Mittels remote Photoplethysmography (rPPG) ist es möglich, Vitalparameter wie die Herzrate mittels einer günstigen RGB - Kamera kontaktlos zu messen. In dieser Arbeit wird zunächst auf die grundlegenden biologischen und physikalischen Hintergründe, welche rPPG möglich machen, eingegangen. Anschließend werden einige Studien der letzten Jahre zusammengefasst. Dabei wird auf die mathematische Funktionsweise eines Algorithmus, welcher die relativen Pulsstärken in den einzelnen Farbkanälen, sowie Reflexionsrichtung des Hautgewebes ausnutzt, näher eingegangen. Die Farbwerte der Kamera werden über eine Region of Interest (ROI) gemittelt und zeitlich normalisiert.
In einer Performance-Analyse werden im Zuge von 8 Aufnahmen die Herzraten mittels rPPG über eine eingebaute Laptop-Webcam und mittels herkömmlichem Photoplethysmografie (PPG) über ein Fingerpulsoximeter verglichen. Bei ruhiger Sitzhaltung unmittelbar vor der Kamera erhält man Ergebnisse, die im besten Fall lediglich 0.6% und durchschnittlich 1% vom Referenzsignal abweichen. Für eine zweite Webcam, die getestet wird, versagt der Algorithmus. Der relativen Fehler beträgt 15.3% und 29%.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 2 Literaturrecherche
- 2.1 Medizinische Grundlagen
- 2.2 Aktuelle Methoden zur kamerabasierten Photoplethysmografie
- 3 Methoden
- 3.1 Signal-Extraktion
- 3.2 Ermittlung des Pulssignals
- 3.3 Ermittlung der Herzrate
- 4 Performance Analyse
- 4.1 Versuchsdurchführung
- 4.2 Ergebnisse und Diskussion
- 5 Fazit
- 6 Anhang
- 7 Abkürzungsverzeichnis
- Literaturverzeichnis
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der kontaktlosen Pulsmessung mittels kamerabasierter Photoplethysmografie (rPPG). Ziel ist die Implementierung und Performance-Analyse eines rPPG-Verfahrens zur Echtzeit- oder nahezu Echtzeit-Ermittlung der Herzfrequenz. Die Arbeit untersucht die zugrundeliegenden biologischen und physikalischen Prinzipien und bewertet die Genauigkeit des implementierten Algorithmus im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
- Biologische und physikalische Grundlagen der rPPG
- Analyse existierender Methoden zur kamerabasierten Photoplethysmografie
- Implementierung eines Algorithmus zur Extraktion des Pulssignals aus Videoaufnahmen
- Performance-Analyse des Algorithmus anhand von Vergleichsmessungen
- Bewertung des Potenzials von rPPG für Anwendungen in der Telemedizin und anderen Bereichen
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung führt in das Thema der berührungslosen Pulsmessung mittels rPPG ein. Sie beschreibt die Vorteile dieser Methode gegenüber traditionellen PPG-Verfahren, wie z.B. die Kosteneffizienz und die Möglichkeit der Anwendung in der Telemedizin und bei Situationen, in denen Hautkontakt unerwünscht ist. Die Arbeit skizziert den Aufbau und die Ziele der vorliegenden Untersuchung: Implementierung eines rPPG-Verfahrens, Ermittlung der Herzfrequenz aus Webcam-Videosignalen und eine Genauigkeitsprüfung durch Vergleichsmessungen. Die Einleitung legt den Fokus auf die Notwendigkeit und das Potential dieser Technologie.
2 Literaturrecherche: Dieses Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über den aktuellen Forschungsstand der rPPG. Es werden sowohl die medizinischen Grundlagen der Photoplethysmografie als auch verschiedene existierende Methoden zur kamerabasierten Erfassung des Pulses detailliert erläutert. Die Darstellung aktueller Studien liefert den wissenschaftlichen Kontext für die eigene Implementierung und ermöglicht einen Vergleich der gewählten Methodik mit dem Stand der Technik. Der Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung der theoretischen und methodischen Ansätze zur Extraktion von Pulsinformationen aus Bilddaten.
3 Methoden: Dieses Kapitel beschreibt detailliert die implementierten Methoden zur Signalextraktion, Pulssignalbestimmung und Herfrequenzbestimmung. Es wird auf die einzelnen Schritte des Algorithmus eingegangen, angefangen von der Definition einer Region of Interest (ROI) bis hin zur Projektion des normalisierten Signals auf eine Ebene, um Bewegungsartefakte zu reduzieren und pulsatilen Informationen zu maximieren. Die Beschreibung der verwendeten Algorithmen und Methoden ist präzise und erlaubt eine Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse.
