Smart Garment – pressure, temperature, and humidity management in the prevention of Pressure Ulcers

Abstract

Pressure ulcers (PUs), ischemic lesions caused mainly by pressure, are a major health concern. Their high incidence, combined with difficulties in treatment, make PUs not only a tremendous issue for patients, but also one of the most time-consuming and expensive situations for health professionals. Preventive techniques are not efficient enough in reducing the incidence of PUs, with the additional disadvantage of most being extremely expensive. One way of increasing their effectiveness is by using textiles to manage risk variables and by integrating sensors that monitor them to aid health professionals in preventing PUs. These pressure-sensing textiles, such as pyjamas or mattress covers, could incorporate an alarm system for professionals and patients alike to detect excessive pressure, temperature, and humidity, and act accordingly. These, along with developing a testing pipeline for such devices, are the overall goals of this work – to manufacture a smart garment using textiles capable of managing pressure, temperature, and humidity, and to integrate sensors that can measure these variables and relay them to an outside device. This information can then be used by either the patient or caregiver, enabling them to implement techniques, such as repositioning, which can prevent the development of PUs. In order to achieve these goals, three groups of textiles (mattress covers, clothing, and bed sheets) were submitted to a number of tests to determine their suitability in managing pressure, temperature, and humidity. The best material in the Clothing Group was used to manufacture two types of pyjama, a single and a two-piece. Both were designed to ensure that no seams or zippers were placed on the back and sides, to prevent pressure points that could lead to discomfort and PUs. Moreover, all zippers were enclosed to prevent rubbing against the skin, which could jeopardize skin integrity and lead to PUs. Finally, the number and placement of zippers was intended to allow mobile patients to dress and undress independently, as well as to aid any health professionals in their daily tasks, such as inspecting skin for damage. Secondly, several pressure, temperature, and humidity sensors were tested for their suitability to our purposes. Nine force sensors were selected, out of which only four were functional by the end of this work, and two temperature sensors. All were placed on those locations more subject to PU development, namely the ischial tuberosities, coccyx, and other areas in the buttocks withstanding more pressure. Humidity sensors were reluctantly dropped from the setup, due to their thickness and sharpness, which could induce skin damage. The ensemble was tested in experimental and clinical settings. The protocol was developed in the lab and the pyjama tested with healthy participants against their usual pyjamas. The force and temperature sensors provided data to assess our pyjama’s performance, and a commercial pressure-sensing system was used to validate our force sensors. Results were mixed, with our pyjama performing better with only some participants, and with force sensors replicating the commercial system’s pattern, but not absolute values. In the clinical setting, results were similar – our pyjama performed better part of the time. Again, our force sensors showed similar patterns, but different absolute values than the commercial system. Here, we were able to assess the usability of our pyjama by asking caregivers to fill in a questionnaire. Results were very positive, except for hygiene purposes, where staff asked for more openings. Finally, we were also able to interview participants and collect their subjective assessment of the pyjama, namely on its thermophysiological comfort properties, usability, and impact on self-esteem. Results were extremely positive, with all participants making a very positive assessment on all aspects evaluated. Overall, and despite several issues, the initial goals were mostly achieved – we manufactured a pyjama with excellent pressure, temperature, and humidity management capacity, as was proven by the caregivers’ and patients’ opinions and most textile and experimental tests. Our temperature sensors showed excellent results, although we were still unable to calibrate our force sensors. To our regret, the humidity variable had to be dropped from the project due to the unavailability of appropriate sensors. Still, we managed to produce a smart garment capable of recording and displaying in an outside device pressure and temperature data, as well as establishing a reliable testing protocol pipeline. We believe these are important stepping-stones for a future more thorough prevention of PUs. Apart from fixing minor methodological issues, future work must focus on recalling the humidity variable into the system, due to its importance in the development of PUs. The next version of the pyjama should also take into account the caregivers’ suggestions and add one more opening at the perineum to aid in hygiene tasks. More importantly, we must find a way to show force and temperature values in SI units in real-time, either by managing to calibrate the sensors, or preferably substituting them altogether. Finally, studies with larger samples are also needed in order to further validate our ensemble.

