Refine
Document Type
- Conference proceeding (17)
- Journal article (5)
- Book chapter (4)
Has full text
- yes (26) (remove)
Is part of the Bibliography
- yes (26)
Institute
- Informatik (26)
Publisher
- Springer (26) (remove)
Evaluation of a contactless accelerometer sensor system for heart rate monitoring during sleep
(2024)
The monitoring of a patient's heart rate (HR) is critical in the diagnosis of diseases. In the detection of sleep disorders, it also plays an important role. Several techniques have been proposed, including using sensors to record physiological signals that are automatically examined and analysed. This work aims to evaluate using a contactless HR monitoring system based on an accelerometer sensor during sleep. For this purpose, the oscillations caused by chest movements during heart contractions are recorded by an installation mounted under the bed mattress. The processing algorithm presented in this paper filters the signals and determines the HR. As a result, an average error of about 5 bpm has been documented, i.e., the system can be considered to be used for the forecasted domain.
Menopause is the permanent cessation of menstruation occurring naturally in women's aging. The most frequent symptoms associated with menopausal phases are mucosal dryness, increased weight and body fat, and changes in sleep patterns. Oral symptoms in menopause derived from saliva flow reduction can lead to dry mouth, ulcers, and alterations of taste and swallowing patterns. However, the oral health phenotype of postmenopausal women has not been characterized. The aim of the study was to determine postmenopausal women's oral phenotype, including medical history, lifestyle, and oral assessment through artificial intelligence algorithms. We enrolled 100 postmenopausal women attending the Dental School of the University of Seville were included in the study. We collected an extensive questionnaire, including lifestyle, medication, and medical history. We used an unsupervised k-means algorithm to cluster the data following standard features for data analysis. Our results showed the main oral symptoms in our postmenopausal cohort were reduced salivary flow and periodontal disease. Relying on the classical assessment of the collected data, we might have a biased evaluation of postmenopausal women. Then, we used artificial intelligence analysis to evaluate our data obtaining the main features and providing a reduced feature defining the oral health phenotype. We found 6 clusters with similar features, including medication affecting salivation or smoking as essential features to obtain different phenotypes. Thus, we could obtain main features considering differential oral health phenotypes of postmenopausal women with an integrative approach providing new tools to assess the women in the dental clinic.
Fragestellung: Das klinische Standardverfahren und Referenz der Schlafmessung und der Klassifizierung der einzelnen Schlafstadien ist die Polysomnographie (PSG). Alternative Ansätze zu diesem aufwändigen Verfahren könnten einige Vorteile bieten, wenn die Messungen auf eine komfortablere Weise durchgeführt werden. Das Hauptziel dieser Forschung Studie ist es, einen Algorithmus für die automatische Klassifizierung von Schlafstadien zu entwickeln, der ausschließlich Bewegungs- und Atmungssignale verwendet [1].
Patienten und Methoden: Nach der Analyse der aktuellen Forschungsarbeiten haben wir multinomiale logistische Regression als Grundlage für den Ansatz gewählt [2]. Um die Genauigkeit der Auswertung zu erhöhen, wurden vier Features entwickelt, die aus Bewegungs- und Atemsignalen abgeleitet wurden. Für die Auswertung wurden die nächtlichen Aufzeichnungen von 35 Personen verwendet, die von der Charité-Universitätsmedizin Berlin zur Verfügung gestellt wurden. Das Durchschnittsalter der Teilnehmer betrug 38,6 +/– 14,5 Jahre und der BMI lag bei durchschnittlich 24,4 +/– 4,9 kg/m2. Da der Algorithmus mit drei Stadien arbeitet, wurden die Stadien N1, N2 und N3 zum NREM-Stadium zusammengeführt. Der verfügbare Datensatz wurde strikt aufgeteilt: in einen Trainingsdatensatz von etwa 100 h und in einen Testdatensatz mit etwa 160 h nächtlicher Aufzeichnungen. Beide Datensätze wiesen ein ähnliches Verhältnis zwischen Männern und Frauen auf, und der durchschnittliche BMI wies keine signifikante Abweichung auf.
Ergebnisse: Der Algorithmus wurde implementiert und lieferte erfolgreiche Ergebnisse: die Genauigkeit der Erkennung von Wach-/NREM-/REM-Phasen liegt bei 73 %, mit einem Cohen’s Kappa von 0,44 für die analysierten 19.324 Schlafepochen von jeweils 30 s. Die beobachtete gewisse Überschätzung der NREM-Phase lässt sich teilweise durch ihre Prävalenz in einem typischen Schlafmuster erklären. Selbst die Verwendung eines ausbalancierten Trainingsdatensatzes konnte dieses Problem nicht vollständig lösen.
