Development, optimization and characterization of an intra-oral respirometer for continuous respiratory monitoring

This study presents the optimization, development, and characterization of an Intra-Oral Respirometer (IOR) designed for continuous respiratory monitoring. The aim of this research is to improve the hardware and firmware of the IOR, enhance real-time data visualization, and validate its feasibility as a wearable alternative to traditional respi- ratory assessment methods, particularly in dynamic conditions. The device, embedded in a custom-molded dental retainer, integrates a pressure sensor, photoplethysmography sensor, and a 6-axis gyroscope, enabling real-time monitoring of breathing patterns, ap- nea detection, and physiological parameters such as heart rate and oxygen saturation. The specific aim of the thesis was to evaluate the IOR’s pressure sensor. A human sub- ject study (N=4) was conducted under different movement conditions (standing, walking, running) and breathing patterns (spontaneous, deep, rapid, and hyperventilation). The intra-oral pressure signals were compared with gold-standard reference measurements us- ing RR Bland-Altman analysis, breathing rate errors, expiration/inspiration time errors, and Lissajous figures. The device successfully detected the apnea episodes, and in every tested condition, the IOR achieved an inter-participant averaged error that never exceeds 3.67% in static conditions and 6.01% in movement conditions. This research establishes a foundation for intra-oral respiratory monitoring, offering a compact, wearable solution for medical and sports applications. Future work should focus on real-time data process- ing, enhanced validation in clinical populations, and further optimization of the device’s hardware and firmware.

Questo studio presenta l’ottimizzazione, sviluppo e caratterizzazione di un respirometro intra-orale (IOR) progettato per il monitoraggio continuo della respirazione. L’obiettivo di questa ricerca è migliorare l’hardware e il firmware dell’IOR, potenziare la visualiz- zazione dei dati in tempo reale e validare la sua fattibilità come alternativa indossabile ai metodi tradizionali di valutazione respiratoria, specialmente in condizioni dinamiche. Il dispositivo, incorporato in un bite dentale personalizzato, integra un sensore di pressione, un sensore di fotopletismografia e un giroscopio a 6 assi, consentendo il monitoraggio in tempo reale dei modelli respiratori, il rilevamento dell’apnea e parametri fisiologici come la frequenza cardiaca e la saturazione di ossigeno. L’obiettivo specifico della tesi è stato valutare il sensore di pressione dell’IOR. Uno studio su soggetti umani (N=4) è stato con- dotto in diverse condizioni di movimento (in piedi, camminata, corsa) e schemi respiratori (spontaneo, profondo, rapido e iperventilazione). I segnali di pressione intra-orale sono stati confrontati con misurazioni di riferimento gold-standard utilizzando analisi Bland- Altman, errori nella frequenza respiratoria, errori nei tempi di espirazione/inspirazione e figure di Lissajous. Il dispositivo ha rilevato con successo gli episodi di apnea e, in ogni condizione testata,l’IOR ha rilevato con successo gli episodi di apnea e, in tutte le condizioni testate, l’IOR ha raggiunto un errore medio tra i partecipanti che non supera mai il 3,67% in condizioni statiche e il 6,01% in condizioni di movimento. Questa ricerca pone le basi per il monitoraggio respiratorio intra-orale, offrendo una soluzione compatta e indossabile per applicazioni mediche e sportive. Gli sviluppi futuri dovrebbero focaliz- zarsi su elaborazione dei dati in tempo reale, validazione ampliata su popolazioni cliniche e ulteriore ottimizzazione dell’hardware e del firmware del dispositivo.