As Úlceras de Pressão (UPs) são lesões isquémicas causadas principalmente pela pressão excessiva. Com elevadas taxas de incidência e as dificuldades inerentes ao seu tratamento, as UPs são um grave problema tanto para pacientes como para profissionais, e acarretam um pesado fardo para o SNS. Assim, impõe-se uma forte aposta na sua prevenção. No entanto, os métodos usados não são ainda eficientes na redução da incidência das UPs. Uma forma de aumentar a sua eficácia passa pelo uso de têxteis capazes de gerir as variáveis de risco, com a integração de sensores que as monitorizem. Estes têxteis sensitivos poderão incorporar um alarme capaz de alertar os utilizadores quando é detectada pressão, temperatura ou humidade excessivas, permitindo-lhes agir em conformidade. Juntamente com a definição de protocolos de teste, estes são os objectivos gerais deste trabalho – produzir têxteis capazes de gerir pressão, temperatura e humidade, com sensores integrados para medir estas variáveis e transmitir os resultados para um dispositivo externo. Esta informação pode ser então usada para implementar técnicas preventivas, como o reposicionamento, de forma a impedir o desenvolvimento de UPs. Para atingir este objectivos, três grupos de têxteis (protectores de colchão, roupa e lençóis) foram submetidos a uma série de testes para determinar as suas propriedades e capacidade de gestão de pressão, temperatura e humidade. Estes resultados permitiram determinar o melhor material no grupo Roupa, que foi usado para fabricar dois tipos de pijamas: inteiro e de duas peças. Ambos foram concebidos para garantir a ausência de costuras ou fechos na parte traseira e lateral da peça, com o objectivo de evitar pontos de pressão passíveis de induzir desconforto ou UPs. Mais ainda, todos os fechos foram protegidos de forma a evitar contacto com a pele, o que poderia comprometer a sua integridade e promover o desenvolvimento de UPs. Finalmente, o número e localização dos fechos foi pensado de forma a permitir aos pacientes com mobilidade vestirem e despirem o pijama sozinhos, bem como para auxiliar os profissionais de saúde nas suas tarefas diárias. Em segundo lugar, foram testados sensores de pressão, temperatura e humidade. Depois de inúmeros testes, foram seleccionados nove sensores de força, dos quais apenas quatro se encontravam funcionais no final deste trabalho, e dois sensores de temperatura, colocados nos locais mais propícios ao desenvolvimento de UPs, como os ísquios, cóccix e outras áreas nas nádegas sujeitas a mais pressão. Foi necessário abandonar os sensores de humidade, devido à sua espessura e aspereza, que poderiam causar danos na pele. Este sistema foi testado em ambiente experimental e clínico. O pijama foi testado em laboratório com participantes saudáveis e os seus pijamas habituais, usando os dados dos sensores de força e temperatura. Para validar os sensores de força, utilizou-se um sistema comercial de pressão. Os resultados foram inconclusivos: o nosso pijama obteve melhores resultados com alguns participantes, mas não com outros, e os sensores de força capazes de replicar o padrão de resultados do sistema comercial, mas não os valores absolutos. Em ambiente clínico, os resultados foram semelhantes – melhor desempenho do nosso pijama uma parte do tempo, mas nem sempre. Mais uma vez, os sensores de força apresentaram padrões idênticos, mas valores absolutos diferentes do sistema comercial. A usabilidade do pijama foi avaliada através do preenchimento de um questionário apresentado aos prestadores de cuidados. Os resultados foram muito positivos, com a excepção de um pedido para mais aberturas para fins de higiene. Finalmente, entrevistámos os participantes sobre o pijama, focando a nossa atenção no conforto termofisiológico, usabilidade e impacto na auto-estima. Os resultados foram extremamente positivos, com todos os participantes a fazerem uma avaliação muito positiva em todos os aspectos considerados. No geral, apesar de vários contratempos, os objectivos foram alcançados – produzimos um pijama com excelentes capacidades de gestão de pressão, temperatura e humidade, como comprovado pelas opiniões dos prestadores de cuidados e pacientes, bem como pelo desempenho nos testes têxteis e experimentais. Os sensores de temperatura mostraram óptimos resultados, embora não tenha sido possível calibrar os sensores de força. A variável humidade foi retirada devido à indisponibilidade de sensores apropriados. Ainda assim, produzimos um pijama capaz de monitorizar pressão e temperatura e definimos um protocolo rigoroso de teste, passos importantes para uma prevenção mais eficaz de UPs. Para além de resolver algumas questões metodológicas, o trabalho futuro deve-se concentrar novamente na variável humidade. A próxima versão do pijama deverá ter uma abertura no períneo para facilitar tarefas de higiene. Há ainda que encontrar uma forma de mostrar valores de força e temperatura em unidades SI em tempo real, através da calibração dos sensores, ou substituindo-os por completo. Finalmente, são necessários estudos com amostras maiores, de forma a validar mais aprofundadamente o nosso pijama.