Schlussfolgerungen: Die erreichten Ergebnisse haben die Tauglichkeit des Ansatzes prinzipiell bestätigt. Dieser hat den Vorteil, dass nur Bewegungs- und Atemsignale verwendet werden, die mit weniger Aufwand und komfortabler für Benutzer aufgezeichnet werden können als z. B. Herz- oder EEG-Signale. Daher stellt das neue System eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu bestehenden Ansätzen dar. Die Zusammenführung der beschriebenen algorithmischen Software mit dem in [1] beschriebenen Hardwaresystem zur Messung von Atem- und Körperbewegungssignalen zu einem autonomen, berührungslosen System zur kontinuierlichen Schlafüberwachung ist eine mögliche Richtung zukünftiger Arbeiten.
The scoring of sleep stages is one of the essential tasks in sleep analysis. Since a manual procedure requires considerable human and financial resources, and incorporates some subjectivity, an automated approach could result in several advantages. There have been many developments in this area, and in order to provide a comprehensive overview, it is essential to review relevant recent works and summarise the characteristics of the approaches, which is the main aim of this article. To achieve it, we examined articles published between 2018 and 2022 that dealt with the automated scoring of sleep stages. In the final selection for in-depth analysis, 125 articles were included after reviewing a total of 515 publications. The results revealed that automatic scoring demonstrates good quality (with Cohen's kappa up to over 0.80 and accuracy up to over 90%) in analysing EEG/EEG + EOG + EMG signals. At the same time, it should be noted that there has been no breakthrough in the quality of results using these signals in recent years. Systems involving other signals that could potentially be acquired more conveniently for the user (e.g. respiratory, cardiac or movement signals) remain more challenging in the implementation with a high level of reliability but have considerable innovation capability. In general, automatic sleep stage scoring has excellent potential to assist medical professionals while providing an objective assessment.
Identifikation von Schlaf- und Wachzuständen durch die Auswertung von Atem- und Bewegungssignalen
(2021)
Recognition of sleep and wake states is one of the relevant parts of sleep analysis. Performing this measurement in a contactless way increases comfort for the users. We present an approach evaluating only movement and respiratory signals to achieve recognition, which can be measured non-obtrusively. The algorithm is based on multinomial logistic regression and analyses features extracted out of mentioned above signals. These features were identified and developed after performing fundamental research on characteristics of vital signals during sleep. The achieved accuracy of 87% with the Cohen’s kappa of 0.40 demonstrates the appropriateness of a chosen method and encourages continuing research on this topic.
The main aim of presented in this manuscript research is to compare the results of objective and subjective measurement of sleep quality for older adults (65+) in the home environment. A total amount of 73 nights was evaluated in this study. Placing under the mattress device was used to obtain objective measurement data, and a common question on perceived sleep quality was asked to collect the subjective sleep quality level. The achieved results confirm the correlation between objective and subjective measurement of sleep quality with the average standard deviation equal to 2 of 10 possible quality points.
Background
The actual task of electrocardiographic examinations is to increase the reliability of diagnosing the condition of the heart. Within the framework of this task, an important direction is the solution of the inverse problem of electrocardiography, based on the processing of electrocardiographic signals of multichannel cardio leads at known electrode coordinates in these leads (Titomir et al. Noninvasiv electrocardiotopography, 2003), (Macfarlane et al. Comprehensive Electrocardiology, 2nd ed. (Chapter 9), 2011).
Results
In order to obtain more detailed information about the electrical activity of the heart, we carry out a reconstruction of the distribution of equivalent electrical sources on the heart surface. In this area, we hold reconstruction of the equivalent sources during the cardiac cycle at relatively low hardware cost. ECG maps of electrical potentials on the surface of the torso (TSPM) and electrical sources on the surface of the heart (HSSM) were studied for different times of the cardiac cycle. We carried out a visual and quantitative comparison of these maps in the presence of pathological regions of different localization. For this purpose we used the model of the heart electrical activity, based on cellular automata.
Conclusions
The model of cellular automata allows us to consider the processes of heart excitation in the presence of pathological regions of various sizes and localization. It is shown, that changes in the distribution of electrical sources on the surface of the epicardium in the presence of pathological areas with disturbances in the conduction of heart excitation are much more noticeable than changes in ECG maps on the torso surface.
