Modular textile-enabled bioimpedance system for personalized health monitoring applications

180 Pages·2017·9.89 MB·English

Modular textile-enabled bioimpedance
system for personalized health
monitoring applications

JAVIER FERREIRA GONZÁLEZ

Doctoral Thesis

Royal Institute of Technology, KTH Technical University of Madrid, UPM
School of Technology and Health School of Telecommunications
Stockholm, Sweden 2017 Systems and Engineering
Madrid, Spain 2017
ISBN 978-91-7729-377-4
ISSN 1653-3836
ISRN/KTH/STH/2017:6-SE
TRITA-STH Report 2017:6

Royal Institute of University of Borås, UB Technical University of
Technology, KTH Faculty of Care Science, Madrid, UPM
School of Technology and Work Life and Social School of Telecommunications
Health Welfare Systems and Engineering
SE-100 44 Stockholm SE-501 90 Borås ES-28031 Madrid
SWEDEN SWEDEN SPAIN
© Javier Ferreira González, [email protected], 2017
Dedicated to my family,
friends and Evelyn

Abstract - English
A growing number of factors, including costs, technological advancements, ageing
populations, and medical errors, are leading industrialized countries to invest in
research on alternative solutions to improve their health-care systems and increase
patients’ quality of life. Personal health systems (PHS) examplify the use of
information and communication technologies that enable a paradigm shift from the
traditional hospital-centered healthcare delivery model toward a preventive and
person-centered approach. PHS offer the means to monitor a patient’s health using
wearable, portable or implantable systems that offer ubiquitous, unobtrusive bio-
data acquisition, allowing remote monitoring of treatment and access to the
patient’s status. Electrical bioimpedance (EBI) technology is non-invasive, quick and
relatively affordable technique that can be used for assessing and monitoring
different health conditions, e.g., body composition assessments for nutrition. When
combined with state-of-the-art advances in sensors and textiles, EBI technologies
are fostering the implementation of wearable bioimpedance monitors that use
functional garments for personalized healthcare applications. This research work is
focused on the development of wearable EBI-based monitoring systems for
ubiquitous health monitoring applications. The monitoring systems are built upon
portable monitoring instrumentation and custom-made textile electrode garments.
Portable EBI-based monitors have been developed using the latest material
technology and advances in system-on-chip technology. For instance, a portable EBI
spectrometer has been validated against a commercial spectrometer for total body
composition assessment using functional textile electrode garments. The
development of wearable EBI-based monitoring units using functional garments and
dry textile electrodes for body composition assessment and respiratory monitoring
has been shown to be a feasible approach. The availability of these measurement
systems indicates progress toward the real implementation of personalized
healthcare systems.
Keywords: personal healthcare system • electrical bioimpedance • wearable •
pervasive • portable • monitoring • body composition • chronic kidney disease •
wireless sensor • ubiquitous • instrumentation

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Sammanfattning - Svenska
Ett flertal faktorer, såsom stigande kostnader, tekniska framsteg, en åldrande
befolkning, etc. har fått de industrialiserade länderna att investera i forskning kring
alternativa lösningar för att förbättra hälso- och sjukvårdssystemen och därmed öka
patienternas livskvalitet. Personliga hälso- och sjukvårdssystem (PHS) är exempel
på informations- och kommunikationsteknik som möjliggör ett paradigmskifte från
den traditionella sjukhuscentrerade vårdmodellen mot en strategi av
personcentrering och förebyggande. PHS erbjuder möjlighet att övervaka en
patients hälsa med hjälp av bärbara, portabla eller implanterbara system som för
icke-påverkande insamling av fysiologiska signaler överallt. Detta medger
fjärrövervakning av behandling och patientstatus. Elektrisk bioimpedans (EBI)
teknik är en icke-invasiv, snabb och relativt billig teknik som kan användas för att
bedöma och övervaka olika hälsotillstånd, t ex uppskatta kroppssammansättning. I
kombination med state-of-the-art framsteg inom sensorer och smarta textilier,
stödjer EBI teknik införandet av bärbara bioimpedansmonitorer som använder
funktionella plagg i personbaserade vårdapplikationer. Denna forskning fokuserar
på utveckling av bärbara EBI baserade övervakningssystem för
hälsoövervakningstillämpningar. Övervakningssystemen bygger på bärbara
övervakningsinstrument och textila elektroder insydda i kläderna. Bärbara EBI-
baserade monitorer har utvecklats med hjälp av den senaste materialteknologi och
framsteg inom system-on-chip-teknik. Exempelvis, har en bärbar EBI spektrometer
utvärderats mot en kommersiell spektrometer för bedömning
kroppssammansättning med användning av ett textilelektrodplagg. Utvecklingen av
bärbara EBI baserade övervakningsenheter som använder funktionella plagg och
torra textila elektroder för bedömning av kroppssammansättning och för
andningsövervakning har visat sig tillhandahålla en genomförbar lösning. Tillgången
på sådana mätsystem erbjuder klara steg fram emot det faktiska utnyttjandet i
personliga vårdsystem.
Nyckelord: Personliga hälso- och sjukvårdssystem • elektrisk bioimpedans • bärbar
• genomträngande • portabel • övervakning • kroppssammansättning • kronisk
njursjukdom • omgivnings bistå levande • trådlös sensor • allestädes närvarande

