Lista przedmiotów z materiałami udostępnionymi dla studentów

Dla_studentów
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Julia Biskupiak

Analiza dokładności czujnika optycznego do wyznaczania tętna w różnych warunkach oświetlenia


Analysis of the accuracy of the optical sensor for heart rate estimation in various lighting conditions


Opiekun pracy dyplomowej: dr inż. Aleksandra Królak
Praca dyplomowa inżynierska obroniona 2019-02-14
Streszczenie pracy dyplomowej:
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.
Abstract:
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.