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Tipo: TCC
Título: Validação do PPG de dispositivos vestíveis para estimação e análise da variabilidade da frequência cardíaca
Autor(es): Evangelista, Vitor Rosa
Orientador: Madeiro, João Paulo do Vale
Palavras-chave em português: ECG;PPG;VFC;Dispositivos vestíveis;Processamento de sinais
Palavras-chave em inglês: ECG;PPG;HRV;Wearable devices;Signal processing
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Data do documento: 2025
Citação: EVANGELISTA, Vitor Rosa. Validação do PPG de dispositivos vestíveis para estimação e análise da variabilidade da frequência cardíaca. 2025. 57 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Computação) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, 2025.
Resumo: A VFC é uma série temporal formada pelos intervalos de tempo entre os batimentos cardíacos, a partir da qual se calculam métricas para a avaliação do sistema cardiovascular. Além disso, contribui para a detecção de diversas anomalias no organismo, como arritmias e insuficiência cardíaca. O padrão-ouro para a estimativa das métricas de VFC é o ECG de 12 derivações, um exame que requer a participação ativa do paciente e acompanhamento profissional para sua realização. No entanto, a PPG tem se destacado como uma alternativa viável ao ECG devido às suas vantagens, como a coleta facilitada e passiva. Esse aspecto é especialmente relevante no contexto de dispositivos móveis, que possibilitam um monitoramento contínuo do sinal, tornando a análise mais acessível e integrada ao cotidiano, como no caso dos smartwatches. Dessa forma, este trabalho apresenta um estudo sobre a viabilidade do uso do PPG de dispositivos móveis para a estimativa da FC e análise da VFC. O estudo foi conduzido utilizando tanto a anotação manual dos picos do PPG quanto a anotação realizada por algoritmos. A validação da detecção dos picos pelos algoritmos foi realizada por meio de métricas como sensibilidade, VPP e TED, comparando os resultados com a anotação manual. Além disso, a frequência cardíaca estimada pelo ECG e pelo PPG, coletados simultaneamente, foi comparada utilizando o RMSE. Por fim, as métricas de VFC obtidas a partir do PPG foram comparadas às do ECG, empregando métricas como o coeficiente de correlação de Spearman (ρ), NRMSE, coeficiente de correlação de Pearson(R) e coeficiente de determinação R2 . Os resultados indicaram a viabilidade do uso do PPG para a estimativa da FC, com um RMSE de 0.12 bpm para sinais de 1 minuto e de 2.49 bpm e 2.89 bpm para sinais de 5 minutos, referentes aos sensores com LED infravermelho e LED vermelho, respectivamente, do Galaxy Watch 5 da Samsung. Para a análise da VFC, os sinais de 1 minuto anotados manualmente apresentaram forte correlação com o ECG, com coeficientes de Spearman acima de 0.80 e os de Pearson acima de 0.90 nos três domínios, além de NRMSE médios de 2.59, 3.93 e 2.83 para os domínios do tempo, frequência e não linear, respectivamente. Os algoritmos também obtiveram resultados consistentes para sinais de 1 minuto, com RMSE abaixo de 1 bpm e correlações próximas às da anotação manual. Para sinais de 5 minutos, a correlação entre as métricas manteve-se elevada, mas o NRMSE aumentou, com médias de 8.10, 13.43 e 12.53 para o sensor infravermelho e 10.27, 13.54 e 16.14 para o sensor vermelho.
Abstract: HRV is a time series formed by the intervals between heartbeats, from which metrics are calculated for the evaluation of the cardiovascular system. Furthermore, it contributes to the detection of various anomalies in the body, such as arrhythmias and heart failure. The gold standard for estimating HRV metrics is the 12-lead ECG, a test that requires the active participation of the patient and professional supervision for its execution. However, PPG has emerged as a viable alternative to the ECG due to its advantages, such as easier and passive data collection. This aspect is especially relevant in the context of mobile devices, which enable continuous monitoring of the signal, making the analysis more accessible and integrated into daily life, as seen with smartwatches. Thus, this study presents an investigation into the feasibility of using mobile device PPG for HR estimation and HRV analysis. The study was conducted using both manual annotation of PPG peaks and annotation performed by algorithms. The validation of peak detection by the algorithms was carried out using metrics such as sensitivity, PPV, and EDR, comparing the results with manual annotation. Additionally, the heart rate estimated from simultaneously collected ECG and PPG was compared using RMSE. Finally, HRV metrics obtained from PPG were compared to those from ECG, employing metrics such as Spearman’s correlation coefficient, NRMSE, Pearson’s correlation coefficient(R), and determination coefficient (R2 ). The results indicated the feasibility of using PPG for HR estimation, with an RMSE of 0.12 bpm for 1-minute signals and 2.49 bpm and 2.89 bpm for 5-minute signals, corresponding to the LED infrared and LED red sensors, respectively, of the Samsung Galaxy Watch 5. For HRV analysis, the manually annotated 1-minute signals showed a strong correlation with ECG, with Spearman’s coefficients above 0.80 and linear correlation above 0.90 in all three domains, as well as mean NRMSE values of 2.59, 3.93, and 2.83 for the time, frequency, and nonlinear domains, respectively. The algorithms also achieved consistent results for 1-minute signals, with RMSE below 1 bpm and correlations close to those of manual annotation. For 5-minute signals, the correlation between metrics remained high, but NRMSE increased, with means of 8.10, 13.43, and 12.53 for the infrared sensor and 10.27, 13.54, and 16.14 for the red sensor.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82109
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-6511-6707
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/4328159466506074
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO - Monografias

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