Portable spirometer using pressure-volume method with Bluetooth integration to Android smartphone

This paper presents a study on an embedded spirometer using the low-cost MPX5100DP pressure sensor and an Arduino Uno board to measure the air exhaled flow rate and calculate force vital capacity (FVC), forced expiratory volume in 1 s (FEV1), and the FEV1/FVC ratio of human lungs volume. The exhaled air flow rate was measured from differential pressure in the sections of a mouthpiece tube using the venturi effect equation. This constructed mouthpiece and the embedded spirometer resulted in a 96.27% FVC reading accuracy with a deviation of 0.09 L and 98.05% FEV1 accuracy with a deviation of 0.05 L compared to spirometry. This spirometer integrates an HC-05 Bluetooth module for spirometry data transceiving to a smartphone for display and recording in an Android application for further chronic obstructive pulmonary disease (COPD) diagnosis

Internet of Things for Sustainable Human Health

The sustainable health IoT has the strong potential to bring tremendous improvements in human health and well-being through sensing, and monitoring of health impacts across the whole spectrum of climate change. The sustainable health IoT enables development of a systems approach in the area of human health and ecosystem. It allows integration of broader health sub-areas in a bigger archetype for improving sustainability in health in the realm of social, economic, and environmental sectors. This integration provides a powerful health IoT framework for sustainable health and community goals in the wake of changing climate. In this chapter, a detailed description of climate-related health impacts on human health is provided. The sensing, communications, and monitoring technologies are discussed. The impact of key environmental and human health factors on the development of new IoT technologies also analyzed

Optical Fiber Interferometric Sensors

The contributions presented in this book series portray the advances of the research in the field of interferometric photonic technology and its novel applications. The wide scope explored by the range of different contributions intends to provide a synopsis of the current research trends and the state of the art in this field, covering recent technological improvements, new production methodologies and emerging applications, for researchers coming from different fields of science and industry. The manuscripts published in the Special issue, and re-printed in this book series, report on topics that range from interferometric sensors for thickness and dynamic displacement measurement, up to pulse wave and spirometry applications

Selected Papers from the 5th International Electronic Conference on Sensors and Applications

This Special Issue comprises selected papers from the proceedings of the 5th International Electronic Conference on Sensors and Applications, held on 15–30 November 2018, on sciforum.net, an online platform for hosting scholarly e-conferences and discussion groups. In this 5th edition of the electronic conference, contributors were invited to provide papers and presentations from the field of sensors and applications at large, resulting in a wide variety of excellent submissions and topic areas. Papers which attracted the most interest on the web or that provided a particularly innovative contribution were selected for publication in this collection. These peer-reviewed papers are published with the aim of rapid and wide dissemination of research results, developments, and applications. We hope this conference series will grow rapidly in the future and become recognized as a new way and venue by which to (electronically) present new developments related to the field of sensors and their applications

A Smart Phone Based Handheld Wireless Spirometer with Functions and Precision Comparable to Laboratory Spirometers

We report a smart phone based handheld wireless spirometer which uses a Lilly type sensing flowhead for respiratory signal acquisition and transmits the data to smartphone or other mobile terminals with Bluetooth signal transmission for data processing and result display. The developed spirometer was demonstrated to be able to detect flow rates ranging from 0–15 L/s with an accuracy of 4 mL/s, and can perform tests of flow volume (FV), forced vital capacity (FVC), forced expiratory volume in 1 s (FEV1), peak expiratory flow (PEF), etc. By having the functions and precision comparable to laboratory spirometers, it satisfies the American Thoracic Society and European Respiratory Society (ATS/ERS) proposed performance requirements for spirometer. At the same time, it is low cost, light and handy, low power consumption battery-powered. The test of 12 cases of subjects using the developed spirometer also indicated that it was easy to use for both providers and patients, and suitable for the Point of Care Test (POCT) of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and asthma at general-practice settings and homes

