Remote sensing of arterial pressure waveform and heartbeat

The non-invasive measurement of arterial pressure and heartbeat is crucial for the diagnosis and monitoring of cardiac conditions. In this thesis, we explore the application of the self-mixing interferometer (SMI) as an innovative technique for detecting the arterial pressure waveform, measuring it, and detecting heartbeat. The SMI utilizes the feedback of laser light within an optical cavity to detect variations in distance or velocity, thus enabling the detection of arterial pressure and of its waveform through the little displacements of the superficial part of human epidermis, caused by cardiac pulsation. This thesis aims to investigate the feasibility of using SMI in arterial pressure measurement and other cardiac related parameters, examining both existing literature and experimental tests conducted in the laboratory, in which we will try to do measurements without having a direct contact with the human skin. The functioning of the various interferometers’ configuration is described, illustrating their setup and measurement methods. Subsequently, the experimental results will be presented, and finally, the implications of the results and prospects for the future development and application of SMI in non-invasive cardiac parameters measurement will be discussed.

La misurazione non invasiva della pressione arteriosa e del battito cardiaco è cruciale per la diagnosi e il monitoraggio delle condizioni cardiache. In questa tesi, esploriamo l'applicazione dell'interferometro self-mixing (ISM) come una tecnica innovativa per la misurazione della pressione arteriosa, la rilevazione della sua forma d’onda e del battito cardiaco. L'ISM sfrutta la retroazione della luce laser all'interno di una cavità ottica per rilevare variazioni di distanza o velocità, consentendo così la misurazione della pressione arteriosa e il rilevamento della sua forma d’onda attraverso i piccoli spostamenti della parte superficiale dell’epidermide umana, causati dalla pulsazione cardiaca. La presente tesi si propone di investigare la fattibilità dell’utilizzo dell'ISM nella misurazione della pressione arteriosa e di altri parametri vitali, esaminando sia la letteratura ad oggi esistente che delle prove sperimentali effettuate in laboratorio, nelle quali proveremo a effettuare delle misurazioni a distanza, ovvero senza contatto diretto con la pelle umana. Sarà descritto il funzionamento dei vari tipi di interferometri, illustrando i loro setup e le modalità di misurazione. Successivamente, verranno presentati i risultati sperimentali ottenuti, ed infine, saranno discusse le implicazioni di quest’ ultimi e le prospettive di sviluppo future.