Design and characterization of an unobtrusive ECG monitoring system for wheelchairs

Abstract

(English) This work was carried out within the framework of the “Doctorats Industrials” program, in collaboration with Regner Engineering S.L., a company specialized in the manufacturing of wheelchair solutions, and the Universitat Politècnica de Catalunya. As cardiovascular diseases (CVDs) remain the leading cause of death globally, and people with disabilities are at increased risk, the need for continuous, non-obtrusive heart monitoring becomes urgent. Three high-growth markets relevant to Electrocardiography (ECG) monitoring in wheelchairs were analyzed. First, the global wheelchair market is growing steadily, with powered models showing strong demand. Next, wearable and medical wearable markets are expanding rapidly, driven by advances in sensor integration and healthcare needs. Finally, the mHealth and IoHT sectors are experiencing major growth due to digital health trends and remote monitoring. Together, these markets highlight strong commercial potential for the proposed system. This PhD thesis presents the design and validation of a novel unobtrusive ECG monitoring system fully embedded into a wheelchair, tailored to the daily needs of individuals with mobility impairments. The developed solution integrates single-lead ECG sensors into the wheelchair’s armrests, using active electrodes powered by a bootstrapped supply to ensure ultra-high input impedance and high Common Mode Rejection Ratio (CMRR) in front of electrode impedance mismatch. This design allows the system to operate under both direct conductive contact (similar to dry electrodes) and indirect capacitive coupling (through clothing), without requiring hardware changes. Furthermore, the ECG sensor includes a protection circuit against electrostatic discharges (ESD), compliant with IEC 61000-4-2, which has been accurate designed and simulated in order not to degrade the high input impedance. The system also features Bluetooth connectivity and a modular backend, aiming for future scalability and industrial application. Sensor characterization was performed using an original experimental setup with an AC coupling inside a Faraday cage, allowing the measurement of very high input impedance values at low frequencies, i.e.191 fF at 50 Hz and common-mode rejection ratios (CMRR) up to 76.1 dB. Real-ECG recording tests with a volunteer wearing a cotton shirt confirmed accurate signal acquisition, with 117 µV RMS amplitude for the ECG and 31 dB of Signal to Noise Ratio (SNR). The research successfully achieved its goals by designing and validating a reliable unobtrusive ECG system for wheelchairs, meeting both clinical and industry standards. It lays a strong foundation for future developments in health monitoring. The proposed solution lays the foundation for future integration into chairs, beds, vehicle seats or even wearable technologies. It marks an important advance toward reliable, non-intrusive ECG monitoring for people with limited mobility, with both clinical and commercial potential.

(Català) Aquest treball es va dur a terme en el marc del programa “Doctorats Industrials”, en col·laboració amb Regner Engineering S.L., una empresa especialitzada en la fabricació de solucions per a cadires de rodes, i la Universitat Politècnica de Catalunya. Atès que les malalties cardiovasculars (MCV) continuen sent la principal causa de mort a nivell mundial, i que les persones amb discapacitat presenten un risc incrementat, la necessitat de monitoratge cardíac continu i no intrusiu esdevé urgent. Es van analitzar tres mercats amb un alt índex de creixement per la monitoratge d’electrocardiografia (ECG) en cadires de rodes. En primer lloc, el mercat global de cadires de rodes creix de manera constant, amb una forta demanda de models elèctrics. En segon lloc, els mercats de dispositius wearables generals i mèdics s’estan expandint ràpidament, impulsats pels avenços en la integració de sensors i les necessitats sanitàries. Finalment, els sectors de salut mòbil (mHealth) i d’Internet de les coses aplicat a la salut (IoHT) estan experimentant un creixement important a causa de les tendències en salut digital i monitoratge remot. En conjunt, aquests mercats posen de manifest un fort potencial comercial pel sistema proposat. Aquesta tesi doctoral presenta el disseny i la validació d’un sistema innovador de monitoratge ECG no intrusiu, completament integrat en una cadira de rodes i adaptat a les necessitats diàries de persones amb mobilitat reduïda. La solució desenvolupada integra sensors ECG d’una única derivació als reposa-braços de la cadira, utilitzant elèctrodes actius alimentats mitjançant una font flotant (bootstrapped, en angles) per garantir una impedància d’entrada molt elevada i una alta relació de rebuig en mode comú (CMRR), fins i tot davant desajustos d’impedància entre elèctrodes. Aquest disseny permet que el sistema funcioni tant amb contacte directe conductiu (similar als elèctrodes secs) com amb acoblament capacitiu indirecte (a través de la roba), sense necessitat de modificacions en el maquinari. A més, el sensor ECG inclou un circuit de protecció contra descàrregues electrostàtiques (ESD), conforme amb la norma IEC 61000-4-2, precisament dissenyat i simulat per no degradar l’elevada impedància d’entrada. El sistema també incorpora connectivitat Bluetooth i un backend modular, amb la mirada posada en l’escalabilitat futura i l’aplicació industrial. La caracterització del sensor es va dur a terme mitjançant un muntatge experimental original, amb un acoblament en AC del sensor dins d’una gàbia de Faraday, que va permetre mesurar valors molt elevats d’impedància d’entrada a baixes freqüències, com ara 191 fF a 50 Hz, i relacions de rebuig en mode comú (CMRR) de fins a 76,1 dB. Les proves d’adquisició d’un ECG realitzades amb un voluntari vestint una samarreta de cotó van confirmar un registre precisa de la senyal ECG, amb una amplitud RMS de 117 µV i una relació senyal-soroll (SNR) de 31 dB. La investigació va assolir amb èxit els seus objectius, dissenyant i validant un sistema fiable d’ECG no intrusiu per a cadires de rodes, complint tant amb els estàndards clínics com amb els industrials. Estableix una base sòlida per a futurs desenvolupaments en el monitoratge de la salut. La solució proposada estableix les bases per a una futura integració en cadires, llits, seients de vehicles i fins i tot en tecnologies wearables. Representa un avenç important cap a un monitoratge ECG fiable i no intrusiu per a persones amb mobilitat reduïda, amb un enfocament tant cap a la comercialització i l’entorn clínic.

