Individual identification via electrocardiogram analysis

Background: During last decade the use of ECG recordings in biometric recognition studies has increased. ECG characteristics made it suitable for subject identification: it is unique, present in all living individuals, and hard to forge. However, in spite of the great number of approaches found in literature, no agreement exists on the most appropriate methodology. This study aimed at providing a survey of the techniques used so far in ECG-based human identification. Specifically, a pattern recognition perspective is here proposed providing a unifying framework to appreciate previous studies and, hopefully, guide future research. Methods: We searched for papers on the subject from the earliest available date using relevant electronic databases (Medline, IEEEXplore, Scopus, and Web of Knowledge). The following terms were used in different combinations: electrocardiogram, ECG, human identification, biometric, authentication and individual variability. The electronic sources were last searched on 1st March 2015. In our selection we included published research on peer-reviewed journals, books chapters and conferences proceedings. The search was performed for English language documents. Results: 100 pertinent papers were found. Number of subjects involved in the journal studies ranges from 10 to 502, age from 16 to 86, male and female subjects are generally present. Number of analysed leads varies as well as the recording conditions. Identification performance differs widely as well as verification rate. Many studies refer to publicly available databases (Physionet ECG databases repository) while others rely on proprietary recordings making difficult them to compare. As a measure of overall accuracy we computed a weighted average of the identification rate and equal error rate in authentication scenarios. Identification rate resulted equal to 94.95 % while the equal error rate equal to 0.92 %. Conclusions: Biometric recognition is a mature field of research. Nevertheless, the use of physiological signals features, such as the ECG traits, needs further improvements. ECG features have the potential to be used in daily activities such as access control and patient handling as well as in wearable electronics applications. However, some barriers still limit its growth. Further analysis should be addressed on the use of single lead recordings and the study of features which are not dependent on the recording sites (e.g. fingers, hand palms). Moreover, it is expected that new techniques will be developed using fiducials and non-fiducial based features in order to catch the best of both approaches. ECG recognition in pathological subjects is also worth of additional investigations

