Multi-sensor system for activity and health parameters monitoring from smart eyewear

This thesis investigates the feasibility, limitations, and system-level requirements of physiological sensing from head-mounted wearable devices, with a specific focus on smart eyewear as a platform for multimodal monitoring. The work addresses whether unconventional anatomical sites, such as the nasal and temporal regions, can provide reliable cardiovascular, respiratory, and motion-related information under both controlled and dynamic conditions. To this end, three generations of research prototypes were developed, progressing from proof-of-concept architectures to a fully miniaturized eyewear-integrated system. The final platform combines three-wavelength Photoplethysmography (PPG), Electrocardiography (ECG), Inertial Measurement Unit (IMU), barometric pressure sensing, and magnetometry within the constrained geometry of an eyewear frame, supported by dedicated embedded firmware enabling real-time acquisition, Direct Memory Access (DMA)-based data handling, on-device signal processing, and wireless streaming. A systematic experimental program was conducted across static, dynamic, and free-living protocols to characterize signal quality, motion sensitivity, and physiological information content. Nasal PPG emerged as a high-perfusion and mechanically stable site, supporting accurate Heart Rate (HR) estimation, signal-quality assessment, and feasibility studies on Respiratory Rate (RR) and Blood Oxygen Saturation (SpO2) trend monitoring. Temporal ECG enabled Pulse Arrival Time (PAT) estimation during controlled motion, highlighting anatomical and behavioral constraints relevant to electrode placement and future design. Motion-induced degradation of PPG signals was quantitatively analyzed, leading to the development and real-time implementation of a motion-aware artifact mitigation framework on the embedded platform. In parallel, the thesis explored indirect Blood Pressure (BP) assessment through complementary approaches, including PAT, Pulse Wave Analysis (PWA) from nasal PPG morphology, and an exploratory investigation of non-contact optical sensing based on laser speckle contrast imaging. Results demonstrate that wearable-compatible configurations can preserve hemodynamically relevant dynamics, supporting the potential integration of contact and non-contact modalities. Overall, this work provides quantitative evidence on the strengths and limitations of head-mounted physiological sensing, contributes multimodal datasets acquired under realistic conditions, and establishes smart eyewear as a viable platform for unobtrusive, multimodal health monitoring. The findings further outline future directions in ultra-low-power operation, multimodal sensor fusion, adaptive signal processing, and miniature optical sensing for next-generation wearable systems.

Questa tesi analizza la fattibilità, le limitazioni e i requisiti a livello di sistema del monitoraggio fisiologico mediante dispositivi indossabili posizionati sulla testa, con particolare attenzione agli occhiali intelligenti come piattaforma per l'acquisizione multimodale di segnali fisiologici. Il lavoro affronta la questione se siti anatomici non convenzionali, quali le regioni nasali e temporali, possano fornire informazioni affidabili di natura cardiovascolare, respiratoria e legata al movimento, sia in condizioni controllate sia dinamiche. A tal fine, sono state sviluppate tre generazioni di prototipi di ricerca, evolvendo da architetture proof-of-concept a un sistema completamente miniaturizzato e integrato nella montatura di un occhiale. La piattaforma finale combina fotopletismografia a tre lunghezze d'onda (PPG), elettrocardiografia (ECG), unità di misura inerziale (IMU), sensori barometrici e magnetici all'interno di una geometria fortemente vincolata, supportata da firmware embedded dedicato per l'acquisizione in tempo reale, la gestione dei dati tramite accesso diretto alla memoria (DMA), l'elaborazione a bordo dispositivo e la trasmissione wireless. È stato condotto un programma sperimentale sistematico, comprendente protocolli statici, dinamici e di vita quotidiana, volto a caratterizzare la qualità del segnale, la sensibilità al movimento e il contenuto informativo fisiologico. Il PPG nasale è emerso come un sito ad alta perfusione e meccanicamente stabile, in grado di supportare una stima accurata della frequenza cardiaca (HR), la valutazione della qualità del segnale e studi di fattibilità sulla stima della frequenza respiratoria (RR) e sul monitoraggio di trend della saturazione periferica di ossigeno (SpO2). L'ECG temporale ha consentito il calcolo del tempo di arrivo dell'onda di polso (PAT) in condizioni di movimento controllato, mettendo in evidenza vincoli anatomici e comportamentali rilevanti per il futuro design degli elettrodi. La degradazione dei segnali PPG indotta dal movimento è stata analizzata quantitativamente, portando allo sviluppo e all'implementazione in tempo reale su microcontrollore di un framework di mitigazione degli artefatti sensibile al movimento. Parallelamente, la tesi ha esplorato la stima indiretta della pressione arteriosa (BP) attraverso approcci complementari, includendo il calcolo della PAT, l'analisi della forma dell'onda di polso (PWA) a partire dalla morfologia del PPG nasale e uno studio esplorativo di sensing ottico non a contatto basato sull'imaging di speckle laser. I risultati mostrano che configurazioni compatibili con dispositivi indossabili sono in grado di preservare dinamiche emodinamiche rilevanti, supportando l'integrazione futura di modalità di misura a contatto e non a contatto. Nel complesso, questo lavoro fornisce evidenze quantitative sui punti di forza e sulle limitazioni del monitoraggio fisiologico basato su sensori posizionati sulla testa, contribuisce con dataset multimodali acquisiti in condizioni realistiche e dimostra la validità degli occhiali intelligenti come piattaforma per un monitoraggio sanitario multimodale, continuo e poco invasivo. I risultati delineano inoltre direzioni future di ricerca nell'acquisizione a bassissimo consumo energetico, nella fusione multimodale dei sensori, nell'elaborazione adattiva dei segnali e nello sviluppo di tecniche ottiche miniaturizzate per sistemi indossabili di nuova generazione.