Perfusion monitoring by non-contact photo-plethysmographic (PPG) imaging

Perfusion is referred to the delivery of blood to the capillary bed in tissue that occurs in the microcirculation. Through the microcirculation, oxygen and nutrients are delivered and, therefore, organ perfusion is a crucial indicator of injury and disease. This is the reason why, during the last decades there have been big advancing in the development of technologies able to monitor blood perfusion. A novel technique called non-contact PPG imaging is emerging. By means of a source of light that illuminates a region of the skin and a camera to record videos, it is possible to acquire remotely information about the distribution of the blood pulsatility and build a map correlated to the perfusion of that region of investigation. The aim of this work of thesis is the development, implementation and test of a system of acquisition and elaboration of non-contact photo-plethysmographic maps of perfusion. An experimental setup for the video acquisition has been designed so that videos are acquired and PPG maps of perfusion can be elaborated starting from different ranges of wavelengths, namely blue green red and infrared. A system based on optical polarizing filters has been implemented on the source of light and on the camera objective aimed to reduce the light components that do not bring any ematic pulsatility information. A reliable algorithm of PPG maps extraction and elaboration has been implemented; besides this, since the pulsatility information acquired remotely are very sensible to motion artifacts, also an algorithm of motion detection and compensation has been written. Several experiments have been conducted. Different configuration of polarizing filters are compared and tested so to define the optimal configuration to reduce light components that do not carry any pulsatility information. PPG maps obtained from different wavelength ranges are compared and evaluated so to determine which one ensures the best, or at least better performances. Then a series of experiments have been conducted in order to demonstrate the reliability of the PPG maps in detect perturbations and changes in perfusion. All the experiments have been conducted measuring simultaneously both PPG maps, contact PPG by means of a finger probe and another technique of perfusion monitoring, the Laser Speckle Contrast Analysis, whose hardware and software implementation are part of this work of thesis. The results of all the conducted experiments showed a very good agreement with the expected results and with the laser speckle contrast analysis and proved the reliability of this novel technique in monitor perfusion. Indeed, it is worth to keep investigating into this emerging method, since the PPG imaging has demonstrated to have the potential to compete with the other blood perfusion monitoring techniques.

Col termine perfusione ci si riferisce al processo che si verifica nel microcircolo per il quale il corpo fornisce il sangue per il letto capillare sin nel tessuto. Attraverso la microcircolazione l'ossigeno e i nutrienti arrivano al tessuto, per questo motivo la perfusione è un indicatore cruciale di lesioni e malattie. Negli ultimi decenni ci sono stati grandi passi in avanti nello sviluppo di tecnologie in grado di monitorare la perfusione del sangue. Una nuova e innovativa tecnica basata sull'elaborazione dei segnali fotopletismografici (PPG) non a contatto sta emergendo. Utilizzando una comune telecamera e una sorgente di luce è possibile acquisire a distanza informazioni sulla distribuzione della pulsatilità ematica e costruire una mappa correlata con la perfusione della regione di indagine. Lo scopo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo, l'implementazione e il test di un sistema di acquisizione ed elaborazione di mappe di perfusione basate sull'elaborazione di segnali fotopletismografici non a contatto. Più in dettaglio, gli obiettivi del progetto sono la progettazione di un setup sperimentale finalizzato all'acquisizione di video per l'elaborazione di mappe PPG estratte a diversi range di lunghezze d'onda, in particolare lunghezze d'onda del blu verde, rosso e infrarosso e l'implementazione di un sistema basato su filtri ottici polarizzanti da posizionare su sorgente di luce e obiettivo della telecamera volti a ridurre le componenti luminose che non contengono alcuna informazione sulla pulsatilità del sangue. È stato poi implementato di un algoritmo di motion detection/compensation con lo scopo di ridurre gli artefatti da movimento e soprattutto un algoritmo affidabile per estrazione delle mappe PPG. Sono stati inoltre condotti diversi esperimenti. Sono state confrontate diverse configurazioni dei filtri polarizzatori in modo da definire quale sia la configurazione ottimale per ridurre le componenti di luce che non contengono nessuna informazione relativa alla pulsatilità ematica. Le mappe di perfusione ottenute da diversi range di lunghezze d'onda sono state analizzate e confrontate allo scopo di determinare quale tra queste assicura le migliori, o almeno una migliore performance. Inoltre, una serie di esperimenti sono stati condotti per dimostrare l'affidabilità delle mappe PPG nel rilevare le perturbazioni e cambiamenti della perfusione. Tutti gli esperimenti sono stati condotti monitorando contemporaneamente con le mappe PPG, con un segnale PPG a contatto ottenuto mediante l'utilizzo di un sensore a dito e con un'altra tecnica di monitoraggio, la Laser Speckle Contrast Analysis (LASCA), la cui implementazione sia hardware che software fanno parte di questo lavoro di tesi. In questo modo è possibile confrontare il risultato delle misure di PPG con un metodo già noto di monitoraggio per la perfusione. I risultati di tutti gli esperimenti condotti hanno mostrato una buona concordanza con i risultati attesi e con la laser speckle contrast analysis, dimostrato l'affidabilità di questa nuova tecnica nel monitorare la perfusione e soprattutto nel rilevare sia perturbazioni di perfusione locali che temporanee. Vale quindi la pena continuare a indagare in direzione di questa tecnica emergente, in quanto la PPG imaging ha dimostrato di avere il potenziale per competere con le altre tecniche di monitoraggio della perfusione.