Development of real time embedded algorithms for calculating vital signs based on photoplethysmography data

Abstract

[ES] Mi tutor de destino, Pascal Verdonck, aparte de profesor de la universidad, es el director de un hospital de Gante y supervisa a los ingenieros que trabajan en el hospital. En concreto hay dos que estaban trabajando en unos sensores que detectan las constantes vitales a través de señales de fotopletismografía; que es una técnica en la cual se usa un haz de luz para determinar el volumen de un órgano. Con estos sensores podemos saber el volumen de sangre en las venas, y a raíz de esto hallar constantes vitales como por ejemplo la frecuencia cardíaca o la frecuencia respiratoria. Mi trabajo consiste en desarrollar la parte del software del sistema.

Al principio me estaba centrando en cómo podría mejorar los algoritmos que tienen cambiando algunas de las variables y comparando unos algoritmos con otros; pero considerando la complejidad del trabajo decidí junto a mi tutor cambiar el enfoque del trabajo, centrándonos en el hecho de que con los algoritmos que ya hemos implementado, el usuario pueda obtener la información de sus constantes vitales en tiempo real. Este es el objetivo principal del proyecto, ya que los sensores, anteriormente mencionados, irán en una pulsera para el uso diario del paciente y la detección de anomalías en su vida cotidiana, enviándole si debe acudir al hospital.

Para ello; hemos ideado este título para mi tesis: "Desarrollo de un algoritmo embebido en tiempo real para el cálculo de constantes vitales a partir de señales de fotopletismografía". Mi objetivo es desarrollar un algoritmo que pueda procesar constantemente los datos de entrada del paciente y dar sus constantes vitales en tiempo real.

Para una mayor comprensión del tema es preciso que describa dos de los conceptos nombrados en el título; sistema embebido y procesamiento digital en tiempo real.

- Sistema embebido: la informática embebida se refiere a un sistema informático especializado que se incorpora a un producto o dispositivo de mayor tamaño. Está diseñado para realizar una función específica y funciona con una intervención mínima del usuario. Estos sistemas suelen encontrarse en productos cotidianos como electrodomésticos, coches y equipos médicos. Están diseñados para ser rentables, consumir menos energía y ser muy fiables.

-Sistema en tiempo real: Hay dos tipos de aplicaciones de procesamiento digital de señales: en tiempo real y en tiempo no real. El procesamiento de señales en tiempo no real consiste en manipular señales que ya se han recogido en formato digital. El procesamiento de señales en tiempo real impone exigencias estrictas a los diseños de hardware y software de procesamiento de señales digitales para que completen tareas predefinidas en un plazo de tiempo determinado. Un sistema en tiempo real se ha descrito como aquel que "controla un entorno recibiendo datos, procesándolos y devolviendo los resultados con la rapidez suficiente para afectar al entorno en ese momento".

A grandes rasgos los pasos en los que me voy a centrar son los siguientes: - Intentar construir un código Python en tiempo real, leer la entrada que tenemos actualmente punto por punto y escribir código que la analice en una ventana de tiempo. - Mejorar el algoritmo actual, reduciendo la memoria necesaria, disminuir la cantidad de potencia de procesamiento e intentar investigar el tamaño de las ventanas temporales.

[EN] Health goes beyond the physical boundaries of a hospital and involves the patient's proactive responsibility to prevent pathologies. Population health outcomes and operational effectiveness can be significantly improved through connected care, which requires people to actively control their health through monitoring, data analysis and integrated health-care services. Photoplethysmography is a technique, in development, for the detection of vital constants. Nowadays there are several devices to monitor our vital signs on a day-to-day basis. But this is still an ever-evolving area. This study proposes an algorithm that can be embedded into a system that detects photoplethysmography signals. The aim of this algorithm shall be, in an adequate and efficient manner, to determine the constants of heart rate and respiratory rate in real time. The materials and methods chapter introduces the hardware that will be used to detect the signal through a photodetector and, on the other hand, the software; where it is described the complete algorithm, how it has been created and synthesized in the most optimal way that, when implemented in the sensor, can find the vital constants in real-time.