A wireless reflectance pulse oximeter with digital baseline control for unfiltered photoplethysmograms

Pulse oximeters are central to the move toward wearable health monitoring devices and medical electronics either hosted by, e.g., smart phones or physically embedded in their design. This paper presents a small, low-cost pulse oximeter design appropriate for wearable and surface-based applications that also produces quality, unfiltered photo-plethysmograms (PPGs) ideal for emerging diagnostic algorithms. The design's “filter-free” embodiment, which employs only digital baseline subtraction as a signal compensation mechanism, distinguishes it from conventional pulse oximeters that incorporate filters for signal extraction and noise reduction. This results in high-fidelity PPGs with thousands of peak-to-peak digitization levels that are sampled at 240 Hz to avoid noise aliasing. Electronic feedback controls make these PPGs more resilient in the face of environmental changes (e.g., the device can operate in full room light), and data stream in real time across either a ZigBee wireless link or a wired USB connection to a host. On-board flash memory is available for store-and-forward applications. This sensor has demonstrated an ability to gather high-integrity data at fingertip, wrist, earlobe, palm, and temple locations from a group of 48 subjects (20 to 64 years old)

Design of wireless physiological measurement systems for patients affected by COPD

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a chronic respiratory disorder that affects many adults in Canada. Patients affected by such a condition tend to become less active and are at risk of losing functional capacity. Therefore, it is important for them to exercise regularly throughout the year. However, there are some restricting situations, such as cold weather, limited training space and long distance from training centers that may prevent the regular practice of exercise. In those cases, a rehabilitation exercise program at patients’ homes may be a good option. To help these patients remain active, researchers are developing a hardware/software infrastructure for training remote patients via the internet. Since COPD is a disease that can be deadly, 3 key physiological parameters need to be monitored to ensure the safety of the patients: respiratory rate, oxygen saturation and heart rate. The objective of this master’s project was to develop two wireless instruments to measure physiological parameters: a respiratory sensor belt and a pulse oximeter. A series of experiments were carried out to evaluate the performance of the designed instruments. The test results showed these instruments meet the design requirements and are able be used to monitor the COPD patients. This will help patients with COPD stay active all year and ultimately, help maintain their functional capacity and their quality of life. La maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) est un trouble respiratoire chronique qui affecte un grand nombre d’adultes au Canada. Les patients affectés par cette maladie tendent à être moins actifs et risquent de perdre leur capacité fonctionnelle. Par conséquent, il serait important pour eux de faire de l'activité physique régulièrement. En raison de certaines contraintes, tels que le froid, l’espace d’entraînement limité et l'isolement géographique, la pratique d'activité physique n'est pas toujours possible. Dans ce cas, un programme d’exercices de réhabilitation effectué à domicile pourrait être une bonne solution. Afin d’aider ces patients à demeurer actifs, des chercheurs mettent au point une infrastructure matérielle et logicielle afin d’entraîner ces patients à distance par un lien internet. Puisque la MPOC est une maladie qui peut être mortelle, trois paramètres physiologiques principaux (fréquence respiratoire, la saturation en oxygène et le rythme cardiaque) doivent être surveillés en temps réel pendant l'entraînement pour assurer la sécurité des patients. L’objectif de ce projet de maîtrise est de développer deux instruments sans fil pour mesurer ces paramètres physiologiques : une ceinture de détection du rythme respiratoire et une oxymètre de pouls. Des essais ont été effectués pour évaluer la performance de ces instruments. Les résultats des essais ont montré que ces instruments fonctionnent tel que prévu. À l’aide de ces instruments, les patients MPOC pourraient être actifs pendant toute l’année et ainsi maintenir leurs capacités fonctionnelles

Sensor de fotopletismografia por reflexão sem fios: projeto e desenvolvimento de hardware

