abstract: Wearable technology has brought in a rapid shift in the areas of healthcare and lifestyle management. The recent development and usage of wearable devices like smart watches has created significant impact in areas like fitness management, exercise tracking, sleep quality assessment and early diagnosis of diseases like asthma, sleep apnea etc. This thesis is dedicated to the development of wearable systems and algorithms to fulfill unmet needs in the area of cardiorespiratory monitoring. First, a pneumotach based flow sensing technique has been developed and integrated into a face mask for respiratory profile tracking. Algorithms have been developed to convert the pressure profile into respiratory flow rate profile. Gyroscope-based correction is used to remove motion artifacts that arise from daily activities. By using Principal Component Analysis, the follow-up work established a unique respiratory signature for each subject based on the flow profile and lung parameters computed using the wearable mask system. Next, wristwatch devices to track transcutaneous gases like oxygen (TcO2) and carbon dioxide (TcCO2), and oximetry (SpO2) have been developed. Two chemical sensing approaches have been explored. In the first approach, miniaturized low-cost commercial sensors have been integrated into the wristwatch for transcutaneous gas sensing. In the second approach, CMOS camera-based colorimetric sensors are integrated into the wristwatch, where a part of camera frame is used for photoplethysmography while the remaining part tracks the optical signal from colorimetric sensors. Finally, the wireless connectivity using Bluetooth Low Energy (BLE) in wearable systems has been explored and a data transmission protocol between wearables and host for reliable transfer has been developed. To improve the transmission reliability, the host is designed to use queue-based re-request routine to notify the wearable device of the missing packets that should be re-transmitted. This approach avoids the issue of host dependent packet losses and ensures that all the necessary information is received. The works in this thesis have provided technical solutions to address challenges in wearable technologies, ranging from chemical sensing, flow sensing, data analysis, to wireless data transmission. These works have demonstrated transformation of traditional bench-top medical equipment into non-invasive, unobtrusive, ergonomic & stand-alone healthcare devices. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2020

Made available in DSpace on 2016-08-19T18:16:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nilton Maciel.pdf: 552400 bytes, checksum: 57a80599a319d245747ee50f59ec8f25 (MD5) Previous issue date: 2007-07-16 / Introduction: The quality of life (QOL) of patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (CPOD) is influenced by its impact on daily activities, due to the damage of the respiratory functional capacity. Objective: Correlate the QOL of women who carrying COPD with the respiratory functions and the 6 minutes walk test (6MWT). Methods: A cross study of 30 women with light or moderate COPD was carried out at the Pneumology Ambulatory care facility of the University Hospital, Presidente Dutra of the Maranhão State Federal University. The Saint George’s Respiratory Questionnaire (SGRQ) in the Respiratory Disease was used, to evaluate the measures of maximum respiratory pressures, spirometry and the 6MWT. Besides the descriptive statistics was realized the test t Student to dependent variables and the Linear Coefficient of Pearson for the correlation studies. Results: The QOL was altered in 96,7% of the studied patients in all sections of the SGRQ. The average distance (317,69 m) covered on the 6MWT, as well as the inspiratory muscular force (-53,48 cmH2O) and expiratory (69,55 cmH2O), were below the expected values for the normality. There was no correlation of the QOL with the BMI nor with the pulmonary function. The domains impact and the activities of the SGRQ presents negative correlation with age and positive with the Borg Scale. The domain impact still had correlation with the PImáx and the 6MWT. Conclusion: The patients with COPD of the study had presented a linear correlation among the QOL of the SGRQ and the variables of age, PImáx and the Borg Scale, still the low QOL in all