A Wearable System for Heart Failure Monitoring

Abstract

A insuficiência cardíaca é o problema de saúde mais letal e dispendioso no nos países desenvolvidos. Neste projecto é proposto um sistema vestível para monitorização de biossinais relacionados com a insuficiência cardíaca, baseado em componentes baratose acessíveis e em software de código aberto. Recorrendo a um microcontrolador AVR comum com comunicação Bluetooth e circuitos integrados de processamento de sinais analógicos conseguiu-se adquirir, gravar e transmitir sinais de electrocardiograma e fotopletismograma. Através do desenvolvimento de uma aplicação Android, estes sinais podem ser processados e apresentados em tempo real e é possível executar posprocessamento demasiado pesado para o microcontrolador de forma a calcular parâmetros secundários como a tensão arterial e o ritmo cardíaco. Para isso foi implementado um algoritmo de detecção de picos nas formas de onda dos sinais adquiridos assim como funcionalidade de encriptação de forma a garantir aconfidencialidade dos dados em transmissão. O principal objectivo deste trabalho é tentar evidenciar o potencial para a utilização de sistemas embebidos em redes sem fios de sensores de forma a expandir a recolha de dados médicos, melhorar abordagens terapêuticas baseadas no auto cuidado e dar aos profissionais de saúde uma perspetiva mais abrangente acerca do estado dos seus pacientes.Com isto em mente, os objectivos deste projecto de Mestrado são 1) determinar o estado da arte dos sistemas de dispositivos vestíveis e potenciais equivalentes de baixo custo e open source, 2) estudo e familiarização com estes systemas, 3) desenvolvimento de um protótipo, 4) estudo comparativo entre diferentes configurações, 5) desenvolvimento com uma abordagem full-stack.

Heart failure is the most lethal and costly health problem in the developed world. In this project a wearable device for monitoring heart failure related biosignals based on cheap readily available components and open source software is proposed. Employing a common, Bluetooth enabled, AVRmicrocontroller and simple analog signal processing integrated circuits, live, high sample rate photoplethysmogram and electrocardiogram data recording and streaming was achieved. Through the development of an Android application, the data can be processed and presented real-time and computationally expensive postprocessing can be done to infer relevant secondary parameters, bloodpressure and heart rate. To enable this, a waveform peak detection algorithm was implemented aswell as storage and encryption functionality to ensure data confidentiality. The main purpose ofthis work is to attempt to highlight the potential for the employment of embedded devices in wireless sensor networks to expand medical data collection, improve self-care therapeutical approaches and give practitioners more insight into the condition of their patients.With the above in mind, the objectives of this Master’s project are 1) to assess the state ofthe art of wearable heart disease related monitoring systems and potential low-cost and open source counterparts, 2) the study and familiarization with such system’s components and architecture from an engineering perspective, 3) the development of a proof-of-concept industrial level prototype aiming for low-cost but also quality and feature viability, 4) the comparative study between different possible configurations regarding signal quality and usability and 5) develop along a full-stack approach on circuit design, firmware, device interfacing, signal processing and UI/UX levels.