Monitoring Human Breath Rate Through Printed Stretchable Epidermal Sensors

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Main Author: Fernandes, Pedro Miguel Patrício
Publication Date: 2025
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/118497
Summary: Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Física apresentado à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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This master dissertation presents the development of a novel wearable adhesive patch for RR estimation, addressing these limitations through a multi-faceted approach encompassing sensor design, fabrication, signal processing, and system validation.The developed system is a stretchable patch comprised of multiple strain gauges, strategically placed on the chest and abdomen to capture skin deformation during breathing. These strain gauges, printed with a stretchable conductive Ink, offer a unique combination of flexibility, sensitivity, and scalability. Throughout the research, three distinct patch architectures were designed, fabricated, and tested, to optimize the sensor configuration. The acquired sensor data underwent a series of filtering and processing steps, culminating in the development of algorithms for RR estimation.The study showed that the estimation of RR through strain sensors is highly affected by the user´s position. Even during sleep, the sleep position affects the signal quality. This was addressed to a good extent by integration of multiple strain gauges into the patch, permitting getting the strain profile from various locations of the chest and abdomen. Overall the developed patch and associated algorithms demonstrated promising potential in real-world scenarios. In summary, this dissertation paved a step toward development of a wearable RR monitoring system based on stretchable printed sensors. The iterative design process, validation studies, and insights gained from real-world testing provide a solid foundation for future research and development. By addressing the identified limitations and incorporating advancements in sensor technology and signal processing, the proposed system has the potential to revolutionize RR monitoring, ultimately improving the diagnosis and management of respiratory conditions.The study showed that the estimation of RR through strain sensors is highly affected by the user´s position. Even during sleep, the sleep position affects the signal quality. This was addressed to a good extent by integration of multiple strain gauges into the patch, permitting getting the strain profile from various locations of the chest and abdomen. Overall the developed patch and associated algorithms demonstrated promising potential in real-world scenarios. In summary, this dissertation paved a step toward development of a wearable RR monitoring system based on stretchable printed sensors. The iterative design process, validation studies, and insights gained from real-world testing provide a solid foundation for future research and development. By addressing the identified limitations and incorporating advancements in sensor technology and signal processing, the proposed system has the potential to revolutionize RR monitoring, ultimately improving the diagnosis and management of respiratory conditions.A monitorização contínua da frequência respiratória (FR) é crucial para avaliar e gerir várias condições de saúde. No entanto, as soluções existentes para a monitorização da FR não são adequadas para uma monitorização confortável e a longo prazo da FR. Esta dissertação de mestrado propõe o desenvolvimento de um novo adesivo wearable para estimar a FR, abordando estas limitações através de uma abordagem multifacetada que engloba a conceção do sensor, o fabrico, o processamento do sinal e a validação do sistema.O sistema desenvolvido é um adesivo extensível composto por vários sensores, estrategicamente colocados no peito e no abdómen para captar a deformação da pele durante a respiração. Estes extensómetros, impressos com uma tinta condutora extensível, oferecem uma combinação única de flexibilidade, sensibilidade e escalabilidade. Ao longo da investigação, foram concebidas, fabricadas e testadas três arquitecturas distintas de adesivos, para otimizar a configuração do sensor. Os dados adquiridos pelo sensor foram submetidos a uma série de etapas de filtragem e processamento, culminando no desenvolvimento de algoritmos para a estimativa de FR.O estudo mostrou que a estimativa da FR através de sensores de tensão é altamente afetada pela posição do utilizador. Mesmo durante o sono, a posição afecta a qualidade do sinal. Este problema foi resolvido em grande medida através da integração de vários extensómetros no adesivo, permitindo obter o perfil de tensão de vários locais do tórax e do abdómen. Globalmente, o adesivo desenvolvido e os algoritmos associados demonstraram um potencial promissor em cenários do mundo real. Em suma, esta dissertação deu um passo em frente para o desenvolvimento de um sistema de monitorização de FR vestível baseado em sensores impressos extensíveis. O processo de conceção iterativo, os estudos de validação e os conhecimentos obtidos com os testes no mundo real fornecem uma base sólida para investigação e desenvolvimento futuros. Ao abordar as limitações identificadas e incorporar avanços na tecnologia de sensores e no processamento de sinais, o sistema proposto tem o potencial de revolucionar a monitorização da FR, melhorando, em última análise, o diagnóstico e a gestão das condições respiratórias.2025-02-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/118497https://hdl.handle.net/10316/118497TID:203930215engFernandes, Pedro Miguel Patrícioinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-03-31T22:02:12Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/118497Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:12:39.325855Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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