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Resumen - Español
Los países industrializados se enfrentan a numerosos retos relacionados con el
mantenimiento y la mejora de calidad de sus sistemas de atención médica. Algunos
de los retos más acuciantes en estos países están relacionados con el control de
costes, la integración de avances tecnológicos, el envejecimiento de la población o la
detección y minimización de errores en la práctica clínica. Dada la importancia de
hacer frente a estos retos, se está realizando una gran inversión en el desarrollo de
soluciones alternativas a las prácticas tradicionales, de forma que se facilite una
atención médica más aceptable para los pacientes y con unos costes asumibles por la
sociedad. Los sistemas de salud personal (PHS, por sus siglas en inglés) examinan el
uso de tecnologías de información y comunicación para crear y potenciar un cambio
paradigmático desde el modelo tradicional de atención sanitaria centrado en el
hospital hacia un enfoque preventivo y centrado en la persona. Los PHS ofrecen los
medios para monitorizar la salud de un paciente utilizando sistemas portables,
portátiles o implantables en el paciente. Estos sistemas habilitan la adquisición
ubicua y discreta de todo tipo de datos con relevancia clínica, incluidos datos
biológicos del paciente, permitiendo la monitorización remota del tratamiento y el
acceso al estado actual del paciente. Una de las tecnologías aplicables a los PHS es la
tecnología de bioimpedancia eléctrica (EBI). La EBI es una técnica no invasiva,
rápida y asequible que puede usarse para evaluar y monitorizar diferentes
condiciones de salud como la composición corporal del paciente con fines
nutricionales. Cuando estas técnicas se combinan con avances de última generación
en sensores y textiles, las tecnologías resultantes habilitan la implementación de
sistemas de monitorización de bioimpedancia portátiles e integrados en prendas
funcionales para aplicaciones de atención médica personalizadas. Este trabajo de
investigación se centra en el desarrollo de sistemas de monitorización basados en
sistemas de bioimpedancia portátiles para aplicaciones de monitorización de salud
ubicuas. Los sistemas de monitorización, desplegados en forma de instrumentación
portátil y prendas textiles funcionales como sensores, se han desarrollado utilizando
las últimas tecnologías de materiales y los avances en la tecnología de sistemas
sobre chip. En concreto, un espectrómetro EBI portátil ha sido validado contra un
espectrómetro comercial para la evaluación de la composición corporal total usando
prendas funcionales que incorporan electrodos textiles. Se ha demostrado la validez
de este tipo de sistemas, junto a textiles funcionales actuando como electrodos, en la
evaluación de la composición corporal o la monitorización de las funciones
respiratorias. La disponibilidad de estos sistemas de medida indica el progreso hacia
la implementación real de sistemas de salud personalizados.
Palabras clave: sistemas de monitorización personales • bioimpedancia eléctrica •
usable • portátil • monitorización • composición corporal • enfermedad renal crónica
• sensor inalámbrico • omnipresente

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