Multichannel Acquisition and Biosignal Multimodal Processing for Moving Patients: Methodologies for Optimal Design of Wearable Cardiac Monitoring Systems

Abstract

Abstract: The study presented in this thesis demonstrates how new approaches for cardiac monitoring can be useful to improve cardiovascular health risk assessment. Throughout six chapters, a set of methodologies for designing wearable monitoring systems (WMS) is presented, evaluated and discussed. Alternative solutions based on new hardware approach, signal processing and optimisation are proposed to the main challenges of noise disturbances, signals characterization and multimodal processing, originated from ambulatory acquisition in daily life scenarios. Chapter 1 provides an introduction of the thesis. It begins with the research problem statement, followed by the justification, the hypothesis to be proved by the results and the objectives of the research. Chapter 2 is a review of the state off the art, organized into three parts: acquisition, signal processing and optimisation of designs. Chapter 3, contributions regarding the acquisition hardware are presented, including new models and techniques to manage aspects of hygiene, electrode-skin contact, and context influence. Also, prototypes using the proposed models are developed and evaluated. After having developed the basic tools for ambulatory data acquisition, Chapter 4, is focused on three novel methods for the processing of ECG signals. Chapter 5, describes a method to optimise the design of these systems for the specific application of cardiac monitoring. Finally, Chapter 6 is a discussion about the research findings regarding the methods used to develop WSM and observations for the validation of the hypothesis.

Resumen: En esta tesis se demuestra como un monitoreo cardiaco optimizado puede mejorar la capacidad diagnostica de cardio-patologias. A lo largo de seis capítulos se presentan y discuten un conjunto de metodologías para diseño de sistemas vestibles de monitoreo cardiaco (WMS). Se plantean alternativas de solución a los principales problemas de perturbaciones, caracterizacion y procesamiento multimodal de bioseñales, originados al llevar la atención medica a sistemas moviles. El Capítulo 1 es una introducción a la tesis. Comienza con el planteamiento del problema, seguido por la justificación, la hipótesis que será probada y los objetivos de la investigación. El Capitulo 2 es una revisión del estado del arte, organizado en tres partes: adquisición, procesamiento de señales y optimización de diseños. En el Capítulo 3, se presentan contribuciones relacionadas con el hardware de adquisición, incluyendo nuevos modelos y técnicas para manejar aspectos de higiene, contacto electrodo-piel, e influencia del contexto. Tambien se desarrollan prototipos usando las metodologias propuestas que seguidamente son evaluados. Una vez desarrolladas las herramientas basicas para adquisición ambulatoria, el Capítulo 4, se enfoca en tres nuevos metodos para el procesamiento de señales ECG. El Capítulo 5, describe un metodo para optimizar el diseño de sistemas vestibles para la aplicacion específica de monitoreo cardíaco. Finalmente, el Capítulo 6 es una discusion sobre los hallazgos de la investigacion con relacion a los metodos usados para desarrollar sistemas vestibles y las observaciones que conducen a la validación de la hipótesis.