Rilevazione fotopletismografica a distanza con calcolo di parametri vitali = Remote photoplethysmography detection and vital parameters calculation

La misurazione della frequenza cardiaca è il metodo più semplice e antico, risalente già al Medioevo, per valutare direttamente la funzionalità cardiaca e diagnosticare alcune eventuali malattie sia fisiche che psichiche. Nel corso della storia sono stati impiegati metodi sempre più complessi per darne una lettura accurata. Tra questi si annoverano la rudimentale ma efficace misurazione manuale del polso arterioso; l’auscultazione attraverso la parete toracica, utilizzando uno stetoscopio; le più precise registrazioni dell’attività elettrica cardiaca tra cui, a partire dagli inizi del ventesimo secolo, figura il noto Elettrocardiogramma; e infine le innovative tecniche ottiche come la fotopletismografia, basate sulla variazione di luce trasmessa e riflessa dai tessuti. Il progetto proposto si pone come obiettivo quello di andare ad espandere il repertorio dei metodi di misurazione della frequenza cardiaca utilizzando una tecnica ottica a distanza detta fotopletismografia remota (rPPG). Tale tecnica permetterebbe la misura di questo parametro di fondamentale importanza clinica senza l’utilizzo di sensori, elettrodi o macchinari a contatto con il soggetto. Il sistema sviluppato si basa su una camera monocromatica global-shutter di STMicroelectronics, con filtro ottico nell’infrarosso. Il soggetto è inquadrato dal sensore e illuminato da LED infrarossi a 940nm. Dalle immagini acquisite è possibile calcolare il segnale rPPG come variazione del colore della pelle nel tempo, essendo questo dovuto alla variazione di volume sanguigno nel letto microvascolare del tessuto, sincronizzato al ciclo cardiaco. Da ogni acquisizione si sono ottenuti i segnali rPPG dalla fronte e dalle due guance, sfruttando l’algoritmo MTCNN per il rilevamento del volto. Il segnale ottenuto è fortemente soggetto a rumore dovuto alla strumentazione, alle condizioni di illuminazione ed al movimento del soggetto. Al fine di ottenere una forma d’onda con morfologia adatta all’applicazione si sono sviluppati tre metodi per la compensazione del rumore: selezione della miglior combinazione di segnali, analisi delle componenti principali a fase nulla (ZCA) e interpolazione dei picchi outlier. La frequenza cardiaca è quindi stata calcolata come numero di picchi riconosciuti sul segnale rPPG al minuto. La morfologia ed il valore di frequenza calcolati sono stati validati confrontandoli con il segnale proveniente dal sensore MORFEA 3 di STMicroelectronics. Si è anche voluta utilizzare una rete neurale progettata da un precedente lavoro di tesi, che permette di utilizzare il segnale fotopletismografico estratto ad un’unica lunghezza d’onda per il calcolo della SpO2. I risultati ottenuti vedono il segnale rPPG discostarsi dal gold standard di pochi punti percentuali, con un RMSE ed un errore percentuale medio al di sotto del 10% sui segnali usati per la validazione. A causa di problemi tecnici legati all’hardware non è invece stato possibile estrarre valori di SpO2 attendibili. È quindi possibile concludere che il sistema sviluppato consente di ottenere un valore di frequenza cardiaca coerente, nonostante il setup difficile e le condizioni di rumore elevato. Il segnale, tuttavia, non è ancora utilizzabile a fini diagnostici, è necessario effettuare una validazione migliore includendo una popolazione più varia e contenente anche soggetti patologici. Tra gli sviluppi futuri è possibile includere l’utilizzo del segnale rPPG migliorato per l’estrazione di altri parametri vitali quali la saturazione di ossigeno.