ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
27-lug-2017
2016/2017
La broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) è una malattia debilitante che colpisce i pazienti nella vita quotidiana, sia fisicamente che emotivamente. Diversi fattori quali l'inquinamento atmosferico, l'inattività fisica, la prescrizione inadeguata di ossigeno e la ricezione insufficiente dell'ossigeno supplementare, contribuiscono a peggiorare i sintomi della BPCO. Ai pazienti con BPCO viene solitamente prescritto ossigeno supplementare, che rappresenta una terapia ben consolidata, soprattutto durante le attività all'aria aperta. Tuttavia, a causa dell'esistenza di diversi parametri che influenzano la funzione respiratoria (ad esempio l'inquinamento atmosferico e l'intensità dell'attività fisica) e di conseguenza la desaturazione dell'ossigeno, la prescrizione di una terapia supplementare di ossigeno con una corretta portata rispetto ad ogni parametro sopra menzionato è un procedura che richiede molto tempo al medico e al paziente.
Al giorno d'oggi, per migliorare la qualità della terapia a lungo termine dell'ossigeno, ai pazienti viene chiesto di indossare diversi sensori per determinare la relazione tra desaturazione e altri parametri, quali il livello di sforzo durante l'attività fisica. Oltre agli inconvenienti che la gente e soprattutto gli anziani hanno per i sensori indossabili, questi ultimi possono essere utilizzati solo per un certo periodo e i medici prescrivono la terapia di ossigeno rispetto ai dati raccolti durante quel periodo.
Considerando l'ampio utilizzo di smartphone in tutto il mondo e approfittando dei sensori all'interno di essi, abbiamo progettato un dispositivo portatile denominato PoliTASH (Politecnico di Milano, Traiettoria, Attività, SpO2 e Monitoraggio cardiaco) che è in grado di comunicare con lo smartphone e altri sensori aggiuntivi tramite Bluetooth Low Energy (BLE) e raccogliere dati utili relativi all'attività degli ambulatori non solo per un breve periodo di tempo o per un particolare test, ma ogniqualvolta i pazienti vogliono svolgere regolarmente attività quotidiane all'aria aperta. Così, esaminando quei dati multiparametrici che sono memorizzati durante l'attività fisica del paziente, i medici possono scoprire la relazione tra ciascun parametro e la desaturazione per prescrivere la corretta terapia supplementare di ossigeno.
PoliTASH può essere collegato a smartphone e pulsimetro tramite BLE con la capacità di comunicare altri sensori aggiuntivi (come sensore di inquinamento, sensore di temperatura, ecc.) Per raccogliere i dati più complessi. Il paziente deve installare l'applicazione Android SensoDuino sul suo smartphone, metterlo in tasca e inserire il suo dito indice nella sonda di un impulso ossimetrico dotato di BLE e portare PoliTASH con se stesso durante le attività all'aria aperta.
Utilizzando sensori integrati dello smartphone come accelerometro, giroscopio e GPS, il paziente non deve indossare sensori di movimento. Questi sensori sono in grado di fornire i dati relativi all'intensità dell'attività fisica, al numero di passi, alla velocità di camminata e al monitoraggio del paziente. Collegando un pulsiossimetro al paziente, si può ottenere un insieme di dati sincronizzati che vengono raccolti da un microprocessore ARM quad-core. Altri sensori possono essere collegati tramite BLE e sincronizzati nuovamente i dati dei sensori recenti. L'output di questo dispositivo è un file di testo che contiene tutti i dati che sono disposti in colonne. Utilizzando MATLAB per l'analisi dei dati, è stata progettata un'interfaccia utente grafica per filtrare il rumore degli artefatti di movimento sulla frequenza cardiaca e la saturazione dell'ossigeno del sangue, su rumori bassi e ad alta frequenza sull'accelerazione e filtrare il percorso di tracciamento GPS e infine mostrare i grafici in modo da essere paragonabili tra loro. Esaminando la correlazione tra la desaturazione e il numero di passaggi durante un determinato periodo, la velocità di camminata e la frequenza cardiaca individualmente, si può trovare una chiara relazione tra i dati. Queste correlazioni sempre misurate aiutano i pazienti ad avere una corretta terapia di ossigeno in base alle loro ultime modificazioni fisiologiche.
Utilizzando il dispositivo Raspberry pi 3 come microprocessore e microcontrollore, nel resente lavoro di tesi è stato implementato un algoritmo che in futuro potrà essere utilizzato per controllare automaticamente la portata di ossigeno proveniente dal concentratore portatile di ossigeno (POC) in base al livello di attività e desaturazione del paziente.
Questo lavoro di tesi è diviso in 3 capitoli.
