Sleep related disorders can severely disturb the quality of sleep. Among these disorders, obstructive sleep apnea (OSA) is highly prevalent and commonly undiagnosed. Polysomnography is considered to be the gold standard exam for OSA diagnosis. Even though this multi-parametric test provides highly accurate results, it is time consuming, labor-intensive, and expensive. A non-invasive and easy to self-assemble home monitoring device was developed to address these issues. The device can perform the OSA diagnosis at the patient’s home and a specialized technician is not required to supervise the process. An automatic scoring algorithm was developed to examine the blood oxygen saturation signal for a minute-by-minute OSA assessment. It was performed by analyzing statistical and frequency-based features that were fed to a classifier. Afterward, the ratio of the number of minutes classified as OSA to the time in bed in minutes was compared with a threshold for the global (subject-based) OSA diagnosis. The average accuracy, sensitivity, specificity, and area under the receiver operating characteristic curve for the minute-by-minute assessment were, respectively, 88%, 80%, 91%, and 0.86. The subject-based accuracy was 95%. The performance is in the same range as the best state of the art methods for the models based only on the blood oxygen saturation analysis. Therefore, the developed model has the potential to be employed in clinical analysis.

O mercado de sistemas vestíveis de monitoramento de sinais vitais (Wearable Health-Monitoring Systems – WHMS) teve um grande salto junto com os avanços em tecnologias de comunicação sem fio e miniaturização de componentes elétricos, possibilitando a integração desses aparelhos no acompanhamento de pacientes enfermos ou, ainda, como facilitador da aquisição de dados para um possível diagnóstico. Neste sentido, esse trabalho visa o desenvolvimento de um WHMS estruturado em blocos para aquisição, condicionamento e envio wireless de biossinais, nomeadamente, eletrocardiograma (ECG), eletromiograma (EMG), temperatura corporal e saturação de oxigénio no sangue (SpO2), de forma não-invasiva e com alta confiabilidade. As etapas de aquisição e condicionamento dos analógicos (ECG e sEMG) foram desenvolvidas utilizando componentes analógicos, parametrizados sob a área de interesse única de cada sinal, a qual foi determinada através de um estudo bibliográfico de cada comportamento. Ademais, para aferir a temperatura e SpO2, são utilizados sensores digitais, respetivamente, DS18B20 e MAX30102. Quanto ao envio dos dados, primeiramente os sinais analógicos são convertidos para sinais digitais utilizando o conversor analógico-digital de 12 bits embebido na placa de desenvolvimento ESP32 V4, além de ser tratada a utilização do conversor ADS1296 de 24 bits. Posteriormente, com as informações armazenada na memória do microcontrolador, os dados são agrupados em pacotes priorizando o processamento mais rápido entre envios, objetivando o mínimo de perdas de dados. Após o desenvolvimento, os resultados foram comparados com dispositivos validados, buscando uma confirmação do funcionamento, obtendo melhores resultados nas medições de relação sinal-ruído e correspondência com o sinal ideal esperado para os sinais de ECG e EMG utilizando os circuitos desenvolvidos. De mesmo modo, para o sinal de temperatura, obteve-se resultados altamente precisos e um comportamento em concordância com o equipamento validado, porém, para as medições de SpO2, os resultados obtidos com o MAX30102 não foram adequados, sendo, então, propostas medidas a serem estudadas almejando a melhoria deste resultado.

The oxygen level in blood, usually referred as SpO2 (Saturation of hemoglobin with oxygen as measured by pulse oximetry) is an essential medical information. Measuring the oxygen level of the human blood using non- intrusive techniques is a vital achievement in modern medicine. This can be performed by processing the infrared and red light transmitted through the patient’s finger and received by a photoreceptor. Before being applied to an analog-to-digital converter (ADC), the incoming light has to be converted to a voltage and the range should be dynamically adjusted in order to use the full input range of the ADC. Since the photoreceptor generates an output current, a transimpedance amplifier (TIA) with gain control is required. The two-stage TIA proposed in this paper, uses a regulated common-gate (RCG), in the first stage, employing noise cancellation and balun operation using an additional common-source (CS) stage, while the adjustable gain is implemented in the second-stage, which is based on an intrinsically noiseless MOS parametric amplifier(MPA). This MPA operates in the discrete-time domain, thus, eliminating the need of an input sample-and-hold (S&H) block in the ADC. The proposed circuit has been designed in a 130 nm digital 1.2 V CMOS technology with a power consumption lower than 350µW.

