Diseño de un sistema de instrumentación wearable para la medida de la frecuencia respiratoria en pacientes con EPOC

Abstract

La Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (EPOC) es un trastorno respiratorio que consiste principalmente en el bloqueo persistente del flujo del aire. En el 2019, esta se convirtió en la tercera causa principal de defunciones en el mundo según la OMS. Dado que esta enfermedad se presenta mayoritariamente en países con ingresos medios y bajos, este proyecto busca facilitar el acceso a la medición de dicha frecuencia. Para ello, se diseñó el prototipo de un dispositivo vestible que permite monitorear la frecuencia respiratoria, y notificar al usuario acerca de un posible patrón respiratorio anómalo necesario a tratar. En este sentido, el modelo comprende de una mascarilla junto a un transductor, en este caso un micrófono Electret omnidireccional (MAX9814), para captar la señal de audio. El sonido pulmonar se encuentra en el rango de frecuencias de 250 a 2500 Hz, por lo cual se incluye una etapa de filtrado digital para obtener esta información. El cálculo de las respiraciones por minuto (rpm) se realiza con base en la cantidad de exhalaciones que se dan en ese período de tiempo. Para esto, se calcula la envolvente de la señal filtrada y se hallan los picos máximos en amplitud de cada exhalación. Por otra parte, el micrófono se conecta directamente a un smartphone mediante un cable con conector Jack de 3.5mm y luego, a través de la aplicación móvil, se graban muestras de audio en formato .WAV para almacenarlas en un servidor web. En la página web se visualiza un resumen gráfico de la señal de audio y el estado del usuario, que depende si se ubica dentro del rango normal –entre los 12 y 20 rpm– o por fuera de este. Como limitación, la validación de resultados se hizo calculando de forma manual las rpm, y no con un equipo o personal especializado. Asimismo, el sistema presenta una precisión de al menos el 80% en los casos que se aplique. En conclusión, se logró diseñar una solución rápida y de fácil acceso que permite medir de forma precisa la frecuencia respiratoria.

Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is a respiratory disorder that mainly consists of persistent airflow blockage. In 2019, this became the third leading cause of death in the world according to the WHO. Because this disease occurs mainly in low- and middle-income countries, this project seeks to facilitate access to the measurement of this frequency. For this, the prototype of a wearable device was designed to allow monitoring of the respiratory rate, and notifying the user about a possible abnormal respiratory pattern that needs to be treated. In this sense, the model consists of a mask together with a transducer, in this case an omnidirectional Electret microphone (MAX9814), to capture the audio signal. Pulmonary sound is found in the frequency range of 250 to 2500 Hz, for which a digital filtering stage is included to obtain this information. The calculation of breaths per minute (bpm) is made based on the number of exhalations that occur in that period of time. For this, the envelope of the filtered signal is calculated and the maximum peaks in amplitude of each exhalation are found. On the other hand, the microphone is connected directly to a smartphone using a 3.5mm jack cable and then, through the mobile application, audio samples are recorded in .WAV format to be stored on a web server. The web page displays a graphic summary of the audio signal and the user's status, which depends on whether it is within the normal range –between 12 and 20 bpm– or outside it. As a limitation, the validation of results was done by manually calculating the bpm, and not with specialized equipment or personnel. Likewise, the system presents an accuracy of at least 80% in the cases where it is applied. In conclusion, it was possible to design a fast and easily accessible solution that allows accurate measurement of respiratory rate.