Artefaktkorrektur und verfeinerte Metriken für ein EEG-basiertes System zur Müdigkeitserkennung
(2019)
Fragestellung: Müdigkeit ist ein oft unterschätztes, aber dennoch großes Problem im Straßenverkehr. Von rund 2,5 Mio. Verkehrsunfällen 2015 in Deutschland, waren 2898 Unfälle, mit insgesamt 59 Toten (~1,7 % der Todesfälle), auf Übermüdung zurückzuführen. Schätzungen gehen von einer Dunkelziffer von bis zu 20 % aus. In einer ersten eigenen Studie wurde überprüft, ob ein mobiles EEG in einem Fahrsimulator Müdigkeitszustände zuverlässig erkennen kann. Die Erkennungsrate lag lediglich bei 61 %. Ziel dieser Arbeit ist, das verwendete Messsystem zu verbessern. Dazu wird die Genauigkeit durch eine Artefaktkorrektur und mit Hilfe von verfeinerten Qualitätsmetriken erhöht. Eine erkannte Übermüdung wird dem Fahrer dann in angemessener Weise angezeigt, so dass er entsprechend reagieren kann.
Patienten und Methoden: Die Independent Component Analysis (ICA) ist ein multivariates Verfahren, um mehrere Zufallsvariablen zu analysieren. Für die Entscheidung, ob ein Fahrer gerade müde oder wach ist, wird der erstellte Merkmalsvektor für jede Sequenz mit ICA klassifiziert. Dafür wird ein trainierter Machine-Learning-Algorithmus eingesetzt, der in der Lage ist, auch unbekannte Datensätze in Klassen einzuteilen. Um die benötigten Frequenzwerte zu erhalten, wurde für jeden EEG-Kanal eine Fourier Transformation durchgeführt. Der erstellte Merkmalsvektor wird im nächsten Schritt durch ein Künstliches Neuronales Netz klassifiziert. Für das Training werden vorab erstellte Merkmalsvektoren mit den Klassen „Wach“ und „Müde“ versehen. Diese Daten werden zufällig gemischt und im Verhältnis 2:1 in eine Trainings- und Testmenge geteilt. Das Experiment wurde mit acht Personen mit jeweils zweimal 45 min Testfahrt durchgeführt.
Ergebnisse: Der komplette Datensatz besteht aus 150.000 Signalwerten, welche zu ca. 7000 Sequenzen zusammengefasst werden. Durch die Anwendung der Qualitätsmetrik bleiben 4370 Sequenzen für das Training übrig. Bei invaliden Sequenzen aufgrund von EEG-Artefakten gibt es deutliche Unterschiede. Im „Wach“ Zustand werden dreimal so viele Sequenzen verworfen als im „Müde“ Zustand. Insgesamt werden bei wachen Probanden im Schnitt ca. 50 % der Sequenzen verworfen, bei Müden lediglich 25 %. Im Durchschnitt erreicht das System eine Erkennungsrate von 73 % für beide Zustände. Vergleicht man nun das Verhältnis von „Wach“ und „Müde“ und lässt „Leichte Müdigkeit“ außen vor, liegen die Ergebnisse bei über 90 %.
Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse zeigen, dass die Aufmerksamkeit während des Experiments abnimmt bzw. die Müdigkeit zunimmt. Dies verdeutlichen zum einen subjektive und objektive Beobachtungen von Müdigkeitsanzeichen. Zum anderen lassen sich messbare und klassifizierbare Unterschiede im EEG Signal nachweisen. Die als Merkmale eingesetzten Theta-Wellen zeigten eine niedrigere Amplitude gegen Ende des Experiments. Die Erweiterung der binären Klassifizierung führt zu einer weiteren Stabilisierung der Ergebnisse. Artefaktkorrektur und Qualitätsmetriken steigern die Güte der Daten weiter. Die entwickelte Anwendung zur Müdigkeitserkennung ermittelt messbare Zeichen von Müdigkeit und kann eine gute Entscheidung über die Fahrtauglichkeit treffen.
The investigation of stress requires to distinguish between stress caused by physical activity and stress that is caused by psychosocial factors. The behaviour of the heart in response to stress and physical activity is very similar in case the set of monitored parameters is reduced to one. Currently, the differentiation remains difficult and methods which only use the heart rate are not able to differentiate between stress and physical activity, without using additional sensor data input. The approach focusses on methods which generate signals providing characteristics that are useful for detecting stress, physical activity, no activity and relaxation.