Development and validation of a controlled bench-test setup for PPG-based heart-rate sensors
2026 (English)Independent thesis Basic level (degree of Bachelor of Fine Arts), 10 credits / 15 HE credits
Student thesisAlternative title
Utveckling och validering av en kontrollerad testuppställning för PPG-baserad pulsmätare (Swedish)
Abstract [en]
Photoplethysmography (PPG) based heart rate monitors are now used by hundreds of millions of people, yet their accuracy is known to degrade with motion and exercise intensity, and validating them on human subjects introduces uncontrollable variability between wearers. Existing controlled bench-test approaches address this only partially, having been tested at low to moderate heart rates and not across a range of commercial devices. This thesis develops and validates a controlled bench-test setup that acts as a repeatable PPG signal source for wrist worn monitors. Two approaches were built in parallel, a light emitting setup that generates a synthesized PPG signal through a MOSFET transistor-gated LED, and a light modulating setup that attenuates the device’s own emitted light through a twisted-nematic LCD shutter. Both were calibrated to a physiological target and driven by an arbitrary function generator. The setups were validated against a known reference at 60, 90, 120, 180 and 210 bpm across four commercial devices (Polar Verity Sense, Apple Watch Series 9, Garmin Forerunner 255 and Wahoo TICKR Fit) over three repeats. Every device detected input and reported a heart rate, tracking within ±1 bpm for most attempts and deviating by at most 3 bpm at the highest rate. The light modulating setup proved the simpler and more robust of the two. Both are therefore validated as reference sources removing the wearer's variability of on-subject testing and enabling commercial monitors to be driven through dynamic patterns of exercise.
Abstract [sv]
Pulsmätare baserade på fotopletysmografi (PPG) används idag av hundratals miljoner människor, men deras noggrannhet är känd för att försämras vid rörelse och ökad träningsintensitet, och validering på mänskliga försökspersoner medför en okontrollerbar variation mellan bärare. Befintliga kontrollerade testuppställningar löser detta endast delvis, då de testas vid låga till måttliga hjärtfrekvenser och inte över ett urval av kommersiella enheter. Detta examensarbete utvecklar och validerar en kontrollerad testuppställning som fungerar som en repeterbar PPG signalkälla för handledsburna pulsmätare. Två metoder byggdes parallellt, en ljusemitterande testuppställning som genererar en syntetiserad PPG signal via en MOSFET transistor-styrd lysdiod och en ljusmodulerande testuppställning som dämpar enhetens egna utsända ljus. Båda kalibrerades mot en fysiologiskt relevant nivå och drevs av en funktionsgenerator. Uppställning validerades mot en känd referens vid 60, 90, 120, 180 och 210 bpm för fyra kommersiella enheter (Polar Verity Sense, Apple Watch Series 9, Garmin Forerunner 255 och Wahoo TICKR Fit) över tre upprepningar. Samtliga enheter detekterade insignalen och rapporterade en hjärtfrekvens i överensstämmelse med referensen, med en avvikelse inom ±1 bpm för de flesta försök och som mest 3 bpm vid den högsta frekvensen. Den ljusmodulerade testuppställning visade sig vara den enklare och mer robusta av de två. Båda är därmed validerade som referenskällor som tar bort variationen mellan tester på individer och möjliggör att kommersiella pulsmätare kan drivas genom dynamiska träningsmönster.
Place, publisher, year, edition, pages
2026.
Series
TRITA-CBH-GRU ; 2026:319
Keywords [en]
photoplethysmography, PPG, heart rate monitoring, wearable sensors, wrist-worn devices, bench-test, LCD shutter, twisted nematic, validation
Keywords [sv]
fotopletysmografi, PPG, pulsmätning, bärbara sensorer, handledsburna pulsmätare, bänktest, LCD-slutare, twisted nematic, validering
National Category
Medical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-387299OAI: oai:DiVA.org:kth-387299DiVA, id: diva2:2093751
Educational program
Bachelor of Science in Engineering - Medical Technology
Supervisors
Examiners
2026-08-312026-08-192026-08-31Bibliographically approved