An Effective Photoplethysmography Heart Rate Estimation Framework Integrating Two-Level Denoising Method and Heart Rate Tracking Algorithm Guided by Finite State Machine

光容积图 降噪 计算机科学 噪音(视频) 算法 跟踪(教育) 信号(编程语言) 信噪比(成像) 信号处理 人工智能 有限状态机
作者
Jingbin Guo,Xiang Chen,Jiaqi Zhao,Xu Zhang,Xun Chen
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:26 (8): 3731-3742
标识
DOI:10.1109/jbhi.2022.3165071
摘要

In order to achieve accurate heart rate (HR) estimation in complex scenes, this paper presents an effective photoplethysmography (PPG) HR estimation framework integrating two-level denoising method and HR tracking algorithm guided by finite state machine (FSM). Aiming at solving the problems of low signal-to-noise ratio and co-frequency (the noise frequency is close to the HR frequency) caused by motion artifacts, the two-level denoising method consisting of the cascaded adaptive filtering and the differential denoising guided by FSM are designed to remove motion-related noises in PPG signals. In order to solve the problem of HR tracking error caused by poor wrist contact, the HR tracking algorithm guided by FSM is proposed to obtain the global optimization capability. The results of HR estimation experiments conducted on the IEEE Signal Processing Cup database and the WeData database created by ourselves show that the proposed framework can effectively cope with the problems of low signal-to-noise ratio and co-frequency. Even if tracking errors occur due to poor wristband contact, the proposed HR tracking algorithm guided by FSM can correct them in time when the HR component appears again. The average absolute error of HR estimation on the two databases are 1.76 BPM (beats per minute) and 2.77 BPM, respectively, which is more accurate compared to other algorithms.
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