El presente Trabajo de Fin de Máster presenta el diseño e implementación de un prototipo de sistema de telemetría fisiológica pensada para la monitorización intracraneal, utilizando tecnología inalámbrica LoRaWAN. El sistema tiene como objetivo permitir la adquisición y transmisión remota de parámetros biomédicos (temperatura, humedad y presión intracraneales en específico), minimizando los riesgos y limitaciones procedentes a las conexiones físicas invasivas. Estas características resultan especialmente relevantes en contextos como las terapias para tumores cerebrales, como el glioblastoma multiforme, donde una monitorización continua de parámetros relevantes pueden mejorar los resultados clínicos y las decisiones tomadas por los médicos.
El prototipo, también conocido como el Sistema de Adquisición de Datos (SAD), se basa en el microcontrolador STM32WLE5, que integra un transceptor Sub-GHz y un núcleo ARM Cortex- M4, ofreciendo una solución compacta y energéticamente eficiente para aplicaciones embebidas inalámbricas. Se desarrolló usando una placa electrónica personalizada de cuatro capas, con líneas de conexión de radiofrecuencia ajustadas en impedancia y una antena sintonizada a 50 Ω para operar en la banda de 433 MHz, frecuencia apta para comunicación en Europa. El dispositivo fue validado en un entorno controlado que simula las condiciones dieléctricas del cráneo humano, utilizando un modelo fantoma compuesto por solución salina y agentes emulsionantes, como el Tween 20. Se emplearon simulaciones electromagnéticas y técnicas de adaptación de impedancia basadas en la carta de Smith para optimizar el rendimiento de RF.
Los datos adquiridos se transmiten a través de LoRaWAN hacia una puerta de enlace conectada al servidor de The Things Network (TTN) y un bróker Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) para subscripción de datos, y se visualizan mediante un panel en tiempo real implementado en Node-RED. El sistema logró una transmisión confiable incluso bajo condiciones de atenuación, con valores aceptables de Received Signal Strength Indicator (RSSI) y Signalto- Noise Ratio (SNR) a través de medios dieléctricos, demostrando la resiliencia de LoRa y su aplicabilidad en sistemas de telemetría biomédica.
Este trabajo también aborda los aspectos éticos y medioambientales relacionados con dispositivos médicos implantables, proponiendo este desarrollo como un prototipo no implantable orientado a evaluar su viabilidad en contextos preclínicos. El sistema propuesto integra diseño de hardware embebido, ingeniería de radiofrecuencia, comunicaciones inalámbricas e integración Internet of Things (IoT).
Abstract:
This master’s thesis presents the design and implementation of a prototype for a physiological telemetry system designed for intracranial monitoring, utilising LoRaWAN wireless technology. The system aims to enable the acquisition and remote transmission of biomedical parameters (specifically, intracranial temperature, humidity and pressure), minimising the risks and limitations associated with invasive wired connections. These features are especially relevant in the context of brain tumor therapies, such as glioblastoma multiforme, where continuous patient monitoring can improve therapeutic outcomes.
The prototype, also known as the Acquisition Data System, is based on the STM32WLE5 microcontroller, which integrates a Sub-GHz transceiver and an ARM Cortex-M4 core, offering an energy-efficient and compact solution for wireless embedded applications. This system was developed on a custom four-layer printed circuit board with impedance-matched radiofrequency traces and a 50 Ω adapted antenna tuned to 433 MHz, the standard European telecommunications frequency. The device was validated in a controlled environment simulating cranial dielectric conditions using a phantom model composed of saline and emulsifying agents, like Tween 20. Electromagnetic simulations and Smith chart-based impedance matching were employed to optimise radiofrequency performance through the gel-type medium.
The acquired data is transmitted via LoRaWAN to a gateway connected to The Things Network (TTN) server and visualised through a real-time dashboard implemented in Node-RED using the MQTT protocol for data subscription. The system achieved reliable data transmission under lossy conditions, with acceptable values of RSSI and SNR, demonstrating LoRa’s resilience and suitability for biomedical telemetry applications.
This work also addresses the ethical and environmental considerations of medical implants, proposing this device as a non-implantable prototype for feasibility assessment in preclinical contexts. The proposed system combines embedded hardware design, RF engineering, wireless communication, and IoT integration.
