Development of a mobile platform for physiological computing applications
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2019 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/40153 |
Resumo: | Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019 |
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Development of a mobile platform for physiological computing applicationsPlataforma MobileSmartphonePlataforma de Aquisição e ComputaçãoBandaComputação FisiológicaTeses de mestrado - 2019Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaTese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019Nos dias que correm, os seres humanos vivem em harmonia com os smartphones visto que quase metade da população mundial possui pelo menos desses dispositivos. A sua portabilidade, conveniência e poder de processamento permite a realização de uma panóplia de ações como enviar e-mails, visualizar ficheiros de multimédia ou navegar na internet. Para além de interações embutidas no sistema operativo do smartphone como efectuar chamadas ou mensagens, os smartphones permitem utilizar aplicações móveis. Aplicações móveis são programas de computador programados para serem executados em disposivos móveis como os smartphones ou tablets. Existem mercados (e.g. App Store, Google Play ou Windows Phone Store) acessíveis através destes dispositivos que contêm inúmeras aplicações móveis. Estas aplicações permitem fazer ações tão variadas como encomendar comida ou ver filmes. Algumas aplicações utilizam recursos externos como uma base de dados que contém informação meteorológica relativa à próxima semana, ou um dispositivo físico (e.g. wearables) que informa a aplicação sobre o ritmo cardíaco do utilizador. Os wearables são uma tendência crescente, como é o exemplo dos smartwatches. Todos os wearables de alguma maneira oferecem um complemento a um outro sistema, alguns oferecem informação especialmente importante na área do bem-estar, como é o caso das bandas de eletroencefalografia. Estes wearables de uma forma generalizada proporcionam às aplicações móveis uma dimensão extra uma vez que permitem adquirir dados fisiológicos, processá-los e mostrá-los ao utilizador. Isto permite que seja possível retirar ilações que possam contribuir para a melhoria da sua qualidade de vida. Este trabalho tem dois objetivos: primeiro, criação de uma plataforma móvel de aquisição de dados fisiológicos. Este objectivo será alcançado com recurso a smartphones e ao BrainBIT, um wearable de aquisição de sinais fisiológicos desenvolvido no IBEB. A plataforma terá de ser capaz de adquirir dados fisiológicos de um utilizador sem interrupções enquanto calcula também métricas relacionadas com os dados adquiridos. Deverá também mostrar em tempo real informação relevante ao utilizador. Deve também oferecer a possibilidade de extração de dados para uma análise mais detalhada. O segundo objectivo é a implementação de uma funcionalidade que irá permitir ao utilizador desenhar livremente o protocolo de aquisição de modo a que tenha a liberdade de utilizar a plataforma de aquisição enquanto realiza qualquer atividade desde meditação a jogar xadrez, passando por provas de vinho. De modo a cumprir os objetivos estipulados para este trabalho foi delineado um plano. Inicialmente foi criada uma plataforma móvel de aquisição de sinais fisiológicos (com recurso à banda de aquisição de sinais fisiológicos) e criaram-se algoritmos para análise em tempo real de dados recolhidos. Adicional mente, nesta fase foi também integrada a extração dos dados fisiológicos recolhidos e métricas calculadas. Numa segunda instância, de forma a dar ao utilizador a liberdade de poder utilizar a plataforma nas mais variadas atividades, foi criada a possibilidade do utilizador poder planear e construir protocolos de aquisição que se adaptem às mais variadas atividades. Este projecto envolveu a colaboração com a Universidade da Beira Interior, como tal, o projecto numa fase inicial foi desenhado de modo a respeitar também especificações estabelecidas por representantes da instituição. Uma das funcionalidades requeridas por estes parceiros é a possibilidade de fazer aquisições em grupo enquanto um utilizador externo monitoriza a aquisição. Isto permite que múltiplos indivíduos estejam em diferentes partes do mundo a fazer aquisições, desde que tenham selecionado o mesmo grupo, um outro elemento pode dar instruções básicas (e.g. Parar, continuar, recomeçar) aos restantes elementos do grupo. Esta colaboração permitiu também o desenvolver esta plataforma de uma forma iterativa. A nível do desenvolvimento de funcionalidades surgiram necessidades como a implementação de um sistema de geração e leitura de códigos QR de modo a reduzir o tempo de entrada em grupos. A nível do desenvolvimento de interface do utilizador houve bastantes sugestões, sendo que muitas delas contribuíram para o desenvolvimento de futuras versões. Por fim, esta colaboração foi crucial na deteção de bugs. De modo a cumprir os objectivos propostos, foi necessário estudar as opções de wearables existentes no mercado. O dispositivo teria de ter uma frequência de aquisição apropriada, teria de ser portátil, razoavelmente confortável, integrável em plataformas de modo a se poder processar os seus dados e por fim, teria de fornecer sinais não tratados. A solução escolhida é um dispositivo que pode ser adaptado numa banda que se coloca em torno da cabeça e que adquire sinais de electroenfalografia e de fotopletismografia. De modo a guardar de forma cómoda, simples e segura os sinais adquiridos e métricas calculadas, foram estruturadas três tabelas relacionais hospedadas online, no serviço de base de dados relacionais da Amazon (Amazon Relational Database Service). Esta abordagem permite também que os dados sejam de fácil acesso. Apesar da comodidade proporcionada por uma base de dados hospedada online, existe um problema com esta abordagem - É necessário conexão à internet de modo a que os dados possam ser enviados para as respectivas tabelas. No entanto, é impensável que durante uma aquisição os dados sejam perdidos devido a problemas de conexão à internet. Assim sendo, foi implementada também uma base de dados local, de modo a que, caso existam problemas de conexão à internet, os dados serão guardados localmente. Uma vez que a conexão à internet volte, os dados serão correctamente exportados para a base de dados online. Durante uma aquisição, grandes quantidades de dados estão a ser guardados. Isto é especialmente verdade no que diz respeito aos dados recolhidos. Por essa mesma razão, foi implementada uma base numérica com 143 caracteres, implementadas de forma equivalente a bases conhecidas como base 16 ou base 64. A utilização permitiu reduzir a memória