Evaluating Impact of Temperature Stimulus on Signal Quality from a Wearable Pulse Optical Sensor

Autor

Jessica de Souza

Orientador

Prof. Roberto de Matos

Coorientador

Prof. Sidhant Gupta

Curso

Engenharia de Telecomunicações

Resumo

Os oxímetros de pulso (PPGs) são amplamente utilizados para monitoramento de saúde pessoal e hospitalar. É uma forma não invasiva de contar os batimentos cardíacos e os níveis de saturação de oxigênio no sangue. No entanto, existem algumas questões relacionadas ao tom de pele e movimentos do corpo do paciente durante a medição, causando imprecisão nas medições. Neste trabalho, detalhamos o desenvolvimento de um oxímetro de pulso com controle de temperatura e estimulação térmica na pele, buscando melhorar a qualidade do sinal. Realizamos um estudo de usuário com 13 participantes, com o objetivo de testar a precisão do protótipo proposto e a capacidade de regulação da temperatura. O trabalho visa entender o efeito da estimulação térmica no topo do punho do participante, e sua relação com a amplitude do sinal dos PPGs. O estudo comparou dois protocolos diferentes: quente-normal-frio e frio-normal-quente; onde normal = 33 °C, frio = 15 °C e quente = 42 °C. Os resultados nos ajudou a entender como o aquecimento da pele antes e durante a aquisição do sinal de PPG pode aumentar o valor de pico a pico do sinal em pelo menos 2,5 vezes, para todos os tipos de tons de pele na escala de Fitzpatrick. Também descobrimos que essa técnica melhora a confiabilidade do sinal em dispositivos PPGs vestíveis, ao invés de adicionar processamento de dados em software, permitindo a produção de dispositivos mais acessíveis e com maior precisão.

Palavras chave

Sensor óptico. Termosensor. Fotopletismógrafo.

Abstract

Pulse oximeters (PPGs) are widely used for personal and hospital health monitoring. It is a non-invasive way of counting heartbeats and blood oxygen saturation levels. However, there are some issues regarding the patient’s skin tone and body movements during the measurement, causing inaccurate information. In this work, we detail the development of a temperature-controlled pulse oximeter with thermal skin stimulation, striving to improve signal quality. We performed a user study with 13 subjects, aiming to test the accuracy of the proposed prototype and the capacity of temperature regulation. We wanted to understand the effect of thermal stimulation at the top of the wrist and its relationship with the signal amplitude of PPGs. The study compared two different protocols: warm-normal-cold and cold-normal-warm; where normal=33 °C, cold=15 °C, and warm=42 °C. The results help us to understand how warming the skin before and during PPG signal acquisition can increase the signal peak-to-peak value by at least 2.5 times, to all types in the Fitzpatrick skin tone scale. We also found that this technique improves signal reliability in wearable PPGs instead of adding software data processing, allowing the production of affordable devices with improved accuracy.

Keywords

Optical sensing. Thermocouple. Photoplethysmograph.

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