Akıllı Stetoskop Hayat Kurtaracak!

Dünya çapındaki çoğu insan zatürre nedeniyle hayatını kaybetmekte. Bunun sebebi ise zatürre teşhisini sağlayan tanı sistemlerinin yetersiz olması. Akıllı stetoskop, düşük maliyeti ve kolay kullanımı sayesinde tüm ülkelere bu konuda ümit vaat ediyor. Detaylar yazımızda.

A- A+

12.02.2019 tarihli yazı 7039 kez okunmuştur.

Akıllı Stetoskop Zatürre Sağlık Stetoskop Tanı Desibel WHO

Standart stetoskoptan duyulan ses, solunum seslerini ortam gürültüsü ile karışık olarak iletir. Geliştirilen Johns Hopkins akıllı stetoskopu ise solunum seslerini izole etmek için aktif akustik filtreleme kullanır. Araştırmacılar, deneyler için laboratuvarda son derece gürültülü bir ortam oluşturdular (70 dB). Bu ortamda standart stetoskoptan duyukları ses ile John Hopkins akıllı stetoskobunundan duydukları sesi karşılaştırdılar.

Zatürre Teşhisinde Karşılaşılan Zorluklar

Dünya çapında, bir çok çocuk zatürre ve diğer akciğer rahatsızlıklarından ölmektedir. Bu akut solunum yolu enfeksiyonları, HIV ve sıtmadan daha fazla ölüme neden olmaktadır. Ancak, insanların yüzde 5'inden azı, zatürre teşhisi için altın standart olarak kabul edilen X-ray görüntülemeye erişime sahiptir. Dahası, ulaşımın pahalı ve yolların kötü olduğu yerlerde yaşayan birçok hasta çocuk kliniğe gidemiyor. Örneğin , pnömoni ölümlerinin yaşandığı Sahra altı Afrika'da, pnömoni semptomları olan beş çocuktan sadece ikisi profesyonel tıbbi bakım görmekte.

► İlginizi Çekebilir : Biyosensör Hastalık Tanısını Kolaylaştıracak

Bu solunum hastalıklarının tedavisinde kullanılmak üzere, Dünya Sağlık Örgütü, kaynakları sınırlı olan ülkeler için stratejiler geliştirmiştir. Lakin bu stratejiler, hastalığın teşhisi için gelişmiş teknolojik yöntemler kullanmaz. Bunun yerine sadece nefes darlığı, öksürük ve hızlı solunum semptomlarına dayanarak hastalık tanısı koyar ki, bu da yanlış tanıya neden olabilir. WHO, bu semptomları olan tüm çocuklar için antibiyotik tedavisi önermektedir. Bu yaklaşım toplumlara gereksiz maliyetler getirir. Çünkü zatürre nedeniyle tedavi gören çocukların yarısı gerçekten zatürre değildir. Üstelik bu yaklaşım, gereksiz ilaç kullanımı sebebiyle antibiyotiğe karşı dirençli bakterilerin artmasına neden olur.

Standart Stetoskoptan Akıllı Stetoskoba Geçiş

Standart stetoskobun bazı sınırlamaları vardır. En iyi tanı için, kullanıcı sessiz bir ortamda olmalıdır, çünkü arka plan gürültüsü akciğerlerden gelen ince sesleri kolayca maskeleyebilir. Doktor, aleti, vücuda düzgün bir şekilde yerleştirmeli ve sesleri yorumlama konusunda iyi olmalıdır. Bunu iyi yapabilmek ise zaman ve rehberlik gerektirir; hatta uzmanlar bile bazen duydukları ses hakkında tereddüt ederler. Bu nedenle önde gelen doktorların bile stetoskop kullanımlarını, göğüs röntgeni gibi diğer tekniklerle tamamlamayı tercih etmelerinin nedeni budur.

