Videophotoplethysmographie im Gesicht zur Messung der durchschnittlichen und augenblicklichen Herzfrequenz

KI-gestützte Herzfrequenzüberwachung wird noch genauer

Die Herzfrequenz ist eine der grundlegendsten Gesundheitsmetriken, die zur kardiovaskulären Beurteilung, Stressüberwachung und Krankheitserkennung verwendet wird. Herkömmliche Methoden wie EKG und Pulsoximeter erfordern direkten Hautkontakt und spezielle medizinische Geräte. Die Videophotoplethysmografie (vPPG) bietet jedoch eine neue Methode — die kontaktlose, kamerabasierte Herzfrequenzüberwachung mit nur einem Smartphone oder Laptop.

Eine neue Studie hat das vPPG von Shen validiert und dabei eine Genauigkeit nachgewiesen, die mit Messungen medizinischer Geräte vergleichbar ist, und bewiesen, dass es sich um ein zuverlässiges und leicht zugängliches Instrument für die Herzfrequenzmessung in Echtzeit handelt.

Wichtige Erkenntnisse

• Shens vPPG-Sendungen Genauigkeit vergleichbar mit EKG. Videobasierte Herzfrequenzmessungen weisen einen durchschnittlichen Fehler von nur 0,1 Schlägen pro Minute auf, wobei der Korrelationskoeffizient über 0,99 liegt und den EKG-basierten Messwerten entspricht.
• Es funktioniert für kürzere Messungen ebenso. Die Technologie behielt eine hohe Präzision für eine durchschnittliche Herzfrequenz von 60 Sekunden sowie für Perioden von 10 Sekunden oder 4 Sekunden bei, wobei in 94,5 bis 100% der Fälle ein Fehler von weniger als 1 Schläge pro Minute zu verzeichnen war.
• Angebote zur KI-Gesundheitsüberwachung breitere Zugänglichkeit. Da keine spezielle Hardware erforderlich ist, ermöglicht Shen AI ein genaues Gesundheits-Tracking in Echtzeit für jeden, mit nur einem Smartphone oder Laptop.

Einführung in die Forschung

Im Folgenden finden Sie einen Auszug aus dem Artikel „Videophotoplethysmographie im Gesicht zur Messung der durchschnittlichen und augenblicklichen Herzfrequenz: eine Pilotvalidierungsstudie“.

Die Herzfrequenz (HR) oder Pulsfrequenz ist eines der Vitalparameter, die bei medizinischen Untersuchungen zur grundlegenden Beurteilung des Zustands des Herz-Kreislauf-Systems verwendet werden. Die Herzfrequenz im Ruhezustand kann helfen, verschiedene Krankheiten zu erkennen und die kardiovaskuläre Mortalität sowie die Gesamtmortalität vorherzusagen. Insbesondere eine Studie der britischen Biobank mit über 500.000 Personen, die über einen Zeitraum von bis zu 12 Jahren beobachtet wurden, zeigte, dass ein Anstieg der Herzfrequenz im Ruhezustand um 10 Schläge pro Minute mit einem um 22 bzw. 19% höheren Risiko für die Gesamtsterblichkeit bei Männern und Frauen einherging. Eine Metaanalyse mit über 1,2 Millionen Personen, die über einen Zeitraum von bis zu 40 Jahren beobachtet wurden, zeigte, dass eine höhere Herzfrequenz im Ruhezustand unabhängig von den herkömmlichen kardiovaskulären Risikofaktoren mit einer erhöhten kardiovaskulären Mortalität und einer erhöhten Gesamtmortalität einherging. Darüber hinaus wurde auch gezeigt, dass ein Anstieg der Herzfrequenz im Ruhezustand im Laufe der Zeit mit einer höheren Gesamtmortalität einhergeht, wobei das Sterberisiko mit jedem Anstieg um 10 Schläge pro Minute über einen Zeitraum von sechs Jahren um 33% zunahm. Daher ist eine regelmäßige Personalbeurteilung ein wichtiger Bestandteil der Prävention. Die Herzfrequenz spiegelt auch die Reaktion des Körpers auf Stress, Emotionen, Bewegung oder andere Reize wider und kann daher zur Selbstkontrolle sowohl im Gesundheits- als auch im Wellnesskontext verwendet werden. Es kann auch zur Überwachung des kardiologischen Rehabilitationsprozesses sowie zur Überwachung des Erschöpfungs- und Erholungsprozesses von Sportlern verwendet werden, um Übertraining zu verhindern und die Trainingseffektivität zu optimieren. Darüber hinaus kann es zur Überwachung des physiologischen Zustands von Fahrern oder zur Überwachung der Interaktionen zwischen Mensch und Computer verwendet werden.

