ECG portable device based on bluetooth low energy technology

In every day life the monitoring of the psychophysical conditions is becoming more and more important to decrease and to check the growing number of accidents that are caused by di erent factors tied in the greatest part of the cases to inattention, tiredness and weariness. To be able to obtain the parameters necessary to the control of the people conditions there has made preponderant in the last years the development of numerous portable monitoring systems that interfacing without too much encumbrance with the patient were able to check his functionality. In order to generate devices more and more performers and with reduced dimensions it is pushed strongly towards the study and the development of new technologies what they make the utilization and the wearbility of these simpler and di use devices. Our work is inserted in this device landscape more and more to the vanguard with the objective of improving even more the characteristics of the products already existed under two fundamental aspects: -The first one regards the reception of the signals in several devices in commerce, which it is usually obtained through the use of numerous sensors (electrodes and not) positioned in different points of the body or of survey systems positioned in points of the space around the zone under analysis. This leads too much difficulty in the free movement of the subject and it increases the encumbrance and the uneasiness at which he is subjected in reception phase. So, these devices are not much fit for the common use. In our developed work the number of electrodes is reduced to two so that the surface in contact is the least possible one and there increases the freedom of subject movement in way to return the compatible system with a condition of normal life . - The second aspect regards instead of the utilization of the new technology BLE (Bluetooth Low Energy) that can return the system easily wearable in two ways: 1) Such methodology gives the possibility to the device and to the subject that wear its of moving in freedom without physical connections with the system of reception (PC, smartphone) and makes the monitoring possible also over distance so that the control could be applied on wider rays and on a number greater of subjects at the same time. In this way the obtained information could be at once receipts by who does uses its and monitors or analyses the danger. 2) The Low Energy technology minimises at best the waste of energy to give to the system the possibility of the longest perspective of life (at the level of battery) and to be able to be applied in long time analysis. In this way the safe guard of the subject under study is maximised also in conditions that until now could not be monitored for structural limits of the system. That I speaks above has been presented in this in 5 principal chapters: The first chapter is the introduction that identifies the theme in which the thesis establishes and the objectives to her connected, presenting more in specifically the situation. The second chapter includes the theory regarded the BLE system that is the most innovative element of our project, explaining how this dispatch and reception of data system it has been already used in elds always tied to the monitoring and in what this consists. Subsequently to this argument the characteristics andthe functionality of the cardiac apparatus are presented , this is the complex from which we take the parameters of control. On these parameters is based the monitoring of the system and the ECG. As far as it regards the ECG many words are spent on his functioning mechanism to justify because determinate types of electrodes are used and their positioning and different project typology are presented, with little by little a decreasing number of electrodes, which collect the cardiac signals with portable systems. Is on these works previously developed and validated that our labor has found cue and it has been based. Starting from their results we could have created a completely new system that presents some characteristics similar to the systems in commerce, that unites between them the best characteristics of different existing systems and that shows at last completely innovative qualities. In the third chapter is presented in detail the technology used in the construction of ours device. Then there are described the typology of chosen electrodes and the motivations that are to the base of such a choice. Subsequently are presented in the detail the Hardware components (front-end andmicrocontroller) assembled for the construction of the wearable system. The choice of the components has been done leaving from a group of different elements with equivalent characteristics and then is relapsed on a group of two elements, the AD8232 (front-end) and the CC2640R2F (microcontroller). These two are the best choicefor the necessities of the problem. In fact has been chosen a BLE microcontroller and a front-end with two electrodes in way to increase the donning and comfort characteristics of the system. The fourth chapter speaks in detail about the Software part that governs our device. There are explained different passages that have been necessary to set the particular type of microcontroller chosen in such way that it was reading, sampling and digitizing an analogic input. We linger on the functions of the code used to de ne the sampling frequency , the setting at which the microcontroller must read the analogic signal and the enabling of the ADC that is necessary to make the data collection possible. Besides, there has been also defined the procedure that must have going implemented to make the dispatch of the information through BLE towards PC. In the end the developed set-up lets of: To measure through wearable device the psycho-physical parameters connected to the danger states; - To be able to pick up the measures without particular encumbrance; - To collect signal also to one certain distance from collection and data elaboration system; - To waste low energy. In the last chapter there are drawn the conclusions of the case, the obtained results and there are identi ed the possible future layouts that will be able to be brought to the system in question to improve his performances, as well as this some possible applications fields come also cited to which such a system will be able to be used, like that working, of guideor of weariness during determinate actions.