Bilim insanları standart stetoskobun düşük maliyetinden ve kullanım kolaylığından faydalanmak istediler. Bu nedenle stetoskobu geliştirmeye karar verdiler. Öncelikle stetoskopun sınırlamalarının üstesinden gelip gelemeyeceklerinin araştırdılar. Johns Hopkins Üniversitesi'nde mühendisler, yeni yaklaşımlarında, ses yakalama için dijital algılama teknolojisini, gürültüyü önlemek için aktif akustik filtrelemeyi ve doğru pnömoni teşhisi için de yapay zekayı kullandılar.

Stetoskobun Çalışma Tekniği

Klasik bir stetoskobun işleyişi şöyledir: Vücuttaki bir organ tarafından üretilen ses stetoskobun diyaframına çarpar. Diyafram, ortam şartlarından yalıtılmış bir zardan oluşur. Dokundurulan yüzeyden gelen ses dalgaları veya titreşimleri, bu zarı titreştirir. Zar, konik parça içindeki havaya baskı uygular ve akustik titreşim, elastik boru veya tüpten geçerek kulaklığa ulaşır. Kulaklıktaki uygun parçalar, sesi kulağa ulaştırır. Stetoskop, ses alımını ve kullanıcının kulaklarına iletmeyi en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmış olsa da, ses seviyeleri oldukça düşüktür.

Daha modern elektronik stetoskoplar, akustik(ses) titreşimlerini cihazda işlenebilecek elektrik sinyallerine dönüştürür. Bu elektriksel sinyallerin yükseltgenmesiyle ses seviyesi yükseltilir. Göğüs parçasının her iki tarafında birer elekriksel aygıt bulundururlar. Bu aygıt, akustik sinyalleri elektriksel sinyallerine dönüştürür. Bu dönüşümü yaparken de gürültü veya bozulmaları minimuma indirir.

Akıllı Stetoskobun Özelikleri

Johns Hopkins cihazı şu anda piyasada bulunan elektronik bir stetoskop. Farklılığı, donanımıyla başlar: Göğüs parçası, dönüştürücü dizilerle doludur. Bu sayede tüm aktif alan üzerinde eşit bir hassasiyet elde eder ve göğüs parçası tam olarak doğru yere yerleştirilmediğinde bile güçlü bir sinyal verir; bu da eğitimsiz kullanıcılara büyük bir yardım sağlar. Araştırmacılar, bu yaklaşımlarında Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) içeren çeşitli transdüserleri denediler. Bu transdüserler sayesinde çok sayıda mikrofon küçük bir alana yerleştirilebilir. Bunun yanında cildin akustik özellikleriyle eşleşen nano lifli materyaller içerirler. Böylece sinyal kaybını sınırlandırırlar.

Bir stetoskopun faydalı olması için, gürültüyü azaltmak son derece önemlidir. Klasik stetoskoplarda, çevresel gürültü sinyali, stetoskobun bazı kısımlarında bozulma oluşturur; göğüs parçasında, lastik hortumunda ve kullanıcının kulağında. Johns Hopkins tasarımı ise güçlü bir sinyal için şu teknikleri uygular : Hastanın gövdesi ile göğüs parçası arasındaki bağlantıyı iyileştirir, lastik hortum yerine bir elektrik kablosu kullanır ve dijital gürültü kontrol tekniklerini kullanarak gürültüyü azaltır. Ayrıca, ortam seslerini toplamak için göğüs parçasında harici bir mikrofon bulundurur. Bu mikrofondan alınan verilerdeki sinyaller analiz edilerek, gürültüyü azaltmak için kullanılır.

► İlginizi Çekebilir : Elektriksel Gürültüyü Durdurmanın 4 Pratik Yolu

Stetoskop işlevini , bir işletim sistemi görevi gören yerleşik bir mikroişlemci sayesinde yerine getirir. Mikroişlemci sayesinde,cihazı farklı ihtiyaçlara göre uyarlamak için çeşitli uygulamalar geliştirilmesini sağlar.

