Bioimpedance spectroscopy wearable system for noninvasive monitoring of heart failure

Abstract

Esta tesis se centra en el avance de la eHealth a través del desarrollo y la validación de un dispositivo portátil de espectroscopia de bioimpedancia (BIS), llamado Volum, para monitorear la acumulación de líquidos en pacientes con insuficiencia cardíaca congestiva (ICC). La ICC, que afecta a más de 64 millones de personas en todo el mundo, es una de las principales causas de hospitalización, especialmente entre los mayores de 65 años, con tasas de readmisión del 30-50% dentro de los seis meses. El monitoreo del estado de los fluidos es crucial, ya que la retención de líquidos es un síntoma principal que conduce a la hospitalización, y actualmente hay pocas herramientas disponibles para su monitoreo continuo y no invasivo. El análisis de bioimpedancia (BIA) ofrece un método no invasivo para monitorear el estado de los fluidos midiendo la oposición de los tejidos biológicos a la corriente alterna. Volum utiliza el chip AD5941 para mediciones precisas de bioimpedancia de bajo consumo en un rango de frecuencias de 1 a 200 kHz. El dispositivo mide la bioimpedancia de la pantorrilla, un sitio clave para el edema en pacientes con ICC, con una placa de circuito impreso (PCB) compacta, que se adapta a una tobillera con cuatro electrodos de acero inoxidable. Se integra con una aplicación de Android y una base de datos remota para la visualización de datos en tiempo real y el seguimiento continuo del estado de salud. También incorpora una Unidad de Medición Inercial (IMU), para mejorar el análisis de datos ofreciendo información sobre la postura del paciente, contribuyendo a una comprensión más completa de la dinámica de fluidos. Se implementaron procesos de calibración, prueba y validación para garantizar la precisión y fiabilidad del dispositivo. Se utilizó el método de Auto-Calibración por Interpolación Cuadrática de Lagrange (QISC) para corregir errores sistemáticos, logrando niveles de rendimiento comparables a dispositivos comerciales de referencia como el SFB7, en modelos de circuitos y en humanos usando electrodos secos. Aunque las pruebas iniciales en humanos mostraron valores de impedancia dentro del rango esperado (10-50 ?), muchas mediciones presentaron artefactos de baja frecuencia (LF), causando inconsistencias y errores en la estimación del volumen. Simulaciones del circuito de medida de bioimpedancia, identificaron el mismatch de electrodos como la principal fuente de artefactos de baja frecuencia. Se propusieron y validaron técnicas como el promedio de mediciones, los cortes de frecuencia y el ajuste de la curva al modelo de Cole a través de simulaciones, circuitos eléctricos y pruebas en un paciente con ICC, mostrando resultados prometedores. Esta tesis avanza en la tecnología portátil de bioimpedancia con el dispositivo Volum para el monitoreo continuo y no invasivo de la retención de líquidos en pacientes con ICC, lo que podría mejorar la atención y reducir las readmisiones hospitalarias.

This dissertation focuses on advancing eHealth through the development and validation of a wearable bioimpedance spectroscopy (BIS) device, named Volum, for monitoring fluid accumulation in patients with Congestive Heart Failure (CHF). CHF, which affects more than 64 million people worldwide, is one of the leading causes of hospitalization, particularly among those over 65 years of age, with readmission rates between 30-50% within six months. Monitoring fluid status is crucial, as fluid retention is a primary symptom leading to hospitalization, and currently there are limited tools available for continuous, noninvasive monitoring of fluid status.