The MSPTDfast photoplethysmography beat detection algorithm: design, benchmarking, and open-source distribution
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Date
2025-03-11
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Publisher
IOP Publishing Ltd.
Abstract
Objective: photoplethysmography is widely used for physiological monitoring, whether in clinical devices such as pulse oximeters, or consumer devices such as smartwatches. A key step in the analysis of photoplethysmogram (PPG) signals is detecting heartbeats. The multi-scale peak & trough detection (MSPTD) algorithm has been found to be one of the most accurate PPG beat detection algorithms, but is less computationally efficient than other algorithms. Therefore, the aim of this study was to develop a more efficient, open-source implementation of the MSPTD algorithm for PPG beat detection, named MSPTDfast (v.2). Approach. five potential improvements to MSPTD were identified and evaluated on four datasets. MSPTDfast (v.2) was designed by incorporating each improvement which on its own reduced execution time whilst maintaining a high F1-score. After internal validation, MSPTDfast (v.2) was benchmarked against state-of-the-art beat detection algorithms on four additional datasets. Main results. MSPTDfast (v.2) incorporated two key improvements: pre-processing PPG signals to reduce the sampling frequency to 20 Hz; and only calculating scalogram scales corresponding to heart rates >30 bpm. During internal validation MSPTDfast (v.2) was found to have an execution time of between approximately one-third and one-twentieth of MSPTD, and a comparable F1-score.
Description
Objetivo: la fotopletismografía se utiliza ampliamente para la monitorización fisiológica, ya sea en dispositivos clínicos, como los pulsioxímetros, o de consumo, como los smartwatches. Un paso clave en el análisis de las señales de fotopletismograma (PPG) es la detección de los latidos del corazón. El algoritmo de detección de picos y valles multiescala (MSPTD) es uno de los algoritmos de detección de latidos PPG más precisos, pero es menos eficiente desde el punto de vista computacional que otros algoritmos. Por lo tanto, el objetivo de este estudio era desarrollar una implementación de código abierto más eficiente del algoritmo MSPTD para la detección de latidos PPG, denominada MSPTDfast (v.2). Se identificaron cinco posibles mejoras de MSPTD y se evaluaron en cuatro conjuntos de datos. MSPTDfast (v.2) se diseñó incorporando cada una de las mejoras que, por sí solas, reducían el tiempo de ejecución manteniendo una puntuación F1 alta. Tras la validación interna, MSPTDfast (v.2) se comparó con los algoritmos más avanzados de detección de latidos en otros cuatro conjuntos de datos. Resultados principales. MSPTDfast (v.2) incorporó dos mejoras clave: el preprocesamiento de las señales PPG para reducir la frecuencia de muestreo a 20 Hz; y el cálculo únicamente de las escalas de escalograma correspondientes a frecuencias cardiacas >30 lpm. Durante la validación interna se comprobó que MSPTDfast (v.2) tenía un tiempo de ejecución de aproximadamente entre un tercio y una vigésima parte de MSPTD, y una puntuación F1 comparable.
Keywords
atrial fibrillation, beat detection, heart rate, interbeat interval, patient monitoring, signal processing, wearable devices
Citation
Charlton, P. H., Argüello-Prada, E. J., Mant, J., & Kyriacou, P. A. (2025). The MSPTDfast photoplethysmography beat detection algorithm: design, benchmarking, and open-source distribution. Physiological Measurement, 46(3). https://doi.org/10.1088/1361-6579/adb89e