Kamerabasierte Technologie misst die kardiopulmonale Kopplung ohne physische Sensoren

Aus physiologischer Sicht funktionieren Herzschlag und Atmung im menschlichen Körper nicht unabhängig voneinander. Der Herzrhythmus variiert mit dem Atemzyklus, und die enge Wechselwirkung zwischen beiden wird als kardiopulmonale Kopplung (CPC) bezeichnet. Der CPC spiegelt den Regulierungszustand des autonomen Nervensystems wider und dient als wichtiger physiologischer Indikator zur Beurteilung der Schlafqualität, der Herz-Kreislauf-Gesundheit und des Stressniveaus.

Seit Jahrzehnten wird die kardiopulmonale Kopplung jedoch fast ausschließlich mithilfe von Elektrokardiogramm-Elektroden, Atemgürteln oder anderen kontaktbasierten Sensoren beurteilt. Obwohl diese Geräte effektiv sind, können sie den Komfort beeinträchtigen und ihre Verwendung in häuslichen Umgebungen, bei der Langzeitüberwachung und bei Anwendungen mit empfindlichen Bevölkerungsgruppen wie Säuglingen oder postoperativen Patienten einschränken.

In einer Studie veröffentlicht in Intelligenter Sport und Gesundheitstellt ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Rencheng Song von der Hefei University of Technology eine neue Lösung vor: die Messung der kardiopulmonalen Kopplung nur mit einer Standard-Videokamera.

Unser Körper unterliegt mit jedem Atemzug und jedem Herzschlag äußerst subtilen Oberflächenveränderungen, und Kameras sind in der Lage, diese Informationen zu erfassen. Dadurch ist es möglich, die kardiopulmonale Gesundheit völlig berührungslos zu beurteilen.“

Professor Rencheng Song, leitender Autor der Studie

Die Forscher entwickelten ein intelligentes Videoanalyse-Framework, das zunächst automatisch Gesichts- und Rumpfregionen in Videoaufnahmen identifiziert. „Aus diesen Regionen werden gleichzeitig optische Signale extrahiert, die mit Blutflussschwankungen – die die Herzaktivität widerspiegeln – und Brust- und Bauchbewegungen – die die Atmung widerspiegeln – verbunden sind“, sagt Song.

Durch mehrregionale Signalfusion und hochauflösende Zeit-Frequenz-Analyse verbessert die Methode die Signalstabilität weiter und verbessert die Charakterisierung dynamischer physiologischer Veränderungen. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass der videobasierte Ansatz unter verschiedenen physiologischen Bedingungen, einschließlich normaler Atmung und simulierter Apnoe, kardiopulmonale Kopplungsmessungen lieferte, die in hohem Maße mit denen übereinstimmten, die mit herkömmlichen kontaktbasierten Geräten erhalten wurden.

Der Hauptforscher Yi Qun Gao stellte fest, dass die Arbeit die Anwendungsgrenzen der berührungslosen physiologischen Überwachung erweitert. „Lange Zeit war die Überwachung der kardiopulmonalen Kopplung hauptsächlich auf medizinische Geräte oder tragbare Sensoren angewiesen. Unsere Studie zeigt, dass Remote-Videogeräte auch das Potenzial haben, eine CPC-Beurteilung zu ermöglichen“, sagt er.

Das Team betonte, dass sich der Ansatz besonders gut für Szenarien eignet, die eine langfristige, komfortable Überwachung erfordern, wie etwa das Screening der Schlafgesundheit zu Hause oder die postoperative Rehabilitation aus der Ferne. „In Zukunft könnte eine solche Technologie sogar in Smartphones oder Smart-Kameras integriert werden, wodurch die Gesundheitsüberwachung so selbstverständlich wird wie ein Videoanruf“, fügt Gao hinzu.

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