R Package Boxfilter: Neuer digitaler Filter erleichtert die Gewinnung von sauberen Herzfrequenzdaten

Am Forschungsinstitut für Wildtierkunde und Ökologie (FIWI) der Veterinärmedizinischen Universität Wien wurde mit dem „R Package Boxfilter“ ein neuartiger digitaler Filter entwickelt, der die Herzfrequenzen anhand von Datendichten filtert und bisherigen Methoden überlegen ist. 

Auch eine Anwendung auf andere Messdaten wie Temperatur und Blutdruck ist laut den Forscher:innen möglich.

In den letzten Jahrzehnten hat das Interesse an Langzeitaufzeichnungen der Herzfrequenz, insbesondere bei freilebenden Tieren, zugenommen. Dieser Trend ist vor allem darauf zurückzuführen, dass der größte Teil des Gewebestoffwechsels auf der Sauerstoffzufuhr durch das Herz beruht. Daher dient die Herzfrequenz als Indikator für den Energieverbrauch bei Tieren.

Die Herzfrequenz oder andere physiologische Variablen, die bei Menschen und Tieren mit Hilfe von Loggern aufgezeichnet werden, enthalten jedoch häufig Rauschen, insbesondere durch verschiedene Umwelteinflüsse.

 Solche Messungen werden von Hand oder durch Filter eliminiert, die Variablen auf der Grundlage der Form oder Frequenz des Signals ausschließen. Manche Ausreißer werden auch deshalb ausgeschieden, weil sie in großer Entfernung von den echten Daten auftreten.

R Package Boxfilter eliminiert irrelevantes Rauschen

Ein Team der Vetmeduni hat nun einen digitalen Filter entwickelt, um genauer und effizienter als bisher saubere Daten zu gewinnen. 

Thomas Ruf vom FIWI, der das dem Filter zugrunde liegende Computerprogramm geschrieben hat, erklärt die Funktionsweise: „Der von uns entwickelte R Package Boxfilter ermöglicht es den Benutzer:innen, Rauschen zu eliminieren, indem es die Anzahl der nahen Nachbarn innerhalb eines gleitenden Fensters zählt. Je nach gewähltem Grenzwert wird ein Brennpunkt mit einem geringen Anteil an Nachbarn als Rauschen ausgeschieden.“

Auch für die Anwendung auf weitere Messwerte gut geeignet

Alle drei für die Datenbereinigung genützten Parameter – Fensterbreite und -höhe sowie der Cut-off-Wert – können automatisch berechnet werden. Entscheidend für die Qualität der Enddaten ist laut den Wissenschafter:innen die Wahl des Cut-off-Werts, ab dem Datenpunkte verworfen werden.

Wie das menschliche Auge bevorzugt der Filter Punkte, die Teil eines Musters sind, wie z. B. ein dichtes Band, und verwirft isolierte Werte. Der Boxfilter kann auch auf andere Messwerte als die Herzfrequenz angewendet werden, wie Körpertemperatur, Blutdruck oder Schlafparameter.

Für die Entwicklung des Filters sammelten die Forscher:innen die Herzfrequenzen von Wildschweinen und evaluierten den Boxfilter. Gefördert wurde die Entwicklung des R Package Boxfilters von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG sowie von den Bundesländern Niederösterreich und Wien.

Publikation

Der Artikel „Filtering heart rates using data densities: The boxfilter R package “ von Thomas Ruf, Claudio Signer, Walter Arnold, Sebastian G. Vetter und Claudia Bieber wurde in „Methods in Ecology and Evolution“ veröffentlicht.