ocupada para cerca de metade. Uma vez necessário desenvolver uma plataforma móvel, o mercado foi estudado de modo a perceber qual a plataforma móvel que seria mais abrangida por esta solução. Chegou-se à conclusão de que uma aplicação em Android chegaria a uma maior percentagem da população e assim sendo, a plataforma foi desenvolvida em Android Studio. De modo a ter uma porta de acesso ao dados adquiridos o mais sólida possível, foram estudados também sistemas de encriptação, de modo a obter uma solução com uma boa relação segurança-tempo. A solução adaptada foi a biblioteca de hash Bcrypt. Durante um periodo de cinco meses, houve reuniões periódicas na Universidade da Beira Interior, nas quais a plataform foi exaustivamente testada na sua estabilidade e coesão de integração de especificações. Uma vez obtida uma versão completa e estável, testes pilotos foram conduzidos por três utilizadores. Com uma periodicidade de duas sessões por semana, durante três semanas, obteve-se um total de 18 sessões. Ficou assim comprovada a estabilidade coesão de integração de especificações da aplicação. A plataforma foi também testada relativamente à sua usabilidade através de um questionário (System Usability Scale) foi aplicado a 20 utilizadores, após terem tido contacto com a plataforma. Este teste mostrou que os utilizadores não se sentiam muito confiantes ao utilizar o produto, mas que estava consistente e que seria relativamente fácil aprender a trabalhar com o mesmo. Adicionalmente, este teste revelou áreas específicas que necessitavam de ser trabalhadas. Um segundo teste foi aplicado a outros 12 utilizadores de modo a testar uma nova versão da aplicação, iterada com base em sugestões e conclusões do teste anterior. Este segundo teste mostrou uma melhoria na confiança do utilizador e na facilidade de utilização do produto, no entanto, quando comparada à versão anterior, esta versão parece ser mais inconsistente. O desenvolvimento iterativo revelou algumas dificuldades que durante todo este trabalho não puderam ser totalmente resolvidas, uma vez que se devem ao hardware. Assim sendo, este trabalho caminhará na direção de se poder utilizar outros dispositivos de recolha de sinais fisiológicos, como é o caso da nova banda MASTR da EmotAI. Serão também afinadas caraterísticas da interface do utilizador, de modo a tornar a aplicação ainda mais simples e utilizável. Num futuro próximo esta aplicação será utilizada num estudo realizado pela Universidade da Beira Interior. Este estudo tem como objectivo averiguar o impacto de meditação em alunos de medicina enquanto estão em época de exames. De modo a realizar este estudo, foi obtida a aprovação da comissão de ética na UBI e na fcul nos testes de usabilidade, ao abrigo do projecto europeu CAMELOT. Para além do trabalho aqui retratado, os conhecimentos adquiridos neste trabalho levaram também a contribuições em outras empresas que também utilizam wearables como dispositivos de aquisição de dados.Smartphones have completely integrated our daily lives and wearable devices move towards the same fate. The combination of smartphones’ portability, convenience, and processing power with wearable information gathering systems is still in early exploration days, which is why it the perfect time to take advantage of the situation. With all the necessary hardware available, it follows the creation of platforms that make use of these resources to gather more physiological information. Either for scientific purposes or to provide the user with more and insightful information that makes the user more knowledgeable about his physiology and even contribute to an improved quality of life. Currently, there are mobile platforms that make use of wearable devices that acquire physiological data, usually to monitor the user while meditating or sleeping. Some of these platforms grant the user information that can lead to healthier routines and time schedules. The solution presented in this work differentiates from what already exists in multiple ways. First, it allows the user to fully design the acquisition protocol to obtain relevant physiological information while performing any sort of task. These tasks can be as varied as playing chess or watching Netflix. Second, users can make acquisitions collectively while a third party user coordinates the experiment. Third, some types of protocols allow user interaction with the smartphone to be recorded, resulting in more meaningful information. This work resulted in a fully working mobile physiological acquisition and computing platform. Physiological Computing is a term that is used to describe a technological system that incorporates physiological data from humans into its functionality and/or displays it at an interface. This platform acquires physiological data and shows it in a way that can contribute to the well-being of the user. A wide variety of information is provided to the user, such as the heart rate and computed meaningful metrics like the user engagement and breathing rate. It also allows data extraction and a posterior, more in depth, data analysis. During five months, meetings were conducted periodically at Universidade da Beira Interior, where the platform was exhaustively tested for its stability and feature integration. Upon a complete and stable version being reached, pilot tests with a meditation protocol were conducted with three users. With two sessions per week, for three weeks, a total of 18 acquisitions were obtained. This pilot test assured a successful stability and feature integration. The platform was also tested in its usability with an initial test where 20 subjects participated. This initial test showed that the user interface was good but also that there were improvements to be made that could significantly increase the usability of the application. For this reason, a second usability test, where 12 subjects participated, was applied to an iterated version of the mobile application that took into account feedback from the first test. The second test showed significant improvement relative to the first test. This platform will soon be used in official tests conducted by the Universidade da Beira Interior to perform a study that aims to access the impact of meditation in medicine students undergoing final exams.Ferreira, Hugo AlexandreRepositório da Universidade de LisboaRamos, Rafael da Silva2022-10-30T00:30:38Z201920192019-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/40153TID:202386929enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:39:19Zoai:repositorio.ul.pt:10451/40153Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:53:53.468521Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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