Design and evaluation of an ANT-based IMU wearable system for cardio-respiratory and activity monitoring

The wearable devices market is experiencing exponential growth, particularly in the healthcare sector, fueled by the widespread adoption of Internet of Things (IoT) technology. These devices offer intensive healthcare monitoring capabilities, allowing for real-time tracking of vital signs and health parameters. As the demand for remote patient monitoring and preventative healthcare solutions continues to rise, wearable devices will certainly play a crucial role in shaping the future of healthcare delivery. The RespirHò platform, capable of monitoring multiple physiological, activity and environmental parameters, exemplifies the integration of wireless wearable devices and smartphone applications. This platform comprises three IMUs, an environmental monitor, a portable ECG, and a pulse oximeter device. The objective of this Master Thesis work is to develop a fully functional, versatile, and low-power wireless ANT-based IMU wearable device to substitute the three IMUs of the RespirHò platform. A new hardware setup, ANT network topology implementing independent channels, renewed Android application, and microcontroller firmware have been designed to provide a more comprehensive device capable of performing custom, user defined inertial data acquisitions, with a particular focus on movement and cardiorespiratory monitoring fields. The device's performance has been tested in terms of packet data loss and power consumption in numerous bench tests as well as on-body tests, producing optimal results. The combined use of the three devices, each sending raw accelerometer and gyroscope data at 10 Hz, results in a current consumption of 1.15 mA. Furthermore, several potential applications of the system have been explored. Its use for monitoring cardiorespiratory parameters during sleep and its application in the context of human activity monitoring yielded encouraging results. These promising outcomes pave the way for future experimental campaigns to validate its effectiveness.

Il mercato dei dispositivi indossabili nel settore sanitario sta vivendo una crescita esponenziale, trainata dalla diffusione della tecnologia dell'Internet of Things (IoT). Questi dispositivi offrono capacità di monitoraggio costante consentendo il tracciamento in tempo reale dei parametri vitali e di salute. Con la crescente domanda di monitoraggio remoto dei pazienti e soluzioni preventive nel campo della salute, i dispositivi indossabili giocheranno certamente un ruolo cruciale nel futuro dell’assistenza sanitaria. La piattaforma RespirHò, in grado di monitorare molteplici parametri fisiologici e ambientali, rappresenta un esempio di integrazione tra dispositivi indossabili wireless con applicazioni per smartphone. Questa piattaforma comprende tre IMU, un sistema di monitoraggio ambientale, un ECG portatile e un saturimetro da polso. Il principale obiettivo di questa Tesi è quello di sviluppare un dispositivo indossabile basato su un’IMU, versatile e a basso consumo energetico, per sostituire le tre IMU della piattaforma RespirHò. Tramite la progettazione di uno specifico hardware, di una nuova topologia di rete ANT, di una rinnovata applicazione Android e un firmware funzionale è stato possibile creare un sistema più completo, capace di eseguire acquisizioni di dati inerziali con parametri completamente definiti dall’utente. Gli ambiti applicativi a cui si rivolge includono l’analisi del movimento, il monitoraggio di attività umane e il monitoraggio di parametri cardio-respiratori. Le prestazioni del dispositivo sono state testate in termini di perdita di pacchetti dati nella comunicazione wireless e consumo energetico in numerosi test, sia da banco che con i dispositivi indossati, fornendo ottimi risultati. L'uso combinato dei tre dispositivi, ognuno dei quali invia dati grezzi di accelerometro e giroscopio a 10 Hz, comporta un consumo di corrente di 1,15 mA. Sono state inoltre esplorate diverse potenziali applicazioni del sistema. In particolare, è stato esaminato il suo utilizzo per il monitoraggio dei parametri cardiorespiratori durante il sonno e la sua applicazione nel contesto del monitoraggio dell'attività umana e analisi del movimento, con risultati incoraggianti. Pertanto, questo nuovo sistema risulta essere pronto per essere utilizzato in potenziali future campagne sperimentali per la sua validazione.