Low-Rate Wrist SpO2 Estimation under Micro-Perturbations Using Motion-Aware Beat Selection and Perfusion-Guided Calibration

Technische Samenvatting: SpO2-schatting met lage frequentie bij de pols onder invloed van micro-perturbaties

Probleemstelling
Continue monitoring van zuurstofsaturatie (SpO2) via fotoplethysmografie (PPG) is cruciaal voor draagbare gezondheidssensoren. Echter, SpO2-schatting via de pols staat voor aanzienlijke uitdagingen vergeleken met conventionele vinger-gebaseerde pulsoximetrie. De pols is gevoeliger voor micro-perturbaties, zoals kleine bewegingen en subtiele veranderingen in contactdruk, die de morfologie van PPG-pulsen destabiliseren. Deze perturbaties veranderen de rode en infrarode pulserende componenten, wat leidt tot instabiliteit in de ratio-van-ratios ($R$) van rood naar infrarood. Omdat conventionele methoden vertrouwen op een vaste $R$–SpO2-mapping, resulteert deze instabiliteit in inconsistente schattingen. Bovendien introduceren verschillen tussen individuen in de lokale perfusietoestand een kalibratiebias, aangezien een vaste mapping niet kan adapteren aan variërende perfusie-indices (PI) bij verschillende personen of sensor-contactcondities.

Methodologie
De auteurs stellen een lichtgewicht, firmware-compatibel framework voor, geschikt voor SpO2-schatting met een lage frequentie bij de pols, dat bewegingsbewuste hartslagselectie (beat selection) en perfusie-gestuurde kalibratie integreert. Het systeem verwerkt dual-wavelength (rood en infrarood) PPG-signalen samen met een drievoudige assen versnellingsmeter (tri-axial accelerometer). De methodologie bestaat uit drie primaire stadia:

1. Extractie van AC/DC op hartslagniveau en ratio-berekening:
   Binnen een glijdend venster van 10 seconden worden de rode en IR PPG-signalen laagdoorlaat gefilterd (5 Hz afsnijfrequentie) om de pulsmorfologie te behouden. Een banddoorlaatfilter (1–3 Hz) faciliteert robuuste detectie van hartslagen, waarbij dalen uit het stabielere IR-kanaal worden gebruikt als gemeenschappelijke grenzen voor beide golflengten. Systolische pieken worden afzonderlijk voor elk kanaal geïdentificeerd. De DC-component op hartslagniveau wordt gedefinieerd als de geïnterpoleerde basislijnwaarde op de locatie van de piek, terwijl de AC-component het amplitudeverschil is tussen de piek en deze basislijn. De ratio-van-ratios ($R$) wordt voor elke hartslag berekend als $R = \frac{AC_{red}/DC_{red}}{AC_{IR}/DC_{IR}}$.

2. Bewegingsbewuste hartslagselectie:
   Om micro-perturbaties te mitigeren, wijst het framework betrouwbaarheidsgewichten toe aan hartslagen op basis van door de versnellingsmeter afgeleide bewegingsscores. Voor elk hartslaginterval wordt de standaarddeviatie van de magnitude van de drievoudige assen versnellingsmeter berekend. Binnen een venster worden hartslagen gewogen met een niet-lineaire functie die hartslagen met lage beweging benadert en die door beweging gecontamineerde hartslagen onderdrukt. Specifiek wordt een drempelwaarde voor de bewegingsscore vastgesteld met behulp van de mediaan en het 90e percentiel van de bewegingsscores binnen het venster. Een gewogen mediaan van de geldige hartslag-niveau $R$-waarden wordt vervolgens berekend om de venster-niveau $R_{win}$ te bepalen, waardoor wordt gewaarborgd dat door beweging verstoorde hartslagen minder bijdragen aan de uiteindelijke schatting.