Неінвазивний моніторинг стану людини при інтоксикації монооксидом вуглецю

Велигоцький Д.В. «Неінвазивний моніторинг стану людини при інтоксикації монооксидом вуглецю». – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 «Біологічні та медичні прилади і системи». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2022. Дисертаційна робота присвячена розширенню функціональних можливостей засобів моніторингу стану людини під час інтоксикації монооксидом вуглецю (CO) шляхом неінвазивної реєстрації фізіологічних параметрів організму. У роботі розроблено метод неінвазивного моніторингу стану людини під час інтоксикації CO шляхом комплексного аналізу фізіологічних показників кровоносної та дихальної систем, що дозволило розширити функціональні можливості біомедичних інформаційновимірювальних засобів неінвазивного моніторингу. Удосконалено фотометричний метод неінвазивного визначення вмісту карбоксигемоглобіну (HbCO) та оксигемоглобіну (SaO2) в артеріальній крові шляхом додаткової генерації випромінювання та реєстрації спектрів поглинання світла на довжині хвилі =568 нм, що забезпечило селективність та дозволило підвищити точність оксигемоглобіну та достовірність моніторингу карбоксигемоглобіну. Обґрунтовано принципи аналізу фотоплетизмографічних сигналів шляхом визначення тривалості кардіоінтервалів, що дозволило визначати наявність екстрасистолії, тахікардії та брадикардії у роботі серця. У вступі наводиться обґрунтування актуальності обраної теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та основні завдання дослідження, об’єкт, предмет дослідження, зазначена наукова новизна та визначена практична цінність отриманих результатів, наведено особистий внесок автора та відомості про апробацію результатів дослідження, зазначена кількість публікацій, в яких відображено результати роботи. У першому розділі проведено інформаційні дослідження наявних новітніх методів та засобів моніторингу для стеження за показниками життєвих функцій людини під час інтоксикації шкідливими випарами. Під час аналізу наявних публікацій, виявлено підтвердження актуальної потреби в неінвазивних засобах стеження за змінами концентрації показників транспорту гемоглобінових фракцій потоками крові, в тому числі оксигемоглобіну, дезоксигемоглобіну та карбоксигемоглобіну, як важливих індикаторів і передвісників ускладнень газотранспортної функції організму поєднано з моніторингом інших життєвих функцій для виявлення інтоксикації у пацієнта. Другий розділ присвячено опису методів та засобів, які використовувалися під час виконання дисертаційної роботи. Розроблення та дослідження оптоелектронних блоків виконувались спершу на макетних платах, їх виготовлення та складання проведено власними силами і сторонніми спеціалізованими організаціями, а їх випробовування здійснювалися на власній експериментальній базі на відповідність функціонування. Для роботи використовувались різні специфічні електронні вимірювальні прилади. У третьому розділі роботи узагальнено наведено напрями наслідків можливого негативного впливу вдихуваного повітря з домішками шкідливих випарів та монооксиду вуглецю на життєві функції людини через утворення підвищеної концентрації карбоксигемоглобіну в крові. Визначено показники, які мають використовуватись для діагностування ступеню інтоксикації потерпілих від перебування в середовищах з підвищеним вмістом шкідливих випарів та CO в оточуючому середовищі під час обстеження і визначенні заходів екстреної терапії. На підставі визначених параметрів кровоносної та дихальної систем, розроблено метод та структурно-функціональну схему системи неінвазивного моніторингу стану людини під час інтоксикації CO та обґрунтовано елементну базу для створення експериментального зразка. Для реалізації розробленого методу моніторингу стану людини під час інтоксикації було створено інформаційно-вимірювальну систему (зразок приладу типу «МР-01»), яка містить модулі визначення сукупності показників системи дихання, роботи серця та гемодинаміки, параметрів транспорту газів (відносної концентрації HbCO та SaO2 в крові), артеріального тиску та терморегуляції, а також мікроконтролерний модуль їх комплексної оцінки фізіологічних показників організму під час інтоксикації, дозволила в режимі реального часу здійснювати процеси збору даних, їх передачі та прийняття рішення про наявність інтоксикації. В цьому розділі запропоновано перелік показників системи дихання, які будуть визначатись: тривалість циклу дихання, тривалість одного видиху, тривалість одного вдиху, частота дихання, об’єм видиху, об’єм вдиху та значення легеневої вентиляції за допомогою крильчато-тахометричного витратоміра. Описується розроблений апаратно-програмний модуль визначення та моніторингу сукупності показників роботи системи дихання та результати проведених досліджень на стендах визначення точності об’ємів повітря одного видиху в діапазоні від 1 до 9 л з високою лінійністю (коефіцієнт регресії R 2=0,989). Обґрунтовані принципи аналізу фотоплетизмографічних сигналів, що включають попередню обробку, визначення тривалості кардіоінтервалів за методом першої похідної, їх накопичення та порівняння з еталонними, а також графічне відображення на гістограмі розподілу, які дозволили визначати патологічні стани серця, такі як екстрасистолія, тахікардія та брадикардія. Розроблено апаратно-програмний модуль визначення