Bachelor's Thesis

Exercise intensity estimation during sports activity based on HRV parametrs

Final Thesis 13.17 MB Appendix 36.53 kB

Author of thesis: Bc. Martin Havlát

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Tobiáš Goldschmidt

Reviewer: Ing. Lucie Šaclová, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis focuses on the possibilities of using heart rate variability (HRV) for monitoring physiological load during sports activity. The practical part of the thesis includes measurements performed on a bicycle ergometer during an incremental exercise test, during which signals from a reference 12-lead ECG, the Polar H10 single-lead ECG sensor, and the Polar Verity Sense PPG sensor were recorded simultaneously. A custom algorithm was developed for processing the measured data, including signal synchronization, cardiac cycle detection, artifact filtering, segment validation, and calculation of selected HRV parameters in the time, frequency, and nonlinear domains, including the DFA alpha1 parameter.

The results demonstrate a solid agreement between the Polar H10 single-lead ECG sensor and the reference ECG, even during more demanding phases of exercise. In contrast, the PPG signal showed decreasing signal quality and reduced stability of cardiac cycle detection with increasing exercise intensity due to motion artifacts, which subsequently limited the usability of HRV analysis. The thesis also confirms the sensitivity of HRV parameters and DFA alpha1 to different levels of physical activity intensity and discusses both the possibilities and limitations of wearable devices for the aforementioned purposes.

Keywords:

HRV, DFA alpha1, ECG, PPG, metabolic thresholds, exercise intensity, wearable devices

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Ing. Šaclová položila otázku: Jaké prahy a proč jste je v práci využíval? Využil jste nějaký dynamický práh mezi subjekty? Ing. Odstrčilík položil otázku: Jak velká zátěž byla u experimentu natavena? Kolik bylo celkově subjektů? Doc. Gumulec položil otázku: Anotoval jste data manuálně? Jaká byla reference pro vyhodnocení přesnosti detekce? Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Biomedical Engineering

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

Doc. MUDr. Jaromír Gumulec, Ph.D. (předseda)
doc. Mgr. Ing. Karel Sedlář, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Kateřina Šabatová (člen)
Ing. Lucie Šaclová, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Odstrčilík, Ph.D. (člen)
Ing. et Ing. Michal Nohel (člen)

Supervisor’s report
Ing. Tobiáš Goldschmidt

Študent Martin Halvát sa v bakalárskej práci venuje analýze HRV parametrov počas záťaže. V teoretickej časti práce študent popisuje záťaž z pohľadu autonómneho nervového systému a monitoring srdečnej aktivity. Ďalej nadväzuje praktickou časťou v rámci ktorej realizoval vlastné meranie záťažového 12 svodového EKG, jednosvodového EKG a PPG. Záznamy následne synchronizoval, detekoval v nich RR intervaly (resp. IBI), záznamy RR intervalov očistil o artefakty a následne vypočítal vybrané HRV parametry. V praktickej časti tiež oceňujem vlastný prístup k detekcii pulznej vlny a hodnotenie kvality signálu RR intervalov pre ďalšie spracovanie.
Práca je písaná čítavo, text je zrozumiteľný a jasne popisuje spomínanú problematiku. Výčitky však mám voči formálnej stránke, v práci sa nachádza niekoľko neformálnejších formulácií či slov ako napríklad „minely“ v kapitole 3.5. Tieto menej formálne formulácie však neznižujú výpovednú hodnotu práce.
Študent pracuje s literatúrou na dostatočnej úrovni pre bakalársku prácu. Citácie sú použité vhodne a pre prácu sú releventné.
Najväčšiu výhodu práce vnímam v možnosti jej praktického využitia. Analýza záťaže pomocou HRV je momentálne aktuálne téma a využitie rôznych parametrov je často diskutované. Výsledky tejto práce pomáhajú vymedziť možnosti využitia týchto parametrov.
Študent pracoval počas tvorby práce aktívne a iniciatívne pracoval na meraní dát potrebných pre vytvorenie tejto práce. Počas tvorby práce študent pracoval samostatne, avšak s blížiacim sa termínom odovzdania sa miera konzultácií výrazne zvyšovala. Tento fakt však nehodnotím negatívne, nakoľko dotazy boli vhodné a ich spracovanie bezproblémové.
Zadanie považujem za splanené a celkovo vnímam prácu samotnú, ako aj prácu študenta počas celého roku kladne. Prácu hodnotím za A, 90 bodov. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Lucie Šaclová, Ph.D.

Bakalářská práce se zabývá možnostmi využití parametrů variability srdeční frekvence pro monitoraci intenzity zátěže během sportovní aktivity. Teoretická část práce obsahuje kvalitní literární rešerši témat z diskutované oblasti. Pro praktickou část práce student v laboratoři realizoval velké množství spiroergometrických zátěžových testů na bicyklovém ergometru, vytvořil algoritmy pro zpracování signálů zahrnující synchronizaci dat, detekci srdečních cyklů, filtraci artefaktů a výpočet HRV parametrů. Následně porovnal kvalitu a využitelnost dat získaných při spiroergometrickém testu z referenčního 12svodového EKG, hrudního pásu Polar H10 a optického senzoru Polar Verity Sense. Pro tento účel sledoval nejen hodnotu tepové frekvence, ale také počet validních oken pro výpočet HRV parametrů. V další části práce jsou zhodnoceny možnosti využití parametru DFA alpha1, vypočteného z dat získaných z různých zařízení, pro odhad metabolických prahů. Oceňuji, že student nehodnotil pouze korelaci nebo obecný trend, ale také praktickou přesnost odhadu (hodnocení procenta odhadů do 5 a 10 tepů), i přesto bych ale ocenila uvedení výsledků pro každý subjekt. Po formální stránce se práce na dobré úrovni a je psaná čtivě. Práci hodnotím stupněm A, 90 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Jaká jsou podle Vašeho názoru hlavní omezení využití parametru DFA alpha1 pro stanovení metabolických prahů v běžné sportovní praxi?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová