Measurement of physiological parameters in the human body by non-contact technique: Laser Doppler Vibrometry

The measurements of physiological and vital signals without contact is a relevant research issue in modern biomedical instrumentation. Contact methods presently used to measure physiological parameters sometimes can be inconvenient or inadequate for patient comfort or to detect signals from particular body regions and the presence of cables is a limit for the patient mobility. For these reasons, the Laser Doppler Vibrometry (LDV) technique was introduced to acquire signals associated with biological activity in the human body, to avoid the contact with the skin and to make the tests easiest. This dissertation is focused on the novel use of LDV to measure cardiovascular and muscular activity to evaluate health and emotional state of participants. In fact, in daily and clinical practice is fundamental the assessment of vital and emotional signals and the LDV technique has the capability to measure the vibrational movements of the skin surface without contact, with a high sensitivity of acquisition and at a distance of several meters. In this work, the possibility to use LDV to measure the heart rate, with a deviation of ± 9 ms from the conventional gold standard method (electrocardiography) and other cardiovascular parameters assessed from the carotid artery are measured with LDV, will be explored and demonstrated. Finally, LDV is used to measure muscle contraction properties from the big and small muscles (facial muscles) with a high accuracy in confront of the gold standard method (surface electromyography). Using the non-contact LDV technique might provide surrogate measures for those obtained using conventional, more obtrusive assessment methods that require attached sensors and so, measurements of cardiovascular and muscular parameters without contact can improve tests as investigations, safety controls, clinical controls, rehabilitation programs.

La misura senza contatto di segnali fisiologici e vitali ѐ uno dei fattori di maggior rilievo per la strumentazione biomedicale di nuova generazione. I metodi di misura con contatto di parametri fisiologici presentano dei limiti come l’invasività con la pelle, l’impossibilità di poter applicare gli elettrodi in particolari regioni corporee o in parti del corpo ristrette ed ѐ necessaria la collaborazione del soggetto. Per queste ragioni la Vibrometria Laser Doppler (LDV) ѐ stata introdotta per acquisire segnali associati all’attività biologica del corpo umano, per eliminare il contatto con la pelle e per rendere le prove più semplici. Questa tesi di dottorato si focalizza sull’utilizzo dell’LDV per la misura dell’attività cardiovascolare e muscolare in quanto sono parametri che permettono una valutazione dello stato di salute ed emozionale del soggetto sotto esame. Infatti, nella pratica clinica e giornaliera ѐ fondamentale la valutazione dei segnali vitali ed emozionali e la tecnologia LDV ha la capacità di misurare i movimenti vibrazionali della superficie corporea senza contatto, con una elevata sensibilità di acquisizione e ad una distanza notevole. Questo lavoro ha lo scopo di esplorare e dimostrare le capacità della Vibrometria Laser Doppler nel misurare la frequenza cardiaca con una incertezza di ± 9 ms rispetto alla tecnica convenzionale (elettrocardiografia) ed altri parametri cardiovascolari puntando il fascio laser sulla carotide. Infine, LDV viene usato anche per la misura delle proprietà di contrazione muscolare dei grandi e piccoli muscoli (muscoli facciali) con una accuratezza elevata sempre in confronto alla tecnica considerata gold standard (elettromiografia di superficie). La tecnica LDV, senza contatto, può dunque sostituire le tecnologie convenzionali, più invasive che richiedono l’applicazione di sensori sulla pelle del paziente e in questo modo si possono ottenere misurazioni di parametri cardiovascolari e muscolari completamente senza contatto andando a migliorare la qualità delle prove come interrogatori, controlli di sicurezza, controlli clinici e programmi di riabilitazione.