Electrocardiogram (ECG) monitoring system using low-cost IOT device
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2024-07-04
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), ΠΜΣ Μηχανικών Πληροφορικής
Επιβλέπων
Περίληψη
The modern technological advances can be the centerpiece of a new health-care model that can
improve the quality and quantity of life. Cardiovascular diseases are the leading cause of death
globally. For this reason, it might be essential for those with long-term cardiac conditions to have
access to health technologies which are affordable and with long availability. Internet of Things
(IoT) is well-known for its ability to serve as a tool for cardiac monitoring that can support the
identification of heart diseases and, hence, to save lives.
In this context, an Electrocardiogram (ECG) Monitoring System utilizing a low-cost Internet of
Things device could represent a cost-effective and accessible solution for continuous cardiac
health monitoring. In this thesis we attempt to develop and evaluate such a system. Our system
integrates ECG sensors with budget friendly IoT devices enabling real-time data acquisition and
transmission to a cloud computing infrastructure for ECG signal analysis. The implementation of
our node for heart monitoring is based on the AD8232 heart rate sensor and the esp32
microcontroller by Espressif. The portable sensor, using 3-lead cable-electrodes, measures
patients’ heart rate activity and the microcontroller transmits on-the-fly via a WiFi connection
the collected digital ECG data to the cloud. At the server side, data storage, processing and
visualization for additional analysis take place in the Ubidots IoT platform. There, the ECG
signals are analyzed, and critical metrics, including Heart Rate (HR), RR interval, PR interval,
QRS complex, QT interval and QTc interval, are extracted and projected using a custom
algorithm written in python to support a diagnosis. This thesis evaluates the accuracy of the ECG recordings captured by the proposed 3-lead ECG
monitoring system against the standard 12-lead ECG clinical devices. The evaluation aims to
assess the validity and reliability of the proposed 3-lead ECG monitoring system, offering
valuable insights for its potential integration into clinical practice. Additionally, it includes an
assessment of our custom algorithm for ECG analysis by juxtaposing measurements from our
system with data from the physiobank database of known ECG signals and data from ECG
generator application.
This custom system using state-of-the-art technologies to deliver high-quality ECG data in realtime, can be a priceless tool for both patients and physicians, since it can help the fight for early
detection and proactive management of cardiac conditions with its portability, simplicity of use,
and potential for remote monitoring.