the sections of the SGRQ, low performance on the 6MWT and reduced respiratory muscular force. / Introdução: A qualidade de vida (QV) de pacientes com Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC) é influenciada pelo impacto desta doença nas atividades da vida diária, decorrente do comprometimento da capacidade funcional respiratória. Objetivo: Correlacionar a QV de mulheres portadoras de DPOC com as funções respiratórias e o Teste de Caminha de Seis minutos (TC6). Método: Estudo transversal com 30 mulheres com DPOC leve ou moderada que estavam em tratamento no Ambulatório de Pneumologia do Hospital Universitário Presidente Dutra (APHUPD) da Universidade Federal do Maranhão (UFMA). Foi aplicado o questionário do Hospital Saint George na Doença Respiratória (SGRQ), realizado as medidas das pressões máximas respiratórias, a espirometria e, por último, o TC6. Além da estatística descritiva, foi realizado o teste t Student para variáveis dependentes e o Coeficiente Linear de Pearson para o estudo das correlações. Resultados: A QV esteve alterada em 96,7% das pacientes estudadas, tendo alterações em todos os domínios do SGRQ. Tanto a média da distância percorrida no TC6 (317,69 m) quanto à força muscular inspiratória (-53,48 cmH2O) e expiratória (69,55 cmH2O) ficaram abaixo dos valores de normalidade. Não houve correlação da QV com o IMC e nem com a função pulmonar. Os domínios impactos e atividades do SGRQ apresentaram correlação linear negativa com a idade e positiva com a escala de Borg. O domínio impacto teve ainda correlação com a PImáx e com o TC6. Conclusão: As pacientes com DPOC do estudo apresentaram correlação linear entre a QV do SGRQ e as variáveis de idade, PImáx, TC6 e escala de Borg, além de baixa QV em todos os domínios do SGRQ, baixo desempenho no TC6 e reduzida força muscular respiratória.

OBJETIVO: Verificar o impacto da condição física e pulmonar pré-operatória sobre a evolução pós-operatória intra-hospitalar e o desempenho funcional após alta hospitalar, por meio de avaliação de teste de caminhada de seis minutos (TC6M), comportamento de variabilidade de frequência cardíaca (VFC), função pulmonar e força muscular respiratória em crianças e adolescentes submetidos à correção cirúrgica de cardiopatias congênitas. MÉTODO: Foram avaliados 96 pacientes; dos quais 81 entraram no protocolo. Todos os pacientes foram avaliados utilizando TC6M, VFC, analisados nos domínios tempo e frequência em repouso, espirometria e pressões inspiratórias (PImax) e expiratória (PEmax) máximas nos momentos pré, pós-operatório e 90 dias após a alta hospitalar. As variáveis respostas compreenderam dados de pré-operatório, pós-operatório, complicações hemodinâmicas, cirúrgicas, respiratórias, infecciosas e óbito. Consideramos, além disso, tempo de permanência em unidade de terapia intensiva (UTI) e de internação hospitalar. Para análise estatística foi aceito nível mínimo de significância de p < 0,05. RESULTADOS: Observamos impacto positivo 90 dias após a alta hospitalar na distância caminhada no TC6M com o valor de pré-operatório de 521,88±96,94 metros para 579,28±83,36 metros após 90 dias (p<0,001). A queda significativa na SpO2 imediatamente após o TC6M esteve relacionada com o aumento do tempo de internação em UTI e hospitalar (rP = -0,386 e -0,283 e p = 0,006 e 0,014, respectivamente). Na espirometria os pacientes apresentaram padrão restritivo com recuperação de seus valores 90 dias após a alta e a força muscular respiratória indicou correlação positiva na distância caminhada (rP = 0,4, p<0,05). Valores baixos de VFC demonstraram correlação negativa e significativa durante a internação hospitalar (rP = -0,286, p < 0,05). Na análise multivariada, a variável pNN50 da VFC demonstrou associação significante com a presença de morbimortalidade (p = 0,009). Para as variáveis respostas (complicações) foi observado que LF apresentou associação com complicações hemodinâmicas (p = 0,014) e cirúrgicas (p = 0,007); SpO2 em repouso foi a variável associada com complicações respiratórias (p = 0,033) e IMC, com complicações infecciosas (p = 0,026). CONCLUSÕES: Nossos dados sugerem que a magnitude da reserva dos sistemas cardiovascular e respiratório no período pré-operatório, caracterizada pela distância caminhada e SpO2 reduzidas, associou-se com o tempo de internação na UTI e hospitalar. As variáveis