4 Performance Analyse: Das Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Performance-Analyse des implementierten rPPG-Verfahrens. Es werden die Versuchsdurchführung und die erzielten Ergebnisse im Detail beschrieben und anhand von konkreten Daten die Genauigkeit des Systems bewertet. Die Ergebnisse werden mit Referenzwerten aus herkömmlichen Messmethoden verglichen, wobei die Abweichungen quantifiziert und diskutiert werden. Der Vergleich verschiedener Webcams verdeutlicht die Einflüsse von Hardware-Komponenten auf die Messgenauigkeit.
Schlüsselwörter
Photoplethysmografie (PPG), Remote Photoplethysmography (rPPG), kontaktlose Pulsmessung, Herzfrequenz, Kamerabasierte Vitalparametermessung, Algorithmenentwicklung, Signalverarbeitung, Performance-Analyse, Bewegungsartefakte, Telemedizin.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Bachelorarbeit: Kontaktlose Pulsmessung mittels kamerabasierter Photoplethysmografie (rPPG)
Was ist das Thema dieser Bachelorarbeit?
Die Bachelorarbeit befasst sich mit der kontaktlosen Pulsmessung mittels kamerabasierter Photoplethysmografie (rPPG). Das Hauptziel ist die Implementierung und Performance-Analyse eines rPPG-Verfahrens zur Echtzeit- oder nahezu Echtzeit-Ermittlung der Herzfrequenz.
Welche Methoden wurden in der Arbeit verwendet?
Die Arbeit beschreibt detailliert die implementierten Methoden zur Signalextraktion, Pulssignalbestimmung und Herfrequenzbestimmung. Dies umfasst die Definition einer Region of Interest (ROI), die Projektion des normalisierten Signals auf eine Ebene zur Reduktion von Bewegungsartefakten und die Maximierung pulsatiler Informationen. Die verwendeten Algorithmen werden präzise erläutert.
Welche Ergebnisse wurden erzielt?
Das Kapitel "Performance Analyse" präsentiert die Ergebnisse der Genauigkeitsprüfung des implementierten rPPG-Verfahrens. Die Versuchsdurchführung und die erzielten Ergebnisse werden detailliert beschrieben und anhand konkreter Daten die Genauigkeit bewertet. Ein Vergleich mit herkömmlichen Messmethoden und verschiedenen Webcams verdeutlicht die Einflüsse von Hardware-Komponenten auf die Messgenauigkeit.
Welche Vorteile bietet die kontaktlose Pulsmessung mittels rPPG?
Die Einleitung hebt die Vorteile der rPPG gegenüber traditionellen PPG-Verfahren hervor, wie z.B. die Kosteneffizienz und die Möglichkeit der Anwendung in der Telemedizin und bei Situationen, in denen Hautkontakt unerwünscht ist.
Welche Themenschwerpunkte werden in der Arbeit behandelt?
Die Arbeit untersucht die biologischen und physikalischen Grundlagen der rPPG, analysiert existierende Methoden, implementiert einen Algorithmus zur Pulssignalextraktion aus Videoaufnahmen, analysiert dessen Performance anhand von Vergleichsmessungen und bewertet das Potential von rPPG für Anwendungen in der Telemedizin und anderen Bereichen.
Wie ist die Arbeit strukturiert?
Die Arbeit gliedert sich in eine Einleitung, eine Literaturrecherche (mit medizinischen Grundlagen und aktuellen rPPG-Methoden), ein Methodenkapitel (Signal-Extraktion, Pulssignal- und Herzfrequenzbestimmung), eine Performance-Analyse (Versuchsdurchführung und Ergebnisse), ein Fazit, einen Anhang, ein Abkürzungsverzeichnis und ein Literaturverzeichnis.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Photoplethysmografie (PPG), Remote Photoplethysmography (rPPG), kontaktlose Pulsmessung, Herzfrequenz, Kamerabasierte Vitalparametermessung, Algorithmenentwicklung, Signalverarbeitung, Performance-Analyse, Bewegungsartefakte, Telemedizin.
Wo finde ich detaillierte Informationen zu den einzelnen Kapiteln?
Die Zusammenfassung der Kapitel bietet einen Überblick über den Inhalt der einzelnen Abschnitte der Bachelorarbeit. Diese Zusammenfassung beschreibt die Inhalte von Einleitung, Literaturrecherche, Methoden, Performance Analyse und Fazit im Detail.
- Arbeit zitieren
- Gabriel Obwegeser (Autor:in), 2019, Berührungslose Pulsmessung mit Kamera-basierter Photoplethysmografie. Theorie und Performance-Analyse, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/590487
