Design of a wearable multi-sensory based chest belt integrated with iot functions for respiration monitoring
Solunum izleme için nesnelerin interneti fonksiyonlarıyla entegre giyilebilir çoklu sensör tabanlı göğüs kemer tasarımı
- Tez No: 910389
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KUNAL MANKODİYA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Rhode Island
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgisayar Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 229
Özet
Dünya, tıbbi koşullar açısından önemli risk altında olan prematüre bebek sayısında bir artışla karşılaşmaktadır. Bu durum, Yenidoğan Yoğun Bakım Ünitesinde (YYBÜ) tıbbi izleme için yenilikçi çözümler gerektirmektedir. YYBÜ'deki prematüre bebeklerde kalp atış hızı (HR), solunum hızı (RR) ve kan oksijen seviyesi (SpO2) gibi tıbbi parametreler, vücuda bağlı bir dizi kablolu, yapışkan elektrot kullanılarak sürekli olarak izlenir. Bu elektrotlarda tıbbi yapıştırıcılar kullanılsa da erken doğmuş bebeklerin gelişmemiş cildi için zararlıdır. Ayrıca, YYBÜ'deki mevcut solunum izleme, EKG sensörlerinden elde edildiğinden, ve EKG sensörleri solunum için yanlış ölçüme neden olduğundan, solunum hızını izlemek için doğru ve karmaşık bir teknolojinin geliştirilmesi bir zorunluluktur. Bu zorluklarla motive edilen bu doktora tezi, yapışkansız, kablosuz ve giyilebilir bir solunum izleme sistemi tasarlamaya odaklanmıştır. Bu araştırmanın amacı, YYBÜ gibi klinik ortamlarda fizyolojik sinyal izleme için umut verici bir çözüm olabilecek yeni bir solunum izleme teknolojisi yaklaşımı sunmak için akıllı e-tekstilleri ve Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojilerini birleştirmektir. Bunu başarmak için tekstil basınç sensörleri ve Atalet Ölçüm Birimi (IMU) ile entegre bir göğüs kemeri oluşturulmuştur. Basınç sensörleri, solunum sırasında göğüs genişleme ve daralmasındaki değişiklikleri ölçer ve IMU, hareket değişikliklerini algılar. Göğüs kemeri, giyilebilir bir gömülü sisteme (GGS) ve bir uç bilgi işlem cihazına (UBE) bağlandı. GGS, tekstil sensörlerinden basınç verilerini toplayacak ve bu verileri Wi-Fi aracılığıyla UBE'ye gönderecek şekilde programlandı. UBE'deki yazılım mimarisi, GGS'ye kablosuz olarak bağlandı ve basınç verileri alındı. Daha sonra, verilerden solunum hızını çıkarmak için basınç verilerine öznitelik çıkarma algoritmaları uygulandı. Boylece fizyolojik parametreleri izlemek için tekstil tabanlı sensörlerden ve IoT teknolojilerinden yararlanıldı. Sistemi farklı boyut ve şekiller gibi farklı koşullar altında değerlendirmek için üç farklı göğüs kemeri geliştirildi. İlk versiyon olan e-Fabric Baby Guard, bebekler için tasarlandı. IRB yükümlülükleri nedeniyle, farklı solunum hızlarında değerlendirmeler için kontrol edilebilen, gerçeğe yakın bebek manken üzerinde test edildi. Deney protokolünde farklı solunum hızları (dakikadaki nefes sayısı) ve farklı hareket türleri (yani kol sallama, bez değiştirme) simüle edildi ve test edildi. Umut verici sonuçlar alındıktan sonra NeoWear adlı ikinci versiyon geliştirildi. NeoWear, gerçek insan verilerini toplamak için tek parça bir yetişkin göğüs kemeri olarak tasarlandı. Veri toplama ve özellik çıkarma için aynı GGS, UBE ve algoritmalar kullanıldı. Daha sonra üçüncü versiyon olan SolunumWear, tüm göğüs bölgesini kaplayacak şekilde iki parça yetişkin göğüs kemeri olarak tasarlandı. Veri toplama ve özellik çıkarma için aynı GGS, UBE ve algoritmalar kullanıldı. Farklı duruşların solunum üzerindeki etkisini değerlendirmek için mevcut deneysel protokole farklı duruşlar (ayakta durma, oturma, eğilme) eklendi. Bu deneyler, altın standart olarak kabul edilen kızılötesi kameralarla karşılaştırılarak doğrulandı. Sistemin solunum hızlarındaki değişiklikleri ve hareketlerin ve duruşların solunum sinyali üzerindeki etkisini algılayabildiği gözlemlendi.
