University of Silesia in Katowice

Artykuły z cyklu „Nauka i sztuka”

System wspomagający rehabilitację czy systemy nawigacji adresowane do osób niewidomych i słabowidzących – to tylko wybrane projekty z zakresu inżynierii biomedycznej realizowane przez interdyscyplinarny zespół działający od roku w Instytucie Informatyki. Grupą kieruje dr Paweł Janik, pracownik Zakładu Komputerowych Systemów Biomedycznych.

Inicjatorem powstania zespołu był prof. zw. dr hab. inż. Zygmunt Wróbel, dyrektor Instytutu Informatyki, który od wielu lat jest propagatorem zastosowań technologii informacyjno-komunikacyjnych w medycynie.
 

Od lewej: prof. zw. dr hab. inż. Zygmunt Wróbel, dyrektor Instytutu Informatyki Uniwersytetu Śląskiego oraz dr Paweł Janik, kierownik zespołu naukowców, pracownik Zakładu Komputerowych Systemów Biomedycznych
Fot. mgr inż. Michał Pielka
 

Zespół tworzą obecnie pracownicy Zakładu Komputerowych Systemów Biomedycznych: dr Paweł Janik, dr Małgorzata Janik i mgr inż. Michał Pielka, a także dr Grzegorz Machnik z Zakładu Modelowania i Grafiki Komputerowej oraz mgr Iwona Polak z Zakładu Systemów Informatycznych.
 

Członkowie zespołu kieorwanego przez dr. Pawła Janika: (od lewej) dr Grzegorz Machnik, mgr inż. Michał Pielka, dr Paweł Janik, mgr Iwona Polak oraz dr Małgorzata Janik
Fot. dr Grzegorz Machnik

Oto przykładowe projekty realizowane przez zespół naukowców z Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach:

System nawigacji budynkowej

Inżynieria biomedyczna jest działem nauki wykorzystującym m.in. nowoczesne technologie informacyjno-komunikacyjne w medycynie. Naukowcy projektują systemy i programują urządzenia ułatwiające codzienną egzystencję osobom z dysfunkcjami oraz wspomagające leczenie pacjentów cierpiących na różne schorzenia. Jednym z proponowanych rozwiązań jest system nawigacji budynkowej korzystający z bikonów, czyli niewielkich nadajników opartych na technologii Bluetooth. Podobne rozwiązania są już wykorzystywane w przestrzeni publicznej, np. w galeriach handlowych, muzeach czy na lotniskach, jednak naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego, co podkreśla dr Paweł Janik, opracowują urządzenia w oparciu o własną, bardziej funkcjonalną i równie skuteczną technologię.

Wyobraźmy sobie zatem, że przy poszczególnych pomieszczeniach w rektoracie Uniwersytetu Śląskiego zamontowany został jeden nadajnik. Każdy, kto miałby przy sobie telefon ze specjalnie zaprojektowaną aplikacją mobilną i znalazłby się w przestrzeni oddziaływania urządzenia, mógłby uzyskać informacje np. na temat numeru pokoju, piętra, działu czy osób w nim pracujących. System ten może służyć m.in. osobom z dysfunkcjami narządu wzroku, ułatwiając im poruszanie się. Jest rodzajem mapy cyfrowej, która nie tylko kieruje takiego człowieka do docelowego miejsca i sygnalizuje, co znajduje się w pobliżu, lecz również informuje o położeniu przedmiotów w tej przestrzeni. – W pewnym sensie telefon komórkowy z aplikacją mobilną spełnia rolę oczu takich osób. Zastosowanie tak zaprojektowanego systemu jest szerokie. Naukowcy mogą bowiem udostępniać za jego pośrednictwem każdy rodzaj informacji w dowolnym miejscu, w którym da się zainstalować bikony. W ten sposób można informować np. o zbliżających się wydarzeniach czy historii miejsc, a także tworzyć przekazy o charakterze marketingowym.

Systemy typu przywoławczego i dostępowego

Celem kolejnego projektu było zaprojektowanie systemów typu dostępowego lub przywoławczego, które mogą być zastosowane na przykład w szpitalach czy ośrodkach medycznych. Obecnie, jak wyjaśnia dr Paweł Janik, występują tam przeważnie stacjonarne systemy typu przewodowego. Alternatywą mogą być rozwiązania oparte na wykorzystaniu technologii mobilnych. – Załóżmy, że pacjent szpitala udaje się na codzienny spacer wokół budynku placówki. Jeśli poczuje się gorzej, może dzięki naszym rozwiązaniom wezwać pomoc z każdego miejsca, w którym się aktualnie znajduje. Nie jest więc przykuty do szpitalnego łóżka. Może się przemieszczać, oczywiście o ile pozwala na to stan jego zdrowia i uzyskał zgodę lekarza prowadzącego – mówi naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego. Mobilne systemy przywoławcze cechują się skutecznością działania. Co więcej, mogą być stosowane nie tylko w palcówkach medycznych, lecz również w restauracjach, hotelach, domach pomocy czy ośrodkach SPA.
 