Οι σύγχρονες τεχνολογικές εξελίξεις μπορούν να αποτελέσουν το επίκεντρο ενός νέου μοντέλου υγειονομικής φροντίδας, που θα βελτιώσει όχι μόνο την ποιότητα αλλά και τη διάρκεια ζωής των ανθρώπων. Τα καρδιαγγειακά νοσήματα είναι η κύρια αιτία θανάτου παγκοσμίως. Για αυτό το λόγο, είναι κρίσιμο να παρέχεται πρόσβαση σε τεχνολογίες υγείας που να είναι προσιτές και εύκολα προσβάσιμες σε άτομα με μακροχρόνιες καρδιακές παθήσεις. Το Internet of Things (IoT) προσδοκάτε ότι θα καταφέρει να παράσχει ένα εργαλείο παρακολούθησης της καρδιακής υγείας, το οποίο θα μπορεί να συμβάλει στην έγκαιρη ανίχνευση καρδιακών προβλημάτων και να σώσει ζωές. Σε αυτό το πλαίσιο, ένα Σύστημα Παρακολούθησης Ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) που χρησιμοποιεί μια οικονομική συσκευή Internet of Things μπορεί να αποτελέσει μια προσιτή λύση για τη συνεχή παρακολούθηση της καρδιακής υγείας. Αυτό το σύστημα θα ενσωματώνει αισθητήρες ΗΚΓ σε οικονομικές IoT συσκευές, επιτρέποντας την ανάκτηση και τη μετάδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο σε μια υποδομή υπολογιστικού νέφους για ανάλυση του ηλεκτροκαρδιογραφήματος. Η υλοποίηση αυτού του προτεινόμενου συστήματος που μελετάμε στην παρούσα εργασία βασίζεται στον φορητό αισθητήρα καρδιακών παλμών AD8232 και στον μικροελεγκτή esp32 της Espressif. Ο φορητός αισθητήρας χρησιμοποιεί ηλεκτρόδια τριών απαγωγών για τη μέτρηση της καρδιακής δραστηριότητας των ασθενών, ενώ ο μικροελεγκτής μεταδίδει τα ψηφιακά δεδομένα ΗΚΓ μέσω σύνδεσης WiFi στο cloud. Στην πλευρά του διακομιστή, τα δεδομένα αποθηκεύονται, επεξεργάζονται και οπτικοποιούνται για περαιτέρω ανάλυση στην πλατφόρμα IoT Ubidots. Εκεί, αναλύονται τα ΗΚΓ σήματα και οι σχετικές μετρήσεις, συμπεριλαμβανομένων των καρδιακών παλμών (HR), του διαστήματος RR, του διαστήματος PR, του συμπλέγματος QRS, του διαστήματος QT και του διαστήματος QTc, επεξεργάζονται και προβάλλονται μέσω ενός προσαρμοσμένου αλγορίθμου που έχει αναπτυχθεί σε Python, ώστε να υποστηρίξει τη λήψη απόφασης από τους ειδικούς. Η παρούσα διατριβή αξιολογεί την ακρίβεια των ηλεκτροκαρδιογραφημάτων που παράγονται από το προτεινόμενο σύστημα παρακολούθησης ΗΚΓ τριών απαγωγών σε σύγκριση με τις κλασικές κλινικές συσκευές ΗΚΓ δώδεκα απαγωγών. Η αξιολόγηση αυτή στοχεύει στην εξέταση της ακρίβειας και της αξιοπιστίας του προτεινόμενου συστήματος παρακολούθησης ΗΚΓ τριών απαγωγών, παρέχοντας σημαντική γνώση για τη δυνατότητα ενσωμάτωσής του στην κλινική πράξη. Επιπλέον, περιλαμβάνει αξιολόγηση του προσαρμοσμένου αλγορίθμου για την ανάλυση των ηλεκτροκαρδιογραφημάτων (ΗΚΓ), συγκρίνοντας τις μετρήσεις από το προτεινόμενο σύστημα με δεδομένα από τη βάση δεδομένων PhysioBank, η οποία περιλαμβάνει γνωστά σήματα ΗΚΓ, καθώς και με δεδομένα από μια εφαρμογή που παράγει ηλεκτροκαρδιογραφήματα (ECG Generator). Αυτό το σύστημα που χρησιμοποιεί τεχνολογίες αιχμής για την ανάλυση σημάτων ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) σε πραγματικό χρόνο, μπορεί να είναι ένα ανεκτίμητο εργαλείο τόσο για ασθενείς όσο και για τους γιατρούς, καθώς μπορεί να βοηθήσει στην έγκαιρη ανίχνευση και στην προληπτική διαχείριση διαφόρων καρδιακών παθήσεων λόγω της φορητότητάς του, της ευκολίας χρήσης του και της δυνατότητας απομακρυσμένης παρακολούθησης του.
