Department of computer Engineering ati ttu ee CEBE

Department of computer Engineering ati. ttu. ee CEBE Seminar Jäneda mõis, Juuni 17, 2013 Raimund Ubar Tallinn University of Technology Department of Computer Engineering Estonia

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Programm 10: 00 R. Ubar Ülevaade CEBEst 10: 30 J. Lass EEG signaalide interpreteerimine (P 4) 11: 00 K. Pilt Optilised diagnostikameetodid kardioloogias (P 3) 11: 30 I. Fridolin Biovedelike optika (P 5) Biomeditsiinitehnika signaalid Gert Jervan 12: 30 -14: 00 Lõunasöök 14: 00 M. Min Sensorsignaalitöötlus, impedantsspektroskoopia (P 1, P 6) Signaalitöötlus 14: 30 P. Ellervee Rakendusspetsiifilised protsessorid signaalitöötluses (P 1, P 2) Peeter Ellervee 15: 30 -16: 00 Kohvipaus 16: 20 J. Raik Digitaalsüsteemide verifitseerimine (P 2) 16: 40 A. Jutman Elektroonikaproduktide testimine (P 6) 17: 00 R. Ubar Digitaalsüsteemide diagnostika (P 2) Süsteemide usaldatavus Jaan Raik 18: 00 -18: 45 Õhtusöök 18: 45 Diskussioonid paneelides

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Seminari eesmärk On kaks põhieesmärki: ü ü (1) anda ülevaade CEBE-s toimunust ja tulemustest, ning (2) sondeerida võimalusi koostöö intensiivistamiseks viimasel kahel aastal (2013 -2015) Ettekandjatelt ootaks: ü ü (1) uurimistulemuste võimalikult populaarset esitust ja (2) probleemide formuleerimist, kus partnerid saaksid kaasa lüüa ja aidata oma oskustega või pakkuda ise välja oma kompetentsi CEBE eesmärkide täitmisel s. h. rakendusteni jõudmiseks kiiremini ja lisaväärtust luues Diskussioonide eesmärgiks oleks : ü ideede genereerimine ühistulemuste saamiseks kas teoreetilises uurimistöös, eksperimentaaluuringutes või oskuste kokkupanemise abil rakendusteni jõudmiseks. ü Demonstraatorite ühine loomine oleks parimaks tõestuseks, et CEBE on oma missiooni täitnud

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Seminari eesmärk ü Ürituse (ettekannete) eesmärk on avardada silmaringi teistel TK-s tegutsevatel inimestel. ü Oluline on anda edasi, mida te teete peamiselt ja kus te olete parimad. Samuti väike ülevaade tehtud tööst. ü Tulemuseks oleks see, et teised ei hakkaks tulevikus jalgratast leiutama seal, kus see on juba leiutatud ja samas teaksid asju planeerides teiega arvestada ja vastupidi. ü Luua sünergiat erinevate uurmisrühmade vahel. ü Probleemiks on see, et inimesed on liigselt koormatud seetõttu, et kõik leiutavad lisaks oma põhiteadusele kusagil oma täiendavaid jalgrattaid, kuigi võiks minna mõni laud või mõni ruum (hoone) kõrvale. Selleks kõrvale põikamiseks on vaja leida aega, aga kahjuks seda juhtub üliharva. Alvar Kurrel

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Kes me oleme ü Uurimisrühmad: n n Missioonikriitiliste sardsüsteemide elektroonsed komponendid ja alamsüsteemid (M. Min) TTÜ Elektroonika instituut n ü Töökindlate sardsüsteemide disain (R. Ubar) TTÜ Arvutitehnika instituut Biosignaalide interpreteerimine meditsiinitehnikas (I. Fridolin) TTÜ Tehnomeedikum Inimkoosseis: n Teadurid/õppejõud - 44/22 n Doktorandid - 56 (CEBE alustas 40) n Kaitstud doktoritöid (2008 -2013) - 25 5

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Meie missioon ü Elukvaliteedi parandamine innovatsiooni abil ü Interdistsiplinaarsete teadusuuringute läbiviimine n n analoog- ja digitaaldisaini, diagnostika ning n ü elektroonika, biomeditsiinitehnika alal rakendustega n missioonikriitiliste sardsüsteemide valdkonnas 6

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Ülesanded Tagasivaade: Pedase, okt 2008 Probleemid Koostöö sõlmpunktid Signaalitöötlus Diagnostika Pooljuhttehnoloogia Objektide valdkond mudelid Vahendid Meetodid Kriteeriumid Algoritmid Kiirus energiatarve veakindlus Spetsiaalriistvara protsessorid arhitektuurid Disainivoog Disain Riistvara Tarkvara Verifitseerimine Aplikatsioonid Tööriistad Test

