Design and development of a novel smart and wearable multispectral photoplethysmograph for blood pressure, blood oxygen saturation and heart rate measurement

Photoplethysmography (PPG) is an optical technique that allows to measure the reflected or transmitted light through a tissue. By taking advantage of this significant finding, it is possible to monitor some vital parameters, such as heart rate and blood oxygen saturation, simply by placing a probe, containing LEDs and photodiodes, on a finger. Moreover, further studies of this principle show that it is feasible to estimate the blood pressure from PPG signals. In this thesis, all these parameters are calculated exploiting the PPG waveforms acquired on the finger. The goal of this thesis is to realize a multi-wavelength PPG wearable device able to perform a real-time processing in order to obtain all the parameters mentioned above. The thesis covers every step of this elaborate research, starting from the hardware design (of the PPG in a compact smartwatch) and the firmware implementation, to end up with the mechanical design and the smartphone App development (to interact with the device via Bluetooth Low Energy). The obtained results show that heart rate and blood oxygen saturation are reliably processed through the implemented firmware while the blood pressure is estimated with a maximum error of 15 mmHg.

La fotopletismografia (PPG) è una tecnica ottica che consente di misurare la luce riflessa o trasmessa attraverso un tessuto. Sfruttando questo importante principio, è possibile monitorare una serie di parametri vitali, tra cui la frequenza cardiaca e la saturazione sanguigna, semplicemente posizionando una sonda contenente LED e fotodiodi su un dito. Inoltre, studiando ulteriormente questo principio, è stato dimostrato che è possibile stimare la pressione sanguigna dai segnali PPG. L’obiettivo di questa tesi è quello di realizzare un dispositivo indossabile a più lunghezze d’onda in grado di effettuare un’elaborazione in tempo reale dei segnali PPG acquisiti al dito, per ottenere tutti i parametri sopra citati. La tesi tratta ogni fase di questa ricerca in modo approfondito, a partire dalla progettazione hardware (del PPG in uno smartwatch compatto) e dall’implementazione del firmware, per finire con la progettazione meccanica e lo sviluppo dell’App per smartphone (interagendo con il dispositivo via BLE). I risultati ottenuti mostrano che la frequenza cardiaca e la saturazione sanguigna vengono elaborate in modo affidabile mentre la pressione sanguigna viene stimata con un errore massimo di 15 mmHg.