Remote vital signs monitoring based on wireless sensor networks

Tese de doutoramento em Líderes para as Indústrias TecnológicasGovernmental and private institutions face a major challenge to provide quality health care to a population consisting of a growing number of elderly and chronically ill patients. According to the World Health Organization, in 2006, the total global health expenditures exceeded US$ 4 trillion and are rising in the majority of countries including Portugal which, during 2006, expended 9.9% of its gross domestic product in health care. The use of remote vital signs monitoring systems increases the probability of early detection of risky situations, allows frequent monitoring of in-patients, elderly and chronically ill patients, and streamlines the work of health professionals. However, at present, these systems are expensive, complex and employ obtrusive sensors, which limit their application to intensive care units and cardiac intermediate care units. This work is part of a project that aims to design, prototype and evaluate a remote vital signs monitoring system based on the IEEE 802.15.4 and ZigBee protocols, which allow the development of small low-power sensors. The prototype system comprises electrocardiogram/heart rate and axillary thermometer sensors, networking devices and three informatics applications that collect, process, and exhibit medical data. The wireless sensors, the networking devices and one of the applications were developed under this work. Additionally, the wireless sensor network was evaluated through simulations at the MAC level and experimental and field tests. Field tests were performed at an in-patient floor of Hospital Privado de Guimarães, a Portuguese hospital. Finally, questionnaires were used to measure the satisfaction of users and catalog their critics and suggestions for improvement. Simulations considered different topologies, operation modes and a crescent number of sensors and hops. Experimental and field tests confirmed most of the results obtained by simulations, but revealed that networks which did not assign transmission time slots to electrocardiogram sensors were unable to maintain a high delivery ratio. Contention between devices, aggravated by the inability of routers in receiving incoming packets during backoff, and collisions between packets generated by hiddennodes were responsible for most message losses. On the other hand, beacon-enabled star IEEE 802.15.4 networks that assigned a guaranteed time slot to sensors were able to maintain a very high delivery ratio. In contrast, these networks are restricted in terms of the coverage area and the number of sensors. Also, field tests showed that under low traffic scenarios ZigBee nonbeacon-enabled networks can achieve a high delivery ratio even in presence of a high percentage of hidden-nodes.Instituições governamentais e privadas enfrentam um grande desafio para prestar cuidados de saúde de qualidade a uma população constituída por um número crescente de idosos e doentes crónicos. Segundo a Organização Mundial de Saúde, em 2006, a despesa mundial em saúde ultrapassou a quantia de 4 bilhões de dólares americanos e cresce anualmente na maioria dos países, incluindo Portugal, o qual, em 2006, gastou 9,9% do seu produto interno bruto em cuidados de saúde. O uso de sistemas de monitorização remota de sinais vitais aumenta a probabilidade de deteção precoce de situações de risco, permite que doentes internados, idosos ou doentes crónicos sejam frequentemente monitorizados e agiliza o trabalho dos profissionais de saúde. No entanto, atualmente, estes sistemas são caros e complexos, o que limita a sua aplicação a alguns setores dos hospitais, tais como as unidades de cuidados intensivos e as unidades de cuidados intermédios na área da cardiologia. O projeto no qual insere-se este trabalho visa a conceção, a prototipagem e a avaliação de um sistema de monitorização remota de sinais vitais com base nos protocolos IEEE 802.15.4 e ZigBee, os quais oferecem a possibilidade de construção de sensores com consumos energéticos muito baixos e reduzidas dimensões. O sistema consiste em sensores de eletrocardiograma/frequência cardíaca e temperatura axilar, dispositivos de rede e três aplicações que coletam, processam e apresentam o eletrocardiograma e os sinais vitais. No âmbito deste trabalho foram desenvolvidos os sensores sem fios, os dispositivos de rede e uma das aplicações informáticas. Além disso, foi feita a avaliação do desempenho da rede de sensores sem fios através da análise de simulações a nível da camada de acesso ao meio (MAC) e de testes de laboratório e de campo. Os testes de campo da rede de sensores sem fios foram executados em um dos pisos de internamento do Hospital Privado de Guimarães. Finalmente, foram usados questionários para medir a satisfação dos utilizadores e recolher críticas e sugestões de melhoria. As simulações consideraram diferentes topologias e modos de operação, além de um número crescente de sensores e saltos. Testes experimentais e de campo confirmaram grande parte dos resultados obtidos por simulação mas, adicionalmente, revelaram que as redes constituídas por vários sensores de eletrocardiograma e que não reservaram um intervalo de tempo de transmissão aos sensores não foram capazes de manter uma elevada taxa de entrega de mensagens. Perdas de mensagens ocorreram devido a disputas entre sensores pelo acesso ao canal sem fios e devido a ocorrência de colisões de pacotes transmitidos por nós escondidos. Por outro lado, as redes baseadas no protocolo IEEE 802.15.4 que atribuíram um intervalo de tempo de transmissão a cada sensor conseguiram manter uma elevada taxa de entrega. Entretanto, essas redes são limitadas em termos da área de cobertura e do número de sensores. Adicionalmente, durante os testes de campo em cenários de tráfego reduzido, as redes ZigBee que não empregaram beacons atingiram uma elevada taxa de entrega mesmo na presença de uma grande percentagem de nós escondidos