Contactless Monitoring of Respiratory Activity Using Electromagnetic Waves for Ambient Assisted Living Framework: Feasibility Study and Prototype Realization

The research presented in this thesis regards the study, design and realization of an electromagnetic (EM) system for contactless detection of breathing activity. Respiratory rate is a vital parameter whose measurement is of primary importance in intensive care units, for premature born children and severely burned people. Also for long term measurements of healthy people, e.g. an elder person living home alone or in a care centre, invasive systems prove to be uncomfortable and annoying. This thesis, after a classification and brief description of the existing techniques, discusses in detail the EM methodology, dealing with the two major approaches (CW, continuous wave and UWB, ultra wideband pulses) and proposing an intermediate solution that joins the advantages of both. Through the use of a frequency sweep, in fact, it is possible to retrieve the same information of UWB pulses, yet keeping the same contained hardware complexity of a CW system. At the same time the proposed system proves to be robust and insensible to environmental changes. Supported by such theoretical studies, the tests were performed using laboratory equipment and a custom designed antenna for a thorough campaign of measurements both in a controlled environment and a real house. Within the regional project HDomo 2.0, the cooperation of the University with industrial partners has allowed the realization of a prototype of the final device that implements the algorithms that have been developed in this thesis. Even if such a prototype currently operates at a single frequency, it has all the potentialities to perform a full sweep over the range of interest, therefore it can be used as a launching pad for future developments and research. Finally another part of the thesis is dedicated to the author’s contribution in the design and realization of EM aids for assistive technologies of visually impaired athletes, that is another topic that the research group has been developing in the latest years.

Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi riguarda lo studio, la progettazione e la realizzazione di un sistema elettromagnetico (EM) per il rilevamento senza contatto dell’attività respiratoria. La frequenza di respirazione è un parametro vitale la cui valutazione è di primaria importanza nei reparti di terapia intensiva, pediatrici e gravi ustioni. Anche per le misurazioni a lungo termine di persone in salute, ad esempio un anziano che abita da solo o in un centro di assistenza, i sistemi invasivi si rivelano scomodi e fastidiosi. Questa tesi, dopo una classificazione e breve descrizione delle soluzioni esistenti, tratta la metodologia EM, presentando i due principali approcci (CW, onda continua e UWB, impulsi ultra wideband) e proponendo una soluzione intermedia che combina i vantaggi di entrambi. Attraverso l’uso di uno sweep in frequenza, infatti, è possibile ottenere le stesse informazioni fornite dagli impulsi UWB, pur mantenendo la stessa ridotta complessità realizzativa di un sistema CW ed ottenendo una procedura robusta e poco sensibile alle variazioni ambientali. In seguito agli studi teorici, le prove sono state eseguite usando strumentazione di laboratorio e un’antenna progettata ad hoc, in una campagna di misurazioni effettuata sia in ambiente controllato che in un’abitazione. Nell’ambito del progetto HDomo 2.0, la collaborazione dell’Università con le aziende della regione ha permesso la realizzazione di un prototipo del dispositivo che implementa gli algoritmi che sono stati sviluppati in questa tesi. Anche se il prototipo è attualmente impostato per lavorare in CW, ha tutte le potenzialità per eseguire la scansione su tutta la gamma di frequenze richieste, quindi può essere usato come piattaforma di sviluppo per future ricerche. Infine, una parte della tesi è dedicata al contributo del dottorando nella progettazione e realizzazione di ausili EM per l’assistenza di atleti non vedenti, altro argomento che il gruppo di ricerca ha affrontato negli ultimi anni.