Heart Rate Variability (HRV) measures the variation of the time between consecutive heartbeats and is a major indicator of physical and mental health. Recent research has demonstrated that photoplethysmography (PPG) sensors can be used to infer HRV. However, many prior studies had high errors because they only employed signal processing or machine learning (ML), or because they indirectly inferred HRV, or because there lacks large training datasets. Many prior studies may also require large ML models. The low accuracy and large model sizes limit their applications to small embedded devices and potential future use in healthcare. To address the above issues, we first collected a large dataset of PPG signals and HRV ground truth. With this dataset, we developed HRV models that combine signal processing and ML to directly infer HRV. Evaluation results show that our method had errors between 3.5% to 25.7% and outperformed signal-processing-only and ML-only methods. We also explored different ML models, which showed that Decision Trees and Multi-level Perceptrons have 13.0% and 9.1% errors on average with models at most hundreds of KB and inference time less than 1ms. Hence, they are more suitable for small embedded devices and potentially enable the future use of PPG-based HRV monitoring in healthcare.


翻译:心率变异性(HRV)衡量心跳之间时间变化的差异,是身体和精神健康的重要指标。近期的研究表明,光电测量(PPG)传感器可用于推断HRV。然而,因为先前的研究仅采用信号处理或机器学习(ML),或者因为它们间接推断HRV,又或者由于缺乏大型训练数据集,许多研究误差较高。此外,许多先前的研究可能需要大型ML模型。低精度和大模型大小限制了它们在小型嵌入式设备和潜在的医疗应用方面的应用。为了解决以上问题,我们首先收集了大型PPG信号和HRV基本事实数据集。利用该数据集,我们开发了结合信号处理和机器学习的HRV模型以直接推断HRV。评估结果表明,我们的方法的误差在3.5%至25.7%之间,优于仅采用信号处理或机器学习的方法。我们还探索了不同的机器学习模型,结果表明,决策树和多层感知器的平均误差分别为13.0%和9.1%,模型最多只需数百KB的空间,推断时间少于1毫秒。因此,它们更适合小型嵌入式设备,并有可能实现未来基于PPG的HRV监测在医疗行业中的使用。

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