"A Novel Convolutional Neural Network-Based Algorithm for Heart Rate Measurement from Ballistocardiography Signals in Diverse Clinical Settings" (Preprint)
Notice bibliographique
Résumé
Background: Continuous vital sign monitoring ensures early detection, prevents intensive care unit (ICU) admissions, and improves patient outcomes. Continuous heart rate (HR) monitoring methods often require direct skin contact, which can lead to patient discomfort. The rising popularity of ballistocardiography (BCG) offers a promising, noncontact solution for continuous vital sign monitoring with improved patient comfort. Objective: This study aims to develop and validate a novel HR measurement algorithm leveraging convolutional neural networks (CNNs) and BCG signals for accurate, noncontact, and continuous HR monitoring. By integrating time-domain peak detection with short-time Fourier transform and CNN models, the proposed approach seeks to enhance HR measurement accuracy across diverse health care settings. The study follows the Food and Drug Administration (FDA)'s Good Machine Learning Practice guidelines and evaluates the algorithm's robustness, generalizability, and clinical applicability through extensive testing on a diverse dataset, ensuring improved patient comfort and early detection of clinical deterioration. Methods: The proposed algorithm combines time-domain peak detection with short-time Fourier transform and CNNs to enhance HR measurement from BCG signals. The CNN model developed was trained on 129,976 data points from 373 participants (HR range: 36-230 bpm), including ICU patients, and was tuned on 75,970 data points from 192 participants (HR range: 46-169 bpm), with HR obtained from clinical-grade electrocardiography devices to improve generalizability. The algorithm was tested on 70,211 data points from 205 participants, including ICU patients, across 5 independent studies to demonstrate robust performance against diverse settings, demographics, and comorbidities. The methodology is in compliance with the FDA's Good Machine Learning Practice for Medical Device Development: Guiding Principles. Results: The algorithm achieved a mean absolute error of under 3 bpm and a detection rate exceeding 80%, underscoring its robustness. The Bland-Altman analysis indicates high accuracy with a minimal bias of 0.25 and limits of agreement within 8.59 bpm. Additionally, the Pearson correlation coefficient of 0.97 from the Deming regression further demonstrates strong alignment with reference HR measurements, reinforcing its precision and reliability for clinical applications. Conclusions: This CNN-based algorithm presents a robust solution for contactless HR monitoring, addressing the limitations of prior methods in noise management and adaptability. Its demonstrated accuracy, particularly in real-world, noisy clinical environments, highlights its potential for broad application in patient monitoring and improved comfort.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».