Assessment of accelerometer-based mobile technology to derive cardiac activity and respiratory parameters

The resting heart rate and the respiratory frequency are the most measured vital signs for patient’s health monitoring and risk stratification. Recently, on smartphone platforms such as iOS and Android, a multitude of health applications (rarely approved as medical device ‘apps’) are available which can acquire these vital signs by embedded sensors, interconnected devices or peripherals. This thesis focuses on the Micro-Electro-Mechanical systems technology (e.g. accelerometer) incorporated in mobile devices such as the smartphone, exploiting its potential in acquiring vibrational signals related to mechanical cardiac and respiratory activity. Starting from several experimental set-ups and signal processing procedures, the smartphone’s accelerometer capabilities in extracting potentially clinically useful cardiac and respiratory biomarkers from short recordings (from 10 seconds up to <5 minutes) will be evaluated in healthy volunteers. Feasibility and limits of agreements compared to standard procedures (Electrocardiography and Respiratory belt transducer) will be presented. In particular, both stationary conditions and analogous real-life scenarios such as mental stress, different respiratory conditions and physical inactivity will be tested as well, to prove the ability of smartphone-derived accelerometric signal in deriving beat-to-beat heart rate variability series from which computing stress-related indices, respiratory frequency , and cardiac deconditioning biomarkers. Based on the obtained results, the common smartphone with its accelerometers has proved its potential in being transformed into a powerful point-of-care device. This opens new opportunities to stimulate user empowerment through daily self-measurements without the need of additional wearables, using their own devices, that could be exploited in both well-being and clinical scenarios.

Negli ultimi anni si è evidenziata l’importanza di monitorare la frequenza cardiaca quotidianamente con dispositivi indossabili di costo ridotto e semplicità d’uso perché tale informazione fornisce indicazioni utili per definire lo stato di benessere psico-fisico dell’individuo e per identificare situazioni di rischio (e.g. aritmie o frequenza cardiaca a riposo elevata). A tal proposito, in letteratura, vi sono studi che utilizzando dispositivi basati su sistemi inerziali (e.g. accelerometri) prodotti con tecnologia MEM (lavorazione micro-electro-meccanica) su silicio per acquisire segnali vibrazionali relativi all’attività cardiaca e respiratoria da cui derivare parametri fisiologici di interesse. Ciò ha permesso di riportare in vita due tecniche per il monitoraggio non invasivo dell’attività cardiaca note con il nome di seismo- e ballisto-cardiogramma (SCG, BCG), cadute in disuso negli anni 80 per problematicità tecnologiche, ma ora riscoperte grazie alla miniaturizzazione dell’elettronica. Tali tecniche permettono di rilevare l’attività meccanica del cuore mediante l’acquisizione delle vibrazioni della gabbia toracica o dei movimenti del corpo a riposo dovuti allo spostamento di fluidi ad ogni battito cardiaco. In letteratura, è stato dimostrato che la morfologia dei segnali SCG e BCG è caratterizzata da certi picchi fiduciari che rappresentano eventi meccanici cardiaci quali: per l’SCG, il momento di contrazione isovolumetrica (IVC) e l’apertura della valvola aortica (AO), mentre per BCG, il momento di eiezione di sangue da ventricoli in aorta (J). Per questo risulta interessante valutare se i sistemi inerziali inseriti all’interno dei comuni smartphone possono acquisire segnali vibrazionali relativi all’attività meccanica del cuore e della respirazione. Si vuole valutare se il dispositivo posizionato sul corpo permette di ottenere parametri fisiologici con misurazioni di breve durata (30 secondi circa) senza l’utilizzo di periferiche aggiuntive o interfacce. Si punta a valutare la fattibilità di tale metodo e l’accuratezza di stima dei parametri simulando scenari reali. Lo stato dell'arte mostra la mancanza di una standardizzazione nel protocollo sperimentale, nella metodologia di elaborazione dei segnali e nelle procedure di convalida, insieme alla vasta gamma di smartphone disponibili sul mercato. La mancanza di uno standard condiviso nel protocollo di acquisizione e nella procedura di analisi, influenza così l'affidabilità dei dati raccolti e potrebbe limitare l'accettabilità clinica ed ostacolare il raccomandare questo approccio come strumento per l’auto-tracciamento di parametri fisiologici. La mancanza di una standardizzazione tra gli studi incide sulla comparabilità dei risultati e sulla loro validità generale. Tuttavia, considerando le limitazioni è possibile procedere con la definizione di procedure standard che verranno proposte nel corso di questa tesi per dimostrare che lo smartphone può essere utilizzato come un potente dispositivo in grado di misurare accuratamente la frequenza cardiaca a riposo e l'attività respiratoria da cui si possono inoltre derivare ulteriori indici che possono essere anche clinicamente utili. Per valutare la capacità dell'accelerometro del telefono di acquisire segnali vibrazionali (m-ACC) utili per stimare la frequenza cardiaca battito per battito e le informazioni relative all’attività respiratoria (ad es. frequenza respiratoria media e durata intervalli respiratori), sono state acquisite le vibrazioni del torace e i movimenti del corpo con brevi registrazioni, valutando altresì la localizzazione del telefono sul corpo e postura del soggetto (supino e in piedi). La durata degli intervalli cardiaci e dei respiri sono stati confrontati con quelli derivati da tecniche definite “gold standard”, come ad esempio le serie RR ottenuta da elettrocardiogramma (ECG) e i cicli respiratori stimati da una fascia resistiva posizionata sul torace, mediante correlazione lineare e test di Bland-Altman. Sono state prese in considerazione diverse procedure con lo scopo di definire protocolli sperimentali e metodi 16 di elaborazione del segnale come possibili standard, progettati per simulare scenari quasi reali per dimostrare il potenziale dello smartphone come strumento di automonitoraggio. In questo senso, si è proceduto con due obiettivi: 1) dimostrare la capacità dello smartphone di rilevare situazioni di stress mentale o psico-fisico; 2) i parametri stimati sono sensibili ad una riduzione della performance cardiaca a seguito di una prolungata inattività fisica. Per questi due obiettivi sono stati così progettati opportuni protocolli sperimentali. Inoltre, sono state considerate diverse durate temporali per l’acquisizione di m-ACC simulando uno scenario reale ipotetico laddove l’utente effettua la più breve misura possibile che restituisce parametri accurati. Oltre alla stima di parametri relativi all’attività cardiaca, l'accelerometro è stato testato per la fattibilità e l'accuratezza dell'estrazione delle informazioni sulla frequenza respiratoria derivato dai movimenti del torace durante un protocollo di respirazione controllata. Sulla base dei risultati ottenuti in questo progetto è possibile concludere che gli accelerometri integrati nei comuni smartphone sono in grado di rilevare segnali relativi alla attività cardiaca e respiratoria di un soggetto. In particolare, è possibile ricavarne parametri fisiologici quali frequenza cardiaca e respiratoria e parametri relativi alla performance cardiaca con ottima accuratezza da brevi acquisizioni di circa 30 secondi. Le misure possono essere effettuate in posizione supina, idealmente posizionando il dispositivo sull’addome che si configura il punto di misura ottimale. Si è dimostrato che lo smartphone può essere considerato così un potente dispositivo per l’automonitoraggio quotidiano senza necessità di uso di ulteriori gadget esterni. Questo apre nuove opportunità per stimolare l'empowerment dell'utente attraverso auto-misurazioni quotidiane usando i propri dispositivi, che potrebbero essere sfruttati sia in scenari di benessere che clinici.