ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-apr-2021
2020/2021
La sindrome delle apnee nel sonno è, per frequenza, il secondo fra i disordini respiratori e affligge il 2-4% della popolazione adulta. Questa sindrome è associata ad un’inadeguata respirazione durante il sonno e comporta rischi connessi a disordini neurocomportamentali e cardiaci. Presso la "Fondazione Don Carlo Gnocchi" e il "IRCSS Istituto Auxologico Italiano" è in corso uno studio clinico per valutare i rischi cardiovascolari associati alle apnee ostruttive. Lo “SPADLab” ha preso parte a questo progetto con lo scopo di realizzare un innovativo saturimetro capace di registrare contemporaneamente il segnale foto-pletismografico (PPG) associato a diverse lunghezze d’onda. Durante il progetto di Tesi è stato ideato, prodotto e caratterizzato tale dispositivo che utilizza un LED verde in aggiunta ai tradizionali rosso e infrarosso. Il LED verde permette di registrare un segnale indipendente dalla variazione di ossigeno nel sangue, al fine di trovare una correlazione tra variazione dell’ampiezza del segnale e variazioni delle resistenze vascolari sistemiche (SVR). Il sensore si basa su un fotodiodo a singolo fotone (SPAD), permettendo così di investigare l’utilizzo di tali sensori nella foto-pletismografia a contatto. Il sistema è stato sottoposto a diversi test sperimentali per dimostrarne il corretto funzionamento. I risultati relativi ai test respiratori hanno confermato l’effettiva validità dei dati ottenuti, in quanto essi riflettono le risposte fisiologiche aspettate. Il segnale PPG ha anche mostrato un’adeguata stabilità agli artefatti da movimento confermando la bontà del sistema per applicazioni come la polisonnografia. Infine, questo strumento ha dimostrato la possibilità di impiegare rivelatori SPAD nella foto-pletismografia a contatto. In futuro, confrontando il prototipo con uno analogo, ma basato su un fotodiodo, sarà possibile determinare più accuratamente benefici e limitazioni introdotte dall’utilizzo di uno SPAD. Inoltre, il prototipo finale verrà utilizzato dai collaboratori del progetto al fine di sviluppare un modello statistico che studi la correlazione tra variazioni nel valore SVR e la forma d’onda del segnale PPG.
Obstructive Sleep Apnea/Hypopnea Syndrome is the second most common disease in order of frequency among breathing disorders, and it affects about 2-4 % of the adult population. It is associated with inadequate ventilation during sleep resulting in sleep fragmentation. The main risk is linked to neurobehavioral and cardiovascular consequences. "Fondazione Don Carlo Gnocchi" and "IRCSS Istituto Auxologico Italiano" are conducting a clinical research project to study the cardiovascular risk associated with obstructive apnea during sleep. The SPADLab participates in this project with the task of developing an innovative pulse oximeter capable of recording simultaneously the photoplethysmogram (PPG) signal related to three different light wavelengths. This Thesis work consists in conceiving, developing and characterizing such a device, which uses a green LED in addition to the traditional red and infrared LEDs to illuminate the subject’s finger. The presence of the green LED permits to log a PPG signal insensitive to blood’s oxygen saturation and find a correlation with systemic vascular resistance. The device has been based on a Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) detector to study the possibilities of employing this photodetector in contact photoplethysmography. The engineered system has been tested with multiple experimental procedures aiming at investigating the proper functioning of the device. The results related to different respiratory maneuvers reflect the expected physiological phenomena demonstrating the reliability of the device’s measurements. The PPG signal has shown also good robustness to motion artefacts confirming the possibility of being used in polysomnogram applications. Eventually, the innovative pulse oximeter confirms the possibility to perform contact photoplethysmography with a SPAD detector. In the future, by comparing the system with a similar one based on a photodiode, it will be possible to study thoroughly any benefits or limitations introduce using a SPAD. Moreover, the final prototype will be tested by project partners to develop a statistical model that relates variation in systemic vascular resistance to changes in the PPG waveform.