Projektowanie i ocena inteligentnych okularów do przyjmowania pokarmu i klasyfikacji aktywności fizycznej
14 lutego 2018
To badanie przedstawia protokół projektowania i produkcji okularowego urządzenia do noszenia, które wykrywa wzorce przyjmowania jedzenia i innych aktywności fizycznych za pomocą ogniw obciążnikowych umieszczonych w obu zawiasach okularów.
Ogólnym celem tej procedury jest zaprojektowanie i wyprodukowanie urządzenia do noszenia w okularach, które wykrywa wzorce aktywności mięśni skroniowych podczas przyjmowania pokarmu i innych aktywności fizycznych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w zakresie monitorowania zachowań żywieniowych, takich jak wykrywanie przyjmowania pokarmu podczas posiłku. Główną zaletą tej techniki jest to, że wzorce aktywności mięśni skroniowych podczas przyjmowania pokarmu można wykryć automatycznie i obiektywnie za pomocą pary okularów.
Procedura produkcyjna zostanie zademonstrowana przez Wonjoon Oh, inżyniera mechanika w naszej firmie. Procedura zbierania danych zostanie przeprowadzona przez Hak Yung Gu, który również pracuje w naszej firmie. Kluczem do eksperymentu są moduły obwodów, które muszą zostać wyprodukowane.
Są dwa. Jeden na lewą i prawą zausznik w okularach. Lewy moduł zawiera ogniwo obciążnikowe, złącze, wzmacniacz oprzyrządowania, regulator napięcia i złącze akumulatora.
Prawy moduł posiada mikrokontroler z WiFi, złącze UART, multiplekser, wzmacniacz, złącze i ogniwo obciążnikowe. Oprócz obwodów konieczne jest wykonanie oprawek do okularów. Ramki muszą być w stanie utrzymać moduły płytki drukowanej.
Aby stworzyć oprawki, użyj narzędzia do modelowania 3D, aby narysować model nakrycia głowy okularów i jego dwóch zauszników. Eksportuj rysunek do stereoskopowych plików litograficznych CAD w celu wydrukowania 3D. Do drukowania części ramy używaj filamentu węglowego o temperaturze dyszy 250 stopni Celsjusza i temperaturze stołu 80 stopni Celsjusza.
Po wydrukowaniu pracuj, aby zgiąć zauszniki do wewnątrz. Użyj dmuchawy gorącego powietrza ustawionej na 180 stopni Celsjusza, aby podgrzać kawałek. Po podgrzaniu zegnij skroń do wewnątrz o około 15 stopni.
Zegnij każdy element świątyni do wewnątrz, zanim przejdziesz dalej. Zbierz wszystkie elementy, aby złożyć okulary. Należą do nich lewe i prawe płytki drukowane, lewe i prawe zauszniki oraz nakrycie głowy.
Zacznij od odpowiednich elementów zauszników. Włóż prawą płytkę drukowaną do prawego zausznika. Zabezpiecz go na miejscu za pomocą.
W ten sam sposób zabezpiecz lewą płytkę drukowaną i lewą zausznik. Następnie przymocuj głowicę i jedną z zauszników do odpowiedniego połączenia zawiasów i zabezpiecz ją śrubą. Kontynuuj, przymocowując drugą zausznik do nakrycia głowy.
Po zakończeniu połącz lewy i prawy obwód za pomocą 3-pinowych przewodów połączeniowych. W przypadku tego projektu podłącz baterię do lewego obwodu. Zabezpiecz go taśmą klejącą.
Uzupełnij okulary, nakładając gumową taśmę na czubku i na noskach, aby zwiększyć tarcie dla użytkownika. W tym momencie przygotuj się do pozyskiwania danych. Na komputerze uruchom projekt GlasSense_Server i podłącz moduł obwodu ramy przez USB.
Wprowadź oprogramowanie GlasSense_Server do mikrokontrolera. Ten projekt wykorzystuje smartfon do odbierania danych. Uruchom oprogramowanie GlasSense_Client na komputerze i podłącz smartfon za pomocą złącza USB.
Zbuduj aplikację odbierającą dane na smartfonie. Do badania zidentyfikuj osobę badaną i wybierz okulary o odpowiednim rozmiarze. Poproś fotografowaną osobę o przymierzenie okularów.
