Acquisizione del Segnale Fotopletismografico per l’Integrazione Futura nella Socket: Studio di Fattibilità

Lower limb prostheses are commonly studied and used to improve the quality of life of amputees by restoring mobility. This task presents issues that can be addressed using the liner as an interface for volume changes management and protection of the skin of the residual limb from external factors. When the issues originate from pathologies that caused the amputation, such as diabetes, the residual limb requires a different type of care. The ability to continuously control parameters like heart rate (HR), oxygen saturation (SpO2), and pulse wave transit time (PWTT) would allow immediate intervention in case of worsening of the residual limb’s health conditions. The main challenge is the presence of the liner which cannot be sacrificed as it represents an essential device to ensure comfort and socket fit. The thesis aims to investigate the feasibility of integrating physiological sensors into the prosthetic socket without removing the liner, to collect the previously health parameters. Max 30101 (Seeed Studio, China), Polar Verity Sense (PVS) (Polar Electro, Finland), and BioPoint (BP) (Sifi Labs, Canada), were chosen as sensors for the three experimental setups of the study. The first experiment confirmed the ability of the Photoplethysmogram (PPG) signal to pass through liners of different colors, while the second experiment validated the BP sensor against the PVS considering heart rate collection and signal characteristics in frequency domain. The third experiment used the results of the previous two to determine the optimal position for the sensors on the lower and upper leg, and then it used a protocol involving 13 subjects (11 healthy, one trans-femoral and one trans-tibial amputees) to retrieve data to support the feasibility study. The lateral external leg position was the most reliable sensor location and based on this result, data collection was done considering sitting and standing conditions for healthy subjects and just sitting for the amputees. For each subject, recordings were taken both with and without the liner and analyzed using cross-correlation, Pearson coefficient, and similarity percentage. The results demonstrated that PPG signals collected from the leg are consistent with the one on the arm, which is considered a standard measurement site. Moreover, it can be observed that while the liner affects the signal, signal acquisition and data retrieval remain possible. In conclusion, the findings support the feasibility of a sensor-integrated socket for monitoring the residual limb while preserving the liner, which is essential for comfort.

Le protesi di arto inferiore sono comunemente studiate e utilizzate per migliorare la qualità della vita delle persone amputate ripristinandone la mobilità. Questo obiettivo presenta sfide comuni per tutti i soggetti e che generalmente possono essere affrontate utilizzando il liner come strato intermedio per la gestione e la protezione della gamba. Tuttavia, quando l’amputazione è stata causata da patologie come ad esempio il diabete, si presentano altre problematiche da tenere sotto controllo. In questo caso l'arto amputato richiede un tipo di cura diverso. La possibilità di monitorare parametri come la frequenza cardiaca, la saturazione di ossigeno e il tempo di transito in tempo reale, permetterebbe di intervenire immediatamente in caso di peggioramento delle condizioni di salute dell’arto. La sfida principale è rappresentata dal liner, che è preferibile non eliminare in quanto rappresenta un dispositivo essenziale per garantire il comfort dell'invaso. La tesi si propone di indagare la fattibilità dell'integrazione di sensori fisiologici all’interno dell’invaso senza rimuovere il liner, per raccogliere i parametri precedentemente menzionati. Lo studio è stato suddiviso in tre set-up sperimentali ed eseguito utilizzando tre sensori: Max 30101 (Seeed Studio, Cina), Polar Verity Sense (PVS) (Polar Electro, Finlandia) e BioPoint (BP) (Sifi Labs, Canada). Il primo esperimento ha valutato la capacità del segnale del fotopletismografico (PPG) di passare attraverso liner di diverso colore, mentre il secondo esperimento ha convalidato il sensore BP rispetto al PVS considerando la raccolta della frequenza cardiaca e le caratteristiche del segnale nel dominio della frequenza. Il terzo esperimento sfrutta i risultati dei due test precedenti per determinare la posizione ottimale dei sensori sulla parte inferiore e superiore della gamba. In seguito, utilizza un protocollo applicato su 13 soggetti tra cui 11 sani, un amputato trans-femorale e uno trans-tibiale, per ottenere i dati a supporto dello studio. La posizione laterale, ed esterna, della gamba è risultata la più affidabile per la lettura del segnale e, sulla base di questo risultato, la raccolta dei dati è stata effettuata. Per i soggetti sani sono state considerate le condizioni sia seduta che in piedi mentre solo seduta per i soggetti amputati. Per ogni partecipante allo studio, le registrazioni sono state effettuate sia con che senza il liner e analizzate utilizzando cross correlazione, coefficiente di Pearson e percentuale di somiglianza tra frequenza cardiaca calcolata. I risultati hanno dimostrato che i segnali PPG raccolti dalla gamba sono coerenti con quelli del braccio, considerato un sito di misurazione standard. Inoltre, si può osservare che, sebbene il liner influisca sul segnale, l'acquisizione di questo e il recupero dei dati rimangono possibili. In conclusione, i risultati supportano la fattibilità di un invaso integrato con sensori per il monitoraggio dell'arto residuo, preservando al contempo il liner, essenziale per il comfort.