та моніторингу сукупності показників транспорту газів кров’ю. Насамперед визначення значень відносної концентрації оксигемоглобіну та карбоксигемоглобіну в артеріальній крові, і концентрації СО у видихуваному та оточуючому повітрі. На підставі удосконаленого фотометричного методу розроблено алгоритми та створене програмне забезпечення «СО-Monitor», яке дозволило шляхом порівняння з результатами роботи комерційного пульсоксиметру оцінити точність визначення SaO2, а на основі дослідження двох груп добровольців з відомими значеннями рівня HbCO визначити достовірність його моніторингу. Експериментальні дослідження роботи модулю неінвазивного визначення та моніторингу вмісту HbCO та SaO2 у рухомій крові шляхом використання джерел генерації та реєстрації спектрів поглинання світла на трьох довжинах хвиль – 568 нм, 660 нм та 940 нм продемонстрували відносну похибку визначення SaO2 – 0.98% та достовірність визначення HbCO у двох груп добровольців з відомими значеннями HbCO: від 2 до 4,4% для осіб, які не палять тютюнові вироби та від 5,7 до 7,7% для тих хто палить. Для визначення значення СО було проведено калібрування розробленого модуля і отримана калібрувальна залежність з коефіцієнтом регресії R 2=0,867. Створено функціональні структури, електронні схеми та алгоритми апаратно-програмного мікроконтролерного модуля керування процесами визначення та моніторингу сукупності показників роботи функціональних систем на основі мікроконтролерної плати STM32F746G Discovery. Четвертий розділ дисертаційної роботи містить узагальнені технічні характеристики створеного зразка багатопараметричного монітору «МР-01», зорієнтованого на використання службами екстреної медичної допомоги та підвищення якості заходів зі збереження здоров’я потерпілих осіб. Наводиться його комплектність і операційні можливості для неінвазивного контролю CO у крові людини у поєднанні з синхронною реєстрацією сукупності показників зовнішнього дихання, роботи серця, параметрів транспорту газів кров’ю, температури та деяких інших показників, які важливі для діагностування стану людини з ознаками інтоксикації від дихання CO чи іншими шкідливими випарами.Velyhotskyi D.V. “Non-invasive monitoring of human condition during carbon monoxide intoxication.” – Qualified scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.11.17 "Biological and medical devices and systems". – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2021. The dissertation is devoted to expanding the functionality of means of monitoring a person's condition during carbon monoxide (CO) intoxication by means of non-invasive registration of the body's physiological parameters. The work developed a method of non-invasive monitoring of a person's condition during CO intoxication through a complex analysis of physiological indicators of the circulatory and respiratory systems, which made it possible to expand the functional capabilities of biomedical information and measurement tools for non-invasive monitoring. The photometric method of non-invasive determination of the content of carboxyhemoglobin (HbCO) and oxyhemoglobin (SaO2) in arterial blood was improved by additional generation of radiation and registration of light absorption spectra at a wavelength of =568 nm, which ensured selectivity and made it possible to increase the accuracy of oxyhemoglobin and the reliability of carboxyhemoglobin monitoring. The principles of the analysis of photoplethysmographic signals by determining the duration of cardiointervals were substantiated, which made it possible to determine the presence of extrasystole, tachycardia and bradycardia in the work of the heart. The introduction provides justification for the relevance of the chosen topic of the dissertation, formulates the purpose and main tasks of the research, the object, the subject of the research, indicates the scientific novelty and determined the practical value of the obtained results, gives the personal contribution of the author and information about the approval of the research results, the number of publications is indicated, in which the results of the work are displayed. In the first chapter, information studies of the available latest methods and means of monitoring for monitoring indicators of human vital functions during intoxication with harmful vapors were carried out. During the analysis of available publications, confirmation of the urgent need for non-invasive means of monitoring changes in the concentration of hemoglobin fraction transport indicators by blood streams, including oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin and carboxyhemoglobin, was found as important indicators and precursors of complications of the gas transport function of the body, combined with monitoring of other vital functions to identify intoxication in the patient. Publications on developments, direct analogues of the topic of this dissertation aimed at the development of technologies and means of monitoring vital functions in intoxicated CO, have not been found, although many studies and developments of individual aspects relate to this direction without detailing them, and therefore require their own research into the conditions of their reproduction and clarification of agreed modes of their functioning. The second chapter is devoted to the description of the