TF-IG: 시간 영역과 주파수 영역을 상호작용 게이트로 결합한 경량 PPG 심박수 추정 모델
Interaction-Gated Time-Frequency Learning for Parameter-Efficient PPG-Based Heart Rate Estimation
TF-IG는 PPG(광용적맥파) 신호에서 심박수를 추정하는 파라미터 효율적 모델로, 시간 영역 분기와 주파수 영역 분기를 상호작용 게이트 융합 모듈로 결합한다. BIDMC PPG and Respiration Dataset에서 평균절대오차(MAE) 1.227 BPM, RMSE 2.060 BPM, 피어슨 상관계수 0.9934를 기록했으며 파라미터 수는 84.6K이다. 시간 분기는 확장 깊이별 분리 합성곱(dilated depthwise-separable convolution)으로 맥파 형태를 포착하고, 주파수 분기는 범위가 제한된 로그 스펙트로그램에서 심장 주기성 정보를 추출한다. 상호작용 게이트 융합 모듈은 두 영역 특징의 일치와 불일치를 명시적으로 모델링하며 특징별 가중치를 학습해 시간·스펙트럼 정보의 비율을 조절한다. 실험은 피험자 단위로 학습·검증·테스트를 분리하는 프로토콜로 수행됐으며, 추정값의 92.28%가 실제 값과 3 BPM 이내였다. 절제 실험에서는 시간 분기, 주파수 분기, 상호작용 게이트 융합, 공유 회귀 헤드 각각의 기여가 확인됐다.
84.6K 파라미터의 경량 구조와 BIDMC 데이터셋에서의 MAE 1.227 BPM 결과는 웨어러블·저전력 기기에서 PPG 기반 심박수 모델을 설계할 때 정확도와 연산량의 절충점을 가늠하는 기준이 된다.
원문 출처
arXiv cs.LG (머신러닝)