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Tagasivaade: Pedase, okt 2008 CEBE kompetentside diagnoos Ettekanded Signaalitöötluse töögrupid Diskussioon Probleemid Disain Debugging Võimalikud töögrupid, probleemide formuleering Diagnostika töögrupid Diskussioon Pooljuhttehnoloogia töögrupp Objektide valdkond, mudelid Arhitektuurid Usaldatavus Riistvara Meetodid CEBE: Inimene, Kalju sensor, signaal, Mart, Olev DSP, Peeter HW Gert: häired, on-line test, juhuslikud signaalid (LFSR), algoritmide verifitseerimine, jõuelektroonika + defektid Mart: signaaliprotsessorid Kristian: ERP kiip Kalju: spetsiaalprotsessor Aleksei: signaalitöötlus reaalajas, dialüüsi ühtne andmebaas (EXCS, Vilo) Jüri: QT-intervall, neurovõrgud Ivo: ε avastamine Toomas/Raimund: layout defektide simuleerimine, hierarhiline rikete diagnostika

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Sünergia otsimine CEBEs Signaaliprotsessorite arhitektuurid Arvutitehnika Elektroonikaaparatuuri testimine Veakindlate sardsüsteemide disain ja test Dialüüsi monitooring EEG Signaalitöötlusprotsessor Elektroonika Biomeditsiinitehnika Kolm piiririiki, suhtlusmeediumiks elekter Veresoonte resistentsuse monitooring Signaalitöötluse algoritmid 9

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Koostöö projektid ü P 1. Rakendusspetsiifilised protsessorid (P. Ellervee. ATI/ELIN) ü P 2. Verifitseerimine ja diagnostika(R. Ubar/J. Raik. ATI: D/V) ü P 3. Optilised ja bioimpedantsmeetodid kardiovaskulaarses diagnostikas (K. Meigas. ELIN/TM) ü P 4. Aju seisundi diagnostika EEG signaalide analüüsi abil (M. Jenihhin. ATI/TM) ü P 5. Neeruasendusravi häiretevaba monitooring (I. Fritolin. ATI/TM) ü P 6. Elektroonikasüsteemide testimine (A. Jutman. ATI/ELIN) ü P 7. Pooljuhtseadiste uurimine(T. Rang. ELIN) 10

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Kaks tüüpi sünergiat Meetodite ja

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Sünergiaotsingud >koostööprojektid Koostöö otsingud CEBE koostöö CEBE teadustöö temaatikad P 6 P 2 Süsteemide verifitseerimine test ja diagnostika (R. Ubar, J. Raik, A. Jutman) Töökindlad sardsüsteemid (P. Ellervee) P 1 Sensorsignaalitöötlus ja impedantsspektroskoopia (M. Min) P 7 Pooljuhttehnoloogia (T. Rang) P 3 Optilised diagnostikameetodid kardioloogias (K. Meigas) P 5 Biovedelike optika (I. Fridolin) Ajusignaalide interpreteerimine (H. Hinrikus) P 4 P 8 Rakendusspetsiifiline signaalitöötlusplatform

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Projekt P 4 Projekt P 3 Projekt P 7 ELIN Pooljuhtseadised Süsteemide prototüübid TM Kardioloogia grupp TM Aju uuringute grupp Biosignaalide interpretats. Signaalitöötluse algoritmid ELIN Signaalitöötlus Impedantsspektroskoopia Elektr. tooted Testimise meetodid Projekt P 6 Koostöö stsenaariumid ATI Testigrupp Projekt P 1 ATI Disainigrupp Disaini lahen-dused Projekt P 2 Testide sünteesi meetodid ATI Diagnostika grupp Testid Diagnostika meetodid Disaini teooria ja algoritmid Süsteemide verifitseerimise ja diagnostika teooria TM Biovedelike optika grupp Projekt P 5 Dialüüs Signaalide analüüsi algoritmid

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Koostöö üldstsenaarium Bioloogilised süsteemid Tehnomeedikum Diagnostika meetodid Tehnilised süsteemid Elektroonika instituut Arvutitehnika instituut Biosignaalid 14

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 CEBE: Selected Research Results n Original methods of signal generation and processing for broadband impedance spectroscopy with implementations in medicine and engineering (M. Min & Co) n Method and mobile device for determining depressive disorders by analyzing EEG signals (SASI algorithm) (H. Hinrikus & Co) n Optical method and device for monitoring dialysis (I. Fridolin & Co) n A conception of the platform for automated design of signal processors (P. Ellervee & Co) n Methods for verification and automated debug of digital systems, fast fault simulator with a speed-up about 5 -10 times compared to existing professional tools, and testability marker (J. Raik, R. Ubar & Co) n Methods and a system for automated test program synthesis for electronic boards, methods and instruments for self-test in electronic boards (A. Jutman&Co) 15

