В России разработали новый метод измерения пульса, способный повлиять на будущее телемедицины

В отделе перспективных исследований компании «Криптонит» (входит в «ИКС Холдинг») разработали новый метод измерения пульса по видеозаписи. Он имеет большой потенциал не только в медицине и спорте, но и для повышения общественной безопасности. Разработка может применяться для фонового мониторинга работы сердечно-сосудистой системы там, где обычные пульсовые датчики мешают или стесняют движения. Также бесконтактное считывание пульса в общественных местах поможет выявить лица с признаками инфекционного заболевания или сильного волнения.

Существуют разные методы бесконтактного измерения пульса под общим названием дистанционная фотоплетизмография (ДФПГ, rPPG). В её основе лежит регистрация едва заметных изменений цвета кожи при увеличении объёма кровеносных сосудов после каждого сокращения левого желудочка сердца (систолы). Существующие системы ДФПГ достаточно надёжны только в идеальных условиях. Если же человек использует макияж, частично закрывает лицо, движется, или в кадре меняется освещённость, то частота его сердечных сокращений определяется неверно. Поэтому пока ДФПГ не получила широкого распространения.

Специалисты компании «Криптонит» разработали новый метод дистанционной фотоплетизмографии, более устойчивый к искажениям. Также он не требует дорогого оборудования и может использоваться в реальных условиях, не ограничивая свободу действий человека. В настоящий момент предложенная технология работает только с уже завершёнными видеозаписями, но в перспективе её можно адаптировать к наблюдениям в реальном времени.

Более надёжная и дешёвая ДФПГ может применяться в системах дистанционного контроля физического и эмоционального состояния космонавтов, капитанов дальнего плавания, машинистов, водителей, участников арктических экспедиций, работников буровых платформ и других людей, работающих в условиях изоляции.

Кроме того, её можно будет применять для скрининга в аэропортах, вокзалах, школах и других общественных местах. Например, она позволит выявлять людей с учащённым сердцебиением и направлять их для прохождения дополнительного досмотра.

Результаты исследования опубликованы в научной статье «A Robust Remote Photoplethysmography Method». Статья доступна бесплатно через электронный архив Корнельского университета.

Технические подробности

В отделе перспективных исследований компании «Криптонит» предложили использовать для ДФПГ цветовое пространство CIELAB вместо привычного RGB, в котором светимость выделена в отдельный канал. Это позволило отсечь артефакты, связанные с изменением освещения в кадре или поворотами головы.

Алгоритм отслеживания лица был реализован с помощью нейронной сети MediaPipe, который разделяет лицо на несколько наблюдаемых зон. Были выбраны наименее искажаемые участки лица. Поэтому наличие очков или бороды практически не влияет на точность измерений пульса.

Сигналы от этих зон обрабатываются преобразованием Фурье для получения спектрограмм. Разработчики написали итерационный алгоритм на основе функции обратного распространения градиентов, который выделяет на спектрограмме те гармоники, которые соответствуют частоте пульса. Таким образом строится кривая частоты сердечных сокращений испытуемого.

Контрольные измерения частоты сердечных сокращений проводились с помощью кардиомонитора на базе Arduino с использованием отражательной фотоплетизмографии. Данный прибор был собран специалистами компании «Криптонит» и проверен с помощью фабричного пульсоксиметра с функцией записи графика пульса.

Точность измерений была проверена в эксперименте, в котором приняли участие 19 добровольцев: 8 мужчин и 11 женщин в возрасте от 20 до 50 лет.

В эксперименте использовалась недорогая веб-камера Logitech 720p, из которой был удалён инфракрасный (ИК) фильтр. Это было сделано для того, чтобы исключить влияние макияжа на измерения, так как излучение в ближнем ИК диапазоне лучше проникает через него. Измерение пульса выполнялось по видеозаписям длиной до пяти минут.

За исключением краевых артефактов (начало и конец записи) итоговая кривая хорошо повторяет контрольную кривую сердечных сокращений, параллельно регистрируемую кардиомонитором.