Non-contact techniques for the measurement of physiological parameters in neonatal intensive care units

The main aim of this thesis is to design and develop novel measurement methods for the non-contact assessment of physiological quantities (oxygen saturation, heart rate, respiration rate and temperature) of importance in neonatal intensive care units (NICU). During the last decade, a growing interest on non-contact medical devices was testified by the literature; the reason is mainly due to the importance to eliminate the possible biological, chemical and electrical hazards always present when a medical device is used on a patient. This is particularly true on patients recovered in intensive care unit; especially if such patients are pre-born babies with low cardiac/respiration apparatus efficiency or reduced immunological defense systems. The work has been organized in order to explore and propose feasible solutions for the non-contact measurements of the following vital signs in pre-term patients: • Oxygen saturation (SaO2) • Heart rate (HR) • Respiration rate (RR) • Patient skin temperature (T) Oxygen saturation (SaO2) is typically affected by numerous fake values due to the non-optimal placement of the pulse oximeter or to movement artifacts. In chapter 4, a robust method for the rejection of the fake/erroneous values of SaO2 is described and implemented on 24 patient over 483 days period of time. More than 12% of erroneous data (equivalent to a 58 days period of time) have been individuated and rejected. Heart rate (HR) and respiration rate (RR) without any physical contact have been implemented on 8 patients maintained into thermal cribs or incubators. Data have been recorded, processed and compared with ECG and patient ventilator, showing an uncertainty of ± 43 ms and ± 150 ms. Finally a novel non-contact method for the measurement of the patient skin temperature (T) was designed and implemented for the use on NICU patients. An IR thermo-camera was used for determination of multi-point temperature determination with special attention on the indirect determination of thermogenesis and metabolic parameters of the patient. A specially devoted algorithm has been developed for the assessment and quantization of the patient parameters. The studied methods allow to perform the continuous and accurate measurement of important physiological parameters eliminating (a part from the pulse oxymeter) the contact between the patient and the medical devices and consequently reducing significantly the biological and electrical hazards risks which are particularly severe for NICU patients.

Lo scopo di questa tesi consiste nello sviluppo e nella costruzione di nuovi metodi di misura senza contatto per la valutazione di parametri fisiologici (saturazione del sangue, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria, e temperatura) molto importanti all’interno di un reparto di terapia intensiva neonatale (NICU). In questo ultimi anni, come dimostrato in letteratura, è aumentato l’ interesse sui dispositivi senza contatto. La principale motivazione è quella di eliminare i rischi biologici, chimici ed elettrici, che sono sempre presenti quando un dispositivo medicale viene applicato su un paziente. Ciò è particolarmente evidente in pazienti ricoverati in un’unità di terapia intensiva; specialmente se nati pre-termine e perciò con l’apparato cardiaco/respiratorio non ancora del tutto formato e con le difese immunologiche basse. Le tesi è stata organizzata per esplorare e proporre soluzioni fattibili per misure senza contatto di parametri fisiologici nei pazienti pre-termine, quali: • Saturazione del sangue (SaO2) • Frequenza Cardiaca (HR) • Frequenza Respiratoria (RR) • Temperatura superficiale del paziente (T) SaO2 è generalmente affetta da numerosi falsi positivi dovuti all’errato posizionamento del pulso ossimetro oppure agli artefatti da movimento. Nel capitolo 4 è descritto ed implementato un metodo consolidato per l’eliminazione di dati saturimetrici erronei, l’algoritmo è stato applicato a 24 pazienti con un’acquisizione di 483 giorni, di cui più del 12% (equivalente a 58 giorni) sono risultati falsi e quindi da scartare. L’HR e la RR sono state misurate senza contatto su 8 pazienti, senza che questi fossero spostati dalle isole neonatali o dalle incubatrici. I dati raccolti sono stati rielaborati e validati con ECG e ventilatori, mostrando un’accuratezza della misura di ± 43 ms e ± 150 ms. Infine è stato progettato un nuovo metodo senza contatto per la misura della temperatura superficiale di pazienti NICU. Lo strumento usato è una termo camera IR che ha permesso di ottenere mappature termiche del soggetto in modo da avere un riscontro indiretto della termogenesi e dei parametri metabolici del paziente. Inoltre è stato costruito un modello per valutare e quantizzare i parametri vitali del paziente. I metodi descritti, permettono misure molto accurate e continue di parametri vitali, eliminando il contatto paziente-dispositivo biomedicale (fatta eccezione del pulso ossimetro), diminuendo significativamente il rischio biologico, chimico ed elettrico ritenuti molto gravi in pazienti presenti in NICU.