Continuous monitoring of vital parameters for clinically valid assessment of human health status

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019The lack of devices suitable for acquiring accurate and reliable measures of patients' physiolog-ical signals in a remote and continuous manner together with the advances in data acquisition technol-ogies during the last decades, have led to the emergence of wearable devices for healthcare. Wearable devices enable remote, continuous and long-term health monitoring in unattended setting. In this con-text, the Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology (Empa) developed a wearable system for long-term electrocardiogram measurements, referred to as textile belt. It consists of a chest strap with two embroidered textile electrodes. The validity of Empa’s system for electrocardiogram monitoring has been proven in a clinical setting. This work aimed to assess the validity of the textile belt for electrocardiogram monitoring in a home setting and to supplement the existing system with sensors for respiratory monitoring. Another objective was to evaluate the suitability of the same weara-ble, as a multi-sensor system, for activity monitoring. A study involving 12 patients (10 males and 2 females, interquartile range for age of 48–59 years and for body mass indexes of 28.0–35.5 kg.m-2) with suspected sleep apnoea was carried out. Overnight electrocardiogram was measured in a total of 28 nights. The quality of recorded signals was assessed using signal-to-noise ratio, artefacts detection and Poincaré plots. Study data were compared to data from the same subjects, acquired in the clinical setting. For respiratory monitoring, optical fibre-based sensors of different geometries were integrated into the textile belt. Signal processing algorithms for breathing rate and tidal volume estimation based on respiratory signals acquired by the sensors were developed. Pilot studies were conducted to compare the different approaches for respiratory monitoring. The quality of respiratory signals was determined based on signal segments “sinusoidality”, evaluated through the calculation of the cross-correlation between signal segments and segment-specific reference waves. A method for accelerometry-based lying position recognition was proposed, and the proof of concept of activity intensity classification through the combination of subjects’ inertial acceleration, heart rate and breathing rate data, was presented. Finally, a study with three participants (1 male and 2 females, aged 21 ± 2 years, body mass index of 20.3 ± 1.5 kg.m-2) was conducted to assess the validity of the textile belt for respiratory and activity monitoring. Electrocardiogram signals acquired by the textile belt in the home setting were found to have better quality than the data acquired by the same device in the clinical setting. Although a higher artefact percentage was found for the textile belt, signal-to-noise ratio of electrocardiogram signals recorded by the textile belt in the home setting was similar to that of signals acquired by the gel electrodes in the clinical setting. A good agreement was found between the RR-intervals derived from signals recorded in home and clinical settings. Besides, for artefact percentages greater than 3%, visual assessment of Poincaré plots proved to be effective for the determination of the primary source of artefacts (noise or ectopic beats). Acceleration data allowed posture recognition (i.e. lying or standing/sitting, lying position) with an accuracy of 91% and positive predictive value of 80%. Lastly, preliminary results of physical activity intensity classification yielded high accuracy, showing the potential of the proposed method. The textile belt proved to be appropriate for long-term, remote and continuous monitoring of subjects’ physical and physiological parameters. It can monitor not only electrocardiogram, but also breathing rate, body posture and physical activity intensity, having the potential to be used as tool for disease prediction and diagnose support.Contexto: A falta de dispositivos adequados para a monitorização de sinais fisiológicos de um modo remoto e contínuo, juntamente com avanços tecnológicos na área de aquisição de dados nas últimas décadas, levaram ao surgimento de wearable devices, i.e. dispositivos vestíveis, no sector da saúde. Wearable devices possibilitam a monitorização do estado de saúde, de uma forma remota, contínua e de longa duração. Quando feito em ambiente domiciliar, este tipo de monitorização (i.e. contínua, remota e de longa duração) tem várias vantagens: diminui a pressão posta sobre o sistema de saúde, reduz despesas associadas ao internamento e acelera a resposta a emergências, permitindo deteção precoce e prevenção de condições crónicas. Neste contexto, a Empa, Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais, desenvolveu um sistema vestível para a monitorização de eletrocardiograma de longa duração. Este sistema consiste num cinto peitoral com dois elétrodos têxteis integrados. Os elétrodos têxteis são feitos de fio de polietileno tereftalato revestido com prata e uma ultrafina camada de titânio no topo. De modo a garantir a aquisição de sinais de alta qualidade, o cinto tem nele integrado um reservatório de água que liberta vapor de água para humidificar os elétrodos. Este reservatório per-mite a monitorização contínua de eletrocardiograma por 5 a 10 dias, sem necessitar de recarga. A vali-dade do cinto para a monitorização de eletrocardiograma em ambiente clínico já foi provada. Objetivo: Este trabalho teve por objetivo avaliar a validade do cinto para a monitorização de eletrocar-diograma em ambiente domiciliar e complementar