Oscilloscope with the Android Operating System

Bakalářská práce se zabývá návrhem digitálního osciloskopu pomocí vývojové platformy Arduino Mega ADK. V teoretické části práce jsou rozebrány základní parametry digitálních osciloskopů, typy vzorkování a obecné vlastnosti A/D převodníků. Práce se dále zabývá popisem vývojové platformy Arduino Mega ADK. Praktická část práce popisuje jednotlivé kroky realizace osciloskopu. Od obecného návrhu přechází v konkrétní popis řešení softwaru a hardwaru. Software se skládá ze dvou navzájem komunikujících programů. První, program mikrokontroléru, obstarává akvizici dat. Druhý slouží k vykreslení měřených průběhů na obrazovku počítače. Hardware přeřazený platformě Arduino Mega ADK vhodně upravuje vstupní měřený signál pro účely měření. Ve výsledcích jsou zhodnoceny průběhy a parametry vytvořeného osciloskopu, které byly otestovány pomocí funkčního generátoru.Bachelor thesis deals with the design of digital oscilloscope using the Arduino development kit. The theoretical part of the thesis discusses the basic parameters of digital oscilloscopes, sampling types and general characteristics of A/D converters. The thesis further focuses on the description of the development platform Arduino Mega ADK. The practical part describes the steps in the implementation of the oscilloscope. The general design transfers to a specific description of software and hardware solutions. The software consists of two mutually communicating programs. First, program of the microcontroller performs data acquisition. The second is used to render the measured waveforms on the computer screen. Hardware appropriately adjusts the measuring signal for measurement purposes befor Arduino Mega ADK platform. In the results the evaluation of the created oscilloscope waveforms and parameters is given tested by using a function generator.

Integration and testing of a real time processing unit for lung simulation

Aktivní mechanický plicní simulátor (iLung) nabízí možnost simulace lidského dýchání. Cílem této práce je implementovat a otestovat řídící a akviziční systém cRIO pracující v reálném čase, jako řídící jednotku simulátoru. Výsledné propojení obou zařízení je zdokumentováno ve formě tabulek a původních osazovacích výkresů, které jsou doplněny o popis funkce každého pinu. Významného zlepšení bylo dosaženo laděním motoru a modifikací proporcionálně-integračního regulátoru v řídícím programu. Tyto modifikace mají za následek významné snížení oscilací v okolí nuly. Pro zvýšení využitelnosti a přístupnosti simulátoru byl vytvořen uživatelský manuál a s ním související laboratorní cvičení. Validace funkce implementované řídící jednotky nebyla omezena pouze na jednoduché testovací rutiny, ale rozšířena na testování funkce simulátoru jako celku. Měření na simulátoru byly porovnány a diskutovány s klidovým spirometrickým vyšetřením 20ti probandů. Měření prokázala velkou míru podobnosti mezi simulovaný dýcháním iLung a klidovým lidským dýcháním.An active mechanical lung simulator (iLung) provides the possibility of simulating human breathing patterns. The aim of this thesis is to implement and test an real time embedded control and acquisition system cRIO as iLung control unit. Resulting connections are documented in tables and also by labelling assembly drawings with corresponding pin functions. One of the major improvements was made by tuning the motor and modifying the proportional-integral controller in the software. Those modifications resulted in significantly reduced motor oscillations around zero value. In order to increase usability and accessibility of the simulator a user manual and corresponding laboratory experiment were additionally created. The Validation of cRIO implementation was not limited to simple testing routines, but also extended on testing the simulator as a whole functioning unit. The results of simulator based measurements were compared and discussed to the spirometry measurements, taken from 20 subjects. Measurements showed a high degree of similarity between breathing patterns simulated by iLung and normal human breathing supporting the possibility for further research applications.

Electro-mechanical Lung Simulator Using Polymer and Organic Human Lung Equivalents for Realistic Breathing Simulation

Simulation models in respiratory research are increasingly used for medical product development and testing, especially because in-vivo models are coupled with a high degree of complexity and ethical concerns. This work introduces a respiratory simulation system, which is bridging the gap between the complex, real anatomical environment and the safe, cost-effective simulation methods. The presented electro-mechanical lung simulator, xPULM, combines in-silico, ex-vivo and mechanical respiratory approaches by realistically replicating an actively breathing human lung. The reproducibility of sinusoidal breathing simulations with xPULM was verified for selected breathing frequencies (10-18 bpm) and tidal volumes (400-600 ml) physiologically occurring during human breathing at rest. Human lung anatomy was modelled using latex bags and primed porcine lungs. High reproducibility of flow and pressure characteristics was shown by evaluating breathing cycles (n(Total) = 3273) with highest standard deviation vertical bar 3 sigma vertical bar for both, simplified lung equivalents (mu(V) = 23.98 +/- 1.04 l/min, mu(P) = -0.78 +/- 0.63 hPa) and primed porcine lungs (mu(V) = 18.87 +/- 2.49 l/min, mu(P) = -21.13 +/- 1.47 hPa). The adaptability of the breathing simulation parameters, coupled with the use of porcine lungs salvaged from a slaughterhouse process, represents an advancement towards anatomically and physiologically realistic modelling of human respiration

