Stage- of afstudeeropdrachten voor toekomstige technici (MTS, TH, Universiteit)
met belangstelling voor wiskunde en/of programmeren (en één voor rubberverwerking)
 in een ziekenhuis omgeving

Dr. Ir. Bob Kemp
Slaapcentrum, MCH Westeinde Ziekenhuis, Den Haag
Neurologie, Leids Universitair Medisch Centrum


Hersenanalyse omzetten in open-source (universiteit, TH: wiskunde, programmeren).
Voor de diagnostiek van slaapstoornissen en epilepsie wordt hersenaktiviteit (EEG) geanalyseerd.  Het EEG is een ruisachtig signaal. Bij bepaalde hersentoestanden zoals bvb lichte slaap worden bepaalde frekwentiebanden in dit signaal sterker.  Dat komt doordat de hersencellen gekoppeld raken en aldus oscillatielussen vormen.  De meest voor de hand liggende EEG analyse bestaat dan ook uit het meten van de gain van deze neuronale lussen. De theorie van de analyse staat in een artikel van mijn hand. Er is een praktische implementatie in closed-source software.
        De opdracht is het implementeren van de analyse als een gezond open-source projekt.  Goede ondersteuning bij de theorie (het artikel) en de broncode van de huidige implementatie zijn beschikbaar.

Een bifilaire ademhalingsband: siliconenrubber (MTS, TH: rubber doteren en vormen).
Veel informatie over slaap en slaapverstoringen kan worden verkregen door het meten van de ademhaling. Commerciëel verkrijgbare sensoren die de ademhalingsbeweging van buik en borstkas meten, zijn onnauwkeurig, onhygiënisch of te gevoelig voor elektrische stoorvelden van buitenaf. Een prototype gebaseerd op een snoer van met grafiet gedoteerd siliconenrubber blijkt zeer nauwkeurig en hygiënisch. De opdracht bestaat uit het ontwikkelen van een bifilaire versie op basis van zeer elastich siliconenband o.i.d. Hiervoor is nodig kennis van materialen zoals rubbers. Verder moet u toegang hebben tot mechanische faciliteiten om deze materialen te kunnen verwerken.

Synchronisatie van videobeeld en EEG (TH: programmeren).
Voor de diagnostiek van sommige neurologische en slaapstoornissen wordt simultaan hersenaktiviteit (EEG) en videobeeld geregistreerd. Voorbeelden bij ons zijn epilepsie en 'werkelijke' dromen. De geregistreerde files moeten synchroon weer worden afgespeeld.  De EEG afspeler is in eigen beheer gebouwd en kan al datum en kloktijd uitwisselen.  De binnen deze opdracht te programmeren videospeler moet eveneens datum en kloktijd kunnen uitwisselen. De opdracht bestaat uit het  programmeren van een videospeler die zich aanpast aan de datum en tijd van de EEG speler en tevens zelf de datum en tijd weergeeft. Als er tijd over is, kan worden gewerkt aan het koppelen van video-  en EEG recorder aan dezelfde PC klok.

Een breinsimulator in open-source (TH, universiteit: wiskunde, programmeren).
Voor de diagnostiek van slaapstoornissen en epilepsie wordt hersenaktiviteit gemeten (EEG).  Het EEG is een ruisachtig signaal. Bij bepaalde hersentoestanden zoals bvb lichte slaap worden bepaalde frekwentiebanden in dit signaal sterker.  Dat komt doordat de hersencellen gekoppeld raken en aldus oscillatielussen vormen. De opdracht bestaat uit het programmeren van de ruisgenerator en deze lussen (resonantiefilters) zodat het programma een EEG simuleert. De uitvoer is zowel grafisch als in een EDF file.

