Internet of Things based functional health assessments in a telehealth context

ENGLISH: Aging societies and the associated steady increase in chronic diseases have become leading causes of disability and death. The co-occurrence of two or more chronic diseases can lead to functional limitations and is often accompanied by age-related functional limitations. Screening is a strategy that aims to diagnose a person’s exposure to functional limitations with the simplest possible tests. Examples are so-called functional health assessments. Telehealth is increasingly used for the management of chronic diseases as it allows the transmission and receipt of physiological parameters between patients and healthcare professionals. While physiological parameters are well represented in telehealth, parameters for functional health assessments are often missing. This thesis evaluated whether Internet of Things based telehealth solutions with a special focus on functional health assessments could help to improve the identification of individuals at high risk for adverse outcomes. Laboratory experiments, field tests and clinical trials were employed to evaluate the usefulness and meaningfulness of various approaches. First, the feasibility, effectiveness and cost-effectiveness of a Mobile Health-based telemedicine solution was investigated. Second, a specially developed Mobile Health app for monitoring the performance of a functional health assessment such as the 6-minute walk test was tested for its clinical applicability. A major focus was on an Internet of Things-based hardware solution for performing the Timed Up-and-Go test. The device was designed to be eventually used as an Internet of Things device in telehealth. Various statistical methods and state-of-the-art machine learning methods were applied to the collected time series data. Mobile Health App based telehealth solutions have shown to reduce unplanned hospital stays and costs. Performance-based functional health assessment methods like a Mobile Health 6-minute walk test have demoniii strated their capability to detect clinically relevant changes in the functional performance of heart failure patients. An Internet of Things device for frequently performing the Timed Up-and-Go test in an unsupervised environment could significantly separate fallers from non-fallers. Furthermore, subtask times from the signal derived from such an ultrasonic distance measuring device have shown to be significantly correlated to specific contractile muscle properties. Various Internet of Things-based methods have been developed to collect data from a variety of sensors. Studies conducted in the context of this thesis indicate that significant information can be extracted from the signals recorded with these methods. Thus, this work contributes to the process of building a technical framework for functional health assessments to detect health status changes early and to prevent adverse outcomes. GERMAN: Die alternde Gesellschaft und die damit verbundene stetige Zunahme chronischer Erkrankungen sind zu einer der Hauptursachen für Einschränkungen und Sterbefälle geworden. Chronische Erkrankungen können zu Funktionseinschränkungen führen und gehen häufig auch mit altersbedingten Einschränkungen einher. Funktionellen Gesundheitstests als Teil einer Screening-Strategie zielen darauf ab, die Gefährdung einer Person durch Funktionseinschränkungen mit möglichst einfachen Bewertungsmethoden zu erkennen. Mit Hilfe von Laborexperimenten, Feldversuchen und klinischen Studien wurden die Nützlichkeit und Aussagekraft verschiedener Ansätze bewertet. In dieser Arbeit wurden zunächst die Durchführbarkeit, Wirksamkeit und Kosteneffizienz einer auf Mobile-Health basierenden telemedizinischen Lösung untersucht. Weiters wurde eine speziell entwickelte Mobile-Health App zur Überwachung der Durchführung eines funktionellen Gesundheitstests wie dem 6-Minuten-Gehtest auf ihre klinische Anwendbarkeit getestet. Ein Hauptaugenmerk lag auf einer Internet-der-Dinge (IdD) basierenden Hardwarelösung für die Durchführung des Timed Up-and-Go-Tests. Das Gerät wurde so konzipiert, dass es später in einen Telegesundheitsdienst integriert werden kann. Verschiedene statistische Methoden und maschinelles Lernen wurden auf die gesammelten Zeitreihendaten angewendet. Es hat sich gezeigt, dass auf Mobile-Health-Apps basierende Telegesundheitsdienste ungeplante Krankenhausaufenthalte und -kosten reduzieren können. Methoden zur Bewertung der funktionellen Gesundheit, wie der Mobile-Health 6-Minuten-Gehtest, haben gezeigt, dass sie in der Lage sind, klinisch relevante Veränderungen in der funktionellen Leistungsfähigkeit von Patienten mit Herzinsuffizienz zu erkennen. Ein IdD-Gerät zur kontinuierlichen Durchführung des Timed Up-and-Go-Tests konnte Sturzpatienten signifikant von Nicht-Sturzpatienten unterscheiden. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die verschiedenen Zeitabschnitte aus dem von einem solchen Ultraschall-Distanzmessgerät abgeleiteten Signal signifikant mit spezifischen kontraktilen Muskeleigenschaften korrelieren. Es wurden verschiedene auf dem IdD-Konzept basierende Methoden entwickelt, um Daten von einer Vielzahl von Sensoren zu sammeln. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Studien deuten darauf hin, dass aus den mit diesen Methoden aufgezeichneten Signalen signifikante Informationen extrahiert werden können. Somit trägt diese Arbeit zum Aufbau eines technischen Rahmens für funktionale Gesundheitsbewertungen bei, um Veränderungen des Gesundheitszustands frühzeitig zu erkennen und negative Folgen zu verhindern.