A wearable, multimodal, vitals acquisition unit for intelligent field triage

Abstract

Οι φυσικές καταστροφές ή οι καταστροφές που οφείλονται στον ανθρώπινο παράγοντα και έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια μεγάλου αριθμού ανθρωπίνων ζωών, συναντούν συνήθως δύσκολες προκλήσεις. Η ανάλυση των ιστορικών δεδομένων από το 1900, δείχνει ότι η πιθανότητα πρόκλησης και ο βαθμός σοβαρότητας μαζικών θανατηφόρων γεγονότων έχει μεγαλώσει, σημειώνοντας σημαντική αύξηση από το 1985. Μέσα στα προηγούμενα τέσσερα χρόνια, περισσότεροι από 400 χιλιάδες άνθρωποι έχασαν την ζωή τους και 676 εκατομμύρια έχουν επηρεαστεί από τέτοια γεγονότα, τα οποία σημειώνουν καταστροφές ύψους 790 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Η κύρια πρόκληση τέτοιων γεγονότων είναι η ανάκτηση υψηλής ποιότητας πληροφοριών με σκοπό την ανάπτυξη μεθοδικών προσεγγίσεων για τον χειρισμό περιορισμένων καταστάσεων. Αυτή η έρευνα επικεντρώνεται στον σχεδιασμό και την υλοποίηση μιας φορητής πλατφόρμας παρακολούθησης ζωτικών σημάτων σε τραυματίες μαζικών καταστροφών, η οποία θα παρέχει ιατρικές πληροφορίες υψηλής ποιότητας για την έξυπνη διαλογή των παθόντων που χρειάζονται άμεση ιατρική παρέμβαση. Τα σήματα της καρδιάς, τα επίπεδα οξυγόνωσης του αίματος, η θερμοκρασία του σώματος, οι χαρακτηριστικοί ήχοι της καρδιάς και των πνευμόνων είναι οι πληροφορίες που παρέχονται από το σύστημα. Επιπρόσθετα παρέχει ανάλυση των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και δυνατότητα μετάδοσης των πληροφοριών σε ένα ευρύ δίκτυο. Το δίκτυο προσομοιώθηκε μέσω προσωρινής εφαρμογής στην MATLAB® και είναι ικανό να λαμβάνει, να αναλύει, να καταγράφει και να αναπαριστά τα δεδομένα, λαμβάνοντας παράλληλα κάποιες βασικές αποφάσεις. Ο χαρακτηρισμός της λειτουργίας του συστήματος έδειξε υποσχόμενα αποτελέσματα καθώς καταγράφηκαν με επιτυχία τα ακόλουθα ανθρώπινα ζωτικά σήματα; τα σήματα της καρδιάς, τα επίπεδα οξυγόνωσης του αίματος, η θερμοκρασία του σώματος, οι ηχητικοί παλμοί της καρδιάς και των πνευμόνων. Ο συνδυασμός των καρδιακών ηχητικών παλμών και των ηλεκτρικών σημάτων της καρδίας επέτρεψε την σχεδίαση ενός αλγόριθμου ικανού να διακρίνει τους κτύπους της καρδίας. Το σύστημα έχει δοκιμαστεί σε δέκα υγιείς άνδρες σε κατάσταση ξεκούρασης και κατά την διάρκεια έντονης καρδιακής δραστηριότητας με τους καρδιακούς παλμούς να ξεπερνούν τους 100 κτύπους το λεπτό.

Natural or man-made disasters that result in large numbers of human casualties always pose difficult challenges. An analysis of the historical data since 1900 indicates that the probability of occurrence and degree of severity of mass casualty incidents (MCIs) have grown and shown a noticeable rise since 1985. Over the past four years, more than 400 thousand people have been killed and 676 million were affected by such incidents and the total damage is estimated to be more than USD 790 billion. The main challenge in these situations is to gain high quality information in order to develop a methodical approach for the assignment of the limited resources. In this context, this project focuses on the design and development of a body worn multimodal human vitals sign acquisition unit to continuously provide high quality medical information of each subject for intelligent field triage. This comprises ECG signals, blood oxygenation levels, body temperature and multichannel auscultation of heart and lung sounds. The proposed system also offers real-time analysis and transmission capabilities towards a wider network. It is the only known platform that transmits multichannel heart and lung sounds, in addition to standard emergency parameters to a wider network that is location-independent from the emergency site. Given that a comparable system does not yet exist, it might also serve as a research platform. The wider network is simulated with a herein developed MATLAB® application. It is capable of receiving, analyzing and monitoring data, basic decision making and visualizing in real time. The application can be sourced with both on- and off-line data. Characterizing the acquisition unit in various experiments has shown promising results. Hardware modules, additional hardware functions, embedded software, MATLAB® application and data transfer performed as expected. The acquisition of human vital signs such as ECG signals, blood oxygenation levels, body temperature and up to eight-channel auscultation was successfully performed. The combination of ECG and heart sounds allowed the design of a low performance heart sound separation algorithm. A database containing the vital signs of ten healthy male subjects at rest and at an accelerated pulse rate of more than 100 beats per minute was created. The first generation of the wearable, multimodal, vitals acquisition unit for intelligent field triage has been completed.