Bachelor's Thesis

Estimation of systolic volume from photoplethysmographic data

Final Thesis 16.5 MB Appendix 61.97 kB

Author of thesis: Bc. Jakub Hekal

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Šíma

Reviewer: doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis focuses on determining systolic volume from continuous photoplethysmography signals. The introductory section of the thesis includes a literature
review focusing on the characteristics of systolic volume, its clinical significance, and an
overview of both invasive and non-invasive methods for measuring it. It further describes
the biological and physical principles of photoplethysmography, including the morphology
of the PPG signal and its derivatives. The experimental section involves the measurement of PPG signals and reference values of systolic volume in a group of subjects
under various conditions. The acquired data were subsequently preprocessed, filtered,
and analyzed using algorithms for detecting key points on the PPG curve. Morphological, temporal, and integration features were extracted and served as inputs for machine
learning regression models and a convolutional neural network designed to estimate systolic volume. The results of the individual approaches were compared with reference
values and evaluated using selected error metrics. The results achieved highlight the
potential of photoplethysmography for non-invasive monitoring of systolic volume, while
also confirming the limitations caused by the variability and sensitivity of the PPG signal.

Keywords:

photoplethysmography, systolic volume, hemodynamics, machine learning

Date of defence

17.06.2026

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. Doc. Kolářová položila otázku na možnost zanesení chyby při nesprávném určení a synchronizaci dat. Doc. Rožánek položil otázku na očekávanou přesnost meření objemu z hlediska využití Finapress systému. Jak byla řešena etická stránka měření. Ing. Smíšek položil otázku na využití konvoluční neuronové sítě při nízkém počtu pacientů a jejich rozdělení. Ing. Šabatová položila otázku na navrhovanou změnu limitace práce pomocí řízené dynamické změny SV. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

doc. Ing. Martin Rožánek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Zuzana Nováková, Ph.D. (člen)
Ing. Kateřina Šabatová (člen)
Ing. Radovan Smíšek, Ph.D. (člen)
Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Šíma

Bakalářská práce Jakuba Hekala se zabývá stanovením systolického objemu z kontinuálních signálů fotopletysmografie. Práce je logicky členěna do osmi kapitol a obsahuje přibližně 44 stran vlastního textu (Úvod–Závěr), což odpovídá standardnímu rozsahu bakalářské práce. Teoretická část je zpracována na vysoké odborné úrovni a poskytuje přehled metod stanovení systolického objemu, klinického významu tohoto parametru, principů fotopletysmografie i základů strojového učení. Pozitivně hodnotím zejména propojení medicínské problematiky s metodami zpracování biosignálů a strojového učení. Některé pasáže teoretické části, především kapitola věnovaná metodám strojového učení, jsou však poměrně rozsáhlé a místy působí spíše jako obecný přehled než jako rešerše přímo navázaná na řešený problém. Celkově je však prezentační úroveň práce velmi dobrá a jednotlivé kapitoly na sebe logicky navazují.
V praktické části se student aktivně účastnil experimentálního měření fotopletysmografických signálů a referenčních hodnot systolického objemu u skupiny dobrovolníků za různých podmínek. Následně provedl předzpracování signálů, návrh algoritmů pro detekci klíčových bodů PPG křivky, extrakci příznaků a implementaci několika modelů strojového učení včetně konvoluční neuronové sítě. Metodika práce je popsána dostatečně podrobně a je vhodně doplněna schématy, obrázky a tabulkami. Kladně hodnotím systematický přístup k výběru příznaků, využití křížové validace i porovnání více predikčních modelů. Výsledky jsou prezentovány přehledně a jsou podloženy vhodnými statistickými metrikami.
Z formálního a jazykového hlediska je práce na velmi dobré úrovni. Text je přehledný, odborně formulovaný a grafická úprava odpovídá požadavkům kladeným na závěrečné práce. Obrázky, tabulky i rovnice jsou vhodně zařazeny do textu a podporují jeho srozumitelnost. V práci se však objevují drobné stylistické nedostatky, místy delší a hůře čitelné věty či drobné jazykové nepřesnosti. Tyto nedostatky však nemají zásadní vliv na celkovou kvalitu zpracování.
Práce využívá rozsáhlé množství odborných zdrojů, převážně zahraničních článků a publikací z oblasti hemodynamiky, fotopletysmografie a strojového učení. Literární rešerše je zpracována pečlivě a poskytuje dostatečný teoretický základ pro řešenou problematiku.
Za největší přínos práce považuji její praktické zaměření a vlastní realizační výstupy. Student navrhl a implementoval kompletní zpracovatelský řetězec od akvizice dat přes extrakci příznaků až po návrh predikčních modelů. Součástí práce je porovnání klasických regresních metod a hlubokých neuronových sítí pro odhad systolického objemu. Přestože dosažené výsledky ukazují limity dané velikostí a variabilitou datového souboru, práce potvrzuje potenciál využití fotopletysmografie pro neinvazivní monitorování hemodynamických parametrů. Vytvořené algoritmy a zpracovatelské postupy mohou sloužit jako vhodný základ pro navazující výzkum v této oblasti.
Rovněž chci pochválit studenta, že vedl celý akademický rok skupinu mladších studentů v projektu měření baroreflexní senzitivity u obézních dětí a zpracoval článek na téma BP na konferenci EEICT.
Student během semestru pracoval aktivně, pravidelně konzultoval postup řešení, podílel se na realizaci experimentálních měření a samostatně řešil implementaci jednotlivých algoritmů i následnou analýzu dat. Kladně hodnotím zejména jeho iniciativní přístup při zpracování rozsáhlého množství dat a schopnost samostatně nastudovat a aplikovat pokročilé metody strojového učení. Bakalářská práce je svým zpracováním nadprůměrná. Zadání práce považuji za splněné ve všech bodech a práci hodnotím 98 body, známka A. Points proposed by supervisor: 98