pNN50 e LF, representantes da variabilidade da frequência cardíaca, a SpO2 em repouso e o índice de massa corpórea foram os fatores que se associaram à ocorrência de morbimortalidade. A variabilidade da frequência cardíaca esteve reduzida, com diminuição da atividade parassimpática e aumento da atividade simpática, sugerindo a existência da disfunção autonômica em crianças e adolescentes com cardiopatias congênitas / PURPOSE: To evaluate the impact of the preoperative physical and pulmonary condition on the immediate postoperative course and the functional performance after hospital discharge by means of six minute walk test (6MWT), behavior of heart rate variability (HRV), lung function and respiratory muscle strength in children and adolescents who underwent congenital heart diseases surgery. METHOD: Ninety-six patients were evaluated, of whom 81 entered the protocol. All patients were evaluated using the 6MWT, HRV performed at rest in the time and frequency domains, spirometry, maximum inspiratory (MIP) and expiratory (MEP) pressures, during pre, postoperative and 90 days after discharge. Outcome variables included preoperative, postoperative data and hemodynamic, surgical, respiratory infectious complications and mortality. We also considered time of intensive care unit (ICU) and discharge. For statistical analysis was considered a minimum significance level of p < 0.05. RESULTS: We observed a positive impact 90 days after hospital discharge on the 6MWT distance, with the preoperative value 521.88 ± 96.94 meters to 579.28 ± 83.36 meters 90 days after discharge (p <0.001). A significant decrease in SpO2 immediately after 6MWT is related to the increase in the length of ICU and hospital stay (rP = -0.386 and -0.283 and p = 0.006 and 0.014, respectively). Spirometry showed a restrictive pattern with recovery the values 90 days after hospital discharge and respiratory muscle strength was positively correlates with walked distance (rP = 0.4; p < 0.05). Lower values of HRV had a negative correlation during hospital stay (rP = -0.286, p < 0.05). In multivariate analysis, pNN50 value of HRV showed significant association with the presence of morbidity and mortality. To outcome variables (complications) was observed that LF value was associated with hemodynamic (p = 0.014) and surgical complication (p = 0.007), SpO2 at rest was the variable associated with respiratory complications (p = 0.033) and IMC, with infectious complications (p = 0.026). CONCLUSIONS: Our data show that the magnitude of the reserve of the cardiovascular and respiratory systems in the preoperative period characterized by the distance walked and SpO2 was associated with the reduced length of stay in ICU and hospital. The variables pNN50 and LF, representatives of the HRV, SpO2 at rest and body mass index were factors that were associated with the occurrence of morbidity and mortality. The heart rate variability was reduced, with decreased parasympathetic and increased sympathetic activity suggesting the impaired autonomic function in children and adolescents with congenital heart disease

OBJETIVO: Verificar o impacto da condição física e pulmonar pré-operatória sobre a evolução pós-operatória intra-hospitalar e o desempenho funcional após alta hospitalar, por meio de avaliação de teste de caminhada de seis minutos (TC6M), comportamento de variabilidade de frequência cardíaca (VFC), função pulmonar e força muscular respiratória em crianças e adolescentes submetidos à correção cirúrgica de cardiopatias congênitas. MÉTODO: Foram avaliados 96 pacientes; dos quais 81 entraram no protocolo. Todos os pacientes foram avaliados utilizando TC6M, VFC, analisados nos domínios tempo e frequência em repouso, espirometria e pressões inspiratórias (PImax) e expiratória (PEmax) máximas nos momentos pré, pós-operatório e 90 dias após a alta hospitalar. As variáveis respostas compreenderam dados de pré-operatório, pós-operatório, complicações hemodinâmicas, cirúrgicas, respiratórias, infecciosas e óbito. Consideramos, além disso, tempo de permanência em unidade de terapia intensiva (UTI) e de internação hospitalar. Para análise estatística foi aceito nível mínimo de significância de p < 0,05. RESULTADOS: Observamos impacto positivo 90 dias após a alta hospitalar na distância caminhada no TC6M com o valor de pré-operatório de 521,88±96,94 metros