Οι σύγχρονες τεχνολογικές εξελίξεις μπορούν να αποτελέσουν το επίκεντρο ενός νέου μοντέλου υγειονομικής φροντίδας, που θα βελτιώσει όχι μόνο την ποιότητα αλλά και τη διάρκεια ζωής των ανθρώπων. Τα καρδιαγγειακά νοσήματα είναι η κύρια αιτία θανάτου παγκοσμίως. Για αυτό το λόγο, είναι κρίσιμο να παρέχεται πρόσβαση σε τεχνολογίες υγείας που να είναι προσιτές και εύκολα προσβάσιμες σε άτομα με μακροχρόνιες καρδιακές παθήσεις. Το Internet of Things (IoT) προσδοκάτε ότι θα καταφέρει να παράσχει ένα εργαλείο παρακολούθησης της καρδιακής υγείας, το οποίο θα μπορεί να συμβάλει στην έγκαιρη ανίχνευση καρδιακών προβλημάτων και να σώσει ζωές. Σε αυτό το πλαίσιο, ένα Σύστημα Παρακολούθησης Ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) που χρησιμοποιεί μια οικονομική συσκευή Internet of Things μπορεί να αποτελέσει μια προσιτή λύση για τη συνεχή παρακολούθηση της καρδιακής υγείας. Αυτό το σύστημα θα ενσωματώνει αισθητήρες ΗΚΓ σε οικονομικές IoT συσκευές, επιτρέποντας την ανάκτηση και τη μετάδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο σε μια υποδομή υπολογιστικού νέφους για ανάλυση του ηλεκτροκαρδιογραφήματος. Η υλοποίηση αυτού του προτεινόμενου συστήματος που μελετάμε στην παρούσα εργασία βασίζεται στον φορητό αισθητήρα καρδιακών παλμών AD8232 και στον μικροελεγκτή esp32 της Espressif. Ο φορητός αισθητήρας χρησιμοποιεί ηλεκτρόδια τριών απαγωγών για τη μέτρηση της καρδιακής δραστηριότητας των ασθενών, ενώ ο μικροελεγκτής μεταδίδει τα ψηφιακά δεδομένα ΗΚΓ μέσω σύνδεσης WiFi στο cloud. Στην πλευρά του διακομιστή, τα δεδομένα αποθηκεύονται, επεξεργάζονται και οπτικοποιούνται για περαιτέρω ανάλυση στην πλατφόρμα IoT Ubidots. Εκεί, αναλύονται τα ΗΚΓ σήματα και οι σχετικές μετρήσεις, συμπεριλαμβανομένων των καρδιακών παλμών (HR), του διαστήματος RR, του διαστήματος PR, του συμπλέγματος QRS, του διαστήματος QT και του διαστήματος QTc, επεξεργάζονται και προβάλλονται μέσω ενός προσαρμοσμένου αλγορίθμου που έχει αναπτυχθεί σε Python, ώστε να υποστηρίξει τη λήψη απόφασης από τους ειδικούς. Η παρούσα διατριβή αξιολογεί την ακρίβεια των ηλεκτροκαρδιογραφημάτων που παράγονται από το προτεινόμενο σύστημα παρακολούθησης ΗΚΓ τριών απαγωγών σε σύγκριση με τις κλασικές κλινικές συσκευές ΗΚΓ δώδεκα απαγωγών. Η αξιολόγηση αυτή στοχεύει στην εξέταση της ακρίβειας και της αξιοπιστίας του προτεινόμενου συστήματος παρακολούθησης ΗΚΓ τριών απαγωγών, παρέχοντας σημαντική γνώση για τη δυνατότητα ενσωμάτωσής του στην κλινική πράξη. Επιπλέον, περιλαμβάνει αξιολόγηση του προσαρμοσμένου αλγορίθμου για την ανάλυση των ηλεκτροκαρδιογραφημάτων (ΗΚΓ), συγκρίνοντας τις μετρήσεις από το προτεινόμενο σύστημα με δεδομένα από τη βάση δεδομένων PhysioBank, η οποία περιλαμβάνει γνωστά σήματα ΗΚΓ, καθώς και με δεδομένα από μια εφαρμογή που παράγει ηλεκτροκαρδιογραφήματα (ECG Generator). Αυτό το σύστημα που χρησιμοποιεί τεχνολογίες αιχμής για την ανάλυση σημάτων ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) σε πραγματικό χρόνο, μπορεί να είναι ένα ανεκτίμητο εργαλείο τόσο για ασθενείς όσο και για τους γιατρούς, καθώς μπορεί να βοηθήσει στην έγκαιρη ανίχνευση και στην προληπτική διαχείριση διαφόρων καρδιακών παθήσεων λόγω της φορητότητάς του, της ευκολίας χρήσης του και της δυνατότητας απομακρυσμένης παρακολούθησης του.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
electrocardiography, internet of things (IoT), ηλεκτροκαρδιογράφημα, διαδίκτυο των πραγμάτων