Development and characterization of an intra-oral device for continuous monitoring of cardiorespiratory parameters

This thesis work aims at the development, improvement, and characterization of an innovative already prototyped intra-oral wearable device for continuous measurement of cardiorespiratory parameters. The device, whose main components are an altimetric sensor, a photoplethysmographic sensor, and a Bluetooth Low Energy (BLE) antenna, was initially tested under various conditions before embarking on an experimental campaign for its characterization. An experimental protocol has been defined in which the subject, undergoing various breathing conditions, is monitored in an orthostatic position After collecting data from various experimental acquisitions, a robust and thorough processing has been performed to manage noise elimination and physiological signal cleaning. The device presents itself as an innovative solution for the direct measurement of respiratory rate. In addition to obtaining information on important cardiorespiratory parameters such as respiratory rate and apnea recognition, the relationship between ventilatory pressure and estimated ventilatory flow has been studied. This study has led to the definition of a characterization curve that relates these two quantities and to the development of a simple equivalent electrical model for estimating the values of naso-oral ventilatory resistances. The study of cardiac parameters such as heart rate and saturation has been significantly affected by issues related to the sensor used. Thanks to an improvement achieved in the quantity and quality of the obtained data, the measurements are satisfactory. However, an enhancement in the measurement of this data is still necessary. In conclusion, the characterization of the device represents an interesting starting point for further research in the respiratory field.

Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo lo sviluppo, il miglioramento e la caratterizzazione di un innovativo e già prototipato dispositivo indossabile intraorale per la misurazione continua di parametri cardiorespiratori. Il dispositivo, le cui componenti principali sono un sensore altimetrico, un sensore fotopletismografico e un’antenna Bluetooth Low Energy (BLE), è stato inizialmente testato in diverse condizioni prima di intraprendere una campagna sperimentale per la sua caratterizzazione. È stato definito un protocollo sperimentale in cui il soggetto, sottoposto a diverse condizioni di respirazione, viene monitorato in posizione ortostatica. Dopo la raccolta di dati dalle diverse acquisizioni sperimentali, è stata eseguita un’elaborazione robusta e approfondita per gestire l’eliminazione del rumore e la pulizia dei segnali fisiologici. Il dispositivo si propone come soluzione innovativa per la misura diretta della frequenza respiratoria. Oltre a ricavare informazioni su importnati parametri cardiorespiratori e sul riconoscimento della presenza di apnee, è stata studiata la relazione tra pressione ventilatoria e flusso ventilatorio stimato. Tale studio ha portato alla definizione di una curva di caratterizzazione che lega queste due grandezze e allo sviluppo di un semplice modello equivalente elettrico per la stima dei valori delle resistenze ventilatorie naso-orali. Lo studio di parametri come il battito cardiaco e la saturazione sanguigna ha risentito fortemente delle problematiche legate al sensore ottico utilizzato. Grazie ad un miglioramento ottenuto sulla quantità e la qualità dei dati ottenuti le misure risultano soddisfacenti. Un miglioramento nella lettura di questi dati è comunque necessario. In conclusione, la caratterizzazione del dispositivo rappresenta un interessante punto di partenza per nuovi studi nell’ambito respiratorio.