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 CEBE aruandlus ü Kolm korda aastas lühiaruanded Archimedesele (kokku 14 aruannet) ü Kord aastas ilmub “Uudisleht” (kokku 5 numbrit) ü Kaks IAB aruandekoosolekut (apr. 2009, okt. 2010) ü 2010. sügis. Aruanne IAB-le (2008 – 2010, 37 lk. ) ü IAB kokkuvõttev hinnang – positiivne, rida soovitusi ü 2011. sügis. CEBE vahearuanne ja selle hindamine välisekspertide poolt 9. jaan. 2012 – hinne “väljapaistev” ü 2012. dets. – CEBE audit (Alvar Kurrel) ü 2013. sept. – IAB aruandekoosolek

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Kokkuvõte CEBE vahehindamisest ü Tubli koostöö ja saavutatud sünergia - CEBE’s on alustatud 6 koostööprojekti; seda tuleks küll võtta kiituse asemel vekslina ü Teadusuuringute tulemuste rakendamine on võimaldanud ületada mitmel juhul praegust maailmataset (St. Jude Medical Estonia, Smartimplant OÜ) ü Suurenenud on publikatsioonide ja patentide/taotluste (24) arv n ü Puudus: Suuremat tähelepanu tuleks pöörata publitseerimisele tippajakirjades (suurema mõjuindeksiga) Suur rahvusvaheliste projektide ja grantide arv, suurenenud on keskuse eelarve ja tõusnud keskuse jätkusuutlikkus (!) n Puudus: Ei ole õnnestunud liituda initsiatiividega ARTEMIS, FET ü NB! Jätkuvalt pöörata tähelepanu noorteadlaste kaasamisele ja koolitamisele ü NB! TK sotsiaalmajanduslik mõju – Hinne: “Piisav või kõrgem”

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 IAB: Suggestions ü Suggestions for synergy creation n Cross disciplinary group projects. At least two initial research groups should participate n Seven cross disciplinary group projects were launched n Projects should be led by young promising researchers P 2 – J. Raik, P 4 – M. Jenihhin, P 6 – A. Jutman n Involvement of the potential users n Including research groups led by Medical Doctors P 3 - Clinic of Cardiology of North Estonian Regional Hospital n Dissemination 18

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 IAB: Measures of Success Suggestions of IAB n More demonstrated interactions between members of the Centre would be advantageous. n An immediate solution could be e. g. a joint International Master of Science program with the participation of the cooperating departments. Jointly developed new Master of Science programs n Computer & System Engineering n Electronics and Bionics n Communicative Electronics n Biomedical Engineering (modified through collaboration with University of Tartu) n DAAD Network “Dependable Cyber Phusical Systems - DCPS”, ZUSYS (Ph. D)(Estonia, Germany, Austria, Poland, Czech Republic ) 19

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 IAB: Measures of Success Suggestions of IAB n Definition of some project demonstrators would make the evaluation of the progress easier and would provide good marketing opportunities for the Centre itself. Going towards demonstrators n Project P 1: Signal processor designs n Project P 4: Electronic implementation of the algorithms for detection of mental disorders as a specific signal processor n . . . ? ? ? 20

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 IAB: Measures of Success Suggestions of IAB n Cooperation with the industry should be better demonstrated Testonica Lab, Göpel Electronics AB, CERN n Public awareness of the operation should be more directly targeted. This latter two could be combined e. g. with the organization of a student Competition, supported by the industry. Student competition: MEMOCODE'08 (USA), SW/HW Codesign – The student team of DCE won 4. place DATE, ETS (2009 -2013, Several Design & Test Contests, University Booth’s, User Forums – Tchepurov, Tihhomirov, Tchertov, Aleksejev, Tagel 21

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 IAB: Measures of Success Suggestions of IAB n All subprojects should more clearly join together to support each other for maximum synergy n New spin-off companies need to be created CEBE: n Impact on applications: P 1, P 3, P 4 n Impact on research quality: P 2, P 5 n Spin-off company Testonica (Partner of FP 7 Strep Diamond, EUREKA-EUROSTAR project COMBOARD, joint project with Goepel, Germany) 22

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 IAB: Measures of Success Suggestions of IAB n CEBE should have the target of the research clearly written in one overall sentence. Mission: n To carry out interdisciplinary R&D in the fields of • electronics design, • digital design and • biomedical engineering n by a collaborating consortium n with applications in medicine, semiconductor and information technologies 23

