Event-Kameras: Eine neue Methode zur Messung der Herzfrequenz

Eventkameras, auch neuromorphe Kameras genannt, sind eine neue Technologie, die einige wichtige Vorteile gegenüber herkömmlichen Kameras bietet. Sie können Bilder sehr schnell aufnehmen und verbrauchen dabei weniger Energie, während sie sich nur auf das konzentrieren, was in einer Szene wichtig ist.

Diese Forschung untersucht, ob Eventkameras verwendet werden können, um Herzfrequenzen kontinuierlich zu überwachen, ohne die Haut berühren zu müssen. Indem wir eine Eventkamera nutzen, um die winzigen Veränderungen in der Haut zu beobachten, wo das Blut fliesst, haben wir getestet, ob sie Herzfrequenzen effektiv messen kann. Wir haben Videodaten von 25 Teilnehmern unterschiedlichen Alters und Hauttönen gesammelt und die von der Kamera erfassten Herzfrequenzen mit traditionellen Methoden verglichen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Verwendung von Eventkameras zur Herzfrequenzmessung funktionieren kann. Wir haben jedoch auch einige Herausforderungen festgestellt, wie flackerndes Licht und natürliche Handbewegungen während der Datenerfassung.

#Wie Eventkameras funktionieren

Eventkameras unterscheiden sich von herkömmlichen Kameras. Reguläre Kameras nehmen Bilder in festen Intervallen auf, normalerweise 25 oder 30 Mal pro Sekunde. Das kann Probleme verursachen, wenn man sehr schnelle Bewegungen erfassen will, da dabei Informationen verloren gehen könnten.

Im Gegensatz dazu reagieren Eventkameras nur auf Veränderungen im Licht. Sie zeichnen auf, wenn es signifikante Helligkeitsänderungen gibt, sodass sie schnelle Bewegungen erfassen können, ohne Details zu verlieren. Das bedeutet, dass sie Tausende von Bildern pro Sekunde produzieren können, was klarere und genauere Aufzeichnungen schneller Ereignisse ermöglicht.

Diese Kameras haben ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere in Bereichen, die schnelles Reagieren erfordern, wie Robotik oder tragbare Technologien, bei denen Energieeffizienz und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Lichtverhältnisse entscheidend sind.

#Warum Herzfrequenz nicht-invasiv messen?

Die Messung der Herzfrequenz ist wichtig für verschiedene gesundheitsbezogene Anwendungen. Traditionelle Methoden erfordern physischen Kontakt, wie das Anbringen von Sensoren auf der Haut. Diese Methoden funktionieren gut, können aber unpraktisch sein.

Die Verwendung von kontaktlosen Methoden wie Eventkameras könnte zu einem bequemeren und einfacheren Monitoring von Herzfrequenzen führen, insbesondere für Menschen, die ihre Herzfrequenz kontinuierlich oder in unterschiedlichen Situationen, wie beim Autofahren oder Sport, verfolgen müssen.

#Verständnis der Periodizität der Herzfrequenz

Die Herzfrequenz hat ein konsistentes Muster, das als Periodizität bekannt ist, bei dem das Herz in regelmässigen Abständen schlägt. Zum Beispiel könnte das Herz einer Person in Ruhe etwa 70 Mal in einer Minute schlagen. Wenn man aktiv ist, kann diese Zahl allmählich steigen.

Diese regelmässigen Muster zu erkennen, ist entscheidend für das Verständnis der Herzfrequenz. Jede Unregelmässigkeit im Muster kann auf potenzielle Gesundheitsprobleme hinweisen. Daher kann die Messung der Periodizität Einblicke in die Gesundheit einer Person geben.

Traditionelle Herzfrequenzmonitore, wie die in Smartwatches oder Herzfrequenzsensoren, verwenden oft Lichtsensoren, um den Blutfluss durch die Haut zu erfassen. Das Licht erkennt Variationen, die mit Herzschlägen übereinstimmen, sodass diese Geräte effektiv bei der Messung von Herzfrequenzen sind.

#Verwendung von Eventkameras zur Herzfrequenzmessung

Um festzustellen, ob Eventkameras Herzfrequenzen effektiv messen können, führten wir Experimente durch, bei denen die Teilnehmer Apple Watches trugen, um ihre tatsächlichen Herzfrequenzen aufzuzeichnen. Wir markierten auch einen Punkt auf ihrem Handgelenk, auf den die Kamera fokussieren sollte. Dieser Punkt half der Eventkamera, jede Bewegung zu sehen, die durch den Blutfluss unter der Haut verursacht wurde.

Die Teilnehmer entspannten sich und hielten ihre Arme still, während die Kamera etwa 12 bis 15 Sekunden lang aufnahm. Nach dieser ersten Datenerfassung führten sie leichte Übungen durch, um ihre Herzfrequenzen zu erhöhen. Wir wiederholten den Aufnahmeprozess während dieser Zeit.