Biometric authentication and identification through electrocardiogram signals

Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasO reconhecimento biométrico tem sido alvo de diversas investigações ao longo dos anos, sendo a impressão digital, a face e a iris, os traços biométricos mais explorados. Apesar do seu elevado potencial no que diz respeito a possíveis aplicações tecnológicas, alguns estudos apresentam limitações a estes traços biométricos, nomeadamente a falta de fiabilidade e praticidade num sistema biométrico. Recentemente, vários estudos exploraram o potencial do uso do electrocardiograma (ECG) como traço biométrico, por ser único e singular para cada indivíduo, e dificilmente roubado por outrem, por ser um sinal fisiológico. Nesta dissertação, foi investigada a possibilidade de usar sinais ECG como traço biométrico para sistemas de identificação e autenticação biométrica. Para tal, recorreu-se a uma base de dados pública chamada Check Your Biosignals Here initiative (CYBHi), criada com o intuito de propiciar investigações biométricas. As sessões de aquisição contaram com 63 participantes e ocorreram em dois momentos distintos separados por três meses, numa modalidade “off-the-person”, com recurso a um elétrodo na palma da mão e eletrolicras nos dedos. Os sinais da primeira aquisição correspondem, num sistema biométrico, aos dados armazenados na base de dados, enquanto que os sinais da segunda aquisição correspondem aos dados que serão identificados ou autenticados pelo sistema. Os sistemas de identificação e autenticação biométrica propostos nesta dissertação incluem diferentes fases: o pré-processamento, o processamento e a classificação. O pré-processamento consistiu na aplicação de um filtro passa-banda IIR de 4ª ordem, para eliminar ruídos e artefactos provenientes de atividade muscular e da impedância elétrica dos aparelhos de aquisição. A fase de processamento consistiu em extrair e gerar os templates biométricos, que serão os inputs dos algoritmos de classificação. Primeiramente, extraíram-se os ciclos cardíacos através do Neurokit2 disponível no Python. Para tal, foram localizados os picos R dos sinais ECG e, posteriormente, estes foram segmentados em ciclos cardíacos, com 200 amostras antes e 400 amostras depois dos picos. Com o objetivo de remover os segmentos mais ruidosos, os ciclos cardíacos foram submetidos a um algoritmo de eliminação de segmentos que consistiu em encontrar, para cada sujeito, os 20 e 60 ciclos mais próximos entre si, designados de Set 1 e Set 2, respetivamente. A partir desses dois conjuntos de ciclos, criaram-se dois tipos de templates: 1) os ciclos cardíacos, e 2) escalogramas gerados a partir dos ciclos, através da transformada de wavelet contínua, com dois tamanhos distintos: 56x56 e 224x224, denominados por Size 56 e Size 224, respetivamente. Devido ao elevado tamanho dos escalogramas, foi utilizada a analise de componentes independentes para reduzir a dimensionalidade. Assim, os sistemas biométricos propostos na presente investigação, foram testados com os conjuntos de 20 e 60 templates, quer para ciclos quer para escalogramas, de forma a avaliar o desempenho do sistema quando usados mais ou menos templates para os processos de identificação e autenticação. Os templates foram também testados com e sem normalização, para que pudessem ser analisados os benefícios deste processo. A classificação foi feita através de diferentes métodos, testados numa modalidade “entre-sessões”, isto é, os dados da 2ª aquisição, considerados os dados de teste, foram comparados com os dados da 1ª aquisição, denominados dados de treino, de forma a serem classificados. Quanto ao sistema de identificação com ciclos cardíacos, foram testados diferentes classificadores, nomeadamente LDA, kNN, DT e SVM. Para o kNN e SVM, foi feita uma otimização para encontrar o valor de “k” e os valores de γ e C, respetivamente, que permitem o sistema alcançar o melhor desempenho possível. A melhor performance foi obtida através do LDA, alcançando uma taxa de identificação de 79,37% para a melhor configuração, isto é, usando 60 ciclos normalizados. Os templates com base em escalogramas foram testados como inputs para dois métodos distintos: 1) redes neuronais e 2) algoritmo baseado em distâncias. A melhor performance foi uma taxa de identificação de 69,84%, obtida quando usados 60 escalogramas de tamanho 224, não normalizados. Deste modo, os resultados relativos a identificação provaram que utilizar mais templates (60) para identificar um indivíduo otimiza a performance do sistema biométrico, independentemente do tipo de template utilizado. Para alem disto, a normalização mostrou-se um processo essencial para a identificação com ciclos cardíacos, contudo, tal não se verificou para escalogramas. Neste estudo, demonstrou-se que a utilização de ciclos tem mais potencial para tornar um sistema de identificação biométrica eficiente, do que a utilização de escalogramas. No que diz respeito ao sistema de autenticação biométrica, foi utilizado um algoritmo baseado em distâncias, testado com os dois tipos de templates numa configuração concatenada, isto é, uma configuração na qual cada sujeito e representado por um sinal que contém uma sequência de todos os seus templates, seguidos uns dos outros. A avaliação da performance do sistema foi feita com base nos valores de taxa de autenticação e taxa de impostores, que indicam o número de indivíduos corretamente autenticados face ao número total de indivíduos, e o número de impostores autenticados face ao número total de indivíduos, respetivamente. Os ciclos cardíacos foram testados com e sem redução de dimensionalidade, sendo que a melhor performance foi obtida usando 60 ciclos não normalizados sem redução de dimensionalidade. Para esta configuração, obteve-se uma taxa de autenticação de 90,48% e uma taxa de impostores de 13,06%. Desta forma, concluiu-se que reduzir a dimensionalidade dos ciclos cardíacos prejudica o desempenho do sistema, uma vez que se perdem algumas características indispensáveis para a distinção entre sujeitos. Para os escalogramas, a melhor configuração, que corresponde ao uso de 60 escalogramas normalizados de tamanho 56, atingiu uma taxa de autenticação de 98,42% e uma taxa de impostores de 14,34%. Sendo que a dimensionalidade dos escalogramas foi reduzida com recurso a ICA, foi ainda avaliada a performance do sistema quando reduzido o número de componentes independentes. Os