o sistema existente com sensores para monitorização respiratória. Um outro objetivo foi analisar a adequação do cinto, como um sistema multisensor, para monitorização da atividade física. Métodos: Um estudo com 12 pacientes com suspeita de apneia do sono (10 homens e 2 mulheres, am-plitude interquartil de 48–59 anos para a idade e de 28.0–35.5 kg.m-2 para o índice de massa corporal) foi conduzido para avaliar a qualidade do sinal de eletrocardiograma medido em ambiente domiciliar. O sinal de eletrocardiograma dos pacientes foi monitorizado continuamente, num total de 28 noites. A qualidade dos sinais adquiridos foi analisada através do cálculo da razão sinal-ruído; da deteção de ar-tefactos, i.e., intervalos RR com um valor inviável de um ponto de vista fisiológico; e de gráficos de Poincaré, um método de análise não linear da distribuição dos intervalos RR registados. Os dados ad-quiridos neste estudo foram comparados com dados dos mesmos pacientes, adquiridos em ambiente hospitalar. Para a monitorização respiratória, sensores feitos de fibra óptica foram integrados no cinto. Al-gorítmicos para a estimar a frequência respiratória e o volume corrente dos sujeitos tendo por base o sinal medido pelas fibras ópticas foram desenvolvidos neste trabalho. As diferentes abordagens foram comparadas através de estudos piloto. Diferentes métodos para avaliação da qualidade do sinal adquirido foram sugeridos. Um método de reconhecimento da postura corporal através do cálculo de ângulos de orientação com base na aceleração medida foi proposto. A prova de conceito da determinação da intensidade da atividade física pela combinação de informações relativas á aceleração inercial e frequências cardíaca e respiratória dos sujeitos, é também apresentada neste trabalho. Um estudo foi conduzido para avaliar a validade do cinto para monitorização da respiração e da atividade física. O estudo contou com 10 parti-cipantes, dos quais 3 vestiram o cinto para monitorização da respiração (1 homem e 2 mulheres, idade 21 ± 2 anos, índice de massa corporal 20.3 ± 1.5 kg.m-2). Resultados: O estudo feito com pacientes com suspeita de apneia do sono revelou que os sinais eletro-cardiográficos adquiridos pelo cinto em ambiente domiciliar foram de melhor qualidade que os sinais adquiridos pelo mesmo dispositivo em ambiente hospitalar. Uma percentagem de artefacto de 2.87% ±4.14% foi observada para os dados adquiridos pelos elétrodos comummente usados em ambiente hospi-talar, 7.49% ± 10.76% para os dados adquiridos pelo cinto em ambiente domiciliar e 9.66% ± 14.65% para os dados adquiridos pelo cinto em ambiente hospitalar. Embora tenham tido uma maior percenta-gem de artefacto, a razão sinal-ruído dos sinais eletrocardiográficos adquiridos pelo cinto em ambiente domiciliar foi semelhante á dos sinais adquiridos pelos elétrodos de gel em ambiente hospitalar. Resul-tados sugerem uma boa concordância entre os intervalos RR calculados com base nos eletrocardiogra-mas registados em ambientes hospitalar e domiciliar. Além disso, para sinais com percentagem de arte-facto superior a 3%, a avaliação visual dos gráficos de Poincaré provou ser um bom método para a determinação da fonte primária de artefactos (batimentos irregulares ou ruído). A monitorização da aceleração dos sujeitos permitiu o reconhecimento da postura corporal (isto é, deitado ou sentado/em pé) com uma exatidão de 91% e valor preditivo positivo de 80%. Por fim, a classificação da intensidade da atividade física baseado na aceleração inercial e frequências cardíaca e respiratória revelou elevada exatidão, mostrando o potencial desta técnica. Conclusão: O cinto desenvolvido pela Empa provou ser apropriado para monitorização de longa-dura-ção de variáveis físicas e fisiológicos, de uma forma remota e contínua. O cinto permite não só monito-rizar eletrocardiograma, mas também frequência respiratória, postura corporal e intensidade da atividade física. Outros estudos devem ser conduzidos para corroborar os resultados e conclusões deste trabalho. Outros sensores poderão ser integrados no cinto de modo a possibilitar a monitorização de outras vari-áveis fisiológicas de relevância clínica. Este sistema tem o potencial de ser usado como uma ferramenta para predição de doenças e apoio ao diagnóstico

Applicability of a Textile ECG-Belt for Unattended Sleep Apnoea Monitoring in a Home Setting

Sleep monitoring in an unattended home setting provides important information complementing and extending the clinical polysomnography findings. The validity of a wearable textile electrocardiography (ECG)-belt has been proven in a clinical setting. For evaluation in a home setting, ECG signals and features were acquired from 12 patients (10 males and 2 females, showing an interquartile range for age of 48–59 years and for body mass indexes (BMIs) of 28.0–35.5) over 28 nights. The signal quality was assessed by artefacts detection, signal-to-noise ratio, and Poincaré plots. To assess the validity, the data were compared to previously reported data from the clinical setting. It was found that the artefact percentage was slightly reduced for the ECG-belt from 9.7% ± 14.7% in the clinical setting, to 7.5% ± 10.8% in the home setting. The signal-to-noise ratio was improved in the home setting and reached similar values to the gel electrodes in the clinical setting. Finally, it was found that for artefact percentages above 3%, Poincaré plots are instrumental to evaluate the origin of artefacts. In conclusion, the application of the ECG-belt in a home setting did not result in a reduction in signal quality compared to the ECG-belt used in the clinical setting, and thus provides new opportunities for patient pre-screening or follow-up