Luisteren naar hersensignalen (TH: programmeren).
Een electroencephalogram (EEG) bevat allerlei frekwenties tussen 1 en 30Hz. Die frekwenties zijn amplitude-gemoduleerd. Bvb 14Hz 'slaapspoelen' komen enkele keren per minuut gedurende ca 1s voor en hebben dan een amplitude die afhangt van de slaapdiepte. Het 10Hz alfa-ritme komt steeds enkele seconden voor tijdens Waak en Droomslaap. Zo zijn er diverse frekwenties die deels gelijktijdig voorkomen allemaal weer een andere betekenis hebben. Het op het oog beoordelen van die frekwenties in het EEG is dan ook moeilijk.
        Met Fourieranalyse kun je de verschillende frekwenties beter uit elkaar houden. Echter, Fourieranalyse is niet geschikt voor de detectie van kortdurende frekwenties zoals bvb de 14Hz slaapspoelen. Omdat ze maar 1s duren en maar een paar keer per minuut voorkomen verdwijnt hun bijdrage aan het powerspectrum in de achtergrondruis van het EEG. Fourieranalyse heeft ook veel last van storingen in het EEG, bvb doordat de elektrode beweegt als de patient zich eens lekker omdraait.
        Een alternatief is het gewoon luisteren naar het EEG. Ons gehoor bevat namelijk een erg gevoelige en flexibele frekwentie-analysator. We hebben dus een prototype Delphi Pascal programma gemaakt dat de EEG signalen 200x versnelt tot hoorbare signalen in een WAV file. Zo kun je in een paar minuten een hele nacht slaap langs horen komen.
        Het is al gebleken dat we de slaapspoelen,  alfa en meer komponenten goed met het oor kunnen herkennen. Echter, de elektrodestoringen gooien ook hier roet in het eten. Vooral korte harde 'knallen' door een bewegende elektrode of door een korte spiertrekking 'slaan het oor dicht' zodat je al gauw 5s (dus realtime een kwartier) niets meer hoort.
       De opdracht is om een filter te ontwerpen en te implementeren dat de knallen detecteert en verwijdert. Verder moet de user-interface van het Delphi programma worden verbeterd.


Voor alle opdrachten geldt:
        De projecten worden uitgevoerd bij u thuis en/of  in het ziekenhuis in Den Haag of Leiden. Ontwikkelfaciliteiten en een testomgeving zijn voorhanden. Het betreft projecten waaraan wij grote behoefte hebben, dus u krijgt goede begeleiding. U heeft dagelijks contact met de informaticus en/of de elektronicus van de afdeling, nu en dan ook met de medisch fysicus. Verder bent u bij onze laboranten van harte welkom om op de afdeling met de medische onderzoeken mee te kijken. De periode is in overleg. 

Belangstelling? Mail dan Bob Kemp



Voltooide opdrachten (we hebben een pauze gehad vanaf 2006).

Rob van den Bogert, TH-E Rijswijk, najaar 2005: automatische DVD archivering.
Om een slaapstoornis te diagnosticeren worden gedurende 40-50 uur biologische signalen geregistreerd, zoals EEG, EMG, EOG, ECG, ademhaling, lichaamsbewegingen, lichaamstemperatuur, enzovoorts. Éen zo'n registratie is 100-200MByte groot. Alle registraties werden automatisch gearchiveerd op CD. Door de enorme toename van het aantal registraties en de grootte ervan was de grens bereikt van het aantal mogelijke CD’s wat er per dag gebrand kan worden: het ging inmiddels om meer dan 1000GByte per jaar. Er was dus dringend behoefte aan een nieuw (Delphi Pascal) programma dat het mogelijk maakt om in plaats van op CD nu op DVD te gaan archiveren. Tevens moest het programma onafhankelijk worden van software van derden.
            Rob heeft de volgende opdracht uitgevoerd:
- bestuderen van de al aanwezige (commerciële) software bibliotheek voor het branden van CD’s en DVD’s
- implementatie van het schrijven van een CD/DVD met signaalregistraties
- bouwen van een interface met de verschillende registratie databases (Access, DBase)
- maken van programma dat volautomatisch controleert of er genoeg nieuwe signaalregistraties zijn om een CD/DVD te vullen, de CD/DVD te branden (in 2-voud i.v.m. dubbele archivering), de registratie databases bijwerkt en bovendien een label uitprint met de inhoud van de CD/DVD.
          De software is binnen een maand in de routine gebracht en functioneert prima.

