Analiza dokładności czujnika optycznego do wyznaczania tętna w różnych warunkach oświetlenia

W niniejszej pracy zbadano dokładność czujników optycznych do pomiaru tętna pod
wpływem różnych warunków zewnętrznych. Podczas każdego pomiaru tętna wykorzystano
3 różne czujniki optyczne. Dane zebrane z pulsoksymetru zostały uznane za punkt
odniesienia dla danych z czujnika Amped i czujnika wbudowanego w smartfon Samsung
Galaxy S7. Został zbadany wpływ następujących czynników: siła nacisku między
czujnikiem i miejscem pomiaru, zimne dłonie, gruba i ciemna skóra, jak również różne
warunki oświetlenia: bez światła, w świetle sztucznym, w świetle dziennym i przy użyciu
latarki oświetlającej badane czujniki. Dla każdego badanego czynnika wykonano pomiar
tętna u 10 osób. Przy każdym pomiarze dokonano porównania różnych kolorów diod LED
zastosowanych w czujniku: światło zielone w czujniku Amped i czerwone w urządzeniu
Samsung S7. Dodatkowo zaimplementowano kod w języku Python w celu oszacowania
wartości tętna z analogowego sygnału pozyskanego z systemu zbudowanego z czujnika
Amped i układu Arduino Uno. Dla warunku związanego z ciemną skórą, przetwarzanie
obrazu w programie ImageJ zostało wykonane w celu uzyskania wartości współczynnika
RGB dla obrazu ręki autora oraz ręki osoby badanej. Uzyskane wyniki pokazały, że różne
warunki oświetlenia nie mają znaczącego wpływu na działanie badanych czujników.
W przypadku pomiaru bez światła, w świetle sztucznym i w świetle dziennym wartość
średniego błędu względnego wahała się od 0,81% do 1,77%, z dokładnością w przedziale
od 70% do 100% dla obu urządzeń. Pomiary wykonane z latarką przedstawiły jedyny
wyjątek, w którym średni błąd względny dla czujnika Amped był równy 27,21%
z dokładnością 0%, podczas gdy wyniki dla Samsunga S7 pozostały niezmienione. Średni
błąd względny dla czujnika Amped w pozostałych badanych warunkach wynosił 8,30% dla
grubej skóry, 39,78% dla siły nacisku, 51,26% dla ciemnej skóry i 91,81% dla zimnych
dłoni. Odpowiadające wartości średniego błędu względnego dla czujnika wbudowanego
w Samsung Galaxy S7 były następujące: 2,64% dla grubej skóry, 6,25% dla siły nacisku,
7,90% dla ciemnej skóry i 5,33% dla zimnych dłoni.
Słowa kluczowe: czujniki optyczne, fotopletyzmografia, Arduino, tętno, dokładność,
średni błąd względny.

In this paper the accuracy of optical sensors for heart rate estimation under various external
conditions was investigated. During each heart rate measurements 3 different optical sensors
were used. Data acquired from pulse oximeter were considered as the reference while the
information from Amped sensor and sensor built in smartphone Samsung Galaxy S7 were
taken into consideration. The performance of mentioned devices was investigated in the
following conditions: contact force between sensor and measurement site, cold hands, thick
and dark skin as well as different lighting conditions, namely without light, in artificial light,
in daylight and with flashlight operating on investigated sensors. For each investigated
condition the heart rate measurement of 10 subjects was performed. What is more, with
every measurement the comparison of different LED colour used in the sensor was made
since Amped sensor utilizes green light while sensor in Samsung S7 uses red light.
Additionally, the code in Python was developed to evaluate heart rate from the analog output
of Amped sensor that was connected to the laptop through Arduino Uno board. Finally, for
investigation of dark skin condition image processing in ImageJ was done to achieve RGB
ratio from picture of the author’s hand next to subject’s hand. Obtained results presented that
there is no significant influence of the lighting conditions on the performance of investigated
sensors. For measurement without light, in artificial light and in daylight the value of mean
relative error varied between 0.81% to 1.77% while the accuracy ranged from 70% to 100%
for both devices. The only exception was presented in case of measurements with flashlight
where the mean relative error for Amped sensor was equal to 27.21% with the accuracy 0%
while the results for Samsung S7 remained unchanged. The mean relative error for Amped
sensor in the rest of the investigated conditions was equal to: 8.30% for thick skin, 39.78%
for contact force, 51.26% for dark skin and 91.81% for cold hands. The corresponding values
of mean relative error for sensor built in Samsung Galaxy S7 were as follows: 2.64% for
thick skin, 6.25% for contact force, 7.90% for dark skin and 5.33% for cold hands.
Keywords: optical sensors, photoplethysmography, Arduino, heart rate, accuracy, mean
relative error.