A New Framework for Robust Heart Rate Measurement Based on the Head Motion State Estimation

计算机科学 人工智能 计算机视觉 运动估计 运动(物理) 估计 方向(向量空间) 卡尔曼滤波器 运动分析 国家(计算机科学) 模式识别(心理学) 算法
作者
JongSong Ryu,SunChol Hong,Shili Liang,SinIl Pak,Qingyue Chen,Shifeng Yan
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:25 (9): 3428-3437
标识
DOI:10.1109/jbhi.2021.3083917
摘要

It is of great significance in managing human health, preventing and curing diseases such as heart disease to measure and monitor the physiological parameters accurately and robustly. However, imaging photoplethysmography (iPPG) can be easily affected by the ambient illumination variations or the subject's motions. In this paper, therefore, a novel framework of heart rate (HR) measurement robust to both illumination and motion artefacts is proposed, which combines the projection-plane-switching-based iPPG method (2PS) with the singular spectrum analysis (SSA). Based on the estimation of the head motion state, one reasonable projection plane is firstly determined, the temporally normalized red-green-blue signals are projected onto the plane and a pulse signal is obtained by alpha-tuning. After that, singular spectrum analysis (SSA) is applied to the obtained pulse signal and the normalized B-channel signal of the facial region of interest (ROI) to remove the artefacts remained in the pulse signal. For the self-collected database and the public PURE database, Bland-Altman plots show that the proposed 2PS-SSA has better agreement than the five compared methods, where the mean biases are 0.59 beat per minute (bpm) and 0.034 bpm, with 95% limits from −2.59 bpm to 3.78 bpm and from -1.97 bpm to 2.04 bpm, respectively.

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