W razie potrzeby użyj podporowych na ramie, aby precyzyjnie dostroić dopasowanie. Następnym krokiem jest poproszenie podmiotu o zebranie danych dla różnych działań. W przypadku siedzącego trybu odpoczynku poproś badanego, aby usiadł na krześle i czytał w okularach.
Rejestruj aktywność za pomocą aplikacji na smartfona przez 120 sekund. Pozwól na ruch głowy, ale unikaj ruchu całego ciała. Po 120 sekundach zatrzymaj nagrywanie i zdejmij okulary na 60-sekundową przerwę.
Powtórz rejestrowanie danych i zrób przerwę cztery razy. Postępuj zgodnie z podobną procedurą dla aktywności chodzenia, prosząc badanego o stanie na bieżni i założenie okularów. Uruchom bieżnię z prędkością 4,5 km na godzinę i niech obiekt będzie nagrywał przez 120 sekund.
Po zakończeniu zrób 60-sekundową przerwę bez okularów. Występuje również siedzący tryb żucia i żucia podczas chodzenia. W tym celu przygotuj chleb tostowy w kwadratach o wymiarach 20x20 mm i przygotuj galaretki do żucia.
Zadbaj o to, aby pacjent siedział lub przebywał na bieżni, w zależności od potrzeb, z jedzeniem w pobliżu. Nosząc okulary, rozpocznij aktywność i rejestrowanie danych. Niech badany je je podczas normalnego żucia.
Po 120 sekundach zrób 60-sekundową przerwę bez okularów. Następnie wykonaj siedzącą aktywność mówienia. W tym celu zbieraj dane, gdy badany siedzi i czyta książkę na głos w normalnym tonie i szybkości.
W siedzącym trybie mrugania zaaranżuj mruganie w odpowiedzi na dzwonek, który ma się włączać co trzy sekundy. Dane te pochodzą od jednego podmiotu wykonującego każdą czynność. Oś pozioma to czas w sekundach.
Każda oś pionowa to zmierzona siła po odjęciu mediany z dziesięciu pomiarów. Niebieskie krzywe są przeznaczone dla lewej strony, a czerwone krzywe dla prawej strony twarzy. Jak można się spodziewać, maksymalne amplitudy czynności żucia są duże w porównaniu z siedzącym trybem odpoczynku, siedzącym siedzeniem mówienia i chodzenia.
Dane tego typu są przekształcane w dane wejściowe do techniki klasyfikacji uczenia maszynowego. Po każdym opracowaniu technika ta może być potencjalnie przydatna do automatycznego i obiektywnego monitorowania zachowań związanych z przyjmowaniem pokarmu z większą dokładnością jako praktyczny sposób leczenia problemów związanych ze spożyciem.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia protokół projektowania i produkcji urządzenia ubieralnego w formie okularów, które wykrywa wzorce aktywności mięśnia skroniowego podczas spożywania pokarmów oraz innych czynności fizycznych. Metoda ta ma na celu zapewnienie obiektywnego sposobu monitorowania zachowań związanych z przyjmowaniem pokarmów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Technologia ubieralna
- Monitorowanie behawioralne
Wprowadzenie
- Monitorowanie spożycia pokarmów jest kluczowe dla zrozumienia zachowań żywieniowych.
- Istniejące metody mogą charakteryzować się brakiem obiektywizmu i automatyzacji.
- Urządzenia ubieralne mogą usprawnić zbieranie danych w czasie rzeczywistym.
- Aktywność mięśnia skroniowego ma istotne znaczenie dla wykrywania spożycia pokarmów.
Cel badania
- Zaprojektowanie urządzenia ubieralnego do wykrywania aktywności mięśni podczas jedzenia.
- Zautomatyzowanie monitorowania wzorców spożywania pokarmów.
- Zapewnienie obiektywnego narzędzia pomiarowego dla badaczy.
Zastosowane metody
- Projektowanie i wykonanie urządzenia w formie okularów.
- Integracja przetworników siły w zawiasach urządzenia.
- Procedury gromadzenia danych przeprowadzone przez przeszkolony personel.
- Prezentacja procesu produkcji przeprowadzona przez inżyniera mechanika.
Główne wyniki
- Urządzenie skutecznie wykrywa aktywność mięśnia skroniowego.
- Wzorce spożycia pokarmu mogą być monitorowane automatycznie.
- Obiektywne zbieranie danych zwiększa możliwości badawcze.