Stetoskobun Temel Sorunu Gürültü

Dış gürültüyü azaltmak karmaşık bir konudur. Normal nefes almanın yarattığı sinyal desenini tanıyan ve her şeyi filtreleyen gürültü engelleyici yazılımı tasarlamak oldukça kolaydır. Ancak pnömoni gibi patolojik koşullar, filtreyi iptal eden anormal sinyal örüntüleri yaratır, bu da hastalığın tanısıyla ilgili kritik bilgileri kaldırabilir. Örneğin, bir çocuk hırıldadığında, normal solunum sesleriyle birlikte ıslık sesleri de üretebilir. Bunun gibi anormal kalıpları korumaya çalışmak ortamdaki gürültüyü koruyabilir. “De-noising(gürültü çıkarma)” algoritması ortam gürültüsüyle bu ıslığı karıştırmaz. Ekip, bu yeni yaklaşımı ile hastanın akciğerlerinden gelen sinyalin bütünlüğünü korurken istenmeyen gürültüyü bastırmayı hedeflemekte.

► İlginizi Çekebilir : Frekans Kontrol Yöntemleri

Araştırmacılar, gürültü engelleme algoritmasını tasarlarken, iki zorluğu göz önünde bulundurdular.Bunlardan ilki,akciğerin olası hastalıkları gösteren,tahmin edilemez ve düzensiz sesleridir.İkincisi ise,yoğun bir klinikteki değişken seslerdir.Bunlara ek olarak stetoskopun kendisinin hareketleri de elektronik gürültü üretebilir.

Bu sebeplerden dolayı, ekip, ses kullanan bir gürültü engelleme algoritması oluşturdu. Bu algoritma,hem akciğer seslerini hem de harici mikrofon tarafından kaydedilen ortam seslerini analiz eder ve ses spektrumundaki frekanslarına bakar. Ardından, algoritma iki sinyali izlerken, gürültüyü iptal etmek için gürültünün spektral yayılımdaki derecesini uygular.

Mühendisler, ses yazılımını, vücudun diğer kısımlarından gelen yabancı seslerle başa çıkacak şekilde genişletti. Örneğin, bir sağlık çalışanı hastanın ciğerlerini dinlemeye çalıştığında, atan bir kalbin sesi akciğer seslerini maskeleyebilir. Pulmonologlar, kulaklarını kalp atışını görmezden gelmek ve solunum düzenlerine odaklanmak için eğitirler. Bu nedenle, ekip, algoritmaya buna benzer bir eğitim verdi. Uygulama, kullanıcıya akciğerlerden saf ve girişimsiz sinyal sağlamak için kalp atışı sesini algılar ve bu sesi iptal eder.

► İlginizi Çekebilir : Elektronik Filtreler 1. Bölüm

Geriye kalan, yalnızca hastanın akciğerlerinden gelen sesleri içeren net bir ses sinyali. Bu zarif sinyal ile hem dinleyici hem de stetoskop yazılımı, zatürre belirtilerini belirleyebilir.

► İlginizi Çekebilir : PWM (Sinyal Genişlik Modülasyonu) Tekniği Nedir?

Bu uygulama, pnömoni vakalarını otomatik olarak tarar, özellikle akciğerlerde sıvı ve iltihaplanmaya işaret edebilecek hırıltılı veya çatırtı seslerini arar. Bu uygulamada kullanılan yapay zeka yaklaşımı, hem genel ses sinyalini hem de bu ses sinyallerinin spesifik özelliklerini analiz eden beynin işitsel sisteminden ilham aldı. Beyin, en fazla işlem gücünü, zamanla değişen frekanslara ve durumla en alakalı olduğuna karar verdiği frekanslara ayırır. Örneğin, gürültülü bir kokteyl partisindesiniz. Önünüzdeki kişi tarafından konuşulan kelimelere odaklanmak için arka plandaki sesleri nasıl görmezden gelebileceğinizi düşünün. Aynı şekilde bu uygulama akciğer sesini gürültüden arınmış bir halde analiz eder. Bunu yaparken, tüm sinyali alır, ancak bir pnömoni vakasını gösteren spesifik modülasyonları sıfırlar.