Die gesammelten Daten umfassten eine Vielzahl von Herzfrequenzen von verschiedenen Probanden mit unterschiedlichen Hauttönen und Altersgruppen. Jeder Teilnehmer trug mehrere Aufnahmen bei, was uns ermöglichte, einen robusten Datensatz zur Analyse zu sammeln.

#Datenanalyse

Nach der Sammlung aller Aufnahmen analysierten wir die Daten der Eventkamera. Die Kamera erzeugte einen Datenstrom basierend auf Helligkeitsänderungen, den wir untersuchten, um die Herzfrequenzen zu bestimmen.

Zur Verarbeitung der Daten schauten wir uns die Bereiche an, in denen die Pixelaktivität am höchsten war. Jeder Bereich wurde in kleinere Teile zerlegt, um die vorherrschenden Herzfrequenzfrequenzen in diesen Regionen zu finden.

Mit verschiedenen Algorithmen berechneten wir die Herzfrequenzen und verglichen diese Schätzungen mit den tatsächlichen Herzfrequenzen, die von den Apple Watches aufgezeichnet wurden. So konnten wir bewerten, wie genau die Messungen der Eventkamera waren.

#Ergebnisse der Experimente

Von 46 Aufnahmen von 25 Teilnehmern konnten wir in 40 Fällen Herzfrequenzen erfolgreich erfassen. In drei Fällen hinderte natürliche Handbewegungen die Erkennung, und in weiteren drei Fällen konnten wir die Ursache der Nichterkennung nicht bestimmen.

Die Ergebnisse zeigten, dass unsere Methode zur Herzfrequenzmessung mit Eventkameras effektiv war. Der grösste Unterschied zwischen der tatsächlichen Herzfrequenz und dem erfassten Wert betrug nur 5 Schläge pro Minute, wobei die meisten Schätzungen innerhalb eines Schlages genau waren.

Der durchschnittliche Fehler unserer Schätzungen lag bei weniger als 2 Schlägen pro Minute, sowohl bei Ruhe- als auch bei erhöhten Herzfrequenzen. Diese Leistung schneidet im Vergleich zu anderen Methoden zur kontaktlosen Herzfrequenzmessung gut ab.

#Vorteile von Eventkameras

Eventkameras bieten verschiedene Vorteile im Vergleich zu traditionellen Methoden. Sie funktionieren gut bei unterschiedlichen Lichtbedingungen, können schnelle Bewegungen verarbeiten und liefern Echtzeitergebnisse.

Ihre hohe Sensitivität und präzisen Aufnahmefähigkeiten machen sie hervorragend für Anwendungen, die kontinuierliches Monitoring ohne physischen Kontakt erfordern. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich in Bereichen wie Gesundheitswesen und Verkehrssicherheit.

#Herausforderungen und Überlegungen

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse bleiben einige Herausforderungen bestehen. Die Teilnehmer mussten während der Aufnahmen so still wie möglich bleiben, was aufgrund natürlicher Körperbewegungen schwierig sein könnte. Zudem könnten Lichtvariationen die Qualität der Aufnahmen beeinträchtigen.

Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Herzfrequenzmessung zu verbessern, sollte zukünftige Forschung darauf abzielen, den Algorithmus für Echtzeitanwendungen zu optimieren, natürliche Bewegungen zu berücksichtigen und gleichmässige Lichtbedingungen sicherzustellen.

#Zukünftige Forschungsrichtungen

Diese Studie eröffnet Möglichkeiten für weitere Erkundungen. Die Entwicklung von Anwendungen, die Eventkameras zur Echtzeit-Herzfrequenzmessung verwenden, könnte die Überwachung in verschiedenen Kontexten verbessern, wie zum Beispiel in Krankenhäusern oder Fitnessstudios.

Forscher sollten auch darauf achten, dass diese Technologien sich nahtlos an wechselnde Lichtverhältnisse und unterschiedliche Körperbewegungen anpassen können. Der Umgang mit Datenschutz- und ethischen Überlegungen wird entscheidend sein, während diese Technologien weiter verbreitet werden.

Reale Tests werden dazu beitragen, die Technologie zu verfeinern und sicherzustellen, dass sie die Bedürfnisse der Nutzer effektiv erfüllt. Zu verstehen, wie angenehm und einfach es für Menschen ist, diese Systeme zu nutzen, wird entscheidend für ihren Erfolg sein.

#Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von Eventkameras zur Messung der Herzfrequenz eine machbare und vielversprechende Idee ist. Durch die präzise Erfassung der Veränderungen in der Hautbewegung, die mit dem Blutfluss zusammenhängen, können Eventkameras als effektive Werkzeuge zur kontaktlosen Herzfrequenzüberwachung dienen.

Diese Forschung legt den Grundstein für innovative Anwendungen im Gesundheitsmonitoring, der Fahrersicherheit und der Fitnessüberwachung und verbessert, wie wir Herzgesundheit in verschiedenen Umgebungen verstehen und managen. Zukünftige Studien werden entscheidend sein, um diese Methoden zu verfeinern und ihr volles Potenzial in realen Szenarien zu erkunden.