Grade proposed by supervisor: A

Předložená bakalářská práce studenta Jakuba Hekala je zameřena na stanovení odhadu systolického objemu ze signálu fotopletysmografie. Studentova práce je rozdělena na teoretickou a praktickou část.
Teoretická část je zpracována přehledně a systematicky z velkého množství literárních pramenů. Autor shrnul současné metody stanovení systolického objemu a podrobně popsal principy i možnosti analýzy fotopletysmografického signálu. Také prostudoval metody strojového učení včetně popisu a výběrů příznaků.
Praktická část obsahuje popis experimentální části včetně protokolu měření, které bylo schváleno Etickou komisí. Student se podílel i na experimentálních měření 20 subjektů, přičemž část dat z 10 měření zpracovával v rámci bakalářské práce. Dále je popsán soubor dat, postup zpracování včetně názorných popisných obrázků a ukázek dat a podrobný popis práce s příznaky, křížovou validací, regresních modelů včetně využití konvoluční neuronové sítě. V kapitole 7 je pak uveden podrobný přehled srovnání výsledků pro regresní modely s různými kombinacemi příznaků, výsledky konvolučních neuronových sítí. Také student uvedl studii, kdy data od 10 probandů (ve věku 20-30 let) doplnil o data od 18 dětských probandů, jejichž věkové rozmezí není uvedeno. Diskuze nad problémem odhadu systolického objemu pomocí uvedených přístupů v kapitole 8 je věcná a obsahuje konkrétní závěry.
Po formální stránce je práce zpracována velmi pečlivě, text je srozumitelný a věcný v přiměřené délce, je logicky sestaven a je doplněn odpovídajícími grafickými a tabulkovými výstupy. Práce splňuje zadání v plném rozsahu a svým rozsahem i kvalitou zpracování odpovídá požadavkům kladeným na bakalářské práce.
Jedinou výtkou je používání anglických textů v převzatých obrázcích, kdy by bylo vhodné české termíny dát alespoň do popisu obrázku.

Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení A – výborně. Topics for thesis defence:
  1. Můžete popsat synchronizaci dat podle referenčních dat z Finapres Nova?
Points proposed by reviewer: 95

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová