توصيفگر ها :
باليستوكارديوگرافي , فواصل ضربان به ضربان , الكتروكارديوگرام , شبكه عصبي , بيماري قلبي و عروقي
چكيده فارسي :
با پيشرفت روزافزون فناوري و نياز فزاينده به روشهاي پايش سلامت غيرتهاجمي و مداوم، پايش پارامترهاي فيزيولوژيكي مرتبط با سلامت قلب از اهميت ويژهاي برخوردار شدهاست. بيماريهاي قلبي-عروقي همچنان يكي از اصليترين دلايل مرگومير در سراسر جهان به شمار ميروند و تشخيص زودهنگام و پايش مداوم فاكتورهاي خطر ميتواند به بهبود كيفيت زندگي و افزايش طول عمر بيماران كمك شاياني كند. در اين ميان، سيگنال باليستوكارديوگرافي (BCG)، به عنوان بازتابي از نيروهاي مكانيكي ايجاد شده توسط فعاليت قلبي-عروقي و جريان خون در رگها، پتانسيل بالايي را براي ارائه اطلاعات حياتي قلبي-عروقي به صورت غيرتهاجمي و در محيطهاي روزمره نشان دادهاست. اين سيگنال، بر خلاف الكتروكارديوگرام (ECG) كه نيازمند تماس مستقيم الكترود با پوست است، ميتواند از طريق حسگرهاي زيرين يا تعبيه شده در تختخواب ثبت شود، كه سهولت و راحتي بيسابقهاي را براي پايش طولانيمدت فراهم ميآورد. با اين حال، ماهيت پيچيده و نويزپذير سيگنال BCG، استخراج دقيق پارامترهاي كليدي قلبي-عروقي از آن را به يك چالش مهم تبديل كرده است. هدف اصلي اين پژوهش، استخراج و اعتبارسنجي دقيق فواصل ضربان به ضربان(IBI) از سيگنال BCG و ارزيابي پنج روش متفاوت پردازش سيگنال و يادگيري عميق در مقايسه با سيگنال مرجع ECG است. در راستاي تحقق اين هدف، اين پژوهش از يك مجموعهداده جامع و از پيش موجود بهره گرفتهاست كه شامل سيگنالهاي همزمان BCG و ECG از تعداد 40 نفر از شركتكنندگان با مشخصات جمعيتي متنوع و تحت پروتكلهاي مطالعه كنترلشده ميباشد. در بخش پردازش سيگنال BCG، پنج رويكرد متمايز براي استخراج IBI مورد بررسي و پيادهسازي قرار گرفتهاند. روش CLIE، CLIE با پنجره تطبيقي، شبكه عصبي چندلايه پرسپترون، شبكه عصبي كانولوشنال و شبكه عصبي BiLSTM. نتايج حاصل از ارزيابي اين پنج روش نشاندهنده تفاوتهاي قابل توجهي در دقت و پايداري عملكرد آنها است. معيارهاي ارزيابي شامل ميانگين خطاي مطلق (MAE)، صدك 95 خطاي نسبي و ضريب همبستگي در مقايسه با مرجع ECG بودند. مقادير p-value نيز براي ارزيابي معناداري آماري نتايج (در مقايسه با يك مبناي صفر) ارائه شدند. تحليل جامع نتايج حاكي از آن است كه رويكرد تخمينگر فاصلهاي محلي پيوسته (CLIE) با ميانگين خطاي مطلق 6955/28 ميليثانيه و بالاترين ضريب همبستگي (7697/0)، بهترين عملكرد كلي را در استخراج دقيق IBIها از سيگنال BCG نشان داده است. اين روش با ارائه كمترين خطا و بيشترين همبستگي با سيگنال مرجع، قابليت بالاي خود را در دنبال كردن دقيق تغييرات ضربان قلب اثبات ميكند. در سوي ديگر، روش BiLSTM با وجود ضريب همبستگي كمي پايينتر (62/0)، عملكرد بسيار برجستهاي در كنترل خطاهاي بزرگ از خود نشان داد؛ به طوري كه صدك 95 خطاي آن (4672/9 درصد) به طور قابل ملاحظهاي پايينتر از ساير روشها بود. اين امر به اين معني است كه BiLSTM در اكثر موارد (95 درصد) دچار خطاهاي بزرگ نميشود، كه پايداري و قابليت اطمينان آن را در شرايط واقعي افزايش ميدهد. در مقابل، روشهاي مبتني بر MLP و CNN اگرچه عملكرد بهتري نسبت به روش سنتي پنجره تطبيقي در روش بروسر داشتند، اما از نظر دقت و پايداري به ترتيب پايينتر از CLIE و BiLSTM قرار گرفتند. روش "پنجره تطبيقي" نيز با بالاترين ميانگين خطا و صدك 95 خطا، ضعيفترين عملكرد را از خود نشان داد. به طور كلي، اين پژوهش نشان ميدهد كه استخراج دقيق فواصل ضربان به ضربان از سيگنال BCG امري چالشبرانگيز اما دستيافتني است. يافتههاي اين تحقيق گام مهمي در جهت اعتبارسنجي روشهاي غيرتهاجمي پايش قلبي-عروقي با استفاده از سيگنال باليستوكارديوگرافي برميدارد و ميتواند مبنايي براي توسعه دستگاههاي پايش سلامت هوشمند و خانگي باشد كه به تشخيص زودهنگام و مديريت بهتر بيماريهاي قلبي كمك ميكنند
چكيده انگليسي :
