Feasibility of heart rate and respiratory frequency estimation by inertial sensors embedded in a virtual reality headset

The aim of this work was to explore the feasibility of deriving heart rate (HR) and respiratory (RESP) rate from tri-axis gyroscope and accelerometer sensors embedded in a virtual reality (VR) head worn device, Oculus Go (Oculus, Microsoft, USA). While in clinical practice the ECG represents the most popular method to evaluate electrical heart activity, inertial sensors represent a complementary solution to assess the mechanical heart’s functionality and respiratory activity by measuring the subtle heartbeat-vibration of the human body, generated by the head circulation when the heart beats at each cardiac cycle, from peripheral locations, such as the head. Thirty healthy participants (age 24±2) were recruited and tested in resting condition, in three different body postures (sitting down, standing up and lying down) and during a controlled breathing protocol. Results are compared with simultaneous ECG-derived HR and imposed RESP frequencies by simultaneously listening to a YouTube audio which scans the period of inspiration and expiration. The gyroscope outperformed the accelerometer providing the best results, for HR estimation, in terms of both correlation coefficient (R^2= 0.92) and confidence interval (CI: ±6 beats per minute) in sitting position, followed by standing and supine which provided not reliable results. On the contrary, the supine posture showed the best feasibility to allow RESP rate estimation from each gyroscope axis, leading to the identification of the x direction as the one containing the largest breathing information. The feasibility of the tested approaches offers new opportunity in the development of VR health-related applications opening the possibility to indirectly measure biomarkers relevant to the emotional responses of the VR experience, thus offering a biofeedback of the experienced situation, both physical and mental, that could be used both to validate the VR intervention, and to personalize the VR experience.

L’obiettivo di questo lavoro è quello di esplorare la fattibilità di estrarre la frequenza cardiaca e respiratoria da parte di un accelerometro e un giroscopio triassiali inseriti all’interno di un visore per realtà virtuale (VR), Oculus Go (Oculus, Microsoft, USA). Mentre nella pratica clinica l'ECG rappresenta il metodo più popolare per valutare l'attività cardiaca elettrica, la tecnologia dei sistemi micro-elettromeccanici (MEMs) si presta come soluzione complementare per valutare la funzionalità meccanica del cuore e l’attività del respiro dal rilevamento degli impercettibili movimenti di vibrazione del corpo generati ad ogni battito per effetto dell’accelerazione con la quale il sangue circola, in corrispondenza di zone periferiche, quali la testa. Trenta partecipanti (24±2 anni), in sane condizioni di salute, sono stati selezionati e testati in condizioni di riposo, in tre differenti posture (seduta, eretta, supina) e tramite respirazione controllata. I risultati ottenuti sono stati confrontanti con la frequenza cardiaca estratta dall'acquisizione simultanea dell'ECG e con la frequenza respiratoria imposta dall'ascolto simultaneo di un audio YouTube che scandisce il periodo di inspirazione ed espirazione. Il giroscopio ha superato la performance dell’accelerometro fornendo i migliori risultati, per la stima della frequenza cardiaca, in termini di correlazione (R^2= 0.92) e intervallo di confidenza (CI: ±6 batti al minuto) in posizione seduta, seguita dalla posizione eretta e supina che ha fornito i risultati peggiori. Al contrario, la posizione supina è risultata la migliore in termini di fattibilità di estrazione della frequenza respiratoria da ogni asse del giroscopio portando a identificare la direzione x come quella avente il maggior contenuto informativo in termini di respiro. La fattibilità di questo approccio offre nuove opportunità nello sviluppo della realtà virtuale per applicazioni in ambito sanitario offrendo la possibilità di valutare la risposta emotiva all'esperienza virtuale in maniera indiretta fornendo un riscontro di quella che è l’esperienza, dal punto di vista fisico e mentale, così da poter validare l’intervento della realtà virtuale e personalizzare l’esperienza stessa.