methods and tools used during the dissertation work. The development and research of optoelectronic units was first carried out on mock-up boards, their production and assembly were carried out inhouse and by third-party specialized organizations, and their tests were carried out on our own experimental base for compliance with functioning. Various specific electronic measuring devices were used for work. The third chapter of the work summarizes the directions of the possible negative impact of inhaled air with impurities of harmful vapors and carbon monoxide on human vital functions due to the formation of an increased concentration of carboxyhemoglobin in the blood. The indicators that should be used to diagnose the degree of intoxication of victims of being in environments with an increased content of harmful vapors and CO in the surrounding environment during the examination and determination of emergency therapy measures have been determined. On the basis of the determined parameters of the circulatory and respiratory systems, a method and structural-functional scheme of the system of non-invasive monitoring of the human condition during CO intoxication was developed, and the elemental base for creating an experimental sample was substantiated. To implement the developed method of monitoring a person's condition during intoxication, an information and measurement system was created (the "MR-01" device), which contains modules for determining a set of indicators of the respiratory system, heart work and hemodynamics, parameters of gas transport (relative concentration of HbCO and SaO2 in the blood), blood pressure and thermoregulation, as well as a microcontroller module for their comprehensive assessment of the physiological indicators of the body during intoxication, allowed to carry out the processes of data collection, their transfer and decision-making about the presence of intoxication in real time. This chapter offers a list of indicators of the respiratory system that will be determined: the duration of the breathing cycle, the duration of one exhalation, the duration of one inhalation, the frequency of breathing, the volume of exhalation, the volume of inspiration and the value of pulmonary ventilation using a vane-tachometric flow meter. The developed hardware and software module for determining and monitoring a set of indicators of the respiratory system and the results of research conducted on the stands for determining the accuracy of air volumes of one exhalation in the range from 1 to 9 L with high linearity (regression coefficient R2=0.989) are described. Reasoned principles of analysis of photoplethysmographic signals, including preliminary processing, determination of the duration of cardio intervals by the method of the first derivative, their accumulation and comparison with reference ones, as well as graphic display on a distribution histogram, which allowed to determine pathological conditions of the heart, such as extrasystole, tachycardia and bradycardia. A hardware and software module for determining and monitoring a set of blood gas transport indicators has been developed. First of all, determining the values of the relative concentration of oxyhemoglobin and carboxyhemoglobin in arterial blood, and the concentration of CO in exhaled and ambient air. On the basis of the improved photometric method, algorithms were developed and the "СО-Monitor" software was created, which made it possible to assess the accuracy of SaO2 determination by comparing it with the results of a commercial pulse oximeter, and on the basis of a study of two groups of volunteers with known values of the HbCO level, to determine the reliability of its monitoring. Experimental studies of the operation of the module for non-invasive determination and monitoring of HbCO and SaO2 content in moving blood by using sources of generation and registration of light absorption spectra at three wavelengths – 568 nm, 660 nm and 940 nm demonstrated the relative error of SaO2 determination – 0.98% and the reliability of HbCO determination in two groups of volunteers with known HbCO values: from 2 to 4.4% for nonsmokers and from 5.7 to 7.7% for smokers. To determine the CO value, the developed module was calibrated and the calibration dependence with the regression coefficient R2=0.867 was obtained. The functional structures, electronic circuits and algorithms of the hardwaresoftware microcontroller module for controlling the processes of determining and monitoring a set of performance indicators of functional systems based on the STM32F746G Discovery microcontroller board have been created. The fourth chapter of the dissertation contains generalized technical characteristics of the created sample of the multi-parameter monitor "MR-01", aimed at the use of emergency medical services and improving the quality of measures to preserve the health of injured persons. It shows its completeness and operational opportunities for non-invasive CO control in human blood in combination with synchronous registration of a set of indicators: external respiration, heart function, blood transport parameters, temperature and some other indicators that are important for diagnosing a person with signs of intoxication from breathing CO or other harmful evaporation

