Ultrasound technology in human internal organ motion tracking: An application in non-invasive respiratory monitoring

Prolonged monitoring of breathing under different physical conditions is important in many applications, either for personal health tracking or in hospitals. Ultrasound technology has been used widely for imaging and diagnosis of the human body. In this dissertation, we introduce the use of the ultrasound for human respiratory monitoring. The proposed system measures the heart and respiration rates by capturing ultrasound reflections from the heart and surrounding organs. This system is based on ultrasound M-mode to measure the Time of Flight (TOF), amplitude and phase of reflected ultrasound waves generated by piezo transducers. Respiratory and heart rate signals are obtained by tracking the motion of the heart during tidal breathing. Practical tests applied to six subjects exhibited 94.5% sensitivity and 94.0% specificity in respiration detection compared to an SPR-BTA spirometer signal as a reference, and an average accuracy of 96.7% in heartbeats per minute (BPM) measurement.The respiratory waveform obtained from the diaphragmatic motion of the heart contains errors when a subject is moving. Hence, instead of monitoring the diaphragm motions indirectly from the heart, we have tried to find the best place to monitor the diaphragm motions directly. The best place is the zone of apposition (ZOA) which is the area of the diaphragm encompassing the cylindrical portion. The sensor has been placed between ribs 8 and 9 at the mid-axillary line to see both contraction and relaxation of the diaphragm. Six different tests performed on six healthy adults demonstrated an average respiration detection sensitivity and specificity of 84% and 93%, respectively. All tests consisted of body motions, different breathing rate and patterns, apnea and breath-holds simulations. Respiratory waveforms were aected by skin movement artifacts when the sensor is placed in front of rib cage. A sensor with an array of three transducers was designed to compensate the error in a way that at least one out of three transducers is able to track the diaphragm muscle movements. The effectiveness of this procedure has been verified in a comprehensive test including body motions and different sleep positions. The designed low-power and low-complexity prototype delivers accurate respiratory signal tracking. The system can be integrated into a small size wearable device. The sensor is made of a flexible hybrid printed circuit, enabling the conformal sensor interface to the human skin. The proposed sensor is examined against the spirometer output, which is the gold standard in all tests.La surveillance prolongée de la respiration dans différents états physiques est importante dans plusieurs applications pour le suivi de la santé ou dans les hôpitaux. La technologie des ultrasons a été largement utilisée pour l’imagerie et le diagnostic du corps humain. Dans cette dissertation, nous introduisons l’usage des ultrasons pour la surveillance de la respiration humaine. Le système proposé mesure les rythmes respiratoire et cardiaque en capturant les réflexions des ultrasons par le cœur et les organes environnants. Ce système est basé sur les ultrasons en mode M et mesure le temps de vol (TDV), l’amplitude et la phase des ondes ultrasoniques réfléchies générées par des transducteurs piézoélectriques. Les signaux des rythmes respiratoire et cardiaque sont obtenus en suivant le mouvement du cœur durant la respiration courante. Les essais pratiques effectués sur six sujets ont démontré une sensibilité de 94.5 % et une spécificité de 94.0 % par rapport à un spiromètre SPR-BTA utilisé comme référence et une exactitude moyenne de 96.7 % dans la mesure de battements de cœur par minute (BPM).La forme d’onde obtenue à partir du mouvement diaphragmatique du cœur contient des erreurs lorsque le sujet est en mouvement. Donc, au lieu de surveiller le mouvement du diaphragme indirectement à partir du cœur, nous avons tenté de trouver la meilleure position pour surveiller le mouvement du diaphragme directement. Cette position est la zone d’apposition (ZA) qui est la région du diaphragme comprenant la portion cylindrique. Le capteur était placé entre les côtes 8 et 9 sur la ligne médio-axillaire pour capter à la fois la contraction et la relaxation du diaphragme. Six essais différents effectués sur six adultes en bonne santé ont démontré respectivement une sensibilité et une spécificité de détection de la respiration de 89 % et de 93 %. Tous les essais comprenaient des mouvements du corps, des rythmes et profils de respiration différents et des simulations d’apnée et de rétention de la respiration.Les formes d’onde de la respiration étaient affectées par les artéfacts du mouvement de la peau lorsque le capteur est placé devant la cage thoracique. Un capteur avec un arrangement de trois transducteurs a été conçu pour compenser les erreurs de sorte qu’au moins un des trois transducteurs puisse suivre le mouvement musculaire du diaphragme. L’efficacité de ce procédé a été vérifiée par une étude complète, y compris des mouvements du corps et diverses positions de sommeil.Le prototype conçu, de faible puissance et complexité, transmet un signal respiratoire très exact. Le système peur être intégré dans un dispositif portable de petite taille. Le capteur est conçu de circuits imprimés hybrides flexibles, permettant au capteur de se conformer à la peau humaine. Le capteur proposé est examiné par rapport au spiromètre, l’étalon de référence pour tous les essais

Ultrasound Sensors for Diaphragm Motion Tracking: An Application in Non-Invasive Respiratory Monitoring

This paper introduces a novel respiratory detection system based on diaphragm wall motion tracking using an embedded ultrasound sensory system. We assess the utility and accuracy of this method in evaluating the function of the diaphragm and its contribution to respiratory workload. The developed system is able to monitor the diaphragm wall activity when the sensor is placed in the zone of apposition (ZOA). This system allows for direct measurements with only one ultrasound PZT5 piezo transducer. The system generates pulsed ultrasound waves at 2.2 MHz and amplifies reflected echoes. An added benefit of this system is that due to its design, the respiratory signal is less subject to motion artefacts. Promising results were obtained from six subjects performing six tests per subject with an average respiration detection sensitivity and specificity of 84% and 93%, respectively. Measurements were compared to a gold standard commercial spirometer. In this study, we also compared our measurements to other conventional methods such as inertial and photoplethysmography (PPG) sensors

A 16-channel 1.1mm^2 implantable seizure control SoC with sub-μW/channel consumption and closed-loop stimulation in 0.18µm CMOS

We present a 16-channel seizure detection system-on-chip (SoC) with 0.92µW/channel power dissipation in a total area of 1.1mm^2 including a closed-loop neural stimulator. A set of four features are extracted from the spatially filtered neural data to achieve a high detection accuracy at minimal hardware cost. The performance is demonstrated by early detection and termination of kainic acid-induced seizures in freely moving rats and by offline evaluation on human intracranial EEG (iEEG) data. Our design improves upon previous works by over 40× reduction in power-area product per channel. This improvement is a key step towards integration of larger arrays with higher spatiotemporal resolution to further boost the detection accuracy