Development of a miniaturized head-mounted PPG sensor

In recent years, the rapid evolution of wearable health monitoring technologies has revolutionized the field of personal healthcare. Among these innovations, smart wearable devices with built-in Photoplethysmographic (PPG) sensors have emerged as innovative and cost-effective tools to measure multiple vital signs from different body parts in a non-obtrusive way. This work presents the development of a miniaturized Printed Circuit Board (PCB) able to acquire the PPG signal from the user’s head and designed to be connected to a main board that incorporates processing and communication components. The final system is integrated into a pair of eyeglasses and aims to provide continuous PPG monitoring together with other functionalities, such as real-time Heart Rate (HR) estimation and online Signal Quality (SQ) assessment. In the testing conditions, the system showed an autonomy of 9 hours and proved its capability to perform continuous multi-wavelength PPG measurements from the user’s nose. Preliminary measurements involving 4 subjects in controlled conditions were carried out to assess the HR estimation algorithm efficiency. Against a chest-worn Electrocardiography (ECG) sensor, the algorithm showed a maximum Mean Absolute Error (MAE) of 3 bpm at rest and of 12 bpm after a low-intensity physical exercise. The SQ assessment functionality tested on just one subject showed that the implemented algorithm can be confidently used in controlled settings to provide feedback regarding the PPG sensor’s optimal positioning or to calibrate the sensor’s parameters to the specific user. Although preliminary, the obtained results are promising and support the system’s usability. Further improvements could enhance the device’s performance, making it a valuable head-mounted device for continuous PPG monitoring.

Negli ultimi anni, il rapido incremento nello sviluppo dei dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute ha rivoluzionato il settore della cura della persona. Tra gli esempi più innovativi, emergono sicuramente i dispositivi indossabili con sensori fotopletismografici (PPG) in grado di misurare parametri fisiologici da diverse parti del corpo in maniera non invasiva. In questo lavoro è presentato lo sviluppo di un circuito stampato (PCB) miniaturizzato in grado di acquisire il segnale PPG a partire dalla testa. Il circuito è sviluppato in modo tale da essere connesso ad un ulteriore PCB, contenente un microcontrollore e dei moduli di comunicazione. Il sistema finale è montato su un paio di occhiali e ha come obiettivo ultimo quello di acquisire in maniera continuativa il segnale PPG. Il dispositivo, inoltre, implementa ulteriori funzionalità come la stima in tempo reale della frequenza cardiaca (HR) e il calcolo della qualità del segnale (SQ) acquisito. In fase di test, il sistema ha riportato un’autonomia di 9 ore, dimostrando di poter acquisire correttamente il segnale PPG con più lunghezze d’onda a partire dal naso. Per esaminare l’efficienza dell’algoritmo implementato per la stima dell’HR, sono state effettuate delle misure preliminari su 4 soggetti in condizioni controllate. I risultati ottenuti, confrontati con quelli acquisiti contemporaneamente con un sensore elettrocardiografico (ECG) a 3 derivazioni, mostrano un Errore Medio Assoluto (MAE) massimo di 3 bpm a riposo e 12 bpm dopo aver svolto attività fisica a bassa intensità. L’algoritmo per il calcolo della SQ, invece, è stato testato su un solo soggetto e ha dimostrato di poter essere utilizzato per fornire un riscontro rispetto al corretto posizionamento del sensore o per calibrare i parametri del sensore stesso in base all’utilizzatore. Nonostante si tratti di misurazioni preliminari, i risultati ottenuti finora sono promettenti. Ulteriori sviluppi potrebbero apportare maggiori miglioramenti al dispositivo, rendendolo un valido strumento per il monitoraggio continuo del segnale PPG dalla testa.