Methods and models to validate a novel photoplethysmography-based instrument for continuously monitoring heart rate variability, blood oxygen saturation, and blood pressure

Photoplethysmography (PPG) is an optical technique that combines simplicity, low costs, and the comfort of being non-invasive for the subject, with the validity and reliability of the medical information that can be extracted. This work is part of a project in collaboration with “Fondazione Don gnocchi” e “IRCSS Istituto Auxologico Italiano”, that aims at filling a gap that emerged during a literature review of this topic regarding a thorough comparison between PPG modalities, wavelengths, and processing methods, by assessing which combination of features is best to build a reliable wearable device for continuous monitoring of three cardiovascular parameters: Heart Rate Variability (HRV), blood oxygen saturation (SpO2), and Blood Pressure (BP). A novel multi-wavelength PPG wearable device was designed ad-hoc by another student to be worn on the finger, in order to perform different comparison studies. The obtained results suggest that PPG can be used as a surrogate of ECG in the analysis of HRV and that the measurement can be optimized by using red or infrared wavelengths in transmission mode with the intersection of tangents as the fiducial point found on the waveform. Also for SpO2 the best modality results to be the transmission one, and two different methods for computing it have been compared. Lastly, this study confirms the feasibility of using the Pulse Arrival Time (PAT) to estimate BP, resulting in acceptable errors of less than 5 mmHg when the IR or red wavelengths are used in transmission mode, and processed by an inverse quadratic model of the BP-PAT relationship. These analyses end up with promising results and several open questions that need to be addressed by further research.

La fotopletismografia (PPG) è una tecnica ottica che unisce semplicità, costi contenuti e la comodità di non essere invasiva per il soggetto, con la validità e l’affidabilità delle informazioni mediche che possono essere estratte. Questo lavoro fa parte di un progetto in collaborazione con “Fondazione Don gnocchi” e “IRCSS Istituto Auxologico Italiano” che nasce per sviluppare uno strumento capace di monitorare in modo continuo i parametri vitali. In questo studio si mira a colmare alcune lacune emerse durante una revisione della letteratura su questo argomento, riguardante un confronto approfondito tra modalità di acquisizione, lunghezze d’onda e metodi di elaborazione del segnale, valutando quale sia la migliore per costruire un dispositivo indossabile affidabile per il monitoraggio continuo di tre parametri cardiovascolari: variabilità della frequenza cardiaca (HRV), saturazione di ossigeno nel sangue (SpO2) e pressione sanguigna (BP). Un nuovo dispositivo PPG indossabile (chiamato EMOS) è stato progettato ad hoc per essere indossato sul dito e per utilizzare contemporaneamente diverse lunghezze d’onda, permettendo di eseguire diversi confronti. Questo lavoro suggerisce che il PPG può sostituire l’ECG nell’analisi dell’HRV e definisce che il modo migliore per farlo è utilizzare il dispositivo in trasmissione e l’intersezione delle tangenti come punto di repere sull’onda PPG. Anche per la SpO2 la modalità migliore risulta essere quella in trasmissione, e sono stati messi a confronto due diversi metodi per calcolarla. Infine, questo studio conferma la possibilità di usare il Pulse Arrival Time (PAT) per stimare la pressione arteriosa, commettendo errori inferiori alla soglia di accettazione di 5 mmHg usando il PPG in trasmissione e un modello quadratico inverso per stimare la relazione tra pressione sanguigna e PAT. Queste analisi si concludono con risultati promettenti, ma lasciano diverse questioni aperte che dovranno essere oggetto di ulteriori ricerche.