Hardware and firmware development of RespirHò : a wearable device for continuous respiratory monitoring

Monitoring respiratory parameters is very important to assess a wide variety of medical conditions, but also to monitor physical performance of athletes and non-athletes. Wearable electronic devices can be used to perform measurements in non-invasive way with the maximum comfort and ease of use for the user. RespirHò is a wireless wearable device used to measure respiratory parameters. It is composed of three units: one is placed on the thorax, one on the abdomen and one in a region of the body not subject to respiratory movements, such as the lower back. All the measurements are referred to the third unit; this is done to increase the signal to noise ratio of the measurement. In fact, the signal from the thoracic and abdominal units contains the respiratory signal, but also unwanted noise caused by movements of the subject. The signal of the third unit, instead, is only due to the movement of the torso. Thus, subtracting the third unit’s signal from abdomen and thorax units’ signal, theoretically leaves only the respiratory signal. This work is targeted at improving the hardware and firmware performance of RespirHò. Many new features are added such as wireless firmware update and user-friendly calibration. Moreover, a new method of fixing the devices to the body is implemented and a new sliding-window respiratory parameters extraction algorithm is developed in Python. The work also evaluates production and running costs, battery duration, data loss, device reliability over long periods of time on five subjects during sleep, and a validation against a commercial metabolic monitor on a single subject.

Il monitoraggio dei parametri respiratori è molto importante per valutare un'ampia varietà di patologie, ma anche per valutare le prestazioni fisiche di atleti e non. I dispositivi elettronici indossabili possono essere utilizzati per eseguire misurazioni in modo non invasivo con il massimo comfort e facilità d'uso per l'utente. RespirHò è un dispositivo indossabile wireless utilizzato per misurare i parametri respiratori. È composto da tre unità, una è posta sul torace, un’altra sull'addome e una terza è posta in una regione del corpo non soggetta a movimenti respiratori, come la parte bassa della schiena. Tutte le misure sono riferite alla terza unità, questo viene fatto per aumentare il rapporto segnale rumore della misura. Infatti, il segnale proveniente dalle unità toraciche e addominali contiene il segnale respiratorio, ma anche rumore indesiderato causato dai movimenti del soggetto. Invece, il segnale della terza unità contiene solo i movimenti del torso. Quindi, sottraendo il segnale della terza unità dal segnale delle unità dell'addome e del torace, teoricamente si ottiene solo il segnale respiratorio puro. Questo lavoro è mirato a migliorare le prestazioni hardware e firmware di RespirHò. Sono state aggiunte molte nuove funzionalità come l'aggiornamento del firmware senza fili e la calibrazione facilmente eseguibile dall'utente. Inoltre, viene implementato un nuovo metodo di fissaggio dei dispositivi al corpo e viene sviluppato un nuovo algoritmo di estrazione dei parametri respiratori a finestra a scorrimento in Python. Il lavoro valuta anche i costi di produzione e di esercizio, la durata della batteria, la perdita di dati in trasmissione (data loss), l'affidabilità del dispositivo per lunghi periodi di tempo su cinque soggetti in un'acquisizione durante il sonno e una validazione rispetto a un monitor metabolico commerciale su un singolo soggetto.