resultados mostraram que um número de componentes igual ao número de sujeitos otimiza o desempenho do sistema, uma vez que se verificou um decréscimo da taxa de autenticação quando reduzido o número de componentes. Assim, concluiu-se que são necessárias 63 componentes independentes para distinguir corretamente os 63 sujeitos. Para a autenticação através de ciclos cardíacos, a normalização e a redução de dimensionalidade são dois processos que degradam a performance do sistema, enquanto que, quando utilizados escalogramas, a normalização e vantajosa. Os resultados obtidos provaram ainda que, contrariamente ao que acontece para processos de identificação, a utilização de escalogramas e uma abordagem mais eficiente e eficaz para a autenticação de indivíduos, do que a utilização de ciclos. Esta investigação comprovou o potencial do ECG enquanto traço biométrico para identificação e autenticação de indivíduos, fazendo uma análise comparativa entre diferentes templates extraídos dos sinais ECG e diferentes metodologias na fase de classificação, e avaliando o desempenho do sistema em cada uma das configurações testadas. Estudos anteriores apresentaram algumas limitações, nomeadamente, o uso de aquisições “on-the-person”, ˜ que apresentam pouco potencial para serem integradas em sistemas biométricos devido à baixa praticidade, e à classificação numa modalidade “intra-sessão”, na qual os dados classificados e os dados armazenados foram adquiridos numa só sessão. Este estudo preenche essas lacunas, visto que utilizou dados adquiridos “off-the-person”, dados esses que foram testados numa modalidade “entre-sessões”. Apesar das aquisições ˜ “off-the-person” estarem sujeitas a mais ruídos e, consequentemente, dificultarem processos de identificação ou autenticação, estas abordagens são as mais adequadas para sistemas biométricos, dada a sua possível integração nas mais diversas aplicações tecnológicas. A modalidade “entre-sessões” resulta também numa pior performance relativamente a utilização de sinais de uma só sessão. No entanto, permite comprovar a estabilidade do ECG ao longo do tempo, o que é um fator indispensável para o funcionamento adequado de um sistema biométrico, uma vez que o mesmo terá que comparar diversas vezes o ECG apresentado no momento de identificação ou autenticação, com o ECG armazenado uma única vez na base de dados. Apesar dos bons resultados apresentados nesta dissertação, no futuro devem ser exploradas bases de dados que contenham mais participantes, com uma faixa etária mais alargada, incluindo participantes com diversas condições de saúde, com aquisições separadas por um período de tempo mais longo, de forma a simular o melhor possível a realidade de um sistema biométrico.Biometrics is a rapidly growing field with applications in personal identification and authentication. Over the recent years, several studies have demonstrated the potential of Electrocardiogram (ECG) to be used as a physiological signature for biometric systems. In this dissertation, the possibility of using the ECG signal as an unequivocal biometric trait for identification and authentication purposes has been presented. The ECG data used was from a publicly available database, the Check Your Biosignals Here initiative (CHBYi) database, developed for biometric purposes, containing records of 63 participants. Data was collected through an off-the-person approach, in two different moments, separated by three months, resulting in two acquisitions per subject. Signals from the first acquisition represent, in a biometric system, the data stored in the database, whereas signals from the second acquisition represent the data to be authenticated or identified. The proposed identification and authentication systems included several steps: signal pre-processing, signal processing, and classification. In the pre-processing phase, signals were filtered in order to remove noises, while the signal processing consisted of extracting and generating the biometric templates. For that, firstly, the cardiac cycles were extracted from the ECG signals, and segment elimination was performed to find the segments more similar to one another, resulting in two sets of templates, with 20 and 60 templates per participant, respectively. After that, two types of templates were generated: 1) templates based on cardiac cycles, and 2) templates based on scalograms generated from the cardiac cycles, with two different sizes, 56x56 and 224x224. Due to the large size of the scalograms, ICA was applied to reduce their dimensionality. Thus, the biometric systems were evaluated with two sets of each type of template in order to analyze the advantages of using more or fewer templates per subject, and the templates were also tested with and without normalization. For the identification system using cardiac cycles, LDA, kNN, DT, and SVM were tested as classifiers in an “across-session” modality, reaching an accuracy of 79.37% for the best model (LDA) in the best configuration (60 normalized cardiac cycles). When using scalograms, two different methodologies were tested: 1) neural network, and 2) a distance-based algorithm. The best accuracy was 69.84% for 60 not-normalized scalograms of Size 224, using NN. Thus, results suggested that the templates based on cardiac cycles are a more promising approach for identification tasks. For the authentication, a distance-based algorithm was used for both templates. Cardiac cycles were tested with and without dimensionality reduction, and the best configuration (60 not-normalized cardiac cycles without dimensionality reduction) reached an accuracy of 90.48% and an impostor score of 13.06%. For the scalograms, the best configuration (60 normalized scalograms of Size 56) reached an accuracy of 98.42% and an impostor score of 14.34%. Therefore, using scalograms for the authentication task proved to be a more efficient and accurate approach. The results from this work support the claim that ECG-based biometrics can be successfully used for personal identification and authentication. This study brings novelty by exploring different templates and methodologies in order to perform a comparative analysis and find the approaches that optimize the performance of the biometric system. Moreover, this represents a step forward towards a real-world application of an ECG-based biometric system, mainly due to the use of data from off-the-person acquisitions in an across-session modality