3. Perfusie-gestuurde kalibratie:
   Om de subject-specifieke variabiliteit aan te pakken, wordt voor elke sessie een referentie-perfusie-index ($PI_{ref}$) geschat. Het systeem identificeert het meest betrouwbare 30-seconden segment (laagste gemiddelde beweging) en berekent $PI_{ref}$ als de gewogen mediaan van de infrarode perfusie-indices uit dat segment. De venster-niveau $R_{win}$ wordt vervolgens gecorrigeerd met behulp van een lineaire functie van $PI_{ref}$ ($R_c = R_{win} + b_0 + b_1 \cdot PI_{ref}$). Ten slotte wordt de gecorrigeerde ratio $R_c$ gemapt naar SpO2 met behulp van een tweede-orde polynoom kalibratiefunctie die is geleerd van trainingsdata.

Belangrijkste Bijdragen

• Algoritme voor lage frequentie-verwerking: Een dual-wavelength PPG-verwerkingsalgoritme ontworpen voor 25 Hz bemonstering, dat hartslag-voor-hartslag extractie en rollend venster aggregatie uitvoert voor $R$-SpO2 kalibratie.
• Bewegingsbewuste hartslagselectie: Een strategie die versnellingsmetergegevens gebruikt om betrouwbaarheidsgewichten aan hartslagen toe te kennen, wat de robuustheid tegen micro-perturbaties verbetert door prioriteit te geven aan gegevens met lage beweging.
• Perfusie-gestuurde kalibratie: Een methode die de perfusie-index gebruikt als een kalibratie-statusindicator, waardoor de $R$–SpO2-relatie kan adapteren aan subject-specifieke variaties in lokale perfusietoestanden.

Experimentele Resultaten
Het framework werd geëvalueerd op een private draagbare dataset bestaande uit 27 sessies van negen deelnemers met diverse huidtinten. De dataset bevatte 100 Hz PPG-signalen (gedownsampled naar 25 Hz voor evaluatie) en referentie SpO2-waarden van een Masimo Rad-G apparaat.

• Prestaties: Onder een strikte leave-one-subject-out (LOSO) evaluatie bereikte de voorgestelde methode een Mean Absolute Error (MAE) van $2,305 \pm 1,113\%$ en een Root Mean Squared Error (RMSE) van $3,117 \pm 1,743\%$ bij 25 Hz. Dit presteerde beter dan baseline-methoden, inclusief eenvoudige gemiddelde/mediaan aggregatie, Recursive Least Squares (RLS) en Normalized Least Mean Square (NLMS).
• Ablatiestudie: De resultaten bevestigden dat zowel de bewegingsbewuste hartslagselectie als de perfusie-gestuurde kalibratie onafhankelijk de prestaties verbeterden, waarbij de combinatie de beste metrieken opleverde voor zowel 25 Hz als 100 Hz bemonsteringssnelheden.
• Efficiëntie bij lage frequentie: De methode behield een prestatie bij 25 Hz die vergelijkbaar is met 100 Hz. De stroomverbruiksanalyse gaf aan dat de PPG-sensor ongeveer 9 mW verbruikte bij 25 Hz, een reductie van 40% ten opzichte van de ~15 mW bij 100 Hz, wat ondersteuning biedt voor energie-efficiënte continue monitoring.
• Bewegingsrobuustheid: De gecombineerde aanpak vertoonde de laagste MAE over alle bewegingsmagnitude-niveaus, terwijl baseline-methoden een toenemende fout lieten zien naarmate de bewegingsmagnitude standaarddeviatie toenam.

Betekenis
Het artikel beweert dat dit werk een lichtgewicht framework presenteert dat in staat is de robuustheid van SpO2-schatting met lage frequentie bij de pols te verbeteren zonder dat complexe denoising-modellen nodig zijn. Door bewegingsbewuste selectie en perfusie-gestuurde kalibratie te integreren, pakt het systeem de dubbele uitdagingen van micro-perturbaties en inter-subject perfusie-variabiliteit aan. Het vermogen om prestaties te handhaven bij 25 Hz terwijl het stroomverbruik aanzienlijk wordt verminderd, maakt het framework geschikt voor firmware-compatibele, energie-efficiënte draagbare implementaties voor continue gezondheidsmonitoring.