خوارزمية جديدة لتصفية الطيف المتغير الزمني لإعادة بناء إشارات معدل ضرب القلب المعطّلة بعوامل حركية أثناء الأنشطة البدنية الشديدة باستخدام مستشعر فوتوبليثيسوجرام قابل للارتداء

تقدير دقيق لنبض القلب من إشارات الفوتوبليثيسموغرام (PPG) أثناء النشاط البدني الشديد يُعدّ مشكلة صعبة للغاية. وذلك لأن التمارين المكثفة والشديدة قد تؤدي إلى ظهور تشويشات حركية شديدة في إشارات PPG، مما يجعل تقدير نبض القلب بدقة أمرًا صعبًا. في هذه الدراسة، تم التحقيق في تقنية جديدة لاستعادة إشارات PPG المتأثرة بالحركة ونبض القلب بدقة، باستخدام تحليل الطيف المتغير مع الزمن. وتم تسمية الخوارزمية بـ "SpaMA"، وهي اختصار لـ Spectral filter algorithm for Motion Artifacts and heart rate reconstruction (خوارزمية التصفية الطيفية لاستعادة تشويشات الحركة ونبض القلب). الفكرة تكمن في حساب كثافة الطيف القوي لكل من إشارات PPG وإشارات المسرّع (accelerometer) لكل تحول زمني لقطعة بيانات مُنقطة بنافذة زمنية. ومن خلال مقارنة الطيف المتغير مع الزمن لإشارات PPG وإشارات المسرّع، يمكن تمييز القمم الترددية الناتجة عن تشويشات الحركة عن الطيف الخاص بإشارة PPG. تم تطبيق منهجية SpaMA على ثلاث مجموعات بيانات مختلفة وأربعة أنواع من الأنشطة: (1) مجموعات التدريب من قاعدة بيانات IEEE Signal Process. Cup 2015، التي تم تسجيلها من 12 مشاركًا أثناء أداء تمرين على جهاز المشي (treadmill) بسرعات تتراوح من 1 كم/س إلى 15 كم/س؛ (2) مجموعات الاختبار من نفس قاعدة بيانات IEEE Signal Process. Cup 2015، المسجلة من 11 مشاركًا أثناء أداء تمارين للساعدين (الساعدين العلويين والسفليين)؛ (3) مجموعة بيانات Chon Lab التي تتضمن تسجيلات لمدة 10 دقائق من 10 أشخاص أثناء تمرين على جهاز المشي. وتم استخدام إشارات التخطيط الكهربائي للقلب (ECG) من جميع المجموعات الثلاث كمراجع لنبض القلب، والتي استُخدمت لتحديد دقة خوارزمية SpaMA. تم حساب أداء منهجية SpaMA من خلال حساب متوسط الخطأ المطلق بين نبض القلب المقدّر من إشارة PPG والنبض المرجعي المستمد من إشارة ECG. وقد بلغ متوسط أخطاء التقدير باستخدام طريقة لدينا في المجموعة الأولى والثانية والثالثة على التوالي 0.89 و1.93 و1.38 نبضة/دقيقة، في حين بلغ المتوسط العام للخطأ على جميع المشاركين الثلاثة والثلاثين (33) 1.86 نبضة/دقيقة، وأظهر الأداء على بيانات التمرين على جهاز المشي فقط (22 مشاركًا) خطأً متوسطًا قدره 1.11 نبضة/دقيقة. علاوة على ذلك، تم التوصل إلى أن الديناميات الخاصة بتغيرات نبض القلب يمكن التقاطها بدقة باستخدام الخوارزمية، حيث بلغ متوسط معامل الارتباط لبييرسون (Pearson’s correlation coefficient) بين كثافات الطيف القوي للسلسلة الزمنية لنبض القلب المرجعي والسلسلة الزمنية المُعاد بناؤها 0.98. تُظهر هذه النتائج أن منهجية SpaMA تمتلك إمكانات كبيرة لاستخدامها في مراقبة نبض القلب القائمة على إشارات PPG في الأجهزة القابلة للارتداء، لتطبيقات تتبع اللياقة البدنية والرصد الصحي أثناء الأنشطة البدنية الشديدة.