Nella vita di tutti i giorni il monitoraggio delle condizioni psicofisiche sta diventando sempre più importante per poter diminuire e controllare il crescente numero di incidenti che vengono causati da diversi fattori legati nella maggior parte dei casi a disattenzioni, stanchezza e affaticamento. Per poter ottenere i parametri necessari al controllo delle condizioni delle persone si è reso preponderante negli ultimi anni lo sviluppo di numerosi sistemi di monitoraggio portatili che interfacciandosi senza troppo ingombro con il paziente fossero in grado di controllare le due funzionalità. Al fine di generare dispositivi sempre più performanti e con ridotte dimensioni si sta sempre più fortemente spingendo verso lo studio e lo sviluppo di nuove tecnologie che rendono l'utilizzo e l'indossabilità di questi dispositivi sempre più semplice e diffuso. Il nostro lavoro si innesta appunto in questo panorama di device sempre più all'avanguardia con l'obiettivo di migliorare ancora di più le caratteristiche dei prodotti già esistenti sotto due fondamentali aspetti: - Il primo riguarda la ricezione dei segnali nei vari dispositivi in commercio, che viene solitamente ottenuta tramite l'uso di numerosi sensori (elettrodi e non) posizionati in diversi punti del corpo o di sistemi di rilevamento posizionati in punti dello spazio intorno alla zona sotto analisi. Questo porta a difficoltà nel libero movimento del soggetto e aumentano l'ingombro a il disagio a cui esso viene sottoposto in fase di ricezione, così da rendere questi dispositivi poco adatti all'uso comune e quotidiano. Nel lavoro da noi sviluppato il numero di elettrodi viene ridotto a due così che la superficie a contatto sia la minima possibile e si aumenti la libertà di spostamento del soggetto in modo tale da rendere il sistema compatibile con una condizione di vita/lavoro normale. - Il secondo aspetto riguarda invece l'utilizzo della nuova tecnologia BLE (Bluetooth Low Energy) che grazie alle sue caratteristiche può rendere il sistema facilmente indossabile in due modi: 1) Tale metodologia da la possibilità al device e a chi lo indossa di muoversi in libertà senza legami fisici con il sistema di ricezione (PC, Smartphone) e rende possibile anche il monitoraggio a distanza così che il controllo possa essere applicato su raggi più ampi e su un numero maggiore di soggetti contemporaneamente, oltre a far si che le informazioni ottenute possano essere subito ricevute da chi ne fa uso e monitora o analizza il pericolo. 2) La tecnologia Low Energy minimizza al meglio lo spreco di energia così da dare al sistema la possibilità di avere un più lunga prospettiva di vita (a livello di batteria) e da poter essere applicato nell'uso di analisi su lungo tempo. In questo modo si massimizza la salvaguardia del soggetto sotto studio anche in condizioni che prima di adesso non potevano essere monitorate per limiti strutturali del sistema. Ciò di cui sopra è stato presentato in questo mio elaborato in 5 capitoli principali: Il primo capitolo è l'introduzione che identifica il tema in cui si instaura la tesi e gli obiettivi ad essa collegati, presentando più nello più nello specifico la situazione. Il secondo capitolo comprende la teoria riguardante il sistema BLE che è l'elemento più innovativo del nostro progetto, esplicando come questo sistema di invio e ricezione dei dati sia già stato utilizzato in ambiti sempre legati al monitoraggio e in cosa esso consista. Successivamente a questo argomento vengono presentate le caratteristiche e le funzionalità dell'apparato cardiaco, che è il complesso da cui rileviamo i parametri di controllo su cui basa il monitoraggio del sistema e l'ECG. Per quanto riguarda L'ECG vengono spese molte parole sul suo meccanismo di funzionamento per giustificare perché vengono usati determinati tipi di elettrodi e il loro posizionamento e vengono presentati diversi casi di progetti, con man mano un numero decrescente di elettrodi, che rilevano i segnali cardiaci con sistemi portatili. È su questi lavori precedentemente sviluppati e validati che il nostro lavoro ha preso spunto e si è basato. Partendo infatti dai risultati da loro trovati abbiamo potuto creare un sistema del tutto nuovo che presenta alcune caratteristiche simili ai sistemi già in commercio, che unisce tra loro le migliori caratteristiche di diversi sistemi esistenti e che mostra in ne qualità del tutto innovativo. Nel terzo capitolo invece viene presentata nel dettaglio la tecnologia usata nella costruzione del nostro device. Vengono quindi descritte la tipologia di elettrodi scelti e le motivazioni che stanno alla base di tale scelta. Successivamente vengono presentati nel dettaglio i componenti Hardware (front-end e microcontrollore) assemblati per la costruzione del sistema indossabile. La scelta dei componenti è stata fatta partendo da un gruppo di diversi elementi con caratteristiche tra loro più o meno equivalenti ed è poi ricaduta su un gruppo di due elementi l'AD8232 (front-end) e il CC2640R2F (microcontrollore). Questi due sono quelli che meglio riescono a far fronte alle necessità del problema. Difatti è stato scelto un microcontrollore con BLE e un front-end a due elettrodi in modo tale da poter far risaltare le caratteristiche di indossabilità e comodità del sistema. Il quarto capitolo si occupa in dettaglio della parte Software che governa il nostro dispositivo. Vengono spiegati i diversi passaggi che sono stati necessari per configurare il particolare tipo di microcontrollore scelto in modo tale che leggesse, campionasse e digitalizzasse un ingresso analogico. Ci si è soffermati sulle funzioni del codice usate per definire la frequenza di campionamento, il settaggio da cui il microcontrollore deve leggere il segnale analogico e l'abilitazione dell'ADC che è necessaria per rendere possibile la raccolta dei dati. Inoltre, si è anche de nita la procedura che deve essere implementata per rendere possibile l'invio delle informazioni tramite BLE verso PC. In conclusione il set-up sviluppato permette di: - Misurare tramite wearable device i parametri psicofisici legati agli stati di pericolo; - Poter raccogliere le misure senza particolare ingombro; - Misurare segnali anche a una certa distanza dal sistema di raccolta ed elaborazione dati (pc); - Utilizzare un basso dispendio di energia. Nell'ultimo capitolo vengono quindi tratte le conclusioni del caso, i risultati ottenuti e vengono identificate delle possibili implementazioni future che potranno essere apportate al sistema in questione per migliorare le sue prestazioni, oltre a questo vengono anche citati alcuni possibili campi di applicazioni in cui tale sistema potrà essere impiegato, come quello lavorativo, di guida o di affaticamento durante determinate azioni.