Remco Twelkemeier, TH-E Rijswijk, voorjaar 2005: snurkmicrofoon.
Dit is een vervolg op de opdracht van Frank Groneman in de zomer van 2004. Remco heeft de schakeling opnieuw ontworpen en daarmee een veel betere signaalkwaliteit gerealiseerd. Verder is het systeem geminiaturiseerd (ca 3x3x1cm) en het stroomverbruik is terug gebracht tot 2mA. Verder heeft Remco een eenvoudige en praktische dB(A) calibratie ontworpen en gebouwd. De snurkmeter en calibratie zijn nu klaar om in de praktijk getest te worden.

Martijn Kirsten, TH Rijswijk, najaar 2004: artefactrejectie om EEG te beluisteren.
Dit is een vervolg op de opdracht van Enver Liew uit het voorjaar van 2003. De impressie die een in WAV omgezet EEG maakt, wordt sterk overheerst door korte maar harde stoorpieken in het EEG. Deze pieken worden meestal veroorzaakt door bewegingen en spieraktiviteit. Deze artefacten moeten worden gedetecteerd en het EEG ter plaatse moet worden vervangen. Martijn heeft een handige interface gemaakt die een bestaand artefact detectie algoritme toepast op een EEG in het standaard EDF formaat en het EEG kan vervangen door 'iets anders'. Door wát, is nog niet duidelijk. Wordt vervolgd.

Frank Groneman, HTS Amsterdam, EL, zomer 2004: snurkmicrofoon.
Één van de meest storende parasomnieën is het snurken. Het verstoort de slaap van de partner, soms van de buren en zelfs de snurker zelf. Er bestaan allerlei therapieën. Om na te gaan in hoeverre die werken, is een objectieve meting van de sterkte van het geluid nodig. Bestaande snurkmicrofoons meten trillingen op de trachea en dus niet het omgevingsgeluid. Bovendien zijn ze niet gecalibreerd. Frank heeft een prototype schakeling ontworpen en gebouwd bestaande uit een professionele miniatuur microfoon, een geluidsversterker, een A-gewogen filter dat de frekwentiekarakteristiek van het gehoor nabootst, een gelijkrichter en een laagdoorlaatfilter.

Faroek Bhawanie, Haagse hogeschool, winter 2003-2004: EDF/EDF+ software.
In Slaapcentra en afdelingen Neurologie wordt apparatuur gebruikt om biologische signalen te registreren, zoals EEG, EMG, EOG, ECG, ademhaling, lichaamsbewegingen, lichaamstemperatuur, enzovoorts. Omdat verschillende merken deze signalen in verschillende fileformaten opslaan, was archivering en samenwerking moeilijk. Daarom is in 1992 het Europese Data Formaat (EDF) ontwikkeld, dat nu door de meeste merken wordt ondersteund. In 2002 is een nieuwe versie van dit formaat ontwikkeld: EDF+. Deze versie kan niet alleen de signalen opslaan, maar ook de analyses ervan, zoals bijvoorbeeld de slaapstadia zoals die uit het EEG zijn afgeleid. Vrijwel alle data in het slaapcentrum, ook die nu nog in EDF staan, (zullen) worden gearchiveerd in EDF+.  Faroek heeft Delphi Pascal geleerd en vervolgens 4 prototype programma's gerealiseerd:
1. Een EDF/EDF+ checker die controleert of een file aan de specificaties voldoet.
2. Een EDF naar EDF+ converter.
3. Een EDF/EDF+ editor waarmee de header kan worden veranderd.
4. Een EDf+ Annotatie editor waarmee annotaties kunnen worden veranderd.

