Wearable solutions for environmental and physiological monitoring: enabling personalized air pollution exposure estimation

This thesis presents contributions from seven research papers—six al ready published and one under review—aimed at advancing the state-of the-art in air pollution research and individual-level environmental expo sure assessment. The work focuses on the development, validation, and application of wearable technologies for monitoring both environmental and physiological parameters. Acentral aspect of this research involved designing a wearable environ mental monitor capable of providing high spatial and temporal resolution data. This device was tested in various contexts, including controlled in door and outdoor environments. Additionally, a pre-existing Body Sensor Network (BSN) consisting of three IMUs and a pulse oximeter was vali dated for detecting heart rate, respiratory rate, and amplitude in static conditions. Integrating the environmental monitor into the BSN enables the estimation of the personal air pollution exposure (PAPE), also known as the inhaled dose, by combining pollutant concentration with minute ventilation, which is estimated based on physiological measurements from wearable devices. The thesis also explores the feasibility of hybrid configurations, com bining custom wearable sensors with commercial devices to broaden ap plicability. Insights obtained from user interviews revealed the potential of wear able devices for environmental monitoring to improve public understand ing of air pollution dynamics, while highlighting concerns related to us ability and psychological impacts. Further contributions include the development of a wearable device for non-invasive transcutaneous CO2 (PtCO2) monitoring, which serves as an additional tool for tracking a physiological parameter affected by pollutant exposure. Validated during a re-breathing maneuver protocol, this device demonstrated technical feasibility and performance compara ble to gold-standard systems in controlled settings, despite some limita tions. Ongoing efforts focus on refining the device and integrating it into the BSN for comprehensive environmental and physiological monitoring. In this context, integrating the CO2 sensor into the BSN is valuable, as indoor CO2 levels correlate with blood CO2 concentrations, allowing the BSN to collect relevant data on this relationship. The findings emphasize the transformative potential of wearable tech nology in both research and public health, supporting real-time environ mental monitoring, personal decision-making, and epidemiological stud ies. Future developments aim to enable real-life applicability, foster user engagement, and explore the collective sharing of environmental data to enhance community-level behavior.

Questa tesi presenta i contributi di sette articoli di ricerca—sei già pubblicati e uno in fase di revisione—volti a far progredire lo stato dell’arte nella ricerca sull’inquinamento atmosferico e nella valutazione dell'esposizione ambientale a livello individuale. Il lavoro si concentra sullo sviluppo, la validazione e l’applicazione di tecnologie indossabili per il monitoraggio di parametri ambientali e fisiologici. Un aspetto centrale di questa ricerca è stato la progettazione di un monitor ambientale indossabile in grado di fornire dati ad alta risoluzione spaziale e temporale. Questo dispositivo è stato testato in diversi contesti, tra cui ambienti controllati sia interni che esterni. Inoltre, è stata validata una rete di sensori corporei preesistente (Body Sensor Network, BSN) composta da tre unità inerziali (IMU) e un pulsossimetro, per la rilevazione della frequenza cardiaca, della frequenza respiratoria e dell’ampiezza respiratoria in condizioni statiche. L’integrazione del monitor ambientale nella BSN consente di stimare l’esposizione personale all’inquinamento atmosferico (Personal Air Pollution Exposure, PAPE), nota anche come dose inalata, combinando la concentrazione di inquinanti con la ventilazione minuto, stimata attraverso misurazioni fisiologiche ottenute dai dispositivi indossabili. La tesi esplora inoltre la fattibilità di configurazioni ibride, combinando sensori indossabili personalizzati con dispositivi commerciali per ampliarne l’applicabilità. Le informazioni ottenute dalle interviste agli utenti hanno evidenziato il potenziale dei dispositivi indossabili per il monitoraggio ambientale nel migliorare la comprensione pubblica delle dinamiche dell'inquinamento atmosferico, pur sollevando preoccupazioni legate all’usabilità e agli impatti psicologici. Ulteriori contributi includono lo sviluppo di un dispositivo indossabile per il monitoraggio non invasivo della CO₂ transcutanea (PtCO₂), che rappresenta uno strumento aggiuntivo per tracciare un parametro fisiologico influenzato dall'esposizione agli inquinanti. Validato durante un protocollo di manovra di re-breathing, questo dispositivo ha dimostrato fattibilità tecnica e prestazioni comparabili ai sistemi di riferimento in ambienti controllati, sebbene con alcune limitazioni. Attualmente, sono in corso miglioramenti del dispositivo e la sua integrazione nella BSN per un monitoraggio ambientale e fisiologico più completo. In questo contesto, l’integrazione del sensore di CO₂ nella BSN risulta particolarmente utile, poiché i livelli di CO₂ indoor sono correlati con le concentrazioni di CO₂ nel sangue, permettendo così alla BSN di raccogliere dati significativi su questa relazione. I risultati sottolineano il potenziale trasformativo della tecnologia indossabile sia nella ricerca che nella salute pubblica, supportando il monitoraggio ambientale in tempo reale, il processo decisionale personale e gli studi epidemiologici. Gli sviluppi futuri mirano a rendere queste tecnologie applicabili nella vita reale, a favorire il coinvolgimento degli utenti e a esplorare la condivisione collettiva dei dati ambientali per promuovere comportamenti virtuosi a livello comunitario.