Design and development of a device to validate the performance of a wearable for vital sign monitoring in telemedicine applications

Abstract

Este estudio tiene como objetivo proponer una solución para mitigar los riesgos de la aplicación de ́tecnología en servicios de telemedicina en una red de clínicas privadas en el Perú. Para este fin, se lleva a cabo un estudio de caso para evaluar riesgos, y se diseña una solución que se adapte al uso de cualquier dispositivo portátil para la medición de signos vitales. Mediante el uso del prototipo, se evalúa la precisión y confiabilidad del dispositivo portátil Corsano CardioWatch 2B para la medición de signos vitales comparándolo con las señales generadas por el simulador ProSim8, el cual sirve como estándar para las pruebas realizadas. La investigación se enfoca en dos tipos de análisis. El primero es un análisis de Bland-Altman para evaluar la correlación, y el segundo se centra en la calidad de la señal de ECG. Para el procesamiento de señales, se utiliza la transformada wavelet y el análisis del espectro de frecuencia de las señales procesadas para evaluar la correlación entre señales que contienen información del complejo QRS. Adicionalmente, para el análisis del estudio de caso, se sigue un procedimiento evaluado por el comité de ética de la PUCP para realizar consultas con colaboradores de una red de cl ́ınicas privadas en el Perú. Se diseñó una placa electrónica con amplificadores de modo no inversor para una ganancia de

100, filtros Notch para interferencia de l ́ınea (60 Hz), filtros pasa-bajos (fc = 100 Hz), y filtros pasa- altos (fc = 0.005 Hz) para cada señal de cada electrodo utilizado para el ECG. Adicionalmente, se

diseñó una estructura en modelado tridimensional para utilizar los transductores de los simuladores de signos vitales junto con el dispositivo portátil en un solo prototipo. Durante la implementación, los resultados concluyeron con un coeficiente de determinación (R2) de 0.802 para la medición de temperatura corporal, 0.734 para la frecuencia respiratoria, y 0.923 para la oxigenación sanguínea. Adicionalmente, se obtuvo una correlación de Pearson de 0.959 entre las señales de ECG y una correlación del espectro de frecuencia de 0.992. Los resultados demuestran que el Corsano CardioWatch 2B proporciona alta precisión y consistencia en las mediciones. La fuerte correlación y las métricas de bajo error subrayan el potencial del dispositivo para el monitoreo confiable en aplicaciones cl ́ınicas y de dispositivos portátiles. El estudio destaca el rendimiento del prototipo diseñado para mitigar los riesgos de errores de medición en dispositivos portátiles, enfatizando la necesidad de realizar tal análisis de estos dispositivos antes de su uso comercial en aplicaciones de telemedicina.This study aims to propose a solution to mitigate the risks of applying technology for telemedicine services in a network of private clinics in Peru. To this end, a case study is conducted to evaluate risks, and a solution is designed to adapt to the use of any wearable for measuring vital signs. Using the prototype, the accuracy and reliability of the Corsano CardioWatch 2B portable device for measuring vital signs are assessed by comparing it with the signals generated by the ProSim8 simulator, which serves as the standard for the tests performed. The research focuses on two types of analysis. The first is a Bland-Altman analysis to assess the correlation, and the second on the quality of the ECG signal. For signal processing, the wavelet transform and the frequency spectrum analysis of the processed signals are used to evaluate the correlation between signals containing QRS complex information. Additionally, for the case study analysis, a procedure evaluated by the ethics committee of PUCP is followed to conduct inquiries with collaborators from a network of private clinics in Peru. An electronic board was designed with non-inverting mode amplifiers for a gain of 100, Notch filters for line interference (60 Hz), low-pass filters (fc = 100 Hz), and high-pass filters (fc = 0.005 Hz) for each signal from each electrode used for ECG. Additionally, a structure was designed in three-dimensional modeling to use the transducers from the vital signs simulators alongside the wearable in a single prototype. During the implementation, the results concluded with a coefficient of determination (R²) of 0.802 for body temperature measurement, 0.734 for respiratory rate, and 0.923 for blood oxygenation. Additionally, there was a Pearson correlation of 0.959 between ECG signals and a frequency spectrum correlation of 0.992. The results demonstrate that the Corsano CardioWatch 2B provides high accuracy and consistency in measurements. The strong correlation and low error metrics underscore the device’s potential for reliable monitoring in clinical and wearable applications. The study highlights the performance of the designed prototype to mitigate the risks of measurement errors in wearables, emphasizing the necessity of such analysis of these devices before their commercial use in telemedicine applications.