Özet (Çeviri)
The world is witnessing a rising number of preterm infants who are at significant risk of medical conditions. This situation demands innovative solutions for medical monitoring in the Neonatal Intensive Care Unit (NICU). Medical parameters such as heart rate (HR), respiration rate (RR), and blood oxygen level (SpO2) are continuously monitored in premature infants in the NICU using a set of wired, sticky electrodes attached to the body. Even though medical adhesives are used, they are still harmful for preterm babies' underdeveloped skin. Also, development of an accurate and sophisticated technology to monitor respiration rate is a necessity since the current respiration monitoring in NICU is extractedfrom the ECG sensors and the ECG sensors resulting in inaccurate measurement for respiration. Motivated by these challenges, this doctoral dissertation focused on to design an adhesive-free, wireless, and wearable respiration monitoring system. The aim of this research is to combine smart e-textiles and Internet-of-Things (IoT) technologies to offer a novel approach of respiration monitoring technology which can be a promising solution for physiological signal monitoring in clinical settings such as NICU. To achieve this, a chest belt integrated with textile pressure sensors and an Inertial Measurement Unit (IMU) was created. The pressure sensors measure the changes in chest expansion and contraction during breathing and the IMU senses movement changes. The chest belt was connected to a a wearable embedded system (WES) and an edge computing device (ECD). The WES was programmed to collect pressure data from textile sensors and send this data to ECD via Wi-Fi. The software architecture in ECD was wirelessly connected to the WES and received pressure data. After that, feature extraction algorithms were applied to the pressure data to extract the respiration rate from the data. So, the respiration monitoring system took advantage of textile-based sensors and IoT technologies to monitor physiological parameters. To evaluate the system under different conditions such as different sizes and shapes, three different chest belts were developed. The first iteration, e-Fabric Baby Guard was designed for babies. Due to the IRB obligations, it was tested on high fidelity, life-like baby mannequin which can be controlled for assesments in different breathing rates. In experimental protocol, different breathing rates (number of breaths per minute) and different kind of movements (i.e arm swing, diaper change) were simulated and tested. After getting promising results, the second iteration called NeoWear was designed. To collect real human data, NeoWear was designed as a one piece adult chest belt. The same WES, ECD and algorithms were used for data collection and feature extraction. After that, the third iteration, SolunumWear was designed as two pieces adult chest belt to cover whole chest area. The same WES, ECD and algorithms were used for data collection and feature extraction. Different postures (standing, sitting, bending) were added to existing experimental protocol to evaluate the effect of different postures on breathing. Those experiments validated by comparing with infrared cameras as gold standard. It was observed that the system was capable of sensing the changes in breathing rates and the effect of movements and postures on the breathing signal.
Benzer Tezler
- Bayesian optimization strategies for human-in-the-loop systems: Theory and applications in physical human-robot-interaction
İnsanın optimizasyon döngüsüde olduğu sistemler için bayes optimizasyon stratejileri: Teori ve fiziksel insan-robot etkileşimi uygulamaları
HARUN TOLASA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Textile-based soft robotics for active assistance and rehabilitation
Aktif destek ve rehabilitasyon için tekstil tabanlı yumuşak robotikler
AYŞE FEYZA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
PROF. DR. FATMA KALAOĞLU
- Mikrokontrolör tabanlı çoklu sensör ölçüm sistemi ile giyilebilir vücut duruş analiz sistemi tasarımı
Design of microcontroller-based multi-sensor measuring system for wearable body posture analysis
MEHMET ULUÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYozgat Bozok ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET KARABULUT
- Rezonatör tabanlı çoklu-bant soğurucu tasarımı ve sensör uygulamaları
Design of resonator based multi-band absorber and sensor applications
ALPARSLAN ÇINAR
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SIDDIK CUMHUR BAŞARAN
- Scalable fabrication of nanomaterial integrated polymer fibers as self-powered sensors
Kendinden güçlendiren sensörler olarak nano malzeme entegre polimer elyafların ölçeklenebilir imalatı
MD MEHDI HASAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
ASSIST. MEMBER ABDULLAH DEMİR
DOÇ. DR. MUSTAFA ORDU