Analysis of non-invasive SpO2 monitoring from smart eyewear photoplethysmography

Monitoring blood oxygen saturation (SpO2) is of crucial importance, as it is a key physiological parameter closely related to respiratory and cardiovascular health. Photoplethysmography (PPG) is a technique that enables the measurement of this parameter in a simple, non-invasive, and low-cost way. However, most commercially available pulse oximeters acquire PPG signals from the extremities of the body using clip-based sensors. This approach presents two main limitations: the sensor placement limits the subject’s mobility, making the system unsuitable for long-term and real-life monitoring, and the measurement reflects peripheral rather than central oxygenation. Some widely adopted wearable devices, such as smartwatches, overcome the first limitation by improving usability; however, they still rely on peripheral measurement sites and do not provide information on central oxygenation. This thesis addresses both the limitations by estimating SpO2 using a smart eyewear device, with the PPG sensor embedded on the nose pad. The feasibility of SpO2 estimation from the nasal site is demonstrated, and real-time embedded monitoring is implemented on the Microcontroller Unit (MCU) of the smart eyewear platform. Furthermore, a comparative study between this novel central anatomical site and more traditional peripheral locations, namely the finger and the wrist, is conducted to evaluate the potential of head-based SpO2 measurements. Both perfusion levels and SpO2 temporal dynamics at each site are analyzed, showing the superiority of the central nasal location. In particular, nasal PPG signals do not exhibit attenuation of the PPG signal under vasoconstrictive conditions and show a faster response to oxygen desaturation events. Finally, this work includes the development of a dedicated nasal PPG acquisition board, designed as a versatile platform to enable further exploration of this acquisition site and the recording of higher-quality PPG signals.

Il monitoraggio della saturazione di ossigeno (SpO2) è di fondamentale importanza, poiché rappresenta un parametro fisiologico chiave, strettamente correlato alla salute respiratoria e cardiovascolare. La fotopletismografia (PPG) è una tecnica che consente di misurare tale parametro in modo semplice, non invasivo ed economico. Tuttavia, la maggior parte dei pulsossimetri attualmente in commercio acquisisce i segnali PPG dalle estremità del corpo usando sensori a clip. Questo approccio presenta due limitazioni principali: il posizionamento del sensore limita la mobilità del soggetto, rendendo il sistema inadatto a monitoraggi a lungo termine e in condizioni di vita reale, e fornisce una stima del valore di ossigenazione periferico piuttosto che centrale. Alcuni dispositivi indossabili ampiamente diffusi, come gli smartwatches, superano la prima limitazione migliorando l'usabilità; tuttavia, si basano ancora su misurazioni periferiche e non forniscono informazioni sull'ossigenazione centrale. Questa tesi affronta tali limitazioni stimando il parametro SpO2 tramite un occhiale smart, che integra un sensore PPG posizionato all'interno del nasello. In particolare, si dimostra la fattibilità della stima della SpO2 a livello nasale e si implementa un algoritmo sul microcontrollore dell'occhiale per monitorarlo in tempo reale. Inoltre, viene presentato uno studio comparativo tra questo nuovo sito anatomico centrale e sedi periferiche più tradizionali, quali il dito e il polso, al fine di valutare il potenziale delle misure di SpO2 a livello della testa. Per ciascun sito vengono analizzati sia i livelli di perfusione sia la dinamica temporale della SpO2, evidenziando i vantaggi del sito nasale. In particolare, i segnali PPG acquisiti a livello nasale non mostrano attenuazione in condizioni di vasocostrizione e presentano una risposta più rapida agli eventi di desaturazione. Infine, questo lavoro include lo sviluppo di una piattaforma dedicata all’acquisizione di PPG dal naso, progettata come sistema versatile per consentire approfondimenti di questo sito anatomico e l’acquisizione di segnali di qualità superiore.