Akıllı Stetoskop Üzerinde Yapılan Denemeler

Araştırmacılar, uygulamayı eğitmek için makine-öğrenme yaklaşımı kullandı. Bu nedenle algoritmaya çok sayıda veri yükledi ve bu veriler arasından en kullanışlı olanlarını seçmeleri için eğitti. Algoritma, beş Afrika ülkesinden ve iki Asya ülkesinden yaklaşık 1.500 hastanın kayıtlı veri tabanı üzerinde test etti. Yapay zeka özellikli uygulamanın, sağlıklı insanları zatürre olanlardan yüzde 87 kesinlikle otomatik olarak ayırabildiği tespit edildi. Ekip, bu algoritma üzerinde çalışmaya devam etmekte ve makine öğrenme teknikleriyle, algoritmanın performansını arttırmayı hedeflemektedir.

Kırsal kliniklerdeki sağlık çalışanları, internete erişimi olmasa bile akıllı stetoskopu kullanabilir. Üstelik akıllı stetoskopun ilk sürümünden sonra (gürültü engelleme ve dinleyiciye akciğerlerden net bir sinyal vermede etkili olduktan sonra) Johns Hopkins araştırmacıları, LED ekran içeren sürümü geliştirdiler. Araştırmacılar, stetoskobun son sürümünün, Bluetooth üzerinden kullanıcının telefonuna veya tabletine bağlanacağını öngörmekte. Bütün bunlar sayesinde kullanıcı, teşhis hakkında daha fazla bilgi edinebilecek, akciğer ses sinyalini görselleştirebilecek ve kaydedilmiş sesleri tekrar dinleyebilecek.

► İlginizi Çekebilir : Kuantum Nokta Ekran Nedir?

Uygulamanın Faydaları ve Gelecekteki Planlar

Akıllı stetoskop programlanabilir bir platforma sahip olduğundan, mühendisler, ek uygulamalar geliştirmek için çalışmakta. Böylece uygulama, kalp yetmezliği ve çeşitli bağırsak bozukluklarının teşhisinde faydalı olabilecek. Bu nedenle mühendisler, eğitim verileri toplamak ve tasarım algoritmaları oluşturmak için kardiyologlar ve gastroenterologlarla birlikte çalışmalar yapmakta.

Günümüzün elektronik stetoskopları yaklaşık 500 dolara mal oluyor ve bu da gelişmekte olan dünyadaki birçok ülke için oldukça pahalı. Johns Hopkins’in, düşük gelirli topluluklar için faydalı olacağı umut ediliyor. Çünkü elektronik bileşenlerinin uygun fiyatlı ve güç maliyetinin düşük olması önemli ölçüde ucuz olmasını sağlar.

Şu anda, stetoskop saha testlerinden geçmekte. Peru, Bangladeş ve Malavi'deki klinik çalışanları, Johns Hopkins'i denemekte. Bu test ve validasyon çalışmaları, stetoskobun, gürültülü ortamlarda ne kadar iyi çalıştığını ve pnömoni tanısının ne kadar doğru olduğunu çeşitli hastalar üzerinde değerlendirmektedir. Bu çalışmaların içeriği şöyledir; Sinyal ölçümleri kullanılarak akciğer sesleri teşhis edilir. Bu teşhisler göğüs röntgenleri ile yapılan teşhisler ve pulmonoloji uzmanlarının dinleme değerlendirmeleri ile karşılaştırılarak doğrulanır.

Araştırmacılardan bazıları prototipi ticari bir ürüne dönüştürmek için Sonavi Laboratuarını kurdular. Sonavi Laboratuarlarının görevi, hastalık teşhisinde akciğer seslerini etkili bir şekilde kullanan modern tıbbi cihazlar geliştirmek. İlk ürünleri olan Feelix ve FeelixPro adlı dijital stetoskoplar, 2019 yılının başlarında piyasaya sürülmeye başlandı.

Bilim insanları, yeniden yapılandırılan bu uygulamanın, küresel sağlık krizinde fark yaratacağını ümit etmekte. Ayrıca ekip,çalışmalarını, yüzbinlerce hayatın kurtarılması için büyütmeyi hedeflemekte.

Kaynak :

►spectrum.ieee.org