El presente Trabajo de Fin de Máster presenta el diseño e implementación de un prototipo de sistema de telemetría fisiológica pensada para la monitorización intracraneal, utilizando tecnología inalámbrica LoRaWAN. El sistema tiene como objetivo permitir la adquisición y transmisión remota de parámetros biomédicos (temperatura, humedad y presión intracraneales en específico), minimizando los riesgos y limitaciones procedentes a las conexiones físicas invasivas. Estas características resultan especialmente relevantes en contextos como las terapias para tumores cerebrales, como el glioblastoma multiforme, donde una monitorización continua de parámetros relevantes pueden mejorar los resultados clínicos y las decisiones tomadas por los médicos.
El prototipo, también conocido como el Sistema de Adquisición de Datos (SAD), se basa en el microcontrolador STM32WLE5, que integra un transceptor Sub-GHz y un núcleo ARM Cortex- M4, ofreciendo una solución compacta y energéticamente eficiente para aplicaciones embebidas inalámbricas. Se desarrolló usando una placa electrónica personalizada de cuatro capas, con líneas de conexión de radiofrecuencia ajustadas en impedancia y una antena sintonizada a 50 Ω para operar en la banda de 433 MHz, frecuencia apta para comunicación en Europa. El dispositivo fue validado en un entorno controlado que simula las condiciones dieléctricas del cráneo humano, utilizando un modelo fantoma compuesto por solución salina y agentes emulsionantes, como el Tween 20. Se emplearon simulaciones electromagnéticas y técnicas de adaptación de impedancia basadas en la carta de Smith para optimizar el rendimiento de RF.
Los datos adquiridos se transmiten a través de LoRaWAN hacia una puerta de enlace conectada al servidor de The Things Network (TTN) y un bróker Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) para subscripción de datos, y se visualizan mediante un panel en tiempo real implementado en Node-RED. El sistema logró una transmisión confiable incluso bajo condiciones de atenuación, con valores aceptables de Received Signal Strength Indicator (RSSI) y Signalto- Noise Ratio (SNR) a través de medios dieléctricos, demostrando la resiliencia de LoRa y su aplicabilidad en sistemas de telemetría biomédica.
Este trabajo también aborda los aspectos éticos y medioambientales relacionados con dispositivos médicos implantables, proponiendo este desarrollo como un prototipo no implantable orientado a evaluar su viabilidad en contextos preclínicos. El sistema propuesto integra diseño de hardware embebido, ingeniería de radiofrecuencia, comunicaciones inalámbricas e integración Internet of Things (IoT).
Abstract:
This master’s thesis presents the design and implementation of a prototype for a physiological telemetry system designed for intracranial monitoring, utilising LoRaWAN wireless technology. The system aims to enable the acquisition and remote transmission of biomedical parameters (specifically, intracranial temperature, humidity and pressure), minimising the risks and limitations associated with invasive wired connections. These features are especially relevant in the context of brain tumor therapies, such as glioblastoma multiforme, where continuous patient monitoring can improve therapeutic outcomes.
The prototype, also known as the Acquisition Data System, is based on the STM32WLE5 microcontroller, which integrates a Sub-GHz transceiver and an ARM Cortex-M4 core, offering an energy-efficient and compact solution for wireless embedded applications. This system was developed on a custom four-layer printed circuit board with impedance-matched radiofrequency traces and a 50 Ω adapted antenna tuned to 433 MHz, the standard European telecommunications frequency. The device was validated in a controlled environment simulating cranial dielectric conditions using a phantom model composed of saline and emulsifying agents, like Tween 20. Electromagnetic simulations and Smith chart-based impedance matching were employed to optimise radiofrequency performance through the gel-type medium.
The acquired data is transmitted via LoRaWAN to a gateway connected to The Things Network (TTN) server and visualised through a real-time dashboard implemented in Node-RED using the MQTT protocol for data subscription. The system achieved reliable data transmission under lossy conditions, with acceptable values of RSSI and SNR, demonstrating LoRa’s resilience and suitability for biomedical telemetry applications.
This work also addresses the ethical and environmental considerations of medical implants, proposing this device as a non-implantable prototype for feasibility assessment in preclinical contexts. The proposed system combines embedded hardware design, RF engineering, wireless communication, and IoT integration. Read More
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