Die Photoplethysmographie (PPG), eine optische Technik zur Erkennung von Blutpulsationen im Hautgefäßsystem, wird häufig zur Messung oder kontinuierlichen Überwachung der Herzfrequenz und anderer Vitalfunktionen mit speziellen Sonden/Clips verwendet, die typischerweise an einem Finger oder Ohrläppchen befestigt werden. PPG-Sensoren werden auch zunehmend in eine Vielzahl von tragbaren Geräten wie Smartwatches oder Armbändern integriert. Die beiden Haupteinschränkungen klassischer PPG-gestützter Messungen sind: 1) die Notwendigkeit eines speziellen Geräts wie eines Pulsoximeters oder eines tragbaren Geräts mit PPG-Technologie, was natürlich die Verfügbarkeit solcher Messungen einschränkt, und 2) die Notwendigkeit des Hautkontakts, was bei Selbstmessungen mit dem eigenen Gerät normalerweise nicht so wichtig ist, aber in Gesundheitseinrichtungen oder bei Messungen, die von einer anderen Person oder einer anderen Person durchgeführt werden, wichtiger sein kann anderes Gerät, besonders im Falle einer Epidemie.

Die Antwort auf die oben genannten Einschränkungen könnte videobasiertes PPG (vPPG) sein, d. h. eine ferngesteuerte PPG-Technik, auch bekannt als ferngesteuerte oder bildgebende Photoplethysmografie, bei der mithilfe digitaler Videobilder der Haut winzige Veränderungen der Hautfarbe erkannt werden, die durch Blutpulsationen in oberflächlichen Blutgefäßen und die daraus resultierende Veränderung der Blutabsorption von auf die Haut einfallendem Licht (hauptsächlich durch Hämoglobin) verursacht werden. Solche vPPG-Messungen könnten mit speziellen Lichtquellen (z. B. LEDs mit bestimmten Wellenlängen) und einer Computersoftware zur Analyse von Videobildern von professionellen Digitalkameras durchgeführt werden.

Solche Messungen können jedoch auch unter Verwendung von weißem Umgebungslicht (natürlich oder künstlich) als Lichtquelle zur Beleuchtung der Haut, einer in ein Smartphone integrierten Kamera als Bildsensor und der Rechenleistung des Smartphones zur Analyse von Videobildern mithilfe einer mobilen App durchgeführt werden, wodurch diese Technologie für die meisten Smartphone-Benutzer zugänglich ist, ohne dass ein anderes Gerät erforderlich ist und ohne Hautkontakt erforderlich ist. Die Möglichkeit, vPPG zur berührungslosen Überwachung der Herzfrequenz und anderer Vitalparameter zu verwenden, hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt, einschließlich der Möglichkeit der Fernmessung von Vitalparametern in telemedizinischen Anwendungen für die Patiententriage
Zwecke oder zur Überwachung von Fahrern.

In dieser Studie untersuchten wir die von MX Labs (Tallinn, Estland) entwickelte vPPG-Technologie namens Shen.AI Vitals. Diese Technologie verwendet Algorithmen zur Gesichtserkennung und -verfolgung, um während einer 1-minütigen Videoaufnahme vPPG-Signale aus verschiedenen Bereichen der Gesichtshaut zu empfangen. Anschließend werden verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen verwendet, um die Informationen aus diesen Signalen (in den roten, grünen und blauen Kanälen) zu analysieren und zu kombinieren, um die Herzfrequenz sowie andere physiologische Parameter abzuschätzen. Insbesondere werden zwei Arten von HR-Werten bereitgestellt: Nach der Messung wird die über die gesamte Minute gemittelte Herzfrequenz bereitgestellt, wohingegen während der Messung (alle 1 Sekunde) Durchschnittswerte aus kürzeren Zeiträumen bereitgestellt werden, d. h. die durchschnittliche Herzfrequenz der letzten 10 Sekunden (Standard) oder der letzten 4 Sekunden (optional).

Ziel unserer Studie war es, die Genauigkeit und Präzision von HR-Messungen zu bewerten, die mit der getesteten vPPG-Technologie und einer Smartphone-Kamera durchgeführt wurden, indem sie mit Referenzwerten verglichen wurden, die aus einem gleichzeitig aufgezeichneten Elektrokardiogramm (EKG) stammen.