Obstructive sleep apnea (OSA) is a common sleep disorder characterized by interrupted breathing during sleep. Because of the cost, complexity, and accessibility issue related to polysomnography, the gold standard test for apnea detection, automation of the diagnostic test based on a simpler method is desired. Several signals can be used for apnea detection, such as airflow and electrocardiogram. However, the reduction of airflow normally leads to a decrease in the blood oxygen saturation level (SpO2). This signal is usually measured by a pulse oximeter, a sensor that is cheap, portable, and easy to assemble. Therefore, the SpO2 was chosen as the reference signal. Feature based classifiers with shallow neural networks have been developed to provide apnea detection using SpO2. However, two main issues arise, the need for feature creation and the selection of the more relevant features. Deep neural networks can solve these issues by employing featureless methods. Among multiple deep classifiers that have been developed, convolution neural networks (CNN) are gaining popularity. However, the selection of the CNN structure and hyperparameters are typically done by experts, where prior knowledge is essential. With these problems in mind, an algorithm for automatic structure selection and hyper parameterization of a one dimension CNN was developed to detect OSA events using only the SpO2 signal. Three different input sizes and databases were tested, and the best model achieved an average accuracy, sensitivity, and specificity of 94%, 92%, and 96%, respectively.

Há um interesse crescente em dispositivos vestíveis de saúde devido à sua aplicação no monitoramento remoto de pacientes. No caso de monitoramento frequente de sinais vitais com dispositivos vestíveis, seria possível definir uma base de dados de saúde individual para que os usuários e profissionais médicos pudessem tomar medidas necessárias, dependendo das anomalias detetadas. Os instrumentos médicos convencionais são volumosos e geralmente feitos de componentes eletrônicos rígidos, não sendo adequados para esse fim. A incompatibilidade mecânica entre a eletrônica rígida tradicional e os tecidos biológicos resulta em sistemas que não se adaptam suficientemente à epiderme humana e geralmente são impraticáveis para monitoramento de longo prazo. Esta tem sido uma das motivações para a eletrônica flexível e elástica, que visa o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de matéria macia que se adaptam à pele humana e podem suportar flexões e esforços mecânicos enquanto mantêm sua funcionalidade e qualidade de sinal. Esta dissertação faz parte de um grande projeto da CMU Portugal (WoW) que visa desenvolver um sistema de vestível que monitoriza simultaneamente frequência cardíaca, temperatura corporal, movimentos corporais, frequência respiratória e saturação de oxigénio (SpO2). A equipa do ISR já implementou todas essas funções num cinto e-¬têxtil vestível e um adesivo, exceto para o SpO2. Ambos os dispositivos concentram os seus sensores na zona do tórax. No entanto, os poucos trabalhos da literatura que estudam a medição de SpO2 na zona do tórax definem a tarefa como desafiadora. No entanto, nenhum desenvolveu um adesivo de matéria mole verdadeiramente adaptável à pele. Portanto, o objetivo principal deste trabalho é projetar e desenvolver um patch de medição de SpO2 de matéria mole, entender se é viável medir SpO2 na zona torácica e se um patch de monitoramento de SpO2 macio e conformável pode resolver esse problema. Além disso, este trabalho aborda alguns dos desafios na fabricação de componentes eletrônicos flexíveis de alta resolução que podem incorporar microcomponentes SMD. Mostramos um método muito eficiente para padronização de circuitos a laser de uma tinta elástica (previamente desenvolvida na ISR) que tem potencial para fabricação em escala. Graças à implementação desses patches, esta dissertação é o primeiro trabalho que compara dispositivos de oxímetro de pulso realmente compatíveis com os não compatíveis. Os patches criados são comparados com o oxímetro de pulso digital comercial, certificado, e algumas conclusões são tiradas.

