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Herzschlag-Messung Videosoftware lässt Gesichtsfarbe pulsieren

Jeder Herzschlag verändert unsere Gesichtsfarbe; mit bloßem Auge ist das freilich kaum zu erkennen. MIT-Forscher haben nun eine Videosoftware entwickelt, die das Pulsieren des Blutes und sogar feine Atembewegungen sichtbar macht. Die Methode könnte die Überwachung von Patienten erleichtern.

50- bis 70-mal schlägt unser Herz pro Minute, wenn wir entspannt sind. Und genauso oft schießt sauerstoffreiches Blut durch unsere Adern. Man kann dies kaum sehen, aber sehr leicht fühlen - zum Beispiel am Handgelenk. Dort messen Mediziner in der Regel auch den Puls.

Doch die Herzfrequenz lässt sich auch mit einfachen Mitteln ganz ohne Körperberührung ermitteln, wie Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) nun demonstriert haben. Michail Rubinstein und seine Kollegen vom Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL ) nutzten dazu eine Software, die kleinste Veränderungen in Videobildern verstärkt und somit sichtbar macht. Im August wollen sie ihr Verfahren auf der Konferenz Siggraph  in Los Angeles vorstellen.

Mit bloßem Auge ist die minimale Veränderung der Gesichtsfarbe - hervorgerufen durch die pulsierende Blutzirkulation - nicht zu erkennen. Die von Rubinsteins Team entwickelte Methode - die Forscher nennen sie Eulersche Videoverstärkung  - fahndet nach minimalen Farbveränderungen, die sich periodisch wiederholen.

Ein Video besteht in der Regel aus 25 Einzelbildern pro Sekunde. Jeder Bildpunkt jedes Einzelbildes wird von der Software analysiert. Wenn sie dabei periodische Farbveränderungen erkennt, können diese gezielt verstärkt und zum eigentlichen Videobild hinzu addiert werden. Die minimalen Schwankungen werden so stark überhöht und sind leicht erkennbar.

Die Videoaufnahme einer Versuchsperson verdeutlicht das Prinzip: Die Gesichtsfarbe wechselt einmal pro Sekunde zwischen blass und kräftigem Dunkelrot hin und her. Dies entspricht genau der Herzfrequenz. Das mit jedem Herzschlag frisch gepumpte Blut macht das Gesicht roter - mit bloßem Auge ist die Veränderung jedoch nicht zu erkennen. Die MIT-Software macht sie sichtbar.

Pulsmessung per Videokamera

Die Forscher vergleichen ihre Software mit dem Equalizer eines Soundsystems. Er verstärkt ebenfalls bestimmte Frequenzen. Im Falle des Gesichts werden die Farbänderungen verstärkt, die in der Frequenz des Herzschlags auftreten. Die Software erlaubt es dem Benutzer, den zu verstärkenden Frequenzbereich und die Verstärkung selbst manuell festzulegen. Das Programm kann das Ergebnis sogar in Echtzeit anzeigen - direkt neben dem Video mit dem Quellmaterial.

Rubinsteins Team hat mit der Software Aufnahmen von zwei Erwachsenen, einer davon dunkelhäutig, und von einem Kind ausgewertet. In allen drei Fällen konnten die Forscher den Puls präzise messen. Bei dem Baby wurden die Werte zudem mit den Daten eines konventionellen Pulsmessers verglichen, mit dem das Neugeborene überwacht wurde. Die Herzfrequenz-Werte stimmten gut überein.

Mehr oder weniger zufällig haben die Forscher entdeckt, dass ihre Software noch mehr kann. Ursprünglich habe man nur minimale Farbänderungen verstärken wollen, berichtet Rubinstein. "Wir bemerkten aber den schönen Effekt, dass auch Bewegungen verstärkt werden." Dies habe man sich dann genauer angeschaut, um zu verstehen, wie dieser Effekt zustande kommt. Schließlich entstand so ein Verfahren, um kleinste Bewegungen in Videomaterial sichtbar zu machen.

Ein Beispiel dafür ist das gefilmte Handgelenk eines Menschen. Der Pulsschlag ist normalerweise mit bloßem Auge nicht zu erkennen - die Software verstärkt die Bewegung der Hautoberfläche jedoch so stark, dass sie gut sichtbar pulsiert. Ein anderes Video zeigt einen schlafenden Säugling. Dank der Software hebt und senkt sich sein Bauch beim Atmen deutlich. In Wahrheit ist die Bauchbewegung jedoch viel geringer und kaum erkennbar.

Um Bewegungen von Objekten in Videos festzustellen, suchen Forscher meist mit Software nach Verschiebungen größerer Pixelblöcke. Diese sogenannte Lagrange-Methode funktioniere bei starkem Bildrauschen und minimalen Bewegungen jedoch nicht so gut wie die nun entwickelte Eulersche Methode, schreiben die Forscher. Bei ihr werden ausschließlich Farbänderungen von Pixeln im Laufe der Zeit analysiert und keine Verschiebungen.

Die MIT-Forscher sehen die Zukunft ihres Verfahrens vor allem in der Medizin - bei der berührungslosen Überwachung von Patienten. Insbesondere Frühchen könnten von dem allein auf Videoanalyse beruhendem Monitoring profitieren. "Ihre Körper sind so empfindlich, dass man so wenig wie möglich Sensoren daran befestigt", sagt Rubinstein.

Die Kosten des Verfahrens sind laut Frédo Durand gering: "Man braucht eine Kamera und einen Computer", sagt er. Die Anwendung sei noch nicht einmal auf geringe Rechenpower optimiert und funktioniere bereits jetzt auf einem handelsüblichen Laptop in Echtzeit. "Bald wird es eine Version der Software für Mobilgeräte geben und die sollte dann auf einem gewöhnlichen Smartphone laufen."

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