(Español) Este trabajo se llevó a cabo en el marco del programa “Doctorats Industrials”, en colaboración con Regner Engineering S.L., una empresa especializada en la fabricación de soluciones para sillas de ruedas, y la Universitat Politècnica de Catalunya. Dado que las enfermedades cardiovasculares (ECV) siguen siendo la principal causa de muerte a nivel mundial, y que las personas con discapacidad presentan un riesgo aumentado, la necesidad de una monitorización cardíaca continua y no intrusiva se vuelve urgente. Se analizaron tres mercados de alto crecimiento relevantes para la monitorización electrocardiográfica (ECG) en sillas de ruedas. En primer lugar, el mercado global de sillas de ruedas está creciendo de forma constante, con una fuerte demanda de modelos eléctricos. En segundo lugar, los mercados de dispositivos vestibles y dispositivos médicos vestibles están expandiéndose rápidamente, impulsados por los avances en la integración de sensores y las necesidades sanitarias. Por último, los sectores de salud móvil (mHealth) y del Internet de las cosas para la salud (IoHT) están experimentando un importante crecimiento debido a las tendencias en salud digital y monitorización remota. En conjunto, estos mercados destacan un fuerte potencial comercial para el sistema propuesto. Esta tesis doctoral presenta el diseño y la validación de un novedoso sistema de monitorización ECG no intrusivo, completamente integrado en una silla de ruedas y adaptado a las necesidades diarias de personas con movilidad reducida. La solución desarrollada integra sensores ECG de una sola derivación en los reposabrazos de la silla, utilizando electrodos activos alimentados mediante una fuente flotante (bootstrapped, en inglés) para garantizar una impedancia de entrada muy elevada y una alta relación de rechazo de modo común (CMRR), incluso ante desajustes de impedancia entre electrodos. Este diseño permite que el sistema funcione tanto con contacto directo conductivo (similar a electrodos secos) como con acoplamiento capacitivo indirecto (a través de la ropa), sin requerir modificaciones en el hardware. Además, el sensor ECG incluye un circuito de protección contra descargas electrostáticas (ESD), conforme con la norma IEC 61000-4-2, precisamente diseñado y simulado con precisión para no degradar la alta impedancia de entrada. El sistema también incorpora conectividad Bluetooth y un backend modular, con miras a su escalabilidad futura y aplicación industrial. La caracterización del sensor se realizó mediante un montaje experimental original, con un acoplamiento en AC del sensor dentro de una jaula de Faraday, lo que permitió medir valores muy altos de impedancia de entrada a bajas frecuencias, es decir, 191 fF a 50 Hz, y relaciones de rechazo de modo común (CMRR) de hasta 76,1 dB. Las pruebas de registro de ECG reales, con un voluntario que vestía una camiseta de algodón, confirmaron una adquisición precisa de la señal, con una amplitud RMS de 117 µV para el ECG y una relación señal-ruido (SNR) de 31 dB. La investigación alcanzó con éxito sus objetivos, diseñando y validando un sistema fiable de ECG no intrusivo para sillas de ruedas, cumpliendo tanto los estándares clínicos como los industriales. Establece una base sólida para futuros desarrollos en monitorización de la salud. La solución propuesta sienta las bases para su futura integración en sillas, camas, asientos de vehículos e incluso tecnologías vestibles. Representa un avance importante hacia una monitorización ECG fiable y no intrusiva para personas con movilidad reducida, con un enfoque hacia la comercialización y el entorno clínico.