MODELLING OF THE HUMAN RESPIRATORY SYSTEM FOR CLINICALLY RELEVANT APPLICATIONS

Rostoucí výskyt respiračních onemocnění zatěžuje světovou populaci a je hnací silou významného vědeckého pokroku v oblasti výzkumu respiračního systému člověka. Vyvíjejí se různé modely lidského dýchacího systému, které rozšiřují znalosti a umožňují studium specifických výzkumných otázek. Cílem této práce je zavedení fyzikálního modelu lidského dýchacího systému (xPULM™), který představuje inovativní přístup k modelování vlastností dýchacího systému. K dosažení tohoto cíle byly zkoumány tři klinicky relevantní aplikace, a to (i) simulace dýchání, (ii) testování interakce pacienta s ventilátorem a (iii) aerosolové podávání léčiv. Byly vyvinuty měřicí sestavy umožňující testování a vyhodnocení každé aplikace. Tento proces zahrnoval mimo jiné výrobu fyzikálního modelu horních cest dýchacích člověka a integraci optického aerosolového spektrometru. Hlavní zjištění pro jednotlivé aplikace jsou následující. Zaprvé se ukázalo, že simulace dýchání spolehlivě zachycuje změny průtoku a tlaku pro řadu dechových objemů a frekvencí a že je reprezentativní pro lidské dýchání. Možnost použití ekvivalentů plic na polymerní nebo organické bázi je jedinečná a umožňuje znázornit procesy přirozeně probíhající během lidského dýchacího cyklu. Za druhé byl zaveden nový přístup k testování interakcí mezi pacientem a ventilátorem. Výsledky ukazují, že při použití simulátoru k reprezentaci pacienta podstupujícího asistovanou mechanickou ventilaci lze vyvolat různé asynchronní reakce. Zatřetí, během simulací nádechu a výdechu lze experimentálně vyhodnotit početní koncentraci a distribuci velikosti aerosolových částic generovaných běžně používanými inhalátory suchého prášku. Tento přístup navrhuje alternativu k pokusům na zvířatech vhodnou pro aplikace ve výzkumu aerosolů. Práce obsahuje původní výzkum, který byl prezentován na mezinárodních konferencích a publikován ve třech časopisech s impakt faktorem. Výsledky této práce umožňují další pedagogickou a výzkumnou činnost v oblasti výzkumu dýchacích cest

Patient-Ventilator Interaction Testing Using the Electromechanical Lung Simulator xPULM (TM) during V/A-C and PSV Ventilation Mode

During mechanical ventilation, a disparity between flow, pressure and volume demands of the patient and the assistance delivered by the mechanical ventilator often occurs. This paper introduces an alternative approach of simulating and evaluating patient-ventilator interactions with high fidelity using the electromechanical lung simulator xPULM (TM). The xPULM (TM) approximates respiratory activities of a patient during alternating phases of spontaneous breathing and apnea intervals while connected to a mechanical ventilator. Focusing on different triggering events, volume assist-control (V/A-C) and pressure support ventilation (PSV) modes were chosen to test patient-ventilator interactions. In V/A-C mode, a double-triggering was detected every third breathing cycle, leading to an asynchrony index of 16.67%, which is classified as severe. This asynchrony causes a significant increase of peak inspiratory pressure (7.96 +/- 6.38 vs. 11.09 +/- 0.49 cmH(2)O, p < 0.01)) and peak expiratory flow (-25.57 +/- 8.93 vs. 32.90 +/- 0.54 L/min, p < 0.01) when compared to synchronous phases of the breathing simulation. Additionally, events of premature cycling were observed during PSV mode. In this mode, the peak delivered volume during simulated spontaneous breathing phases increased significantly (917.09 +/- 45.74 vs. 468.40 +/- 31.79 mL, p < 0.01) compared to apnea phases. Various dynamic clinical situations can be approximated using this approach and thereby could help to identify undesired patient-ventilation interactions in the future. Rapidly manufactured ventilator systems could also be tested using this approach