Design and characterization of wearable antenna sensors for healthcare applications

Abstract

(English) Wearable antenna sensors are a promising technology for developing new applications in the healthcare field since textiles are widely used by everyone due to the maturity of textile manufacturing. According to the last decade's market behavior, it is expected that consumers will claim smaller and more intelligent communications systems which will improve their quality of life. In this respect, wearable antenna sensor technology is one of the key implementations of the future smart clothes field and they may find their place in our daily life. Currently, the researches on wearable antenna sensors are receiving increasing interest while wearable antenna sensors on textile have less research, thus it is a novelty and motivation of this thesis. This thesis deals with challenges regarding wearable antenna sensor design, characterization, and measurements on textile.

Based on the analysis of the current state of the art, there are several new research that merits to be explored, thus generating the specific objectives of this thesis. The first objective is to develop new textile antenna sensors with high performance including low profile, high sensitivity, low cost, and high durability; the second objective is to explore wearable antenna-based sensors that can be used for body signal/healthcare monitoring and communication purposes; the third objective is to test the performance of the antenna sensor in real-world scenarios, such as breathing monitoring, and the fourth objective is to develop antenna sensors that can be integrated into clothing for breathing monitoring combined with other commercial electronic components, such as Bluetooth/WIFI transmitter.

For achieving the first objective, an embroidered fully textile antenna-based sensor is proposed to detect various concentrations of salt and sugar using microwave signals. Different concentrations of salt and sugar are identified through variations in frequency shifts and magnitude levels observed in reflection coefficient measurements. In addition, the rinsing reliability validation measurements are performed. The proposed sensor offers high sensitivity and compact size. To achieve the second objective, a textile antenna sensor for in vitro diagnostics of diabetes for monitoring blood glucose levels is proposed. The experiments are performed to detect different diabetic conditions including hypoglycemia, normoglycemia, and hyperglycemia. To attain the third objective, a new embroidered meander dipole antenna-based sensor for real-time breath detection using the technique based on chest well movement analysis is proposed. For the fourth objective, an embroidered antenna-based sensor is integrated into the T-shirt to demonstrate the sensing mechanism based on the detection of different breathing patterns through the resonance shift frequency and the received signal strength indicator (RSSI) using a Bluetooth transmitter. The results show a good sensing performance and its ability to detect and monitor different breathing patterns.

This thesis has been developed at RFLEX (Radio Frequency Identification and Flexible Electronics) group, which is part of the Electronic Engineering Department at UPC partially supported by projects: TEC2016-79465-R, TED2021-131209B-I0, and PID2021-124288OB-I0. This Ph.D. thesis has been written as a Compendium of articles, five articles indexed in the Journal Citation Report are already published and one additional is under submission, which are included as an annex in this thesis.

(Español) Los sensores de antena portátiles son una tecnología prometedora para el desarrollo de nuevas aplicaciones en el campo de la salud, ya que los textiles son ampliamente utilizados por todos debido a la madurez de los métodos de fabricación textil. De acuerdo con el comportamiento del mercado de la última década, se espera que los consumidores reclamen sistemas de comunicaciones más pequeños e inteligentes que mejoren su calidad de vida. En este sentido, la tecnología de sensor de antena portátil es una de las implementaciones clave del futuro campo de la ropa inteligente y puede encontrar su lugar en nuestra vida diaria. Actualmente, las investigaciones sobre sensores de antena portátiles están recibiendo un interés creciente, mientras que los sensores de antena portátiles en textiles han sido sometidos a menor investigación, por lo que es una novedad y motivación de esta tesis. Esta tesis aborda los desafíos relacionados con el diseño, la caracterización y las mediciones de sensores antena portátiles.

En base al análisis del estado del arte actual, hay varias investigaciones nuevas que merecen ser exploradas y que constituyen los objetivos específicos de esta tesis. El primer objetivo es desarrollar nuevos sensores de antena textil con alto rendimiento que incluyan bajo perfil, alta sensibilidad, bajo costo y alta durabilidad; el segundo objetivo es explorar sensores portátiles basados en antenas que se puedan integrarse en la ropa para propósitos de comunicación y monitoreo de señales corporales/salud; el tercer objetivo es probar el rendimiento del sensor de antena en escenarios del mundo real, como el control de la respiración, y el cuarto objetivo es desarrollar sensores de antena que se puedan integrar en la ropa para para monitorear la respiración junto con otros componentes electrónicos comerciales, como el transmisor Bluetooth/WIFI.

Para lograr el primer objetivo, se propone un sensor basado en una antena totalmente textil bordado para detectar diferentes concentraciones de sal y azúcar utilizando señales de microondas. Las diferentes concentraciones de sal y azúcar se identifican a través de variaciones en los cambios de frecuencia y los niveles de magnitud observados en las mediciones del coeficiente de reflexión. Además, se realizan las medidas de validación de la fiabilidad del enjuague. El sensor propuesto ofrece alta sensibilidad y tamaño compacto. Para lograr el segundo objetivo, se propone un sensor de antena textil para el diagnóstico in vitro de diabetes para monitorear los niveles de glucosa en sangre. Los experimentos se realizan para detectar diferentes condiciones diabéticas que incluyen hipoglucemia, normoglucemia e hiperglucemia. Para lograr el tercer objetivo, se propone un nuevo sensor basado en una antena dipolo de meandro bordado para la detección de la respiración en tiempo real utilizando la técnica basada en el análisis del movimiento del pecho. Para el cuarto objetivo, se integra un sensor basado en antena bordado en la camiseta para demostrar el mecanismo de detección basado en la detección de diferentes patrones de respiración a través de la frecuencia de cambio de resonancia y el indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI) usando un transmisor Bluetooth. Los resultados muestran un buen rendimiento de detección y su capacidad para detectar y monitorear diferentes patrones de respiración.

Esta tesis ha sido desarrollada en el grupo RFLEX (Identificación por Radio Frecuencia y Electrónica Flexible), que forma parte del Departamento de Ingeniería Electrónica en la UPC apoyado parcialmente por los proyectos: TEC2016-79465-R, TED2021-131209B-I0, y PID2021-124288OB-I0. Esta tesis doctoral se ha escrito bajo la modalidad de compendio de artículos. Cinco artículos indexados en el Journal Citation Report ya están publicados y uno adicional está en proceso de presentación, los cuales se incluyen como anexo en esta tesis.