- Wykazano wykonalność procesu produkcji.
Wnioski
- Urządzenie w formie okularów jest obiecującym narzędziem do monitorowania behawioralnego.
- Zapewnia ono innowacyjne podejście do badania spożycia pokarmu.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej technologii w celu szerszych zastosowań.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Obiektywne monitorowanie zachowań żerowania w czasie rzeczywistym stanowi krytyczne wyzwanie w procesach badawczych w zakresie metabolizmu i behawiorystyki. Integracja technologii sensorów ubieralnych, takich jak inteligentne okulary wykrywające aktywność mięśnia skroniowego, umożliwia zautomatyzowaną, ilościową ocenę spożycia pokarmu oraz powiązanych z tym aktywności fizycznych. Możliwość ta wspiera badania translacyjne i decyzje dotyczące portfela projektów, dostarczając wysokiej wierności punktów końcowych analizy behawioralnej dla wczesnych etapów odkryć oraz badań przedklinicznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia obiektywny pomiar zachowań pokarmowych do weryfikacji hipotez w badaniach nad metabolizmem i ośrodkowym układem nerwowym.
- Wspiera funkcjonalną walidację punktów końcowych zachowania powiązanych z zaangażowaniem celu.
- Ułatwia mechanistyczną redukcję ryzyka poprzez odróżnienie spożycia pokarmu od działań zakłócających.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Zapewnia standaryzowane, powtarzalne strumienie danych dla testów fenotypowania behawioralnego.
- Dostarcza ilościowe wyniki odpowiednie do klasyfikacji algorytmicznej i dalszej analizy danych.
- Umożliwia skalowalny, wysokoprzepustowy screening interwencji wpływających na zachowania pokarmowe.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie monitorowania behawioralnego do punktów końcowych istotnych dla przebiegu choroby w modelach metabolicznych i neurologicznych.
- Zapewnia ciągłość procesu od etapu odkryć po walidację przedkliniczną dzięki możliwości obiektywnego, zautomatyzowanego gromadzenia danych.
- Zwiększa pewność prognostyczną w opracowywaniu translacyjnych biomarkerów dla zaburzeń pokarmowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta platforma sensorów ubieralnych wpisuje się w kontinuum od wczesnego etapu odkrywania do badań przedklinicznych, umożliwiając solidne przepływy pracy w zakresie fenotypowania behawioralnego i walidacji celów.
- Biologia odkrywcza: Wspiera analizę mechanizmów spożywczych i ścieżek behawioralnych w oparciu o sformułowane hipotezy.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe odczyty behawioralne do oceny związków lub interwencji.
- Analityka: Generuje wektory cech i wyniki klasyfikacji do porównań statystycznych pomiędzy warunkami eksperymentalnymi.
- Badania translacyjne: Łączy punkty końcowe przedkliniczne i kliniczne, umożliwiając obiektywne monitorowanie zachowań w warunkach rzeczywistych.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwach: Oferuje modułową, adaptacyjną platformę dla różnorodnych zastosowań w monitorowaniu behawioralnym i fizjologicznym.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność w pomiarze punktów końcowych zachowania.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje pozyskiwanie danych i zwiększa powtarzalność pomiędzy badaniami i zespołami.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie decyzji go/no-go w oparciu o obiektywne, wysokorozdzielcze dane behawioralne.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację aktywów celujących w szlaki pokarmowe i metaboliczne z uwzględnieniem ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w produkcji urządzeń ubieralnych oraz integracji czujników.
- Wymaga solidnej infrastruktury do akwizycji danych i bezprzewodowej transmisji.
- Konieczne jest ujednolicenie protokołów behawioralnych i potoków analizy danych pomiędzy zespołami.
- Metoda jest adaptowalna do różnych systemów modelowych poprzez odpowiedni dobór rozmiaru ramy i regulację dopasowania.
- Ograniczenia praktyczne obejmują konieczność współpracy obiektu badawczego oraz potencjalne zakłócenia wynikające z niepożywieniowych ruchów twarzy.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
0:59
The Sensor-integrated Circuit Modules
1:38
3D Printing of the Glasses Frame
2:39
Assembly of the Glasses
3:47
Development of the Data Acquisition System
4:28
Data Collection from a User Study
6:44
Results: Representative Temporal Data Collected for Different Activities
7:25
Conclusion
