالا طراحی شده است که تقلیدی از اثرات بیولوژیکی در گرسنگی است، اما مکانیسم دقیق آن در مهار تشنج ناشناخته است [10].اگرچه بیشتر درمانﻫﺎ برای صرع قطعی هستند، اما هنوز هم درصد بسیاری از بیماران هستند که به درمانﻫﺎﻱ دارویی مقاوم بوده و برای عمل جراحی هم نمـﯽتوانند کاندید باشند. نگرانی در مورد آسیب و یا حتی مرگ ناشی از تشنج، زندگی کسانی که قادر به دستیابی به کنترل کامل تشنج نیستند را تحت الشعاع قرار ﻣﯽدهد. علاوه بر این، خطر مرگ ناگهانی در افراد مبتلا به صرع 24 برابر بیشتر در مقایسه با جمعیت عمومی است و پاتوفیزیولوژی مرگ ناگهانی و غیر منتظره در صرع یاSUDEP[2] همچنان نامشخص است [10]. در ابتدا روشﻫﺎﻱ درمانی به طور مختصر معرفی خواهند شد که به صورت داخلی و تحت عمل جراحی صورت ﻣﯽگیرد. و در ادامه روشﻫﺎﻱ خارجی بررسی خواهد شد که با کمک سنسورها علائم حیاتی و تغییرات فیزیولوژیک را اندازه ﻣﯽگیرند، و در پیش بینی صرع از آنﻫﺎ کمک گرفته ﻣﻰشود.از آن جایی که درصد بالایی از بیماران مبتلا به صرع که دچار تشنج تونیک-کلونیک عمومی شدﻩاند، مستعد بروز حمله SUDEP هستند، ضروری است که به مدت طولانی امواج مغزی توسط دستگاه EEG[3] کنترل شود تا از کارکرد درست اعضاء حیاتی بدن مانند قلب (که اختلال در کار آن بیشترین عامل در SUDEP است) اطمینان حاصل کرد. اما اکثر بیماران تمایلی ندارند که به مدت طولانی در بیمارستان تحت مراقبت باشند و از طرف دیگر ممکن است زمانی که حمله اتفاق می افتد تحت مراقبت نبوده و نتوان شدت حمله را ثبت کرد، بنابراین برای بستری کردن بیمار ﻧﻤﻰتوان تصمیم درستی گرفت. این پایاﻥنامه به دنبال روشی هست که بدون دردسر و مشکل برای بیمار، و با استفاده از تکنولوژی موبایل و بیسیم او را در تمام ساعات شبانه روز، بدون بستری شدن در بیمارستان، تحت کنترل داشته باشد.