para 579,28±83,36 metros após 90 dias (p<0,001). A queda significativa na SpO2 imediatamente após o TC6M esteve relacionada com o aumento do tempo de internação em UTI e hospitalar (rP = -0,386 e -0,283 e p = 0,006 e 0,014, respectivamente). Na espirometria os pacientes apresentaram padrão restritivo com recuperação de seus valores 90 dias após a alta e a força muscular respiratória indicou correlação positiva na distância caminhada (rP = 0,4, p<0,05). Valores baixos de VFC demonstraram correlação negativa e significativa durante a internação hospitalar (rP = -0,286, p < 0,05). Na análise multivariada, a variável pNN50 da VFC demonstrou associação significante com a presença de morbimortalidade (p = 0,009). Para as variáveis respostas (complicações) foi observado que LF apresentou associação com complicações hemodinâmicas (p = 0,014) e cirúrgicas (p = 0,007); SpO2 em repouso foi a variável associada com complicações respiratórias (p = 0,033) e IMC, com complicações infecciosas (p = 0,026). CONCLUSÕES: Nossos dados sugerem que a magnitude da reserva dos sistemas cardiovascular e respiratório no período pré-operatório, caracterizada pela distância caminhada e SpO2 reduzidas, associou-se com o tempo de internação na UTI e hospitalar. As variáveis pNN50 e LF, representantes da variabilidade da frequência cardíaca, a SpO2 em repouso e o índice de massa corpórea foram os fatores que se associaram à ocorrência de morbimortalidade. A variabilidade da frequência cardíaca esteve reduzida, com diminuição da atividade parassimpática e aumento da atividade simpática, sugerindo a existência da disfunção autonômica em crianças e adolescentes com cardiopatias congênitas / PURPOSE: To evaluate the impact of the preoperative physical and pulmonary condition on the immediate postoperative course and the functional performance after hospital discharge by means of six minute walk test (6MWT), behavior of heart rate variability (HRV), lung function and respiratory muscle strength in children and adolescents who underwent congenital heart diseases surgery. METHOD: Ninety-six patients were evaluated, of whom 81 entered the protocol. All patients were evaluated using the 6MWT, HRV performed at rest in the time and frequency domains, spirometry, maximum inspiratory (MIP) and expiratory (MEP) pressures, during pre, postoperative and 90 days after discharge. Outcome variables included preoperative, postoperative data and hemodynamic, surgical, respiratory infectious complications and mortality. We also considered time of intensive care unit (ICU) and discharge. For statistical analysis was considered a minimum significance level of p < 0.05. RESULTS: We observed a positive impact 90 days after hospital discharge on the 6MWT distance, with the preoperative value 521.88 ± 96.94 meters to 579.28 ± 83.36 meters 90 days after discharge (p <0.001). A significant decrease in SpO2 immediately after 6MWT is related to the increase in the length of ICU and hospital stay (rP = -0.386 and -0.283 and p = 0.006 and 0.014, respectively). Spirometry showed a restrictive pattern with recovery the values 90 days after hospital discharge and respiratory muscle strength was positively correlates with walked distance (rP = 0.4; p < 0.05). Lower values of HRV had a negative correlation during hospital stay (rP = -0.286, p < 0.05). In multivariate analysis, pNN50 value of HRV showed significant association with the presence of morbidity and mortality. To outcome variables (complications) was observed that LF value was associated with hemodynamic (p = 0.014) and surgical complication (p = 0.007), SpO2 at rest was the variable associated with respiratory complications (p = 0.033) and IMC, with infectious complications (p = 0.026). CONCLUSIONS: Our data show that the magnitude of the reserve of the cardiovascular and respiratory systems in the preoperative period characterized by the distance walked and SpO2 was associated with the reduced length of stay in ICU and hospital. The variables pNN50 and LF, representatives of the HRV, SpO2 at rest and body mass index were factors that were associated with the occurrence of morbidity and mortality. The heart rate variability was reduced, with decreased parasympathetic and increased sympathetic activity suggesting the impaired autonomic function in children and adolescents with congenital heart disease