Dr Małgorzata Janik, Dr Paweł Janik oraz mgr inż. Michał Pielka
w „Laboratorium systemów sterowania i techniki sensorowej”
Fot. mgr inż. Michał Pielka

Wykorzystując podobną infrastrukturę, jak w przypadku systemów przywoławczych, możliwe jest uzyskanie innej funkcjonalności, a mianowicie dystrybucji dostępu. Obecnie większość rozwiązań w systemach dostępowych bazuje na kartach zbliżeniowych uważanych za raczej bezpieczne klucze elektroniczne. Większe możliwości oferują jednak technologie radiowe, które wszakże są łatwiejsze do podsłuchania. Tego typu systemy stosowane są już np. w motoryzacji, dzięki czemu kierowca nie musi posiadać kluczyka. Niestety znane są metody łamania podobnych zabezpieczeń, dlatego opracowywane w Instytucie Informatyki rozwiązania dotyczą nie tylko bazy sprzętowej, ale również algorytmów zabezpieczających system przed nieuprawnionym dostępem. Zastosowanie miniaturowych znaczników radiowych pozwala na uzyskanie dostępu zarówno do pomieszczeń, jak i urządzeń oraz precyzyjne monitorowanie wykorzystania systemu. W przypadku zgubienia znacznika radiowego można skorzystać np. ze smartfona. Został opracowany prototyp systemu dostępowego, obecnie przeprowadzane są jego testy pod kątem zwiększenia poziomu zabezpieczeń.

Monitor snu niemowląt

Zespół dr. Pawła Janika opracował również własną wersję czujnika służącego do monitorowania snu noworodków i niemowląt. – Jeśli taka mała bezbronna istota obróci się na brzuszek, wówczas może dojść do sytuacji, w której nastąpi bezdech, a w jego konsekwencji – śmierć łóżeczkowa. Przyczyną bezdechu niemowlęcego może być też infekcja czy nadmierne oziębienie organizmu dziecka. Dzięki zastosowaniu jednego czujnika na ciele malucha rodzice mogą na czas zareagować, jeśli znajdzie się ono w niebezpieczeństwie – tłumaczy naukowiec. Zespół opracował własną technologię, która gwarantuje skuteczność działania monitora snu, przy czym jej zastosowanie jest szersze. – To od nas zależy, w jaki sposób urządzenie zostanie zaprogramowane. Dzięki temu możemy decydować m.in., jakie parametry życiowe będą przez nie monitorowane. Urządzenie może zatem badać częstotliwość i głębokość oddechu, puls lub zmianę położenia ciała. Nasza technologia sprawdzi się również w monitorowaniu zdrowia osób wymagających stałej opieki lekarskiej, umożliwiając szybszą interwencję lekarza w sytuacji zagrożenia życia czy zdrowia pacjenta i zwiększając tym samym poczucie bezpieczeństwa osób, których parametry życiowe są monitorowane oraz ich bliskich – mówi kierownik zespołu.

System wspomagający rehabilitację

Kolejnym rozwiązaniem, nad którym pracuje zespół dr. Pawła Janika, jest zaawansowany system wspomagający rehabilitację osób zmagających się z różnymi schorzeniami układu ruchu, wykorzystywany w leczeniu chorób o podłożu neurologicznym.

Jednym z elementów urządzenia jest zespół czujników, które umieszczone zostaną na ciele poddawanego fizjoterapii człowieka. Następnie specjalnie zaprojektowane środowisko informatyczne pozwoli odwzorować na ekranie monitora postać – model komputerowy ciała osoby ćwiczącej. Postać ta wykonywać będzie ćwiczenia zaprogramowane i dostosowane do fizjoterapeutycznego planu pacjenta naśladującego jej ruchy. System precyzyjnie odwzoruje zmiany położenia ciała, a osoba ćwicząca w czasie rzeczywistym otrzyma informację zwrotną, czy ćwiczy prawidłowo. – Zastosowane technologie pozwolą ocenić jakość i poprawność wykonywanych ruchów. Dane zapisywane są następnie w pamięci systemu, a pacjent, lekarz i rehabilitant mogą dzięki temu zobaczyć i ocenić postępy rehabilitacji – mówi dr Paweł Janik. Inną formą wykorzystania systemu jest gra rehabilitacyjna. Tego typu rozwiązania są szczególnie atrakcyjne dla dzieci i młodzieży. Sterowanie środowiskiem gry wymuszające określony typ ruchu wprowadza do procesu rehabilitacji różne bodźce i stwarza nowe możliwości zarówno dla pacjenta, jak i specjalisty.
 

