A contribution to unobtrusive measurement methods for sleep monitoring based on magnetic induction technique

Abstract

Sleep monitoring is of major importance for various medical areas such as the detection and treatment of sleep disorders, assessment of different medical conditions or medications' effects over sleep quality, and mortality risk assessment associated with sleep patterns in adults and children. It is a challenging area of medical problems due to both privacy issues and technical considerations. It calls for monitoring methods in which the patient's natural state is less interfered. An ideal device would be non-invasive, minimally restrictive, robust enough to compensate movements of the patients, and would operate without relying on patient's cooperation. Non-contact methods for monitoring vital signs and physiological activities have been given lots of attention recently. In addition to the sleep monitoring, various other medical applications demand for less-obtrusive continuous respiratory and cardiac activity monitoring methods. Applications such as home health care, neonates and burned victims monitoring and applications in which using the traditional skin electrodes may worsen or disturb the conditions of the patient, call for new contact-less approaches for monitoring purposes. This thesis focuses on the design and development of an unobtrusive, vital sign monitoring system particularly suited for long-term monitoring. The system is a low-cost, non-contact planar system designed to be placed under the bed or mattress for applications such as sleep monitoring, neonates monitoring, etc. The system is based on the magnetic induction sensing method, designed to infer presence on the bed, breathing and cardiac activity and consists of two coils for excitation and detection. The receiver is an asymmetric planar gradiometer which has been optimized to minimize the impact of the primary magnetic field. The signal acquisition system has been designed using simple electronics to avoid ending up with a complex expensive system. Safety study indicates that the developed system is safe to be used for continuous monitoring of breathing and cardiac activity for patients, in terms of being exposed to magnetic fields. The experimental results were compared with reference signals obtained by other sensors (photoplethysmogram, respiratory pressure transducer), for benchmarking and identifying the advantages and drawbacks of the new system regarding other techniques. Experimental results confirm the suitability and safety of the sensor for long-term cardiac and respiratory monitoring. The system is able to detect respiration and cardiac activity as well as presence on the bed and changes in position.

Los métodos sin contacto para monitorizar signos vitales y actividades fisiológicas reciben cada día más atención. Además de la monitorización del sueño, otras aplicaciones médicas requieren métodos de monitorización de la actividad respiratoria y cardiaca de forma continua y menos intrusiva. Aplicaciones como el cuidado de la salud en el hogar, los bebes prematuros y las víctimas de quemaduras, en las que el uso de los electrodos tradicionales sobre la piel puede empeorar o perturbar las condiciones del paciente, requieren nuevos enfoques de monitorización sin contacto. Esta tesis se centra en el diseño y desarrollo de un sistema de monitorización de signos vitales sin contacto y particularmente adecuado para la monitorización a largo plazo. El sistema es un sistema plano sin contacto de bajo coste diseñado para ser colocado bajo la cama o colchón para aplicaciones tales como monitoreo del sueño, monitoreo de recién nacidos, etc. El sistema se basa en el método de detección por inducción magnética, diseñado para inferir la presencia en la cama, la respiración y la actividad cardíaca y consiste en dos bobinas, una para excitación y otra para detección. El receptor es un nuevo gradiómetro plano asimétrico que ha sido optimizado para minimizar el impacto del campo magnético primario. El sistema de adquisición de señales ha sido diseñado utilizando una electrónica sencilla para evitar terminar con un sistema complicado y caro. Se ha realizado un estudio de seguridad, en términos de exposición a campos magnéticos, que indica que el sistema desarrollado es seguro para ser usado en la monitorización de la respiración y actividad cardiaca. Los resultados experimentales se compararon con las señales de referencia obtenidas por otros sensores (fotopletismografia y transductor de presión bajo el colchón), para realizar un benchmarking e identificación de las ventajas e inconvenientes del nuevo sistema con respecto a otras técnicas. Los resultados experimentales confirman la idoneidad y seguridad del sensor diseñado para monitorización continua y prolongada de la actividad cardiaca y respiratoria. El sistema es capaz de detectar la respiración y la actividad cardíaca, así como la presencia en la cama y los cambios de posición