Compact multispectral photopletysmogram for oxygen blood saturation and heart rate variability assessment

Photoplethysmography (PPG) applications have been finding more and more space in the medical field. For example, the Heart Rate Variability (HRV) information is typically extracted with an ECG R-R peak interval measurement, but the same data can be reconstructed with the PPG Inter Beat Interval (IBI) measurement, and the oxygen saturation (SpO2) of a patient’s blood can be assessed by the manipulation of PPG data obtained by red and IR light. This Thesis is motivated by the need of engineering a novel pulse oximeter based on three wavelengths, instead of the classical two, to monitor the sleep of patients affected by Obstructive Sleep Apnea. The project in cooperation with “Fondazione Don gnocchi” e "IRCSS Istituto Auxologico Italiano" born initially to monitor such respiratory disturbances. However, the developed prototypes can be exploited in other scenarios, opening the concrete possibility of studying a third wavelength behavior (525 nm or 810 nm wavelength) for monitoring System Vascular Resistance (SVR) variations and correlating vasoconstriction phenomena to SpO2. The first three-wavelength (3W) prototype, developed prior to this work, was based on a SPAD. During this Thesis, the SPAD chip, developed specifically for high-rate applications, has been characterized. The fundamental contribution of this project has been the development of an equivalent 3W pulse oximeter based on more common photodiode sensors, to compare the two prototypes both at system and sensor level. Both the systems are able to extract reliable PPG signals to obtain satisfying HR and SpO2 values. Since the SPAD-based prototype needs more care to be correctly used and does not carry significant advantages with respect to the less power dissipating PD-based prototype, a compact, portable, standalone prototype in the photodiode version has been developed. This innovative instrument has been designed to be wrist-wearable, as a watch, to have an autonomy of at least eight hours and to feature an on-board data storage. The user can easily interface with the device through a LabVIEW Graphic User Interface (GUI).

Molte applicazioni di fotopletismografia hanno trovato sempre più spazio in ambito medico. Come prima cosa, sono state dunque commentate tali applicazioni della fotopletismografia in campo medico, approfondendo in particolare il significato dei parametri di variabilità del battito cardiaco (HRV) e di saturazione sanguigna (SpO2). Le informazioni di HR in genere vengono estratte con la misurazione dell'intervallo tra i picchi R di un segnale ECG, ma possono essere ricostruite anche con la misurazione degli intervalli picco-picco di un segnale PPG. Lo stato di ossigenazione del sangue di un paziente viene monitorato tramite il processamento dei dati PPG ottenuti con luce rossa e infrarossa. Questo lavoro di tesi si occupa in primo luogo dello studio e della validazione di un pulsossimetro basato su SPAD a tre lunghezze d'onda sviluppato presso lo SPADLab del Politecnico di Milano. Il progetto in cooperazione con “Fondazione Don gnocchi” e "IRCSS Istituto Auxologico Italiano" nasce per indagare i disturbi dovuti alle apnee notturne in pazienti affetti da questo problema, concentrandosi sulla possibilità di studiare il comportamento della terza lunghezza d'onda (lunghezza d'onda a 525 nm o a 810 nm) rispetto ai noti andamenti di rosso e IR, nel tentativo di correlare i fenomeni di vasocostrizione (o in generale della variazione della resistenza vascolare sistemica) ad eventi di apnea generici. Entrando nel dettaglio rispetto all’elettronica dello strumento, viene illustrata la parte hardware e software del sistema basato su SPAD e la caratterizzazione dettagliata del chip utilizzato. Di importanza fondamentale in questo progetto è stato lo sviluppo di un equivalente pulsossimetro a tre lunghezze d'onda basato sui più comuni sensori a fotodiodo, al fine di avviare un'analisi comparativa dei due strumenti sia a livello di sistema, sia a livello di sensore. È stato dimostrato che entrambi i sistemi sono in grado di estrarre segnali PPG affidabili e quindi di stimare correttamente gli andamenti di HRV e di SpO2. Poiché il prototipo a SPAD necessita di più accortezze per essere utilizzato correttamente e non comporta vantaggi significativi rispetto al prototipo a fotodiodi, si è proceduto con la realizzazione di un prototipo compatto e portatile basato su fotodiodi. Questo strumento innovativo è stato progettato per essere indossato al polso, come un orologio, per avere un'autonomia di almeno otto, salvando i dati in una memoria portatile, senza necessità di essere connesso ad un computer.