Non-contact measurement of heart rate using a camera

Abstract

Measurements of heart rate without contact can be of much importance when the possibilities of skin contact for different reasons are limited, or for monitoring at distance over time. This is an emerging area in our time, and the idea to construct a working system to demonstrate the technique was therefore born. The work has been performed at the Department of Biomedical Engineering at LTH.

The main question to answer during the project was whether or not it was possible to construct a real-time working system to perform contact-less measurements of heart rate using a camera. The specifications held on the hardware as well as the developed software and surroundings of the possible measurements have been examined.

Limitations have been made that the subject being under measurement can not move his or her head faced away from the camera. An invariant light intensity in the room has also been assumed, which limits the environments and circumstances under which measurements may be performed.

The results showed the significance of light conditions in the room when performing measurements, as well as of adequate signal processing algorithms to reduce noise and verify the correct heart rate. After tests performed on 9 different subjects in varying environments a mean deviation from the reference of approximately half a beat per minute was obtained. Further tests must be performed in order to conclude what causes this deviation and how it may be solved.

The presented results show that with further testing of different algorithms and environmental factors the proposed technique may be of great importance in measurements of heart rate in the future.

Popular Abstract (Swedish)

Framtidens metod för pulsmätning utan direktkontakt

Med hjälp av en ny metod att mäta puls, kan pulsen detekteras enklare och bättre på flera sätt. Metoden som presenteras i detta arbete använder en kamera för att i realtid kunna mäta patientens puls på avstånd. Detta leder till att patienten kan röra sig mer fritt under mätningarna. Det underlättar även för långtidsövervakning samt ger ett mer korrekt resultat än många av de metoder som används idag.

Behov för kontaktlös pulsmätning
Det har visats att i u-länder är teknisk utrustning såsom smarttelefoner, kameror och datorer, bland det första som köpes när pengar finns. Det finns även ett ökat intresse att förflytta sjukvården från sjukhusen och till hemmen i i-länder. Allt för att göra vardagen enklare och smidigare.

Genom att utnyttja den spridda tekniken som finns kan korrekta pulsmätningar utföras via distans. Det skulle exempelvis kunna utvecklas till att användas via sjukvårdstjänster online. I detta projekt har en uppkommande metod att utföra pulsmätningar presenterats och utvärderats. Det handlar om att små färgskiftningar i ansiktet som beror på hjärtfrekvensen detekteras av en vanlig webkamera. Det har visats att pulsmätningarna endast skiljer sig med ca ett halvt slag i minuten från den sanna pulsen. Med denna korrekthet kan metoden med fördel därför användas i sjukvården som ett tillförlitligt och bra alternativ i många fall. Metoden förväntas exempelvis kunna lösa problem som finns idag med att övervaka områden med hudskador, samt att mäta på flera ställen samtidigt utan att kompromissa patientens mobilitet.

Mäta puls med hjälp av kamera
En enkel webkamera har använts, och genom att systemet hittar ansiktet och följer det kan mätningar i realtid utföras där patienten befinner sig. Så länge patienten inte riktar ansiktet bort från kameran kan systemet följa ansiktets rörelser. Det enda som krävs är tillgång till kamera och en enhet som kan köra systemet. Mätningar utförs därefter i ett förutbestämt område av ansiktet som i de flesta fall motsvaras av pannan. På grund av att ljus dämpas olika mycket i olika volymer av blod i de underliggande vävnaderna, kan skillnader i den reflekterade ljusintensiteten avläsas. Dessa intensitetsskillnader ger information om blodflödet i området. Genom att detektera när området är fyllt av mycket respektive lite blod, kan en spegling av hjärtfrekvensen utläsas. Pulsen kan därmed beräknas och presenteras till användaren via en applikation som ska vara enkel att använda och tyda.

Framtidsutsikter
Metoden har testats med goda resultat på 9 personer av olika kön, etniciteter och åldrar. Det har även synts tydliga resultat hos såväl personer med mycket smink och personer som rökt under lång tid, vilket skulle kunna förväntas ha gett sämre kvalitet och upplösning. Systemets upplösning är 1 slag i minuten, och den förväntade medelavvikelsen från den korrekta hjärtfrekvensen ligger mellan 0.05 och 0.89 slag i minuten. Det innebär med andra ord att systemet i dagslägen presenterar ett puls-värde som maximalt är ett halvt slag i minuten fel. Detta är en mycket liten skillnad, som i de flesta fall inte har någon påverkan på utfallet. Med ytterligare tester och förbättringar av systemet beräknas denna skillnad kunna elimineras helt. Vi ser därför stora potentialer för denna teknik, som vi tror kommer synas mycket inom sjukvården inom de närmsta åren.

• author: Berggren, Jenny and Berggren, Albin
• supervisor: Frida Sandberg
• organization: Department of Biomedical Engineering
• course: BMEM01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• language: English
• additional info: 2019-02
• id: 8972235
• date added to LUP: 2019-03-05 11:02:01
• date last changed: 2019-03-05 11:02:01