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Sleep quality and in general, behavior in bed can be detected using a sleep state analysis. These results can help a subject to regulate sleep and recognize different sleeping disorders. In this work, a sensor grid for pressure and movement detection supporting sleep phase analysis is proposed. In comparison to the leading standard measuring system, which is Polysomnography (PSG), the system proposed in this project is a non invasive sleep monitoring device. For continuous analysis or home use, the PSG or wearable actigraphy devices tends to be uncomfortable. Besides this fact, they are also very expensive. The system represented in this work classifies respiration and body movement with only one type of sensor and also in a non invasive way. The sensor used is a pressure sensor. This sensor is low cost and can be used for commercial proposes. The system was tested by carrying out an experiment that recorded the sleep process of a subject. These recordings showed the potential for classification of breathing rate and body movements. Although previous researches show the use of pressure sensors in recognizing posture and breathing, they have been mostly used by positioning the sensors between the mattress and bedsheet. This project however, shows an innovative way to position the sensors under the mattress.
The development of automatic solutions for the detection of physiological events of interest is booming. Improvements in the collection and storage of large amounts of healthcare data allow access to these data faster and more efficiently. This fact means that the development of artificial intelligence models for the detection and monitoring of a large number of pathologies is becoming increasingly common in the medical field. In particular, developing deep learning models for detecting obstructive apnea (OSA) events is at the forefront. Numerous scientific studies focus on the architecture of the models and the results that these models can provide in terms of OSA classification and Apnea-Hypopnea-Index (AHI) calculation. However, little focus is put on other aspects of great relevance that are crucial for the training and performance of the models. Among these aspects can be found the set of physiological signals used and the preprocessing tasks prior to model training. This paper covers the essential requirements that must be considered before training the deep learning model for obstructive sleep apnea detection, in addition to covering solutions that currently exist in the scientific literature by analyzing the preprocessing tasks prior to training.
Sleep is an essential part of human existence, as we are in this state for approximately a third of our lives. Sleep disorders are common conditions that can affect many aspects of life. Sleep disorders are diagnosed in special laboratories with a polysomnography system, a costly procedure requiring much effort for the patient. Several systems have been proposed to address this situation, including performing the examination and analysis at the patient's home, using sensors to detect physiological signals automatically analysed by algorithms. This work aims to evaluate the use of a contactless respiratory recording system based on an accelerometer sensor in sleep apnea detection. For this purpose, an installation mounted under the bed mattress records the oscillations caused by the chest movements during the breathing process. The presented processing algorithm performs filtering of the obtained signals and determines the apnea events presence. The performance of the developed system and algorithm of apnea event detection (average values of accuracy, specificity and sensitivity are 94.6%, 95.3%, and 93.7% respectively) confirms the suitability of the proposed method and system for further ambulatory and in-home use.
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.
Energy-efficiency and safety became an important factor for car manufacturers. Thus, the cars have been optimised regarding the energy consumption and safety by optimising for example the power train or the engine. Besides the optimisation of the car itself, energy-efficiency and safety can also be increased by adapting the individual driving behaviour to the current driving situation. This paper introduces a driving system, which is in development. Its goal is to optimise the driving behaviour in terms of energy-efficiency and safety by giving recommendations to the driver. For the creation of a recommendation the driving system monitors the driver and the current driving situation as well as the car using in-vehicle sensors and serial-bus systems. On the basis of the acquired data, the driving system will give individual energy-efficiency and safety recommendations in real-time. This will allow eliminating bad driving habits, while considering the driver needs.
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.
This work is a study about a comparison of survey tools and it should help developers in selecting a suited tool for application in an AAL environment. The first step was to identify the basic required functionality of the survey tools used for AAL technologies and to compare these tools by their functionality and assignments. The comparative study was derived from the data obtained, previous literature studies and further technical data. A list of requirements was stated and ordered in terms of relevance to the target application domain. With the help of an integrated assessment method, the calculation of a generalized estimate value was performed and the result is explained. Finally, the planned application of this tool in a running project is explained.
While driving, stress is caused by situations in which the driver estimates their ability to manage the driving demands as insufficient or loses the capability to handle the situation. This leads to increased numbers of driver mistakes and traffic violations. Additional stressing factors are time pressure, road conditions, or dislike for driving. Therefore, stress affects driver and road safety. Stress is classified into two categories depending on its duration and the effects on the body and psyche: short-term eustress and constantly present distress, which causes degenerative effects. In this work, we focus on distress. Wearable sensors are handy tools for collecting biosignals like heart rate, activity, etc. Easy installation and non-intrusive nature make them convenient for calculating stress. This study focuses on the investigation of stress and its implications. Specifically, the research conducts an analysis of stress within a select group of individuals from both Spain and Germany. The primary objective is to examine the influence of recognized psychological factors, including personality traits such as neuroticism, extroversion, psychoticism, stress and road safety. The estimation of stress levels was accomplished through the collection of physiological parameters (R-R intervals) using a Polar H10 chest strap. We observed that personality traits, such as extroversion, exhibited similar trends during relaxation, with an average heart rate 6% higher in Spain and 3% higher in Germany. However, while driving, introverts, on average, experienced more stress, with rates 4% and 1% lower than extroverts in Spain and Germany, respectively.
Today many scientific works are using deep learning algorithms and time series, which can detect physiological events of interest. In sleep medicine, this is particularly relevant in detecting sleep apnea, specifically in detecting obstructive sleep apnea events. Deep learning algorithms with different architectures are used to achieve decent results in accuracy, sensitivity, etc. Although there are models that can reliably determine apnea and hypopnea events, another essential aspect to consider is the explainability of these models, i.e., why a model makes a particular decision. Another critical factor is how these deep learning models determine how severe obstructive sleep apnea is in patients based on the apnea-hypopnea index (AHI). Deep learning models trained by two approaches for AHI determination are exposed in this work. Approaches vary depending on the data format the models are fed: full-time series and window-based time series.
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.