Structural Generative Descriptions for Temporal Data

In data mining problems the representation or description of data plays a fundamental role, since it defines the set of essential properties for the extraction and characterisation of patterns. However, for the case of temporal data, such as time series and data streams, one outstanding issue when developing mining algorithms is finding an appropriate data description or representation. In this thesis two novel domain-independent representation frameworks for temporal data suitable for off-line and online mining tasks are formulated. First, a domain-independent temporal data representation framework based on a novel data description strategy which combines structural and statistical pattern recognition approaches is developed. The key idea here is to move the structural pattern recognition problem to the probability domain. This framework is composed of three general tasks: a) decomposing input temporal patterns into subpatterns in time or any other transformed domain (for instance, wavelet domain); b) mapping these subpatterns into the probability domain to find attributes of elemental probability subpatterns called primitives; and c) mining input temporal patterns according to the attributes of their corresponding probability domain subpatterns. This framework is referred to as Structural Generative Descriptions (SGDs). Two off-line and two online algorithmic instantiations of the proposed SGDs framework are then formulated: i) For the off-line case, the first instantiation is based on the use of Discrete Wavelet Transform (DWT) and Wavelet Density Estimators (WDE), while the second algorithm includes DWT and Finite Gaussian Mixtures. ii) For the online case, the first instantiation relies on an online implementation of DWT and a recursive version of WDE (RWDE), whereas the second algorithm is based on a multi-resolution exponentially weighted moving average filter and RWDE. The empirical evaluation of proposed SGDs-based algorithms is performed in the context of time series classification, for off-line algorithms, and in the context of change detection and clustering, for online algorithms. For this purpose, synthetic and publicly available real-world data are used. Additionally, a novel framework for multidimensional data stream evolution diagnosis incorporating RWDE into the context of Velocity Density Estimation (VDE) is formulated. Changes in streaming data and changes in their correlation structure are characterised by means of local and global evolution coefficients as well as by means of recursive correlation coefficients. The proposed VDE framework is evaluated using temperature data from the UK and air pollution data from Hong Kong.Open Acces

Gnu Health Monitoring module

This thesis focuses on the development of a GNU Health Module for electrocardiogram monitoring and the development of an application providing a fundamental electrocardiogram analysis. The theoretical part contains a brief introduction to hospital information systems including electronic patient record and healthcare data standards information, followed by a description of the GNU Health application and the implementation of the electrocardiogram analysis, written in the Python programming language. The practical part deals with the development of the GNU Health Monitoring module and the external application for signal analysis. The results, disscussion and the conclusion follow.This thesis focuses on the development of a GNU Health Module for electrocardiogram monitoring and the development of an application providing a fundamental electrocardiogram analysis. The theoretical part contains a brief introduction to hospital information systems including electronic patient record and healthcare data standards information, followed by a description of the GNU Health application and the implementation of the electrocardiogram analysis, written in the Python programming language. The practical part deals with the development of the GNU Health Monitoring module and the external application for signal analysis. The results, disscussion and the conclusion follow.

An Overview of Advances of Pattern Recognition Systems in Computer Vision

26 pagesFirst of all, let's give a tentative answer to the following question: what is pattern recognition (PR)? Among all the possible existing answers, that which we consider being the best adapted to the situation and to the concern of this chapter is: "pattern recognition is the scientific discipline of machine learning (or artificial intelligence) that aims at classifying data (patterns) into a number of categories or classes". But what is a pattern? A pattern recognition system (PRS) is an automatic system that aims at classifying the input pattern into a specific class. It proceeds into two successive tasks: (1) the analysis (or description) that extracts the characteristics from the pattern being studied and (2) the classification (or recognition) that enables us to recognise an object (or a pattern) by using some characteristics derived from the first task

The Emerging Wearable Solutions in mHealth

The marriage of wearable sensors and smartphones have fashioned a foundation for mobile health technologies that enable healthcare to be unimpeded by geographical boundaries. Sweeping efforts are under way to develop a wide variety of smartphone-linked wearable biometric sensors and systems. This chapter reviews recent progress in the field of wearable technologies with a focus on key solutions for fall detection and prevention, Parkinson’s disease assessment and cardiac disease, blood pressure and blood glucose management. In particular, the smartphone-based systems, without any external wearables, are summarized and discussed

Roadmap on signal processing for next generation measurement systems

Signal processing is a fundamental component of almost any sensor-enabled system, with a wide range of applications across different scientific disciplines. Time series data, images, and video sequences comprise representative forms of signals that can be enhanced and analysed for information extraction and quantification. The recent advances in artificial intelligence and machine learning are shifting the research attention towards intelligent, data-driven, signal processing. This roadmap presents a critical overview of the state-of-the-art methods and applications aiming to highlight future challenges and research opportunities towards next generation measurement systems. It covers a broad spectrum of topics ranging from basic to industrial research, organized in concise thematic sections that reflect the trends and the impacts of current and future developments per research field. Furthermore, it offers guidance to researchers and funding agencies in identifying new prospects.AerodynamicsMicrowave Sensing, Signals & System