An intra-oral device for continuous ventilatory monitoring

Monitoring ventilatory parameters is fundamental in everybody’s daily life, as they represent important indicators of the health status of an individual. Suffice it to say that the respiratory rate is one of the vital parameters, which are medical signs that denote the status of the vital functions of the human body. Despite being fundamental, it is still often non recorded, omitted, inaccurately measured, or just estimated, because of a lack of automation [1]. Other parameters, such as breath amplitude, or tidal volume, are also still difficult to obtain at times. A thorough, fast, non-invasive, and wearable device to monitor ventilatory parameters is thus vital. Some technologies are already available on the market; however, most of them either must be used in a controlled environment, requiring a cumbersome apparatus or a mouthpiece that could hinder physiological ventilation, or are affected by motion artifacts. Also, the majority of them limits its functionalities to monitoring only the respiratory rate. This thesis presents an innovative Bluetooth-enabled, oral wearable ventilatory monitoring system that is totally portable and discreet. It is suitable for continuous monitoring, even outside the clinical context, and can be easily used during various activities, without being affected by movement artifacts. The proposed device is not only able to monitor the respiratory rate, but it also allows the monitoring of other ventilatory parameters and properties, such as breath amplitude. These characteristics make it of particular interest in a time when respiration is at the center of everyone’s attention. In this initial study we were interested in identifying the functionalities and limitations of this entirely new monitoring device. A single subject was instructed to perform a specific testing protocol, including both oral, oronasal and nasal breathing, in static or dynamic conditions. The subject was wearing both the Intra-Oral Respirometer and the markers for the Optoelectronic plethysmography, used as the validation method. Our findings suggest that the Intra-Oral Respirometer is able, with some degree of inaccuracy, to monitor ventilatory parameters and detect changes in ventilation in most conditions, both in static and dynamic contexts.

Il monitoraggio dei parametri ventilatori è fondamentale per ottenere degli indicatori importanti dello stato di salute di un individuo. Basti pensare che la frequenza respiratoria rientra tra i parametri vitali, cioè tra i segni che denotato lo stato delle funzioni vitali per il corpo umano. Nonostante sia fondamentale, spesso non viene misurata, o viene misurata con scarsa accuratezza, viene omessa, oppure solo stimata, per mancanza di sistemi di misurazione automatica. Anche altri parametri, come l’ampiezza del respiro, o volume corrente, sono ancora difficili da ottenere a volte. È quindi fondamentale avere a disposizione uno strumento di monitoraggio accurato, non invasivo e totalmente indossabile. Sul mercato sono già disponibili varie tecnologie. Tuttavia, molte presentano delle limitazioni dovute alla necessità di utilizzarle esclusivamente in ambiente controllato, come un laboratorio, e all’impiego di boccagli o strumenti invasivi che possano alterare la ventilazione fisiologica. Altre invece richiedono misure spesso affette da artefatti da movimento. La maggior parte, inoltre, si limita alla misurazione della frequenza respiratoria. Questa tesi propone un sistema di monitoraggio innovativo tramite un dispositivo con tecnologia Bluetooth, indossabile nella cavità orale del soggetto. Il dispositivo è stato progettato per garantire un monitoraggio continuo della frequenza respiratoria anche fuori da un contesto strettamente clinico o laboratoriale, e può essere utilizzato anche durante attività di vario tipo, senza essere affetto da artefatti da movimento. Lo strumento proposto non solo monitora la frequenza respiratoria, ma è anche in grado di monitorare altri parametri respiratori, quali l’ampiezza del respiro. Queste caratteristiche rendono il dispositivo proposto particolarmente interessante in un periodo in cui tutto ciò che concerne la respirazione e il suo monitoraggio è di particolare interesse. In questo studio preliminare ci siamo focalizzati sull’identificazione delle funzionalità e dei limiti del nuovo dispositivo. Un solo soggetto ha partecipato alla fase di test, seguendo uno specifico protocollo che includeva fasi di respiro orale, nasale o una combinazione dei due, considerando sia condizioni statiche che dinamiche. Il soggetto indossava contemporaneamente il respirometro intra-orale e i marcatori per la pletismografia optoelettronica. I risultati suggeriscono che il dispositivo sviluppato è in grado di dare risultati accurati nella maggior parte delle condizioni, non solo in termini di frequenza respiratoria, ma anche di ampiezza del singolo respiro, sia in contesti statici che dinamici.