With the rapid advancement of technology and the growing demand for non-invasive and continuous health monitoring methods, tracking physiological parameters related to cardiovascular health has gained considerable importance. Cardiovascular diseases remain among the leading causes of mortality worldwide, and early detection along with continuous monitoring of risk factors can significantly improve patientsʹ quality of life and life expectancy. In this context, ballistocardiography (BCG)—which reflects the mechanical forces generated by cardiovascular activity and blood flow—has shown great potential for providing vital cardiovascular information in a non-invasive manner and in everyday environments. Unlike electrocardiography (ECG), which requires direct skin contact through electrodes, BCG signals can be recorded via sensors embedded in beds or underlying surfaces, offering unprecedented comfort and convenience for long-term monitoring. However, the complex and noise-prone nature of the BCG signal poses a major challenge for accurate extraction of key cardiovascular parameters. The primary objective of this study is to accurately extract and validate inter-beat intervals (IBIs) from BCG signals and evaluate five different signal processing and deep learning methods in comparison with reference ECG signals. To achieve this, a comprehensive, publicly available dataset comprising synchronized BCG and ECG signals from 40 participants with diverse demographic profiles under controlled study protocols was used. Five distinct approaches were implemented for IBI extraction from BCG signals: the Continuous Local Interval Estimator (CLIE), CLIE with adaptive windowing, multilayer perceptron (MLP), convolutional neural network (CNN), and bidirectional long short-term memory (BiLSTM) network. The evaluation results revealed notable differences in the accuracy and robustness of these methods. The assessment metrics included mean absolute error (MAE), 95th percentile relative error, and correlation coefficient with respect to ECG references. Additionally, p-values were reported to assess the statistical significance of the results compared to a zero baseline. Among the evaluated methods, the CLIE approach demonstrated the best overall performance, achieving a mean absolute error of 28.6955 milliseconds and the highest correlation coefficient (0.7697), highlighting its superior ability to accurately track heart rate variability. On the other hand, while BiLSTM had a slightly lower correlation coefficient (0.62), it excelled in controlling large errors, as evidenced by its significantly lower 95th percentile relative error (9.4672%), indicating high reliability in real-world conditions. MLP and CNN, although outperforming the traditional adaptive windowing method, fell short of CLIE and BiLSTM in terms of accuracy and stability. The adaptive windowing method showed the weakest performance, with the highest mean and percentile error values. Overall, this research demonstrates that while accurate IBI extraction from BCG signals is a challenging task, it is indeed achievable. The findings mark a significant step toward validating non-invasive cardiovascular monitoring techniques using ballistocardiographic signals and may lay the groundwork for the development of intelligent and home-based health monitoring devices that aid in early diagnosis and better management of heart diseases.