Quantitative validation of videoPPG technique during autonomic and emotional elicitations

Videophotoplethysmography is a technique that allows measuring the variation in skin perfusion by detecting slight changes in skin color through a camera. This technology could represent an alternative to classic contact photoplethysmography in situations where contact with skin is not practical or possible. This work aims to validate vPPG as a technique to extract heart variability parameters during autonomic and emotional stimulations. Two independent experimental protocols were designed and implemented. The autonomic stimulation protocol included common exercises to elicit an autonomic nervous system response. The emotional stimulation protocol involved the presentation of stimuli in the form of brief videos to induce an emotional response, which can be measured through physiological signals. A video of the hand’s palm and the PPG signal were recorded during each experiment, with the latter serving as the gold standard. The workflow to obtain the vPPG signal consists of several steps. Region-of-interest detection and tracking were implemented with a fully automatic skin detection method. Signal extraction and processing involved different steps to correct artifacts introduced by the recording devices. The pulse-to-pulse series and the pulse rate variability descriptors were extracted from the PPG and vPPG signals. The skin detection algorithm was validated with a dataset of manually segmented hand images acquired in two different recording conditions. Its performance was evaluated with the Dice similarity coefficient and was compared to a similar skin detection algorithm. The algorithm proposed in this thesis performed better in both recording conditions. The PP series and PRV features extracted from vPPG were compared to those from PPG in terms of correlation and with the Bland-Altman analysis. The overall correlation and agreement were high in the autonomic protocol, while they were lower in the emotional one. Finally, statistical tests were performed to verify the effect of the experimental phases on the considered PRV parameters. The results indicated significant differences among the phases of the autonomic protocol while no differences were identified between emotional stimulations.

La videofotopletismografia è una tecnica che permette di misurare le variazioni di perfusione della pelle rilevandone piccoli cambiamenti di colore tramite una videocamera. Le possibili applicazioni di questa tecnologia sono in quei contesti in cui il contatto con la pelle è problematico o impossibile. Lo scopo di questa tesi è validare l’uso della vPPG per l’estrazione di parametri di variabilità della frequenza cardiaca (heart rate variability) in seguito a stimolazioni del sistema nervoso autonomo. Due protocolli sperimentali per la stimolazione autonomica ed emozionale sono stati implementati. Nel primo la stimolazione consiste in delle attività specifiche, mentre nel secondo è rappresentata dall’induzione di stati emotivi per mezzo di brevi video. Il segnale PPG, che rappresenta il gold standard, e un video del palmo della mano sono stati registrati durante entrambi gli esperimenti. Diversi passaggi sono necessari per ottenere il segnale vPPG. L’identificazione della ROI è stata implementata mediante un algoritmo di riconoscimento della pelle completamente automatico. L’elaborazione del segnale ha richiesto ulteriori passaggi per la correzione degli artefatti introdotti dai dispositivi di registrazione. Le serie degli intervalli PP e i corrispondenti parametri di pulse rate variability sono stati estratti dai segnali vPPG e PPG. L’algoritmo di identificazione della pelle è stato quindi validato con un dataset di immagini di mani acquisite in due diverse condizioni ambientali e segmentate manualmente. Le prestazioni dell’algoritmo sono state valutate con il Dice similarity coefficient e confrontate con quelle di un metodo simile. L’algoritmo proposto in questa tesi ha mostrato migliori prestazioni in entrambe le condizioni di acquisizione. Le serie PP e i parametri di PRV ottenuti da PPG e vPPG sono stati comparati tramite coefficienti di correlazione e con l’analisi di Bland-Altman. La correlazione e l’agreement sono risultati più alti nel protocollo autonomico che in quello emozionale. Infine, l’effetto delle varie fasi degli esperimenti sulle variabili di PRV è stato confrontato tramite test statistici. Differenze significative sono state riscontrate tra le fasi del protocollo autonomico ma non tra le diverse stimolazioni emotive.