Study of pulse arrival time from smart eyewear for cuffless blood pressure estimation

Blood pressure (BP) monitoring plays a crucial role in cardiovascular risk assessment and management. Conventional non-invasive cuff-based devices, although widely used in clinical practice, are unsuitable for simple, quick and frequent measurements throughout the day. For this reason, increasing research efforts are directed toward cuffless BP estimation strategies based on wearable technologies. Among the proposed approaches, time-related cardiovascular parameters such as Pulse Arrival Time (PAT), derived from the combination of electrocardiographic (ECG) and photoplethysmographic (PPG) signals, have emerged as promising surrogate markers for BP estimation. This thesis, developed at the SmartEyewearLab (SEL) in collaboration with EssilorLuxottica, explores the feasibility of acquiring PAT for BP estimation using a custom smart eyewear platform capable of recording ECG and PPG signals from the head. A dedicated experimental protocol was designed to induce controlled hemodynamic variations through physical exercise, allowing for a direct comparison between eyewear-derived measurements and a medical-grade reference device. The results demonstrate the feasibility of extracting high-quality physiological signals from the head region and show a moderate and physiologically coherent association between head-level PAT and systolic BP dynamics (distance correlation = 0.61, Pearson r = −0.63, Spearman ρ = −0.53). Then, this thesis addresses the challenge of reliably extracting fiducial points from headlevel ECG signals for real-time PAT computation. A dedicated head-ECG R-peak detection algorithm was developed, systematically evaluated offline, and implemented on a microcontroller. Integrated with a pre-existing PPG fiducial point detection system, the algorithm enables real-time, on-board PAT estimation directly on the smart eyewear. Finally, this work includes the design of a custom research Printed Circuit Board (PCB) featuring a dedicated optoelectronic layout with optimized Light Emitting Diode (LED) and photodiode (PD) positioning for nose PPG acquisition, along with a custom driver enabling microsecond-level synchronization between ECG and PPG signals.

Il monitoraggio della pressione arteriosa (BP) gioca un ruolo cruciale nella valutazione e gestione del rischio cardiovascolare. I dispositivi non invasivi basati sul bracciale, sebbene ampiamente utilizzati in clinica, non sono adatti per misurazioni semplici, veloci e frequenti durante il giorno. Per questo motivo, crescono gli sforzi verso strategie di stima della BP senza bracciale basate su tecnologie indossabili. Tra gli approcci proposti, parametri cardiovascolari legati al tempo come il Pulse Arrival Time (PAT), derivati dalla combinazione di segnali elettrocardiografici (ECG) e fotopletismografici (PPG), sono emersi come promettenti surrogati per la stima della BP. Questa tesi, sviluppata allo SmartEyewearLab (SEL) in collaborazione con EssilorLuxottica, esplora la fattibilità di acquisire il PAT per la stima della BP utilizzando un occhiale in grado di registrare segnali ECG e PPG dalla testa. È stato progettato un protocollo sperimentale per indurre variazioni emodinamiche controllate tramite esercizio fisico, permettendo un confronto diretto tra le misurazioni dagli occhiali e un dispositivo di riferimento medico. I risultati dimostrano la fattibilità di estrarre segnali fisiologici di alta qualità dalla testa e mostrano un’associazione moderata e coerente tra PAT a livello della testa e pressione arteriosa sistolica (Distance correlation = 0.61, Pearson r = −0.63, Spearman ρ = −0.53). Inoltre, la tesi affronta la sfida di estrarre i punti fiduciali dai segnali ECG della testa per il calcolo in tempo reale del PAT. È stato sviluppato un algoritmo di rilevamento del picco R dell’ECG, valutato offline e implementato su microcontrollore. Integrato con il sistema di rilevamento dei punti PPG, l’algoritmo consente la stima in tempo reale del PAT a bordo dell’occhiale. Infine, il lavoro include la progettazione di una scheda elettronica di ricerca (PCB) con layout ottimizzato per LED e fotodiodo (PD) per l’acquisizione del PPG nasale, e un driver che consente la sincronizzazione tra segnali ECG e PPG a livello di microsecondi.