Wearable SpO2 Monitoring in the Chest Zone: Design, Fabrication, and Validation

Abstract

Há um interesse crescente em dispositivos vestíveis de saúde devido à sua aplicação no monitoramento remoto de pacientes. No caso de monitoramento frequente de sinais vitais com dispositivos vestíveis, seria possível definir uma base de dados de saúde individual para que os usuários e profissionais médicos pudessem tomar medidas necessárias, dependendo das anomalias detetadas. Os instrumentos médicos convencionais são volumosos e geralmente feitos de componentes eletrônicos rígidos, não sendo adequados para esse fim. A incompatibilidade mecânica entre a eletrônica rígida tradicional e os tecidos biológicos resulta em sistemas que não se adaptam suficientemente à epiderme humana e geralmente são impraticáveis para monitoramento de longo prazo. Esta tem sido uma das motivações para a eletrônica flexível e elástica, que visa o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de matéria macia que se adaptam à pele humana e podem suportar flexões e esforços mecânicos enquanto mantêm sua funcionalidade e qualidade de sinal. Esta dissertação faz parte de um grande projeto da CMU Portugal (WoW) que visa desenvolver um sistema de vestível que monitoriza simultaneamente frequência cardíaca, temperatura corporal, movimentos corporais, frequência respiratória e saturação de oxigénio (SpO2). A equipa do ISR já implementou todas essas funções num cinto e-¬têxtil vestível e um adesivo, exceto para o SpO2. Ambos os dispositivos concentram os seus sensores na zona do tórax. No entanto, os poucos trabalhos da literatura que estudam a medição de SpO2 na zona do tórax definem a tarefa como desafiadora. No entanto, nenhum desenvolveu um adesivo de matéria mole verdadeiramente adaptável à pele. Portanto, o objetivo principal deste trabalho é projetar e desenvolver um patch de medição de SpO2 de matéria mole, entender se é viável medir SpO2 na zona torácica e se um patch de monitoramento de SpO2 macio e conformável pode resolver esse problema. Além disso, este trabalho aborda alguns dos desafios na fabricação de componentes eletrônicos flexíveis de alta resolução que podem incorporar microcomponentes SMD. Mostramos um método muito eficiente para padronização de circuitos a laser de uma tinta elástica (previamente desenvolvida na ISR) que tem potencial para fabricação em escala. Graças à implementação desses patches, esta dissertação é o primeiro trabalho que compara dispositivos de oxímetro de pulso realmente compatíveis com os não compatíveis. Os patches criados são comparados com o oxímetro de pulso digital comercial, certificado, e algumas conclusões são tiradas.

There is growing interest in wearable healthcare devices due to their application in remote patient monitoring. In the case of frequent monitoring of vital signs with wearable devices, it would be possible to define an individual health baseline so that users and medical professionals could take the necessary measures, depending on the detected anomalies. Conventional medical instruments are bulky and often made from rigid electronics and are not suitable for this purpose. The mechanical mismatch between the traditional rigid electronics and biological tissues results in systems that do not adapt sufficiently to the human epidermis and are usually impractical for long-term monitoring. This has been one of the motivations for soft and stretchable electronics, which targets the development of soft-matter electronics devices that conform to the human skin and can afford bending and mechanical strain while maintaining their functionality and signal quality. This dissertation is part of a large CMU Portugal (WoW) project that aims to develop a wearable monitoring system that simultaneously monitors heart rate, body temperature, body movements, respiratory rate, and oxygen saturation. The ISR team has already implemented all of these functions in a wearable e-textile belt and an adhesive patch, except for the oxygen saturation (SpO2). Both devices have their sensors concentrated in the chest zone. However, the few works of literature that focused on measuring SpO2 in the chest zone found it challenging. However, none developed a truly skin-conformable soft-matter patch. Therefore, this work's main objective is to design and develop a soft-matter SpO2 measurement patch and understand if it is feasible to measure SpO2 in the chest zone and if a soft and conformal SpO2 monitoring patch can address this problem.In addition to this, this work addresses some of the challenges in fabricating flexible, high-resolution soft-matter electronics that can incorporate SMD microcomponents. We show a very efficient method for laser patterning of an elastic ink (previously developed at ISR) that has the potential for scalable fabrication. Thanks to implementing these patches, this dissertation is the first work that compares truly compliant pulse oximeter devices with non-compliant ones. The patches created are compared with the certified commercial finger pulse oximeter, and some conclusions are drawn.