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Enesehinnangust ü Interdistsipinaarne koostöö on CEBEs olnud vähene n n n ü CEBE põhimõte on olnud – akadeemiline vabadus n ü Selle tekkimise aluseks peaks olema üksteise tegevuste ja probleemide monitooring Aga ühisseminarid pole käima läinud, tornid on läbipaistmatud Koos tegutsevad vaid mõned üksikud grupid 4 koostööprojekti raames Miks ainult mõned: ajapuudus ja motivatsiooni (!) puudus Koostöö mootoriks on olnud vabatahtlikkus, mitte administratiivne ja projektipõhine sund Kas oleme seda kurjasti kasutanud? Tippteadus vs. rakendused (sünergia objektid) – CEBE spetsiifika teiste TK-dega võrreldes n n Tradeoff Tippkeskuste hindamiskriteeriumite ebamäärasus - ekstsellents

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 CEBE tulevik ü CEBE rahastamisperiood lõpeb 2015 suvel – tulevikku silmas pidades on vaja parima tulemuste paketiga (teadustulemused, rakendused, demonstraatorid) välja minna ü Kas peaks tugevdama paremate tulemuste saamiseks administreerimist? ü Koostöö parandamine teadus-arenduskeskustega (ELIKO)? Millised on võimalused? ü Uueks tippkeskuste programmiks ettevalmistumine (põhimõtteid ja kriteeriume aga alles töötatakse välja; ilmselt on oluliseks muutumas nõuded rakenduslikule väljundile) ü Milline oleks uus CEBE kontseptsioon (lõpp on algus)? ? ?

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Tervishoid ruudus - Health 2 Tehnoloogia Testide süntees, verifitseerimine Diagnoos, rikete parandamine Meditsiinitehnilised seadmed Süsteemi tervis Meditsiini alane teave Doktor Patsiendi tervis 26

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Evolutionary Health Risk Prevention Tool Synergy: Evolutionary Risk Prevention Tool Sensors, equipments Risk factors Biosignals Health diagnosis tool Risks Doctors Healthcare plan 27

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Health 2: Development Objectives System and network design Risk parameter selection Research Data, risk factor values Risks, risk factors Medical knowledge Network of sensors, equipments Health diagnosis tool Medical part Patients Self repair Design and test platform and tools Engineering knowledge Methods, models, and algorithms Doctor Engineering part 28

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Health Diagnosis. Tool Medical knowledge development subtasks Sensor network Biofactors Risk factors (parameters) Risks R 1 R 2 Rn Genetic factors Life style factors F 11. . . F 1 m F 21. . . F 2 m Fh 1. . . Fhm Other factors Health Diagosis Tool Ri Rj = Dj (F 11, . . . , Fhm) Rj Rk Diagnosed risk pattern 29

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 Cooperation in CEBE Bioengineering applications Laboratories-on-chip health monitoring systems, body area sensor networks, implantable cardiac pacemakers Human being Biosignal interpretation BME Bioengineering research brain processes, atherosclerosis, predicting sudden cardiac death, monitoring clinical treatments Industrial applications impedance spectroscopy in scientific experiments, bio-MEMS products, bioprocessors-on-chip food processing, medical instrumentation, energy conversion Mission critical embedded systems Data acquisition bioimpedance, biosignals, biooptical methods Signal processing theory, methods, algorithms, nonclassical DASP techniques Sensorics, sensor networks Dedicated processor architectures, SOC, NOC Technology micro, nano, MEMS Semiconductor research Digital Analog, mixed signal design EMBEL design verification, simulation Defect analysis Test research, fault diagnosis, dependability RES Applications: CAD tools 30

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 CEBE R&D Fields for Health 2 System design Research in biomedical engineering Applications Bioimpedance spectrography & tomography Medical equipment Brain research, EEG spectral analysis, SASI marker Optical dialysis monitoring Signal processing algorithms Pacemakers Design of dedicated processors Mobile SASI analyser Design for low power, speed, cost, reliability Equipments for optical signal measurement Optical pulse wave measurement in arteries Design for dependability Verification, design error automated diagnosis and repair Information for doctors Automated testing and fault diagnosis

© R. Ubar CEBE Workshop, Jäneda, Juuni 17, 2013 RM 4 Health 2: Tasks and Subtasks Theory, models, algorithms, methods, tools > Novelty Engineering development subtasks P 1 – Blood pressure (Kalju, Mart) P 2 – Nefrology (Ivo) P 3 – Neurology (SASI – Hiie) P 4 – Bioimpedance (Mart) Medical knowledge development subtasks Tools and platform development subtasks T 1 – HL Synthesis (Peeter) T 2 – Design (Zamia. CAD/Maksim) T 3 – Verification (Jaan) T 4 – Debug (Jaan) T 5 – Test gener (DECIDER/Jaan) T 6 – Fault simulation (Raimund) T 7 – Fault diagnosis (Raimund) T 8 – BIST/BISD (Raimund) T 9 – Test instruments (Artur) Risk factors (Parameters) Risks P 1 P 2 P 3 P 4. . . R 1 R 2 R 3 Health Diagosis Tool Diagnosed risk 32