Bachelor's Thesis

Validation of PPG Signal Quality from the Muse Headband

Final Thesis 4.59 MB Appendix 11.47 MB

Author of thesis: Bc. Jakub Řehůřek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Oto Janoušek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Vratislav Šálený, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the validation of photoplethysmographic (PPG) signal quality from the Muse wearable headband compared to the Biopac clinical reference system. The primary goal was to assess whether this commercial device can serve as a valid data source for biomedical research. As part of the solution, a Python-based computational pipeline was designed and implemented for precise synchronization of asynchronous recordings and automated extraction of physiological metrics. Experimental data collection was performed on 13 subjects during rest and controlled breathing. The results indicate that the Muse headband shows high agreement in temporal parameters such as heart rate and cardiac cycle length, making it suitable for monitoring heart rate variability in resting conditions. However, the thesis also revealed physical limitations of the device in detecting morphological features of the pulse wave and the dicrotic notch, which precludes its use for advanced diagnostics of arterial mechanics.

Keywords:

PPG, Muse headband, Biopac, biosignal quality, measurement synchronization, wearable electronics, heart rate variability, biomedical validation

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. Dr. Jurajda položil otázku jak byla prováděna synchronizace. Prof. Černý položil otázku jaká odchylka stisku je akceptovatelná, jak se dá využít informace zpoždění pulzní vlny. 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

prof. Ing. Martin Černý, Ph.D. (předseda)
Ing. Helena Vítková, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Michal Jurajda, Ph.D. (člen)
Ing. Oto Janoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Chmelík, Ph.D. (člen)
Ing. Lucie Šaclová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Oto Janoušek, Ph.D.

Student v práci validuje možnosti záznamu fotopletysmografického signálu z čela nositele čelenky Muse, která je moderním nástrojem pro multimodální akvizici biomedicínských dat. Práce je velmi dobře komponovaná hned od teoretického úvodu, jenž se kriticky zabývá jak samotnou čelenkou, tak odlišnostmi v morfologii fotopletysmografické křivky snímané z různých částí těla. V praktické části práce student vytvořil testovací systém umožňující současné snímání signálu z čelenky i profesionálního referenčního systému, následně naměřil dataset a signály v něm předzpracoval a synchronizoval mezi sebou. Nejobsáhlejší kapitola praktické části práce je pak věnována automatizovanému rozměření fotopletysmografické křivky a identifikaci jejích kruciálních bodů. Práci uzavírá důkladné statistické zhodnocení získaných metrik a jejich interpretace, včetně trojí validace kvality zahrnující technické, fyziologické a intraindividuální aspekty měření čelenkou Muse. Práce je čtivá, její prezentační i formální úroveň je vysoká a student využívá adekvátní množství literatury. Aplikační potenciál práce je vysoký, student svou práci prezentoval na soutěži EEICT. Zadání je zcela splněno a student na práci pracoval systematicky a samostatně po celou dobu. Points proposed by supervisor: 99

Grade proposed by supervisor: A

Bakalářská práce se zabývá tématem validace PPG signálu z komerčně dostupné čelenky Muse vůči referenčnímu systému Biopac. Autor kvalitně seznamuje čtenáře s možnostmi záznamu PPG signálu pomocí čelenky Muse a způsoby jeho integrace do prostředí Python. Navrhl a realizoval metody synchronizace záznamů z Muse a Biopacu. Provedl experimentální měření na vzorku 13 probandů v klidových podmínkách a při kontrolovaném dýchání. Vyhodnotil kvalitu signálu PPG získaného z Muse a porovnal jej se signálem z Biopacu za použití vhodných metrik. Správně provedl statistické srovnání kvality PPG signálu z Muse a Biopacu. Diskutoval možnosti a omezení využití Muse pro validní detekci PPG signálu v oblasti biomedicínského výzkumu. Zadání bylo splněno ve všech bodech. Práce má logickou strukturu, je formálně i graficky kvalitně zpracována a pracuje s vhodnou odbornou literaturou. Práci doporučuji k obhajobě. Pokud autor práce správně odpoví na otázky k obhajobě, doporučuji hodnocení známkou A. Topics for thesis defence:
  1. Které parametry PPG signálu z čelenky Muse považujete na základě dosažených výsledků za spolehlivě využitelné pro biomedicínský výzkum a které již nikoli? Blíže prosím vysvětlete rozdíl mezi časovými a morfologickými parametry PPG signálu.
  2. Jaký vliv měla použitá časová synchronizace záznamů Muse a Biopac na výslednou validaci a jak by se výsledky mohly změnit při méně přesné synchronizaci?
  3. Jak uvádíte, referenční systém Biopac zaznamenává signál se vzorkovací frekvencí 100 Hz, tedy s periodou vzorkování 10 ms, zatímco testovaná čelenka Muse se vzorkovací frekvencí 64 Hz, tedy s periodou vzorkování 15,625 ms. Jak může být tímto rozdílným vzorkováním ovlivněna přesnost verifikace časové synchronizace markerů v tabulce 6.1, ve které jsou uváděny odchylky Δt v rozmezí 0,4 až 8,2 ms s průměrnou odchylkou 4,7 ms?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová