Development of a non-intrusive system for vital signs monitoring in the lower limbs

Abstract

Invisible and continuous health monitoring is currently a topic of global interest within the scientific community. By integrating monitoring systems into everyday objects, valuable health information can be obtained without requiring any interaction or changes in people’s routines. The main goal of this work was to develop an instrumented seat that could monitor in real time and continuously vital signs in the lower limbs, including heart rate (HR), oxygen saturation (SpO2), and respiratory rate (RR). In this work, a toilet seat prototype that features two MAX30102 optical sensors was successfully developed, to obtain photoplethysmography signals from the back of each thigh. For the signals acquisition, visualization and processing it was developed a graphical user interface. Prototype performance tests were conducted in 17 volunteers (age group between 22 and 40 years old, 12 females and 5 males), to assess the system’s ability to monitor vital signs. The obtained values were compared with the values acquired with reference devices. The results demonstrated the system’s capability to obtain photoplethysmography signals from the lower limbs and to monitor vital signs, namely HR and RR. Strong correlations between the developed system and the reference devices were obtained for both parameters, with Pearson correlation coefficients of 0.92 and 0.77 and mean differences of 1.15 beats per minute and 0.93 respiration per minute for HR and RR, respectively. System accuracies of 95.9% for HR and 91.3% for RR were achieved. Concerning SpO2, no definitive conclusion could be drawn due to the malfunction of the reference sensor, although the obtained values are within the reference range for healthy individuals. Overall, the results are promising and confirm the developed system’s viability for vital signs monitoring from the lower limbs.

A monitorização invisível e contínua da saúde é atualmente um tópico de interesse global dentro da comunidade científica. Ao integrar sistemas de monitorização em objetos do quotidiano, é possível obter informações valiosas sobre a saúde das pessoas sem exigir qualquer interação ou mudança nas suas rotinas. O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um tampo instrumentado capaz de monitorizar em tempo real e continuamente sinais vitais dos membros inferiores, como a frequência cardíaca (FC), saturação de oxigénio (SpO2) e frequência respiratória (FR). Neste trabalho, um protótipo de um tampo de sanita que integra dois sensores óticos MAX30102 foi desenvolvido com sucesso, para obter sinais de fotopletismografia da parte posterior de cada coxa. Para aquisição, visualização e processamento dos sinais adquiridos, foi desenvolvida uma interface gráfica. Foram realizados testes de desempenho do protótipo em 17 voluntários (faixa etária entre 22 e 40 anos, 12 mulheres e 5 homens), para avaliar a capacidade do sistema de monitorizar sinais vitais. Os valores obtidos foram comparados com valores adquiridos por dispositivos de referência. Os resultados demonstraram a capacidade do sistema de obter sinais de fotopletismografia dos membros inferiores e de monitorizar sinais vitais, nomeadamente a FC e a FR. Foram obtidas fortes correlações entre o sistema desenvolvido e os dispositivos de referência, para ambos os parâmetros, com coeficientes de correlação de Pearson de 0.92 e 0.77 e diferenças médias de 1.15 batimentos por minuto e 0.93 respirações por minuto para a FC e FR, respetivamente. Foi alcançada uma exatidão de 95.9% para a FC e de 91.3% para a FR. Em relação à SpO2, não foi possível tirar conclusões definitivas devido a um mau funcionamento do sensor de referência, embora os valores obtidos estejam compreendidos no intervalo de referência para indivíduos saudáveis. De forma geral, os resultados obtidos são promissores e confirmam a viabilidade do sistema desenvolvido para monitorizar sinais vitais dos membros inferiores.