The Measurement of Sporting Performance using Mobile Physiological Monitoring Technology

Coaches are constantly seeking more ecologically valid and reliable data to improve professional sporting performance. Using unobtrusive, valid and reliable mobile physiological monitoring devices may assist in achieving this aim. For example, there is limited information regarding professional fast bowlers in cricket and understanding this role during competitive in-match scenarios rather than in simulated bowling events could enhance coaching and physical conditioning practices. The BioharnessTM is a mobile monitoring device and assesses 5 variables (Heart rate [HR], Breathing frequency [BF], Accelerometry [ACC], Skin temperature [ST] and Posture [P]) simultaneously. Therefore, the aims of this research were to assess the effectiveness of the BioharnessTM mobile monitoring device during professional sporting performance using fast bowlers in cricket and this was to be achieved in five research studies. Study 1 presented the physiological profile of professional cricketers reporting fitness data with other comparable professional athletes, with a specific interest in fast bowlers who were to be the focus of this work. The 2nd and 3rd study assessed the reliability and validity of the BioharnessTM through controlled laboratory based assessment. For validity, strong relationships (r = .89 to .99, P .89, P 79.2 beat.min-1) and BF (> 54.7 br.min-1). ACC presented excellent precision (r = .94, P .97, P 10 km.h-1) variables became more erroneous. HR and ACC were deemed as valid and reliable to be assessed during in-match sporting performance in study 5. This final study sought to utilise and assess the BioharnessTM device within professional cricket, assessing physiological responses of fast-medium bowlers within a competitive sporting environment, collected over three summer seasons. The BioharnessTM presented different physiological profiles for One Day (OD) and Multi Day (MD) cricket with higher mean HR (142 vs 137 beats.min-1, P < .05) and ACC (Peak acceleration (PkA) 227.6 vs 214.9 ct.episode-1, P < .01) values in the shorter match format. Differences in data for the varying match states of bowling (HR, 142 vs 137 beats.min-1, PkA 234.1 vs 226.6 ct.episode-1), between over (HR, 129 vs 120beats.min-1, PkA 136.4 vs 126.5 ct.episode-1) and fielding (115 vs 106 beats.min-1, PkA 1349.9 vs 356.1 ct.episode-1) were reported across OD and MD cricket. Therefore, this information suggests to the coach that the training regimes for fast bowlers should be specific for the different demands specific to the format of the game employed. Relationships between in-match BioharnessTM data and bowling performance were not clearly established due to the complexities of uncontrollable variables within competitive cricket. In conclusion, the BioharnessTM has demonstrated acceptable validity and reliability in the laboratory and the field setting for all variables (Heart rate, Breathing frequency, Accelerometry, Skin temperature and Posture) but with limitations for heart rate and breathing frequency at the more extreme levels of performance. Furthermore, taking these limitations into account it has successfully been utilised to assess performance and provide further insight into the physiological demands in the professional sport setting. Therefore, this work suggests that coaches and exercise scientists working together should seek to utilise new mobile monitoring technology to access unique insights in to sporting performance which may be unobtainable in the laboratory or a simulated field based event