Nos anos oitenta do último século começaram a surguir oxímetros wearable que se estabeleceram como um standart para a monitorização da saturação de oxigénio no sangue e actividade cardíaca, de forma não intrusiva. Os referidos oxímetros medem a percentagem de hemoglobina totalmente saturada com oxigénio (SPO2), transmitindo luz com comprimentos de onda diferentes, vermelha e infra-vermelha, através dos tecidos. Os dispositivos wearable atuais são frequentemente desenhados de forma modular, em que o módulo de medição e de display são integrados num único dispositivo. O armazenamento e tratamento de dados é difícil uma vez que são dispositivos de tamanho reduzido; baixo consumo de energia; baixo custo e baixa capacidade de processamento de dados. Tendo em conta que a quantidade de dados recolhidos é relativamente baixa, a sua transmissão de forma wireless é conveniente. Nesta dissertação é desenvolvido e testado um oxímetro de pulso em modo refletivo capaz de cálcular a saturação de oxigénio no sangue, o batimento cardíaco e enviar os dados de forma wireless para outros dispositivos. O hardware desenvolvido engloba quatro módulos funcionais: fonte de alimentação constituída por um conversor DC-DC e um regulador de tensão linear, circuito de carga e monitorização da bateria que controla os ciclos de carga e descarga da bateria, um módulo de rádio frequência que permite que o oxímetro comunique com outros dispositivos de forma wireless e um microcontrolador responsável por gerir todas as comunicações e pelo processamento de sinal. O sofware desenvolvido divide-se em duas partes: uma interface gráfica escrita em Matlab que permite a comunicação entre o computador e o oxímetro e o firmware do microcontrolador que engloba todos os algoritmos de cálculo do SPO2, do batimento cardíaco, drivers de periféricos, gestão das comunicações e aquisição e processamento dos dados.Ever since the early 80s from the last century, wearable oximeters appear as the established standard for non-invasive monitoring of arterial oxygen saturation (SpO2) and heart activity wearable oximeters can monitor arterial SpO2, which is the percentage of arterial hemoglobin that is fully saturated with oxygen, by transmitting red and infrared light through the finger, where it is sensed. The current wearable oximeters are frequently designed as single modular devices, namely, the measurement and display modules are integrated on a single device, which are responsible for several problems. Such devices lack effective data management functions and by being limited by size, power consumption and cost, advanced operating systems cannot be embedded to such wearable oximeters, making difficult to store and manage data. Bearing in mind that the amount of data pulse wave signal collected is small, transmit it wirelessly is convenient and effective. In this thesis a reflective pulse oximeter is developed and tested capable of assessing the oxygen blood saturation (SpO2), the heart rate and send the acquired data through wireless communication to other devices. The developed hardware comprises four functional modules: the power supply made of a DCDC converter and a linear voltage regulator, the charging circuit and battery monitoring system which controls the charging and discharging cycles of the battery, a radio-frequency module that allows the device to connect through wireless communication to other devices and a microcontroller responsible for the management of the communications and for the signal processing. The software developed in this thesis is made of two parts. One being the Matlab graphical interface that allows the communication between the oximeter and the PC while the other one being the microcontroller which comprises all the algorithms of SpO2, heart rate, management of the communication, drivers, and data acquisition and processing

Desenvolvimento de um Sistema de Reconhecimento de Atividades Humanas e Monitoramento Remoto Utilizando um Dispositivo Vestível

Fatores como o envelhecimento da população e o consequente aumento do número de pessoas com doenças crônicas implicam um crescimento exponencial dos custos de assistência médica, visto que o sistema de saúde deve ser capaz de atender a um número cada vez maior de pessoas, mantendo a qualidade do atendimento. Visando redução de custos e melhoria da qualidade, seria desejável um sistema de saúde focado no paciente, no qual se poderia detectar precocemente condições médicas, evitando hospitalizações, bem como acompanhá-los remotamente, evitando a permanência destes no hospital. Nesse contexto, dispositivos de monitoramento remoto tornam-se essenciais para coletar informações importantes de pacientes e torná-las disponíveis ao provedor de saúde. O avanço tecnológico conseguido com a miniaturização de sensores e as novas tecnologias de comunicação sem fio de baixo consumo energético impulsionam o desenvolvimento de sistemas de monitoramento remoto de saúde com dispositivos vestíveis. O presente trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de reconhecimento de atividades humanas e de monitoramento remoto, utilizando três diferentes abordagens. Para a primeira abordagem, conseguiu-se uma acurácia de 89,11% e precisão de 91,45% na classificação de seis diferentes atividades. Já para as duas últimas abordagens, construiu-se a estrutura completa de monitoramento remoto da intensidade das atividades realizadas por uma pessoa, desde a coleta dos dados até o envio por e-mail para acompanhamento à distância pelo provedor de saúde. Os resultados obtidos com o sistema desenvolvido demonstram a sua viabilidade tanto para o reconhecimento de atividades humanas quanto para monitoramento remoto. Palavras-chave: Sistemas Embarcados, Dispositivos Vestíveis, Reconhecimento de Padrões, Reconhecimento de Atividades Humanas, Monitoramento Remoto