Capitolo 1 introduzione. All'interno di questo capitolo viene richiamata la base teorica necessaria a questo lavoro di tesi. In primo luogo, si spiega la malattia polmonare ostruttiva cronica (BPCO). Successivamente, viene introdotto il ruolo dell'attività fisica e il suo effetto sulla BPCO. Allora, l'importanza dell'ossigeno supplementare e il suo ruolo chiave nel migliorare il paziente con la BPCO è illustrato seguito dall'obiettivo di sviluppare questo progetto.
Capitolo 2: Materiali e metodi. Il secondo capitolo descrive l'intero sistema sviluppato: hardware e software. La parte hardware contiene il microprocessore e il suo contenitore stampato in 3-D, i sensori incorporati nel pulsiossimetro e nello smartphone, nonché il software, diviso in acquisizione dati, sincronizzazione dei dati e analisi dei dati utilizzando Python, Linux, Android e MATLAB.
Capitolo 3: Risultati e conclusioni. L'ultimo capitolo presenta i risultati ottenuti durante i test di attività fisica all'aperto ottenuti da quattro soggetti.
Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a debilitating disease affecting patients in daily life, both physically and emotionally. There are some factors that can cause COPD symptoms to worsen or flare up, such as air pollution, physical inactivity, inappropriate oxygen therapy prescription and inadequate supplementary oxygen receiving. However, increasing physical activity levels in COPD patients has beneficial effective long-term outcomes and it is crucial for the improvement of respiratory conditions.
COPD patients are usually prescribed supplemental oxygen, which is a well-established therapy, especially during outdoor activities. However, because of the existence of different parameters which impact on respiratory function (e.g. air pollution and intensity of physical activity) and consequently oxygen desaturation, prescribing supplementary oxygen therapy with a proper flow rate with respect to each above-mentioned parameter is a time-consuming procedure for both physician and patient.
Nowadays, to improve the quality of long-term oxygen therapy, patients are asked to wear different sensors to find out the relationship between desaturation and other parameters such as level of exertion during physical activity. Aside from inconveniences which people and especially elderly have for wearable sensors, they are used only for a certain period and physicians prescribe oxygen therapy with respect to collected data during that period.
Taking into account the wide usage of smartphones all around the globe and taking advantage of sensors inside them, we have designed a portable device, named PoliTASH (Politecnico di Milano, Trajectory, Activity, SpO2 and Heart rate monitoring) which is able to communicate with the smartphone and also other additional sensors through Bluetooth Low Energy (BLE) and collect useful data related to outpatient’s activity not only in a short period of time or for a particular test, but whenever patients want to have the daily regular outdoor activities. So, by examining those multiparametric data which are stored during patient’s physical activity, physicians can find out the relationship between each parameter and desaturation to prescribe the proper supplementary oxygen therapy.
PoliTASH can be connected to smartphone and pulse oximeter through BLE with the capability of communicating other additional sensors (such as pollution sensor, temperature sensor, etc.) to collect the more comprehensive bunch of data. The patient needs to install SensoDuino Android application on his smartphone, put it in his pocket and insert his index finger into the probe of a pulse oximeter equipped with BLE and carry PoliTASH with himself during outdoor activities.
Using built-in sensors of the smartphone such as accelerometer, gyroscope and GPS, the patient is needless to wear motion-analysis sensors. These sensors give the data related to the intensity of physical activity, the number of steps, velocity of walking and tracking of the patient. Connecting a pulse oximeter to the patient, we have a group of synchronized data which are collected by a quad-core ARM microprocessor. Additional sensors can be connected through BLE and data of the recent sensors again will be synchronized. The output of this device is a text file contains all those data which are arranged in columns. Using MATLAB for data analysis, a graphical user interface has been designed to filter motion artifact noise on heart rate and blood oxygen saturation, low and high-frequency noises on acceleration and smooth the GPS tracking path and finally show the graphs in such a way to be comparable to each other. Examining the correlation between desaturation and the number of steps during a certain period, velocity of walking and heart rate individually, a clear relationship between data can be found. These correlations which are always be measured, will help the patients to have a proper oxygen therapy according to their last physiological changes.
Using raspberry pi 3 as a microprocessor and microcontroller, in the subsequent steps of this project, we are going to implement an algorithm to automatically control the oxygen flow rate coming from portable oxygen concentrator (POC) according to the level of activity and desaturation of the patient.
This thesis work is divided into 3 chapters.
Chapter 1: Introduction. Within this chapter, the theoretical basis necessary to this thesis work is recalled. First, Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is explained. Subsequently, the role of physical activity and its effect on COPD is introduced. Then, the importance of supplementary oxygen and its key role in improving patient with COPD is illustrated followed by the aim of developing this project.
Chapter 2: Material and methods. The second chapter describes the whole developed system: hardware and software. The hardware part contains the microprocessor and its 3-D printed box,
pulse oximeter and smartphone’s built-in sensors and the software that is divided to data acquisition, data synchronization and data analysis using Python, Linux, Android and MATLAB.
Chapter 3: Results and conclusions. The last chapter presents the results obtained during outdoor physical activity tests gotten from three normal and one abnormal subjects.