Wearable technologies for the unobtrusive investigation of cardiovascular system

So far, a better understanding of the beat-to-beat dynamics of cardiac and vascular mechanics is advisable. However, novel and unobtrusive wearable sensors and devices are needed for the data collection. In this work two monitoring systems, the MagIC-Space and the Seismote systems, were developed for the investigation of those physiological aspects in the frame of two different research projects. MagIC-Space, the first achievement, is a textile-based system which allowed us to investigate for the first time aspects of sleep physiology in microgravity, including the mechanical behavior of the heart by seismocardiography (SCG), i.e. the measure of chest vibrations produced by the beating heart. The system was used with success aboard the International Space Station (ISS) for the recording of sleep data from one astronaut in seven night experiments. The development was based on the enhancement of a previously available prototype (originally measuring the electrocardiogram (ECG) and respiration) and consisted in the re-design of the system 1) to include new sensors and relevant electronics for the additional measure of SCG, body temperature and skin resistance, and 2) to make the hardware compliant with the strict NASA regulations for a safe usage aboard the ISS. As to the latter issue, specific countermeasures were adopted in the system to reduce the risk of electrical shock, thermal and chemical hazards. Laboratory tests were then carried out to verify the adherence of the system to the requirements and obtain the final NASA approval. In addition, attention was paid to provide the system with automatic recovery procedures from most likely non-fatal failures possibly occurring in the harsh ISS environment. Seismote, the second achievement, is an architecture which enables a joint assessment of cardiac mechanics and haemodynamics by multi-point SCG and photoplethysmographic (PPG) measures. PPG gives information on the arrival time of the pressure pulse to a peripheral artery and from this signal we may derive information on vascular characteristics. The developed architecture consists of a number of miniaturized sensor nodes, placed on different body sites for multi-point measures, and a hub which collects and stores data from nodes, allows the additional measure of ECG and can be wirelessly connected to a remote device, e.g. a smartphone, for real-time data streaming. Two versions of the system were realized, one with a wired and one with a custom wireless link between nodes and hub. Notably, the wireless link allows us to connect up to 13 nodes and to collect 52 different signals sampled at 200 Hz. To realize the wireless architecture, solutions were developed to address the major and open issues of low power data transmission and time synchronization among nodes. A custom protocol was developed since none of available wireless technologies provided the required throughput with the reduced power budged of nodes. The new protocol is roughly 18% more efficient than the recently released Bluetooth Low Energy in terms of up-link data overhead. As to the synchronization, a novel procedure, based on low level timestamp broadcasting, was designed and implemented by means of the custom protocol achieving a small average error of 27.53 μs.

Una miglior comprensione delle dinamiche battito a battito sia delle meccanica cardiaca che di quella vascolare è ad oggi auspicabile. Ad ogni modo, dispositivi e sensori indossabili, innovativi e non intrusivi, sono necessari per la raccolta dati. In questo lavoro sono stati sviluppati due sistemi di monitoraggio, MagIC-Space e Seismote, per lo studio di questi aspetti di fisiologia nel contesto di due differenti progetti di ricerca. MagIC-Space, la prima realizzazione, è un sistema basato su tecnologia tessile che ha permesso di studiare per la prima volta alcuni aspetti di fisiologia del sonno in condizioni di microgravità, tra cui il comportamento meccanico del cuore mediante sismocardiografia (SCG), ovvero la misura delle vibrazioni toraciche prodotte dal cuore durante il battito. Questo sistema è stato utilizzato con successo sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) per l'acquisizione dei dati del sonno di un astronauta durante sette esperimenti notturni. Lo sviluppo è partito dal miglioramento di un prototipo già disponibile (che originariamente misurava l'elettrocardiogramma (ECG) a l'attività respiratoria) ed è consistito nella modifica del sistema 1) per includere nuovi sensori e relativa elettronica per la misura aggiuntiva del SCG, temperatura corporea e resistenza cutanea, e 2) per rendere l'hardware conforme alle rigide normative NASA per un utilizzo sicuro sulla ISS. Per ciò che concerne questa problematica, specifiche contromisure sono state adottate nel sistema per ridurre il rischio di shock elettrico ed i pericoli termico e chimico. Test sono stati poi eseguiti per verificare la conformità del sistema ai requisiti ed ottenere l'approvazione NASA finale. In aggiunta, una particolare attenzione è stata posta nel dotare lo strumento di procedure automatiche di recupero da probabili avarie non fatali che sarebbero potute accadere nell' ambiente ostile della ISS. Seismote, la seconda realizzazione, è un'architettura che consente una valutazione simultanea della meccanica cardiaca e dell'emodinamica mediante misure multipunto del SCG e fotopletismografiche (PPG). Il PPG dà informazioni sul tempo di arrivo dell'impulso pressorio ad un arteria periferica e da esso è possibile derivare informazioni sulle caratteristiche vascolari. L'architettura sviluppata consiste di nodi sensorizzati miniaturizzati, che vengono posizionati su differenti siti del corpo per effettuare le misure multipunto, ed un hub che raccoglie e salva i dati dai nodi, permette la misura supplementare dell'ECG è può essere connesso wireless ad un dispositivo remoto, per esempio uno smartphone, per lo streaming in tempo reale dei dati acquisiti. Sono state realizzate due versioni del sistema, l'una wired e l'altra wireless nel collegamento dei nodi all'hub. Notabilmente il collegamento wireless permette di connettere fino a 13 nodi e di raccogliere 52 diversi segnali campionati a 200Hz. Per realizzare l'architettura wireless sono state sviluppate soluzioni alle problematiche principali ed aperte della trasmissione dei dati a basso consumo di potenza e della sincronizzazione temporale tra i nodi. Un protocollo specifico è stato sviluppato in quanto nessuna delle tecnologie wireless disponibili consentiva di ottenere il throughput necessario con il ridotto budget di potenza dei nodi. Questo nuovo protocollo è circa il 18% più efficiente rispetto al Bluetooth Low Energy, recentemente rilasciato, in termini di up-link data overhead. Per ciò che concerne la sincronizzazione, una nuova procedura basata su broadcasting di timestamp di basso livello, è stata progettata ed implementata per mezzo del protocollo ottenendo un errore medio di soli 27.53 μs.