A wearable device for ECG monitoring : hardware and firmware development and validation study

Heart diseases are one of the leading causes of death globally. For this reason, a particular attention must be paid to the proper monitoring of the cardio-vascular system. One of the most used techniques to track the heart activity is the electrocardiogram: this technique tracks the heart’s electrical activity in order to detect conductivity malfunctions which may cause irregular and de-synchronized contractions, which in turn results in a ineffective ejection of blood. With the miniaturization of modern sensors and electronics, it is now possible to design devices able to track heart’s activity maintaining a low profile and reducing invasiveness for the user. This Master Thesis presents the development of a wearable device able to collect data and produce an ECG trace. This device is integrated in a telemedicine system called RespirHò (as in ’Respiratory Holter’), which comprehends a set of wearable devices able to collect different signals from the body and transmit them over the air, using a transmission protocol called ANT, to a master device which can collect data from all the different sensors and have a broader view of the body status. The development comprehends a first stage where different hardware configurations are evaluated, the firmware, hardware, and software production and an experimental trial where the device is applied to 10 subjects during a set of different activities. The ECG traces collected have been submitted to a cardiologist in order to receive a feedback about the traces generated by the device. The traces have been ranked very well if applied in a certain configuration, while in other configurations some work is still needed. During the last chapter some upgrades and future improvements will be discussed, all aimed to improve the results presented.

I dispositivi indossabili si stanno diffondendo molto rapidamente e possono essere utilizzati in molti ambiti. Fra le più interessanti troviamo l’ambito medico. Oggigiorno, la telemedicina viene spesso utilizzata per monitorare parametri vitali dei pazienti da remoto, questo riduce la pressione sugli ospedali e l’invasività della procedura per il paziente. In questo contesto, i dispositivi indossabili si dimostrano essere particolarmente utili. Una delle maggiori cause di morte a livello globale sono le malattie a carico del sistema cardio-vascolare. A questo proposito, dev’essere spesso monitorato in modo da garantirne il corretto funzionamento. Una delle tecniche più utilizzate è l’elettrocardiogramma che, tramite elettrodi, traccia un grafico dell’attività elettrica del cuore nel tempo. analizzando questo tracciato è possibile risalire a malfunzionamenti del cuore che potrebbero causare contrazioni irregolari e, conseguentemente, eiezione di sangue inefficace. Con la continua miniaturizzazione dei componenti elettronici, è ora possibile creare dispositivi in grado di monitorare l’attività cardiaca mantenendo un bassissimo impatto sulla qualità di vita di chi lo indossa. In questo documento è presentato lo sviluppo di un dispositivo in grado di raccogliere i dati inerenti all’attività cardiaca e di tracciarne un grafico. Il dispositivo è integrato in un sistema di telemedicina chiamato Respirho’, che comprende diversi dispositivi che raccolgono parametri vitali e possono interagire fra loro, trasmettendo i dati raccolti verso un dispositivo tramite il protocollo ANT©, questo dispositivo è in grado di elaborarli ed integrarli, per avere una visione più completa dello sato di salute del soggetto che lo indossa. Lo svilupo comprende: una prima fase di studio e confronto di diverse tecnologie e componenti, seguito dallo svilupopo del Hardware/Firmware/Software atto a raccogliere, trasmettere ed elaborare i dati ed infine, uno studio nel quale il dispositivo è stato applicato su 10 soggetti ed i loro tracciati sottoposti a visione e valutati da un medico molto affermato nel campo della ricerca cardiologica. Le valutazioni sembrano confermare la validità dei tracciati in certe configurazioni, mentre altre necessitano di qualche ulteriore sviluppo. Durante l’ultimo capitolo verranno discusse le migliorie e le tecniche atte a migliorare, in futuro, questi aspetti.