A Doença Pulmonar Obstrutiva Crónica (DPOC) é uma das maiores causas de morbilidade e mortalidade em todo o mundo e é esperado em 2030 seja a quarta maior causa de morte. Assim, existe a necessidade de expandir a acessibilidade e melhorar os seus tratamentos.Geralmente, a reabilitação pulmonar é a melhor opção, aumentando significativamente a qualidade e esperança de vida do paciente, no entanto, nos países desenvolvidos apenas 1-2% dos utentes têm acesso a este tratamento e, mesmo quando têm, uma quantidade relevante não o frequenta devido aos deslocamentos necessários. Por este motivo, e pela falta de recursos humanos, existe a necessidade de um sistema que funcione em casa e que não exija a presença do profissional qualificado durante as sessões de reabilitação pulmonar. Para garantir seu sucesso e confiabilidade, o sistema tem de ser capaz de dar feedback sobre o desempenho do exercício, assegurando ao mesmo tempo que o utilizador está a realizar os exercícios em condições seguras. Portanto, será necessário um componente de monitorização de esforço, desenvolvido neste trabalho, e um de avaliação de desempenho de exercício, implementada no SWORD Phoenix, originando a plataforma SWORD Zephyr.A avaliação das condições em que o utilizador está a realizar os exercícios é feita através da combinação de dois algoritmos, que recorrendo os dados fornecidos por um oxímetro de pulso, com bluetooth. Para garantir a melhor plataforma possível, um dos objetivos desta tese foi comparar o desempenho de um oxímetro mais barato com o dispositivo padrão, já que utilizar o standard da indústria aumentaria significativamente os custos de produção e tornaria o sistema inviável. Infelizmente, apesar da aprovação do FDA, foi possível concluir que o oxímetro YK-81C não teve um desempenho similar ao Nonin 3230 e que essa diferença teria um impacto negativo na eficiência do sistema.Quatro algoritmos distintos, para garantir a implementação da melhor combinação possível, foram construídos e testados com base no seu desempenho na classificação da intensidade dos exercícios e identificação de falência do sistema respiratório. Destes algoritmos, dois utilizam os valores fiáveis de SpO2 e são responsáveis por categorizar o valor de saturação de oxigénio como crítica ou não crítica. Após a comparação do SpO2 Window Algorithm e do SpO2 Derivative Algorithm, foi concluido que o primeiro é mais robusto e mais próximo do comportamento desejado. Os outros dois algoritmos foram baseados em características cardíacas, nomeadamente na frequência cardíaca e na variabilidade da frequência cardíaca, e que o algoritmo HR era evidentementa a melhor escolha para implementação, uma vez que os seus resultados foram melhores em todos os indicadores de desempenho comparados com o algoritmo HRV. Assim, a melhor combinação é composta pelo SpO2 Window Algorithm, para garantir que o paciente não se encontra em estado crítico, e o HR Algorithm, para monitorizar se o exercício está a ser executado com a intensidade desejada potencializando sua recuperação e prevenindo a fadiga.O desempenho em tempo real do sistema também foi validado positivamente, por fisioterapeutas. Porém foram perceptíveis as diferenças entre os resultados do sistema dependendo do oxímetro, reforçando a importância do uso de um dispositivo fiável. O interesse e a relevância do sistema para pacientes e profissionais foram avaliados utilizando dois inquéritos nos quais foi possível concluir que, apesar de ser necessário efetuar alguns ajustes, há necessidade e interesse numa plataforma para auxiliar a reabilitação pulmonar, tanto em casa como nas clínicas.

De acordo com estatísticas recentes, anualmente, cerca de 18% dos pacientes sofrem grandes complicações pós-operativas e 21,1 a 56,5% sofrem de instabilidade hemodinâmica. A hemodinâmica descreve a regulação do fluxo sanguíneo no corpo humano que, em condições normais, assegura uma perfusão e oxigenação adequada. O sensor de fotopletismografia é um dispositivo não invasivo, que fornece informação acerca de dois parâmetros hemodinâmicos chave: oxigenação (SpO2) e perfusão (PI). No entanto, ainda existe um desafio na prática clínica em obter medidas confiáveis de SpO2 para condições de baixas pressões sanguíneas e perfusão. O objetivo principal desta tese é investigar se o estado hemodinâmico de um paciente pode ser antecipado por dois sensores PPG, colocados num local central (lóbulo nasal) e periférico (dedo), com técnicas avançadas de processamento de sinal. Assim sendo, esta tese investiga o impacto de implementar um segundo sensor PPG para monitorizar um paciente num contexto clínico. Para remeter para a análise de diferentes dinâmicas de zona central e periférica do corpo, a relação entre a pressão sanguínea e saturação de oxigénio, assim como a relação entre pressão sanguínea e índice de perfusão são estudadas para diferentes localizações corporais. Foi efetuada uma análise detalhada entre estes dois parâmetros (SpO2 e PI) para etapas diferentes; antes, durante e depois do procedimento cirúrgico. Os resultados indicam que o uso dos dois sensores pode ser vantajoso. O sensor alar (central) pode fornecer medidas de SpO2 menos sensíveis a pressões sanguíneas do paciente, assim como detetar com maior rapidez eventos de dessaturação. O sensor do dedo pode ser usado como uma ferramenta de acesso a mudanças hemodinâmicas no corpo com o PI como medida representativa (e.g. vasoconstrição), e se emparelhado com o sensor alar podemos obter uma indicação de centralização / estado de choque do paciente. O acesso à hemodinâmica a partir destes dois sensores pode permitir uma intervenção mais rápida, reduzindo a probabilidade de complicações operativas/ pós-operativas, morbilidade no paciente, e o tempo de internamento hospitalar.