Marieke van Erve, Fontys Hogeschool te Tilburg, voorjaar en zomer 2003: twee opdrachten.
        1. Fourier Transformatie. Diverse toolboxes hebben een FFT aan boord. Ook in het slaapcentrum zijn algoritmes ontwikkeld om een powerspectrum van EEG signalen te produceren. Het gaat in het slaapcentrum om grote hoeveelheden data: ca 100GByte/jaar. Marieke heeft een aantal algoritmes in Delphi Pascal geïmplementeerd en met elkaar vergeleken. De Edson FFT bleek de snelste.
        2. Simulator van slaap EEG. Doordat veel hersencellen via veel zenuwvezels met elkaar verbonden zijn, vormen zij feedback structuren. De zenuwcellen in deze terugkoppellussen hebben een filterwerking waardoor de lussen EEG genereren rond een bepaalde frekwentie: EEG ritme's. Zo zijn er o.a. de slow-wave lus (1Hz), de alpha lus (8-13Hz) en de sigma lus (13-16Hz). De koppeling tussen de cellen, en dus de sterkte van de feedback, en dus de sterkte van het EEG ritme, worden beïnvloed door de verschilende slaapfasen: lichte slaap, diepe slaap, droomslaap of natuurlijk wakker. Een wiskundig model van de fysiologische celstructuren die de EEG ritmes genereren is in de 70-er jaren ontwikkeld en toendertijd in elektronische vorm gemaakt. De nagebootste EEGs waren niet van echte te onderscheiden. Marieke heeft op basis van hetzelfde wiskundige model een Delphi Pascal programma gemaakt dat het slaap EEG simuleert.

Enver Lieuw, Haagse Hogeschool I, voorjaar 2003: EDF to WAV converter.
EEG en andere signalen (1-100Hz)  worden veelal opgeslagen in het Europese Data Formaat (EDF of EDF+). Deze signalen bevatten allerlei componenten die op een beeldscherm vaak moeilijk met het oog zijn te herkennen. Mogelijk lukt dat herkennen auditief beter. Enver heeft een prototype Delphi Pascal programma gemaakt dat signalen uit EDF files en EDF+ files converteert naar hoorbare (50-5000Hz) WAV files. Zo kun je in een paar minuten een hele nacht slaap langs horen komen. Om zowel snelle als langzame componenten in het EEG goed te kunnen beluisteren, heeft hij ook een programmaatje gemaakt waarmee de afspeelsnelheid van de WAV files kan worden ingesteld.

Dirk Schwaneberg, Haagse Hogeschool EL, winter 2002 - 2003: twee opdrachten.
        1. REM-slaap monitor. Een klein spiertje onder de kin ontspant zich pas tijdens de droomslaap (REM-slaap). De aktiviteit van dit spiertje kan worden gemeten mbv EMG (ElektroMyoGram) elektroden. Op deze manier kan dus de droomslaap worden gedetecteerd. Echter, low-power 'droom' EMG wordt verstoord door korte twitches (zoals je bij de poten of ogen van een slapend dier ziet) en door elektrische overspraak van andere spieren zoals de hartspier. De kenmerken, waardoor de storende signalen kunnen worden onderscheiden van het low-power 'droom'EMG, zijn bekend. Dirck heeft een degelijke Delphi-Pascal implementatie gemaakt die de droomslaap volgt.
        2. Automatisering van vragenlijsten. In het Slaapcentrum worden slaapstoornissen deels gediagnosticeerd op grond van vragenlijsten. Deze worden veelal nog door de patiënt op papier ingevuld, waarna de antwoorden moeten worden overgetypt in diverse softwareprogramma's die de beöordeling en archivering verzorgen. Dirck heeft een Delphi Pascal programma gemaakt dat meerdere vragenlijsten aan de patiënt kan presenteren en de antwoorden in een database opslaat.

Mark Blok, TU Delft EL, voorjaar 2002: snelle vectorgraphics.
De laboranten van het Slaapcentrum beöordelen jaarlijks ongeveer 100GByte aan biologische (vooral hersen-) signalen op hun beeldscherm. De standaard tools kunnen zoveel signalen niet snel genoeg op het scherm krijgen: de laborante moet te lang wachten. Mark heeft een Delphi-Pascal unit gemaakt die een reeks sampels van een signaal snel afbeeldt op een reeks horizontale pixelposities. De unit bleek sneller dan bestaande software.