Dynamic optimization of the optical acquisition chain for real-time enhancement of photoplethysmographic signal quality

Negli ultimi anni le tecnologie indossabili sono diventate strumenti quasi indispensabili della vita quotidiana. Lo sviluppo di dispositivi come smartwatches e smart rings ha reso possibile agli utenti accedere facilmente a informazioni sui propri parametri vitali. Oltre al fitness e all’utilizzo personale, queste tecnologie stanno assumendo un ruolo sempre più rilevante anche nel settore dell’healthcare. Ciò grazie alla capacità di garantire un monitoraggio costante durante la vita quotidiana, grazie al basso costo, alla semplicità progettuale e d’uso e all’integrazione di algoritmi di elaborazione dei parametri vitali in tempo reale. Tra le tecniche più diffuse nei dispositivi indossabili vi è la fotopletismografia, che, tramite una sorgente luminosa e un fotodiodo, consente di stimare in maniera non invasiva e a basso costo parametri clinici come la frequenza cardiaca, la saturazione dell’ossigeno e la pressione arteriosa. Nonostante il crescente sviluppo, la tecnica PPG e, più in generale, la sensoristica indossabile trovano ancora un’applicazione clinica limitata, se confrontati con i corrispondenti dispositivi ospedalieri convenzionali. Questo è dovuto principalmente alla minore affidabilità del segnale biologico acquisito, la cui qualità risulta fortemente sensibile alla presenza di artefatti, in particolare quelli da movimento. Per questo motivo, la ricerca si concentra non solo sullo sviluppo di algoritmi per la riduzione del rumore e la valutazione della qualità del segnale, ma anche su strategie di adattamento dinamico della catena d’acquisizione del sensore in funzione della qualità rilevata. Questa tesi si colloca in questo ambito di ricerca. É stato sviluppato e implementato sul dispositivo VSM01 di STMicroelectronics un algoritmo di condizionamento in tempo reale della catena d’acquisizione del canale ottico, guidato dalla qualità del segnale PPG acquisito. L'algoritmo è strutturato su due livelli principali: un loop esterno che si occupa di prevenire la saturazione del convertitore analogico-digitale; un loop interno che esegue la segmentazione del segnale, valuta la qualità dei periodi estratti, e adatta i parametri hardware della catena d’acquisizione in funzione dei risultati ottenuti. L’algoritmo è stato successivamente implementato nel microcontrollore integrato nel VSM01, con l’obiettivo di ridurre sia i costi computazionali legati alla trasmissione dei dati e sia la latenza dell’elaborazione. I risultati sperimentali hanno dimostrato la capacità del sistema di adattarsi alle diverse condizioni di acquisizione e di migliorare la qualità del segnale. Questo lavoro apre la strada allo sviluppo di sistemi di condizionamento sempre più avanzati e robusti, in grado di aumentare l’affidabilità della misura e colmare il divario tra i dispositivi indossabili e quelli ospedalieri.