Dr Paweł Janik podczas pracy przy układach elektronicznych
Fot. mgr inż. Michał Pileka

System opracowywany jest w oparciu o współpracę ze środowiskiem lekarzy i fizjoterapeutów. Jak wyjaśnia kierownik grupy, jest to szczególnie ważne ze względu na konieczność personalizacji terapii oraz dobór takich parametrów, które okażą się istotne z punktu widzenia postępów w leczeniu pacjenta. W ten sposób poprawiana jest funkcjonalność systemu, co sprawia, że zwiększa się również jego rynkowa konkurencyjność. Obecnie prowadzone są testy nowej wersji czujników o odpowiednich możliwościach transmisyjnych i większej precyzji odwzorowania ruchów osoby rehabilitowanej.

– Jednym z priorytetów działań naszego zespołu jest opracowywanie rozwiązań gotowych do wdrożenia na rynek medyczny. Tworzymy nie tylko własne technologie informacyjno-komunikacyjne czy zabezpieczenia, lecz także projektujemy kształt docelowych urządzeń i przygotowujemy materiały promujące te projekty – podsumowuje dr Paweł Janik.

Autor: Małgorzata Kłoskowicz

Prof. dr hab. inż. Zygmunt Wróbel – kierownik Zakładu Komputerowych Systemów Biomedycznych, od 2012 roku jest dyrektorem Instytutu Informatyki, a wcześniej pełnił funkcję dziekana Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego.

Przedmiotem zainteresowań naukowo-badawczych prof. Zygmunta Wróbla jest komputerowa analiza i przetwarzanie sygnałów oraz obrazów biomedycznych, a także systemów elektronicznych dla inżynierii biomedycznej. Jest on współautorem 37 patentów. Od 2012 roku był uczestnikiem 5 grantów, w tym 2 międzynarodowych.

Pełniąc funkcję recenzenta, dzieli się wiedzą ekspercką w takich jednostkach i instytucjach, jak: Narodowe Centrum Nauki, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Ministerstwo Rozwoju, Polska Agencja Rozwoju Przedsiębiorczości czy Program Operacyjny Polska Cyfrowa. Jest również przedstawicielem UŚ w Radzie Sosnowieckiego Parku Naukowo-Technologicznego.

Prof. dr hab. inż. Zygmunt Wróbel wypromował 12 doktorów w czterech ośrodkach naukowo-badawczych: na Uniwersytecie Śląskim, Politechnice Śląskiej, Śląskim Uniwersytecie Medycznym oraz w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej w Warszawie. Obecnie 8 doktorantów przygotwuje rozprawy doktorskie pod jego kierunkiem.

Dr Paweł Janik jest absolwentem Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. W swojej pracy naukowej zajmuje się opracowywaniem nowych rozwiązań z zakresu technologii komunikacyjno-informacyjnych  oraz techniki sensorowej pod kątem zastosowań w inżynierii biomedycznej. Jest on również recenzentem w kilku periodykach o zasięgu międzynarodowym oraz współautorem kilku patentów dotyczących rozwiązań  m.in. z biomechaniki i elektroniki.

Od 2012 roku był uczestnikiem 2 międzynarodowych grantów, projektów stażowych, a obecnie pełni funkcję kierownika grantu realizowanego pod kątem wdrożeniowym. Koordynuje ponadto współpracę pomiędzy kilkoma przedsiębiorstwami a Uniwersytetem Śląskim. Został powołany na członka Komisji Rektorskiej ds. Własności Intelektualnej na kadencję 2016–2020. Aktywnie współpracuje ze spółką celową Uniwersytetu Śląskiego – SPIN-US oraz Biurem Współpracy z Gospodarką.

Pisali o tym:

• www.pap.pl – „Czujnik na masce tlenowej pozwoli monitorować oddech podczas snu” (27 grudnia 2017 roku),

• www.pap.pl – „Naukowcy z UŚ chcą stworzyć grę rehabilitacyjną opartą na wirtualnej rzeczywistości” (29 grudnia 2017 roku),

• www.teleexpress.tvp.pl – „Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego pracują nad rehabilitacyjną grą wirtualną” (4 stycznia 2018 roku, materiał dostępny od 9 min 50 sek.),

• www.katowice.tvp.pl – „Wirtualna rehabilitacja – innowacyjny pomysł naukowców” (4 stycznia 2018 roku),

• https://obpon.pl – „Chcą stworzyć grę rehabilitacyjną opartą na wirtualnej rzeczywistości” (4 stycznia 2018 roku),

• www.farmacjapraktyczna.pl – „Naukowcy z Katowic tworzą grę rehabilitacyjną” (7 stycznia 2018 roku).